黑臭水体底泥修复中载体微生物技术的应用研究

摘要：载体微生物技术具有高效、环保和经济等优点，可应用于黑臭水体底泥修复。以江苏省常州市黑臭河道整治工程为例，探讨载体微生物技术在城市黑臭水体底泥修复中的应用效果。试验选取十字河为场地，持续150 d，使用沸石作为载体固定光合细菌，并实时监控底泥和上覆水。结果显示，底泥中有机质及Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr等重金属含量显著降低，上覆水中化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、氨氮（NH3-N）、总氮（Total Nitrogen，TN）、总磷（Total Phosphorus，TP）的去除率显著提升，证明该技术能有效改善水质并增强水体自净能力。研究表明，载体微生物技术可以提高菌体密度，避免菌体流失，为城市黑臭水体底泥治理提供一种长效的方法。

关键词：黑臭水体；底泥修复；载体微生物；原位修复

中图分类号：X522 文献标识码：A 文章编号：1008-9500（2024）10-0-04

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Study on the Application of Immobilized Microorganism Technology in the Remediation of Black and Odorous Water Body Sediments

HOU Lulu1， XU Ting1， ZHAO Fengbin2

（1. Changjianke （Jiangsu） Environmental Protection Engineering Co.， Ltd.， Changzhou 213000， China;

2. Tongji University， Shanghai 200092， China）

Abstract： The immobilized microorganism technology has the advantages of high efficiency， environmental protection， and economy， and can be applied to the remediation of black and odorous water body sediments. Taking the black and odorous river regulation project in Changzhou city， Jiangsu province as an example， the application effect of immobilized microorganism technology is explored in the remediation of urban black and odorous water body sediments. The experiment selects the Shizi River as the site and lasts for 150 d， and Zeolite is used as a carrier to fix photosynthetic bacteria， and real-time monitoring of sediment and overlying water is conducted. The results show that the organic matter and heavy metal contents such as Cu， Zn， Ni， Pb， Cd， Cr in the sediment are significantly reduced， the removal rates of Chemical Oxygen Demand （COD）， ammonia nitrogen （NH3-N）， Total Nitrogen （TN）， and Total Phosphorus （TP） in the overlying water are significantly improved， proving that this technology can effectively improve water quality and enhance the self purification capacity of water bodies. Research has shown that carrier microbial technology can increase bacterial density， avoid bacterial loss， and provide a long-term method for the treatment of urban black and odorous water body sediments.

Keywords： black and odorous water bodies; sediment remediation; immobilized microorganisms; in-situ remediation

随着经济的快速发展和城市化进程的加快，我国部分河道出现不同程度的黑臭现象，严重影响居民的生活质量，制约社会的进一步发展。全球范围内，包括发展中国家和发达国家的河湖都出现了因工业化和城市化快速推进引起的水体污染问题，尤其是水体黑臭。污染底泥不仅含有高浓度的有机物，还包含各类重金属和营养盐，如氮、磷等，污染物的积累和释放是水体黑臭的直接原因[1-2]。具体而言，河道底泥中的有机物在微生物的作用下会产生甲烷（CH4）和硫化氢（H2S），这两种气体是黑臭水体的主要致黑致臭因子。当水体中的溶解氧浓度降低且小于2 mg/L时，厌氧条件将促使微生物通过厌氧代谢途径分解有机物，从而大量产生CH4和H2S等有害气体，气体的累积不仅导致水质恶化，还可能引发二次污染[3-4]。此外，底泥中的铁（Fe）和锰（Mn）等重金属在低氧或无氧条件下易与溶解在水中的硫离子结合，生成FeS和MnS等不稳定的黑色化合物，不仅会导致水体颜色加深，也会进一步恶化水质，阻碍光线穿透，从而抑制水下植物的光合作用，加剧生态系统的失衡[5-6]。

在底泥治理技术中，载体微生物技术因其高效、环保、成本较低等优点，成为近年来的研究热点。载体微生物是把功能性菌种固定在某些载体上，做成生物材料，通过固定可以提高菌体密度、避免菌体流失以及增强对功能菌的保护。载体微生物可以直接投加到污染水体或底泥中，有效地控制和降解底泥中的有害物质，如重金属和有机污染物，从而减轻水体的黑臭现象。因此，有必要探讨载体微生物技术在黑臭水体底泥修复中的应用，以期为城市河流的底泥治理提供理论依据和技术支持，改善城市水环境质量，促进生态文明建设。

