应用于水环境治理的微生物原位修复技术

高叶松 王海海 吴迪

（中建生态环境集团有限公司 北京 100037）

0 引言

随着城市化水平的不断提高，城市水环境受城市化进程的影响愈来愈显著，越来越多的城市污染物被排放到城市河道中，导致城市水体污染日益加剧，严重影响了城市水环境质量和居民的健康。水体微生物原位修复技术是通过在水体适当位置添加微生物试剂或（及）营养元素等，并与水体充氧、微生物固定等技术相结合，提高水体土著微生物或外源微生物对污染物的降解能力，从而使水质逐步得到恢复的过程。该技术无须在水体中修建构筑物，可“就地”清除河水污染，削减底泥，快速解决水体突出的黑臭问题，已广泛应用于黑臭水体治理方面。

1 应用原理

微生物原位修复技术根据反应原理可分为生物增效技术及生物促生技术。生物增效技术通过添加具有特定降解功能的菌株以强化“土著”微生物的功效，其投加的微生物种类主要包括硝化菌、耐盐菌、低温菌、苯类、酚类等特定有机污染物降解菌等［1］。生物促生技术通过将激活微生物所需的各种营养物质制成生物促生剂（Bio-energizer），并把这些营养物质持续提供给水环境中的“土著”微生物，从而使得原来水体中的目标微生物被连续不断地激活并且快速繁殖，促进生态系统修复［2］。在实际应用中，通常情况下会将生物促生剂与生物增效技术联合使用，并采用生物包埋固定化技术以实现微生物、促生剂的缓慢释放。需要注意的是，固定化微生物技术仅仅实现了投加微生物持续缓慢释放，如果要发挥明显的处理效果，必须使水体环境因子满足目标微生物要求，以确保投加的微生物在水体中实现二次繁殖，在达到足够的浓度后实现预期的处理效果。

2 适用性分析

微生物原位修复技术可适用于水体中本底生物菌群系统受到破坏后的快速恢复、水体含有常规“土著”微生物难以降解的污染物或能降解特定污染物的微生物难以成为优势菌群的情况，主要包括：

（1）污染水体由于环境因子的改变导致本底生物菌群系统收到破坏，菌群失衡，如黑臭水体，微生物菌群以厌氧菌、缺氧菌为主，好氧菌、光合菌活性受抑制。完成截污后，可通过投加生物促生剂实现微生物菌群的快速恢复及日常处理效果强化。

（2）当水体含有苯类、酚类污染物时，需要特定微生物完成“开环断链”，其他菌群微生物才能进行下一步的降解反应。而能完成苯类、酚类“开环断链”的微生物菌群一般世代周期较长，在水体中难以成为优势菌群，导致当水体中含有此类污染物时，“土著”微生物难以发挥良好的去除效果［3］。

（3）当水体中氨氮浓度较高时，由于硝化菌世代周期长，对DO、BOD5、温度等环境因子敏感，易受有毒污染物冲击，导致难以成为优势菌群，对氨氮的去除效率难以得到保障［4］。

（4）当水体温度较低时，微生物代谢活性下降，导致对污染物的降解效率下降。耐低温菌细胞膜中脂类含量较低，代谢过程中主动运输这一关键环节受温度影响较低，代谢活性受低温影响较小，因此可通过补充耐低温菌，提升对污染物的降解效率。

（5）当水体含盐量忽然增加时，由于升高的环境渗透压导致微生物细胞膜及菌体的酶受到破坏，从而破坏微生物的生理活动。耐盐菌由于其存在于DNA 质粒的耐盐基因，在高盐度下依然能保持较高的代谢活性［5］。需要注意的是，由于质粒不是细菌生长繁殖所必需的物质，可出现自行丢失情况，因此，当水体含盐量下降后，其耐盐能力可能会逐渐消失。

3 技术应用建议

受污染水体一般均具有流动性，外加微生物菌剂容易流失，因此，如何保证投加的微生物菌剂与污染物、土著微生物之间有充分的停留时间相接触并实现二次增殖，成为实现受污染水体微生物修复技术效果的主要制约因素之一。

3.1 菌剂投加方法选择

微生物菌剂投加时应根据不同的水体特征选择不同的投加方法，现阶段常用的微生物菌剂投加方法主要有直接投加法、二次培养返回法、固定化缓释投加法、根系附着法等，不同投加方法适用条件如下［7］。

（1）直接投加法。此种投加方法适用于流动性较差的水体，如湖泊、水库或城市内河等，可直接向受污染水域表面均匀泼洒微生物和营养液，投加的微生物或生物促生剂可利用其扩散性能在更深更广的水域发生作用，操作简单。如在流动性较好的河道中使用，则需在河流上游部分投加，以使微生物或促生剂在随水流往下游移动的过程中有充分的停留时间发生作用。为了减少微生物流失，通常与微生物填料附着载体联合使用。

