沉水植被協(xié)同固定化微生物技術(shù)凈化富營養(yǎng)化河道研究

劉 亮，趙燎原，許寧寧，孫繼傳

（寧波碧城生態(tài)科技有限公司，浙江 寧波 315000）

隨著水體富營養(yǎng)化的不斷加劇，沉水植被和微生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)日益受到關(guān)注。府溪河是寧波具有代表性的景觀水體，位于鄞州區(qū)高教園區(qū)，水域面積不大，污染來源復(fù)雜，水流滯緩，自凈能力差，常年容易出現(xiàn)不同程度的藻類滋生現(xiàn)象，富營養(yǎng)化問題突出，河道景觀價(jià)值下降，影響了沿岸師生的正常生活。

1 河道水質(zhì)現(xiàn)狀與污染成因

府溪河是寧波連接前塘河和小洋江的一條支流，全長約為1 950 m，河段平均寬約為12 m，水域面積為23 400 m。由于常年處于重污染狀態(tài)，近幾年已基本無水生動(dòng)物。為切實(shí)改善沿河的人居環(huán)境，改善水質(zhì)，恢復(fù)河道景觀生態(tài)，對該河段的治理已勢在必行。府溪河流速緩慢，斷面平均流速一般小于0.1 m/s，呈層流狀態(tài)，且常年水量較小，河道淤積嚴(yán)重，一般不存在防洪排澇問題和航運(yùn)功能，允許設(shè)置節(jié)制閘、橡膠壩等控制治理措施。2020年4—5月，從府溪河南段到北段依次選取4個(gè)斷面進(jìn)行水質(zhì)檢測，4個(gè)斷面的平均檢測結(jié)果如表1所示，水體呈現(xiàn)為劣Ⅴ類水質(zhì)，氨氮和總氮最高超標(biāo)接近200%，總氮超標(biāo)則大于200%，透明度平均為50 cm左右，并呈現(xiàn)明顯的富營養(yǎng)化狀態(tài)。

表1 4個(gè)斷面平均檢測結(jié)果

府溪河沿岸有6個(gè)學(xué)生食堂和4個(gè)學(xué)生宿舍生活區(qū)，污染源主要為餐飲廢水和生活污水等。河道兩岸種植多種樹木和灌木植物，秋冬季節(jié)，樹木枝葉凋謝落水，腐爛變質(zhì)后分解并沉積到水體底部，成為水體污染的主要內(nèi)源。府溪河水流平緩，流速小，常年處于靜止或微流動(dòng)狀態(tài)，上游污染物集中，下游宣泄不暢，污染物長時(shí)間滯留在下游使其部分河段處于黑臭狀態(tài)。

2 水體生態(tài)修復(fù)工程試驗(yàn)

2.1 土著固定化微生物的固定

河道最嚴(yán)重的污染物是氨氮，水體中的氨氮對河道生態(tài)環(huán)境的影響最大，氨氮污染是造成水體黑臭和富營養(yǎng)化的主要原因之一。土著微生物固定化的主要處理對象是河水中的含氮污染物。使用有機(jī)玻璃柱狀采泥器采集府溪河的底泥，將柱狀泥樣移入試驗(yàn)裝置，取表層至22 cm的底泥。將水和底泥接種到選擇性培養(yǎng)基上，富集并篩選出土著亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌和氨化細(xì)菌；采用2～3 cm的聚氨酯載體填料，用人工合成營養(yǎng)液浸泡，恒溫25 ℃振蕩24 h，加入經(jīng)活化培養(yǎng)進(jìn)入對數(shù)生長期的亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌以及氨化細(xì)菌培養(yǎng)液各200 mL，常溫振蕩24 h，靜置48 h，使亞硝化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌和氨化細(xì)菌交替在有氧、厭氧環(huán)境下吸附在聚氨酯載體填料內(nèi)，通過增殖進(jìn)入改性火山巖填料內(nèi)部使之固定，基于吸附原理用10 cm 聚丙烯（PP）球網(wǎng)裝制作固定化生態(tài)球，需要時(shí)投入河底，或者敷設(shè)在水下土著培養(yǎng)箱體內(nèi)。在室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，投放不同量的生態(tài)球，找出河水中最佳的投放水平，府溪河選定的投放量為每10 m投放生態(tài)球2.2 m。

2.2 沉水植被系統(tǒng)構(gòu)建

沉水植被系統(tǒng)是水下森林的生產(chǎn)者，是水體生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，根系和整個(gè)葉面直接吸收水體和淤泥中的營養(yǎng)物質(zhì)，所需碳源直接從水體中吸收，從下到上對整個(gè)水體產(chǎn)生巨大的凈化作用。沉水植被分為冷季型沉水植被和暖季型沉水植被。冷季型沉水植被主要種植在深水域（河道中間區(qū)域6 m寬），它是維持冬季水體自凈的主體，也是促進(jìn)來年春季和夏季沉水植被自行修復(fù)的必要條件。主要種類有伊樂藻、狐尾藻等。暖季型沉水植被主要種植在較淺水域（河道兩側(cè)近岸處）。由于夏季水溫較高，水體內(nèi)水質(zhì)不穩(wěn)定，容易變壞，必須種植和季節(jié)相適應(yīng)的水草，才能保證生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。主要種類有苦草、竹葉眼子菜等。府溪河沉水植被系統(tǒng)配置方案如表2所示。