1 试验河道概况

如图1所示，十字河作为江苏省常州市五星公园水系的重要组成部分，承受巨大的生态环境压力。河道全长约为2.3 km，从古运河至后塘河延伸。根据《城市黑臭水体整治工作指南》的城市黑臭水体污染程度分级标准（见表1），结合试验河段治理前底泥和上覆水指标分析结果（见表2、表3），十字河上覆水体已达到重度黑臭状态。

该河段流动性差，NH3-N、总氮（Total Nitrogen，

TN）浓度高，属于典型的城市黑臭水体。沈家村合流制生活污水直排，加之截流泵站建设未获周边居民支持，导致该河段水质日益恶化。此外，河道污染现象还包括河岸生活垃圾的不当处理、建筑工地及面源污染的影响、河道底泥中的高有机质含量和重金属污染。以上因素共同导致水体富营养化和生态功能下降，严重影响水体自净能力和生物多样性。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

在常州市十字河黑臭水体治理项目中，最终选择采用沸石和活性炭作为微生物固定化载体。沸石主要化学成分包括Na（4.88%）、Mg（10.65%）、

Al（17.58%）、Si（40.69%）、Fe（10.78%）和其他（15.42%）。理化指标显示，其比重为2.25 g/cm3，含泥量不大于1.00%，容量为1.55 g/cm3，水分含量不大于1.68%，磨损率不大于0.82%，比表面积为500～

1 000 m2/g，表明其具有优良的物理吸附性和较高的比表面积，适合作为微生物的生长基质。活性炭比重为0.35 g/cm3，含泥量为0.00%，容量为0.35 g/cm3，

水分含量不大于5.00%，比表面积为1 500～1 800 m2/g。

筛选自试验河道底泥的光合细菌和反硝化细菌在无菌条件下进行严格的富集、培养，优化其对特定污染物NH3-N、TN和TP的净化效果。

2.2 试验方法

试验分为3个关键步骤，即截污与垃圾清理、微生物固定化载体的投加以及系统的采样检测。

首先，对周边暗流污水及雨水排放系统进行改造，使之引流至城市污水处理系统，同时彻底清理河道内的漂浮垃圾和腐败生物残骸，确保河道在治理期间无外来污染物输入。其次，使用已活化的沸石作为载体，该载体在清水中洗净后晒干，以提高其微生物吸附效率。利用光合细菌菌液（浓度1.14×108 cfu/mL），

通过1∶2的载体与菌液配比进行光合细菌的固定化处理，确保微生物高效吸附。使用微量曝气流技术增强微生物附着，持续48 h后将固定化载体均匀投入河道。将处理后的载体以0.5 kg/m2的密度均匀撒布至河道上层水体，每7天投放一次，连续观察并调整周期，以优化修复效果。最后，设定周期进行采样检测，以监控水质指标及底泥指标，从而评估微生物固定化技术的应用效果与生态安全性。

3 黑臭水体底泥原位修复效果

3.1 黑臭水体底泥的有机质降解效果

在黑臭水体底泥的原位修复试验中，通过持续投加载体微生物，观察到底泥有机质含量显著降低。如图2所示，初始阶段（前45 d），底泥的有机质含量减少幅度较小，降低约4%，从原始的98.5 g/kg降至94.5 g/kg。这一期间的缓慢降解主要是因为复杂的河道环境和底泥中本已存在的微生物群落竞争，新加入的光合细菌需要时间适应并成为优势菌群。随后，随着载体微生物的作用增强，第45天至第120天有机质含量的降幅更为显著，减少至72.8 g/kg，降解率提升至26%。在整个150 d的修复周期结束时fLo7ztZvkosaXhUXyBaOSQ/mDPVbPZx9VE10hGtyEf4=，底泥有机质含量进一步降低至68.2 g/kg，总降解率达到30.7%，显示出稳定的有机质降解效率和较大的生态恢复潜力。

3.2 黑臭水体底泥的生物降解效果

如图3所示，通过连续投加载体微生物，底泥生物降解能力显著增长。在前60 d内，初始底泥生物降解能力从0.54×10-3 kg/（kg·h）上升至1.62×10-3 kg/（kg·h），

增长率达到200%。此增长趋势说明，载体微生物通过与底泥中现有微生物群落建立共生关系，提高生物降解效率。运行至100 d时，底泥生物降解能力达到峰值，为1.76×10-3 kg/（kg·h）。随后，由于有机质含量下降，底泥生物降解能力有所回落，维持在1.68×10-3 kg/（kg·h），但整体趋势表明投加的载体微生物能够显著提升沉积物的生物降解效率，确保底泥中微生物活性的持续性和生态系统恢复的稳定性。

