黑臭水體組合生物凈化技術研究進展

王海珊，鄒平*，付先萍，戴犇，朱芳芳，王籽潼

1.云南大學生態學與環境學院 2.云南大學國際河流與生態安全研究院 3.云南省高原山地生態與退化環境修復重點實驗室 4.云南省國際河流與跨境生態安全重點實驗室

黑臭水體是指水體顏色呈黑色或泛黑色且散發出令人不適氣味的水體[1]。由于生活污水、工業廢水等外源污染物大量進入水體，污染物分解代謝消耗溶解氧(DO)，水體呈缺氧或厭氧狀態，使水體中有機物腐敗產生氨氣(NH3)、硫化氫(H2S)等氣體導致水體發臭[2]，水體中Fe2+、Mn2+與S2+形成硫化亞鐵(FeS)、硫化亞錳(MnS)導致水體呈黑色[3]，污染物厭氧發酵產生甲烷(CH4)、氮氣(N2)使底泥上浮，底泥中氮(N)、磷(P)等污染物不斷釋放進入水體[4- 6]，水質逐漸惡化，最終形成黑臭水體。黑臭水體具有N、P濃度高，水生植物(挺水植物、沉水植物、浮葉植物)和水生動物(魚、蝦、底棲動物)數量極少甚至基本絕跡，食物鏈殘缺不全，水生生態系統失衡，河道基本生態功能喪失等特點。

2019年全國生態環境保護工作會議提出，我國1 940個國家地表水評價考核斷面中，GB 3838—2002《地表水環境質量標準》劣Ⅴ類斷面占比為6.7%，基本消除了36個重點城市的1 009個黑臭水體，消除的黑臭水體占比為95%[7]。但我國黑臭水體存量大、分布廣泛，仍有許多鄉鎮的黑臭河流尚未被統計和開展治理，與國務院頒布的《水污染防治行動計劃》要求截至2030年全部消除全國城市黑臭水體的目標仍有很大差距。目前黑臭水體治理存在修復效果可持續性差、治理所需時間長、成本高等問題。因此，以消除黑臭水體為目標的水體環境生態修復成為我國水污染治理的新戰場。

1 黑臭水體治理技術現狀及存在的問題

目前黑臭水體常用的凈化方法有物理法(如底泥清淤、引水沖稀和人工曝氣等)[8]，化學法(如投加鋁鹽、硝酸鹽和過氧化氫等)[9]和生物法(如水生植物凈化、微生物強化凈化)[10]。這些方法可較明顯地改善黑臭水體水質，但仍然存在諸多不足。物理法通常伴隨著成本高、效率低和二次污染等問題，如被清淤的底泥需進行處理，采用的人工曝氣措施使更多的污染物從底泥釋放進入水中[11- 12]；化學法也存在許多問題，如使用鋁鹽凈化時對水生生物有毒[13]，使用硝酸鹽會增加上覆水硝酸鹽氮濃度[14]，使用過氧化氫具有危險性和不穩定性[15]；生物法具有效率高、成本低、無二次污染等優點，目前已被許多國家廣泛應用于黑臭水體治理中。黑臭水體生物法修復中，通常采用菌劑+促生劑、曝氣+水生植物、菌劑+曝氣等簡單的組合技術，此類技術修復黑臭水體存在修復周期長、修復效果可持續性低等問題。曝氣+菌劑+促生劑+填料+水生植物系統組合的生物凈化技術可通過最大限度地提高功能微生物多樣性和生物量，使污染物去除速率得到顯著提高，從而縮短修復時間。組合生物凈化技術對未來黑臭水體治理工作的開展具有重要意義。

2 組合生物凈化技術思路及原理

2.1 技術思路

組合生物技術凈化黑臭水體的原理是利用微生物體積小、繁殖速率快、轉化效率高等特點，通過人工曝氣，投加菌劑、促生劑、填料，栽種對N、P具有強吸收能力的水生植物等人為干預手段，最大限度地提高乳酸菌、放線菌、酵母菌、硝化菌等功能微生物群落的多樣性及生物量，增強功能微生物去除黑臭水體中有機污染物、N、P及有毒有害重金屬的效率，使治理后的水體水質長期保持穩定。該技術具有成本低、效果好、技術要求低、環境負效應小、持續性強、可應用范圍廣等特點[16]，適用于已完成外源截污且流速緩慢的黑臭水體的治理。

