生物生態(tài)法處理城市河道水體的研究進(jìn)展

王 樂 ，員 建 ，費(fèi)學(xué)寧 ，，李松亞

（1.天津城建大學(xué) a.環(huán)境與市政工程學(xué)院；b.天津市水質(zhì)科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350）

城市河道孕育了城市文明，推動了城市建設(shè)，在為城市防洪排澇、提供水源的同時(shí)，更具有調(diào)節(jié)氣候、降低空氣污染的功能，是城市生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分[1].但是隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為了保證河道的泄洪功能，天然的河道往往進(jìn)行截彎取直、硬化等改造[2].人為修整后的河道防洪排澇和景觀美化功能大大提高，但因忽略了其自然屬性，破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)，加上人類最初薄弱的環(huán)保意識和日益頻繁的經(jīng)濟(jì)活動，使大量污染物排入河道，嚴(yán)重超出了河道水體的自凈能力，造成富營養(yǎng)化、黑臭水體等多種河道水體污染問題，對城市的環(huán)境和市民的生活造成不良影響，因此，城市河道的治理迫在眉睫.

目前，在河道治理的過程中，人們在遵守其工程設(shè)計(jì)原理外，更注重河道的自然原理和生態(tài)學(xué)原理，所以其治理方法除了常見的物理和化學(xué)方法外[3]，生物生態(tài)治理的方法得到了更廣泛的應(yīng)用.

1 生物生態(tài)法簡介

生物法即在好氧或厭氧的情況下，利用微生物及其菌群的分解作用達(dá)到水質(zhì)凈化的目的；生態(tài)法是根據(jù)自然界生態(tài)平衡和物質(zhì)循環(huán)的原理，采用相應(yīng)的技術(shù)手段，對水體環(huán)境進(jìn)行修復(fù)和完善.生物生態(tài)治理即通過自然界本身的自我恢復(fù)和自我調(diào)控能力，利用其自身的規(guī)律在保證人與自然和諧相處的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的目的[4].這種方法理論最早由Seifert在1938年提出[5].20世紀(jì)50年代德國創(chuàng)立了“近自然河道治理工程理論”[6]，并于60年代現(xiàn)代生物學(xué)形成后，逐步走上科學(xué)軌道.20世紀(jì)80年代，近自然治理的觀念更為鮮明，提倡在利用河流，維護(hù)河道生產(chǎn)力的同時(shí)，更要維護(hù)河道生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)河道自然特性，促進(jìn)河道工程治理與自然景觀相協(xié)調(diào)[7-8].1989年Mitsch和Jorgensn定義了“生態(tài)工程”，奠定了“多自然河道修復(fù)技術(shù)”的理論基礎(chǔ)[6].

面對世界上普遍存在的河道治理問題，20世紀(jì)80年代后，國外許多發(fā)達(dá)國家逐漸意識到環(huán)境和生態(tài)問題才是河道問題的根本所在.在治理河道的過程中，除了滿足河道社會需要的同時(shí)，更注重生態(tài)穩(wěn)定和生物多樣性的要求.英國的泰晤士河[9]和法國的塞納河[10]在治理過程中，利用生態(tài)治理方法恢復(fù)河道自然環(huán)境的同時(shí)，更加注重后續(xù)的維護(hù)和管理；美國的密西西比河在解決洪澇災(zāi)害時(shí)，由早期的水泥固化、截彎取直等工程措施轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃谂c生態(tài)治理方法相結(jié)合的非工程措施[11]；澳大利亞的墨累達(dá)令流域通過制定一系列的生態(tài)策略，完成了該流域自然環(huán)境的恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)的平衡[12]；加拿大在處理第一圣河圣勞倫斯河的水質(zhì)污染問題時(shí)，專門成立了從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的管理中心，制定有效的生態(tài)治理技術(shù)措施，取得良好效果[13]；在萊茵河的治理上，沿河各國簽訂相關(guān)協(xié)定，并對水泥固化、截彎取直的河道及護(hù)坡進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)[14]；日本江戶川的富營養(yǎng)化問題[15]、韓國良才川水質(zhì)修復(fù)工程[16]，均利用生物生態(tài)治理的原理，采用卵石接觸氧化的方法，通過強(qiáng)化河流在流動過程中的自凈能力，即對污染物的吸附沉淀以及微生物的分解能力實(shí)現(xiàn)河道水質(zhì)的凈化與恢復(fù).

