◆马双群胡锋平张琪戴红玲
MA Shuangqun, HU Fengping, ZHANG Qi, DAI Hongling

马双群,胡锋平，张琪，戴红玲，华东交通大学土木建筑学院
利用河道生物环境处理污水的生物修复技术
Bioremediation Technology to Treat Wastewater through Bioenvironmental Measure in River Course

摘要：论述了天然河道和人工河道处理污水的可行性和应用前景。生物修复由于其费用低、效果明显、操作简单而越来越受到广泛的应用，可以利用天然河道或者人工河道的环境容量，通过投加高效菌种或者生物激活剂，培养河道自身的生物环境（包括水体本身的生物环境和河道底泥及两岸的生物环境），并充分利用此生物环境对污染水体中的污染物进行降解。
关键词：物修复；污水；天然河道；人工河道；环境容量

Abstract Feasibility and outlook of treating wastewater by natural and artificial river courses are discussed. Bioremediation is more and more widely applied with its advantages of low cost, superior effect and simple operate. The environmental capacity of the natural and artificial river course which can be enhanced by adding highefficiency bacteria or biostimulants can be used for pollutant biodegradability.
Key Words bioremediation; wastewater; natural river course; artificial river course; environmental capacity

利用天然河道和人工河道处理污水还处于探索和发展阶段。此技术是基于污染河道的生物修复技术而发展起来的一种生物处理技术。不同于传统生物处理技术，此技术不需要建造大型的混凝土构筑物，能够充分利用河道自身的环境容量对污染物进行降解和转化。因此是一种投资省、费用低的生物处理技术。
水体污染的修复方法为物理修复法、化学修复法和生物修复法，但是前两种方法处理费用高、操作复杂，而且存在二次污染，一般情况下不作为主要处理手段。相比之下，生物修复技术由于投资省、费用低、无二次污染而被认为是最具有发展前景的修复技术。
1生物修复技术
污染水体的生物修复技术是指通过人工手段，利用天然或外源微生物改善污染水体的生物环境，并利用此生物环境（人工投加的微生物，所激活的土著微生物或者是植物等）来降解污染物，从而修复受污染水体，净化环境的一个受控的过程。
受污染环境中，污染物之所以难以降解的主要原因是环境体系中不存在或存在少量可降解污染物的微生物，即使存在少量可降解污染物的微生物，也会由于竞争和捕食作用等微生物的生态关系使其很难大量繁殖并发挥降解污染物的能力。水体的温度、pH、盐度、溶解氧及营养等外部环境条件不适的情况下也不利于微生物降解能力的发挥。
加之在自然条件下微生物对水体的自净速度是很慢的，必须采取人为的强化措施才能加快这一进程，所以，通常所说的生物修复一般是指人为强化条件下的生物修复。
大体上，可以将生物修复分为原位生物修复和异位生物修复。原位生物修复即污染水体不经过搬运或运输，而是通过投加微生物、营养盐、电子受体等方法进行原位生物降解。异位生物修复是将污染水体搬离原地进行集中生物降解，处理完后再将其返回原地。通常对于污染严重水体采用该技术。
污染河道的生物修复技术一般属于原位修复，主要包括投加菌种、投加营养、人工曝气、生物膜、人工湿地等修复方法。
1.1人工曝气强化修复技术
污染水体的生物修复工程能否顺利进行，在很大程度上取决于水体中是否有足够的溶解氧。因此，对于厌氧或缺氧水体需要进行人工曝气，以利于水体中好氧土著微生物或外加菌种的生长繁殖，使水体中污染物质得以净化，从而达到强化水体修复的目的［1］。根据周杰等［2］的研究证明，即使是受污染严重的黑臭水体，在有氧条件下20h后臭味基本消除，水体颜色明显改观，COD、BOD5都有大幅度（30％～50％）的降低。上海市环境科学院［3］于1998年在苏州河支流新泾港三个断面各设一个曝气点进行水体曝气富氧的生物修复试验，结果表明，水体曝气可以显著的提高河道的溶解氧水平，从而刺激有机物降解和好氧土著菌的生长繁殖，水体中CODCr 和BOD5明显下降，水体色泽和底泥颜色由黑色变为乳白色，表明沉积物中微生物由厌氧菌占优势转变为兼性菌增多并出现了好氧菌。
