硝酸钙-微生物协同缓释颗粒原位修复污染底泥

李 宁，吴 琼，罗 欢，庞素艳，杨旭楠，张 淦

（1.珠江水利科学研究院 珠江河口治理与保护重点实验室，广东 广州 510611；
2.吉林建筑大学 市政与环境工程学院，吉林 长春 130119；
3.广东省科学院微生物研究所，广东 广州 510070）

城镇河流底泥是各类人为污染物汇集的重要场所，包含有机物、营养盐、硫化物和重金属等[1]。过量的还原性污染物会消耗底泥中的溶解氧（DO），降低氧化还原电位（ORP），形成厌氧环境。在这种环境条件下，硫酸盐还原菌将硫酸盐（SO42-）还原为硫化氢（H2S），产生臭味气体[2]。另外，从底泥中释放的过量营养盐（氮、磷）可损坏上覆水水质和破坏水生态[3]。因此，针对厌氧条件下黑臭底泥开发碳、氮、硫污染物同步去除技术成为水环境治理的重要研究方向。

硝酸钙是一种底泥原位修复中的常用氧化剂，能够作为高电势的电子受体并通过微生物反硝化作用降解有机污染物，比如链烷烃、多环芳烃和杂环化合物等[4-5]。但是，硝酸钙易溶于水，直接投加易随水流失，降低药剂使用效率并容易引起上覆水氮素超标[6]。生物强化措施（Bioaugmentation）通过将硝酸钙与异养反硝化、好氧反硝化细菌等联用，可缓解过量硝酸盐污染、提高底泥污染物的处理效率[7]。但是，此方法仍然存在泥-菌-药剂接触不充分、扩散速率快、作用时间短等问题。硝酸钙与功能细菌的固定化技术能够协同调控底泥微生态环境，加速对污染底泥的修复效率，防止药剂流失，是一项具有应用前景的底泥原位修复技术[8]。

针对上述问题，研究制备了一种基于“硝酸盐缓释-功能微生物固定化”的复合材料，可协同修复城镇黑臭河道底泥，考察不同硝酸钙、固化剂掺配比例的复合材料对底泥的修复效果，研究了缓释材料对实际黑臭底泥的治理效果，以期为黑臭底泥治理工程实践提供技术参考。

1.1 试剂与底泥

采用的底泥固化剂为聚乙烯醇（PVA）和海藻酸钠（SA），缓释材料包衣剂为聚乙烯吡咯烷酮K30，主要氧化成分为四水合硝酸钙（Ca(NO3)2·4H2O），反硝化细菌培养液包含硝酸钠和无水乙酸钠，上述药剂均购自国药集团化学试剂北京有限公司。

实验室批次实验所用底泥取自佛山市某黑臭河道表层0～30 cm，现场去除底泥中的树叶、石头等杂质后做均质化处理，通过野外低温采样箱运送至实验室4℃冰箱保存。经测定，底泥中的ORP为-198 mV，含水率为60%，酸可挥发性硫化氢（AVS）质量分数为865 mg/kg。

1.2 材料制备与试验方法

1.2.1 缓释功能材料制备

预培养接种底泥：采集清洁河道淤泥1 000 g于5 L塑料烧杯中，去除树叶、石块等杂质后分别加入1 L浓度为0.1 mol/L的硝酸钠溶液和1 L浓度为0.3 mol/L的乙酸钠溶液，充分搅拌混合物并调制成泥浆，在避光、常温条件下培养1周，富集得到反硝化功能底泥；
倒出上清液，底泥自然风干；
将风干后反硝化底泥充分研磨，过孔径为0.178 mm的孔筛网，获得预培养底泥；
用密封袋封存于4℃冰箱中，备用。

硝酸钙-PVA-SA溶液：首先，分别称取4份200 g Ca(NO3)2·4H2O于4个500 mL的烧杯中，加水至150 mL；
然后，向4个烧杯中分别加入1.8，2.7，3.6，4.5 g固化剂A（PVA），搅拌并加热至PVA溶解，得到硝酸钙-PVA溶液；
最后，分到加 入3.2，4.8，6.4，8.0 g固化剂B（SA），加热至沸腾，得到硝酸钙-PVASA溶液。

