复合生物膜微生物修复河道水环境技术

赵俊昌，宋国晗，王子诺，杜仲泓，霍祥志

（中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056000）

0 引言

近年来，国内对于水生态环境治理技术有了很大的提升，对于河道治理一般采用的措施和处理技术有：河道内人工“疏浚、清淤”、河道曝气生态净化法［1-2］、污水稳定床处理技术、底泥生物氧化技术、多功能河道生态工程修复技术［3］、异位处理技术和原位选择性激活生态修复技术等。根据污染水体情况、水量大小、污染物浓度高低等情况的不同选用的处理方法和技术也不同。如黑臭水体可选用底泥生物氧化技术，此技术特点是无需人工清淤，净化效果好，运行成本高、见效周期长等特点；再如要求景观与净化功能并存的城市河道可选用多功能河道生态工程修复技术，此技术特点是长效治理、建立稳定的生态系统、景观和净化功能并存，投资成本和建设费用较高的特点［4］。因此，根据地理环境、位置、水体污染情况，当地政府对水生态环境治理要求和当地财政情况等的不同选择治理思路和水体修复技术也有差异。尽管水体修复技术种类较多，最终要达到长效稳定的目的。从根源上控源截污，选择生态修复技术，才能真正意义达到水体自净，建立良好的水生态环境。

本文根据山西省阳泉市郊区温河水体污染情况，以治理水质提升工程为例，研究其低成本高效的修复河道生态环境治理技术。

1 温河污染现状

温河发源于盂县南娄镇的方山东麓，郊区境内起点为河底镇东村林场，终点为荫营镇辛庄村，主干流全长20.09km，流域面积272km2，燕龛河、山底河、苇泊河、白岩河、三郊河、小花沟等，山底河、荫营河、苇泊河均是温河的一级支流［5］（图1）。自温河灌区至辛庄断面在辛庄庙东跨界断面水质呈现透明或沉淀后透明，无色至浅黄色，无味。温河水体污染源主要为上游山底河汇入，同时沿岸有零散生活污水、生活垃圾入河现象以及沿岸农业面源污染。

图1 温河流域水系Figure 1 Wen River basin hydrology

山底河流域有大量煤矿，多年来煤矿的无序开采，使得个别煤矿高矿化度矿井水不经过处理就直接排放，对当地地下水造成了一定程度的污染。当地地下水用于地区的工业生产。地下水的大量开采，造成地下水资源的短缺［6］。煤矿、洗煤厂产生的废水直接排入山底河，煤矸石无序堆放，直接导致治理河段的水体受到严重污染，水环境质量为Ⅴ类、劣Ⅴ类，并造成河道内及两岸岸坡、农田遭受污染破坏，岸坡、农田的水质变黄、变红，并且因Fe2+对水体中的氧消耗，造成鱼类、浮游生物、藻类等死亡，加之沿河村庄居民将生活污水、旱厕、养殖废水（液）、甚至生活垃圾等污染物直排入河现象严重，使河水中氨氮、COD 等有机污染物指标也存在不同程度的超标，温河流呈现出多重污染的特征。严重影响沿线老百姓的正常生活。

2020 年1 月1 日至6 月30 日阳泉市生态环境局郊区分局在辛庄温河跨界断面的监测站在线监测数据［7］（图2）显示，温河在郊区界主要污染物是总氮、氨氮。尤其为枯水季含量较高。

图2 温河氨氮、总氮及流量变化曲线Figure 2 Ammonia nitrogen，total nitrogen，and flow variation curves of the Wen River

2 治理技术研究

短期内采取快速有效的措施，如截污纳管、生态稳定塘、老窑水治理、河底清淤、河堤维护、生物修复等，明显改善地表水中的COD、氨氮、悬浮物等主要指标，实现出境跨界断面水质退出劣Ⅴ类的目标。治理效果要实现出水总磷、总氮、氨氮、化学需氧量（COD）等主要水质指标达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类标准，同时满足《山西省地表水环境功能区划》（DB14）辛庄段Ⅳ类标准。即COD≤30mg/L，总磷≤0.3mg/L，总氮≤1.5mg/L，氨氮≤1.5mg/L。