2.2 技術原理

組合生物凈化技術由人工曝氣、投加菌劑、投加促生劑、投加填料、栽種水生植物幾大環節組成，每個環節均起著不可替代的作用。人工曝氣為水體提供DO，抑制厭氧反應，減少NH3、H2S氣體的產生，有效緩解水體發臭現象和改善水體環境；投加菌劑和促生劑使功能微生物多樣性提高及生物量增加，從而提高污染物去除速率；投加填料為功能微生物提供附著點，使其在填料表面形成生物膜，增加功能微生物的生物量，促使污染物降解率進一步提高；栽種水生植物可去除微生物處理后殘余的N、P、化學需氧量(COD)以及重金屬等，使修復效果更佳。組合生物凈化技術對黑臭水體總磷(TP)、氨氮(NH3- N)和COD、生化需氧量(BOD)具有較好的去除作用。

3 組合生物凈化技術主要措施及效果

3.1 人工曝氣

黑臭水體中DO濃度幾乎處于臨界值，人工曝氣能給水體補充DO。隨著DO濃度的升高，好氧微生物、兼性微生物大量生長，而厭氧微生物的生長繁殖則被抑制。好氧微生物能促進黑臭水體中有機物的分解，使黑臭現象得到改善，水質得到提升。根據曝氣時間的長短曝氣可分為間歇曝氣和持續性曝氣，根據曝氣方式的不同可分為鼓風曝氣(如微孔曝氣、微孔納米曝氣)和機械曝氣(如射流曝氣、風車曝氣)。鼓風曝氣是指采用曝氣器、擴散板或擴散管在水中引入氣泡進行曝氣，機械曝氣是指利用葉輪等器械引入氣泡進行曝氣。鼓風曝氣與機械曝氣相比具有增氧快、能耗低、氧利用率高等優點。

王越等[17]研究表明，微孔曝氣可顯著降低黑臭水體的濁度和提高透明度，對TP、NH3- N的去除率高于普通機械曝氣；何巖等[18]研究發現，黑臭河道底泥細菌群落結構和多樣性受人工曝氣影響，當曝氣擾動雷諾數為1 810，DO濃度為7.35 mg/L時，細菌多樣性最高；賈紫永等[19]研究顯示，微納米曝氣法相較微孔曝氣法具有工程投資小、效率高等優點，該曝氣方法對黑臭水體中多種污染物有良好的去除效果；徐熊鯤等[20]采用曝氣聯合土著菌劑修復黑臭水體發現，間歇曝氣和連續曝氣效果相近，試驗15 d后，上覆水中COD去除率達67.6%，NH3- N去除率達71.6%。

然而，僅僅使用人工曝氣修復黑臭水體，其功能微生物多樣性及生物量增加有限，污染物降解速率提高有限，故修復效果有限，修復所需時間也較長。因此，需要與其他修復方法聯合作用才能取得較好的效果。

3.2 投加菌劑

健康的河流水體都具有一定自凈能力，當進入河流的污染負荷量不超過其自凈能力時，可通過河流水體的自凈作用去除污染物并維持水質相對穩定。自凈能力主要來源于水體中功能微生物的降解作用。通過人為干預手段向河流水體投加菌劑，提高水體中功能微生物種類及生物量，從而使功能微生物降解污染物的能力顯著提高。投加的菌劑可分為土著微生物菌劑和外來微生物菌劑。

3.2.1土著微生物菌劑

土著微生物菌劑指從治理的黑臭水體底泥、水體中篩選出能夠高效降解污染物的功能微生物群落，將其在培養基中富集培養后，按一定比例配制成的菌劑。將土著微生物菌劑反加入黑臭水體，以提高水體中功能微生物群落的多樣性及增加生物量，從而達到凈化黑臭水體的目的。土著微生物通常由不同類型的微生物組成，按其對氧氣的喜好程度分為好氧菌、兼性厭氧菌、厭氧菌；按菌種分為細菌(如放線菌、乳酸菌、光合細菌、硝化菌、反硝化菌等)、真菌(如酵母菌、霉菌等)、古菌(如產甲烷菌、古生硫酸鹽還原菌等)。

