生物修復(fù)技術(shù)在城市水環(huán)境治理中的應(yīng)用

范群杰

（上海市長寧區(qū)河道管理所，上海市 200335）

0 引言

城市水環(huán)境是由城市與周邊的河流、湖泊、濕地、地下水、水庫等水體所構(gòu)成的水生生態(tài)環(huán)境，是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。城市水環(huán)境不僅具有提供水源、防洪排澇、促進(jìn)交通等與人類生存息息相關(guān)的功能，還具有景觀休閑、城市區(qū)域局部氣候調(diào)節(jié)、減輕熱島效應(yīng)等生態(tài)環(huán)境作用，為城市環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供了重要保障。隨著我國城市化進(jìn)程的加快，人類活動(dòng)對(duì)城市水生態(tài)環(huán)境帶來了巨大的負(fù)面影響：廢水過度排放造成水污染加?。凰w的過度取用造成水資源短缺。上述現(xiàn)象均會(huì)造成城市水環(huán)境承載力大幅下降，這和人與自然和諧共生的發(fā)展理念相悖。據(jù)2014年度環(huán)保部調(diào)研統(tǒng)計(jì)顯示：我國淡水流域中約有28.8%斷面水質(zhì)低于Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)；全國61.5%的地級(jí)市監(jiān)測點(diǎn)所反饋的地下水指標(biāo)較差。城市水環(huán)境污染的加劇已經(jīng)深刻地影響了人類賴以生存的家園。

為減緩和抑制水環(huán)境惡化加劇的趨勢，越來越多的工程或技術(shù)手段被用于城市水生態(tài)環(huán)境的修復(fù)上，如底部清淤、人工曝氣、補(bǔ)充除藻劑和氧化劑等。盡管如此，對(duì)于城市水環(huán)境而言，上述單一的物理或化學(xué)修復(fù)手段往往效果有限且持續(xù)時(shí)間較短，無法對(duì)水環(huán)境修復(fù)起到標(biāo)本兼治的作用。而基于生物原理的生態(tài)修復(fù)技術(shù)不僅具有環(huán)境友好型的特點(diǎn)，還能從根源上改善水環(huán)境內(nèi)源與外源污染狀況，被認(rèn)為是十分具有前景的水生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)。

1 生態(tài)修復(fù)技術(shù)的概念

生態(tài)修復(fù)（bioremediation）是指人類停止對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成損害，以減輕其污染負(fù)荷與生態(tài)壓力。生態(tài)系統(tǒng)依靠其自身對(duì)外界環(huán)境的調(diào)節(jié)能力與自組織能力使其向有序的方向進(jìn)行演化[1]。即主要通過利用生態(tài)系統(tǒng)自我恢復(fù)能力，同時(shí)輔助以人工強(qiáng)化手段，使遭受破壞的生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)。生物修復(fù)技術(shù)主要可以分為生物強(qiáng)化技術(shù)（bioaugmentation）、生物促生技術(shù)（biostimulation）、生物通氣（bioventing）、生物堆肥（composting）等。目前針對(duì)水環(huán)境富營養(yǎng)化與黑臭化加劇的水環(huán)境污染特點(diǎn)，以耦合生物代謝、通過物理化學(xué)措施輔助強(qiáng)化的方式來調(diào)控水體環(huán)境內(nèi)部菌群種類、菌群活性與污染物降解等的生物修復(fù)技術(shù)受到了廣泛的重視。目前已被廣泛應(yīng)用于城市河道水環(huán)境修復(fù)、景觀原位水體修復(fù)等多個(gè)領(lǐng)域。

2 生態(tài)修復(fù)技術(shù)的種類與應(yīng)用

2.1 人工濕地與生物氧化塘

人工濕地是由人工建造和控制運(yùn)行的與沼澤地類似的池塘。被污染的水體進(jìn)入濕地后，沿水平或豎直的方向流動(dòng)。在微生物、水生植物、水生動(dòng)物和底泥的作用下以過濾、吸附、植物吸收、動(dòng)物吸收、微生物分解的協(xié)同方式實(shí)現(xiàn)水體的凈化。人工濕地不僅具有去除懸浮物和有機(jī)污染物的功能，還可以通過人工強(qiáng)化手段實(shí)現(xiàn)水體中微生物與植物根系的協(xié)同脫氮作用和對(duì)水體中磷元素的吸收。這極大程度上拓展了其適用范圍。在實(shí)際運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)，人工濕地具有形式多樣（見表1）、能夠因地制宜地建造、建造成本低廉、操作簡單、管理方便、對(duì)常規(guī)污染物處理效果較好、能耗低和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在占地面積大、個(gè)別季節(jié)有異味影響感官等缺陷。