缓释功能材料：分别称取4份100 g预培养底泥，分别与上述4种硝酸钙-PVA-SA溶液混合，即m（CaNO3）2·4H2O）∶m（A+B）分别为20∶0.5；
20∶0.75；
20∶1；
20∶1.25，揉制后采用制粒机（鼎历，ZW-18，浙江温州）分割成直径为10±2 mm的球形粗颗粒；
以5%的聚乙烯吡咯烷酮K30溶液作包衣剂，在旋转包衣机（鑫星机械，BY30，河南郑州）为粗颗粒作表面密封处理，制得硝酸钙-微生物协同缓释颗粒，分别编号为材料A～D。

硝酸盐释放率测试：分别称取10 g上述编号为的A～D功能材料于500 mL烧杯，加入去离子水至500 mL，定期测试上覆水中NO3--N浓度变化，考察缓释材料的基本特性。同时，称取等量成分的Ca（NO3）2·4H2O作为试验对照组。

1.2.2 底泥修复批次试验

分别取15 L均质后的湿底泥置于6个35 L的特制透明塑料反应柱内，分别标记为P0～P5。P0为底泥不做任何处理的空白对照组，P1为只投加Ca（NO3）2·4H2O的对照组，在P2～P5中，各取375 g缓释材料A～D分别投放于反应柱内底泥上部，用虹吸法注入清水，补充体积至30 L，即V泥∶V水=1∶1。取样时间依次为试验开始后第1，2，4，6，10，14，18，24和30天，每次采样后用清水补充因采样和蒸发导致的损失水量。采集后分别对底泥的AVS含量和上覆水的NH4+-N，TN，COD浓度进行测定，并观察底泥氧化层厚度，评价不同缓释材料对底泥的处理效果。

1.3 原位修复试验方法

现场试验河段选于佛山市某黑臭河段，河段全长700 m，水域面积6 500 m2，在现场试验河涌的上、中、下游分别选取长度50 m，宽度4～6 m的样方开展原位治理实验，试验段分别编号为S1，S2和S3，底泥主要污染物指标见表1。试验期间，分别对底泥和上覆水的ORP，pH值，NH4+-N，NO3--N和底泥中AVS浓度进行测定。

表1 现场试验污染底泥及上覆水物理、化学指标

药剂投加量计算：缓释材料的使用量与底泥中AVS和总有机碳（TOC）浓度有关，根据两者的电子还原当量，计算缓释材料的理论使用量，计算过程见公式（1）：

式中：C缓释材料为缓释材料理论使用量，g/t；
MAVS为去除AVS所需的材料使用量，g/t；
MTOC为去除TOC所需的材料使用量，g/t；
MRES是为保证使用效果的安全使用量，g/t；
CAVS为底泥中AVS含量，g/t；
CTOC为底泥中TOC含量，g/t；
R为TOC去除率，%。

根据现场试验段底泥污染指标和设计处理深度（表层下20 cm），计算得出缓释材料理论使用量为5.0 kg/m2，据此，在现场河涌底泥施用缓释材料，开展原位修复试验研究。

1.4 测试方法

底泥中AVS测定采用对氨基二甲基苯胺分光光度法；
ORP及pH值测定采用便携式多参数水质分析仪（HACH，HQ1110，美国）；
上覆水中TP测定采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法；
COD测定采用连华水质快速检测仪（连华科技，5B-3F，北京）；
NH4+-N和NO3--N测定分别采用纳氏试剂法和紫外分光光度法。样品各指标重复测定3次，结果取平均值。数据分析采用Origin 9.0软件。

2.1 缓释材料的基本特性

为考察缓释材料对NO3--N的释放规律，对空白组和实验组NO3--N浓度进行了连续18 d的观测，结果见图1。由图1可知，4种缓释材料均表现为前期NO3--N释放率上升较快，而后期速率呈现平稳的特征。对比4种缓释材料，固化剂含量较低材料的NO3--N释放速率大于固化剂含量较高的，即编号A～D材料对NO3--N释放率大小依次为：A＞B＞C＞D，这是高浓度固化剂导致固化强度增高的结果。第18天时，4种缓释材料对NO3--N的释放率分别为81%，72%，65%和56%。另外，由于未添加固定剂，对照组在第1天对NO3--N的释放率达到95%，并保持较高浓度。因此，以PVA和SA作为固化剂，能够有效控制NO3--N释放，达到缓释的目的。

