河道水質(zhì)強(qiáng)化凈化與水生態(tài)修復(fù)研究進(jìn)展

錢(qián)璨 黃浩靜 曹玉成

摘要 針對(duì)河道整治過(guò)程中存在的問(wèn)題，即單一的物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)只能起到短期的治理效果，長(zhǎng)期有效的治理理念是使河道水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)自?xún)艄δ?，回到被破壞前的近似狀態(tài)，綜述了國(guó)內(nèi)外在水質(zhì)凈化與水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，介紹了生態(tài)修復(fù)的復(fù)合技術(shù)，如植物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)、微生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)、水生態(tài)多樣性修復(fù)技術(shù)等。

關(guān)鍵詞 生態(tài)修復(fù)；強(qiáng)化凈化；多樣性修復(fù)；河道水質(zhì)

中圖分類(lèi)號(hào) S181.3；X522 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）34-0044-03

Abstract According to the exsiting problems of the river regulation， longterm effective governance is that the river water ecosystem can be restored to the approximate state before it is damaged， and its self purification fuction， which can not be got by a single physical and chemical repair technology. The research progress at home and abroad of water strengthening purification and ecological restoration was summarized， also the composite technology of ecological restoration was introduced， such as plant strengthening repair technology， microbial strengthening repair technology and water ecological diversity restoration technology.

Key words Ecological restoration；Strengthening purification；Multiplicity restoration；River water

河道是人類(lèi)社會(huì)生存和發(fā)展的起源地，與人類(lèi)的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)。健康的河道不僅具有供應(yīng)水源、泄洪排澇、調(diào)節(jié)氣候、改善生態(tài)環(huán)境、維護(hù)生物多樣性等功能，還是一個(gè)物種豐富、生產(chǎn)力較高的生態(tài)系統(tǒng)[1]。

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化得到了迅猛發(fā)展，人們的生活水平也顯著提高，然而，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也帶來(lái)了河流、湖泊等天然水體污染加重、水環(huán)境質(zhì)量下降、水生態(tài)受損嚴(yán)重、環(huán)境隱患頻發(fā)等水環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重影響著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和人們的身心健康。筆者針對(duì)河道整治過(guò)程中存在的問(wèn)題，綜述了國(guó)內(nèi)外在水質(zhì)凈化與水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

1 國(guó)內(nèi)外水生態(tài)修復(fù)研究進(jìn)展

近10年來(lái)，特別是國(guó)家“水專(zhuān)項(xiàng)”實(shí)施以來(lái)，我國(guó)許多高校、科研機(jī)構(gòu)、流域機(jī)構(gòu)等單位開(kāi)展了一系列河流（段）湖泊等水體治理及生態(tài)修復(fù)的研究工作，在理論與應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展。

自1990年以來(lái)，美國(guó)每年投資10億多美元用于河道的修復(fù)工程，多數(shù)工程投入到水質(zhì)改善、生境修復(fù)和水生態(tài)多樣性恢復(fù)。澳大利亞于1993年啟動(dòng)了“國(guó)家河流健康項(xiàng)目”，1998年澳大利亞自然遺產(chǎn)信托項(xiàng)目提出在5年多時(shí)間內(nèi)投入9 000萬(wàn)美元以上用于河道生境和生態(tài)健康的改善[2]。而日本不斷吸收和借鑒歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的河道治理經(jīng)驗(yàn)，在第9個(gè)治理河道行動(dòng)計(jì)劃中，將河道生態(tài)環(huán)境保護(hù)和水質(zhì)保護(hù)等技術(shù)作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，到1996年日本河川審議會(huì)通過(guò)修改《河川工法》，要求治河工程使用“多自然工法” [3]。近10余年來(lái)，河道生境修復(fù)、水生態(tài)多樣化修復(fù)及水環(huán)境安全評(píng)估是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家科學(xué)研究的熱點(diǎn)和工程實(shí)踐的重點(diǎn)內(nèi)容。

水體生態(tài)修復(fù)是恢復(fù)受損水體原有生態(tài)功能的必要手段，但現(xiàn)有科技支撐水平比較薄弱。國(guó)內(nèi)外大量研究和工程實(shí)踐表明，內(nèi)外源污染的有效控制[4]，可以明顯改善河道、湖泊等天然水體的水質(zhì)，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，由于生境退化和生態(tài)結(jié)構(gòu)的受損，單純水質(zhì)的改善并未獲得與之相匹配的水體生態(tài)多樣性的改善和生態(tài)功能的恢復(fù)。這也激發(fā)了我國(guó)對(duì)污染水體生態(tài)修復(fù)工作的重視，許多高校、科研機(jī)構(gòu)、流域機(jī)構(gòu)等單位也開(kāi)始著手開(kāi)展水生態(tài)修復(fù)的研究工作，并在理論與工程應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展，也積累了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和具有重要借鑒價(jià)值的工程經(jīng)驗(yàn)。但總體而言，由于我國(guó)研發(fā)工作起步較晚、實(shí)踐投入相對(duì)滯后等因素，加上河道自身的多樣性和復(fù)雜性，目前我國(guó)水生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域仍處于理論的完善和實(shí)踐探索階段。

