浅谈湖泊水体复合微生物原位修复技术

王 珏 孙 康 赵平歌 刘金涛

（1．中交第三公路工程局有限公司，内蒙古 巴彦淖尔 015000；2．西安工业大学建筑工程学院，陕西 西安 710000）

0 引言

近几十年来，随着社会的发展、水资源的过度使用和污染状况的恶化，我国大多数小湖泊和河流已经开始或已经成为富营养化的水体。目前，富营养化湖泊的管理方法主要包括化学重建、生物修复和物理修复3类。其中最适宜进行生态修复的生物修复，尽管其操作时间有一定的限制，但是能够恢复湖泊水体的生态系统，使其能够迅速和直接地从湖泊中清除受污染的部分，并增加水的体积，适用于底泥富营养化的水域。原始的底泥清理法的广泛使用随着一些环境风险，其主要不利影响是水中富营养化底泥的净化可能导致底泥产生重悬浮液，破坏了湖泊底泥的微生态系统，其结果是在短期内大量释放高热量和营养盐，这些污染物在短时间内难以通过湖泊自净能力进行消除，导致底泥净化后湖泊仍为富营养化水体[1]。

氮磷的过量排放往往是造成水体富营养化及蓝藻类水生植物大量繁殖的主要原因。近年来的研究表明，过度释放氮，而不是磷，往往导致蓝藻类在水体中迅速繁殖，特别是在秋季和冬季，在低温条件下，氮过剩继续刺激蓝藻类的繁殖，造成冬季蓝色藻类异常爆发。因此，不完全净化后水质急剧变化对社会和环境的影响已经产生了不可避免的副作用。如南京玄武岩湖、无锡太湖，在清除底泥几年之后，蓝色藻类的爆发完全抵消了清除的积极影响。目前，国内外众多研究者对底泥清淤后释放营养盐、清淤对底栖生物的影响、改进底泥清淤产生的副作用以及生态性的湖泊水体原位修复方法等问题开展了大量研究，以期加快重塑湖泊水体的正常生态环境。

1 湖泊水体原位修复的不同层次

湖泊水体原位修复的不同层次主要包括美观、规划和生态3个方面。通过多种微生物的功能结合，可以实现氮、氨和有机氮的转化，加快重塑区域生态环境。为了研究通过复合微生物实现原位修复湖泊水体的3个层次，同时为后期的可持续水管理技术奠定基础，人们对微生物的捕获和控制氮的作用进行研究，通过各种微生物的结合，分析其对水体氮的影响和有效去除氮的效果[2]。

1.1 美观层面

湖泊水体修复通常首先解决美观层面的问题，包括绿化工程和景观建设，即为了全面重建湖泊水体及其河岸，将其建设成为一个公园或湿地，通过景观设计，创造一个美丽舒适的沿水环境，吸引人们参观，有效地增加水的景观和休闲功能，并通过景观绿化防止部分水污染[3]。城市水资源的恢复也是提高城市水资源经济价值的一个重要步骤，与水资源周围景观的改善有关的不仅仅是水的质量和水生态系统的恢复，也是水资源综合管理的第一步。

1.2 规划层面

湖泊水体修复规划层面涉及截污整治及清淤工程；需要对水体的内部污染和外部污染进行控制，并利用复合微生物净化湖泊水体。水体外部污染源分为点源污染和面源污染，点源的污染可以通过拦截和管理进行控制，而面源污染必须对水体沿线进行全面清除。无论是拦截还是全面清除水体沿线的污染源都具有相当大的工程规模，可以通过研究特定用途净化功能的复合微生物进行辅助处理。合理的规划和处理对于生态系统的恢复至关重要。

1.3 生态层面

主体自净是其在生态层面上的重要功能，对于实现生态重建意义重大。水体如果处于完全截污的情况，则可以依托于生态恢复功能而实现自净的目标。然而，水体自净过程过于漫长，如果水体污染超出了一定范围，耗时会大大增加。为了在短时间内恢复生态系统的功能，必须采取人为的生态系统恢复措施，包括微生物、水生动物、水植物等技术，缩短水生态系统的恢复周期，以水体自净为基础，加速回到生态多样性的状态，实现水环境的正常化，即达到湖泊水体原位修复的核心目标。

