引言

　　水是人類生命之源,是人類賴以生存的基本物質(zhì),人類的生命活動和生產(chǎn)活動都離不開水。隨著世界人口增長和社會經(jīng)濟發(fā)展,人們對水的需求日益增長,同時,用水的浪費和水資源的污染使優(yōu)質(zhì)水資源日益短缺,已成為制約可持續(xù)發(fā)展的重要因素。由于工農(nóng)業(yè)及人類自身的需要,地表水域附近往往是人類聚居之地。城市的日益擴大和工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展,導(dǎo)致周圍水域的污染加重[1]。目前,我國1/3以上的河段受到污染,90%以上的城市水域污染嚴(yán)重,盡管已采取了一些控制措施,但因排入地表水體的污染物生物降解性越來越差,造成污染物質(zhì)在水體中長期累積,超過了地表水的自凈能力。

　　以往,人們過多關(guān)注嚴(yán)重污染的場合,而對于污染程度不是很嚴(yán)重且常被忽視的地表水體污染問題卻缺乏應(yīng)有的重視,近年來,世界各國環(huán)境保護科研工作者均開始對此展開專項研究,提出了各種控制對策和治理措施,但限于地表水體的復(fù)雜性和龐大的治理工程開支,研究進展極其緩慢,可推廣的成果不多。

　　地表水體是人類賴以生存的寶貴資源,其中便于利用的地表淡水資源僅占淡水總量的0.014%,其珍貴之處不言自喻。然而,工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,導(dǎo)致大量復(fù)雜的污染物通過各種途徑輸入地表水體,有限的地表水資源正在遭受著不同程度的污染,水體生態(tài)環(huán)境日趨惡化,生物多樣性遭到嚴(yán)重破壞,不僅影響了人類正常生活,還制約著經(jīng)濟發(fā)展,污染地表水修復(fù)課題的研究迫在眉睫。

　　1　受污染地表水特征及修復(fù)技術(shù)

　　1.1　受污染地表水特征

　　地表水體不同于地下水體,同后者相比,前者因完全裸露于外界環(huán)境中,因此更缺乏自然的保護。河流、湖泊和濕地等是由種群豐富的土著微生物、水生植物和水生動物組成的、具有強大自凈能力的獨特生態(tài)系統(tǒng)。但由于種種原因,受到污染的地表水體遭受了超越自身凈化能力的不可恢復(fù)性破壞,需要人為干預(yù),恢復(fù)其生態(tài)原貌。

　　受污染地表水的特征主要有以下幾方面[1]。

　　(1)受污染途徑多,包括沿水區(qū)域生活污水、工業(yè)廠礦廢水、居民生活垃圾排放、農(nóng)業(yè)徑流、水路交通油品泄露以及雨水徑流匯水?dāng)y污等;

　　(2)流動性大,污染區(qū)域廣,分布范圍寬,難以異位集中處理;

　　(3)地表水體中顆粒物濃度較高,一些有毒有害有機物附著其上,并隨之沉積于水底底泥中,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、季節(jié)等多因素控制;

　　(5)具有晴儲雨暴的污染特征;

　　(6)多數(shù)污染地表水屬于微污染水體,污染物濃度較低,降解功能菌難以成為優(yōu)勢菌群。

　　1.2　污染地表水體修復(fù)技術(shù)

　　在污染水環(huán)境修復(fù)技術(shù)方面,目前主要分為兩大部分,對于富營養(yǎng)化湖泊水體,主要采用營養(yǎng)鹽控制,清淤挖泥,化學(xué)、機械等方法直接除藻,生物調(diào)控,水生高等植物修復(fù),物理生態(tài)工程技術(shù),固定化微生物技術(shù)等;而對于污染河道(流)主要采用前置庫技術(shù),濕地系統(tǒng)處理技術(shù)(包括天然濕地和人工濕地技術(shù)),土地滲濾處理(包括土地慢速滲濾、土地快速滲濾、人工復(fù)合滲濾床),生態(tài)濾池技術(shù)以及生態(tài)混凝土技術(shù)等?？傮w上可以歸納為化學(xué)修復(fù)法、物理修復(fù)法、生態(tài)修復(fù)法和生物修復(fù)法。

　　化學(xué)修復(fù)法的實質(zhì)是利用化學(xué)藥劑復(fù)雜的化學(xué)及物化作用(包括中和、絡(luò)合、生成氣體或沉淀、破乳化、膠體失穩(wěn)、萃取、凝聚與絮凝等),將污染物從水相轉(zhuǎn)移到另一種物相,污染物的物態(tài)雖然改變,但并未從根本上消滅污染物,且投加化學(xué)藥劑易產(chǎn)生二次污染。