2 河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)類(lèi)別

河道水生態(tài)修復(fù)是一項(xiàng)理論復(fù)雜、因素眾多、操作困難的系統(tǒng)工程，不僅需要對(duì)河道自身功能和特性、污染成因、污染程度等方面進(jìn)行科學(xué)分析，還需要對(duì)修復(fù)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、治理效果及其長(zhǎng)效性、維護(hù)管理的難易性等方面具有科學(xué)的把握。因此，立足于河道具體實(shí)際，科學(xué)選擇與優(yōu)化河道修復(fù)方法和工藝顯得極為重要。國(guó)內(nèi)外對(duì)河道水生態(tài)修復(fù)技術(shù)已有大量研究，根據(jù)修復(fù)機(jī)理不同可分為物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生態(tài)修復(fù)3種技術(shù)類(lèi)別[5-9]。

2.1 物理修復(fù)

河道物理修復(fù)主要有底泥疏浚及水動(dòng)力循環(huán)2種方式，其中底泥疏浚應(yīng)用最為廣泛。底泥是天然水體中一個(gè)重要內(nèi)源污染，含有大量有毒有害物質(zhì)（如重金屬離子、氮、磷及某些難以降解有毒物質(zhì)），因此必須注意防止底泥泛起。在一定條件下，底泥中的污染物質(zhì)將會(huì)釋放到上覆水，造成二次污染，進(jìn)而影響水生態(tài)[10]。水動(dòng)力循環(huán)修復(fù)技術(shù)主要用于控制水體富營(yíng)養(yǎng)化及改善水體水質(zhì)[11]，多采用人工曝氣推流的方法。河道曝氣復(fù)氧對(duì)污染水體的修復(fù)效果已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外許多工程所驗(yàn)證[12-15]，如1988年德國(guó)通過(guò)純氧曝氣法成功遏制了Saar河中的水體惡臭；1989年美國(guó)利用曝氣系統(tǒng)對(duì)污染河流進(jìn)行曝氣，發(fā)現(xiàn)水體中的溶解氧和生物量顯著增加；我國(guó)通過(guò)河道曝氣技術(shù)增加水體中的溶解氧，消除了水體中的致黑臭物質(zhì)，緩解了黑臭現(xiàn)象等。

綜合而言，河道物理修復(fù)實(shí)施簡(jiǎn)單、見(jiàn)效快，但成本較高、工程量較大、易造成生態(tài)系統(tǒng)的破壞，因而常作為水生態(tài)修復(fù)的輔助手段。

2.2 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)通常是通過(guò)氧化還原、吸附沉淀、絡(luò)合等化學(xué)或生物反應(yīng)，如向受污染的河道中投加化學(xué)改良劑與藥劑學(xué)改良劑，將污染物轉(zhuǎn)化成無(wú)害或毒性較小的物質(zhì)，以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。最為常用的化學(xué)方法是原位化學(xué)反應(yīng)技術(shù)。原位處理技術(shù)可分為生物-化學(xué)修復(fù)和凝固-穩(wěn)定修復(fù)兩大類(lèi)。生物-化學(xué)修復(fù)即在原地投加微生物菌種或微生物促生劑以增強(qiáng)生物修復(fù)，而凝固-穩(wěn)定修復(fù)則是通過(guò)投加化學(xué)藥劑及黏合劑，將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒或者毒性較小的化合物，并在受污染地點(diǎn)固定下來(lái)[16]。如磷的沉淀和鈍化技術(shù)就是典型的凝固-穩(wěn)定修復(fù)，即向水體中投加硫酸鋁，形成的磷酸鋁吸附在氫氧化鋁絮體表面并沉淀，從而去除水體中的磷[17]。

化學(xué)修復(fù)不是一種永久的修復(fù)措施，對(duì)突發(fā)性水污染具有很好的治理和恢復(fù)效果。因此，化學(xué)修復(fù)往往也是作為河道水生態(tài)修復(fù)過(guò)程的一項(xiàng)輔助或應(yīng)急處理措施[18]。

2.3 生態(tài)修復(fù)

生態(tài)修復(fù)技術(shù)是利用微生物或動(dòng)植物對(duì)水體中的污染物進(jìn)行吸收、降解、轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的作用。因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)是統(tǒng)一的整體，包括生產(chǎn)者、消費(fèi)者和分解者，所以單一的物種修復(fù)難以達(dá)到良好的修復(fù)效果[19]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)人工建造模擬的生態(tài)系統(tǒng)（如人工濕地），將植物、動(dòng)物、微生物的修復(fù)作用統(tǒng)一結(jié)合而形成的水質(zhì)強(qiáng)化凈化與水生態(tài)修復(fù)技術(shù)正越來(lái)越多地應(yīng)用于實(shí)際工程中，這也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