放線菌包括諾卡氏菌屬(Nocardia)、小單孢菌屬(Micromonospora)、放線菌屬(Actinomyces)、游動放線菌屬(Actinoplanes)等[21]，其能抑制腐敗菌的生長繁殖，最大限度地消除水中異味，且對COD和NH3- N均有降解作用。乳酸菌包括雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)、乳桿菌屬(Lactobacillus)、乳球菌屬(Lactococcus)等，其能抑制腐敗細菌和病原微生物生長，且其代謝活動產生的乳酸、乙酸等有機酸具調節pH的作用[22]，此外，其對COD具有降解作用。

硝化菌、反硝化菌、光合細菌、酵母菌在黑臭水體治理中也發揮著重要作用。如硝化菌將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽后，反硝化菌利用硝酸鹽作電子受體將其逐步還原為氮氣從而達到脫氮目的，此種脫氮方式既高效又經濟；光合細菌對環境適應能力強，在厭氧光照、黑暗好氧、明亮好氧的條件下均可降解有機物，故光合細菌能有效提高黑臭水體治理效率；酵母菌對Cr6+、Ni2+等重金屬離子有良好的吸附性，可去除黑臭水體中部分重金屬離子[23]，且對COD和NH3- N有降解作用[24]。

徐熊鯤等[20]利用從成都市三道溝黑臭底泥中分離出來的一株土著微生物功能菌處理三道溝黑臭水體， 15 d后上覆水中COD去除率達67.6%，NH3- N和TP去除率分別達71.6%和92.2%；高丹英等[25]從重污染水體和底泥中篩選獲得多種光合細菌，將其混合后作為土著菌凈化黑臭水體，上覆水中COD去除率達77.1%；黃菲菲[26]利用從水體和底泥中篩選獲得的微生物，對天然黑臭水進行了厭氧凈化試驗，發現加入菌類和藻類組合對NH3- N去除率為54.4%?？梢?，投加土著微生物菌劑對黑臭水體的修復具有較好的效果。

3.2.2外來微生物菌劑

外來微生物菌劑是指從周圍的土壤、水體、大氣環境中，由人工將幾種凈化效率較高的功能微生物群落組合后得到的菌劑。通過向水體中投加外來微生物菌劑，可提高水體中功能微生物群落的多樣性及生物量，提高污染物降解速率，從而達到水質凈化的目的。

杜聰等[27]通過分梯度模擬一種由絲狀菌、乳酸菌、酵母菌經過特殊工藝處理后制成的外來復合菌劑處理黑臭河道，發現當投加量為0.5～1.0 mg/L時，上覆水中COD、TN和NH3- N去除率分別達87.37%、90.70%和95.24%，水體透明度顯著提高；劉溪[28]用外來微生物菌劑處理城市黑臭河水，投加菌劑45 d后，河道水質由劣Ⅴ類改善至Ⅴ類，COD去除率達58%，NH3- N去除率達70%，且消除了水體的臭味；Tang等[29]采用一種以變形菌門(Proteobacteria)、綠菌門(Chlorobi)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)及放線菌門(Acidobacteria)為主要組成菌門的菌劑處理黑臭水發現，該菌劑對黑臭水體中COD和NH3- N去除效果明顯，且水體中微生物群落顯著增加。

外來菌劑投入黑臭水體后需要適應新環境，部分微生物由于難以適應惡劣的新環境而無法存活，且外來微生物適應新環境需要一定時間；而土著微生物世代生存于黑臭水體中，已完成馴化和演替過程，完全適應黑臭水體的環境，具有一定的耐受能力。因此，通常土著微生物菌劑競爭力強于外來微生物菌劑，而外來微生物菌劑雖然凈化效果較好，但是引入易導致水體生態系統出現異常狀況或出現處理效果不穩定、可持續性不強等問題。

