缓释氧气与固定化复合微生物在黑臭水体修复中的协同效应

《Environmental Research》：Synergistic effects of controlled-release oxygen and immobilized composite microorganisms on black-odor water remediation

　　**摘要**- SA涂层缓释CaO?释氧，减缓pH快速升高。- FeCl?改性沸石保留了复合微生物。- 联合处理去除了97.94%的NH??-N和94.62%的TN。- 15°C下氮、硫去除仍保持有效。**引言**当前，水环境安全已成为全球可持续发展的严峻挑战（Du et al., 2024）。统计表明，全球约30-40%的水体面临淡水生态系统退化和污染问题，严重制约了水资源的安全利用（Mao et al., 2024）。黑臭水体是城市地表水退化的常见形式，由污染物过量输入和耗氧引起（Li et al., 2025）。过量有机物的输入刺激微生物好氧分解，迅速消耗溶解氧，促使水体向缺氧或无氧状态发展（Zhu et al., 2017）。在此条件下，铵氮、硫化物等还原性物质在沉积物中积累，并持续释放至上覆水体，最终导致黑臭状况的形成（Tammeorg et al., 2024）。这损害了水生生态系统功能，恶化周边环境，且在缺氧和沉积物污染未能得到有效控制时，短期改善后可能复发（Cao et al., 2020; Yu et al., 2022; Zhang et al., 2021）。因此，修复策略不仅要快速改善水质，还要维持适宜的氧气条件并限制内部污染物的释放。与黑臭水体修复相关的传统技术大致可分为物理、化学和生物方法。物理方法如沉积物疏浚和曝气，可快速去除受污染沉积物或改善溶解氧条件，但往往成本高、依赖能源，且可能扰动沉积物-水界面（Wang et al., 2023a; Yan and Li, 2023）。化学方法包括钝化材料、吸附剂和释氧剂，可固定污染物或提高氧的可利用性，但其效果受材料特性和投加量影响较大（Wang et al., 2023d; Zhou et al., 2023）。生物方法如微生物接种和水下植被修复，能以较低的生态扰动促进污染物转化，但其效果对温度、水力条件、氧可获得性以及功能微生物的建立较为敏感（Chettri et al., 2024; Wang et al., 2023b）。在本研究相关技术中，传统曝气可快速提高溶解氧，但需要持续能源输入，并可能引起沉积物再悬浮（Ali et al., 2023）。游离微生物制剂易于施用，但在不利环境条件下易流失和活性丧失（Mehrotra et al., 2021）。过氧化钙（CaO?）是最常用的释氧材料之一，可有效提高溶解氧水平并缓解无氧状况，但其与水反应迅速，可能导致pH急剧升高，且难以实现持续释氧（Liu et al., 2026b）。改性矿物材料可吸附污染物并为微生物提供附着位点，但单独使用时其污染物去除能力有限（Jiang et al., 2024）。这些单一修复技术各有优势和局限性，其功能部分互补。因此，近年来越来越多的研究将不同修复方法相结合，以克服单一技术的局限，提高黑臭水体处理的修复效率和运行稳定性（Zhang et al., 2026b）。当前黑臭水体协同修复策略主要包括沉积物疏浚与沉水植物修复结合、曝气与生物膜耦合、人工湿地等。疏浚后结合沉水植物修复可去除富含营养盐的表层沉积物并支持生态恢复，但成本高，可能扰动底栖生境，并造成短期污染物再悬浮（Lofrano et al., 2016; Zhang et al., 2014）。曝气与生物膜结合可快速改善氧条件并增加附着微生物生物量，但其稳定性取决于持续能源供应、温度和水力条件，同时曝气可能扰动沉积物（Ali et al., 2023）。人工湿地集成了基质吸附、植物吸收和微生物降解，提供多种去除途径，但需要空间，可能堵塞，且在启动期或污染物负荷波动时性能可能不稳定（Wang et al., 2019e）。这些研究表明，联合修复可拓宽污染物去除途径，但运行稳定性和处理单元间的兼容性仍是重要制约因素。释氧材料辅助微生物修复已发展成为连续机械曝气的替代方案。早期研究将CaO?作为原位氧源，以刺激饱和土壤和地下水中的好氧生物降解（Cassidy and Irvine, 1999）。后续在富营养化和黑臭水体中的现场和实验室研究表明，CaO?可提高DO和氧化还原电位，抑制沉积物中氮、磷和硫化物的释放，并改变微生物群落组成（Wang et al., 2019a; Wang et al., 2019d）。同时，微生物固定化技术被用于减少生物量损失和提高对环境波动的抵抗力。含有沸石或其他无机添加剂的固定化微生物凝胶微球在黑臭水体中显示出更好的氮磷去除效果（Zhao et al., 2024）。最近，将CaO?嵌入聚合物基基质中以缓释氧气，并与微生物处理单元耦合以支持更持久的生物降解（Wang et al., 2025）。然而，现有研究主要分别考察释氧材料和固定化微生物，或主要关注土壤和地下水（Liu et al., 2026a）。其在黑臭水体-沉积物系统中的应用，特别是在低温条件下，仍有待充分评估。据此，本研究开发了一套实验室规模的协同修复系统，将硬脂酸（SA）涂层CaO?释氧剂与FeCl?改性沸石固定的复合微生物相结合。具体研究目标包括：(1) 开发SA涂层CaO?缓释剂，调控其释氧速率，实现溶解氧的缓慢、持续释放和供给；(2) 优化矿物载体的制备工艺并筛选复合微生物接种剂进行固定化，从而提高微生物保留率和代谢活性；(3) 构建一种结合钙基释氧剂和固定化微生物的高效协同修复系统，评估其对关键污染物的去除效率，探究温度对协同修复性能的影响，并通过微生物群落结构分析阐明协同机制。**段落摘录****现场采集的水样和沉积物**实验中使用的上覆水和沉积物样品采自中国武汉金银湖，该水体为中营养至富营养化水体，易发生黑臭事件。上覆水使用聚乙烯瓶在水面下0.5 m处采集，沉积物通过重力取芯器从沉积层顶部0-15 cm层采集。所有样品于4°C避光保存并在24小时内运送至实验室。沉积物经2 mm筛分。**填充材料**填充材料决定了化学释氧剂的供氧能力（Shengyan et al., 2020）。如图2a所示，投加释氧剂的反应器在模拟黑臭废水中pH稳定在8至8.5之间，避免了可能抑制微生物的强碱性（Xi, 2020）。如图2b所示，仅依靠大气复氧的对照组CK最高DO达到7.3 mg/L，而所有实验组在2天内均超过8 mg/L。**结论**本研究开发了一种将SA涂层CaO?释氧剂与FeCl?改性沸石固定微生物相结合的协同修复系统，用于黑臭水体处理。SA涂层调控了释氧速率并减缓了pH的快速升高，而改性沸石提高了微生物保留率和污染物富集。与单独处理相比，耦合系统增强了氮和硫的去除，在上覆水中实现了97.94%的NH??-N和94.62%的TN去除。**CRediT作者贡献声明**刘思韵：调查研究。朱奥颖：形式分析。李博琳：撰写—初稿、方法论、概念构思。白国梁：撰写—审阅与编辑。张涵：验证。倪瑞：撰写—审阅与编辑、监督、调查研究、数据整理。张媛媛：撰写—审阅与编辑、资源、项目管理。**利益冲突声明**? 作者声明不存在已知的可能影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。