2 水体污染生物修复的目标和方法

2.1 水体污染生物修复的目标

原位修复湖泊的目标是实现水体的多方面修复水平，即减少污染、修整水岸、生态恢复，加速湖泊水体的各项功能恢复到正常状态。事实表明，如果要恢复水体的功能，需要首先实现生态系统多样性的恢复，唯有如此才可以确保生态系统保持稳定。

2.2 水体污染修复的方法

目前，水资源修复主要通过以下几种方法实现。

底泥清淤在土壤污染清除方面发生了重要作用，但是可能会对生态平衡造成负面影响。为了实现原位修复湖泊水体这一目标，还需要结合复合微生物等其他控制水体污染、促进水环境恢复的必要方法。

引水排水能够有效改善水质、强化水动力及水环境丰富性，但耗费较大且只能辅助湖泊水体生态系统的构建。

水生植物可产生优美的景观效果，保持水的生态环境的可持续性，而它们对水污染环境的污水处理能力薄弱，而且往往无法适应环境，因此，水生动植物恢复更多地涉及水资源修复后期和维护生态系统的稳定。

微生物在环境恢复中起着重要作用，微生物在物质代谢和污染物分解、水生生物建设中占有中心地位，可适应不同污染情况的不同层次的不同作用，在恢复生态系统方面发挥了重要的作用。而复合微生物则能够通过不同微生物间的组合，调配综合功能，从而在控制污水排放、降低水体氮磷、重建水生态环境等方面发挥了重要的作用，因此，微生物的恢复一直是研究原位修复湖泊水体的热点。

生物修复技术涉及许多修复过程，其中，核心技术包括水环境修复技术、水体生物净化技术和底泥修复技术。水环境修复技术又包括人工湿地技术、生物虑床技术、污染生物反应器3项。这3项基本技术针对的是被污染水体的表层和底层的修复和治理。生物修复技术工序如图1所示，主要是通过促生配方对水体底泥生化物进行氧化，通过种植、生物滤床、人工湿地等对环境进行修复，达到水体净化的目标。

3 当前复合微生物原位修复湖泊水体的应用

3.1 去除难降解有机物

图1 生物修复技术工序

湖泊水体中含有大量难处理的有机物。如果采用传统的废水处理工艺，则对水中难降解污染物的处理效果不明显[4]。在传统的生物脱氮过程中，氨化反应是指含氮有机物在氨化功能菌的代谢下，经分解转化为NH4+的过程。含氮有机物在有分子氧和无氧的条件下都能被相应的微生物所分解，释放出氨。硝化反应由好氧自养型微生物完成，在有氧状态下，利用无机氮为氮源将化成然后再氧化成的过程。反硝化反应是在缺氧状态下，反硝化菌将亚硝酸盐氮、硝酸盐氮还原成气态氮（N2）的过程[5],如图2所示。

图2 生物脱氮过程示意图

对于污染水体，其去除率取决于原废水的生物降解能力。在处理本身中，废水中的有机颗粒和胶体被絮凝并吸附在要清除的微生物表面。在此过程中，不溶性微生物必须被吸附在表面上，以被酶水解和吸收。处理溶解的有机物后，它会直接进入微生物细胞，然后再使用。微生物强化技术在一定程度上促进了微生物的有氧代谢。通过微生物的吸附和新陈代谢，可以有效去除黑色和芳香水中的污染物。

3.2 去除水中营养物质

氮和磷是湖泊水体中的两种常见污染物。AO工艺将前段缺氧段和后段好氧段串联在一起。在缺氧段异养菌将污水中的淀粉、纤维、碳水化合物等悬浮污染物和可溶性有机物水解为有机酸，使大分子有机物分解为小分子有机物，不溶性的有机物转化成可溶性有机物，当这些经缺氧水解的产物进入好氧池进行好氧处理时，可提高污水的可生化性及氧的效率；在缺氧段，异养菌将蛋白质、脂肪等污染物进行氨化（有机链上的N或氨基酸中的氨基）游离出氨在充足供氧条件下，自养菌的硝化作用将氧化为通过回流控制返回至A池，在缺氧条件下，异养菌的反硝化作用将还原为分子态氮（N2）完成C、N、O在生态中的循环，实现污水无害化处理[6]。如图3所示。

