生物膜技術(shù)在受污染地表水修復中的應用

引言

水是人類(lèi)生命之源,是人類(lèi)賴(lài)以生存的基本物質(zhì),人類(lèi)的生命活動(dòng)和生產(chǎn)活動(dòng)都離不開(kāi)水。隨著(zhù)世界人口增長(cháng)和社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展,人們對水的需求日益增長(cháng),同時(shí),用水的浪費和水資源的污染使優(yōu)質(zhì)水資源日益短缺,已成為制約可持續發(fā)展的重要因素。由于工農業(yè)及人類(lèi)自身的需要,地表水域附近往往是人類(lèi)聚居之地。城市的日益擴大和工農業(yè)的迅猛發(fā)展,導致周?chē)�水域的污染加重[1]。目前,我國1/3以上的河段受到污染,90%以上的城市水域污染嚴重,盡管已采取了一些控制措施,但因排入地表水體的污染物生物降解性越來(lái)越差,造成污染物質(zhì)在水體中長(cháng)期累積,超過(guò)了地表水的自?xún)裟芰Α?/P>

以往,人們過(guò)多關(guān)注嚴重污染的場(chǎng)合,而對于污染程度不是很?chē)乐厍页１缓鲆暤牡乇硭�體污染問(wèn)題卻缺乏應有的重視,近年來(lái),世界各國環(huán)境保護科研工作者均開(kāi)始對此展開(kāi)專(zhuān)項研究,提出了各種控制對策和治理措施,但限于地表水體的復雜性和龐大的治理工程開(kāi)支,研究進(jìn)展極其緩慢,可推廣的成果不多。

地表水體是人類(lèi)賴(lài)以生存的寶貴資源,其中便于利用的地表淡水資源僅占淡水總量的0.014%,其珍貴之處不言自喻。然而,工農業(yè)的快速發(fā)展,導致大量復雜的污染物通過(guò)各種途徑輸入地表水體,有限的地表水資源正在遭受著(zhù)不同程度的污染,水體生態(tài)環(huán)境日趨惡化,生物多樣性遭到嚴重破壞,不僅影響了人類(lèi)正常生活,還制約著(zhù)經(jīng)濟發(fā)展,污染地表水修復課題的研究迫在眉睫。

1　受污染地表水特征及修復技術(shù)

1.1　受污染地表水特征

地表水體不同于地下水體,同后者相比,前者因完全裸露于外界環(huán)境中,因此更缺乏自然的保護。河流、湖泊和濕地等是由種群豐富的土著(zhù)微生物、水生植物和水生動(dòng)物組成的、具有強大自?xún)裟芰Φ莫毺厣鷳B(tài)系統。但由于種種原因,受到污染的地表水體遭受了超越自身凈化能力的不可恢復性破壞,需要人為干預,恢復其生態(tài)原貌。

受污染地表水的特征主要有以下幾方面[1]。

(1)受污染途徑多,包括沿水區域生活污水、工業(yè)廠(chǎng)礦廢水、居民生活垃圾排放、農業(yè)徑流、水路交通油品泄露以及雨水徑流匯水攜污等;

(2)流動(dòng)性大,污染區域廣,分布范圍寬,難以異位集中處理;

(3)地表水體中顆粒物濃度較高,一些有毒有害有機物附著(zhù)其上,并隨之沉積于水底底泥中,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、季節等多因素控制;

(5)具有晴儲雨暴的污染特征;

(6)多數污染地表水屬于微污染水體,污染物濃度較低,降解功能菌難以成為優(yōu)勢菌群。

1.2　污染地表水體修復技術(shù)

在污染水環(huán)境修復技術(shù)方面,目前主要分為兩大部分,對于富營(yíng)養化湖泊水體,主要采用營(yíng)養鹽控制,清淤挖泥,化學(xué)、機械等方法直接除藻,生物調控,水生高等植物修復,物理生態(tài)工程技術(shù),固定化微生物技術(shù)等;而對于污染河道(流)主要采用前置庫技術(shù),濕地系統處理技術(shù)(包括天然濕地和人工濕地技術(shù)),土地滲濾處理(包括土地慢速滲濾、土地快速滲濾、人工復合滲濾床),生態(tài)濾池技術(shù)以及生態(tài)混凝土技術(shù)等�？傮w上可以歸納為化學(xué)修復法、物理修復法、生態(tài)修復法和生物修復法。

