基于生物-生態耦合的湖泊水環境修復集成技術研究

李昂,李娟

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430056;2.武漢智匯元環保科技有限公司,湖北 武漢 430056)

根據2022年武漢市環境質量狀況公報顯示,武漢市166個湖泊中,4個湖泊達到I類水質,4個湖泊達到II類水質,58個湖泊達到IV類水質,52個湖泊達到V類水質,48個湖泊劣于V類水質。按綜合營養狀態指數評價,8個湖泊為中營養狀態,91個湖泊為輕度富營養狀態,56個湖泊為中度富營養狀態,11個湖泊為重度富營養狀態。63個有功能類別的湖泊中,達到水質功能類別標準的有21個,占33.3%,與2021年相比減少8.0個百分點。湖泊水質總體保持穩定,但與“武漢市重點湖泊水質達標工作方案”目標還有差距,因此著重改善不達標湖泊水體環境質量是水污染防治工作的首要工作內容。

本研究以武漢市經開區16個小微水體為研究對象,小微水體具有流動性差,水環境容量小,水體自凈能力差,自然充氧能力不強等特點;在雨洪污染和懸浮物沉積等多重作用下,湖水中污染物濃度超過了環境容量和自凈能力,其富集的速度大于其消除的速度,造成有機物濃度高。湖泊水體水中污染物總量較低,但污染物種類繁多、性質復雜,湖泊水體水質要提升至地表水IV類標準,現有單一技術很難實現,因此需要采用生物-生態耦合的方式對湖泊水質進行提升,本次研究為今后湖泊水體的水質提升提供一個新思路,對推動利用該技術大規模化處理湖泊水體具有重要的科學意義與應用價值。

1 國內外研究現狀

湖泊水體多為封閉靜止或緩流水體,盡管湖泊水體中污染物總量較低,但污染物種類繁多、性質復雜,常規水處理工藝難以有效凈化湖泊水體。因此,國內外對于湖泊水體處理技術的研究有著高度關注。

化學氧化法主要是在原水中投加強氧化劑,其原理是氧化劑通過失去電子對對目標物進行氧化的方法,氧化分解去除原水中的還原性有機物、藻類及嗅味物質等。李想[1]等人在混凝處理單元前采用了高錳酸鉀復合藥劑預處理,研究結果表明,預處理能夠很好的強化混凝處理工藝,能夠顯著提高混凝過程對濁度、有機物等污染指標的去除效率,當高錳酸鉀的用量為0.25 mg/L時,還能使混凝階段混凝劑的投加量減少。陳詩雯[2]等人在原有常規工藝前采用二氧化氯預氧化工藝研究微污染黃河水,結果表明,兩個工藝相結合不僅使得除藻能力大大增加,還降低了出水色度,以及嗅味等感官性指標濃度。

生物氧化法是指在常規凈水工藝前增設生物預處理工藝,利用微生物群體的新陳代謝活動對水中的有機污染物、氨氮、亞硝酸鹽及鐵、錳等無機污染物進行生物降解,提高原水的可生化性,減輕常規處理和后續深度處理的負荷。錢東[3]等人發現,采用懸浮填料生物接觸氧化池,運行成本較低,氨氮去除率一般在70%左右,夏季達80%以上,冬季在30%左右。付斌[4]等人以齒輪型生物載體作為懸浮填料,懸浮填料表面附著一層以菌膠團為主的黃褐色的生物膜,預處理對氨氮去除率能達到80%以上,出水氨氮、亞硝氮滿足生活飲用水衛生標準。

吸附法是利用多孔性的固體吸附劑,如沸石、活性炭、硅藻土等,將水樣中的一種或數種污染物質吸附于表面,以達到去除水中有機污染物、色度及其嗅味等物質的目的。富添[5]等人研究了沸石的靜態吸附能力以及預處理工藝對氨氮的去除效果,結果表明,沸石對氨氮具有很強的吸附能力,工藝對氨氮的去除率高達80%以上。左思敏[6]等人在實際生產應用中發現,預處理采用高錳酸鉀和粉末活性炭聯用方式處理低溫低濁微污染長江水是有效的,不僅能夠改善出水水質,同時還可以降低混凝劑和氯氣用量。

綜上,當前國內外關于處理湖泊水體的研究多集中在單一技術上,如物化方法、生物法或者生態技術法,即使有物化與生物法組合工藝對湖泊水體的凈化研究,也極少關注組合工藝的作用機理。

2 治理技術研究及其優勢

基于生物-生態耦合的湖泊水環境修復集成技術,采用微生物復合菌種+沉水植物群落構建+鑭改性的凹凸棒土底質改良劑相互耦合、相互作用,有效凈化湖泊水質,維持湖泊水質長效達標。

2.1 微生物復合菌種

在治理湖泊水體的過程中,針對所治理水體的實際情況,使用不同種類、不同配比的復合微生物,通過模擬實驗研究復合微生物菌種對污染水體的修復效果,以獲得最佳的湖泊水體投菌方式;同時分析微生物在水體治理過程中的作用,為以后更加高效治理湖泊水體奠定基礎。