相較于國外的一些發(fā)達(dá)國家，我國對河道的生態(tài)恢復(fù)進(jìn)行得較晚.北京在1998年對城市河道進(jìn)行了大規(guī)模的生態(tài)恢復(fù)，浙江省的萬里清水河道建設(shè)工程、上海的以“五縱、四橫、三大水系”為整治重點(diǎn)的河道生態(tài)建設(shè)樣板工程以及四川成都的府南河治理工程等都取得了很好的效果，且為我國河道的生態(tài)治理與恢復(fù)提供了一套極具參考價(jià)值的模式.目前在河道治理中常用的生物生態(tài)法有跌水曝氣、沉床、浮床及人工濕地等技術(shù).這些生物生態(tài)技術(shù)因其低成本、低能耗[17]，不需要在水體中投放化學(xué)藥劑，不會造成二次污染，能夠與城市綠化和人文景觀相結(jié)合的獨(dú)特優(yōu)勢，在城市河道的治理中得到了廣泛的應(yīng)用.

2 生物生態(tài)技術(shù)在河道治理中的應(yīng)用

2.1 跌水曝氣

污水的生物處理分為好氧和厭氧兩種類型，相較于好氧生物處理，厭氧生物處理在代謝水平和處理效能方面有很大的欠缺，且好氧生物處理過程中產(chǎn)生的臭味較少，故在城市河道的治理上多采用好氧生物處理.跌水曝氣就是通過跌水增氧促進(jìn)水中好氧微生物的生長代謝，借助好氧微生物的分解作用實(shí)現(xiàn)水體的凈化[18].就河道的水質(zhì)凈化方面而言，跌水曝氣主要有自然跌水曝氣和人工強(qiáng)化跌水曝氣兩種形式.

自然跌水曝氣主要在水體的自凈中起強(qiáng)化作用，強(qiáng)化作用主要表現(xiàn)在水體在流動的過程中，由于地形的原因產(chǎn)生跌水復(fù)氧，不斷地補(bǔ)充好氧微生物在分解污染物時(shí)所消耗的溶解氧，增強(qiáng)微生物的分解作用，從而使水體得到凈化.重慶武隆仙女山鎮(zhèn)開發(fā)了一種集污水收集、輸送和處理為一體的溝渠示范工程，該示范工程的兩條溝渠全長共1.83 km，跌落總高度分別達(dá)到87.6 m和88.4 m，在兩年運(yùn)行期間，出水能夠達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)[19].坐落在萊茵河畔威斯巴登市錫約石臺因區(qū)的錫約石臺因水廠根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境，在地表水處理工藝段利用跌水曝氣臺階進(jìn)行預(yù)處理，在跌水復(fù)氧的過程中可以有效去除一些揮發(fā)性物質(zhì)[20].

大多數(shù)城市河道并沒有明顯的自然落差，所以在城市河道的水環(huán)境修復(fù)中多采用人工強(qiáng)化跌水曝氣.成都市區(qū)的錦江，即府南河，是成都的母親河，在整治過程中，為解決河道的復(fù)氧問題，利用7座橡膠壩，依次抬高水深至80 cm，達(dá)到良好的水質(zhì)凈化效果[21].昆山市凌家浜河道水體浮萍、藻類較多，富營養(yǎng)化嚴(yán)重，且有明顯的黑臭現(xiàn)象，在治理過程中，設(shè)置了河道曝氣系統(tǒng)，以確保河道水生動植物正常的生理代謝[22].

