（环境工程专业论文）生物修复技术在人工土快滤处理中应用的研究.pdf

生物修复技术在人工土快滤处理中应用的研究 摘要 a z 土快滤处理技术是在原快滤处理系统上采用人工土作为多孔介质代替 原有的自然土壤的污水土地处理技术。该技术不仅能取得良好的处理效果，受自 然条件的限制小，而且大大减少了原系统的占地面积。但当进水中有机物浓度不 断增大或灌水量增大时，会加重处理系统的有机负荷，使有机物质在系统中积累， 导致系统过滤介质的堵塞，直接影响滤床的水力负荷、气体交换及生物降解能力。 本研究通过在人工土快滤床上运用生物修复技术，从植物修复、微生物修复、 土壤动物修复三方面着手，在人工土柱中分别种植对污水具有较好净化效果的植 物、接种对污水降解能力较强的优势菌群和养殖蚯蚓。定期测定出水水质和土柱 各层有机质、氮、磷含量，研究它们对人工士柱的出水水质和有机质、氮、磷养 分分布状况的影响。从而在生物修复技术中找到既可以提高系统对污水的处理能 力和处理效果，又能够解决人工土快滤系统中有机质积累和堵塞问题。 研究结果表明在植物修复方面，一些植物如水葫芦和万寿菊对污水具有较强 的净化能力，对污水中的有机污染物有一定降解能力。b o 珐、c o d 、n 地+ - n 的去除 率达8 0 以上，t - p 的去除率达5 5 以上：微生物修复方面，试验中筛选出1 0 株 对污水c o d 的去除率5 0 以上或t n 的去除率高于2 0 、t p 去除率高于4 5 的 菌作为优势菌系统，其中的好氧菌、兼氧菌以及厌氧菌等混合微生物在人工土不 同深度占据不同的主导地位，通过微生物的氧化分解能力实现有机污染物的净化 降解功能，b o d 。、c o d 、n h 4 * - n 的去除效果与植物修复效果接近，且从各层土壤有 机质含量随实验周期的变化情况来看，受外界环境( 降雨、气温、湿度等) 的影 响较大的只在土表层，随着土层深度增加，有机质变化受外晁环境的影响越小； 土壤动物修复方面，选取多种砂土比的人工土作为试验材料，并采取对污水的处 理效果和处理能力以及蚯蚵f 生存均较好的砂土比( 9 ：9 ) 进行试验，经过6 个月 的灌水实验发现，在人工土柱中加入蚯蚓可使系统对n 出+ _ n 的去除率达到9 0 以上。 人工土柱中有机质和氮磷的分布规律相似，均是随着土层深度逐层降低。但 有机物质和氮磷因为淋失而在6 0 8 0 c m 土层有不同程度的积累现象。随着灌水 周期的延长土柱中的有机质含量不断升高，尤其是在土柱表层；而土柱中的氮磷 则会随着土壤吸附饱和而趋于稳定。在人工土快滤床上种植植物、接种优势微生 物群、养殖蚯蚓均能相应降低系统土壤中的有机质，缓解系统有机质积累的问题。 种植植物对土柱中的氮的反硝化作用和磷的固定均有一定积极作用。种植植物时 应考虑植物不同生长期对营养物质的需求，可以考虑种植多年生木本植物。微生 物修复对于土柱中的氮的反硝化作用有一定促进作用，但对磷的影响不大。土壤 动物修复对于系统氮的去除和磷的固定几乎没有影响。在植物修复和微生物修复 的人工土快滤系统的运行方式上选择湿干比1 ：5 、配水周期为2 天的运行方式， 虽然有机质的积累速率较快，但水力负荷大且更为经济，同时也可以取得较好出 水水质。而对养殖蚯蚓的人工土快滤系统来说，选择湿干比1 ：8 运行周期3 天的 运行方式更为合理。 关键词：生物修复人工快滤床有机质积累污水处理 2 b i o r e m e d j a t i o no fo r g a n i cm a t t e ra c c u m u l a t i o n i n a r t i f i c i a ls o ii r a p i d i n f il t r a t i o nb e d a b s t r a c t a r t i f i c i a ls o i lr a p i di n f i l t r a t i o n ( a s r i ) i sak i n do f n e w l y a d v a n c e d t e c h n o l o g yu s i n ga r t i f i c i a l s o i li n s t e a do fn a t u r a ls o i la sp o r o u sf i l t e r m e d i ai nt h er a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e r mi th a sab e t t e rs e w a g et r e a t m e n t e f f e c t 1 0 c a la v a i l a b l ea n da1 e s s e rl a n da r e a sr e q u i r e m e n tt h a nt h a to f t r a d i t i o n a ll a n d t r e a t m e n t h o w e v e r , g i v e nh i g ho r g a n i c m a t t e r c o n c e n t r a t i o no rh e a v yi n l e tf l o