根据流域水环境现状采用傍河治理思路进行治理。选择适合于温河水质提升的治理方案，采用水生态复合生物膜微生物技术，即“高效生态浮岛+复合曝气生物膜修复”多方位立体式水生态净化技术和新型绿色修复技术。以复合生物膜微生物治理为核心，同时辅助生态浮岛、曝气复氧等组合进行水质提升。在傍河修建挡水堰、净化塘。净化塘内底部采用新型复合MABR 曝气生物膜进行曝气复氧，提升河水中的溶解氧，中部采用生物膜，利用微生物降解有机污染物，顶层水面敷设生态浮岛栽种挺水水生植物吸附金属离子。

2.1 生物膜微生物技术

生物膜微生物技术是在水体中安装、悬挂载体，使菌群在载体上繁殖生长形成微生物屏障，利用形成的生物屏障吸附、消化、降解水体中的有机物和污染物。

在微生物的培养方面，在净化塘中就地激活、大量繁殖土著微生物和菌种。土著微生物以水体中的有机物及污染物为养分，并在载体上进行繁殖形成微生物屏障，水体通过载体上形成的生物膜，分解、消化、降解有机物和污染物。由于微生物的不断繁殖增长，生物膜的厚度不断增加，当膜厚度增加到一定程度后，氧气不能透入到膜内侧深部，内部呈厌氧状态，形成厌氧层。微生物在好氧层新陈代谢产生的H2O 通过附着水层进入流动水层，产生的CO2和厌氧层生成的H2S、NH3以及CH4等气态代谢产物从水层逸出进入大气中［8］。厌氧层在达到一定厚度后，产生的气态代谢增多，当气态代谢通过好氧层，破坏好氧层生态系统的稳定状态，失去两种膜层之间的平衡关系，减弱了生物膜在惰性载体上的固着力，此时的生物膜即为老化生物膜，老化生物膜功能性差容易脱落后生成新的生物膜［9］。如此循环，达到水体净化的目的。

本工程生物膜载体选用性能良好的纤维有机类生物填料，规格型号为60mm×700mm。悬挂在SS304 不锈钢膜架上，悬挂间距为120～150mm，形成一个膜组件固定在池底。每组膜组件悬挂生物填料2.4m³，净化塘内膜组件共有144 组。依池体两列并排为一个小单元布置，共计12个小单元。每个小单元间距为4m。此布局考虑分段运行，在正常运行条件下，每段繁衍与进入本段水质相适应的微生物，形成优势菌属，有利于微生物新陈代谢功能的充分发挥和有机污染物的降解。

2.2 新型复合MABR曝气生物膜复氧技术

新型复合MABR 曝气生物膜复氧技术是一种通过微米级复合材料将空气切割成细微气泡技术和附着生物降解技术相结合的新型水净化技术。微生物菌群附着在曝气生物膜外侧表面，空气通过曝气生物膜为生物菌群供氧形成微生物膜，水中氨氮和有机物被微生物膜近距离吸收和分解，最终水质得到净化。快速高效增氧、净化，增强水体生态系修复能力，实现生态修复。

在本工程中复合MABR 曝气生物膜主要作用是曝气复氧，平铺于生物膜架（SS304 不锈钢）底部。由于复合MABR 曝气生物膜材质为改性高分子复合材料，属中空丝线状，规格为210mm×2.0m（每帘膜面积为5m2）。2023 年3 月初开始安装，安装于净化塘生物膜架底部，每组膜架底下并联连接5 帘MABR 膜，共720 帘。相对于传统的曝气增氧技术，曝气膜曝气技术具有效率高、见效快、易维护、低能耗等特点。

由于MABR 曝气膜膜孔直径0.05～0.1μm，而传统曝气膜直径在0.5～2mm。通过压力将空气输入管道，经曝气膜将空气切割成微小气泡分散在水中，微小气泡在上升过程中，空气中的氧气逐渐溶于水中，经过水流扰动，实现复氧。曝气膜曝气孔越小，气泡切割越小，气泡越分散，氧气的传递效率越高，水中溶解氧就越高。对于曝气设备能耗就越小。MABR曝气膜的优势在于曝气孔小，氧气利用率高，能耗相对小。对于生态修复治理更有利（图3、图4）。

图3 复合MABR曝气生物膜示意Figure 3 Schematic of composite MABR aeration biofilm

图4 生物膜分层结构Figure 4 Biofilm stratification structure

2.3 高效生态浮岛技术

高效生态浮岛技术是利用无土栽培种植的挺水植物，利用人工生物浮床形成人工植物浮床，通过挺水植物发达的根系，吸附和吸收水中污染物作为挺水植物的营养物质，达到净化水质的效果。水面挺水植物和水中复合生物膜上的微生物屏障互相作用，形成立体处理效果，提高处理效率。

