微生物小球及菌液联用改善河道水环境

李奎鹏LI Kui-peng

（烟台市水利勘测设计研究院有限公司，烟台 264001；江苏东南生物科技有限公司，丹阳 212300）

0 引言

近年来，随着城市对环境资源开发利用程度的增加，大量富含氮、磷等营养物质的污染物不断排入城市内的河流，造成河流富营养化现象日益严重，部分河段甚至发黑发臭，严重影响了周边居民的生活健康，黑臭河道治理工作迫在眉睫。消除河道黑臭现象，除采取雨污分流、控源截污外，河道底泥污染治理同样是一个不容忽视的环节，在河道整治中，如果仅通过控制外源污染而忽视底泥内源污染时，河道水质很难达到改善效果。

1 河道底泥治理技术

河道底泥污染治理技术主要分为物理方法、化学方法和生物方法三种[1]。

1.1 物理治理技术

底泥物理治理方法的典型代表是清淤疏浚技术，通过清淤船、挖掘机等，将沉积于河道底部的底泥完全挖除。河道底泥挖除后，通常要回填黏土压实或回填砾石、卵石等。河道清淤疏浚既增加了行洪断面，又将底泥中的污染物同时转移带走，该方法技术成熟、见效快[2]。

清淤疏浚技术的主要缺点有三项：一是工程投资大、成本较高，需要耗费大量的财力物力，动用大量机械与人力，河道治理费用高昂；二是清淤疏浚大多需要围堰抽水，使得部分河段干枯，河道景观及生态遭到严重破坏，短期内无法恢复[3]；三是清淤后的底泥成为新的污染物，底泥内含有大量的氮、磷及重金属等污染物，极易造成二次污染。

1.2 化学治理技术

底泥的化学治理技术主要是通过投加化学药剂与底泥污染物发生化学反应，将底泥内污染物降解成无毒物质，从而达到污染治理目的。这类化学药剂主要有铁盐（三氯化铁）、铝盐及氢氧化钙等。化学治理技术具有投资小、操作简单等优点。

投加化学药剂可能对河道生态系统造成严重损坏，在降解污染物的同时，可能会毒杀水生动物、水生植物及微生物等，其潜在威胁还需进一步研究，目前仅能作为应急辅助手段。

1.3 生物治理技术

随着生物技术和生物科学的不断发展，生物修复的优势逐渐被人们所认知，生物治理技术主要是利用各类微生物的新陈代谢作用，将河道内的氮、磷、有机物等降解代谢。微生物修复技术可实现原位修复[4]，结合了物理治理和化学治理的优点，不产生二次污染，成本较低，适用范围广，具有广阔的应用发展前景。通过向水体投加具有特殊功能的优势菌种或采用基因重组技术产生的高效菌种，使其与自然菌群协同作用，可重新构建微生物菌群，提高微生物活性，修复受损的水生态系统，提高水体自净能力[5]。

2 微生物小球及菌液联用效果分析

2.1 微生物菌液制备

目前常见的河道治理用微生物菌液大多是在实验室内培育特定菌种，该方式培育成本低，优势菌种繁殖迅速，但是一旦应用于实际河道后，往往难以适应复杂的自然河道条件，菌种易丧失活性，逐渐被其他菌种取代。为专门制备用于河道治理的高效复合微生物活菌液，特以多条河道的河水、底泥作为初始菌种源，通过高通量测序实验对河水、底泥中的微生物进行了菌种鉴定，鉴定发现底泥内的微生物种类丰富、数量庞大，通过分析每种微生物的相对丰度，发现其中富含种类丰富的硝化、反硝化菌及除磷菌等，明确了从河水与底泥的土著微生物中筛选培养脱氮除磷菌的可行性。从河水与底泥中筛选出脱氮除磷菌种后进行扩大培养，采用高通量测序分析测定了扩增培养后菌液中的菌群结构及比例，并与初始菌群进行对比，发现扩增培养后的复合微生物菌液中菌群结构发生了显著变化，脱氮除磷菌群已经成为优势菌种。

本工程在培育微生物过程中，采用价格昂贵的高通量测序分析贯穿全过程，确保复合微生物菌液的质量，实现复合微生物活菌液的工业化生产后，可直接将微生物菌液喷洒到水体中，经多次试验，发现该菌液能迅速适应自然条件，菌液活性强，去除污染物效果好。

2.2 微生物菌液投加试验

通过实验室和现场实验，明确了复合微生物活菌液对河流水质改善的作用，确定了不同水体下的最佳喷洒量与喷洒频率。

在实验室内，通过向5 个河道模拟装置内喷洒复合微生物制剂，研究微生物制剂对水体和底泥污染物削减效果，以确定微生物菌液投加浓度和投加频率。经过为期半年的对比实验和连续监测，试验结果表明：

①好氧条件下，微生物菌剂投加后，能显著提高水中高锰酸盐指数去除率的适宜投加量（V菌液/V河水）为5/10000～1/1000。

②微生物菌剂在好氧条件下能显著提高水中氨氮的硝化程度，当菌液加入量为5/1000 时效果最好；厌氧条件下，当加入量为1/10000～1/1000 时，能极显著增强污水的反硝化作用，硝酸盐氮的去除率约提高14%。

③微生物菌剂加入量大于5/1000 时，才能显著提高污水的除磷能力。由实验可知：菌剂中的微生物可有效地降解污水的有机物质，降低氮、磷的含量，增加水体的透明度，改善底泥颜色并且有效去除异味。