w , h y d r a u l i cl o a d i n gr a t eo ft h es y s t e m ， o x y g e n t r a n s f e ra n d b i o d e g r a d a t i o nc a p a b i l i t yw i l lb er e d u c e d d u et ot h e a c c u m u l a t i o no f o r g a n i cm a t t e ri nt h es y s t e m a n dt h e nt h ef i l t e rm e d i a w i l lb ec l o g g e d t h e r ea r et w om e t h o d st or e s o l v et h i sp r o b l e m p r e s e n t l y ： o n ei st op r o l o n gt h ed r y i n gp e r i o d ；t h eo t h e ri st os c r a p eo f ft h es u r f a c e b i o f i l ma n di n f i l lw i t hn e wf i l t e rm e d i a b u tt h ef o r m e rc o u l dr e d u c et h e t r e a t m e n tc a p a b i l i t yo ft h es y s t e ma n dw a s t et i m e ，t h el a t e rc o u l da f f e c t t h em i c r o b ec o n s t i t u t ea n dl e a dt oo u t f l o wr e d u c t i o n a s r ii sa f r i e n d l yw a y f o r s e w a g et r e a t m e n t ，b u to r g a n i c m a t t e r a c c u m u l a t i o na n di t sc l o g g i n ga r eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp r o b l e m so f a s r i i no r d e rt of i n da w a y t oi m p r o v er e m o v a le f f i c i e n c yo ft h es y s t e m a n dt os o l v et h e p r o b l e ma b o v e ，b i o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y s u c ha s p h y t o - r e m e d i a t i o n ，m i c r o - r e m e d i a t i o n a n da n i m a lr e m e d i a t i o nw e r e a p p l i e di nt h i sr e s e a r c h v e g e t a b l e s ，m i c r o b e sa n de a r t h w o r mt h a th a v e h i g hs e w a g ep u r l f i e a t i o nc a p a b i l i t yw e r eu s e ds e p a r a t e l yi nc o l u m n s i n o r d e rt of i n do u tt h ee f f e c to ft h e s em e t h o d so ne f f i u e n tq u a l i t ya n dt h e d i s t r i b u t i o no fn u t r i e n t ，t h ee f f l u e n tq u a l i t y , t h eo r g a n i cm a t t e r , n i t r o g e n a n dp h o s p h o r o u si ns o i lc o l u m n sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o wa sf o l l o w s ： ( 1 ) w a t e r h y a c i n t ha n dc h y s a n t h e m u m h a v eh i g h c a p a b i l i t yt op u r i f y s e w a g et h a nt h a t o fo t h e rt e s t e dp l a n t s i nt h i s s t u d y2 2s l r a i n s w e r e s e p a r a t e df r o m t h es o i lc o l u m