黑臭水体组合生物净化技术研究进展

王海珊，邹平*，付先萍，戴犇，朱芳芳，王籽潼

1.云南大学生态学与环境学院 2.云南大学国际河流与生态安全研究院 3.云南省高原山地生态与退化环境修复重点实验室 4.云南省国际河流与跨境生态安全重点实验室

黑臭水体是指水体颜色呈黑色或泛黑色且散发出令人不适气味的水体[1]。由于生活污水、工业废水等外源污染物大量进入水体，污染物分解代谢消耗溶解氧(DO)，水体呈缺氧或厌氧状态，使水体中有机物腐败产生氨气(NH3)、硫化氢(H2S)等气体导致水体发臭[2]，水体中Fe2+、Mn2+与S2+形成硫化亚铁(FeS)、硫化亚锰(MnS)导致水体呈黑色[3]，污染物厌氧发酵产生甲烷(CH4)、氮气(N2)使底泥上浮，底泥中氮(N)、磷(P)等污染物不断释放进入水体[4- 6]，水质逐渐恶化，最终形成黑臭水体。黑臭水体具有N、P浓度高，水生植物(挺水植物、沉水植物、浮叶植物)和水生动物(鱼、虾、底栖动物)数量极少甚至基本绝迹，食物链残缺不全，水生生态系统失衡，河道基本生态功能丧失等特点。

2019年全国生态环境保护工作会议提出，我国1 940个国家地表水评价考核断面中，GB 3838—2002《地表水环境质量标准》劣Ⅴ类断面占比为6.7%，基本消除了36个重点城市的1 009个黑臭水体，消除的黑臭水体占比为95%[7]。但我国黑臭水体存量大、分布广泛，仍有许多乡镇的黑臭河流尚未被统计和开展治理，与国务院颁布的《水污染防治行动计划》要求截至2030年全部消除全国城市黑臭水体的目标仍有很大差距。目前黑臭水体治理存在修复效果可持续性差、治理所需时间长、成本高等问题。因此，以消除黑臭水体为目标的水体环境生态修复成为我国水污染治理的新战场。

1 黑臭水体治理技术现状及存在的问题

目前黑臭水体常用的净化方法有物理法(如底泥清淤、引水冲稀和人工曝气等)[8]，化学法(如投加铝盐、硝酸盐和过氧化氢等)[9]和生物法(如水生植物净化、微生物强化净化)[10]。这些方法可较明显地改善黑臭水体水质，但仍然存在诸多不足。物理法通常伴随着成本高、效率低和二次污染等问题，如被清淤的底泥需进行处理，采用的人工曝气措施使更多的污染物从底泥释放进入水中[11- 12]；化学法也存在许多问题，如使用铝盐净化时对水生生物有毒[13]，使用硝酸盐会增加上覆水硝酸盐氮浓度[14]，使用过氧化氢具有危险性和不稳定性[15]；生物法具有效率高、成本低、无二次污染等优点，目前已被许多国家广泛应用于黑臭水体治理中。黑臭水体生物法修复中，通常采用菌剂+促生剂、曝气+水生植物、菌剂+曝气等简单的组合技术，此类技术修复黑臭水体存在修复周期长、修复效果可持续性低等问题。曝气+菌剂+促生剂+填料+水生植物系统组合的生物净化技术可通过最大限度地提高功能微生物多样性和生物量，使污染物去除速率得到显著提高，从而缩短修复时间。组合生物净化技术对未来黑臭水体治理工作的开展具有重要意义。

2 组合生物净化技术思路及原理

2.1 技术思路

组合生物技术净化黑臭水体的原理是利用微生物体积小、繁殖速率快、转化效率高等特点，通过人工曝气，投加菌剂、促生剂、填料，栽种对N、P具有强吸收能力的水生植物等人为干预手段，最大限度地提高乳酸菌、放线菌、酵母菌、硝化菌等功能微生物群落的多样性及生物量，增强功能微生物去除黑臭水体中有机污染物、N、P及有毒有害重金属的效率，使治理后的水体水质长期保持稳定。该技术具有成本低、效果好、技术要求低、环境负效应小、持续性强、可应用范围广等特点[16]，适用于已完成外源截污且流速缓慢的黑臭水体的治理。