表1 人工濕地的分類與應(yīng)用

類似于人工濕地，生物氧化塘也是一種利用微生物天然凈化能力來實(shí)現(xiàn)水體凈化的系統(tǒng)。其獨(dú)特之處在于，生物氧化塘可借由人工曝氣、投加高效菌種、培育合適的水生生物等措施進(jìn)行功能強(qiáng)化。在凈化水體時(shí)，生物氧化塘內(nèi)部的食物鏈得到延長，微生物、水生動(dòng)植物可以構(gòu)成生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)促進(jìn)微生物、水生動(dòng)植物的相互協(xié)作。

綜上所述，基于人工濕地與生物氧化塘的特點(diǎn)，在利用該生物修復(fù)技術(shù)時(shí)可通過對(duì)廢棄舊河道、灘涂、魚塘、閑置的土地進(jìn)行改造，將其轉(zhuǎn)化為人工濕地或生物氧化塘。這不僅能合理有效地利用土地資源，還可以利用改造后的人工濕地或生物氧化作為雨水調(diào)蓄、海綿化改造和生物凈化的預(yù)處理反應(yīng)單元，從而實(shí)現(xiàn)水量調(diào)節(jié)與水體凈化的雙重功用。

2.2 水體人工增氧技術(shù)

相比于自然水體，城市水體具有靜止或流動(dòng)性差、水體容量小、極易受到污染和自凈能力差等特點(diǎn)。如果外界環(huán)境中的外源性污染加劇，則極易出現(xiàn)由于溶解氧降低而造成的水體黑臭現(xiàn)象。針對(duì)上述問題所提出的水體人工曝氣就是通過提高水中溶解氧濃度的方式來恢復(fù)水生態(tài)環(huán)境。曝氣可以為水中生物提供呼吸所需要的氧，從而加速微生物對(duì)污染物的降解。并實(shí)現(xiàn)水體由缺氧狀態(tài)轉(zhuǎn)化為好氧狀態(tài)，增強(qiáng)水體的凈化能力。此外，針對(duì)富營養(yǎng)化水體上層好氧而下層缺氧的特點(diǎn)，人工增氧還可以在短期內(nèi)通過加速硝化反應(yīng)速度的方式減緩富營養(yǎng)化現(xiàn)象，見效速度快、處理效果好。故人工增氧是目前城市水環(huán)境生物修復(fù)的重要技術(shù)手段，并被廣泛應(yīng)用于城市水環(huán)境生態(tài)治理[2]。

2.3 生物強(qiáng)化技術(shù)

生物強(qiáng)化技術(shù)是指通過向水環(huán)境中引入具有特定功能的微生物，以增強(qiáng)水體對(duì)降解有機(jī)物的能力，并改善和促進(jìn)原有微生物去除效能[2]。其本質(zhì)上而言是一種外源微生物投放技術(shù)。生物強(qiáng)化技術(shù)最早應(yīng)用于治理高濃度有機(jī)廢水，有毒、有害難降解污染物的治理和強(qiáng)化廢水中油脂的液化和降解等領(lǐng)域。隨著功能性細(xì)菌的廣泛發(fā)現(xiàn)、篩選和應(yīng)用，生物強(qiáng)化技術(shù)逐步拓展至江河湖泊與地下水生物的修復(fù)中來，并取得了一定的治理效果。但需注意的是，外源性菌群一般都存在對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的適應(yīng)性問題。同時(shí)，外源微生物作為“外來物種”也可能會(huì)對(duì)本地生態(tài)環(huán)境造成影響并產(chǎn)生相關(guān)的環(huán)境安全問題。

2.4 生態(tài)浮床

生態(tài)浮床又稱為人工浮床、生態(tài)浮島等，是人工浮島的一種。生態(tài)浮床是由綠化技術(shù)與漂浮技術(shù)結(jié)合衍生發(fā)展出來的。常見的生態(tài)浮床一般由水生植被、植物浮床、浮島框架（見圖1）和水下固定裝置所組成。生態(tài)浮床一般以水生植物為主體，利用無土栽培技術(shù)，以輕質(zhì)材料為載體或基質(zhì)，應(yīng)用動(dòng)植物物種間的協(xié)同共生關(guān)系，在充分利用水體空間的基礎(chǔ)上，建立高效人工生態(tài)系統(tǒng)，以達(dá)到削減水體中的污染負(fù)荷，提供生物棲息之所和美化環(huán)境的功能。生態(tài)浮床的凈化機(jī)理主要為：一方面利用表面積很大的植物根系網(wǎng)絡(luò)，過濾吸附水體中大量的懸浮物和溶解性COD；另一方面通過根系吸收水體中的氮、磷等富營養(yǎng)化物質(zhì)。最后，浮床還可以借由遮光來抑制水體中藻類的光合作用，以防止浮游植物過量生長，使水體透明度大大提高。生態(tài)浮床通常選用陸生植物和濕生植物，例如美人蕉、香根草等易于生長和成活的植物。生態(tài)浮床不僅不占用土地資源，還可以為周邊的鳥類和魚類提供一定的生存空間，并兼具景觀美化的功能，目前普遍用于城市生態(tài)修復(fù)、農(nóng)村水體污染修復(fù)和建設(shè)城市濕地景區(qū)等。

