孫 晨 遲 冉

（1 博天環(huán)境集團股份有限公司 北京 100000 2 上海水源地建設發(fā)展有限公司 上海 200000）

引言

研究調(diào)查顯示，在我國62 個重點湖泊水庫中，I類水質(zhì)為7 個，II 類水質(zhì)為11 個、III 類水質(zhì)的為20個、IV 類水質(zhì)為15 個、V 類水質(zhì)為4 個、劣V 類水質(zhì)為5 個。進一步結(jié)合我國湖泊水庫的生態(tài)營養(yǎng)狀態(tài)進行監(jiān)測顯示，貧營養(yǎng)的湖泊水庫10 個，占比達到16.4%，中營養(yǎng)的46 個占比為75.4%，輕度富營養(yǎng)化的有13 個占比21.3%，中度富營養(yǎng)化的有兩個占比3.2%。[1]這些數(shù)據(jù)都充分表明我國的水環(huán)境面臨著重大的污染，水體富營養(yǎng)化已經(jīng)成為了現(xiàn)階段水環(huán)境污染的重要問題。水體富營養(yǎng)化是指在湖泊水庫中的氮磷等相關營養(yǎng)元素過度富集，進而引起水體生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生生產(chǎn)力異常增高的現(xiàn)象，而湖泊水庫中的氮磷相關元素大多來自于農(nóng)田灌溉、居民生活用水以及工業(yè)廢水等多個方面。[2]在湖泊水庫出現(xiàn)富營養(yǎng)化狀態(tài)的情況下，會導致水體美學價值完全喪失，同時水生生物的穩(wěn)定性以及多樣性也會顯著的降低，而以水賴以生存的人類動物以及植物等相關疾病發(fā)病率也會顯著增高。在經(jīng)濟效益方面，水污染會造成水處理費用的增加，會造成產(chǎn)生經(jīng)濟價值的魚類、海鮮類等質(zhì)量與數(shù)量顯著降低。因此基于水污染現(xiàn)狀迫切需要進行水生態(tài)系統(tǒng)的修復與治理，現(xiàn)階段在進行水環(huán)境污染治理的過程中主要采用污染源控制、底泥處理、引流沖污、生態(tài)修復等多種方法。微生態(tài)濾床技術在水污染環(huán)境治理過程中的應用屬于生態(tài)修復工程，將基質(zhì)、植物、微生物三者作為復合生態(tài)系統(tǒng)，使其從物理、化學、生物等多方面發(fā)揮協(xié)同作用，通過過濾、吸附、沉淀、植物吸收、微生物分解進而達到對污染水質(zhì)的改善和凈化，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對水分以及營養(yǎng)物質(zhì)的生物地球化學循環(huán)，使水分在再次利用的過程中促進綠色植物的生長，以實現(xiàn)水環(huán)境中的廢水資源化和無害化。

我國是農(nóng)業(yè)大國，結(jié)合調(diào)查研究的數(shù)據(jù)顯示，在我國270 萬個自然村中，其農(nóng)業(yè)人口達到7.63 億，而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活工作開展的過程中其污水生產(chǎn)量高達高達（67.7-90.3）×108噸，90%的農(nóng)村地區(qū)直接將生產(chǎn)生活污水排放到受納水體中，每年污水處理率僅為9.98%，由此可見，在廣大農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境污染急需加以治理和改善。[3]近些年來國家在農(nóng)村地區(qū)大力投入的面源污染項目就是針對農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境污染進行治理的重要措施，本研究基于微生態(tài)濾床技術在水環(huán)境生態(tài)修復中的應用進行分析，選擇農(nóng)村面源污染項目為例探索微生態(tài)濾床水生態(tài)修復技術實踐應用效果。

1 微生態(tài)濾床技術概述

微生態(tài)濾床技術是運用植物、基質(zhì)、微生物作為復合生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮物理、化學、生物等多重作用共同實現(xiàn)對污水的過濾、吸附、沉淀、粒子交換、植物吸收以及微生物分解。進而能夠?qū)Ρ晃廴镜乃w進行高效凈化，而凈化后的水分以及水體中的營養(yǎng)物質(zhì)又可以被再次利用，通過對水資源的循環(huán)利用，既實現(xiàn)水資源的保護，實現(xiàn)廢水無害化，同時還能夠發(fā)揮廢水的作用實現(xiàn)廢水資源化和再利用，全面形成水資源循環(huán)體系。[4]借助于微生態(tài)濾床使得污水在流經(jīng)該系統(tǒng)的過程中可以通過微生物轉(zhuǎn)化、細菌分解、氧化、還原、吸收、揮發(fā)、蒸騰以及沉淀等多重作用實現(xiàn)對污染物的處理，達到對水環(huán)境系統(tǒng)進行修復的目的。