2.2 技术原理

组合生物净化技术由人工曝气、投加菌剂、投加促生剂、投加填料、栽种水生植物几大环节组成，每个环节均起着不可替代的作用。人工曝气为水体提供DO，抑制厌氧反应，减少NH3、H2S气体的产生，有效缓解水体发臭现象和改善水体环境；投加菌剂和促生剂使功能微生物多样性提高及生物量增加，从而提高污染物去除速率；投加填料为功能微生物提供附着点，使其在填料表面形成生物膜，增加功能微生物的生物量，促使污染物降解率进一步提高；栽种水生植物可去除微生物处理后残余的N、P、化学需氧量(COD)以及重金属等，使修复效果更佳。组合生物净化技术对黑臭水体总磷(TP)、氨氮(NH3- N)和COD、生化需氧量(BOD)具有较好的去除作用。

3 组合生物净化技术主要措施及效果

3.1 人工曝气

黑臭水体中DO浓度几乎处于临界值，人工曝气能给水体补充DO。随着DO浓度的升高，好氧微生物、兼性微生物大量生长，而厌氧微生物的生长繁殖则被抑制。好氧微生物能促进黑臭水体中有机物的分解，使黑臭现象得到改善，水质得到提升。根据曝气时间的长短曝气可分为间歇曝气和持续性曝气，根据曝气方式的不同可分为鼓风曝气(如微孔曝气、微孔纳米曝气)和机械曝气(如射流曝气、风车曝气)。鼓风曝气是指采用曝气器、扩散板或扩散管在水中引入气泡进行曝气，机械曝气是指利用叶轮等器械引入气泡进行曝气。鼓风曝气与机械曝气相比具有增氧快、能耗低、氧利用率高等优点。

王越等[17]研究表明，微孔曝气可显著降低黑臭水体的浊度和提高透明度，对TP、NH3- N的去除率高于普通机械曝气；何岩等[18]研究发现，黑臭河道底泥细菌群落结构和多样性受人工曝气影响，当曝气扰动雷诺数为1 810，DO浓度为7.35 mg/L时，细菌多样性最高；贾紫永等[19]研究显示，微纳米曝气法相较微孔曝气法具有工程投资小、效率高等优点，该曝气方法对黑臭水体中多种污染物有良好的去除效果；徐熊鲲等[20]采用曝气联合土著菌剂修复黑臭水体发现，间歇曝气和连续曝气效果相近，试验15 d后，上覆水中COD去除率达67.6%，NH3- N去除率达71.6%。

然而，仅仅使用人工曝气修复黑臭水体，其功能微生物多样性及生物量增加有限，污染物降解速率提高有限，故修复效果有限，修复所需时间也较长。因此，需要与其他修复方法联合作用才能取得较好的效果。

3.2 投加菌剂

健康的河流水体都具有一定自净能力，当进入河流的污染负荷量不超过其自净能力时，可通过河流水体的自净作用去除污染物并维持水质相对稳定。自净能力主要来源于水体中功能微生物的降解作用。通过人为干预手段向河流水体投加菌剂，提高水体中功能微生物种类及生物量，从而使功能微生物降解污染物的能力显著提高。投加的菌剂可分为土著微生物菌剂和外来微生物菌剂。

3.2.1土著微生物菌剂

土著微生物菌剂指从治理的黑臭水体底泥、水体中筛选出能够高效降解污染物的功能微生物群落，将其在培养基中富集培养后，按一定比例配制成的菌剂。将土著微生物菌剂反加入黑臭水体，以提高水体中功能微生物群落的多样性及增加生物量，从而达到净化黑臭水体的目的。土著微生物通常由不同类型的微生物组成，按其对氧气的喜好程度分为好氧菌、兼性厌氧菌、厌氧菌；按菌种分为细菌(如放线菌、乳酸菌、光合细菌、硝化菌、反硝化菌等)、真菌(如酵母菌、霉菌等)、古菌(如产甲烷菌、古生硫酸盐还原菌等)。