圖1 利用輕質(zhì)材料拼接的生態(tài)浮床

2.5 生態(tài)護(hù)岸

生態(tài)護(hù)岸指的是利用植物或通過植物與土木工程結(jié)合的方式，對(duì)河道坡面進(jìn)行防護(hù)的一種河道護(hù)坡形式。生態(tài)護(hù)岸的理念是基于最大可能以天然狀態(tài)下河海岸形式為參照，避免以建筑物的形式去破壞自然生態(tài)系統(tǒng)平衡。生態(tài)護(hù)岸一般具有防洪排澇、生態(tài)景觀和自凈功能，不僅可以維持河岸邊坡的穩(wěn)定，還可以使河水與土壤相互滲透，增強(qiáng)水體與周邊的物質(zhì)交換。生態(tài)護(hù)岸的修復(fù)機(jī)理主要為，為水體中的生物提供合適的棲息地和構(gòu)建水陸緩沖帶，通過依附在其周邊的水生動(dòng)植物來實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的凈化作用。生態(tài)護(hù)岸一般可分為固化技術(shù)護(hù)岸、扦插拋石聯(lián)合技術(shù)護(hù)岸、直立式生態(tài)護(hù)岸、自嵌式植生擋土墻護(hù)岸和格賓柔性護(hù)岸。其結(jié)構(gòu)材料通常以植被、干砌石或原木等柔性材料為主，也可以在上述材料的基礎(chǔ)上加入混凝土、鋼筋等材料來強(qiáng)化坡面的穩(wěn)定性。

2.6 底泥生物氧化技術(shù)

底泥生物修復(fù)是通過原位微生物定向擴(kuò)增的手段繁殖大量本地化的微生物。利用增殖的微生物和底物組合生產(chǎn)出藥物，通過靶向給藥的方式將藥物直接注射入底泥表層，促進(jìn)底泥中有機(jī)物的快速氧化和底泥表層生物降解能力，加速黑臭底泥的生物氧化進(jìn)程以抑制黑臭現(xiàn)象。底泥生物氧化的同時(shí)還能抑制底泥中營養(yǎng)鹽的釋放，緩解水體中富營養(yǎng)化的發(fā)生[3]。水環(huán)境底泥的生物修復(fù)可以有效減少水體的內(nèi)源性污染，防止底泥中的污染物向水體中擴(kuò)散與釋放，有助于建立水體良好的生態(tài)系統(tǒng)，提升自凈能力。

2.7 生態(tài)修復(fù)技術(shù)

生態(tài)修復(fù)是通過人工強(qiáng)化或干預(yù)的方式來加速生態(tài)演替和多樣化的過程。狹義上的生態(tài)修復(fù)是指水生植物修復(fù)；廣義上的生態(tài)修復(fù)是指水生生態(tài)恢復(fù)技術(shù)。水生植物修復(fù)一般是在河濱周邊建立起水生植被帶，利用水生植物的根系來吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)抑制藻類大量繁殖和凈化水體的功能。水生植物修復(fù)與構(gòu)建一般包括創(chuàng)造水生植物適宜的生存條件，通過行定植、擴(kuò)增、優(yōu)化配置種群的方式進(jìn)而形成具有沉水植被、挺水植被、浮水植物空間群落結(jié)構(gòu)。

水生生態(tài)恢復(fù)技術(shù)則側(cè)重于將視角集中于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生物與物質(zhì)的良性互動(dòng)。在微觀方面，通過誘導(dǎo)或改變系統(tǒng)內(nèi)微生物種群方式促進(jìn)種群由單一型厭氧微生物向好氧微生物進(jìn)行轉(zhuǎn)變。同時(shí)延長系統(tǒng)內(nèi)的食物鏈，構(gòu)建包含細(xì)菌、藻類、原生動(dòng)物、后生動(dòng)物、動(dòng)植物等多種生物組合，最大可能地提高生物多樣性，繁榮整個(gè)生態(tài)體系。在宏觀方面，利用工程手段在減輕輸入性污染物的同時(shí)抑制內(nèi)源性污染物的擴(kuò)散與傳輸，增強(qiáng)水體自身的凈化能力。配合城市海綿化的新理念，擴(kuò)大水體與周邊的物質(zhì)、能量良性交互。