n s ，a n d10s t r a i n sw e r es c r e e n e do u tt ob e 3 s u p e r i o rs t r a i n s t h er a t eo f s a n dt os o i lw a s9 ：9w h e ne a r t h w o r m sw e r e b r o o di ns o i lc o l u m n s ( 2 ) t op l a n tv e g e t a b l eo rt oi n o c u l a t es u p e r i o rb a c t e r i u mc o u l di m p r o v e t h ee f f l u e n tq u a l i t y t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fb o d 5 ，c o d ，n h 4 + - n ， a n dt pw e r e8 0 ，8 0 ，8 0 ，a n d5 0 ，r e s p e c t i v e l y b u tt h er e m o v a l r a t eo ft nw a sa tl o wl e v e ld u et on i t r o g e n1 c a c h i n g t h er e m o v a lr a t eo f n h 4 + - n w a sa b o v e9 0 a f t e re a r t h w o r m s b e i n g b r o o di ns o i lc o l u m n s ( 3 ) w i m t h ed e p t ho fs o i ll a y e ri n c r e a s i n g ，t h ec o n t e n to f o r g a n i cm a t t e r , n i t r o g e n ，a n dp h o s p h o r o u sd e c l i n e d b u tt h eo r g a n i cm a t t e r , n i t r a t e ，a n d p h o s p h o r o u sw i l lb el e a c h e dm o r eo rl e s sb yd r a i n a g e t h ec o n t e n to f o r g a n i cm a t t e ri n c r e a s e dg r a d u a l l ya st h ep r o c e s so f i r r i g a t i n g ，e s p e c i a l l y a tt h es o i ls u r f a c e ( 4 ) p l a n t e d v e g e t a b l e s o ri n o c u l a t e dm i c r o b e so rb r o o de a r t h w o r mc o u l d d e c l i n et h ec o n t e n to f o r g a n i cr o a r e ri ns o i lc o l u m n c o r r e s p o n d i n g l y ，a n d p o s t p o n e t h eo r g a n i cm a t t e r a c c u m u l a t i n gi nt h es y s t e m ( 5 ) p l a n t e dv e g e t a b l ei nt h es y s t e mh a sa d v a n t a g e so nn i t r i f i c a t i o na n d p h o s p h o r o u sa d s o r p t i o n m i c r o b e sr e m e d i a f i o n c o u l da c c e l e r a t e n i t r i f i c a t i o n p r o c e s s ，b u t h a dn oo b v i o u sa f f e c to n p h o s p h o r o u s a d s o r p t i o n e a r t h w o r m sh a d n oe v i d e n te f f e c to nn i t r i t ea n d p h o s p h o r o u s r e m o v a l ( 6 ) 1 ：5w da n d2d a y so p e r a t i o nr e g i m ew a sm o r ee c o n o m i ca n dm e t w i t ht h en e e do fs o c i a lf o r s e w a g et r e a t m e n t ，d e s p i t e o fh i g ho r g a n i c m a t t e r a c c u m u l a t i n g r