图1 不同缓释颗粒材料的NO3--N释放率

2.2 缓释材料批次实验效果

2.2.1 缓释材料对上覆水的影响

在静置水的批次实验条件下，缓释材料对上覆水水质的影响见图2。

图2 修复期上覆水中NH4+-N，TN和COD浓度的变化

由图2（a）可知，试验期间内NH4+-N均呈现前期上升，后期持续下降的趋势。P0组未添加任何外源药剂，在第0～10天NH4+-N质量浓度由3.3 mg/L增至6.8 mg/L，这是由于底泥中NH4+-N通过浓度扩散转移至上覆水中；
第10～30天，由于硝化作用存在，NH4+-N质量浓度逐渐下降至5.3 mg/L。由于大量Ca（NO3）2·4H2O投入到底泥中，促进了底泥有机质分解和NH4+-N释放，P1组在第4天NH4+-N质量浓度快速上升至11.2 mg/L，随后持续下降至第30天的10.1 mg/L。P2～P5组在第6天NH4+-N质量浓度均上升至最大值，分别为9.5，8.9，8.1，7.3 mg/L。可见，随着固化剂含量增加，缓释材料导致上覆水NH4+-N浓度连续下降，缓释材料有助于减缓底泥对上覆水NH4+-N的释放。另外，第30天时，相比于P0组，材料A～D对NH4+-N的去除率分别提高28.3%，33.9%，41.5%和47.1%，促进上覆水NH4+-N降解。与直接投加Ca（NO3）2·4H2O的P1组对比，P2～P5组上覆水NH4+-N浓度分别降低62.3%，65.3%，69.3%和72.3%。由图2（b）可知，由于Ca（NO3）2·4H2O的快速溶解，P1组TN质量浓度在第1天急剧增加至61.0 mg/L，随后第30天时，质量浓度下降至57 mg/L，直接投加Ca（NO3）2·4H2O会导致上覆水产生严重的二次污染。4种缓释材料投加明显降低了上覆水中TN含量，随着固化剂含量增加，第10天，4组TN质量浓度最大值依次降低，分别为45.1，39.5，33.2，29.2 mg/L。试验结束时，上覆水TN浓度从大到小依次为：P1＞P2＞P3＞P4＞P5＞P0，相比P1组，P2～P5组TN浓度分别下降了40.3%，47.4%，54.4%，63.2%。缓释材料投加解决了直接投加Ca（NO3）2·4H2O导致上覆水TN过高的问题。由图2（c）可知，缓释材料对上覆水COD的影响及浓度变化规律与NH4+-N相似。第6天，P1～P5组COD质量浓度均达到最大值，分别为96.5，83.2，78.1，75.6，71.3 mg/L。相比于各组最大值，第30天结束时，COD去除率分别为10.9%，37.5%，37.2%，37.8%，38.3%。与直接投加Ca（NO3）2·4H2O的P1组相比，第30天，P2～P5组上覆水COD浓度分别下降39.5%，43.0%，45.3%，48.8%，有效缓解了直接投加药剂导致底泥COD释放过快的问题。赵振[9]认为，就地注射Ca（NO3）2可有效抑制底泥中NH4+-N，TN和COD向上覆水释放，是控制内源污染和防治水体营养盐释放的有效方法。

