生物膜技术在受污染地表水修复中的应用

陈 航,黄可谈,陈中平,蒋 川

(金华市水文站,浙江 金华 321013)

0 引 言

水是人类生命之源,是人类赖以生存的基本物质,人类的生命活动和生产活动都离不开水.随着世界人口增长和社会经济发展,人们对水的需求日益增长,同时,用水的浪费和水资源的污染使优质水资源日益短缺,已成为制约可持续发展的重要因素.由于工农业及人类自身的需要,地表水域附近往往是人类聚居之地.城市的日益扩大和工农业的迅猛发展,导致周围水域的污染加重[1].目前,我国1/3以上的河段受到污染,90%以上的城市水域污染严重,尽管已采取了一些控制措施,但因排入地表水体的污染物生物降解性越来越差,造成污染物质在水体中长期累积,超过了地表水的自净能力.

以往,人们过多关注严重污染的场合,而对于污染程度不是很严重且常被忽视的地表水体污染问题却缺乏应有的重视,近年来,世界各国环境保护科研工作者均开始对此展开专项研究,提出了各种控制对策和治理措施,但限于地表水体的复杂性和庞大的治理工程开支,研究进展极其缓慢,可推广的成果不多.

地表水体是人类赖以生存的宝贵资源,其中便于利用的地表淡水资源仅占淡水总量的0.014%,其珍贵之处不言自喻.然而,工农业的快速发展,导致大量复杂的污染物通过各种途径输入地表水体,有限的地表水资源正在遭受着不同程度的污染,水体生态环境日趋恶化,生物多样性遭到严重破坏,不仅影响了人类正常生活,还制约着经济发展,污染地表水修复课题的研究迫在眉睫.

1 受污染地表水特征及修复技术

1.1 受污染地表水特征

地表水体不同于地下水体,同后者相比,前者因完全裸露于外界环境中,因此更缺乏自然的保护.河流、湖泊和湿地等是由种群丰富的土著微生物、水生植物和水生动物组成的、具有强大自净能力的独特生态系统.但由于种种原因,受到污染的地表水体遭受了超越自身净化能力的不可恢复性破坏,需要人为干预,恢复其生态原貌.

受污染地表水的特征主要有以下几方面[1].

(1)受污染途径多,包括沿水区域生活污水、工业厂矿废水、居民生活垃圾排放、农业径流、水路交通油品泄露以及雨水径流汇水携污等;

(2)流动性大,污染区域广,分布范围宽,难以异位集中处理;

(3)地表水体中颗粒物浓度较高,一些有毒有害有机物附着其上,并随之沉积于水底底泥中,有可能引起水的二次污染;

(4)污染程度和污染物分布受深度、流域、季节等多因素控制;

(5)具有晴储雨暴的污染特征;

(6)多数污染地表水属于微污染水体,污染物浓度较低,降解功能菌难以成为优势菌群.

1.2 污染地表水体修复技术

在污染水环境修复技术方面,目前主要分为两大部分,对于富营养化湖泊水体,主要采用营养盐控制,清淤挖泥,化学、机械等方法直接除藻,生物调控,水生高等植物修复,物理生态工程技术,固定化微生物技术等;而对于污染河道(流)主要采用前置库技术,湿地系统处理技术(包括天然湿地和人工湿地技术),土地渗滤处理(包括土地慢速渗滤、土地快速渗滤、人工复合渗滤床),生态滤池技术以及生态混凝土技术等.总体上可以归纳为化学修复法、物理修复法、生态修复法和生物修复法.

化学修复法的实质是利用化学药剂复杂的化学及物化作用(包括中和、络合、生成气体或沉淀、破乳化、胶体失稳、萃取、凝聚与絮凝等),将污染物从水相转移到另一种物相,污染物的物态虽然改变,但并未从根本上消灭污染物,且投加化学药剂易产生二次污染.