化學(xué)修復法的實(shí)質(zhì)是利用化學(xué)藥劑復雜的化學(xué)及物化作用(包括中和、絡(luò )合、生成氣體或沉淀、破乳化、膠體失穩、萃取、凝聚與絮凝等),將污染物從水相轉移到另一種物相,污染物的物態(tài)雖然改變,但并未從根本上消滅污染物,且投加化學(xué)藥劑易產(chǎn)生二次污染。

物理修復法是指利用阻隔物、過(guò)濾機、過(guò)濾池或大型沉淀池等方式去除水體中污染物的技術(shù),修復對象的主要特征是懸浮物污染,經(jīng)常采取疏挖底泥、機械除藻、引水清淤等措施,因適用范圍的限制,往往與其他修復技術(shù)配合應用。

生物修復是利用植物、動(dòng)物及微生物對污染物的富集、吸收降解等作用修復水體,修復過(guò)程可自然、原位地進(jìn)行,工程投資僅為物理法、化學(xué)法修復的30%～50%。狹義的生物修復主要指微生物修復。

生態(tài)修復法主要采取塘、人工濕地、岸邊帶水生植被恢復、水生生物系統恢復及河道保護等技術(shù),由于生態(tài)修復法的核心還是生物吸收、降解技術(shù),因此常和生物修復聯(lián)合使用。

污染地表水體的特殊性質(zhì)增加了物理法、化學(xué)法修復的困難性。近年來(lái),隨著(zhù)各種新型生物載體(填料)的研發(fā),生物膜技術(shù)得到了發(fā)展,并被用于污染地表水的修復。

2　生物膜技術(shù)在地表水修復中的應用

生物膜技術(shù)是人們長(cháng)期以來(lái)根據自然界中水體自?xún)舻默F象,農田灌溉時(shí)土壤對污染物的凈化作用以及有機物的腐敗過(guò)程,總結、模擬而發(fā)展起來(lái)的一種污水處理技術(shù)。它以天然材料(如卵石、礫石及天然河床等)或人工合成接觸材料(如塑料、纖維等)為載體,使微生物群體呈膜狀附著(zhù)于載體表面上,通過(guò)與污水接觸,生物膜上的微生物攝取污水中的有機物作為營(yíng)養并加以同化,從而使污水得到凈化。由于載體比表面積大,可附著(zhù)大量微生物,因此對污染物的降解能力很強。生物膜接觸氧化法是生物—生態(tài)聯(lián)合修復技術(shù)的一種主要工藝,其核心構件是生物填料,生物填料的材質(zhì)和外型直接關(guān)系到生物膜量和處理性能。

2.1　生物膜法修復地表水的基本原理

地表水體砂礫表面一般都附著(zhù)有一層微生物膜,當流水通過(guò)其表面時(shí),其中的有機物就會(huì )被生物膜吸附,進(jìn)而氧化分解,因而,地表水體本身具有一定的自?xún)裟芰�。通過(guò)填充填料來(lái)凈化地表水體,實(shí)質(zhì)是對地表水體自?xún)裟芰Φ囊环N強化,即利用填料比表面積大,附著(zhù)微生物種類(lèi)多、數量大的特點(diǎn),人為加大河流中可降解污染物質(zhì)的微生物的種類(lèi)和數量,從而使河流的自?xún)裟芰Τ杀对鲩L(cháng)[2-3]。

附著(zhù)在填料上生物膜降解污染物質(zhì)的過(guò)程一般可分為4個(gè)階段。

(1)污染物質(zhì)向生物膜表面擴散;

(2)污染物在生物膜內部擴散;