放线菌包括诺卡氏菌属(Nocardia)、小单孢菌属(Micromonospora)、放线菌属(Actinomyces)、游动放线菌属(Actinoplanes)等[21]，其能抑制腐败菌的生长繁殖，最大限度地消除水中异味，且对COD和NH3- N均有降解作用。乳酸菌包括双歧杆菌属(Bifidobacterium)、乳杆菌属(Lactobacillus)、乳球菌属(Lactococcus)等，其能抑制腐败细菌和病原微生物生长，且其代谢活动产生的乳酸、乙酸等有机酸具调节pH的作用[22]，此外，其对COD具有降解作用。

硝化菌、反硝化菌、光合细菌、酵母菌在黑臭水体治理中也发挥着重要作用。如硝化菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐后，反硝化菌利用硝酸盐作电子受体将其逐步还原为氮气从而达到脱氮目的，此种脱氮方式既高效又经济；光合细菌对环境适应能力强，在厌氧光照、黑暗好氧、明亮好氧的条件下均可降解有机物，故光合细菌能有效提高黑臭水体治理效率；酵母菌对Cr6+、Ni2+等重金属离子有良好的吸附性，可去除黑臭水体中部分重金属离子[23]，且对COD和NH3- N有降解作用[24]。

徐熊鲲等[20]利用从成都市三道沟黑臭底泥中分离出来的一株土著微生物功能菌处理三道沟黑臭水体， 15 d后上覆水中COD去除率达67.6%，NH3- N和TP去除率分别达71.6%和92.2%；高丹英等[25]从重污染水体和底泥中筛选获得多种光合细菌，将其混合后作为土著菌净化黑臭水体，上覆水中COD去除率达77.1%；黄菲菲[26]利用从水体和底泥中筛选获得的微生物，对天然黑臭水进行了厌氧净化试验，发现加入菌类和藻类组合对NH3- N去除率为54.4%。可见，投加土著微生物菌剂对黑臭水体的修复具有较好的效果。

3.2.2外来微生物菌剂

外来微生物菌剂是指从周围的土壤、水体、大气环境中，由人工将几种净化效率较高的功能微生物群落组合后得到的菌剂。通过向水体中投加外来微生物菌剂，可提高水体中功能微生物群落的多样性及生物量，提高污染物降解速率，从而达到水质净化的目的。

杜聪等[27]通过分梯度模拟一种由丝状菌、乳酸菌、酵母菌经过特殊工艺处理后制成的外来复合菌剂处理黑臭河道，发现当投加量为0.5～1.0 mg/L时，上覆水中COD、TN和NH3- N去除率分别达87.37%、90.70%和95.24%，水体透明度显著提高；刘溪[28]用外来微生物菌剂处理城市黑臭河水，投加菌剂45 d后，河道水质由劣Ⅴ类改善至Ⅴ类，COD去除率达58%，NH3- N去除率达70%，且消除了水体的臭味；Tang等[29]采用一种以变形菌门(Proteobacteria)、绿菌门(Chlorobi)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)及放线菌门(Acidobacteria)为主要组成菌门的菌剂处理黑臭水发现，该菌剂对黑臭水体中COD和NH3- N去除效果明显，且水体中微生物群落显著增加。

外来菌剂投入黑臭水体后需要适应新环境，部分微生物由于难以适应恶劣的新环境而无法存活，且外来微生物适应新环境需要一定时间；而土著微生物世代生存于黑臭水体中，已完成驯化和演替过程，完全适应黑臭水体的环境，具有一定的耐受能力。因此，通常土著微生物菌剂竞争力强于外来微生物菌剂，而外来微生物菌剂虽然净化效果较好，但是引入易导致水体生态系统出现异常状况或出现处理效果不稳定、可持续性不强等问题。