物理修复法是指利用阻隔物、过滤机、过滤池或大型沉淀池等方式去除水体中污染物的技术,修复对象的主要特征是悬浮物污染,经常采取疏挖底泥、机械除藻、引水清淤等措施,因适用范围的限制,往往与其他修复技术配合应用.

生物修复是利用植物、动物及微生物对污染物的富集、吸收降解等作用修复水体,修复过程可自然、原位地进行,工程投资仅为物理法、化学法修复的30%～50%.狭义的生物修复主要指微生物修复.

生态修复法主要采取塘、人工湿地、岸边带水生植被恢复、水生生物系统恢复及河道保护等技术,由于生态修复法的核心还是生物吸收、降解技术,因此常和生物修复联合使用.

污染地表水体的特殊性质增加了物理法、化学法修复的困难性.近年来,随着各种新型生物载体(填料)的研发,生物膜技术得到了发展,并被用于污染地表水的修复.

2 生物膜技术在地表水修复中的应用

生物膜技术是人们长期以来根据自然界中水体自净的现象,农田灌溉时土壤对污染物的净化作用以及有机物的腐败过程,总结、模拟而发展起来的一种污水处理技术.它以天然材料(如卵石、砾石及天然河床等)或人工合成接触材料(如塑料、纤维等)为载体,使微生物群体呈膜状附着于载体表面上,通过与污水接触,生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为营养并加以同化,从而使污水得到净化.由于载体比表面积大,可附着大量微生物,因此对污染物的降解能力很强.生物膜接触氧化法是生物—生态联合修复技术的一种主要工艺,其核心构件是生物填料,生物填料的材质和外型直接关系到生物膜量和处理性能.

2.1 生物膜法修复地表水的基本原理

地表水体砂砾表面一般都附着有一层微生物膜,当流水通过其表面时,其中的有机物就会被生物膜吸附,进而氧化分解,因而,地表水体本身具有一定的自净能力.通过填充填料来净化地表水体,实质是对地表水体自净能力的一种强化,即利用填料比表面积大,附着微生物种类多、数量大的特点,人为加大河流中可降解污染物质的微生物的种类和数量,从而使河流的自净能力成倍增长[2-3].

附着在填料上生物膜降解污染物质的过程一般可分为4个阶段.

(1)污染物质向生物膜表面扩散;

(2)污染物在生物膜内部扩散;

(3)微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应;

(4)代谢生成物排出生物膜.

生物膜由于固着在填料上,因此能在其中生长世代时间较长的微生物,如硝化菌等,见图1.另外,在生物膜上还可能大量出现丝状菌、轮虫、线虫等,使生物膜净化能力增强的同时还有脱氮除磷的作用.该方法由于没有引入外来菌种,所以没有改变地表水体原有的生态系统,有利于污染水体的自我恢复.

2.2 生物膜技术在地表水修复中的应用

用于微污染水体修复的生物膜技术是近年来国内外为解决水域污染而研究开发的重点技术.许多发达国家,如日本、韩国等已经用于工程实践,我国则刚刚起步,还只是处于试验阶段,但发展较快.当前,日韩等国用于净化河流的生物膜技术主要有砾间接触氧化法、人工填料接触氧化法、薄层流法和伏流净化法等[4-5].

图1 生物膜法修复机理

2.2.1 砾间接触氧化法

砾间接触氧化法是根据河床生物膜净化河水的原理设计而成,通过人工填充的砾石,使水与生物膜的接触面积增大数十倍,甚至上百倍.水中污染物在砾间流动过程中与砾石上附着的生物膜接触、沉淀,进而被生物膜作为营养物质而吸附、氧化分解,从而使水质得到改善.该方法使用天然材料为填料,花费少,净化效果好,因此得到了广泛的应用.如日本野川净化场、坂川古崎净化场和韩国良才川水质生态-生物修复设施[4,6-7].