(3)微生物分泌的酵素與催化劑發(fā)生化學(xué)反應;

(4)代謝生成物排出生物膜。

生物膜由于固著(zhù)在填料上,因此能在其中生長(cháng)世代時(shí)間較長(cháng)的微生物,如硝化菌等,見(jiàn)圖1。另外,在生物膜上還可能大量出現絲狀菌、輪蟲(chóng)、線(xiàn)蟲(chóng)等,使生物膜凈化能力增強的同時(shí)還有脫氮除磷的作用。該方法由于沒(méi)有引入外來(lái)菌種,所以沒(méi)有改變地表水體原有的生態(tài)系統,有利于污染水體的自我恢復。

圖1　生物膜法修復機理

2.2　生物膜技術(shù)在地表水修復中的應用

用于微污染水體修復的生物膜技術(shù)是近年來(lái)國內外為解決水域污染而研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)技術(shù)。許多發(fā)達國家,如日本、韓國等已經(jīng)用于工程實(shí)踐,我國則剛剛起步,還只是處于試驗階段,但發(fā)展較快。當前,日韓等國用于凈化河流的生物膜技術(shù)主要有礫間接觸氧化法、人工填料接觸氧化法、薄層流法和伏流凈化法等[4-5]。

2.2.1　礫間接觸氧化法

礫間接觸氧化法是根據河床生物膜凈化河水的原理設計而成,通過(guò)人工填充的礫石,使水與生物膜的接觸面積增大數十倍,甚至上百倍。水中污染物在礫間流動(dòng)過(guò)程中與礫石上附著(zhù)的生物膜接觸、沉淀,進(jìn)而被生物膜作為營(yíng)養物質(zhì)而吸附、氧化分解,從而使水質(zhì)得到改善。該方法使用天然材料為填料,花費少,凈化效果好,因此得到了廣泛的應用。如日本野川凈化場(chǎng)、坂川古崎凈化場(chǎng)和韓國良才川水質(zhì)生態(tài)-生物修復設施[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質(zhì)惡化,BOD等各項指標嚴重超標,水體污染嚴重,給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了極大的不便。為此,設立了野川凈化場(chǎng),使野川的水先進(jìn)入凈化場(chǎng),經(jīng)凈化場(chǎng)凈化后再注入多摩川。凈化場(chǎng)設立在野川一側的河灘地帶,為地下構造式,自建成投入使用后,大約經(jīng)過(guò)6年的運行結果觀(guān)測,進(jìn)入凈化槽污水的BOD和SS的平均值為12.7mg/L和9.0mg/L,經(jīng)凈化槽凈化后出水BOD和SS的平均值為5.2mg/L和3.3mg/L,去除率分別為59.1%和63.3%[4].此外,該凈化場(chǎng)所需的填料卵石是現場(chǎng)取自多摩川的高水位河床,省工省錢(qián);取水位也是利用野川的自然水位差設計,不需動(dòng)力;凈化場(chǎng)由于采用地下構造式,上覆土砂,還可做為居民游憩的公園或廣場(chǎng)。日本江戶(hù)川支流坂川古崎凈化場(chǎng)也是以卵石作為填料,利用生物膜技術(shù)對水體進(jìn)行凈化。污染物在接觸氧化槽內通過(guò)接觸沉淀、吸附和氧化分解作用實(shí)現凈化,自1993年投入運行以來(lái),系列觀(guān)測結果表明,河道微污染水體水質(zhì)有明顯改善[6]。韓國良才川于1995年實(shí)施卵石接觸氧化生物-生態(tài)治理工程,凈化設施日處理能力為32000t/d。河水經(jīng)攔河橡膠壩攔截后引入帶攔污柵的進(jìn)水口,水流經(jīng)過(guò)進(jìn)水自動(dòng)閥,經(jīng)污物濾網(wǎng)進(jìn)入污水管流入接觸氧化槽,氧化槽中放置卵石,污水通過(guò)氧化槽得到凈化后,再匯集到清水出水管中,由清水出口排入橡膠壩下游側。設施建成至今已穩定運行多年,治污效果顯著(zhù)[7]。