（2）二次培养返回法。该种方法适用于投加微生物的生物增效技术。取出一定量待处理水体的原水投放菌剂，并提供微生物生长的其他环境条件，使投加微生物快速激活并大量增殖，待数量达到一定程度后返回受污染水体中。该方法可使远大于最初投加量的目标微生物被释放到受污染水体中，且由于微生物在生长时将混合液中的有机质作为基质利用，可快速适应水体环境，具有菌剂投加量少，处理效果好、见效快等优点，但需一些辅助设备。同时为避免培养时土著微生物中非目标微生物异常繁殖，一般需要对用于培养的原水进行消毒处理。需要注意的是，如果生物促生技术采用此种方法时，需要提前对土著微生物菌群组成进行评估，以避免出现非目标微生物大量繁殖，投加到水体后处理效果失控的情况出现。

（3）固定化缓释投加法。固定化微生物技术是利用化学或物理的手段将游离的微生物固定或限制于某一特定载体，使之保持生物活性并在实际应用中缓慢释放。该技术以吸附法和包埋法的应用最为广泛。通过固定化微生物技术的使用，可实现微生物菌群的缓慢释放，实现自动投加。但是，该技术在污染水体治理中的应用存在以下方面的问题：①载体生产成本较高；②固定载体污染导致的菌群失活、基质扩散阻力等因素导致处理效果不稳定。

（4）根系附着法。该方法通常与生态浮岛类技术相结合。根系附着法可以直接将菌种投加到受污染区域的水生植物根系附近的水体中，也可尝试在室内栽有水生植物的培养液中投加微生物菌种，使其先在水生植物根系挂膜，成功后再将水生植物移入受污染水体或底泥中。也可用类似的办法投加营养液。该法可实现微生物的固定化，充分发挥微生物和植物的共代谢作用，但作用区域偏小［7］。

3.2 环境因子控制

微生物的生命活动是由其细胞内外的一系列物化环境系统统一体所构成的。除营养条件外，包括物理因素、化学因素和生物因素等环境因素均能对微生物的生长繁殖、生理生化过程产生很大影响。不同微生物菌群生长繁殖所需的最适宜环境因素不同，典型微生物菌剂产品的功能说明以及对环境因素的需求统计详见表1。

表1 典型菌剂功能说明及环境因子需求

实际应用中，针对目标污染物做好使用菌群筛选的同时，需要将微生物菌剂与工程措施相结合，营造适宜微生物生存的外界环境，以实现微生物的大量增殖，方可实现预期的处理效果。

3.3 附着填料选择

为保持较高浓度的微生物，通常采用布设人工填料的方式，为微生物提供附着场所。人工填料一般由高分子材料复合而成，仿水草枝叶，能在水中自由飘动，形成上中下立体结构层，具有多孔结构、高比表面积，可作为投加微生物的附着材料，形成“好氧-兼氧-厌氧”复合结构的微环境，实现预期的污染物去除效果。人工水草应选用比表面积大、性价比高、使用寿命长、表面吸附性强，微生物易附着，且易挂膜、脱膜的产品。人工填料的布设应考虑河道排污口位置、污染物种类、水体流态、溶解氧及日常维护等因素。常见人工填料性能对比详见表2［7］。

表2 填料性能对比

3.4 其他注意事项

（1）采用微生物原位修复技术，首先需要在充分调研的基础上，针对处理的目标污染物，明确所需微生物菌群及配比；其次应分析菌剂发挥作用所需条件并进行配套工程措施建设，编制详细的技术应用方案。方案中应对菌剂投加方式、投加位置、水环境因子控制、微生物附着填料等影响微生物保持的因素进行充分论证；最后还应进行周边环境的影响分析，确保生态安全。

（2）微生物产品性能随出厂时间延长而产生衰减，导致处理效果下降；产品污染可能导致大量非目标菌群滋生，使用后可能产生不可预见的后果。建议制定产品储存方案及详细的操作规程，避免产品储存及使用过程中可能产生的性能衰减及菌剂污染等问题。

（3）微生物原位修复技术的适用必须建立在投加微生物对环境无害的基础上。一般情况下不建议使用基因工程菌，避免可能存在功能不稳定及可能产生未知的环境微生物污染风险的问题。

4 结语

微生物修复技术具有净化污染物、促进生态系统向良性方向演替的功能，在受污染水域中有良好的应用前景。该技术作用的发挥依赖于水体中环境因子的满足及足够的浓度目标微生物的保持。微生物菌群的复配、生物促生剂配方是否合理、高密度发酵技术的应用、菌群活性的保持等因素对于实际应用效果的发挥同样具有关键意义。因此，该技术在具体使用上，一定要遵循微生物生理生态学原理，并与工程措施相结合，因地制宜的选择合适菌群及使用方法，使微生物生态修复技术实现最佳的处理效果。