日本多摩川支流野川因大量的生活污水排入致使水质恶化,BOD等各项指标严重超标,水体污染严重,给人们的生产和生活带来了极大的不便.为此,设立了野川净化场,使野川的水先进入净化场,经净化场净化后再注入多摩川.净化场设立在野川一侧的河滩地带,为地下构造式,自建成投入使用后,大约经过6年的运行结果观测,进入净化槽污水的BOD和SS的平均值为12.7 mg/L和9.0 mg/L,经净化槽净化后出水BOD和SS的平均值为5.2 mg/L和3.3 mg/L,去除率分别为59.1%和63.3%[4].此外,该净化场所需的填料卵石是现场取自多摩川的高水位河床,省工省钱;取水位也是利用野川的自然水位差设计,不需动力;净化场由于采用地下构造式,上覆土砂,还可做为居民游憩的公园或广场.日本江户川支流坂川古崎净化场也是以卵石作为填料,利用生物膜技术对水体进行净化.污染物在接触氧化槽内通过接触沉淀、吸附和氧化分解作用实现净化,自1993年投入运行以来,系列观测结果表明,河道微污染水体水质有明显改善[6].韩国良才川于1995年实施卵石接触氧化生物-生态治理工程,净化设施日处理能力为32 000 t/d.河水经拦河橡胶坝拦截后引入带拦污栅的进水口,水流经过进水自动阀,经污物滤网进入污水管流入接触氧化槽,氧化槽中放置卵石,污水通过氧化槽得到净化后,再汇集到清水出水管中,由清水出口排入橡胶坝下游侧.设施建成至今已稳定运行多年,治污效果显著[7].

2.2.2 人工填料接触氧化法

人工填料接触氧化法是在小型河道、排水沟(渠)内或外设置净化设施,在设施内填充粒状、细线状、垫子状、波板状填料等,利用填料比表面积大、空隙率高的特点,使大量的微生物附着在其表面,形成生物膜.当污水流过净化装置时,其中的污染物质与生物膜接触被吸附、沉淀,进而被分解.这样,污水在排入河流之前就能得到充分的净化,减少了河流污染的发生源.同时,还能对污染的河流起到稀释作用.近年来,该方法因其投资省、净化效果好,所以在河流的直接净化中应用较多,日本建设省已建成使用的采用该方法净化中小河流的处理设施就有150多个.如日本千叶县排水沟和广岛县福山市排水渠[4,8],我国太湖流域小河道修复试验研究[9].

福山市排水渠宽3.5 m,水深约 65 cm;进水的BOD值为2.8～8.1 mg/L,COD值为7.5～10.8 mg/L,SS为7.0～19.0 mg/L;流量为 2 328～10 368 m3/d.渠内布置细绳状生物填料,采用6段式设置,共延长32 m.经4年的运行,其BOD的去除率为11%～46%;COD的去除率为2%～32%;SS有去除率为16%～53%,进一步提高了排水渠的水质.千叶县排水沟净化设施设置于沟的一侧,采用新型不织布为填料,其特点是比表面积大、孔隙多、通气性好.该净化设施自1996年开始运行以来,净化效果十分明显,SS的净化效率达到了97%,BOD和COD的去除率也分别达到了88%和70%.大大减少了进入河流的污染物质的量,使河流污染得到了一定的控制[8].河海大学田伟君等[9]利用仿生填料在太湖林庄港进行了120 m长的河道修复试验,稳定运行期间填料上附着的生物膜厚度可达0.8～1.1 mm,对CODMn的去除率稳定在10%左右,对NH4+-N的去除率稳定在40%左右,对TN的去除率达到了20%,而对TP的去除率也在25%左右.王淑梅等[5]在深圳市福田河一420 m长的河段进行原位综合净化试验,经过 3个月的运行,CODCr,BOD5,NH+4-N,TN,TP和SS的去除率分别达到67.4%、87.7%、34.3%、30.3%、53.3%和 39.7%,该技术能够改善污染相对严重的城市河流水质.

