基于微生态滤床的水环境生态修复技术研究

孙 晨 迟 冉

（1 博天环境集团股份有限公司 北京 100000 2 上海水源地建设发展有限公司 上海 200000）

引言

研究调查显示，在我国62 个重点湖泊水库中，I类水质为7 个，II 类水质为11 个、III 类水质的为20个、IV 类水质为15 个、V 类水质为4 个、劣V 类水质为5 个。进一步结合我国湖泊水库的生态营养状态进行监测显示，贫营养的湖泊水库10 个，占比达到16.4%，中营养的46 个占比为75.4%，轻度富营养化的有13 个占比21.3%，中度富营养化的有两个占比3.2%。[1]这些数据都充分表明我国的水环境面临着重大的污染，水体富营养化已经成为了现阶段水环境污染的重要问题。水体富营养化是指在湖泊水库中的氮磷等相关营养元素过度富集，进而引起水体生态系统发生生产力异常增高的现象，而湖泊水库中的氮磷相关元素大多来自于农田灌溉、居民生活用水以及工业废水等多个方面。[2]在湖泊水库出现富营养化状态的情况下，会导致水体美学价值完全丧失，同时水生生物的稳定性以及多样性也会显著的降低，而以水赖以生存的人类动物以及植物等相关疾病发病率也会显著增高。在经济效益方面，水污染会造成水处理费用的增加，会造成产生经济价值的鱼类、海鲜类等质量与数量显著降低。因此基于水污染现状迫切需要进行水生态系统的修复与治理，现阶段在进行水环境污染治理的过程中主要采用污染源控制、底泥处理、引流冲污、生态修复等多种方法。微生态滤床技术在水污染环境治理过程中的应用属于生态修复工程，将基质、植物、微生物三者作为复合生态系统，使其从物理、化学、生物等多方面发挥协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、植物吸收、微生物分解进而达到对污染水质的改善和净化，同时能够实现对水分以及营养物质的生物地球化学循环，使水分在再次利用的过程中促进绿色植物的生长，以实现水环境中的废水资源化和无害化。

我国是农业大国，结合调查研究的数据显示，在我国270 万个自然村中，其农业人口达到7.63 亿，而在农业生产生活工作开展的过程中其污水生产量高达高达（67.7-90.3）×108吨，90%的农村地区直接将生产生活污水排放到受纳水体中，每年污水处理率仅为9.98%，由此可见，在广大农村地区水环境污染急需加以治理和改善。[3]近些年来国家在农村地区大力投入的面源污染项目就是针对农村地区水环境污染进行治理的重要措施，本研究基于微生态滤床技术在水环境生态修复中的应用进行分析，选择农村面源污染项目为例探索微生态滤床水生态修复技术实践应用效果。

1 微生态滤床技术概述

微生态滤床技术是运用植物、基质、微生物作为复合生态系统发挥物理、化学、生物等多重作用共同实现对污水的过滤、吸附、沉淀、粒子交换、植物吸收以及微生物分解。进而能够对被污染的水体进行高效净化，而净化后的水分以及水体中的营养物质又可以被再次利用，通过对水资源的循环利用，既实现水资源的保护，实现废水无害化，同时还能够发挥废水的作用实现废水资源化和再利用，全面形成水资源循环体系。[4]借助于微生态滤床使得污水在流经该系统的过程中可以通过微生物转化、细菌分解、氧化、还原、吸收、挥发、蒸腾以及沉淀等多重作用实现对污染物的处理，达到对水环境系统进行修复的目的。

对于微生态滤床在具体构成的过程中主要包括基质层和湿地物质两大系统，通过这两大系统在进行污水处理时，形成生态体系达到对水进行净化的目的。在基质层主要通过铺设多层过滤物质，在所铺设的基质层中按照不同的污染物成分分别设置相应的基质成分、配比及厚度，使相应的基质层能够充分满足所需要处理污水的基本特性，这主要基于不同的污水性质在力学、孔隙率、渗透系数、水饱和度、颗粒间作用力等多方面都有不一样的参数，只有基于这些参数进行科学的设置基质层才能够使相应的污水在经过基质层的过程中得到良好的处理效果。因此微生态滤床技术也是与环境工程、化学工程以及力学工程共同融合与应用的一门水污染处理技术。按照污水的基本特性所配置到基质层不仅可以对污水中的固体物进行过滤，还可以对过滤后的污染物进行表面吸附和氧化作用，以此使相应的固体污染物转变理化性质和生物特性，达到对污染物进行性质改变以及去除的目的。通常情况下我们在进行基质层设置的过程中，主要分为好氧区、兼氧区、厌氧区，通过三个区的设置即使好氧微生物、厌氧微生物都能够拥有良好的生长环境。[5]好氧微生物在开展工作的过程中所需的氧气有42%是通过漫渗得到，46%是通过折渗得到，此外该部分区域的光合作用也能够提供12%的氧气，而对于该区域所设置的植物大多包括黄菖蒲、散叶花、美人椒、香蒲、再力花、芦苇等，这些植物在经过良好培育之后使其具有发达的根系已能够适应较为恶劣的污水环境，然后结合基质层的设置、结合污水性质分别配备相应的植物以更好的实现对污水的净化需求，通过基质层联合湿地植物的运用，既能够实现水环境治理系统的景观美化要求，又能够有效开展水环境治理。[6]