3.3 投加促生剂

促生剂指由一些微生物生长所需的营养物质组成的尖端科学配方试剂，依据组成的不同分为多组分促生剂和单组分促生剂。多组分促生剂有生物促生剂(bioenergizer，BE)、生物激活剂(biooxidator，BO)等。BE主要成分为有机酸、缓冲剂、酶、营养物质，富含微生物所必需的细胞分裂素、维生素和微量元素；BO主要成分为生物刺激剂、酶、氨基酸、腐植酸、尿素。BO与BE虽然成分有所不同，但主要功能都是促进微生物大量生长，提高微生物多样性及生物量，从而提高污染物去除率。单组分促生剂有葡萄糖、氨基酸等，葡萄糖为速效碳源，氨基酸为速效碳源与氮源，其为微生物生长提供充足的氮源和碳源，有利于提高污水的可生化性。此外，促生剂能使好氧菌、兼性厌氧菌、厌氧菌大量增长，从而提高功能微生物群落的多样性及增加生物量，使功能微生物群落通过高效的协同作用，更彻底、完全地降解污染物，并提高系统耐受污染物冲击负荷的能力。促生剂可促进黑臭水体中功能微生物群落的合成代谢和分解代谢，使功能微生物群落在不利环境中也能够快速且大量繁殖生长，形成具有一定形状的菌胶团，从而提高功能微生物降解污染物的效率，提高黑臭水体治理效率。

张秀芝等[30]向黑臭水体中投加促生剂BO，18 d后NH3- N和TP的去除率分别达98.82%和82.78%，水体达到Ⅳ类水质标准；刘泽军[31]研究发现，BE可提高黑臭水体中好氧微生物的生物量，增强好氧反应，对水体黑臭的改善有重要作用；李继洲等[32]利用BE对南京南湖片区北河黑臭水体开展试验研究，发现BE对NH3- N、TN去除率分别为76.6%、50.7%，黑臭水体水质由劣Ⅴ类改善为Ⅴ类。可见，BE对黑臭水体具有良好的修复效果。

3.4 投加填料

投加填料是治理黑臭水体常用的辅助手段。填料具有比表面积大、生物附着力强、孔隙率高等特点。填料置于黑臭水体中，其巨大的比表面积为水体中微生物提供附着点，微生物与填料不断接触可形成生物膜，提高水体中功能微生物的多样性及增加生物量，从而使污染物降解效率得到提高。

填料可分为固定式、悬挂式、分散式等几大类：固定式填料以蜂窝状陶粒为代表，由于其蜂窝孔内的含氧量随孔深变化而变化，孔深越深含氧量越低，故可形成好氧、兼性好氧厌氧、厌氧环境，为不同类型微生物提供附着点，利于提高微生物多样性，从而利于污染物的去除；悬挂式填料包括软性、半软性和组合填料，其比表面积较大，孔隙率达90%，具有挂膜快、造价低、不易堵塞等优点；分散式填料包括堆积式、多孔球形悬浮式填料，其特点是无需固定和悬挂，具有使用寿命长、挂膜快、受水流速度影响小等优点。

吴光前等[33]选用生物带作为填料，配合科利尔活菌净水剂净化南京林业大学紫溪黑臭河水，上覆水中COD和NH3- N去除率分别达70%和95%，底泥削减量达到80%以上；陈志刚[34]利用陶粒作为载体，通过固定生物膜技术对黑臭河水进行净化，10 d后河水中COD去除率达76.57%，TP去除率达76.17%；阮宇鹰[35]对黑臭河水生物栅处理系统中填料及植物根系微生物生态的研究表明，生物栅净化槽中组合填料的存在提高了水质净化效果，组合填料附着的生物膜对黑臭水体的净化起到重要作用。

3.5 栽种水生植物

水生植物可通过吸收和转化作用降低黑臭水体中N、P等营养物浓度，通过富集作用将重金属等有毒有害物质从水体中移除；水生植物也可通过光合作用向水体中富氧，提高水体中DO浓度；此外，水生植物根系分泌物可促进根际微生物的增殖繁衍，从而提高对污染物的去除率[36]。熊明彪等[37]研究显示，根系分泌物为根际反硝化细菌提供良好的生态环境，且可刺激根际反硝化细菌的代谢活动；藕翔[38]研究表明，凤眼莲的根际微生物以真菌、放线菌为主，且放线菌与COD去除率呈显著相关。可见，水生植物根际微生物可提高水体中功能微生物的多样性及增加生物量，使功能微生物净化黑臭水体的作用得到强化。

