城市黑臭河道的生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

常越亞

上海市環(huán)境保護(hù)事業(yè)發(fā)展有限公司

0 引言

城市文明的孕育離不開(kāi)城市河道，它不僅為城市防洪抗?jié)?、提供水源，并且具有調(diào)節(jié)氣候的功能，推動(dòng)了城市的建設(shè)[1]。但是，由于城市的快速發(fā)展和管理不善等問(wèn)題，外源污染大量進(jìn)入水體，破壞水生態(tài)系統(tǒng)平衡，導(dǎo)致水體功能無(wú)法發(fā)揮作用，引起水質(zhì)惡化[2]。除外源污染外，還有河道未得到定期疏浚導(dǎo)致底泥淤積嚴(yán)重成為內(nèi)源污染，釋放大量污染物（甲烷、氮?dú)?、硫化氫、錳鐵硫鹽等）進(jìn)入河水，直接影響河流生態(tài)健康[3,4]。有研究[5]指出，底泥吸附的污染物會(huì)與孔隙水發(fā)生交換反應(yīng)再次進(jìn)入水體，引發(fā)二次黑臭問(wèn)題，而這種再懸浮情況的出現(xiàn)會(huì)使水體的黑臭和富營(yíng)養(yǎng)化程度加重和延續(xù)。

黑臭水體的分布具有范圍廣且間斷的特征[6]，對(duì)周邊居民的正常生活和身心健康帶來(lái)危害，嚴(yán)重制約著生態(tài)文明城市的建設(shè)進(jìn)程，因此，城市黑臭河道的治理迫在眉睫。

1 生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)

相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，雖然我國(guó)生物-生態(tài)的修復(fù)起步較晚，但近年來(lái)，科研領(lǐng)域已經(jīng)越來(lái)越重視黑臭水體問(wèn)題，對(duì)其研究的深度也由最初的整體框架、理論探討向機(jī)理研究、修復(fù)技術(shù)轉(zhuǎn)變[7]。黑臭河道治理方法主要包括物理、化學(xué)、生態(tài)以及多方法組合應(yīng)用[7]，其中物理、化學(xué)方法有著處理效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是反彈性和長(zhǎng)效性難以保證[8-10]。因此，越來(lái)越多的研究學(xué)者把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到生態(tài)修復(fù)治理技術(shù)，因?yàn)橛卸囗?xiàng)研究[5,11,12]表明，通過(guò)微生物、動(dòng)物、植物等多體參與的生理過(guò)程來(lái)轉(zhuǎn)移、富集或降解污染物，凈化水質(zhì)，為生物的棲息繁衍創(chuàng)造適宜生境，從而恢復(fù)和重建有序健康的水體生態(tài)環(huán)境。

生物-生態(tài)的修復(fù)方法，其本質(zhì)是利用生態(tài)系統(tǒng)自身的恢復(fù)和調(diào)控能力,利用其自身規(guī)律實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的目的[7]。目前，主要有浮床技術(shù)、生態(tài)護(hù)岸帶技術(shù)、人工濕地技術(shù)、微生物強(qiáng)化技術(shù)、水生動(dòng)植物恢復(fù)與重建技術(shù)等[13]，這些技術(shù)因成本低、無(wú)二次污染等優(yōu)勢(shì)在河道治理方面有很大的發(fā)展?jié)摿?。在?shí)際應(yīng)用中，根據(jù)水環(huán)境污染程度和生態(tài)功能現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評(píng)估，決定選用哪種組合技術(shù)以實(shí)現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

1.1 曝氣增氧-生態(tài)凈化技術(shù)

大部分河道黑臭問(wèn)題是由厭氧環(huán)境導(dǎo)致。首先通過(guò)曝氣使河湖的水體溶氧環(huán)境改善，增強(qiáng)水動(dòng)力使水體內(nèi)部形成循環(huán)，加快懸浮物凝聚，然后沉降到河流底部。其次進(jìn)行微生物凈化，依托生物填料形成的生物膜，在推流和充氧的狀態(tài)下形成溶解氧梯度，生物膜表層、中部和內(nèi)部生長(zhǎng)大量好氧、兼氧及厭氧微生物，共同作用于水體中的有機(jī)污染物[14]。最后，輔之以駁岸建設(shè)，種植水生植物，逐漸形成穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)。