3.3 投加促生劑

促生劑指由一些微生物生長所需的營養物質組成的尖端科學配方試劑，依據組成的不同分為多組分促生劑和單組分促生劑。多組分促生劑有生物促生劑(bioenergizer，BE)、生物激活劑(biooxidator，BO)等。BE主要成分為有機酸、緩沖劑、酶、營養物質，富含微生物所必需的細胞分裂素、維生素和微量元素；BO主要成分為生物刺激劑、酶、氨基酸、腐植酸、尿素。BO與BE雖然成分有所不同，但主要功能都是促進微生物大量生長，提高微生物多樣性及生物量，從而提高污染物去除率。單組分促生劑有葡萄糖、氨基酸等，葡萄糖為速效碳源，氨基酸為速效碳源與氮源，其為微生物生長提供充足的氮源和碳源，有利于提高污水的可生化性。此外，促生劑能使好氧菌、兼性厭氧菌、厭氧菌大量增長，從而提高功能微生物群落的多樣性及增加生物量，使功能微生物群落通過高效的協同作用，更徹底、完全地降解污染物，并提高系統耐受污染物沖擊負荷的能力。促生劑可促進黑臭水體中功能微生物群落的合成代謝和分解代謝，使功能微生物群落在不利環境中也能夠快速且大量繁殖生長，形成具有一定形狀的菌膠團，從而提高功能微生物降解污染物的效率，提高黑臭水體治理效率。

張秀芝等[30]向黑臭水體中投加促生劑BO，18 d后NH3- N和TP的去除率分別達98.82%和82.78%，水體達到Ⅳ類水質標準；劉澤軍[31]研究發現，BE可提高黑臭水體中好氧微生物的生物量，增強好氧反應，對水體黑臭的改善有重要作用；李繼洲等[32]利用BE對南京南湖片區北河黑臭水體開展試驗研究，發現BE對NH3- N、TN去除率分別為76.6%、50.7%，黑臭水體水質由劣Ⅴ類改善為Ⅴ類?？梢?，BE對黑臭水體具有良好的修復效果。

3.4 投加填料

投加填料是治理黑臭水體常用的輔助手段。填料具有比表面積大、生物附著力強、孔隙率高等特點。填料置于黑臭水體中，其巨大的比表面積為水體中微生物提供附著點，微生物與填料不斷接觸可形成生物膜，提高水體中功能微生物的多樣性及增加生物量，從而使污染物降解效率得到提高。

填料可分為固定式、懸掛式、分散式等幾大類：固定式填料以蜂窩狀陶粒為代表，由于其蜂窩孔內的含氧量隨孔深變化而變化，孔深越深含氧量越低，故可形成好氧、兼性好氧厭氧、厭氧環境，為不同類型微生物提供附著點，利于提高微生物多樣性，從而利于污染物的去除；懸掛式填料包括軟性、半軟性和組合填料，其比表面積較大，孔隙率達90%，具有掛膜快、造價低、不易堵塞等優點；分散式填料包括堆積式、多孔球形懸浮式填料，其特點是無需固定和懸掛，具有使用壽命長、掛膜快、受水流速度影響小等優點。

吳光前等[33]選用生物帶作為填料，配合科利爾活菌凈水劑凈化南京林業大學紫溪黑臭河水，上覆水中COD和NH3- N去除率分別達70%和95%，底泥削減量達到80%以上；陳志剛[34]利用陶粒作為載體，通過固定生物膜技術對黑臭河水進行凈化，10 d后河水中COD去除率達76.57%，TP去除率達76.17%；阮宇鷹[35]對黑臭河水生物柵處理系統中填料及植物根系微生物生態的研究表明，生物柵凈化槽中組合填料的存在提高了水質凈化效果，組合填料附著的生物膜對黑臭水體的凈化起到重要作用。

3.5 栽種水生植物

水生植物可通過吸收和轉化作用降低黑臭水體中N、P等營養物濃度，通過富集作用將重金屬等有毒有害物質從水體中移除；水生植物也可通過光合作用向水體中富氧，提高水體中DO濃度；此外，水生植物根系分泌物可促進根際微生物的增殖繁衍，從而提高對污染物的去除率[36]。熊明彪等[37]研究顯示，根系分泌物為根際反硝化細菌提供良好的生態環境，且可刺激根際反硝化細菌的代謝活動；藕翔[38]研究表明，鳳眼蓮的根際微生物以真菌、放線菌為主，且放線菌與COD去除率呈顯著相關?？梢姡参锔H微生物可提高水體中功能微生物的多樣性及增加生物量，使功能微生物凈化黑臭水體的作用得到強化。