a t e w h e r e a s ，1 ：8w da n d3d a y so p e r a t i o nr e g i m e w a sr e a s o n a b l ew h e ne a r t h w o r m sw e r eb r o o d i nt h es y s t e m k e yw o r d s ：b i o r e m e d i a t i o n a r t i f i c i a is o i l r a p i di n f i l t r a t i o no r g a n i cm a t t e r a c c u m u l a t i o n s e w a g et r e a t m e n t 4 生物修复技术在人工土快滤处理中威用的研究 0 前言 水是人类赖以生存的基本条件，又是国民经济的主要支柱。随着人口和经济 的快速增长，人类对水的需求爨秘混质要求越来越麓，而水的污染范豳和污染程 凄氇越寒麓丈，我鏊是整要上姨窳鏊家之一，熬毽念毽莠羧逡处理城蠢污本实瑷 水资源的张生利用已成为我圈经济建设的重要阋鼷。 目前，大多数国家使用二缀污水处理城市污水，大多采用生化处联法，投资 大、耗能黼。尤其是在当前腕源日益紧张的严峻澎辫下，对所有的国家都是一个 巨大的负搬。为寻求薪的、有效鹃、经济豹污水处理方式，论文作者从众多文献 姿褥审，笈疆久工主瓷滤按拳投资少、趸彀浃，燕一耱毒效污窳楚理系统，毽是 随着工渡化的快速发展，该系统并没有丈规模的皮腭，反而面睡薪的挑战。其主 要原因在乎，该技术存在比较棘手的问题快滤床堵塞现象，污水中多种难降解 的有机物、蘸金属等的积累，释致土地处理系统效率下降，无法得到犬规模的推 广和使用。本着理论结合实际的原则，论文作者农中国海洋大学地球科学学院舍 寨莲戮教授瓣指毒下，结合磷炎垒深翟疆及其恁稳关炎辩，邃器了严穰鹣试验， 分别驮橇物修复、微生物修复以及土壤动物修复三个方面，研究探讨嫩物修复技 术在人工士快滤处理中的应用，希望找到一条适合的修复技术，为我豳的污水处 理系统撮供更好的建议。 生物修复技术在人工土快滤处理中应用的研究 1绪论 1 1 污水土地处理 1 1 1 污水土地处理的历史 污水土地处理是在人工控制下将污水投配到土地上，通过土壤一植物和微 生物的作用自然完成一系列物理、化学和生物过程，像污水得到净化的土地生态 工程系统”。 利用土地处理污水的方法早在古雅典时期就有记载，主要是将污水引入市 郊西侧洼地进行灌溉。1 5 5 9 年普鲁士的b u n m a u 建立了第一个污水灌溉的土地 设施，并连续运行了3 0 0 年之久“”。1 8 世纪末这种处理技术在英国得到广泛 应用。1 8 世纪7 0 年代，污灌首次传入美国“。在中国，污水灌溉农田也有很长 的历史。但是，在早期的污灌实践中，尽管人们利用污灌获得了作物高产，土地 只是作为污水的受纳体，并没有科学地利用其净化机制”。这跟当时的社会发 展缓慢，人口稀少和可利用土地多等多种条件相适应。 随着人口的激增，土地资源利用程度的不断扩大以及污水中各种有害物质 对人类健康威胁增加，生化处理逐步代替了土地处理，污灌随之萧条”。近年 来各国在水污染控制方面都投入了大量的人力和财力，城市污水常规的二级处理 大多采用生化处理法，投资大、耗能高，尤其是在当前能源日益紧张的严峻形势 下，对所有的国家都是一个巨大的负担。人们的目光又落在了相对简单，费用低 的土地处理法上。近年来土地处理作为二级处理设施的代用技术得到了迅速发 展，美国、澳大利亚、加拿大、墨西哥等国在土地处理方面的研究和运用均取得 好的效果“。如美国1 9 8 1 1 9 8 7 年就建设了近7 0 0 个土地处理场，现在共有i 0 0 0 多个土地处理场在正常运行。加拿大渥太华市的生活污水有三分之一是采用土地 处理系统进行处理”。 1 1 2 污水快速渗滤地处理的特点 广义的土地处理包括污水快速渗滤、污水慢速土地处理系统、地表或坡面 2 生物修复技术在人工土快滤处理中应用的研究 漫流、湿地和氧化塘等门、3 。土地处理的优点是一次性投姿少( 相当于二级生化 处理的2 0 一3 0 “”) 、运行费用低( 主要费用是抽水或其他方法从含水层取水， 约0 0 0 2 5 0 0 2 5 美元m 3 “、操作管理方便、水资源基本上可以再生利用。 污水快速渗滤土地处理系统是一种投资少、运转费用低、易于管理、高渗 透率且处理效果好( 表1 1 ) 的污水净化技术”、，比较适合中、小城市的污水 二、三级处理，因而更具发展前途。污水快速渗滤土地处理系统( r a p i d i n f i l t r a t i o n ，简称r i 系统) 就是有控制地将污水投放于渗透性能较好的土地 表面，使其在向地下渗透的过程中经历不同的物理、化学和生物作用，最终达到 污水净化目标的过程( 1 0 - 1 2 ) 。此系统是由地表构筑物、多孔介质和地下构筑物三 部分组成。地表构筑物包括污水的预处理、调节、输水、布水及渗滤池，渗滤池 是关键部分。多孔介质是由既具有一定渗透性，又具有一定阳离子交换容量的中 细砂或粉细砂组成，也可以是粗砂乃至砂砾石。地下构筑物主要包括水质、水位 监测孔和集水部分“”。 