土著微生物原位快速扩增技术在水体生态修复中的应用_谢菁.pdf

污染与治理-109-土著微生物原位快速扩增技术在水体生态修复中的应用谢 菁（上源环工生态环境科技（苏州）有限公司，江苏 苏州 215153）摘要：目前，具有适应性强、无二次污染等特性的微生物技术已成为国内外环境生态保护与修复研究及应用的重点，尤其是土著微生物原位快速扩增技术，因其投资成本低、能耗小、无生物安全风险而在众多生态环境保护与修复工程中被广泛应用，成为最有潜力的技术之一。实际应用案例表明，这种土著微生物原位快速扩增技术能实现土著微生物快速、自动、有序地激活、扩培、投放、扩散，具有良好的稳定性和连续性，且无生物安全风险。同时该技术绿色、低碳、环保，具有很强的推广应用前景，能够为水环境的保护与修复提供有力的技术支持及经验借鉴。关键词：生态修复；土著微生物；原位扩增；应用分析中图分类号：TS5 文献标志码：A DOI：10.20025/ki.CN10-1679.2023-04-37Application of In-situ Rapid Amplifi cation Technology of Indigenous Microorganisms in Ecological Restoration of WaterXie Jing(Sayon Environmental Protection Technology(Suzhou)Co.,Ltd.,Suzhou 215153,China)Abstract:At present,microbial technology with the characteristics of strong adaptability and no secondary pollution has become the focus of research and application of environmental ecological protection and restoration at home and abroad,especially the in-situ rapid amplifi cation technology of indigenous microorganisms.Because of its low investment cost,low energy consumption and no biological safety risk,it has been widely used in many ecological environment protection and restoration,and has become one of the most potential technologies.The application case shows that this in-situ rapid amplifi cation technology of indigenous microorganisms can realize the rapid,automatic and orderly activation,expansion,delivery and diffusion of indigenous microorganisms,with good stability and continuity,and no biosafety risk.At the same time,the technology is green,low-carbon and environment-friendly,which has a strong popularization and application prospect,and can provide strong technical support and experience reference for the protection and restoration of water environment.Key words:ecological restoration;indigenous microorganisms;in-situ amplifi cation;applied analysis近半个世纪以来，随着我国经济社会的不断发展壮大，水资源出现了严重短缺，水污染状况加剧，我国绝大多数河流和湖泊出现富营养化现象1，甚至发黑发臭。