2.2.2 缓释材料对底泥的影响

缓释材料对底泥AVS浓度变化及去除率的影响见图3。由图3可知，整个试验期内，P0组AVS浓度未发生明显下降。但P1～P5组AVS的去除率分别达到62.3%，78.6%，84.0%，91.1%和72.6%，这说明Ca（NO3）2·4H2O能够有效去除污染底泥中的AVS。投加缓释材料比单纯投加Ca（NO3）2·4H2O更能提升AVS去除率，一方面，缓释特性使氧化剂持续作用时间更长；
另一方面，反硝化微生物协同作用提高了NO3--N的利用率，强化了对还原性AVS的转化率。另外，前期（第0～10天）AVS浓度下降速率依次为：P2＞P3＞P4＞P5，这可能与NO3--N缓释速率有关，NO3--N释放率越高，AVS去除速率越快。但是，在试验结束时，P4组AVS去除率大于P2，P3组，其原因可能是长效NO3--N释放导致编号C材料中Ca（NO3）2·4H2O作用时间与反硝化微生物的协同作用达到最大化。P4组AVS去除率大于P5组，原因可能是过多的固化剂减弱了Ca（NO3）2·4H2O释放，阻碍了微生物对NO3--N的利用率。因此，材料C中Ca（NO3）2·4H2O与固化剂的最优质量比为20∶1，可以达到最高AVS去除率。通过缓释颗粒治理，底泥外观由深黑色转化为黄褐色，有效范围扩散至表层底泥下10±2 cm。

图3 修复期底泥中AVS质量分数及去除率变化

硝酸钙缓释颗粒技术以微生物反硝化代谢理论为依据，在硫自养反硝化细菌的作用下，以NO3-为电子受体，促进了底泥中S2-，HS-氧化为SO42-（公式2～3）或S0（公式4）。另外，反硝化过程产生的NO2-可以与NH4+通过厌氧氨氧化生成N2，实现底泥中氮与硫元素的同步去除（公式5）[10-11]。在枯草（Vallisneria natans）为主的底泥修复生态系统中，额外添加的NO3-显著增加了硝酸盐还原-硫氧化细菌（NR-SOB）的丰度，从而抑制了黑臭底泥中H2S和S2-的释放[12]。另外，Ca2+与SO42-反应生成难溶解性的CaSO4，降低了S元素的生物可利用性，从而降低了处理后底泥返黑返臭风险。

通过添加缓释材料后，底泥ORP在试验期内均明显上升，第30天时，P0～P5的ORP分别为-203.1，-116.5，-78.2，-65.3，-45.5和-73.3 mV。对比P0组，P1～P5ORP升幅分别为42.6%，61.5%，67.8%，77.6%，63.9%，说明投加缓释材料后底泥ORP得到显著提升。XIA D等[13]证明ORP的增加有助于改变底泥中的缺氧还原环境和促进化能好氧细菌的增殖。硝酸钙-微生物协同颗粒能够改变底泥微生物群落功能菌群结构，为好氧细菌生长提供适宜条件。

2.3 缓释材料的治理效果

2.3.1 缓释材料对上覆水的影响

现场示范研究中治理前、后（第1天和第30天）河涌上覆水水质对比结果见图4。由图4可知，在未投加缓释材料的空白对照河段，上覆水NH4+-N去除率仅为23.2%，而治理河段上、中、下游S1，S2和S3位点的NH4+-N去除率分别达到69.2%，79.1%和70.0%。分析原因，一方面，缓释颗粒本身作为微生物菌剂来源，有助于硝化细菌丰度增加；
另一方面，底泥中耗氧有机物、AVS的减少和ORP的增加，有助于好氧细菌生长和活性提高。同时，观察到TN去除率由对照组的9.1%分别上升至S1，S2，S3位点的32.3%，47.8%和40.6%，第30天S1～S3位点上覆水TN质量浓度分别为21.1，18.2和19.6 mg/L。LI L等[14]直接利用2倍投加量（相对于硫自养反硝化理论投加量）的粉末状Ca(NO3)2处理河道黑臭底泥，导致上覆水NO3--N与NO2--N质量浓度分别增加了168.1，26.9 mg/L，相比之下，本研究在1个月处理期内试验段并未发生上覆水TN增加问题，证明缓释颗粒可以有效控制TN浓度过高。与治理前相比，试验段上覆水颜色已经明显由灰黑色转边为淡绿色，外观改善效果明显。