對于微生態(tài)濾床在具體構(gòu)成的過程中主要包括基質(zhì)層和濕地物質(zhì)兩大系統(tǒng)，通過這兩大系統(tǒng)在進行污水處理時，形成生態(tài)體系達到對水進行凈化的目的。在基質(zhì)層主要通過鋪設多層過濾物質(zhì)，在所鋪設的基質(zhì)層中按照不同的污染物成分分別設置相應的基質(zhì)成分、配比及厚度，使相應的基質(zhì)層能夠充分滿足所需要處理污水的基本特性，這主要基于不同的污水性質(zhì)在力學、孔隙率、滲透系數(shù)、水飽和度、顆粒間作用力等多方面都有不一樣的參數(shù)，只有基于這些參數(shù)進行科學的設置基質(zhì)層才能夠使相應的污水在經(jīng)過基質(zhì)層的過程中得到良好的處理效果。因此微生態(tài)濾床技術也是與環(huán)境工程、化學工程以及力學工程共同融合與應用的一門水污染處理技術。按照污水的基本特性所配置到基質(zhì)層不僅可以對污水中的固體物進行過濾，還可以對過濾后的污染物進行表面吸附和氧化作用，以此使相應的固體污染物轉(zhuǎn)變理化性質(zhì)和生物特性，達到對污染物進行性質(zhì)改變以及去除的目的。通常情況下我們在進行基質(zhì)層設置的過程中，主要分為好氧區(qū)、兼氧區(qū)、厭氧區(qū)，通過三個區(qū)的設置即使好氧微生物、厭氧微生物都能夠擁有良好的生長環(huán)境。[5]好氧微生物在開展工作的過程中所需的氧氣有42%是通過漫滲得到，46%是通過折滲得到，此外該部分區(qū)域的光合作用也能夠提供12%的氧氣，而對于該區(qū)域所設置的植物大多包括黃菖蒲、散葉花、美人椒、香蒲、再力花、蘆葦?shù)?，這些植物在經(jīng)過良好培育之后使其具有發(fā)達的根系已能夠適應較為惡劣的污水環(huán)境，然后結(jié)合基質(zhì)層的設置、結(jié)合污水性質(zhì)分別配備相應的植物以更好的實現(xiàn)對污水的凈化需求，通過基質(zhì)層聯(lián)合濕地植物的運用，既能夠?qū)崿F(xiàn)水環(huán)境治理系統(tǒng)的景觀美化要求，又能夠有效開展水環(huán)境治理。[6]

2 微生態(tài)濾床技術應用于水環(huán)境生態(tài)修復中的優(yōu)勢分析

2.1 微生態(tài)濾床生態(tài)修復技術成本低

在水環(huán)境生態(tài)修復的過程中采用微生態(tài)濾床技術，相比于其他生態(tài)修復技術所投入的成本較低。例如常見的循環(huán)過濾法在進行水環(huán)境修復的過程中都需要安裝大功率的水泵和過濾設備，這對于大面積的水環(huán)境污染治理項目而言，前期的投資成本較高，尤其是對于農(nóng)村面源污染項目而言在招商引資的過程中難度較大。而且大功率的水泵以及過濾設備在運行的過程中還要通過設置專人維護，在進行水體循環(huán)時其耗電量較高，會造成電能源的消耗都過大。[7]無論是電費成本還是對于所投入設備的維護成本以及人工管理成本，都是一筆不菲的費用。然而采用微生態(tài)濾床技術，在進行應用的過程中不需要投入機電設備，而所使用的生物填料機制大多屬于天然材質(zhì)，這些天然材質(zhì)一次性投入之后可長期運用，在使用的過程中不需要消耗資源同時也不需要投入維護成本。而對于微生態(tài)濾床技術只需要有日常的專業(yè)人員定期進行系統(tǒng)維護檢查，定時進行渠道和管理作物的清理，就可以保障該水環(huán)境治理系統(tǒng)的良好應用，因此相比于其他水污染治理技術成本更低。

2.2 水體凈化效果好

微生態(tài)濾床技術在應用的過程中借助于物理、化學及生物多重作用實現(xiàn)對水體的凈化能力，而且該系統(tǒng)的凈化原理是針對水體中的污染物進行降解，以達到對污染物進行去除的目的，尤其是對于污水中的磷氮等相關主要富營養(yǎng)物質(zhì)進行清除有良好的應用效果。研究表明對于微生態(tài)濾床技術進行污水處理后的水質(zhì)可以高于國家綜合排放標準，而處理之后的水可以再次循環(huán)應用，既可以作為景觀水，也可以作為綠化、廁所沖洗、街道沖洗以及生態(tài)農(nóng)業(yè)用水，能夠充分實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，而這些優(yōu)勢都是其他水污染處理系統(tǒng)無法達到的效果。[8]例如循環(huán)過濾法在進行污水處理時只能針對有機物和藻類等相關物質(zhì)具有良好的處理效果，而且在進行污水處理時需要加入化學藥劑，而這種化學藥劑又會造成水體的二次污染。再如曝氣法只能小范圍的改善水體黑臭相關現(xiàn)象，對于藻類的抑制以及水體中的富營養(yǎng)化物質(zhì)進行清理并無明顯的效果。