跌水增氧的水質(zhì)凈化方法常與浮床、沉床等技術(shù)聯(lián)用，通過河道曝氣、提水曝氣等形式凈化水體的同時(shí)，也為浮床或沉床植物的生長提供必要的能量.衛(wèi)津河是天津市的一條主要的二級景觀河道，全長22.6km，由于河道的不流動，河底淤積的大量底泥使水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化，在其治理過程中通過噴泉曝氣和人工浮床等技術(shù)對河道進(jìn)行水質(zhì)凈化（見圖1），已取得顯著效果，并在海河等天津主要河道得到推廣[23].

跌水的曝氣方式因設(shè)備和維護(hù)費(fèi)用低且可作為城市景觀，在河道的水質(zhì)凈化中常被采用，它可以因地制宜設(shè)計(jì)，有效避免破壞原有的地形地貌和生態(tài)平衡，但對于較為平坦的地區(qū)而言，存在一定的局限性.另外，跌水曝氣系統(tǒng)通過將水體提升到一定高度再跌落，達(dá)到水體復(fù)氧的目的，但這會將水體中難聞的氣味帶入環(huán)境中造成二次污染，對周圍居民和市區(qū)環(huán)境帶來不良影響.所以跌水曝氣的水質(zhì)凈化方法在河道治理中的應(yīng)用必須根據(jù)河道地勢特點(diǎn)和水質(zhì)情況而定.

2.2 沉床技術(shù)

圖1 天津衛(wèi)津河河道治理工程

沉床技術(shù)是一種生物生態(tài)水體原位修復(fù)技術(shù)，其裝置主要由床身載體、人工基質(zhì)和水生植物3部分組成，水生植物多為挺水和沉水植物.載體和基質(zhì)為水生植物的生長營造適宜的環(huán)境條件，且可根據(jù)水體深度和透明度調(diào)控沉床載體的高度，克服水深和透明度等因素對水生植物的不良影響.水生植物及植物體表面的微生物通過吸收凈化、釋氧復(fù)氧、化感和克藻作用以及兩者間的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)水體凈化和生態(tài)環(huán)境修復(fù)的目的[24].

天津市為解決城市河道面臨的諸多問題，在外環(huán)河建立水生生物修復(fù)技術(shù)研究示范工程，主要以沉床和浮床為代表[25].在沉床技術(shù)的研究中，李金忠等[26-27]先后設(shè)計(jì)出模塊化氣懸調(diào)節(jié)式和氣浮調(diào)節(jié)式的人工沉床水體凈化裝置，主要用于富營養(yǎng)化水體的生態(tài)修復(fù)，并在外環(huán)河試驗(yàn)成功，建立了人工沉床的示范工程.陳磊等[28]在沉床微宇宙的研究中，從可控因素對沉床微宇宙的影響著手，重點(diǎn)研究各因素對受污染水體凈化效果的影響，并在天津市外環(huán)河大學(xué)城段建立城市水環(huán)境改善與水源保護(hù)示范工程.張敏等[29]設(shè)計(jì)了一種植物-微生物組合式生態(tài)沉床，在沉床技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用生物接觸氧化法的原理，有效地修復(fù)了富營養(yǎng)化水體.崔靜慧等[30]設(shè)計(jì)研發(fā)了一種生態(tài)沉床-浮床耦合的雙定位生態(tài)沉床設(shè)備，在紀(jì)莊子河道示范運(yùn)行期間TN，NO3--N，TP和溶解性正磷酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別下降了39.4%，72.1%，34.4%和52.7%.錢珍余等[31]利用半浮式沉床技術(shù)修復(fù)城市污染河道也取得了良好效果.

沉床技術(shù)采用的模塊化組合，更有利于實(shí)現(xiàn)種群優(yōu)化，且在人工操縱和后期的維護(hù)與管理方面更加靈活；其次，沉床技術(shù)的載體部分設(shè)計(jì)有浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可根據(jù)需要人為地調(diào)節(jié)沉床在水面以下的深度，避免因河道水深和透明度等因素影響水生植物的生長，相較于水底直接種植的傳統(tǒng)方法，有效降低了植物的初期死亡率；同時(shí)，沉床因其在水面下靈活可控的高度，對一些如透明度低、水位較深的特殊污染水體有明顯的優(yōu)勢和應(yīng)用價(jià)值.但沉床技術(shù)在選材、床體結(jié)構(gòu)和水位調(diào)節(jié)方面也存在著一定困難，而且大多數(shù)的沉床技術(shù)只適宜種植沉水和挺水植物，較為單一的植物類別不利于河道水體本身生態(tài)種群的恢復(fù)[32].