图3 A/O工艺流程图

3.3 去除底泥中有机物

湖泊水体中污泥中的有机物含量一般较高，当有机物与废水一起进入通道后，一部分有机物在自然作用下沉积，最终将增加底泥中有机物的含量。在处理黑臭水时，底部污泥的处理是非常重要的环节。它可以减少底部污泥的有机物含量，并完全去除底部污泥，从而有效地削弱了底部污泥与水体之间的相互物理作用，避免了水体的反复污染。在传统的黑臭水处理中，该处理过程的实际应用效果有限，并且容易使水浑浊并再次受到污染。基于此，改良的生物修复技术已经有效地用于去除底部泥浆中的有机物。实验结果表明，用 CHE-1 菌株处理废水沉积物可以显著降低沉积物中有机污染物的含量。在完全控制的反应条件下，底部污泥中有机污染物的去除率可以达到51%，处理效果特别明显。需要说明的是，微生物强化技术对底泥的处理有一定的效果，但是该技术的应用尚不完善，还需要优化。水体的生化作用是污染物被水体中各种微生物所分解的过程，如水中的好氧微生物会在氧的作用下，将一些有机物分解成无机物，如二氧化碳、水、乙醇和有机酸等简单化合物，使水体得到净化，如图4所示。

4 复合微生物原位修复湖泊水体存在的不足及构想

4.1 复合微生物原位修复湖泊水体存在的不足

在恢复水体生态的实践中，许多处理技术并不能实现预期目标，存在治理效果不佳、持续性不足等问题，在使用微生物技术方面同样也有一些限制：1） 在某些实际情况下，使用微生物技术的可能性很小，这主要是由于目前开发环境专业菌株的做法还不够成熟。2） 现有的微生物制剂制造商有不同的生产和质量标准。3） 微生物没有行业标准功能评估，没有国家标准评估，管理当局也缺乏环境恢复的经验。4） 微生物生态恢复方面的专业知识不足，废水处理和生态系统恢复方面的差距很大。此外，环境工程和生物科学之间的协同作用没有得到充分的发挥，导致在该领域中缺少专业知识、质量鉴定等；另外，也有一些人对微生物技术存在疑虑。

图4 有机物降解过程图

所以，以生态环境功能恢复为导向的微生物技术研究需要建立规范化标准体系，同时加强相关知识的普及。微生物技术不仅在水中的黑气味消除或水质差改善等方面发挥了作用，而且必须与水生态循环深度融合，通过建立完善的符合技术体系，实现湖泊水体的原位修复和综合管理。

4.2 复合微生物技术在污染水体处理中的构想

水污染主要是由于人类过度污染下的污水蓄积超出了环境自净能力。利用微生物做湖泊水体原位修复，能够通过微生物降解污水中的污染物，将其转为H2O、CO2等无害小分子。考虑到微生物活性、存储性等条件，一般选用惰性条件下的固体复合菌粉这类生物制剂。在条件适宜的情况下，微生物能够加速繁殖和有效留存，从而在湖泊水体中发挥作用，对污染水体的净化具有良好的应用效果。

复合微生物技术还可以通过与污水引流相结合，将污染水体集中起来，进行综合处理，实现资源回收、低耗治理等利用效果，有利于对污染水体的综合治理，控制湖泊水体富营养化问题。例如在城市污水正式排放到湖泊前，可以将复合微生物菌剂添加到污水排放管，以此环节水污染治理厂的压力，提高治理效率和质量，在确保水体质量达标之后才能将其排放，发挥微生物在水体物质循环中的优势，建立水质深度净化的功能系统。

此外，复合微生物技术也可以应用在农村污水处理中。首先需要归集农村污水，将复合微生物菌剂添加到农村污水归集处理池，在完成一级处理的基础上，应用藻类生物完成进一步的治理，通过复合微生物菌剂的堆肥处理而形成有机肥，以此实现物质的有机循环，发挥其优势，助力于农村的发展。

5 结语

将微生物原位修复应用于湖泊水体，可以实现环境保护以及生态美观需求，具有多重应用优势，但是当前研发成果还存在不足之处，一方面应当加强科学成果的研究，另一方面可以从污染水体源头开始，通过与污水引流相结合的综合治理，共创良好的水环境。