2.3 因地制宜，靈活應用

在進行水環(huán)境生態(tài)修復的過程中，在建設相關的水環(huán)境修復系統(tǒng)時需要充分考慮到污水所在區(qū)域的地理環(huán)境，是否有利于有效施工，是否有利于生態(tài)修復系統(tǒng)的建設。而微生態(tài)濾床水污染修復技術相比于其他修復系統(tǒng)在應用的過程中其靈活性更高，能夠因地制宜選擇相應的場地進行建設。[9]這主要是因為微生態(tài)濾床修復系統(tǒng)所占地面積較小，在進行水體凈化的過程中此外主要采用綠色植物，而且這種綠色植物容易成活，在全國各地區(qū)都能夠得到種植與應用。此外，該系統(tǒng)可結(jié)合污水量進行靈活設計，大到區(qū)域面源污染治理項目、小到家庭生活污水處理、或是城市園林濕地公園水系統(tǒng)循環(huán)，都可以采用微生態(tài)濾床修復技術進行水污染處理。

3 微生態(tài)濾床技術在水環(huán)境生態(tài)修復過程中的應用——以農(nóng)村面源污染項目為例

3.1 研究對象

為了更好的探索微生態(tài)濾床技術在水環(huán)境生態(tài)修復過程中的實際應用效果，本項研究選擇農(nóng)村面源污染項目為例，分析微生態(tài)濾床技術的應用價值。本項目所治理的農(nóng)村項目所在面積大約為27 平方公里，污水來源主要來自于該地區(qū)人口的生活用水、生態(tài)養(yǎng)殖用水、農(nóng)田灌溉用水以及自然雨水。近幾年來在國家政策的指導下，該地方政府進一步加強對農(nóng)村地區(qū)面源污染項目的建設，本農(nóng)村面源污染項目由2021 年1月開始建設，6 個月完成施工，并投入運用。

3.2 微生態(tài)濾床技術應用方法

結(jié)合農(nóng)村地區(qū)的污水組成結(jié)構(gòu)以及來源在進行微生態(tài)濾床技術應用的過程中，選擇處于全村海拔較低的位置，進行微生態(tài)濾床系統(tǒng)的建設。該位置也是全村污水流出匯入干流的聚集地，因此在該位置進行微生態(tài)濾床系統(tǒng)的建設有利于對全村污水進行處理。在進行微生態(tài)濾床系統(tǒng)設計時，主要分為三個系統(tǒng)，主要包括水收集系統(tǒng)、生態(tài)濾床系統(tǒng)以及自然水體系統(tǒng)。

在水收集系統(tǒng)主要是對該村在日常生產(chǎn)生活中所產(chǎn)生的污水以及自然雨水進行收集，通過管道進入到水收集系統(tǒng)中，在水收集系統(tǒng)中建設有四格式水處理池，通過四格式水處理池能夠針對污水中的大顆粒固體污染物以及SS 進行沉淀，完成污水的物理過濾。經(jīng)過過濾后的水經(jīng)水處理池的第四格進入到微生態(tài)濾床進行水體修復。在微生態(tài)濾床環(huán)節(jié)主要包括防滲層、基質(zhì)層、植物層、微生物組成，在防滲層主要采用土工布和微生物分泌物進行構(gòu)成，通過這種物質(zhì)的應用可有效防止污水滲漏對地表水造成污染。而基質(zhì)層屬于透水性的材質(zhì)，有天然的礫石材料構(gòu)成，該礫石材料是進行微生態(tài)濾床水處理的核心部分，既可以針對污水中的污染物進行吸附，同時也可以借助于基質(zhì)層的植物以及微生物對污水中的有機污染物進行降解、去除，同時植物層系統(tǒng)中的植物能夠為該系統(tǒng)提供良好的供氧和防寒保溫作用，有效維持該濾床污水處理的穩(wěn)定性。而經(jīng)過微生態(tài)濾床處理過的水再由濾床底部排水管排出，進入到清水池，經(jīng)清水池再進入到自然水體，可再次用于該地區(qū)的水資源運用。所設計的微生態(tài)濾床水處理系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 農(nóng)村面源污染項目水處理系統(tǒng)設計示意圖