3 水質(zhì)強(qiáng)化凈化與水生態(tài)修復(fù)技術(shù)

3.1 植物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)

植物強(qiáng)化凈化修復(fù)是在河道水面或水下人工種植水生植物或改良的陸生植物，利用植物的吸收、根系的阻截與吸附、根區(qū)形成的生物共生體的吸收轉(zhuǎn)化等作用以及物種的競(jìng)爭(zhēng)相克原理，以達(dá)到凈化污染物、改善生境、創(chuàng)造有利于水生態(tài)恢復(fù)的條件等目的的一種擬自然處理方法。根據(jù)種植植物類(lèi)型和種植方式的不同，植物強(qiáng)化凈化可分為人工植物浮床（常稱(chēng)為生態(tài)浮島、生物浮床或生物浮島等）和人工“水下森林”2種技術(shù)類(lèi)別。其中，浮床技術(shù)是由現(xiàn)代農(nóng)藝無(wú)土種植技術(shù)衍生而來(lái)的一種生態(tài)工程技術(shù)[20]。近年來(lái)，這種被譽(yù)稱(chēng)為“水上移動(dòng)花園”的修復(fù)技術(shù)在我國(guó)許多地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。但現(xiàn)行浮床技術(shù)主要依賴(lài)于浮床植物的吸收作用來(lái)凈化水質(zhì)，制作浮床所用的浮體大多數(shù)為PE材料，普遍存在凈化效果持續(xù)性較差、凈化能力有限、投資成本高等問(wèn)題。

近幾年，在水下人工種植先鋒沉水植物的植物強(qiáng)化凈化技術(shù)（通常被稱(chēng)為人工“水下森林”）也逐漸走向商業(yè)化應(yīng)用[21]。相對(duì)于人工浮床技術(shù)，該技術(shù)在投資成本、工程實(shí)施難度與強(qiáng)度等方面存在明顯的差異化優(yōu)勢(shì)，但也存在一些難以克服的局限性，如易大面積擴(kuò)散生長(zhǎng)，管控難度大，影響河道泄洪通航。此外，人工“水下森林”措施也極有可能對(duì)生態(tài)完整性恢復(fù)和景觀多樣性產(chǎn)生不利影響。

3.2 微生物強(qiáng)化修復(fù)技術(shù)

應(yīng)用于水體水質(zhì)凈化的微生物強(qiáng)化法（通常又稱(chēng)為生物法）衍生于城鎮(zhèn)生活污水處理活性污泥法或生物膜法技術(shù)，技術(shù)手段主要有曝氣增氧、設(shè)置生物填料、投加微生物菌劑或生長(zhǎng)促生劑等方式[22]。曝氣增氧是采用曝氣裝置向處于缺氧或厭氧狀態(tài)的河道進(jìn)行充氧，提高河道水體微生物種群數(shù)量和改善微生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，以達(dá)到增強(qiáng)或恢復(fù)河道凈化能力和改善水質(zhì)的目的。該方法操作簡(jiǎn)單、效果明顯、適應(yīng)性強(qiáng)，在德國(guó)（如柏林Teltow 河）、美國(guó)（如Homewood河）等發(fā)達(dá)國(guó)家得到了成功實(shí)踐，被認(rèn)為是一種比較適合于城市景觀河道治理的清潔方法。其不足之處：若大面積使用，動(dòng)力能耗較高，噪聲較大，不宜于在靠近居住區(qū)河段過(guò)多設(shè)置。

在水體內(nèi)設(shè)置便于微生物附著生長(zhǎng)的生物填料是受污染水體生物強(qiáng)化處理技術(shù)的又一分支，它可以豐富水體中微生物的數(shù)量和種群結(jié)構(gòu)，提高水體中的污染物與微生物的接觸機(jī)會(huì)，因而可一定程度增強(qiáng)水體對(duì)污染物的氧化分解或轉(zhuǎn)化能力。該方法的局限性：①影響河道泄洪、航運(yùn)等功能；②設(shè)置面過(guò)小，效果不明顯，而調(diào)置面過(guò)大，成本高；③受水位影響較大，水位低時(shí)填料易暴露，影響河道景觀效果；④若采用合成的纖維填料，易脫落，而若采用沸石等天然無(wú)機(jī)填料，填料層內(nèi)部因水流短路而難以發(fā)揮作用。