2.2.2　人工填料接觸氧化法

人工填料接觸氧化法是在小型河道、排水溝(渠)內或外設置凈化設施,在設施內填充粒狀、細線(xiàn)狀、墊子狀、波板狀填料等,利用填料比表面積大、空隙率高的特點(diǎn),使大量的微生物附著(zhù)在其表面,形成生物膜。當污水流過(guò)凈化裝置時(shí),其中的污染物質(zhì)與生物膜接觸被吸附、沉淀,進(jìn)而被分解。這樣,污水在排入河流之前就能得到充分的凈化,減少了河流污染的發(fā)生源。同時(shí),還能對污染的河流起到稀釋作用。近年來(lái),該方法因其投資省、凈化效果好,所以在河流的直接凈化中應用較多,日本建設省已建成使用的采用該方法凈化中小河流的處理設施就有150多個(gè)。如日本千葉縣排水溝和廣島縣福山市排水渠[4,8],我國太湖流域小河道修復試驗研究[9]。

福山市排水渠寬3.5m,水深約65cm;進(jìn)水的BOD值為2.8～8.1mg/L,COD值為7.5～10.8mg/L,SS為7.0～19.0mg/L;流量為2328～10368m3/d。渠內布置細繩狀生物填料,采用6段式設置,共延長(cháng)32m。經(jīng)4年的運行,其BOD的去除率為11%～46%;COD的去除率為2%～32%;SS有去除率為16%～53%,進(jìn)一步提高了排水渠的水質(zhì)。千葉縣排水溝凈化設施設置于溝的一側,采用新型不織布為填料,其特點(diǎn)是比表面積大、孔隙多、通氣性好。該凈化設施自1996年開(kāi)始運行以來(lái),凈化效果十分明顯,SS的凈化效率達到了97%,BOD和COD的去除率也分別達到了88%和70%。大大減少了進(jìn)入河流的污染物質(zhì)的量,使河流污染得到了一定的控制[8]。河海大學(xué)田偉君等[9]利用仿生填料在太湖林莊港進(jìn)行了120m長(cháng)的河道修復試驗,穩定運行期間填料上附著(zhù)的生物膜厚度可達0.8～1.1mm,對CODMn的去除率穩定在10%左右,對NH4+2N的去除率穩定在40%左右,對TN的去除率達到了20%,而對TP的去除率也在25%左右。王淑梅等[5]在深圳市福田河一420m長(cháng)的河段進(jìn)行原位綜合凈化試驗,經(jīng)過(guò)3個(gè)月的運行,CODCr,BOD5,NH+42N,TN,TP和SS的去除率分別達到67.4%、8717%、34.3%、30.3%、53.3%和39.7%,該技術(shù)能夠改善污染相對嚴重的城市河流水質(zhì)。

2.2.3　薄層流法

河流自?xún)糁饕�通過(guò)附著(zhù)在河床及水生植物上的生物膜以達到凈化有機污染物的目的。薄層流凈化法著(zhù)眼于此,采用增大生物膜的附著(zhù)面積,以減少單位生物膜的處理水量而提高河床的自?xún)裟芰�。具體方法是增加河面的寬度使水深變淺,增大河水與河床的接觸面積,工程建設可使河流的凈化能力增強數倍到數10倍[10]。例如,河寬為原河流的2倍,水深為原河流的1/2,河流的凈化能力就為原來(lái)的2倍;如河寬為原河流的4倍,水深為原河流的1/4,河流的凈化能力就變成原來(lái)的4倍。