表2 沉水植被系統(tǒng)配置方案

3 生態(tài)修復(fù)工程治理成效

府溪河生態(tài)修復(fù)工程于2021年5月底開始實(shí)施并于6月底完成，對2021年7月至2022年2月水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行跟蹤分析，分別監(jiān)測氨氮、總氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、總磷、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a和溶解氧等指標(biāo)，部分指標(biāo)變化趨勢如圖1所示。

水質(zhì)檢測結(jié)果表明，生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施前期，2021年7—8月水質(zhì)逐漸轉(zhuǎn)好，河道溶解氧較充足，但外源污染和內(nèi)源污染依然存在，且透明度仍較低，河道水體整體仍然呈低藻型濁水態(tài)富營養(yǎng)化。工程實(shí)施中后期，水質(zhì)改善效果明顯，氮磷營養(yǎng)鹽得到有效去除，水質(zhì)逐漸改善。

從圖1可知，隨著時(shí)間的推移，水中氨氮存在先較快降低，后迅速增加，再緩慢降低的過程。結(jié)合府溪河底泥狀況分析，河道底泥間隙水中氨氮含量與上覆水氨氮含量形成濃度梯度，原因是中期上覆水氨氮含量降低促進(jìn)底泥氨氮釋放，導(dǎo)致上覆水氨氮含量增加，然后其在沉水植被及微生物凈化作用下又呈降低趨勢。由此可見，固定化微生物技術(shù)有利于加快底泥中氨氮等物質(zhì)的降解與釋放。水中總氮和硝態(tài)氮與氨氮基本呈現(xiàn)相同變化趨勢，且去除效果較好，但在11—12月受沉水植被消亡交替的影響，總氮升高趨勢明顯，1—2月隨著溫度的上升和沉水植被的恢復(fù)，總氮又開始降低。由圖1可知，水中亞硝態(tài)氮和總磷含量一直表現(xiàn)較低，呈緩慢下降趨勢，治理效果較為顯著。葉綠素a呈現(xiàn)季節(jié)性變化趨勢，隨著溫度的升高，葉綠素a含量逐漸上升，但進(jìn)入秋冬季節(jié)，溫度持續(xù)降低，藻類的生長明顯受到抑制，2月回溫季節(jié)，在周圍河道出現(xiàn)藻類滋生問題時(shí)，府溪河葉綠素a仍然處于較低水平。可見，沉水植被和微生物的雙重促進(jìn)作用大大提高了氮磷營養(yǎng)鹽物質(zhì)的去除能力，葉綠素a降低顯著。

圖1 水體含氮污染物變化趨勢

與工程治理前（2020年4—5月）的平均檢測值相比，總氮去除率達(dá)到75.4%，氨氮去除率介于29.4%～90.1%，硝態(tài)氮去除率介于8.0%～67.5%。11—12月，含氮污染物去除率總體降低，此時(shí)氨氮通過微生物轉(zhuǎn)化及植物吸收仍然得到較好的去除，沉水植被與固定化微生物技術(shù)協(xié)同去除氨氮的效果顯著，沉水植被的消亡更替導(dǎo)致對總氮和硝態(tài)氮的凈化能力降低。由于前期污染物降解消耗，水中溶解氧在2021年7—10月維持在3.49～5.17 mg/L的中低水平，隨著水體質(zhì)量改善，2021年11月至2022年2月，水體溶解氧維持在6.04～10.93 mg/m的高水平。水體葉綠素a去除率保持在31.3%～87.5%，葉綠素a變化表明，沉水植被協(xié)同固定化微生物技術(shù)能夠有效控制水華影響，預(yù)防河道富營養(yǎng)化。

4 結(jié)論

植物與固定化微生物的協(xié)同作用可強(qiáng)化水體脫氮效果，在常溫季節(jié)對氨氮和總氮的去除效果明顯。沉水植被為河道系統(tǒng)提供足夠的溶解氧，可提升水體含氮污染物的去除效能。沉水植被對總氮和硝態(tài)氮降解的影響較大，同時(shí)沉水植被協(xié)同固定化微生物對氨氮降解的影響較大。沉水植被協(xié)同固定化微生物技術(shù)可以在我國南方河道強(qiáng)化凈化作用，為富營養(yǎng)化水體生態(tài)修復(fù)提供有效途徑。