沉水植被协同固定化微生物技术净化富营养化河道研究

刘 亮，赵燎原，许宁宁，孙继传

（宁波碧城生态科技有限公司，浙江 宁波 315000）

随着水体富营养化的不断加剧，沉水植被和微生物生态修复技术日益受到关注。府溪河是宁波具有代表性的景观水体，位于鄞州区高教园区，水域面积不大，污染来源复杂，水流滞缓，自净能力差，常年容易出现不同程度的藻类滋生现象，富营养化问题突出，河道景观价值下降，影响了沿岸师生的正常生活。

1 河道水质现状与污染成因

府溪河是宁波连接前塘河和小洋江的一条支流，全长约为1 950 m，河段平均宽约为12 m，水域面积为23 400 m。由于常年处于重污染状态，近几年已基本无水生动物。为切实改善沿河的人居环境，改善水质，恢复河道景观生态，对该河段的治理已势在必行。府溪河流速缓慢，断面平均流速一般小于0.1 m/s，呈层流状态，且常年水量较小，河道淤积严重，一般不存在防洪排涝问题和航运功能，允许设置节制闸、橡胶坝等控制治理措施。2020年4—5月，从府溪河南段到北段依次选取4个断面进行水质检测，4个断面的平均检测结果如表1所示，水体呈现为劣Ⅴ类水质，氨氮和总氮最高超标接近200%，总氮超标则大于200%，透明度平均为50 cm左右，并呈现明显的富营养化状态。

表1 4个断面平均检测结果

府溪河沿岸有6个学生食堂和4个学生宿舍生活区，污染源主要为餐饮废水和生活污水等。河道两岸种植多种树木和灌木植物，秋冬季节，树木枝叶凋谢落水，腐烂变质后分解并沉积到水体底部，成为水体污染的主要内源。府溪河水流平缓，流速小，常年处于静止或微流动状态，上游污染物集中，下游宣泄不畅，污染物长时间滞留在下游使其部分河段处于黑臭状态。

2 水体生态修复工程试验

2.1 土著固定化微生物的固定

河道最严重的污染物是氨氮，水体中的氨氮对河道生态环境的影响最大，氨氮污染是造成水体黑臭和富营养化的主要原因之一。土著微生物固定化的主要处理对象是河水中的含氮污染物。使用有机玻璃柱状采泥器采集府溪河的底泥，将柱状泥样移入试验装置，取表层至22 cm的底泥。将水和底泥接种到选择性培养基上，富集并筛选出土著亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌和氨化细菌；采用2～3 cm的聚氨酯载体填料，用人工合成营养液浸泡，恒温25 ℃振荡24 h，加入经活化培养进入对数生长期的亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌以及氨化细菌培养液各200 mL，常温振荡24 h，静置48 h，使亚硝化细菌、硝化细菌、反硝化细菌和氨化细菌交替在有氧、厌氧环境下吸附在聚氨酯载体填料内，通过增殖进入改性火山岩填料内部使之固定，基于吸附原理用10 cm 聚丙烯（PP）球网装制作固定化生态球，需要时投入河底，或者敷设在水下土著培养箱体内。在室内进行模拟试验，投放不同量的生态球，找出河水中最佳的投放水平，府溪河选定的投放量为每10 m投放生态球2.2 m。

2.2 沉水植被系统构建

沉水植被系统是水下森林的生产者，是水体生态系统的重要组成部分，根系和整个叶面直接吸收水体和淤泥中的营养物质，所需碳源直接从水体中吸收，从下到上对整个水体产生巨大的净化作用。沉水植被分为冷季型沉水植被和暖季型沉水植被。冷季型沉水植被主要种植在深水域（河道中间区域6 m宽），它是维持冬季水体自净的主体，也是促进来年春季和夏季沉水植被自行修复的必要条件。主要种类有伊乐藻、狐尾藻等。暖季型沉水植被主要种植在较浅水域（河道两侧近岸处）。由于夏季水温较高，水体内水质不稳定，容易变坏，必须种植和季节相适应的水草，才能保证生态系统的稳定性。主要种类有苦草、竹叶眼子菜等。府溪河沉水植被系统配置方案如表2所示。

表2 沉水植被系统配置方案

3 生态修复工程治理成效

府溪河生态修复工程于2021年5月底开始实施并于6月底完成，对2021年7月至2022年2月水质变化趋势进行跟踪分析，分别监测氨氮、总氮、硝态氮、亚硝态氮、总磷、高锰酸盐指数、叶绿素a和溶解氧等指标，部分指标变化趋势如图1所示。

水质检测结果表明，生态修复工程实施前期，2021年7—8月水质逐渐转好，河道溶解氧较充足，但外源污染和内源污染依然存在，且透明度仍较低，河道水体整体仍然呈低藻型浊水态富营养化。工程实施中后期，水质改善效果明显，氮磷营养盐得到有效去除，水质逐渐改善。

从图1可知，随着时间的推移，水中氨氮存在先较快降低，后迅速增加，再缓慢降低的过程。结合府溪河底泥状况分析，河道底泥间隙水中氨氮含量与上覆水氨氮含量形成浓度梯度，原因是中期上覆水氨氮含量降低促进底泥氨氮释放，导致上覆水氨氮含量增加，然后其在沉水植被及微生物净化作用下又呈降低趋势。由此可见，固定化微生物技术有利于加快底泥中氨氮等物质的降解与释放。水中总氮和硝态氮与氨氮基本呈现相同变化趋势，且去除效果较好，但在11—12月受沉水植被消亡交替的影响，总氮升高趋势明显，1—2月随着温度的上升和沉水植被的恢复，总氮又开始降低。由图1可知，水中亚硝态氮和总磷含量一直表现较低，呈缓慢下降趋势，治理效果较为显著。叶绿素a呈现季节性变化趋势，随着温度的升高，叶绿素a含量逐渐上升，但进入秋冬季节，温度持续降低，藻类的生长明显受到抑制，2月回温季节，在周围河道出现藻类滋生问题时，府溪河叶绿素a仍然处于较低水平。可见，沉水植被和微生物的双重促进作用大大提高了氮磷营养盐物质的去除能力，叶绿素a降低显著。

图1 水体含氮污染物变化趋势

与工程治理前（2020年4—5月）的平均检测值相比，总氮去除率达到75.4%，氨氮去除率介于29.4%～90.1%，硝态氮去除率介于8.0%～67.5%。11—12月，含氮污染物去除率总体降低，此时氨氮通过微生物转化及植物吸收仍然得到较好的去除，沉水植被与固定化微生物技术协同去除氨氮的效果显著，沉水植被的消亡更替导致对总氮和硝态氮的净化能力降低。由于前期污染物降解消耗，水中溶解氧在2021年7—10月维持在3.49～5.17 mg/L的中低水平，随着水体质量改善，2021年11月至2022年2月，水体溶解氧维持在6.04～10.93 mg/m的高水平。水体叶绿素a去除率保持在31.3%～87.5%，叶绿素a变化表明，沉水植被协同固定化微生物技术能够有效控制水华影响，预防河道富营养化。

4 结论

植物与固定化微生物的协同作用可强化水体脱氮效果，在常温季节对氨氮和总氮的去除效果明显。沉水植被为河道系统提供足够的溶解氧，可提升水体含氮污染物的去除效能。沉水植被对总氮和硝态氮降解的影响较大，同时沉水植被协同固定化微生物对氨氮降解的影响较大。沉水植被协同固定化微生物技术可以在我国南方河道强化净化作用，为富营养化水体生态修复提供有效途径。