生物膜技术在地表水修复中的应用

发布时间：2011年10月9日来源：

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　　引言

　　水是人类生命之源,是人类赖以生存的基本物质,人类的生命活动和生产活动都离不开水。随着世界人口增长和社会经济发展,人们对水的需求日益增长,同时,用水的浪费和水资源的污染使优质水资源日益短缺,已成为制约可持续发展的重要因素。由于工农业及人类自身的需要,地表水域附近往往是人类聚居之地。城市的日益扩大和工农业的迅猛发展,导致周围水域的污染加重[1]。目前,我国1/3以上的河段受到污染,90%以上的城市水域污染严重,尽管已采取了一些控制措施,但因排入地表水体的污染物生物降解性越来越差,造成污染物质在水体中长期累积,超过了地表水的自净能力。

　　以往,人们过多关注严重污染的场合,而对于污染程度不是很严重且常被忽视的地表水体污染问题却缺乏应有的重视,近年来,世界各国环境保护科研工作者均开始对此展开专项研究,提出了各种控制对策和治理措施,但限于地表水体的复杂性和庞大的治理工程开支,研究进展极其缓慢,可推广的成果不多。

　　地表水体是人类赖以生存的宝贵资源,其中便于利用的地表淡水资源仅占淡水总量的0.014%,其珍贵之处不言自喻。然而,工农业的快速发展,导致大量复杂的污染物通过各种途径输入地表水体,有限的地表水资源正在遭受着不同程度的污染,水体生态环境日趋恶化,生物多样性遭到严重破坏,不仅影响了人类正常生活,还制约着经济发展,污染地表水修复课题的研究迫在眉睫。

　　1　受污染地表水特征及修复技术

　　1.1　受污染地表水特征

　　地表水体不同于地下水体,同后者相比,前者因完全裸露于外界环境中,因此更缺乏自然的保护。河流、湖泊和湿地等是由种群丰富的土著微生物、水生植物和水生动物组成的、具有强大自净能力的独特生态系统。但由于种种原因,受到污染的地表水体遭受了超越自身净化能力的不可恢复性破坏,需要人为干预,恢复其生态原貌。

　　受污染地表水的特征主要有以下几方面[1]。

　　(1)受污染途径多,包括沿水区域生活污水、工业厂矿废水、居民生活垃圾排放、农业径流、水路交通油品泄露以及雨水径流汇水携污等;

　　(2)流动性大,污染区域广,分布范围宽,难以异位集中处理;

　　(3)地表水体中颗粒物浓度较高,一些有毒有害有机物附着其上,并随之沉积于水底底泥中,有可能引起水的二次污染;

　　(4)污染程度和污染物分布受深度、流域、季节等多因素控制;

　　(5)具有晴储雨暴的污染特征;

　　(6)多数污染地表水属于微污染水体,污染物浓度较低,降解功能菌难以成为优势菌群。

　　1.2　污染地表水体修复技术

　　在污染水环境修复技术方面,目前主要分为两大部分,对于富营养化湖泊水体,主要采用营养盐控制,清淤挖泥,化学、机械等方法直接除藻,生物调控,水生高等植物修复,物理生态工程技术,固定化微生物技术等;而对于污染河道(流)主要采用前置库技术,湿地系统处理技术(包括天然湿地和人工湿地技术),土地渗滤处理(包括土地慢速渗滤、土地快速渗滤、人工复合渗滤床),生态滤池技术以及生态混凝土技术等。总体上可以归纳为化学修复法、物理修复法、生态修复法和生物修复法。

　　化学修复法的实质是利用化学药剂复杂的化学及物化作用(包括中和、络合、生成气体或沉淀、破乳化、胶体失稳、萃取、凝聚与絮凝等),将污染物从水相转移到另一种物相,污染物的物态虽然改变,但并未从根本上消灭污染物,且投加化学药剂易产生二次污染。

　　物理修复法是指利用阻隔物、过滤机、过滤池或大型沉淀池等方式去除水体中污染物的技术,修复对象的主要特征是悬浮物污染,经常采取疏挖底泥、机械除藻、引水清淤等措施,因适用范围的限制,往往与其他修复技术配合应用。

　　生物修复是利用植物、动物及微生物对污染物的富集、吸收降解等作用修复水体,修复过程可自然、原位地进行,工程投资仅为物理法、化学法修复的30%～50%。狭义的生物修复主要指微生物修复。

　　生态修复法主要采取塘、人工湿地、岸边带水生植被恢复、水生生物系统恢复及河道保护等技术,由于生态修复法的核心还是生物吸收、降解技术,因此常和生物修复联合使用。

　　污染地表水体的特殊性质增加了物理法、化学法修复的困难性。近年来,随着各种新型生物载体(填料)的研发,生物膜技术得到了发展,并被用于污染地表水的修复。

　　2　生物膜技术在地表水修复中的应用

　　生物膜技术是人们长期以来根据自然界中水体自净的现象,农田灌溉时土壤对污染物的净化作用以及有机物的腐败过程,总结、模拟而发展起来的一种污水处理技术。它以天然材料(如卵石、砾石及天然河床等)或人工合成接触材料(如塑料、纤维等)为载体,使微生物群体呈膜状附着于载体表面上,通过与污水接触,生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为营养并加以同化,从而使污水得到净化。由于载体比表面积大,可附着大量微生物,因此对污染物的降解能力很强。生物膜接触氧化法是生物—生态联合修复技术的一种主要工艺,其核心构件是生物填料,生物填料的材质和外型直接关系到生物膜量和处理性能。

　　2.1　生物膜法修复地表水的基本原理

　　地表水体砂砾表面一般都附着有一层微生物膜,当流水通过其表面时,其中的有机物就会被生物膜吸附,进而氧化分解,因而,地表水体本身具有一定的自净能力。通过填充填料来净化地表水体,实质是对地表水体自净能力的一种强化,即利用填料比表面积大,附着微生物种类多、数量大的特点,人为加大河流中可降解污染物质的微生物的种类和数量,从而使河流的自净能力成倍增长[2-3]。

　　附着在填料上生物膜降解污染物质的过程一般可分为4个阶段。

　　(1)污染物质向生物膜表面扩散;

　　(2)污染物在生物膜内部扩散;

　　(3)微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应;

　　(4)代谢生成物排出生物膜。

生物膜由于固着在填料上,因此能在其中生长世代时间较长的微生物,如硝化菌等,见图1。另外,在生物膜上还可能大量出现丝状菌、轮虫、线虫等,使生物膜净化能力增强的同时还有脱氮除磷的作用。该方法由于没有引入外来菌种,所以没有改变地表水体原有的生态系统,有利于污染水体的自我恢复。