金树权等[39]对微齿眼子菜、苦草、轮叶黑藻、穗状狐尾藻和金鱼藻这5种沉水植物的N、P吸收和水质净化能力进行比较，发现不同沉水植物对水体中N、P的吸收效果有差异，对TP、TN的去除率分别为49.2%～70.8%和63.8%～83.1%，且TN、TP去除率与沉水植物的生物量呈显著相关。张梦绯[40]对生态浮岛净化黑臭水体机理的研究发现，生态浮岛利用植物的截留、吸收、吸附作用和微生物的转化、吸收和降解作用去除水中的N、P等营养物，富集重金属和有毒有害物质，降解有机物。韩潇源等[41]对10种常见人工湿地植物吸收N、P能力的比较发现，不同植物对N、P去除率差异较大，经过15 d室内水培试验，千屈菜及美人蕉对TP去除效果较好，去除率分别为87.7%和69.9%。

栽种水生植物对黑臭水体的治理具有良好的效果，因此已被广泛应用。黑臭水体治理工程中，常利用人工生态浮岛栽种对N、P具有强吸收作用，对重金属具有超富集作用的植物，该方法不仅起到净化水质的作用，还具有较好的景观效果。

4 组合生物净化技术应用

目前组合生物净化技术已被广泛应用于黑臭水体的治理。如上海市自2016年初以来，对67条建成区黑臭河道开展全面整治，其中位于上海市中心城区的夏长浦河道常年黑臭，通过清淤工程及运用曝气、栽种水生植物和附着微生物的填料框联合净化后，消除了该河道水体黑臭现象，综合整治效果显著[42]。海口市桂林洋经济开发区福创溪—大排沟属于重度黑臭水体，实施清淤工程后，通过喷泉曝气机曝气增氧，向水体中投加缓释型微生物菌剂及栽种红树林组合技术净化8个月后，水体中DO浓度大于2 mg/L，氧化还原电位大于50 mV，NH3- N浓度低于8 mg/L，河水透明度升至25 cm，消除了水体黑臭现象[43]。南京农花河长期处于黑臭状态，实施清淤工程后，运用机械曝气及栽种水生植物组合技术净化水体，最终消除了水体黑臭现象[44]。

5 结论与展望

黑臭水体中污染物成分复杂，单一的修复技术往往达不到理想效果。将不同修复技术进行优化组合，寻找高效的组合技术具有重要意义。综述了利用人工曝气+投加菌剂+投加促生剂+投加填料+栽种水生植物组合生物技术净化黑臭水体的思路，在此基础上提出了国内外黑臭水体治理的主要技术措施，进一步佐证了利用组合生物技术净化黑臭水体的可行性及有效性，旨在为组合生物技术净化黑臭水体提供多样化视角及合理的治理框架。

虽然组合生物净化技术在黑臭水体治理中被广泛应用，但其理论研究尚不成熟，实际应用中还需要克服温度、流速等外界条件的影响。今后，还需重点研究组合生物技术净化黑臭水体的机理及功能微生物群落的进化、演替与污染物去除之间的关系，以及优势种群与污染物去除的协同关系，为黑臭水体治理提供理论依据。而组合生物净化技术中投加微生物菌剂是黑臭水体治理的关键环节，关系着黑臭水体治理的效果和治理后水质能否长期稳定保持，因此，开发污染净化效率更高、适应性更广、抗逆性更强的菌剂是未来的研究方向之一。此外，水生植物根际微生物群落对污染物的去除有一定贡献，但目前根际微生物种类和数量的动态变化与黑臭水体中污染物去除率之间关系的研究尚少，而这对于更好地发挥水生植物修复作用具有重要的指导意义，故也是未来的研究方向之一。