2.3 微生物小球投加分析

试验结果表明，直接向水体投加复合微生物菌液虽然可以有效降低水体污染物，净化水质，但微生物菌液投加量较大，当水流速度较快时，菌液易流失，持续时间较短。为解决该技术的不足，试验将固定化技术引入到水体生物治理技术中。通过分析研究，寻找了耐用价廉的微生物固定化载体，确定了适宜的包埋剂、胶凝剂等添加剂，将微生物细胞固定于水不溶性凝胶聚合物内，其发达的孔隙网格能够防止细胞外协，也能阻止产物外散[6]。包埋法操作简单，载体、包埋剂及胶凝剂等价格低廉，已于实现工业化生产。生产的固定化微生物小球的密度为1.1～1.2g/mL，直径控制在3～5mm，微生物菌落总数＞9.0×105cfu/g。

在实验室内，通过向河道模拟装置内投加微生物小球，研究微生物小球对水体和底泥污染物削减效果，与仅投加微生物菌液的效果进行对比分析。实验结果表明：

①固定化微生物小球的最佳投加量约为2.0kg/m2，投加量太小时，污染物去除效果不理想，投加量过大后，TOC、总氮去除率下降，原因是包埋剂内含有有机物，可能造成水体初期污染。

②相同微生物投加量时，固定微生物小球的底泥污染去除效果远好于仅投加复合微生物菌液，水体污染物去除效果前期不如微生物菌液，后期效果逐渐持平。

③投加微生物时间越久，固定微生物小球对水体和底泥污染物的控制效果愈加好于仅投加复合微生物菌液。

④相较于无底泥河道，固定化微生物小球投加于有底泥的河道后，各项水质改善效果明显更好。因此，固定化微生物技术更适用于底泥厚度≥10cm 的河道内使用。

2.4 微生物小球及菌液联用试验

通过微生物菌液和微生物小球投加试验可知，复合微生物菌液投加在水中后，对水体污染物的去除效果较好，但天然河道往往流速较大，菌液随水体流动而逐渐流失，仅有部分微生物进入河道底泥后栖息繁殖，构建新的微生物群落，发挥水质净化作用。固定微生物小球能够克服微生物菌液的不足，将微生物活性小球投放到河床底泥后，微生物逐渐开始降解底泥内各种污染物，原位修复河床生态系统，有效减轻了底泥内源污染，改善了上部水体的水质。但投加固定微生物小球相应增加了河道治理成本，故工程中推荐采用微生物小球及复合微生物菌液联用以改善河道水质，修复河道生态系统。

本示范工程选取的河道位于江苏省丹阳市境内，是一条城市内河，河道宽度10～30m，河道内常年有水，经相关部门检测数据表明，河道水体污染较严重，高锰酸盐指数常年高于15mg/L、氨氮浓度常年高于10mg/L、总磷浓度常年高于1.0mg/L，各项指标均不满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅴ类水标准限值，其中氨氮浓度常年属于黑臭水体标准。该河道水流速度较慢，富营养化严重，水体溶解氧含量低，水生生物较少，河道底泥黑臭，严重影响河道周边环境，也对下游干流水体产生了一定污染，河道水环境亟需治理。经前期乘船排查河道底泥厚度平均约0.5～1.0m 厚，若采用机械清淤，淤泥量约32 万m3，清淤过程不仅需要耗费大量的机械和人力，而且清淤产生的淤泥量很大，需对河道底泥进行无害化处理，否则极易造成二次污染，河道治理成本高，见效周期久。本工程不采用常规的机械清淤，而是向河道内投加复合微生物菌液和固定化微生物小球，原位进行河道水体修复，通过微生物降解作用去除底泥和水体中的各类污染物，恢复水体自净能力。该技术施工简单，成本低，见效快。

根据江苏东南生物科技有限公司提出并起草完成的《微生物小球及菌液联用改善河道水环境操作技术规程》（DB32/T 3647-2019），本工程河道属于黑臭水体，河道流速约0.2m/s，河道底泥厚度大于10cm，适合投放微生物小球和微生物菌液。固定化微生物小球的投加量采用1.3kg/m3，投加周期为每月投加一次；微生物菌液投加量采用0.4kg/m3，投加周期为每5 天投加一次。经过一个月的连续投加，每隔3～5 天取水样送检，水质监测指标主要是高锰酸盐指数、氨氮和总磷，水质监测指标结果如图1 所示。

图1 河道水质监测指标变化情况

通过示范工程水质监测数据表明，投加微生物小球和微生物菌液后，水中的高锰酸盐指数、氨氮、总磷三项指标均有一定程度的增加，分析主要原因可能是投加过程中对河道底泥有一定扰动，导致底泥内污染物释放至水体中造成的；其次是由于投加的微生物小球和微生物菌液内含有一定有机物，造成高锰酸盐指数升高。投加微生物小球和菌液一个月后，水质各项指标明显好转，高锰酸盐指数、氨氮、总磷指标呈现波浪形下降，逐渐低于黑臭河道标准限值，在连续投加微生物小球和菌液两个月后，水体高锰酸盐指数基本稳定在10mg/L 左右，氨氮浓度基本稳定在5mg/L 左右，总磷浓度基本稳定在0.2mg/L 左右，完全消除水体黑臭问题，部分指标达到了Ⅳ类水标准要求。实践证明，该技术去除污染物效果显著，完全可以用于黑臭水体治理，具有广阔的推广应用前景。

3 结语

①河道底泥的常见修复技术中，采用生物原位修复可从根本上修复河道受损的生态系统，恢复微生物的活性，提高水体自净能力，发展前景广阔。

②通过投加复合微生物菌液和微生物小球试验，确定了合理的投加量，对比了两种投加方式的实际效果，分析了两种投加方式的适用环境。

③通过工程实例发现，采用微生物小球和菌液联用可显著改善水体水质，实现原位修复河道生态系统。