2 微生态滤床技术应用于水环境生态修复中的优势分析

2.1 微生态滤床生态修复技术成本低

在水环境生态修复的过程中采用微生态滤床技术，相比于其他生态修复技术所投入的成本较低。例如常见的循环过滤法在进行水环境修复的过程中都需要安装大功率的水泵和过滤设备，这对于大面积的水环境污染治理项目而言，前期的投资成本较高，尤其是对于农村面源污染项目而言在招商引资的过程中难度较大。而且大功率的水泵以及过滤设备在运行的过程中还要通过设置专人维护，在进行水体循环时其耗电量较高，会造成电能源的消耗都过大。[7]无论是电费成本还是对于所投入设备的维护成本以及人工管理成本，都是一笔不菲的费用。然而采用微生态滤床技术，在进行应用的过程中不需要投入机电设备，而所使用的生物填料机制大多属于天然材质，这些天然材质一次性投入之后可长期运用，在使用的过程中不需要消耗资源同时也不需要投入维护成本。而对于微生态滤床技术只需要有日常的专业人员定期进行系统维护检查，定时进行渠道和管理作物的清理，就可以保障该水环境治理系统的良好应用，因此相比于其他水污染治理技术成本更低。

2.2 水体净化效果好

微生态滤床技术在应用的过程中借助于物理、化学及生物多重作用实现对水体的净化能力，而且该系统的净化原理是针对水体中的污染物进行降解，以达到对污染物进行去除的目的，尤其是对于污水中的磷氮等相关主要富营养物质进行清除有良好的应用效果。研究表明对于微生态滤床技术进行污水处理后的水质可以高于国家综合排放标准，而处理之后的水可以再次循环应用，既可以作为景观水，也可以作为绿化、厕所冲洗、街道冲洗以及生态农业用水，能够充分实现水资源的循环利用，而这些优势都是其他水污染处理系统无法达到的效果。[8]例如循环过滤法在进行污水处理时只能针对有机物和藻类等相关物质具有良好的处理效果，而且在进行污水处理时需要加入化学药剂，而这种化学药剂又会造成水体的二次污染。再如曝气法只能小范围的改善水体黑臭相关现象，对于藻类的抑制以及水体中的富营养化物质进行清理并无明显的效果。

2.3 因地制宜，灵活应用

在进行水环境生态修复的过程中，在建设相关的水环境修复系统时需要充分考虑到污水所在区域的地理环境，是否有利于有效施工，是否有利于生态修复系统的建设。而微生态滤床水污染修复技术相比于其他修复系统在应用的过程中其灵活性更高，能够因地制宜选择相应的场地进行建设。[9]这主要是因为微生态滤床修复系统所占地面积较小，在进行水体净化的过程中此外主要采用绿色植物，而且这种绿色植物容易成活，在全国各地区都能够得到种植与应用。此外，该系统可结合污水量进行灵活设计，大到区域面源污染治理项目、小到家庭生活污水处理、或是城市园林湿地公园水系统循环，都可以采用微生态滤床修复技术进行水污染处理。

3 微生态滤床技术在水环境生态修复过程中的应用——以农村面源污染项目为例

3.1 研究对象

为了更好的探索微生态滤床技术在水环境生态修复过程中的实际应用效果，本项研究选择农村面源污染项目为例，分析微生态滤床技术的应用价值。本项目所治理的农村项目所在面积大约为27 平方公里，污水来源主要来自于该地区人口的生活用水、生态养殖用水、农田灌溉用水以及自然雨水。近几年来在国家政策的指导下，该地方政府进一步加强对农村地区面源污染项目的建设，本农村面源污染项目由2021 年1月开始建设，6 个月完成施工，并投入运用。

3.2 微生态滤床技术应用方法

结合农村地区的污水组成结构以及来源在进行微生态滤床技术应用的过程中，选择处于全村海拔较低的位置，进行微生态滤床系统的建设。该位置也是全村污水流出汇入干流的聚集地，因此在该位置进行微生态滤床系统的建设有利于对全村污水进行处理。在进行微生态滤床系统设计时，主要分为三个系统，主要包括水收集系统、生态滤床系统以及自然水体系统。