生态浮岛选用经过驯化的水草，具有很强的吸收水中有机污染物的功能，植入自制的漂浮载体栽培槽中，使植物生长在类似于无土栽培的环境中，根系自然伸长，悬浮于水中，吸附水体中的污染物、氮、磷等有机污染物，为鱼类、虾以及水体中微生物的生存和附着提供了条件，同时也为水草、虾并释放化合物，对藻类生长有抑制作用。在植物、动物、昆虫和微生物的共同作用下，可以净化水质，修复和重建水生态系统［10］（图5）。

图5 高效生态浮岛示意Figure 5 Concept of high-efficiency ecological floating island

本工程选用适合山西地区的西伯利亚鸢尾作为高效生态浮岛水生植物，栽培方式为植入漂浮浮板栽培槽中置于净化塘水面之上，浮板连接呈间隔性布置，共12 排，平均每排面积为90m2，总面积为1 080m2，水生植物栽培数量为9 720 杯（9 杯/m2，每杯2～3株）。

西伯利亚鸢尾属鸢尾科多年生草本植物，耐寒又耐热，在浅水、湿地、林荫、旱地或盆栽均能生长良好，而且抗病性强，尤其抗根腐病［11］。

2.4 塘内设计

对于生物膜、高效生态浮岛和复合曝气生物膜的安装并不是满塘敷设，应符合微生物降解规律的原则铺设和安装［12-13］。即遵循微生物的消化与反硝化作用进行设置。在净化塘内共分成12 组串联安装，每组又分为曝气区和厌氧区，曝气区占2/3，曝气区底部安装和新型复合MABR 曝气生物膜，中部安装生物膜载体，水体在曝气区进行硝化作用；厌氧区占1/3，水体上部安装高效生态浮岛，微生物通过水生植物根系进行反硝化作用。此多级排列安装是为了更加有效的去除和降解水体中的有机物和污染物（图6、图7）。

图6 净化塘管线及设备安装剖面Figure 6 Section diagram of purification pond pipeline and equipment installation

图7 复合MABR曝气生物膜安装Figure 7 Installation of composite MABR aeration biofilm

复合曝气生物膜长久运行后也存在被泥沙和生物膜堵塞的风险，为避免被堵塞，安装有复合曝气生物膜的反冲洗系统和清洗系统（图8），反冲洗和清洗系统可不定期运行，每次开启只需低于30min可完成反冲洗和清洗。

图8 反冲洗和清洗系统Figure 8 Backwash and cleaning system

为了防止泥沙进入塘体沉积塘底堵塞曝气生物膜，在塘底铺设空气冲洗管道，定期对塘体冲洗从排沙口排除泥沙。所有操作可实现PLC 自动化控制。

3 处理效果

2023 年3 月开始对净化塘内微生物菌种2 个月的培养，并连续6 个月在本工程挡水堰进水口处采取原水水样，在净化塘出水口处采取出水水样进行检测对比。原水与出水每次取5 组水样，检测值去异常值取平均值（图9）。

图9 温河净化塘进出水氨氮、总氮浓度变化曲线Figure 9 Wen River purification pond inflow and outflow ammonia nitrogen，total nitrogen concentration variation curves

从图9 监测数据看，主要污染物氨氮和总氮都已达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类标准。

4 技术优势分析

山西省阳泉市郊区温河治理水质提升工程建成后，无需专人值守，电气设备少，无需加入水处理药剂，运行成本低，运行可靠，出水稳定，通过网络技术可实现远程监控和操作等。综合运行费用及维护费用，运行成本为0.12 元/m³，维护主要包括清沙清淤，对水生植物的收割清理，日常的设施维护等，费用为24 000 元/a。水生植物的收割和回收还可以产生一定的经济效益，同时也可成为附近居民休闲、健身娱乐的好去处。综上所述，复合生物膜微生物修复河道水环境技术优势明显，值得推广。

5 结论

为了保证水环境质量要求，通过采用“高效生态浮岛+复合曝气生物膜修复”多方位立体式水生态净化技术和新型绿色修复技术实现了对温河的水质提升。利用微生物修复技术去除水体中的污染物，保证水体得到有效的净化。此技术处理效果显著，无二次污染，对水生植物的收割能够产生一定的经济效益，实现了水生态平衡，达到水生态环境系统修复和治理的目的。