从2021年中国生态环境状况公报来看，相比2020年，污染程度有所缓解，但总体水体污染情况仍较为严峻：在全国地表水监测的3 600多个国控断面中，劣V类水体断面占比为1.2%，水生态环境遭到破坏，水源涵养功能受到影响，水资源被过度使用，造成水环境恶化。针对当前的水污染问题，国家大力推行“生态优先”理念，原位水生态修复技术作为一种环境友好型的生物-生态水处理方法，备受关注和推崇。原位水生态修复技术是通过选育有益微生物、功能水生植物、功能水生动物的方式，吸收转化或转移降解水体中的污染物，从而达到修复水生态、净化水质的目的2。水生动植物可以营造良好的生态景观效果，但去污能力较弱，达不到大幅度提升和改善水质的目的，而微生物能通过其独特的生理生化反应和在物质循环系统中的合成分解代谢活动，生物降解并去除各种复杂水体中的污染物，最终达到净化水质，提升、修复生态系统的目的3，因此微生物修复技术成为水体生态修复的研究及应用热点。1微生物修复技术 微生物修复技术是指向水体投放有益微生物菌剂，利用该菌群在水体中形成有效优势种群，构建良性的生态系统并实现环境生物多样性，形成完整的生态食物链，通过多样的生理反应和代谢功能转化分解水体中的污染物，从而快速净化水质并改善水环境。据国内报道，微生物技术在水体修复中的应用已存在多个成功案例：如向无锡七房巷投放复合微生物，经过为期3个月的治理，该水体COD由初始的35 mg/L下降至4.93 mg/L，作者简介：谢菁（1986-），女，硕士，工程师，研究方向:水处理及环境治理技术及实践.污染与治理-110-氨氮由30 mg/L处理至5.9 mg/L，总磷由2 mg/L降至0.47 mg/L，且透明度由25 cm提升至150 cm4；再如采用直接投加复合微生物菌剂的方法修复严重富营养化湖泊，使其富营养化指标得到大幅削减5；还有文献报道利用有益微生物菌剂对藻型富营养化湖泊进行治理，使叶绿素a含量下降了96.5%，同时还降低了总氮、总磷和高锰酸盐指数，分别降低了60.2%、58.1%和57.2%，透明度增加了433%，且有效阻止了水华的发生。但目前微生物技术在水体修复案例中也存在使用效果不稳定、水体净化效果不持久、环境改善不明显等问题。为了解决上述问题，美国一家微生物公司研发出复合载体固化微生物产品及微生物发生器，能够提供优势组合微生物，但其仍属于外来投加的微生物，存在对环境的适应能力及生物安全性（外来物种入侵）不明确等问题。2土著微生物原位激活技术 土著微生物激活指的是通过采取多样化措施，包括创造适合水体微生物快速生长繁殖的生境（如微生物附着载体、微生物所需充足溶解氧以及中性、碱性环境等），通过对被高浓度工业废水、生活污水等严重污染的水体水质中遗存的少量微生物进行快速增值，建立并恢复甚至比原有系统更健全完善的生态系统6-8。从上述土著微生物激活的定义可知，土著微生物激活的方式主要包括水生植物原位激活、底泥底质原位激活、生物载体填料原位激活以及通过水体富氧及向水体投加微生物促生剂的方式进行辅助原位激活。但单一的土著微生物原位激活方式效率较低，难以达到土著微生物快速增值的目的，如向污染水体投放微生物促生剂，可促进土著微生物生长，但选育进程缓慢，并需定期投放，连续性较差，且作用易随水流流失而不持久、不实用；而且激活土著微生物所使用的材料及设备价格高昂，市场接受度较差，如美国注册的“A”级绿色专利Biocleaner技术及设备可以吸附有益微生物菌群，帮助有益菌繁殖壮大，并将它们均匀扩散至水体中，但是由于在曝气工作中，Biocleaner技术的超薄膜载体容易受到冲刷产生磨损，需要定期添加一定量新的超薄膜载体，所以后期运维费用较高；国内还有ISSA PGPR技术及设备，把激活原位PGPR所需的各种营养物质通过纳米技术及微包覆技术制成均匀颗粒，利用缓释技术把这些营养物质提供给水体中的PGPR微生物，使其不断被激活并大量繁殖，但是也需要定期投加营养颗粒，设备无曝气扩散装置，所激活的土著微生物也难以均匀扩散至水体，这些都限制了水体微生物原位修复技术的成功应用。