3 城市水環(huán)境治理中生物修復(fù)應(yīng)用探討

3.1 重視前期調(diào)查

在進(jìn)行水生態(tài)修復(fù)前，需優(yōu)先對(duì)修復(fù)水體進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研內(nèi)容主要包括水質(zhì)指標(biāo)（水體中的溶解氧、pH 值、CODMn、BOD5、TOC、NH4+-N、TP、氧化還原電位等常規(guī)指標(biāo)）、微生物指標(biāo)（水體與底泥中的生物群落、微生物種類、底棲動(dòng)物與動(dòng)植物）。除此之外，還要了解水體的點(diǎn)源與面源污染現(xiàn)狀、水體的水文特征與周邊沿岸的動(dòng)植物分布和環(huán)境狀況。根據(jù)上述資料合理確定水環(huán)境生物的修復(fù)方案，在實(shí)施前盡可能通過試驗(yàn)進(jìn)行模擬和預(yù)測。

3.2 實(shí)現(xiàn)核心目標(biāo)

由于水體污染的情況通常較為復(fù)雜且成功的治理方案難以完全復(fù)制，故應(yīng)在前期調(diào)研基礎(chǔ)上確定需要實(shí)現(xiàn)的最終效果。例如：若水生態(tài)環(huán)境主要以富營養(yǎng)化為主，則可以通過植物根系吸收的方式減輕水體中的氮、磷元素，同時(shí)輔以人工曝氣手段恢復(fù)水中的溶解氧；若水生態(tài)環(huán)境以黑臭現(xiàn)象為主，則應(yīng)注重對(duì)水體底泥的復(fù)氧和激活原位微生物的凈化能力。通過針對(duì)性的選取凈化方案來獲得最大的環(huán)境效益。

4 生態(tài)修復(fù)技術(shù)在西安市護(hù)城河中的應(yīng)用

西安市護(hù)城河是城墻景區(qū)重要的組成部分，也是西安市老城區(qū)36 km2范圍的雨水調(diào)蓄庫和泄洪的主干路，蓄洪水量為可達(dá)80萬m3。但通過前期的水質(zhì)調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，護(hù)城河水質(zhì)不容樂觀，存在外部臨時(shí)性的生活排放污水、季節(jié)性雨水（主要污染物為COD和SS）和局部死水造成的內(nèi)源性污染（主要污染物為N和P），河道水質(zhì)常年劣于Ⅴ類。除此之外，污染源還有藻類植物與水面漂浮物等。對(duì)水體的影響主要體現(xiàn)為耗氧性污染、富營養(yǎng)化污染。綜上，護(hù)城河水體污染形成并不僅是單一的因素所導(dǎo)致，需要對(duì)護(hù)城河進(jìn)行綜合的治理與維護(hù)。

針對(duì)上述耗氧性污染和富營養(yǎng)化污染的問題，分別采用人工浮島與投加復(fù)合菌種恢復(fù)水生態(tài)的方法進(jìn)行治理：在護(hù)城河北段區(qū)域內(nèi)分級(jí)布置人工浮島（3 m×3 m×0.4 m的種植單元格），單元格內(nèi)種植香根草、鳳眼蓮、美人蕉等植物，起到利用根系去除污水中的有機(jī)污染物和其他營養(yǎng)物質(zhì)的作用。人工浮島布置之前采用人工曝氣的方式初步減少水中COD。曝氣完成后在尚德門以西400 m處河段設(shè)10個(gè)浮島種植單元格，護(hù)城河?xùn)|北角設(shè)21個(gè)人工浮島種植單元格。同時(shí)在上游區(qū)域設(shè)置攔污網(wǎng)，以減輕漂浮物對(duì)修復(fù)河段的影響。通過上述措施，該河段的水質(zhì)類別由之前的劣Ⅴ類變?yōu)棰纛悾珻OD、SS、氨氮三項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測下降為同比的57%、31%、27%。

在氣溫合適的5～7月，將YL-H15作為先鋒生物菌種投至護(hù)城河?xùn)|段的底泥中，建立缺損的腐食食物鏈，促進(jìn)底泥礦化。投加點(diǎn)投加量按水域面積以100 g/m2計(jì)。投加后試運(yùn)行一個(gè)月并觀測相關(guān)的水質(zhì)指標(biāo)，根據(jù)檢測結(jié)果輔助投加高濃度污水分解復(fù)合菌種（YL-H40）以促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，提高水體的抗負(fù)荷能力。采用該方法后通過對(duì)河道連續(xù)29周的監(jiān)測結(jié)果顯示，溶解氧、總氮、總磷三項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測值優(yōu)于Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)的頻次分別為71%、82%、76%。該方法有效地抑制了水體富營養(yǎng)化的趨勢。

5 結(jié)語

生物修復(fù)技術(shù)是城市水環(huán)境治理的重要技術(shù)手段，同時(shí)也是水體整治重要的發(fā)展方向。生物修復(fù)技術(shù)具有環(huán)境友好型的特點(diǎn)，可以為人與自然的和諧發(fā)展提供很好的發(fā)展思路。