3.3 黑臭水体底泥重金属转移效果

在试验河道中进行的黑臭水体底泥原位修复中，沸石固定化光合细菌显示出对Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr等重金属离子的富集能力，得益于细菌对重金属的生物转化和固定作用。通过150 d的修复作用，Cu含量减少21.5 mg/kg，Zn含量减少13.2 mg/kg，Ni含量减少9.8 mg/kg，Pb含量减少10.4 mg/kg，Cd含量减少0.5 mg/kg，Cr含量减少13.6 mg/kg。尽管Cu和Cd含量的下降未能满足土壤环境质量三级标准的要求，Cu含量仍高于400 mg/kg的限值，Cd含量高于

1.0 mg/kg的限值，但结果表明载体微生物技术在河道底泥重金属污染治理中的应用潜能较大。尽管植物对重金属有更强的积累能力，但微生物介导的生物修复为未来环境治理提供了一条新途径，同时也指出在实际应用中需要进一步优化的方向，如结合植物和微生物协同修复技术，提高重金属去除效率，构建环境友好型的水质净化技术体系。

3.4 黑臭水体底泥修复对上覆水水质的影响

在河道底泥修复试验中，上覆水水质实时监测显示，在沸石固定化光合细菌作用下，30 d内上覆水中污染物去除效果逐步显现。起初，由于微生物适应能力不佳及溶解氧含量较低，水质改善效果并不显著。系统运行30 d后，微生物群落适应环境，活性增强，COD、NH3-N、TN和TP的去除率逐渐提高。运行至60 d时，COD去除率达到36.5%，NH3-N去除率达到73.2%，TN去除率达到74.5%，TP去除率达到61.8%，表明生物自净能力得到提高。随着修复持续进行，90 d后污染指标去除率继续上升，COD浓度降至36 mg/L，NH3-N浓度降至1.02 mg/L，TN浓度降至1.45 mg/L，TP浓度降至0.32 mg/L，溶解氧和透明度均表现出水生态恢复良好的迹象。150 d的监测数据证实，上覆水水质明显改善，黑臭问题得到有效控制，部分水质指标达到地表水Ⅴ类水质标准，透明度维持在50 cm以上，水体生态环境得到显著改善。

4 结论

采用原位修复技术，以沸石为载体，对光合细菌进行固定化处理，成功实现黑臭水体底泥中有机质及重金属的有效降解与转移，同时对上覆水水质产生显著的改善作用。在150 d的修复周期内，底泥生物降解能力提升，有机质降解率达30.7%，并且沉积物中Cu、Zn、Ni、Pb、Cd、Cr等重金属含量显著下降。上覆水水质实时监测表明，载体微生物技术能显著提升污染物的去除率，最终部分指标达到地表水Ⅴ类水质标准。这表明载体微生物技术可以为黑臭水体治理提供一种经济、高效且可持续的新方法。未来研究应进一步探索不同微生物种类及其固定化方法，以增强各类污染物的降解能力。同时，结合水动力学模拟，优化微生物载体的分布，以实现更广泛的生态修复。此外，实时监控和数据分析的进一步集成将使修复过程更加智能化，从而提升应急响应能力和修复效率。此技术的发展和应用有助于实现黑臭水体的生态功能重建和生物多样性恢复，推动城市水环境持续改善，为实现水环境治理与生态文明建设目标贡献力量。

参考文献

1 张友德，田文凤，何建军，等.黑臭水体底泥内源污染治理技术对比及分析[J].绿色科技，2022（8）：103-107.

2 于忠臣，孙伟楠，李晨曦，等.污染水体原位生物修复技术研究及发展[J].工业用水与废水，2020（2）：1-4.

3 Duan C.The application of microbial degradation technology in the treatment of black and odorous water in rural areas[J].Academic Journal of Environment & Earth Science，2023（10）：82-85.

4 Wang Y，Chen Z，FenG M，et al.Enhanced nitrogen removal performance of microorganisms to low C/N ratio black-odorous water by coupling with iron-carbon micro-electrolysis[J].Journal of Environmental Chemical Engineering，2023（5）：110893.

5 Gao Y，Zhang Y，Wei Q，et al.Response and synergistic effect of microbial community to submerged macrophyte in restoring urban black and smelly water bodies[J].Journal of Water Process Engineering，2023，53：103906.

6 严希海，郭芳涛，万丽萍，等.复合微生物菌剂及其附着载体对黑臭水体试验的研究[J].化工管理，2023（28）：76-78.