2.3 浮床技術(shù)

浮床技術(shù)又被稱為生物浮島技術(shù)或人工浮床技術(shù)，是利用現(xiàn)代農(nóng)藝中的水面無土種植技術(shù)結(jié)合生態(tài)工程措施達(dá)到水環(huán)境修復(fù)的目的[33].浮床植物通過植物根系的吸收、截留、泌氧作用和根區(qū)微生物的降解作用以及植物對藻類的抑制作用等一系列物理、化學(xué)和生物作用將水體中的有機(jī)物以及N，P等營養(yǎng)成分吸收分解，然后再通過植物體收割，達(dá)到使水中污染物脫離水體的目的，有效凈化水質(zhì)，防止水體的富營養(yǎng)化，具有較好的環(huán)境美化效果[34].

20世紀(jì)90年代，浮床技術(shù)在處理微污染水體和改善水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象等方面得到應(yīng)用.我國也于90年代對人工浮床進(jìn)行研究：1991年宋祥甫等[35]在生態(tài)浮床及其應(yīng)用的研究中，分別在北京、上海、杭州、無錫等地的城區(qū)污染河道進(jìn)行生態(tài)浮床治理試驗(yàn)，這一舉措為我國浮床技術(shù)今后的研究和發(fā)展提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn).北京在2002年第一次利用浮床技術(shù)對什剎海和永定河的受污染水體進(jìn)行治理，使水體異味明顯減弱，透明度顯著提高，且部分水體消除了藍(lán)藻富營養(yǎng)化現(xiàn)象.同年，中國環(huán)境科學(xué)院在對太湖五里湖生態(tài)的治理中，設(shè)置了占水面積30%的生態(tài)浮床，使水體透明度顯著提高，氮磷含量明顯下降.2005年，上海市寶山區(qū)匯豐河實(shí)施了浮床技術(shù)改善水質(zhì)的工程，經(jīng)過浮床植物的凈化，河道黑臭現(xiàn)象基本消失，NH4+-N，TP，COD的平均去除率分別達(dá)到69.9%，80.7%和63.5%.2009年，杭州市古新河環(huán)城西路至文暉路局部河段也實(shí)施了該工程，凈化結(jié)果顯示，河段內(nèi)NH4+-N，COD相比前一年同時(shí)段有所降低，溶解氧含量升高，與非示范河段相比，水體修復(fù)效果顯著.2010年第16屆廣州亞運(yùn)會將生態(tài)浮床作為一種綜合性的綠色技術(shù)，在凈化河道水質(zhì)的同時(shí)，使河道更顯靈氣，與岸上的園林景觀巧妙融合，體現(xiàn)了人與自然的和諧相處，如圖2所示，即為亞運(yùn)會蓮花灣升旗廣場沿岸的浮床景觀.嘉興市針對河道N，P，COD普遍含量高的“肥水”特征，截止2013年先后在17條河道上布設(shè)了生態(tài)浮床，有效地降低了河道的“肥質(zhì)”.

圖2 廣州亞運(yùn)會蓮花灣升旗廣場沿岸浮床景觀

近年來，佛山市南海鹽步大涌生態(tài)修復(fù)工程[36]、寧夏引黃灌區(qū)污染河道生態(tài)修復(fù)工程[37]和建昌縣中小河道生態(tài)修復(fù)工程[38]等多以生態(tài)浮床為主，使河道水體得以凈化，河道生態(tài)系統(tǒng)有效恢復(fù).另外，在浮床類型的選擇上，林海等[39]利用復(fù)合型生態(tài)浮床實(shí)現(xiàn)了河道重金屬污染的凈化，李云等[40]利用組合型生態(tài)浮床實(shí)現(xiàn)了對富營養(yǎng)化景觀水體的凈化.