2.2.4　伏流凈化法

伏流凈化法主要是利用河床向地下的滲透作用和伏流水的稀釋作用來(lái)凈化河流的[10]。所謂伏流即從河床向地下滲入沿地下水脈流動(dòng)的地下水流。經(jīng)泥沙過(guò)濾后的伏流水相對水質(zhì)良好。伏流凈化法是將伏流水用水泵抽出并送回河流,以降低地下水位來(lái)促使地下水加速滲透,該方法可被看作是一種緩速過(guò)濾法(微生物膜過(guò)濾),整個(gè)河床是一個(gè)大的過(guò)濾池,由河床上附著(zhù)的生物膜構成緩速過(guò)濾池的過(guò)濾膜,污染的河水經(jīng)過(guò)濾膜的過(guò)濾作用緩慢地向地下擴散,成為清潔的地下水。用于稀釋的伏流水是滲入地下的清潔水,人為用泵提升到地面來(lái)稀釋河流,使河流的自?xún)糇饔眠M(jìn)一步增強。

3　生物膜技術(shù)在應用中存在的問(wèn)題及發(fā)展前景

人工生物膜強化凈化技術(shù)的研究與應用雖然取得了很大的成功,但仍存在一些尚需解決的問(wèn)題。

(1)實(shí)際應用范圍較窄。該類(lèi)技術(shù)目前大都應用在小的水體中,對整個(gè)水域系統自我恢復能力的強化應用還沒(méi)有。

(2)應用過(guò)程中會(huì )對水域生態(tài)系統的結構和使用功能造成一定影響。如生物膜技術(shù)應用時(shí)的攔壩及在污染水體中使用的載體會(huì )影響到水域的航運和泄洪等功能。

(3)耗資較大。目前生物膜技術(shù)在基建及運行方面所需費用較高,每?jì)艋�一條小河流就相當于建了一個(gè)污水處理廠(chǎng)。因此,該技術(shù)還需進(jìn)一步完善。

從我國經(jīng)濟條件和各種技術(shù)的應用情況來(lái)看,生物-生態(tài)聯(lián)合修復技術(shù)將是今后研究的重點(diǎn)。該聯(lián)合技術(shù)綜合了生物凈化技術(shù)凈化效果好的優(yōu)點(diǎn)以及生態(tài)修復技術(shù)強化水域生態(tài)系統自我恢復能力的優(yōu)點(diǎn),提高水域的自?xún)裟芰?恢復水域生態(tài)系統的原來(lái)面貌。人工生物膜技術(shù)是生物-生態(tài)聯(lián)合修復技術(shù)的一種主要工藝,它在日韓等國的成功應用為我國開(kāi)展污染地表水體修復治理提供了典范,隨著(zhù)我國環(huán)境保護力度的加強以及環(huán)境污染治理技術(shù)的發(fā)展,諸如生物膜技術(shù)等一批生物、生態(tài)修復技術(shù)將被廣泛應用于污染地表水體的治理。

參考文獻:

[1]　王占生,劉文君.微污染水源飲用水處理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[2]　劉　雨,趙慶良,鄭興燦.生物膜法污水處理技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.

[3]　BOEIJE GEERTM,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]　田偉君,翟金波,王　超.城市緩流水體的生物強化凈化技術(shù)[J].環(huán)境污染治理技術(shù)與設備,2003,4(9):58-62.

[5]　王淑梅,王寶貞,金文標,等.城市污染河流水質(zhì)原位綜合凈化技術(shù)[J].城市環(huán)境與城市生態(tài),2008,21(4):1-4.

[6]　高曉琴,姜　姜,張金池.生態(tài)河道研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,32(1):103-106.

[7]　吳林林,黃民生,鄧　亂.城市污染河流生物——生態(tài)治理研究與應用進(jìn)展[J].凈水技術(shù),2006,25(6):11-15.

[8]　田偉君,翟金波.生物膜技術(shù)在污染河道治理中的應用[J].環(huán)境保護,2003,8:19-21.

[9]　田偉君.河流微污染水體的直接生物強化凈化機理與試驗研究[D].河海大學(xué),2006.

[10]　孫躍平,小倉憲治.城市小型河流水質(zhì)直接凈化的方法[J].環(huán)境導報,1999(6):37-38.

作者簡(jiǎn)介:陳　航(1969-),男,浙江永康人,工程師.主要從事水資源監測、評價(jià)與管理工作.

（來(lái)源：浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報）