功能菌株篩選,篩菌試驗中所需要用到的一切設備、玻璃器皿等物品再使用前均需經過滅菌操作。首先在無菌條件下制作分離純化用平板:將用于分離純化的瓊脂培養基在高壓滅菌鍋(121 ℃,0.1 MPa)中滅菌30 min。取出后放置在無菌臺內,使用紫外線照射20 min,期間保持通風,待培養基冷卻至50 ℃左右,按無菌操作法倒若干平板(每個培養皿內倒大概15 mL左右),平置,等待徹底凝固后使用。再經富集、初篩、復篩和鑒定環節,得到純化菌株,圖1為功能菌株篩選流程圖。

圖1 功能菌株篩選流程圖

本技術所篩選出來的功能菌株Y1,目前已上傳中國典型培養物保藏中心,本功能菌株不論在溫度較低的冬季還是溫度較高的夏季,均可將水體中的氨氮完全去除,有效提高水體水質,圖2為功能菌株XRD成像。

圖2 功能菌株XRD成像

通過圖3實驗數據可以看出氨氮在實驗末尾得以完全去除,且無亞硝氮殘留,證明Y1菌具有良好的脫氮效果。

圖3 功能菌株脫氮效果

2.2 沉水植物群落構建

根據生物操縱理論,比較篩選不同類群的沉水植物,輔以微生物調控手段進行湖泊水體水生態修復研究。不同沉水植物對水體中TN、TP、NH3-N和COD都有不同的去除效果,例如苦草等對磷的凈化效率可達90%。本研究篩選適宜的沉水植物進行分析,以沉水植物凈化技術為先導,研究不同結構水生動植物種群對水體目標污染物的去除效果。

本次研究以苦草為對照組,比選金魚藻、伊樂藻、狐尾藻、黑藻對TP和TN的去除率,通過實驗結果得出,隨著時間的推移,TN 的去除率逐漸提高,苦草試驗組(對照組)的 TN 去除效果最好。各種沉水植物對水中總氮的去除率為:金魚藻(23.7%)、伊樂藻(21%)、狐尾藻(17.8%)、黑藻(17.6%)、苦草(25.1%)。對 TP的去除率為:苦草(70%)、伊樂藻(67%)、金魚藻(61.5%)、黑藻(28.8%)、狐尾藻(18.3%)。對氨氮的去除效果為:苦草(35%)、黑藻(24%)、金魚藻(21%)、狐尾藻(18%)、伊樂藻(26%)。

通過圖4～5實驗研究發現苦草對水質的凈化效果明顯優于其他沉水植物,實驗結果表明在1 500 g/m3的最優苦草種植密度下,水體中TP、TN的去除率均達到90%以上。

圖5 不同密度苦草總磷去除率

2.3 鑭改性的凹凸棒土底質改良劑

當污染物濃度高出底泥本底值2～3倍時可考慮進行清淤,在邊界條件以下時可采用原位覆蓋技術修復底泥。選擇不同覆蓋材料對水體底泥進行原位覆蓋,如:河沙、紅壤、硅藻土等。研究覆蓋技術控制底泥污染物釋放的效果和機理,研究其對泥-水界面氧化還原環境的改善作用。

凹凸棒土由于產量大、成本低,作為一種吸附材料具備良好的優勢,應用前景廣闊。鑭(La)作為一種稀土元素,在地殼中含量相對豐富,并且環境友好,價格相對便宜,對磷酸鹽有著極強的親和力,常被用于除磷材料的制備。本研究通過模擬湖泊水環境,探究在不同環境條件下沉積物磷的釋放特征,在以凹凸棒土為原材料的基礎上,依次進行熱改性以及鑭改性處理,通過比較不同改性材料對磷的去除效果,篩選出最佳改性凹凸棒土作為抑制湖泊沉積物磷釋放的固磷材料,圖6為鑭改性的凹凸棒土掃描電鏡成像。

圖6 鑭改性的凹凸棒土掃描電鏡成像

本次研究使用液相沉淀和高溫煅燒法制備了鑭改性的凹凸棒土,相比較市面上常用的膨潤土而言,比表面積提升了近3倍,大大增加了其對污染物的吸附容量。

圖7說明固磷材料鑭改性的凹凸棒土能對水體起到良好的修復效果。其原因是一方面鑭改性的凹凸棒土能有效吸附沉積物中磷的釋放,有較好的控磷效果,另一方面鑭改性的凹凸棒土也能吸附上覆水體中的磷酸鹽,使水體中的磷得以去除。

圖7 不同上覆水中TP濃度的變化

3 結論

(1)針對水體脫氮,自主篩選得到異養硝化好氧反硝化菌Y1,通過提取土著菌種發方式,有效解決了外來微生物入侵等問題,通過實驗可以看出在其對水體重的氮具有良好的脫除能力。

(2)針對沉水植物群落構建,選取苦草作為優勢沉水植物,在達到良好的脫氮除磷效果的同時,構建了良好的水生生態環境,使之具有一定的穩定性、和諧性與美觀性。

(3)針對底泥中磷含量偏高,且易釋放至上覆水體中的特點,研發固磷材料鑭改性的凹凸棒土,可以有效固定底泥中的磷元素、削弱上覆水體中的磷濃度。

(4)通過以上三種措施的共同耦合作用,可以有效提高湖泊水質凈化能力,維持湖泊水體長治久清。