向受污染河道投加微生物菌劑或微生物生長(zhǎng)促進(jìn)劑（簡(jiǎn)稱(chēng)為“投菌法”），是近年來(lái)逐漸被人們所認(rèn)識(shí)的一種水體修復(fù)方法。這種方法投資相對(duì)較節(jié)省、見(jiàn)效也較快，且易于操作，目前在我國(guó)不少地區(qū)進(jìn)行了試探性工程應(yīng)用，但實(shí)際效果仍需進(jìn)一步科學(xué)論證。另一方面，我國(guó)在水體修復(fù)工程中主要采用從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)的微生物菌劑，有可能存在一定生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，這種擔(dān)憂(yōu)成為制約投菌法推廣應(yīng)用的重要因素。此外，這種方法往往受到水體水力條件、水體溫度等因素影響，凈化效果難以長(zhǎng)時(shí)間維持。

3.3 水生態(tài)多樣性修復(fù)技術(shù)

水生態(tài)多樣性修復(fù)是在生境條件（水質(zhì)、基底、岸坡等）達(dá)到明顯改善和獲知水體水生貧化程度的基礎(chǔ)上，通過(guò)人工配種水生植物或放養(yǎng)水生動(dòng)物來(lái)重建穩(wěn)定群落結(jié)構(gòu)和完整功能的頂層生態(tài)修復(fù)手段。依據(jù)當(dāng)前對(duì)該技術(shù)的研究范圍，可分為水生植物多樣性修復(fù)和水生動(dòng)物多樣性修復(fù)2種技術(shù)類(lèi)別，其中對(duì)水生植物多樣性修復(fù)的研究相對(duì)較多。自20世紀(jì)70年代，國(guó)外開(kāi)始對(duì)水生生物多樣性修復(fù)進(jìn)行了較為廣泛研究，目前在優(yōu)勢(shì)物種及其組建方面取得了一定進(jìn)展，如配種金魚(yú)藻、黑藻、苦草等沉水植物和浮葉植物睡蓮可以抑制浮游植物生長(zhǎng)、加速營(yíng)養(yǎng)物的周轉(zhuǎn)和提高水體生物多樣性與自?xún)裟芰23]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些高校和科研院所開(kāi)始對(duì)河道水生植物多樣性恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行了探索研究，一些環(huán)保企業(yè)也開(kāi)始嘗試將該技術(shù)應(yīng)用于河道的生態(tài)治理中。截至目前，我國(guó)在該技術(shù)應(yīng)用方面已初步形成了一些具有指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)模式和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。例如在植物來(lái)源方面要盡量選擇本地常見(jiàn)水生植物；在植物組配方面需要以頂水植物為主、沉水植物為輔，結(jié)合少量漂浮植物[24]。

與此同時(shí)，水生動(dòng)物多樣性修復(fù)技術(shù)也引起了我國(guó)研究者的重視，目前在物種選擇、群落配置等方面也形成了比較一致的技術(shù)應(yīng)用原則：①遵循從低等向高等的進(jìn)化縮影修復(fù)原則進(jìn)行群落配置，避免群落系統(tǒng)不穩(wěn)定；②在水體沉水植物多樣性修復(fù)以后，并在水體現(xiàn)存物種調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行；③首先修復(fù)水生昆蟲(chóng)、雜食性蝦類(lèi)和濾食性、碎屑食性為主的水生動(dòng)物，在群落穩(wěn)定以后，再適當(dāng)配置肉食性魚(yú)類(lèi)；④水生動(dòng)物應(yīng)盡量選取廣氧性的土著魚(yú)類(lèi)；⑤在種植沉水植物的河道，不宜投放草食性魚(yú)類(lèi)。但總體而言，目前我國(guó)對(duì)河道水生態(tài)多樣性修復(fù)技術(shù)的研究和應(yīng)用剛剛起步，工程實(shí)踐還缺乏科學(xué)理論的支撐，并存在較大的盲目性和隨意性。

4 結(jié)論

（1）河道修復(fù)技術(shù)依靠單一的物理、化學(xué)修復(fù)技術(shù)難以達(dá)到持久有效的治理效果，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水質(zhì)強(qiáng)化凈化與水生態(tài)修復(fù)技術(shù)的綜合研究與創(chuàng)新，為水生態(tài)形成良好的修復(fù)系統(tǒng)提供技術(shù)支持。

（2）水質(zhì)強(qiáng)化凈化與水生態(tài)修復(fù)技術(shù)被認(rèn)為是有廣闊前景的環(huán)境修復(fù)技術(shù)，充分發(fā)揮該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)關(guān)鍵在于對(duì)不同類(lèi)型植物、微生物、動(dòng)物污染物最佳去除作用的基礎(chǔ)研究。

（3）水生植物多樣性修復(fù)的研究應(yīng)用較多，目前已初步形成了一些具有指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)模式和關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；水生動(dòng)物多樣性修復(fù)技術(shù)則在物種選擇、群落配置等方面形成較一致的技術(shù)應(yīng)用原則。

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