3土著微生物原位快速扩增技术 3.1土著微生物原位快速扩增技术概述基于土著微生物原位激活技术原理及目前常规的土著微生物原位激活方式，土著微生物原位扩增技术和设备应运而生，它能够克服传统微生物修复方式的不足并打破现有土著微生物激活技术推广应用的局限，能实现土著微生物快速、自动、有序地激活、扩培、投放、扩散，从而让微生物恢复原有的水质自净能力，其稳定性、连续性好，且无生物安全风险，不会对生态环境造成不良后果，技术应用绿色低碳，智慧环保。目前，土著微生物原位快速扩增技术主要应用于水环境治理领域，包括河道，湖泊甚至市政水处理等。与传统微生物修复方式和现有土著微生物激活技术相比，土著微生物原位快速扩增技术优势明显。3.1.1 微生物扩繁快水体污染物降解效率高，水质改善效果好，能够最大限度减少水中的污染物含量。因为水中的污染物是微生物的食物，所以降解程度的好坏、污染物降解速率的高与低，只取决于水体中功能型微生物数量的多与少；而土著微生物原位扩增技术与设备，集所有土著微生物激活技术的核心功能于一体，不仅能实现土著微生物快速、自动、有序激活扩培，还能够将持续不断产生的高浓度土著微生物快速扩散至需要治理修复的水体，从而发挥出高效的水质改善功能。3.1.2 成本更低土著微生物原位快速扩增技术及设备使用的耗材可回收再利用，无需二次添加耗材，大幅降低了应用成本。使用土著微生物原位快速扩增技术，可以反复治理水体中的污染物，由于土著微生物原位快速扩增技术的再生性，其修复速度、质量、持续性都高于传统技术，可大幅缩减资金投入，市场应用价值高。3.1.3 环境友好传统的微生物修复方式，需要不断向水体中投放大量外源微生物菌剂，存在外来物种入侵的风险。原位激活方式向水体中投撒微生物促生剂（大多数促生剂是化学物质），对河道的生态系统造成了巨大破坏，引起诸多问题。而土著微生物原位快速扩增技术，将含有少量土著微生物的水引向土著微生物原位快速扩增设备，在设备中完成土著微生物激活扩增过程，然后再回流至水体中，不存在外来微生物入侵的问题；同时设备中添加的微生物促生剂是固体凝胶状态，不会随水流进入水体，因而也不存在化学物质入河的问题，所以该技术的生态安全性很高。3.2土著微生物原位快速扩增技术的应用在河道中使用土著微生物原位快速扩增技术，即在河道中放置一定量的土著微生物原位快速扩增设备，持续不断地将含有少量土著微生物的水引向土著微生物原位快速扩增设备，在设备中完成土著微生物激活扩增过程，然后再使含有扩增并培养好的高浓度土著微生物的水流回流至水体中，并利用附属设备将高浓度微生物扩散开，通过微生物的生命活动，降解水中的污染物，净化水质。在使用土著微生物原位快速扩增技术时，需要专业技术人员分析水体的水质状况，包括污染物浓度及含量，通过计算，分析应当投入多少数量的土著微生物原位快速扩增设备，才可完成对水质的净化，进而实现投入设备的数量可控，对水质的影响最小化，获得性价比最高的水质修复及改善效果。同时技术人员还应综合考虑水体的具体情况，比如流速，溶解量，pH值等，进而实现更好的生态修复效果，还应当通过污染与治理-111-水利部门的相关数据，及河道调查中的污染物、污染源等数据，通过大量的分析和研究，得出应在河道的哪个部分进行投放、投放数量如何。如果河道的污染主要集中在下游，那么就应当在中下游密集放置土著微生物原位快速扩增设备，并在投放前对下游的河道做抽样检查，根据下游的水质、水体、污染情况等数据，再结合之前的修复经验，确定合适的投放数量。4土著微生物原位快速扩增设备的实际应用案例4.1工程概况温州市气候宜人，风景秀丽，水资源丰富，河网密集，给温州人的生产和生活带来了极大便利，成为温州发展的重要资源。温州市凭借自身优越的港口优势，引进了大量工厂，建设了数量巨大的工业、制造业和化工企业。它们一方面为温州经济发展带来了巨大机遇，另一方面也严重污染了河道水体，恶化了水质，导致地下水资源短缺。针对上述问题，温州市提出“蓄水河”概念，将污染物集中在蓄水河中，并通过特定的技术手段，实现水体污染范围可控，水体逐步改善。但是，由于在蓄水河中采用化学降解技术，造成二次污染，总体效果不佳，水污染问题仍未得到有效解决。使用化学降解技术，还会造成大部分生物，包括微生物群死亡，生态系统失调，达不到水体改善的目的。