2.2.3 薄层流法

河流自净主要通过附着在河床及水生植物上的生物膜以达到净化有机污染物的目的.薄层流净化法着眼于此,采用增大生物膜的附着面积,以减少单位生物膜的处理水量而提高河床的自净能力.具体方法是增加河面的宽度使水深变浅,增大河水与河床的接触面积,工程建设可使河流的净化能力增强数倍到数10倍[10].例如,河宽为原河流的2倍,水深为原河流的1/2,河流的净化能力就为原来的2倍;如河宽为原河流的4倍,水深为原河流的1/4,河流的净化能力就变成原来的4倍.

2.2.4 伏流净化法

伏流净化法主要是利用河床向地下的渗透作用和伏流水的稀释作用来净化河流的[10].所谓伏流即从河床向地下渗入沿地下水脉流动的地下水流.经泥沙过滤后的伏流水相对水质良好.伏流净化法是将伏流水用水泵抽出并送回河流,以降低地下水位来促使地下水加速渗透,该方法可被看作是一种缓速过滤法(微生物膜过滤),整个河床是一个大的过滤池,由河床上附着的生物膜构成缓速过滤池的过滤膜,污染的河水经过滤膜的过滤作用缓慢地向地下扩散,成为清洁的地下水.用于稀释的伏流水是渗入地下的清洁水,人为用泵提升到地面来稀释河流,使河流的自净作用进一步增强.

3 生物膜技术在应用中存在的问题及发展前景

人工生物膜强化净化技术的研究与应用虽然取得了很大的成功,但仍存在一些尚需解决的问题.

(1)实际应用范围较窄.该类技术目前大都应用在小的水体中,对整个水域系统自我恢复能力的强化应用还没有.

(2)应用过程中会对水域生态系统的结构和使用功能造成一定影响.如生物膜技术应用时的拦坝及在污染水体中使用的载体会影响到水域的航运和泄洪等功能.

(3)耗资较大.目前生物膜技术在基建及运行方面所需费用较高,每净化一条小河流就相当于建了一个污水处理厂.因此,该技术还需进一步完善.

从我国经济条件和各种技术的应用情况来看,生物-生态联合修复技术将是今后研究的重点.该联合技术综合了生物净化技术净化效果好的优点以及生态修复技术强化水域生态系统自我恢复能力的优点,提高水域的自净能力,恢复水域生态系统的原来面貌.人工生物膜技术是生物-生态联合修复技术的一种主要工艺,它在日韩等国的成功应用为我国开展污染地表水体修复治理提供了典范,随着我国环境保护力度的加强以及环境污染治理技术的发展,诸如生物膜技术等一批生物、生态修复技术将被广泛应用于污染地表水体的治理.

[1] 王占生,刘文君.微污染水源饮用水处理[M].北京：中国建筑工业出版社,2003.

[2] 刘 雨,赵庆良,郑兴灿.生物膜法污水处理技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2000.

[3] BOEIJE GEERT M,Schowanek Diederik R,Vanrolleghem Peter A.Incorporation of Biofilm Activity in River Biodegadation Modeling：A Case Study for Linear Alkylbenzene Sulphonate(Las)[J].Water Research,2000,34(5)：1479-1486.

[4] 田伟君,翟金波,王 超.城市缓流水体的生物强化净化技术[J].环境污染治理技术与设备,2003,4(9)：58-62.

[5] 王淑梅,王宝贞,金文标,等.城市污染河流水质原位综合净化技术[J].城市环境与城市生态,2008,21(4)：1-4.

[6] 高晓琴,姜 姜,张金池.生态河道研究进展及发展趋势[J].南京林业大学学报：自然科学版,2008,32(1)：103-106.

[7] 吴林林,黄民生,邓 乱.城市污染河流生物——生态治理研究与应用进展[J].净水技术,2006,25(6)：11-15.

[8] 田伟君,翟金波.生物膜技术在污染河道治理中的应用[J].环境保护,2003,8：19-21.

[9] 田伟君.河流微污染水体的直接生物强化净化机理与试验研究[D].河海大学,2006.

[10] 孙跃平,小仓宪治.城市小型河流水质直接净化的方法[J].环境导报,1999(6)：37-38.