单位tm g 儿 注：其中大肠杆菌的单位为( 个，r r l l ) 表i 1 各种污水土地处理工艺的出水水质“ 在我国，土地处理技术经过“七五”、“八五”联合科技攻关项目的实旌 基本形成了一套符合我国国情的污水土地处理技术“，先后建成了北京昌平污 水快速渗滤系统、阿什图城市污水土地处理系统、开封市啤酒污水快速渗滤处理 工程等多项工程“”。实现了从小试、中试到实用规模的试验、示范研究工作， 并提出了采用土地处理替代二级处理，人工处理和自然处理并行的技术措施“”。 r i 系统本身也存在很多局限性，主要表现在以下几个方面：( 1 ) r i 系统的 核心构成是利用天然土地的自身净化功能进行污水处理，对场地的要求较严格? 生物修复技术在人工土快滤处理中艨用的研究 ( 2 ) r i 系统污零处霪受蓑一般魄较低( 一毅莰灸6 - 1 3 0 n t a ) ，善致系统占蘧嚣 积非常大；( 3 ) r i 系统缝净化功能主要依赖于土壤原生微生物，冬攀濑度较低 时微生物活性差，污水处理效聚将受到很大影响；( 4 ) r i 系统对进水水质有一 定要求，主鞭适用于城市的生灞污水，b o d ；：c o d o 3 、且没有对微生物活性有明 显影响的露毒蠢害组分豹工业废水；( 5 ) 当r i 系统冷纯水去肉力天然系统时， 鸯可鼹污染蟪下承( 1 e 3 - 1 2 ) $ 其中蠢遮嚣积是嚣i 系统蔫黉游嚣，簿决这一麓题霹鞋 从两方面考虑，一是提高微生物活性，加速其生长、繁殖、代谢，从丽提高系统 对污水的处理能力；二是提高水力负荷，加速污水谯系统中的渗透速魔，以减少 系统所需的占地面积。前者实施运行起来难度较大，投资运行费用较商。对于后 老我匡在鼹窳“七五”攻关项疆“城枣污承人工谈游处理系统研究”麓申试工程 基穑上，褒l 豢、圈j | | 等逢长麓壤论与应矮疆究瓣祭箨下，由审国农潼大学在覆 快滤处理系统上采用人工土作为多孔介质代替原有的自然土壤。研究表明：用砂、 草炭和耕屡土壤以一定配比混仑成的人工土作为快滤介质，不仅能取得良好的处 理效果，且受自然条件的限制小”。同时在基本保持微生物的自然生长状态下， 热太了系统余震魏渗透性，从磷遴一步提高了快滤系统豹农力负兹，大大减少了 簸系统懿蠢缝嚣积”7 。 与二级生化处理相比，人工土快滤处理能耗只有二级生化处理的3 0 一4 0 ，处理成本只有其的4 0 一6 0 。较二级生化娥理节约运转费用4 0 一6 0 2 生 右”。 1 3 入置快滤床存在的阍题 随着f 习益增多的城市污水凝以及污水中多种难降解有机物( 如洗涤剂、油 料等) 、鬣众精等有毒物豹出域，使得土地处理系统又蘧糟若新的挑战。出于人 工莰滤臻爨专起溺予疆理缓零污窳豹逵生态王糕系统，其对遂畚豹蠢蔽受芬 有一定簧求。阳光明等对人工主快滤床的运霉亍效聚进行了实验，证瞬警污水以 1 ：8 的湿千比配水周期为3 天时，人工土滤床中截嘲的污水有机物有8 5 被完全 分解“”。戗融于微生物的活性受瀛度、湿度以及脊机负荷等多种条件的影响“， 当迸承的存枫豁浓度不薮增大躐承力受葡增大对，必然会趣重处理系统静眷枕负 蓑，一量骞瓤受黄超遗了入王主滤寒瓣楚毽籍力，鸯撬携矮在系统串辍豢，每蘩 系统过滤介质的堵塞。 造成渗滤系统孔隙堵塞的原因很多，主要包括艨浮物截留吸附堵塞、化学 4 生物修复技术在人工土快滤处理中应用的研究 沉淀堵塞、土壤颗粒遇水膨胀崩解堵塞以及微生物增长造成的堵塞等( 1 0 - 1 2 ) 。大 多数学者认为微生物增长是造成系统堵塞的主要原因。但是k r i s t i a n s e n 和 m i k e a l 的研究表明，微生物在生长和死亡达到平衡状态时，根据微生物形体大 小及数量计算得出由于微生物增长所造成的孔隙体积减少量分别仅为0 7 4 和 8 “，因此微生物增长不会对系统的渗透速率产生明显的影响。而多糖的产 生和迸水悬浮物才是造成系统堵塞的主要原因( 1 0 - 1 2 ) 。由于进水悬浮物的截留以 及微生物的活动使进水中有机污染物初步分解形成多糖，丽进水中的悬浮物绝大 部分是截留在土表，因而发生堵塞现象的部位主要集中在系统与进水相接触的初 始地段。滤床表面是滤料与污水最先接触的界面，也是大气和滤料介质之间进行 气体交换的屏障，它直接影响滤床的通气透水性能，同时这里也是生物生命活动 最活跃的场所，因此界表面通透性的好坏直接影响滤床的水力负荷、气体交换及 生物降解能力“”。 目前解决这一问题的方法有两种：一种是采用延长系统的干化时间，表面 积累的多糖可作为微生物生长活动所必须的营养物质进一步被分解消耗，使得堵 塞现象得以缓解( 1 0 - 1 2 但这种方法会降低系统的处理量，影响系统对n h 。+ - n 的 处理效果；另一种是采用定期干化刮除表层生物膜，然后填入新土，这种方法一 方面比较费时，另一方面会影响系统的微生物组成，使得清除表层初期出水水质 下降。因此为了保证系统的处理能力预防和减缓系统堵塞问题，应从加速系统对 污水中有机质的分解作用入手解决这一问题。 1 2 生物修复 生物修复是利用生物来修复被污染物破坏了的环境，包括微生物修复、植 物修复和动物修复三种”。 1 2 1 微生物修复 微生物是地球生态系统中最重要的分解者，在环境污染物的降解转化、资 源的再生利用、生态环境保护等方面发挥着极其重要的作用”。