图4 修复前、后上覆水中NH4+-N，TN浓度

2.3.2 缓释材料对底泥的影响

对现场河段底泥中的AVS浓度进行分析与比较，结果见图5。由图5可知，空白对照河段底泥治理前、后AVS质量分数分别为846，813 mg/kg，AVS去除率仅为3.9%。试验段S1，S2和S3点位治理后AVS分别为90，110，135 mg/kg，AVS质量分数去除率分别为89.0%，87.1%和83.8%。处理后第21天，底泥颜色已经由墨黑色转变为黄褐色，臭味基本消除。袁芳建等[15]考察了“硝酸钙-活性炭-沸石”技术对黑臭底泥的修复效果，25 d后AVS去除率最高达到86.6%，认为该联用技术可显著抑制底泥污染物释放。因此，在工程应用中硝酸钙缓释颗粒可以实现底泥AVS高效去除。

图5 修复前、后底泥中AVS浓度

2.4 “先泥后水”模式

健康河流应该具备生态结构完整、生态过程有序和生态功能稳定等基本特征。但是，在我国前期河湖治理阶段中，普遍存在“重水体、轻底泥”、“重水质、轻生态”等系统问题，导致黑臭水体“久治不清”，水质反弹。河湖水体和底泥是有机整体，要维持优良的河湖水质首先必须解决底泥的内源污染问题，要恢复河湖生态也应以底泥修复为前提。只有解决好“盆”和“水”的关系才是根本解决水体黑臭问题的关键。课题组总结了近年城市河湖治理的经验，以“泥-水”系统的基本属性和作用机制为理论依据，基于整体观和系统观，提出“先泥后水”的治理模式，流程示意见图6。

图6 污染底泥C，N，S元素转化机制

先“泥”：利用硝酸钙-微生物协同缓释颗粒快速氧化还原性有机物和低价态硫、消除底泥黑臭，改善底泥外观，提升氧化还原电位。这一过程为后续水生态修复抢占时间，为好氧微生物生长提供了必备的好氧生境条件，为水生植物营造良好生境。

后“水”：通过前期治理，“新生”泥-水界面相对洁净，通过好氧条件下有机物降解、氨氧化等功能菌群的代谢作用，表层底泥污染物持续降解与转化，上覆水中N，P污染物不断汇入底泥，带动水质持续改善，引导重构“泥-水”微生物健康生态。

由此可见，“先泥后水”是一种“泥驱动水”的“泥水共治”水生态修复模式，在该模式下开发“硝酸钙-微生物协同缓释颗粒”能够在厌氧条件下实现底泥碳、氮硫污染物的同步去除[16-17]，克服了传统“曝气”技术仅能氧化表层底泥、处理深度小的弊端（DO仅能下渗0.5 cm左右）。缓释颗粒具备的优势：①生物入侵风险低，菌种来源于土著微生物；
②处理深度灵活，可根据需求决定埋深；
③返黑返臭风险低，从根本上削减了碳氮硫污染物存量。“先泥后水”模式可实现底泥由污染“源”向“汇”的转变，是一种科学、合理、可持续的底泥治理模式，而“基于硝酸钙-微生物协同缓释颗粒的厌氧底泥碳氮硫同步去除技术”作为“先泥后水”新修复模式中的核心技术，在城市黑臭河道治理和水生态修复领域具备重要应用前景。

（1）基于硝酸钙-微生物协同作用的缓释颗粒材料能够有效避免NO3--N的过度释放，防止上覆水NH4+-N，TN和COD浓度升高带来的二次污染。

（2）制备的缓释颗粒材料能够有效去除底泥中的AVS，缓释材料中硝酸钙与固化剂的最佳质量比为20∶1，第30天时最高AVS去除率可以达到91.1%，黑臭底泥治理有效深度为10±2 cm。

（3）缓释颗粒材料在实际黑臭河涌治理中得以成功应用，现场试验证明河涌上覆水TN去除率为32.3%～47.8%，底泥AVS去除率为83.8%～89.0%。

（4）基于“先泥后水”新模式开发的“硝酸钙-微生物协同缓释颗粒同步去除底泥碳氮硫技术”对削减底泥耗氧物质，重构后续底泥好氧微生态和持续提升上覆水水质具有重用作用，缓释材料满足厌氧条件下原位底泥修复要求，对城镇河道黑臭底泥治理具有重要工程应用前景。