国外也有许多利用该技术治理污染河流的成功例子。例如，1998年夏天，德国利用纯氧曝气船对Saar河进行曝气，白天或黑夜运行，共运行24 d，每天运行2～10 h，总耗氧量10万m3，有效防止了Saar河水质的变坏；德国还对Emsher河、Teltow河、Fulda河等河流进行曝气治理，效果良好。英国对泰晤士河进行曝气，美国对Homewood运河、密西西比河等河流进行曝气治理，澳大利亚对Canningh河、斯旺河，葡萄牙对Oeiras河、塔古斯河进行曝气也收到了很好的效果［4］。
人工曝气是投加电子受体，当水体污染较为严重时，用人工曝气可能难以实现对水体的富氧要求，此时可以向厌氧水体中投加其它的电子受体。在厌氧环境中，过氧化氢、硝酸盐、硫酸盐和铁离子等都可作为有机物降解的电子受体［56］。
1.2投加外来菌种修复技术
污染水体生物修复技术作用的实现主要是利用水体中微生物，因此其数量和生长繁殖速度则决定了修复的成功与否。当污染水体中降解微生物很少，而时间又不允许在当地富集培养降解微生物时，可以向水体环境中引入高效降解微生物。目前，向水体引入的微生物菌种可以从待修复水体中的土著微生物中富集而得，也可以从其他环境中分离而得［7］。
椐报道［8］，美国绿净公司FL0-1200 菌种在河水曝气的条件下治理纽约中央公园的湖泊取得了成功，并在印度也取得了成功。张宗才等［9］利用甲壳素包裹的复合微生物菌剂CMF，对河流污水进行生物治理，CODCr平均去除率达87.75％，BOD5去除率为86％以上。取得了很好的效果。1992年［10］，美国Moulin Vert水渠使用Clear Flo1200 3个月,NH4+-N从0.02 mg/L降为0.00 mg/L；CODCr降低了84％，BOD5降低了74％。无毒性检出，而且由于菌剂不断矿化污泥，恢复了水渠自净的容量。接种处理连续几年后便完成了这一工作。中国科学院［11］淡水渔业研究中心采用光合细菌修复鳗鱼养殖池水，水中氨氮下降57.1％，溶解氧增加54.6％，对虾养殖池投放光合细菌后，氨氮去除率达58％，硫化氢去除率为50％，溶解氧增加13.6％。
1.3投加生物激活剂或无毒表面活性剂
营养物缺乏是污染水体中微生物降解污染物的主要限制因素之一，向水体中投加营养盐可以提高微生物的代谢能力。营养盐可以是酶、氨基酸、维生素［1213］等可以促进或者是激活微生物的物质。
方一丰等［14］研究了生化黄腐酸（BFA）对污染水体生物修复的强化作用。研究指出，生化黄腐酸能提高水体中微生物活性，加快微生物对目标污染物的降解。在污染水体生物修复强化作用的试验中，投加生化黄腐酸，CODCr、NH4+-N、TP和浊度的去除率分别增加了29.47％、20.61％、35％和19.86％，同时有利于水体DO的提升。杨磊等［15］采用复合酶类生物激活物质对河道中微生物的自净过程的促进作用进行了研究，结果表明，复合酶污水净化剂对微生物活性具有激活作用，微生物累积耗氧量明显增加，酶的激活率达到18％～136％，有效增强了水体自净能力。复合酶-原位修复技术在上海、北京、福州等多条受污染的富营养河道中的工程应用表明，复合酶污水净化剂在不同的地域条件下均可发挥良好作用，具有安全、高效、适用广的特点。
1.4生物膜强化修复技术
生物膜强化修复是指用天然材料（如卵石）或者合成材料（如纤维）为载体，在其表面形成一层生物膜，利用生物膜的大的表面积，为微生物提供较大的附着表面，从而达到降解污染物的目的。
生物膜法具有较高的处理效率。它的有机负荷较高，接触停留时间短，减少占地面积，节省投资。
1.5组合生物修复技术
当污染河道比较严重时，用一种生物修复方法可能难以达到预期目的，此时可以采用组合生物修复技术，将几种生物修复技术联合起来，共同对河道的净化降解起作用。
金承翔等［16］将曝气充氧技术、微生物净水技术、植物净化技术及生物激活剂技术进行组合并于上海市中心城区黑臭水体污染治理与生态修复。实验结果表明：组合生物技术对黑臭水体的CODCr净化率可达80％左右，对BOD5和NH4+-N可达90％以上。微生物和浮游藻类的分析检测结果表明，组合生物技术能够实现黑臭水体生态系统的快速恢复。
1.6河道底泥对生物修复的影响
河道污染水体的修复技术中，底泥处理是一个值得关注的重点，为此，白晓慧等［17］研究了城市内河污染沉积物在污染源控制和河道水质修复达到一定程度后对河道水质的影响。结果表明：河道水质在净化后，保持一定的溶解氧，可有效抑制沉积物中有机物、氨氮和磷的释放，疏浚底泥并不是消除内河污染的必要条件，否则由于底泥缺氧释放，氨氮明显回升，而有机物不会很快上升，反而因反硝化消耗碳源继续有所下降；由于反硝化过程产生碱度使水体pH略有升高，更接近中性，从而可阻碍磷的进一步释放。冯奇秀［18］从20多种方案中选择一种底泥生物氧化高效配方。实验室工作表明，底泥生物氧化复合制剂和土著微生物培养液配合使用，能快速氧化底泥，有效降解表层底泥有机物，提高表层底泥生物降解能力，加速上覆水体净化。应用于黑臭河涌——广州朝阳涌底泥生物氧化和生物修复取得很好的效果。