3.3 微生態(tài)濾床技術在水環(huán)境污染治理過程中的應用效果

本項研究以農(nóng)村地區(qū)的面源污染項目為例，探索微生態(tài)濾床技術在水環(huán)境污染治理過程中的實際應用效果?；谒廴局卫淼南嚓P水質(zhì)標準，按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染排放標準》的一級B 標準，分別檢測該系統(tǒng)使用過程中進水水質(zhì)和出水水質(zhì)中的pH、SS、COD、BOD、NH3-N 以及TP，以作為水質(zhì)的主要觀察指標，研究該微生態(tài)濾床技術在水環(huán)境污染中的實際應用價值。

3.4 研究結(jié)果

通過對該面源污染項目應用微生態(tài)濾床技術進行水污染治理之后，從進水水質(zhì)和出水水質(zhì)分別進行相關水質(zhì)指標的檢測，結(jié)果顯示經(jīng)過微生態(tài)濾床技術的應用，處理后的水BOD 含量由處理前的80mg/L 降低到了20mg/L，去除率達到了64%，處理后污水中的COD 含量由處理前的150mg/L 降低到了60mg/L，去除率達到了68%。水中SS 含量由處理前的100mg/L 降低到了處理后的20mg/L，水體pH 值由處理前的7.71降低了處理后的7.57，水中的NH3-N 含量由處理前的25mg/L 降低到了處理后的8mg/L，去除率達到了53%，此外TP 含量由處理前的2mg/L 降低到了0.24mg/L，清除率達到了88%左右。通過對這些數(shù)據(jù)進行分析說明采用微生態(tài)濾床技術對該項目污水進行治理之后，水系統(tǒng)中的有機物、無機物及固體雜質(zhì)均得到了有效清除，展現(xiàn)出了良好的水系統(tǒng)治理效果。

3.5 微生態(tài)濾床技術應用效果分析

水pH 值主要反映水體的酸堿度，水體過酸化或者過堿化都會對水體生物、植物以及人類飲用造成嚴重的健康影響，而本項研究中通過運用微生態(tài)濾床技術使得處理后的水體pH 值為7.57，能夠有效符合植物和生物生長的基本酸堿度要求，處理后的水可再次應用于農(nóng)田灌溉，實現(xiàn)了污水的資源化應用。而水系統(tǒng)中的有機物主要包括COD、BOD 等相關物質(zhì)，在進行微生態(tài)濾床應用的過程中主要借助于截流池中的填料吸附和生物降解對該類有機物進行清除，因此以這兩項指標作為有機物清除效果的觀察，可體現(xiàn)出微生態(tài)濾床技術的應用效果。對于農(nóng)村用水而言，大多富含大量的氮、磷元素，這主要是在農(nóng)業(yè)灌溉的過程中大量使用含氮、磷肥料，導致水中的氮、磷元素含量增加。這種氮元素在水中以NH3-N 的形式存在，借助于微生態(tài)濾床技術中的的沼生、濕生植物，在進行水過濾的過程中為污水提供一個耗氧、兼氧、厭氧的反應，達到對多樣化有機污染物的脫氮作用。本項研究中經(jīng)過微生態(tài)濾床技術的應用，使得水體中的含氮元素物質(zhì)去除率達到54%，充分顯示出了微生態(tài)濾床技術應用過程中的微生物和植物在生物降解方面的作用。TP 主要是反應水中的磷元素含量，而通過微生態(tài)濾床技術的應用使得TP 的清除率達到了88%，結(jié)合相關研究顯示，這一清除效果將顯著高于立體彈性填料濾床以及陶粒濾床，分析其原因主要是通過微生態(tài)濾床中的填料進行污水過濾吸附，同時發(fā)揮微生物分解和植物光合反應等相關作用共同清除了水中的磷元素含量，相比于其他水生態(tài)修復技術在磷元素去除方面擁有更良好的效果。[10]

結(jié)語

微生態(tài)濾床技術作為水環(huán)境生態(tài)修復的一種方法，相比于其他的修復技術在應用的過程中成本低、水體凈化效果好以及因地制宜能靈活應用等多項優(yōu)勢，本文選擇農(nóng)村面源污染水系統(tǒng)修復項目為例，探索了微生態(tài)濾床技術的實際應用價值，實際效果顯示微生態(tài)濾床技術在多項水體污染物清除方面具有良好的應用效果，這為我們進行水環(huán)境的生態(tài)修復提供了理論指導與經(jīng)驗借鑒，在未來發(fā)展的過程中將針對微生態(tài)濾床技術進行深入研究與應用，使其更好的為環(huán)境凈化作出貢獻。