在水收集系统主要是对该村在日常生产生活中所产生的污水以及自然雨水进行收集，通过管道进入到水收集系统中，在水收集系统中建设有四格式水处理池，通过四格式水处理池能够针对污水中的大颗粒固体污染物以及SS 进行沉淀，完成污水的物理过滤。经过过滤后的水经水处理池的第四格进入到微生态滤床进行水体修复。在微生态滤床环节主要包括防渗层、基质层、植物层、微生物组成，在防渗层主要采用土工布和微生物分泌物进行构成，通过这种物质的应用可有效防止污水渗漏对地表水造成污染。而基质层属于透水性的材质，有天然的砾石材料构成，该砾石材料是进行微生态滤床水处理的核心部分，既可以针对污水中的污染物进行吸附，同时也可以借助于基质层的植物以及微生物对污水中的有机污染物进行降解、去除，同时植物层系统中的植物能够为该系统提供良好的供氧和防寒保温作用，有效维持该滤床污水处理的稳定性。而经过微生态滤床处理过的水再由滤床底部排水管排出，进入到清水池，经清水池再进入到自然水体，可再次用于该地区的水资源运用。所设计的微生态滤床水处理系统如图1 所示。

图1 农村面源污染项目水处理系统设计示意图

3.3 微生态滤床技术在水环境污染治理过程中的应用效果

本项研究以农村地区的面源污染项目为例，探索微生态滤床技术在水环境污染治理过程中的实际应用效果。基于水污染治理的相关水质标准，按照《城镇污水处理厂污染排放标准》的一级B 标准，分别检测该系统使用过程中进水水质和出水水质中的pH、SS、COD、BOD、NH3-N 以及TP，以作为水质的主要观察指标，研究该微生态滤床技术在水环境污染中的实际应用价值。

3.4 研究结果

通过对该面源污染项目应用微生态滤床技术进行水污染治理之后，从进水水质和出水水质分别进行相关水质指标的检测，结果显示经过微生态滤床技术的应用，处理后的水BOD 含量由处理前的80mg/L 降低到了20mg/L，去除率达到了64%，处理后污水中的COD 含量由处理前的150mg/L 降低到了60mg/L，去除率达到了68%。水中SS 含量由处理前的100mg/L 降低到了处理后的20mg/L，水体pH 值由处理前的7.71降低了处理后的7.57，水中的NH3-N 含量由处理前的25mg/L 降低到了处理后的8mg/L，去除率达到了53%，此外TP 含量由处理前的2mg/L 降低到了0.24mg/L，清除率达到了88%左右。通过对这些数据进行分析说明采用微生态滤床技术对该项目污水进行治理之后，水系统中的有机物、无机物及固体杂质均得到了有效清除，展现出了良好的水系统治理效果。

3.5 微生态滤床技术应用效果分析

水pH 值主要反映水体的酸碱度，水体过酸化或者过碱化都会对水体生物、植物以及人类饮用造成严重的健康影响，而本项研究中通过运用微生态滤床技术使得处理后的水体pH 值为7.57，能够有效符合植物和生物生长的基本酸碱度要求，处理后的水可再次应用于农田灌溉，实现了污水的资源化应用。而水系统中的有机物主要包括COD、BOD 等相关物质，在进行微生态滤床应用的过程中主要借助于截流池中的填料吸附和生物降解对该类有机物进行清除，因此以这两项指标作为有机物清除效果的观察，可体现出微生态滤床技术的应用效果。对于农村用水而言，大多富含大量的氮、磷元素，这主要是在农业灌溉的过程中大量使用含氮、磷肥料，导致水中的氮、磷元素含量增加。这种氮元素在水中以NH3-N 的形式存在，借助于微生态滤床技术中的的沼生、湿生植物，在进行水过滤的过程中为污水提供一个耗氧、兼氧、厌氧的反应，达到对多样化有机污染物的脱氮作用。本项研究中经过微生态滤床技术的应用，使得水体中的含氮元素物质去除率达到54%，充分显示出了微生态滤床技术应用过程中的微生物和植物在生物降解方面的作用。TP 主要是反应水中的磷元素含量，而通过微生态滤床技术的应用使得TP 的清除率达到了88%，结合相关研究显示，这一清除效果将显著高于立体弹性填料滤床以及陶粒滤床，分析其原因主要是通过微生态滤床中的填料进行污水过滤吸附，同时发挥微生物分解和植物光合反应等相关作用共同清除了水中的磷元素含量，相比于其他水生态修复技术在磷元素去除方面拥有更良好的效果。[10]

结语

微生态滤床技术作为水环境生态修复的一种方法，相比于其他的修复技术在应用的过程中成本低、水体净化效果好以及因地制宜能灵活应用等多项优势，本文选择农村面源污染水系统修复项目为例，探索了微生态滤床技术的实际应用价值，实际效果显示微生态滤床技术在多项水体污染物清除方面具有良好的应用效果，这为我们进行水环境的生态修复提供了理论指导与经验借鉴，在未来发展的过程中将针对微生态滤床技术进行深入研究与应用，使其更好的为环境净化作出贡献。