2河道污染水体的生物修复技术工程应用实例
2.1上澳塘水体生物修复试验
1999年10月—12月，华东师范大学，徐汇区环科所，美国Probiotic公司共同采用Probiotic公司生产的水质净化促生液对上澳塘黑臭水体进行了水体生物修复试验。
此促生液包含有降解污染物的多种酶，及促进微生物生长的多种有机酸、微量元素、维生素等成分，可加速水体净化过程中微生物生长及生物的演变，直接依靠酶或者在生物的作用下，间接的使污染物降解，转化成CO2、H2O等稳定无机物，并逐步增加水体中生物多样性，使河道水体建立起在洁净水体中才有的良性循环［19］。
结果显示：在处理水力负荷为0.2～0.5 m3河水/ m3河道容积•d，水力停留时间为2～5 d，水温为10℃～20℃时，经治理河道黑臭消失，2个月后水体透明度提高到70~80 cm， CODCr浓度降至30 mg/L左右，去除率升到50%~60%，BOD5的去除率为50%~70%；水体中溶解氧在投加水体净化促进液1周后提高到6~8 mg/L，2周后提高到8~10 mg/L，中午阳光充足时可达饱和；总磷浓度较原来减少0.2~0.4 mg/L，氨氮浓度降低1~2 mg/L［20，4］。
对水体中细菌总数及数量的检测结果表明［21］，随着水质的改善，水体中指示受有机污染程度的异养菌总数及指示受粪便污染程度的大肠菌群数量不断减少，较蒲汇塘少了2个数量级，代表水体厌氧状态的反硫化细菌数下降，代表水体好氧状态的消化菌数及绿硫细菌数有所上升，但随后由于水温的下降及水体中硫化物浓度的降低，后两种细菌的数量也随之下降。
2.2绥宁河生物修复试验
2001年11月开始，黄民生等［22］采用曝气复氧，投加高效微生物菌剂及生物促进液，放养水生植物的组合生物修复技术，对苏州河严重污染支流——绥宁河进行原位污染生物修复试验。 结果表明：在组合生物修复的过程中，绥宁河试验区内水体黑臭完全消失，生态逐渐恢复，其中水体COD平均下降50％，DO平均增加2 mg/L以上，透明度平均提高10 cm。增氧机提供的溶解氧和生物促生液提供的营养为加速组合区内好氧微生物和水生植物联合净化污染水体提供了条件，好氧微生物一凤眼莲根系作为着生载体，形成大量烟灰色活性生物膜，在污染净化过程中起到重要作用，而且单一增氧技术的处理效果明显差于组合技术。
试验还指出，绥宁河底泥的有机污染物数量庞大，底泥污染物释放成为影响上浮水体水质的重要因素，因此，底泥清淤是绥宁河生态治理的必要手段。
2.3邱泾河生物修复试验
邱泾河位于上海市闵行区。从2004年10月开始，由邱泾河生物修复项目部利用复合酶污水净化剂对邱泾河进行了生物修复的试验。
闵行区的试验指出采用生物技术改善水质是行之有效的一条新途径，但该方法目前还处于摸索阶段，采用该方法的水体要求相对封闭，这样才能为生物菌、酶提供稳定的反应场所，但是这种准静止的水体环境受周边污染源及水文条件影响较大，因此判定其效果的干扰因素较多，导致其净水效果在不同时期相差较大［23］。
2.4西坝河生物修复试验
自2004年11月开始，邓柳等［24］采用液可清（ACF32）对西坝河下游段进行生物修复。结果表明，液可清（ACF32）能去除臭味，对有机污染物、浊度去除率较高，可促进污染水体向良性生态区系演替，使水体基本恢复至洁净状态。
3利用河道生物环境处理污水的生物修复技术可行性分析
生物修复技术治理受污染河道水体由于其费用低、效果明显、操作简单而越来越受到广泛的应用。这种技术正在日趋成熟，并已经成为目前研究热点，一些工程应用实际也取得了很好的处理效果。而且由于生物修复技术的优越性，对其更深入的研究一定会持续下去。
    污水生物处理技术已经比较成熟，但目前所采用的各种污水生物处理方法，都利用的是人工的生物环境，而河道中的天然生物环境由于超负荷污染被抑制而不能处理污水，但这不代表污染河道中没有生物环境，而相反，当人工强化修复手段发展到一定高度的时候，河道中被抑制的生物被激活或者被强化而使河道重新具有环境容量，到那时，利用河道生物修复技术处理污水就一定能成为现实。
4结论
利用天然河道或者人工河道，通过投加高效菌种或者是生物激活剂，培养河道自身的生物环境（包括水体本身的生物环境和河道底泥和两岸的生物环境），并充分利用此生物环境对污染水体中的污染物进行降解，可以达到净化污水的目的。因此，随着新的高效菌种和生物激活剂及相关生物修复技术的不断出现和改进，利用天然河道或者人工河道处理污水必定有广阔的发展前景。