　　物理修復(fù)法是指利用阻隔物、過濾機、過濾池或大型沉淀池等方式去除水體中污染物的技術(shù),修復(fù)對象的主要特征是懸浮物污染,經(jīng)常采取疏挖底泥、機械除藻、引水清淤等措施,因適用范圍的限制,往往與其他修復(fù)技術(shù)配合應(yīng)用。

　　生物修復(fù)是利用植物、動物及微生物對污染物的富集、吸收降解等作用修復(fù)水體,修復(fù)過程可自然、原位地進行,工程投資僅為物理法、化學(xué)法修復(fù)的30%～50%。狹義的生物修復(fù)主要指微生物修復(fù)。

　　生態(tài)修復(fù)法主要采取塘、人工濕地、岸邊帶水生植被恢復(fù)、水生生物系統(tǒng)恢復(fù)及河道保護等技術(shù),由于生態(tài)修復(fù)法的核心還是生物吸收、降解技術(shù),因此常和生物修復(fù)聯(lián)合使用。

　　污染地表水體的特殊性質(zhì)增加了物理法、化學(xué)法修復(fù)的困難性。近年來,隨著各種新型生物載體(填料)的研發(fā),生物膜技術(shù)得到了發(fā)展,并被用于污染地表水的修復(fù)。

　　2　生物膜技術(shù)在地表水修復(fù)中的應(yīng)用

　　生物膜技術(shù)是人們長期以來根據(jù)自然界中水體自凈的現(xiàn)象,農(nóng)田灌溉時土壤對污染物的凈化作用以及有機物的腐敗過程,總結(jié)、模擬而發(fā)展起來的一種污水處理技術(shù)。它以天然材料(如卵石、礫石及天然河床等)或人工合成接觸材料(如塑料、纖維等)為載體,使微生物群體呈膜狀附著于載體表面上,通過與污水接觸,生物膜上的微生物攝取污水中的有機物作為營養(yǎng)并加以同化,從而使污水得到凈化。由于載體比表面積大,可附著大量微生物,因此對污染物的降解能力很強。生物膜接觸氧化法是生物—生態(tài)聯(lián)合修復(fù)技術(shù)的一種主要工藝,其核心構(gòu)件是生物填料,生物填料的材質(zhì)和外型直接關(guān)系到生物膜量和處理性能。

　　2.1　生物膜法修復(fù)地表水的基本原理

　　地表水體砂礫表面一般都附著有一層微生物膜,當(dāng)流水通過其表面時,其中的有機物就會被生物膜吸附,進而氧化分解,因而,地表水體本身具有一定的自凈能力。通過填充填料來凈化地表水體,實質(zhì)是對地表水體自凈能力的一種強化,即利用填料比表面積大,附著微生物種類多、數(shù)量大的特點,人為加大河流中可降解污染物質(zhì)的微生物的種類和數(shù)量,從而使河流的自凈能力成倍增長[2-3]。

　　附著在填料上生物膜降解污染物質(zhì)的過程一般可分為4個階段。

　　(1)污染物質(zhì)向生物膜表面擴散;

　　(2)污染物在生物膜內(nèi)部擴散;

　　(3)微生物分泌的酵素與催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng);

　　(4)代謝生成物排出生物膜。

生物膜由于固著在填料上,因此能在其中生長世代時間較長的微生物,如硝化菌等,見圖1。另外,在生物膜上還可能大量出現(xiàn)絲狀菌、輪蟲、線蟲等,使生物膜凈化能力增強的同時還有脫氮除磷的作用。該方法由于沒有引入外來菌種,所以沒有改變地表水體原有的生態(tài)系統(tǒng),有利于污染水體的自我恢復(fù)。

圖1　生物膜法修復(fù)機理

　　2.2　生物膜技術(shù)在地表水修復(fù)中的應(yīng)用

　　用于微污染水體修復(fù)的生物膜技術(shù)是近年來國內(nèi)外為解決水域污染而研究開發(fā)的重點技術(shù)。許多發(fā)達國家,如日本、韓國等已經(jīng)用于工程實踐,我國則剛剛起步,還只是處于試驗階段,但發(fā)展較快。當(dāng)前,日韓等國用于凈化河流的生物膜技術(shù)主要有礫間接觸氧化法、人工填料接觸氧化法、薄層流法和伏流凈化法等[4-5]。