目前微生物修 复已广泛运用于土壤和水体污染的治理。 1 2 1 1 微生物对重金属污染的修复 生物修复技术在人工土快滤处理中殿用的研究 逶鬻凌鬟金藩污染修复审童要是羽蘧徽生秘麓鬟金属靛蔽瓣纛璧锈襞位还 原作用( 2 3 ) a 融知有许多异养徽嫩物在好氧或厌氧条件下可将e r ”还原为c r ”从而 降低铬的簿性”。许多研究照承有机污染物如芳褥族化合物可以作为还原c r ” 的电子供体。这一结果表明微生物在修复有机物污染的同时，还可以还原c r ”为 c r “。c a n t a f i o 等发现微生携t h a u e r as e l e n a t i s 萄除去污水中鸺必以上豹 硒，嗣瓣缀爱磷铑俸爰除去污窳串懿n 0 3 - 。毽囊予锾生兹懿生耱鬃，l 、罐予竣 集，且其吸收在体内的重金属祷可能经过代谢或死亡而又释放回环境中，因而微 生物修复穰处理重金属污染方谳受到限制。 1 2 1 2 微生物对毒瓿污染黔掺复 镦垒物在鸯税污染酶处臻努嚣，主要是依纛徽生物的吸收丽纯帮分瓣氧纯 作用使有机物转变为细胞的组成部分或者变成h ：o 和c o z 排出体外，得以实现对 有机污染物的去除。微生物对肖机污染修复最成功的例子是清除a l a s k ae x x o n l v a l d e l 的海岸石油污染。经过治理，近百里海岸的环境质量获得极大的改进( 2 6 ) o a 工主莰滤疼孛嚣徽燕貔系统主要表瑰燕夔缩耱为主懿生态系统，涂了秘 用土壤对污染物的吸附过滤阻截作用外。大部分悬箍微生物体的生物代谢作用来 净化污水。有研究表明。人工嫩快滤床对c o d 的搬除作用中，有4 2 3 是生物 代谢的作用“，相对于没有缴物参与的单纯渗滤作用提高了3 4 。在人工土 滤床串除了露土壤本身静徽生铸外，还有来自污承巾熬徽生秘。这掰科i 来源熬徽 生秘在人工主滤寐中并 莛戮辕缀合在一莛，霖燕穰浮零处理过程孛缀长鬏鞲纯 后，逐渐形成了自身稳定的，舆有较旺盛新陈代谢能力的微生物区系“”。因此 要用微生物修复技术解决人工士滤床的有机质积累和堵塞问题就可以从优化微 生物组成方颟入手。 生纺强诧技零羲爰羧改螽微生耪缀残来改蓉瓣污染携嚣处理效暴豹一耱生 物修复技术。目前的生物强化技术主要是指在生物处理系统中投加其有特定功能 的微生物来改善原有处理系统的处理效果，充分发挥微生物的潜力，如对难降解 有机物的去除等“”。一般投加到处理系统的微生物可以是原处理体系中的，经 戮诧、富繁、筛选、壤葬戬纂藏瓣或混合蔼群投勰捌暇处理系统中，使鞭系统串 含量较少瓣微垒耪数量增多，疑褥改变藩系统煞徽懋镌缝成，形或对蘩貉滚降解 有机物有更强去除能力的稳定微生物体系。另一种方式是向处理系统中投加原来 不存在的外源微生物，使体系原本无法处理的污染物得到有效去除。遇常这两种 矗 生物修复技术在人工土快滤处理中应用的研究 方法的采用主要取决于原有处理系统中的微生物组成和所处的环境。”。 s e l v a r a t n a m 等人通过在活性污泥法中投加苯降解菌( p s e n d o m o n a sp u t i d a a t c c i l l 7 2 ) 提高了苯的去除率同时也缩短了驯化时间，系统在4 0 天内可一直保 持9 5 1 0 0 的酚去除率，比未加菌的相比高出5 0 左右。”。 近几年，由于石油泄漏和污染物的不合理处置，造成大面积土壤受到难降 解有机物的污染。而土壤本身微生物群落的白净能力有限，很难在短期内有效去 除这类化合物。因而生物强化技术成为相对于物理化学处理法来说简便、有效且 价格合理的处理方法“”。s h i n e 等人通过投加双酶梭菌c l o s t r i d i u m b i f e r m e n t a n s 对t n t 污染的土壤进行生物修复，达到良好的效果( 3 0 ) oi e s t a n 等 人采用了三株真菌i 1 a c t e u s ，b a d u s t a 和t v e r s i c o l o r 对p c p 污染的土壤进行 生物强化处理，分别达到了8 6 ，8 2 和9 0 的去除率。“”、3 ”。 工土快滤处理系统是以土壤作为处理主体。因此要对此系统进行生物强化 处理就必须从土壤修复着手。在我国，对于人工土快滤床的生物强化技术的实验 研究已经开展，已有的研究表明，从人工土快滤床中分离，筛选出1 0 株对c o d 、 全氮去除率较高的细菌，将这些细菌混合，经培养后接种到人工土柱后运行，在 投加菌液后2 0 天内，优势菌的数量缓慢增长并趋于稳定。在接种五、六个配水 周期后，c o d 去除率提高了4 5 5 。对于污水中的细菌去除也大有改善，粪大肠 杆菌的去除率几乎达1 0 0 ( 2 7 ) 0 这一实验证明生物强化技术在很大程度上提高 了人工土快滤系统的处理效果。 1 2 2 植物修复 植物修复技术是以植物忍耐和超量积累某种或某些污染物的理论为基础， 利用植物及其共存微生物体系，清除环境中污染物的- - f 3 环境污染整治技术“。 植物修复技术是近几十年刚兴起的，并逐渐成为生物修复中的一个研究热点。