浮床作為一種原位水體修復(fù)技術(shù)，有著不占耕地、景觀效果好、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、修復(fù)作用持久及不添加其他化學(xué)藥劑等優(yōu)點(diǎn).在水體污染物的去除上，對N，P和有機(jī)物具有很好的去除效果，較適用于富營養(yǎng)化和微污染水體.但浮床技術(shù)需人工進(jìn)行操作，日常的管理和后期的維護(hù)困難.現(xiàn)有的浮床技術(shù)多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)和研究狀態(tài)，如何標(biāo)準(zhǔn)化地推廣新型高效的浮床技術(shù)也是亟待解決的問題之一[41].

2.4 人工濕地

人工濕地是人工建造和運(yùn)行的與沼澤地類似的濕地系統(tǒng)，既可以凈化污水，也可以處理污泥.在整個濕地的運(yùn)行中，除了濕地植物的吸收凈化和微生物的分解代謝作用外，濕地的土壤，即基質(zhì)填料在為植物和微生物提供適宜的生長條件外，還可利用其物理化學(xué)吸附、沉降絡(luò)合等特性參與到水體的凈化中[42].人工濕地主要有表面流濕地（surface flow wet-land，SFW）、潛流濕地（subsurface flow wetland，SSFW）和垂直流濕地（vertical flow wetland，VFW）3種結(jié)構(gòu)類型，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示.其中，將一個垂直流人工濕地床體稱為簡單垂直流人工濕地（S-VFCW），將兩個單一垂直流人工濕地串聯(lián)構(gòu)成的人工濕地稱為復(fù)合垂直流人工濕地（I-VFCW）[43].

圖3 人工濕地示意圖

人工濕地利用植物的吸收、氨的揮發(fā)、介質(zhì)的吸附以及微生物的反硝化進(jìn)行脫氮，在基質(zhì)、濕地植物和微生物的共同作用下除磷，通過好氧降解與厭氧降解完成有機(jī)污染物的去除，從而達(dá)到河道水質(zhì)凈化的目的[44].現(xiàn)如今，我國已有多條河道修建了人工濕地及人工濕地與其他工藝相結(jié)合的工程以達(dá)到河道的水質(zhì)凈化和生態(tài)修復(fù)的目的，部分工程如表1所示.

人工濕地技術(shù)作為一種高效率、低能耗，與自然和諧相處的河道水質(zhì)凈化技術(shù)，從引入我國至今不到30 a的時(shí)間里，無論在理論研究還是工程應(yīng)用上，都在不斷地完善和加強(qiáng)，且因其較低的投資和運(yùn)行成本也越來越受到人們的重視，取得了一定成果，但該技術(shù)占地面積較大，基質(zhì)容易堵塞，且功能較為單一，發(fā)展步伐相對緩慢，在我國很難做到大面積推廣.另外在對植物的選擇、環(huán)境的控制以及微生物響應(yīng)機(jī)制等方面都不夠成熟，還需要做進(jìn)一步的研究與探索，在污染負(fù)荷、溶解氧和溫度等影響因素的控制方面，人工濕地技術(shù)還有待于進(jìn)一步完善[45].

表1 人工濕地在我國河道水質(zhì)凈化中的部分應(yīng)用工程

3 展望

利用生物生態(tài)的方法凈化河道水質(zhì)，在提升了城市環(huán)境質(zhì)量的同時(shí)，也將可持續(xù)發(fā)展理念融入到城市河道水體生態(tài)恢復(fù)中，符合人與自然和諧相處的理念，雖然在某些方面還存在著不足，但仍是大勢所趨.在今后的工程實(shí)施中，在遵循其生態(tài)學(xué)和季節(jié)性變化規(guī)律的同時(shí)，更應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)的研究和交流，采用多元化的凈水方法，將兩種甚至多種生物生態(tài)法聯(lián)合應(yīng)用，充分發(fā)揮其協(xié)同性，因地制宜，由點(diǎn)及面，逐步推廣.另外，后期的管理也是河道治理的關(guān)鍵，它決定著生物生態(tài)法的生命力，制定出適合中國社會發(fā)展的管理體系也將是今后工作的重點(diǎn).