本文以温州水体修复为例，就这一问题进行分析，阐述了土著微生物原位快速扩增技术在修复水源过程中的各个环节，综合分析了土著微生物原位快速扩增技术的优势与不足，以期为其他地区水体原位生态修复提供参考。4.2工艺流程温州市龙湾区某河道总长约750 m，宽度为815 m，水深平均为2.2 m；一端为断头，一端与外河连通，中间设有闸站与外河隔开。断头与闸站封闭形成蓄水池，长度为300 m，平均宽度为15 m，水域面积约为4 500平方米，两岸为浆砌石直立驳岸。治理段存在高位运行排口、垃圾渗滤排口以及一些未现排口，晴天、雨天大量生活污水直排入河，污染浓度较高，整个河道水质呈现黑水状态。当时检测的水质指标中，氨氮为45 mg/L，CODCr为4550 mg/L，总磷为0.20.3 mg/L，属于劣V类水体。相关部门针对当时管网高位运行倒灌产生的污水及雨天大量混流污水入河的情况，采用基于土著微生物原位快速扩增设备为核心的水体生态修复系统，即在约4 500的蓄水池内，首先参考污水处理厂的反应工艺，设置了充足的微纳米曝气设施，同时也设置了密集的碳素纤维生态草（微生物载体），然后在雨污混流管口附近密集设置了4套土著微生物原位快速扩增设备（河道断头起100 m），后面200 m共设置2套土著微生物原位快速扩增设备，同时还在河面上布置了生态浮床。雨污混流污水进入蓄水池后，首先通过设置在排口处的土著微生物原位快速扩增设备快速释放并扩散，附着在碳素纤维生态草上的高浓度微生物对污染物进行初步降解；然后流向靠近闸站的低浓度微生物区域，进行再次生态降解；并通过设置的水生植物载体进行第三次污染降解。经过为期近一年的调试及稳定运行，暴雨产生的雨污混流污水经过上述污染削减流程，34天基本可恢复至地表水环境质量标准（GB 3838-2002）9中的类水标准，河道氨氮的降解率高达85%以上，不仅提升了水质，水体透明度也得到较大改善。4.3后期处理该技术在实际建设过程中需进行反复测试和处理，尤其应重视建设过程中的调试和工程结束后的运维工作。在后期处理中，技术人员应当根据已有的污染物浓度及污染的降解数据，及时调整曝气系统的风量大小及土著微生物原位快速扩增促生剂的用量等参数，确定蓄水池中微生物群的降解速度；在后续的项目运维期，应根据早期的测试和处理数据，每日定量降解河水中的污染物，并根据水温等环境条件变化调整工况，应对突发的污染事件；同时，获得土著微生物原位快速扩增技术在该类河道中污染降解的最佳工况，使其不受地理、气候等因素影响，获得最好的治理效果。5结语利用土著微生物原位快速扩增技术修复水体是目前比较热门的技术应用，其通过微动力、低耗型的设备创造微生物快速增值的条件，快速优化、改善水体环境，提升水质。通过在污染水体中实施土著微生物原位快速扩增技术，完全可以生态修复水质，达到国家标准，是目前我国在水资源治理过程中，效率最高、治理最彻底且成本较低的治理方式。土著微生物原位快速扩增技术是一门新兴的生态修复技术，在具体应用过程中，相关人员还需结合水体的具体情况及治理目标进行设计，最大限度地保护与修复环境，实现绿色、环保、生态、无污染的生态环境修复，实现经济效益和环境效益双赢。参考文献：1王珏，孙康，赵平歌，等.浅谈湖泊水体复合微生物原位修复技术J.中国新技术新产品,2021(2):115-118.2韩萍,刘健,郭静娴,等.城市污染河道水体环境修复技术研究进展J.绿色科技,2021,23(22):73-75.3雷静,冯国栋,陈才胜,等.有益微生物对污染的原位修复与水生态循环的重建C.2016中国环境科学学会学术年会论文集（第二卷），2016：1123-1126.4陈正军,黄顺,冯国栋,等.景观湖泊与黑臭河道的微生物修复技术实地应用C.2013中国环境科学学会学术年会论文集（第五卷），2013：488-496.5吴定心，杨文静，柯雪佳，等.利用复合微生物菌剂控制水华的治理工程试验J.环境科学与技术，2010，33(7):150-154.6迟冉.水生态修复中土著微生物原位激活技术应用J.资源节约与环保,2021(6):13-14.7Chai X，Wu B，Xu Z，et al Ecosystem 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