很 多研究表明利用适当的植物不仅可去除环境中的有机污染物，还可去除环境中的 重金属和放射性污染物( 3 2 ) c 土地处理作为生态处理方法，实际上是追求土壤、 含水层和植物的处理与利用两个功能的总体实现( 1 0 - t 2 ) e 早期的污灌和现在发展 较快的湿地处理系统都是利用土壤一植物系统来净化污水的。 1 2 2 1 植物对重金属污染的修复 生物修复技术在人工土快滤处理中应用的研究 植物修复适用于大面积、低浓度的污染点位，与微生物相比植物具有生物 量大且易于后续处理的优势。”。因而被认为是治理环境中重金属污染的一个很 有前景的方向。植物对重金属的修复作用主要有三种方式：植物吸收、植物固定 和植物挥发。”。 在植物吸收方面，目前已发现有4 0 0 多种植物能够超量累积某些特定的重 金属，其中以超量累积镍的植物居多“”。一些超量累积植物能同时吸收积累多 种重金属元素。重金属被植物吸收后，输送并贮存在植物体的地上部分，通过收 获和移去植物从而达到去除重金属、切断其在土壤中迁移和在“食物链”中传递 的目的。同时也可利用超量累积植物对重金属极强的富集能力来回收某些重金 属，从而达到资源回收利用的效果“”。例如用水芹菜对黄金的富集作用对黄金 废水进行净化回收。实验表明在废水的黄金浓度为2 m g l 时，水芥菜的根部灰分 富集黄金可达1 2 1 6 4 6 9 t 相当于1 2 2 含金量”“。 植物挥发作用主要是针对一些具有挥发锋的尊金属如汞、硒等。这些重金 属经过植物根系的氧化还原作用由固态或离予转_ 化为可挥发态。r u g h 等将细菌 的h g ”还原酶基因导入拟南芥植株，使之耐汞能力大大提高，同时还可将h 9 2 + 还 原成h g o 从土壤中挥发。”。但这一工作尚需考虑到释放到大气中的挥发重金属 对大气的二次污染。 与植物吸收和植物挥发相比，植物固定只是将土壤中的重金属转化为低毒 性形态而不是将重金属从土壤中去除8 ”。通常植物固定需加入一些添加物质使 重金属的流动性降低，生物可利用性下降，从而使重金属对生物的毒性降低。 c o t t e r h o w e l l s 和c a p o r n 发现施加磷酸盐可以促使铅在a g r o s t i sc a p i l l a r i s 根际壤中形成磷氯铅矿“”。目前，在城市污水中也存在一定浓度的重金属。 这些重金属在流入人工土滤床后，一部分被土壤吸附固定，一部分则会随渗滤水 流出。因此人工土快滤系统处理污水时也应考虑对重金属的去除。 1 2 2 2 植物对有机污染的修复 通常对于环境中有机污染的生物去除多采用微生物来完成。一方面是因为 植物生长期长、去除有机物比较竭难：短时期内达不到良好效果3 ”。另一方面 有机物在植物体内的形态较难分析，其中间代谢产物也比较复杂。”。但在现场 修复中植物的适用性更强。近年来有关这方面的研究报道也很多，有的已达野外 生物修复技术在人工士快滤处理中应用的研究 应用水平。植物对有机物的去除作用主要是植物吸收、释放分泌物和酶以及根区 微生物的矿化作用。植物对有机物的吸收作用和有机物的亲脂性有直接关系”。 这些化合物被吸收后，部分可被分解但大多以一种很少能被植物利用的形式束缚 于植物组织内或转化为无毒性的中间代谢产物如木质素储存在植物细胞中”。 b u c k e n 等研究发现植物可直接吸收环境中微量的除草剂阿特拉津( 3 8 ) a 由于植物 能释放分泌物和酶到土壤中，一方面可作为根际微生物养分的来源和刺激根区微 生物的活性，加速对土壤中有机物的降解；另一方面也可直接分解一些有害化合 物，植物死亡后释放到土壤中的酶仍可继续发挥作用。研究表明，植物根区微生 物在数量和种类上明显比空白土壤中的多“”。r e i l l e y 等研究了多环芳烃的降 解，发现植物根使根区微生物密度增加，多环芳烃的降解增强“”。美国佐治皿 洲a t h e n s 的e p a 实验室对来源于植物的五种酶进行研究。发现硝酸还原酶和漆 酶能分解炸药废物t n t ，并将破碎的环状结构结合到植物材料中或有机物残片中， 变成沉积有机物的一部分。 i 。2 2 3 植物在水处理中的应用 在植物修复技术中植物根系的新陈代谢、呼吸作用和机械作用具有重要的 作用。植物根系的新陈代谢作用产生的残留物提高了土壤的有机质，为土壤微生 物提供了充足的养分，使微生物大量繁殖。而植物根系的呼吸作用使根圈小环境 既有好氧区又有兼氧和厌氧区，为好氧和厌氧菌提供了生存环境，这样就使得微 生物的种类大大增加”。而好氧和厌氧环境交替又有益于n 、p 的去除“。 近年的湿地系统在污水处理中应用很广泛，它就是利用植物根系创造的微生物环 境和植物根系吸收来降低污染水体中的n 、p ，防治水体的富营养化。通常应用 到人工湿地污水处理系统中的植物应具备以下要求：可被周围的生态环境所接 受，没有显著的杂草或疾病风险，对本地自然环境生态不会产生危险：对当地的 气候条件、害虫和疾病有耐受性；对污染物和富营养的淹水条件有耐受性；易于 繁殖，可以迅速扩展生长；对污染物具有高的去除能力。既可以通过直接吸收储 存，也可以通过提高微生物的转化能力间接地去除污染物，例如硝化反应( 通过 根际氧释放得到增强) 和反硝化反应( 通过碳源的提供) 。其它特殊的要求根据 植物在湿地处理系统中所具备的功能而有所不同。