金樹權等[39]對微齒眼子菜、苦草、輪葉黑藻、穗狀狐尾藻和金魚藻這5種沉水植物的N、P吸收和水質凈化能力進行比較，發現不同沉水植物對水體中N、P的吸收效果有差異，對TP、TN的去除率分別為49.2%～70.8%和63.8%～83.1%，且TN、TP去除率與沉水植物的生物量呈顯著相關。張夢緋[40]對生態浮島凈化黑臭水體機理的研究發現，生態浮島利用植物的截留、吸收、吸附作用和微生物的轉化、吸收和降解作用去除水中的N、P等營養物，富集重金屬和有毒有害物質，降解有機物。韓瀟源等[41]對10種常見人工濕地植物吸收N、P能力的比較發現，不同植物對N、P去除率差異較大，經過15 d室內水培試驗，千屈菜及美人蕉對TP去除效果較好，去除率分別為87.7%和69.9%。

栽種水生植物對黑臭水體的治理具有良好的效果，因此已被廣泛應用。黑臭水體治理工程中，常利用人工生態浮島栽種對N、P具有強吸收作用，對重金屬具有超富集作用的植物，該方法不僅起到凈化水質的作用，還具有較好的景觀效果。

4 組合生物凈化技術應用

目前組合生物凈化技術已被廣泛應用于黑臭水體的治理。如上海市自2016年初以來，對67條建成區黑臭河道開展全面整治，其中位于上海市中心城區的夏長浦河道常年黑臭，通過清淤工程及運用曝氣、栽種水生植物和附著微生物的填料框聯合凈化后，消除了該河道水體黑臭現象，綜合整治效果顯著[42]。?？谑泄鹆盅蠼洕_發區福創溪—大排溝屬于重度黑臭水體，實施清淤工程后，通過噴泉曝氣機曝氣增氧，向水體中投加緩釋型微生物菌劑及栽種紅樹林組合技術凈化8個月后，水體中DO濃度大于2 mg/L，氧化還原電位大于50 mV，NH3- N濃度低于8 mg/L，河水透明度升至25 cm，消除了水體黑臭現象[43]。南京農花河長期處于黑臭狀態，實施清淤工程后，運用機械曝氣及栽種水生植物組合技術凈化水體，最終消除了水體黑臭現象[44]。

5 結論與展望

黑臭水體中污染物成分復雜，單一的修復技術往往達不到理想效果。將不同修復技術進行優化組合，尋找高效的組合技術具有重要意義。綜述了利用人工曝氣+投加菌劑+投加促生劑+投加填料+栽種水生植物組合生物技術凈化黑臭水體的思路，在此基礎上提出了國內外黑臭水體治理的主要技術措施，進一步佐證了利用組合生物技術凈化黑臭水體的可行性及有效性，旨在為組合生物技術凈化黑臭水體提供多樣化視角及合理的治理框架。

雖然組合生物凈化技術在黑臭水體治理中被廣泛應用，但其理論研究尚不成熟，實際應用中還需要克服溫度、流速等外界條件的影響。今后，還需重點研究組合生物技術凈化黑臭水體的機理及功能微生物群落的進化、演替與污染物去除之間的關系，以及優勢種群與污染物去除的協同關系，為黑臭水體治理提供理論依據。而組合生物凈化技術中投加微生物菌劑是黑臭水體治理的關鍵環節，關系著黑臭水體治理的效果和治理后水質能否長期穩定保持，因此，開發污染凈化效率更高、適應性更廣、抗逆性更強的菌劑是未來的研究方向之一。此外，水生植物根際微生物群落對污染物的去除有一定貢獻，但目前根際微生物種類和數量的動態變化與黑臭水體中污染物去除率之間關系的研究尚少，而這對于更好地發揮水生植物修復作用具有重要的指導意義，故也是未來的研究方向之一。