同时也和湿地的设计方式( 表 层或亚表层，垂直流或水平流) 和运行方式( 连续或间接灌水) ，水力负荷以及 污水性质有关。 日本的田佃真佐子等研究了芦苇栽植湿地对河流水的脱氮除磷效果，发现 生物修复技术在人工土快滤处理中应用的研究 入水中约3 0 的总磷( t p ，0 2 5 0 4 8 m g 1 ) 和2 0 的总氮( t n ，1 2 l l m g 1 ) 被去除“”。美国利用表面流湿地处理氮污染水体取得了显著成效，其n 0 。- - n 由 6 6 m g l 降到2 0m g l ，全年氮的去除达3 k g h a d 约为流入n 量的3 7 。在 我国成都市南郊污水泵站人工土快滤系统上开展的植物种植实验也表明，在人工 土滤床上种植水花生和紫云英都能增加处理系统对n 、p 的去除能力( 4 5 ) o 由于植 物具有庞大的根系，其对土壤的机械作用可以改善土壤质地、提高土壤孔隙度， 从而增强土壤的渗透速率。同时也可减缓污水沿地表流动的速度，保证地表土不 受水流冲刷，有利于水中悬浮物的沉淀，限制了污染物质的移动“”。植物的地 上部分又为水面遮挡阳光，避免藻类大量生长影响处理效果，同时种植植物又可 起到美化环境的作用；另一方面从经济角度来看，这也不失为一项商业化措施。 1 2 3 土壤动物修复 在土壤中微生物虽是分解土壤有机质的主要生物群，但土壤动物也起着不 容忽视的作用。长时间运行后人工土快滤床中产生有机质积累，除用微生物修复 和植物修复外，还可以考虑用土壤动物( 如蚯蚓、昆虫和原生动物等) 的捕食来 控制生物污泥的生长和有机质的积累。 土壤中动物的作用主要是粉碎或分解地表、地中的植物残体及其在土壤中 取食及移动造成的耕耘作用以及对有机、无机物的混合搅拌作用。蚯蚓是土壤中 最常见的杂食性环节动物，它在土壤中不断钻洞挖穴，不断吞食含有机物质的土 壤。最早注意蚯蚓对土壤有耕耘作用的是进化论创立者达尔文，他发现每年经蚯 蚓消化道排出的泥土每公顷约为8 - 1 2 吨( 4 7 - 5 0 ) 。调查结果表明在温带地区，蚯蚓 每年取食土壤可达5 0 0 t h m 2 ，在温润的稀树草原每年经过蚯蚓肠道的土壤可达 1 2 0 0t h m 2 “。这些泥土是蚯蚓吞食的土壤经蚯蚓体内丰富的酶系统的作用后， 而形成颗粒状的高度融合的有机无机复合肥蚓粪”。这些营养丰富的颗粒物 以及蚯蚓本身运动对土壤的机械作用不仅改良了土壤的肥力，同时提高了土壤的 透气性和吸附能力。蚯蚓的钻洞行为可使土壤的空气含量从8 提高到3 0 ，土 壤孔隙率从3 0 提高到6 0 “”。由于蚯蚓是生活在潮湿的土壤中，通过皮肤 进行呼吸。在氧分压低至1 9 r m n h g 时仍可维持正常的呼吸，在缺氧条件下还能利 用体内糖原的嫌气分解为生命活动提供能源。一般蚯蚓在水下可生存8 1 0 天， 大红蚯蚓甚至能在淹水的土壤中生存8 - 1 2 个月”“。事实上早在1 9 4 7 年， r e y r i o l d s 曾报道了在污水生物过滤处理器中蚯蚓的存在。 l o 生物修复技术在人工土快滤处理中成用的研究 在塞物过滤器串孳l 入逶念豹薤舞瞅类嚣，赉予l | 茳懿其畜灌麓过滤髹静透透 性能和清除未完分解有机物沉淀堵塞功能“”，瞬l 比只要能保证土壤遴气性能， 选择适当的运行周期，利用养獭蚯蚓来实现污水的七地处理以及减少人王土滤床 的有机质积累状况，进而解决堵塞问题是可行的。目前该法己在法国、智利和国 蠹成功地滋 亍了孛型试验和生产性矮模的应翔。罗潮源翔吉方英等对予蠛薅| 在 建楚理牵静成霜迸毒亍了多次试验磷究，涯弱了魏聚采瘸舍瑾静阕歇方式，薤鳝养 殖污水她邋在技术上是可行的“”。蚯蚓养殖污水处理虽不能提高c o d 的去除能 力，但蚓灏作为富含负电荷的有机胶体对污水中带难电荷的n h 。+ _ n 肖较强亲合 力，从而掇商了对n 地+ _ n 的擞除”。近年在法湖和智利发展起来的蠛娲l 生态滤 泡甄可以肖效低耗懿去豫城镶污承中戆污染兹痰( 袭1 2 ) ，又可l ；避免剩余污 漉等二次渗染物静产生，是一耱全薪概念豹污承憝遴工艺”0 这磺歉术楚鬏据 蚯蚓具肖提高土壤通气透水憔能和促进有机质分解转化等生态功能而设计的 ( 柏) 单位：瑚g ，l 表1 2 惑翳| 嶷悫滤涟与涯性污泥法去狳率夔毙较“4 另外，从生态学角度来褥，蚯蚓在自然界中扮演着分解者的角偬。植物吸 收土壤中的肥料元素而生长，植物死亡后或被动物消费后，其残体或幼物排泄物 叉回到土壤中。经土壤中蚯蚓的消化和微生物的分解氧化后，又回到土壤中被植 镄掰吸牧测用。这释疆环使支壤巾瓣辩元素含塞绦持在一定拳乎，扶瓣形成了稳 定酶圭壤耱力与终裙生长之阉鹩生态平餐。 1 3 本研究目的及意义 求怒入类赖以生存豹基零祭终，又是国民经涝豹主要支柱。随麓人口和经 济懿捷逮爝长，久类辩零鹃嚣蔽塞移晶震要求越来越毫，露瘩酶污梁落潮容污染 程度也越来越大“”。我国是馓界上1 3 个缺水国家之一，淡水资源总嫩为2 8 1 0 8 m 3 ，人均占有水资源量为2 6 3 0 m ，仅为世界人均占有量的1 4 ，其中城市人均 生物修复技术在人工土快滤处理巾虑阉的研究 震交量蔽每冬8 淫i 0 鳝戆速发滋疆“。鼙藏我戮6 0 0 多瘫藏枣串，蠢4 0 0 多窿 城市缺水，其中缺水严重的城市达1 3 0 多个。我