針對(duì)曝氣增氧環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)曝氣增氧由于氣泡形態(tài)大，在水中停留時(shí)間短，且不能滲入底泥中，處理效果相對(duì)較差。目前，微納米氣泡技術(shù)正被廣泛推廣應(yīng)用，原因是該技術(shù)有著粒徑小、水中停留時(shí)間長(zhǎng)、傳質(zhì)效果好等優(yōu)點(diǎn)[15]。但是，單獨(dú)利用微納米氣泡技術(shù)曝氣仍存在著污染物去除率和生物降解能力較低等缺點(diǎn)，因此，將微納米曝氣技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，可以提高污染物去除率，有效改善水體和底泥的微生物群落結(jié)構(gòu)。余恒等[16]采用“微納米氣泡復(fù)氧系統(tǒng)+活性生態(tài)自由基+復(fù)合菌酶修復(fù)劑+景觀生態(tài)浮床”生物-生態(tài)治理技術(shù)修復(fù)寧波市府溪河，運(yùn)行1年后，水中和駁岸帶多種挺水、沉水和陸生植物共生良好，水體污染物CODCr、NH4+-N、TP的平均去除率分別達(dá)到52.89%、77.84%、65.88%。

1.2 生物酶-生態(tài)復(fù)合技術(shù)

自然的凈化過(guò)程主要是依托土著微生物實(shí)現(xiàn)，但是由于污染物的過(guò)多進(jìn)入破壞了營(yíng)養(yǎng)鹽、溶解氧或其它電子受體的平衡，而使降解反應(yīng)進(jìn)程很慢。而生物酶，是一種有機(jī)的、含有酶類，并結(jié)合了非離子表面活性劑的高效凈化劑[17]。生物酶的加入，顯著提高了微生物的活性，促進(jìn)水中污染物質(zhì)快速分解成小分子化合物，并釋放出結(jié)合氧而提高了水中溶解氧含量，小分子物質(zhì)又易于微生物吸收利用，從而增加微生物豐度，輔之以生態(tài)技術(shù)，達(dá)到一種植物-動(dòng)物-微生物的生態(tài)動(dòng)態(tài)平衡。

1.3 光伏發(fā)電-生態(tài)處理技術(shù)

生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)雖然有多方面的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，但有關(guān)研究[18,19]也表明，其經(jīng)濟(jì)效益還有待提高，相較于生態(tài)優(yōu)勢(shì)，其相對(duì)較高的耗電量需重點(diǎn)權(quán)衡，尤其在一些不便鋪設(shè)電纜的地段。

在各種可再生能源中，太陽(yáng)能具有分布廣泛、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)排放CO2等溫室氣體，也不會(huì)產(chǎn)生SO2等有毒氣體，可以實(shí)現(xiàn)荒地的復(fù)墾，減少電網(wǎng)輸送，增強(qiáng)能源獨(dú)立[20]。水上光伏發(fā)電應(yīng)用最多的國(guó)家是日本，中國(guó)在2013年嘗試將光伏發(fā)電用于漁業(yè)養(yǎng)殖，在養(yǎng)殖水域的上方搭建光伏發(fā)電站，水上發(fā)電，水下養(yǎng)殖，這是一種開(kāi)發(fā)清潔新能源的典型案例[21]。有研究[22]表明，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)土地的復(fù)合利用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益雙豐收。

河道有著大面積水域，在上面加裝太陽(yáng)能光伏板有著空間優(yōu)勢(shì)，并且部分治理方式需要加蓋抑制藻類生長(zhǎng)，太陽(yáng)能光伏板的搭建可以兼顧該功能。有研究[23]表明，水面光伏發(fā)電處理水污染，能夠豐富水域的浮游生物群落、魚(yú)類種群、沉水植物種類，改善水生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和提高能量轉(zhuǎn)化效率，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)同作用。

2 結(jié)論與建議

光伏發(fā)電的設(shè)計(jì)必須充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂?、太?yáng)能傾角、負(fù)載水平及建筑美觀度等，不同的設(shè)計(jì)伴隨著不同的安裝難度，單位造價(jià)也會(huì)有差異。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，光伏發(fā)電用于河道生物-生態(tài)處理技術(shù)，不僅能夠提供新能源，還能為污水處理降本增效，具有明顯的社會(huì)和生態(tài)效益。尤其在碳達(dá)峰-碳中和提出的政策背景下[24]，光伏發(fā)電作為碳中和的方式之一，作為一種在負(fù)荷端替代電能的方式，可成為用于生物-生態(tài)治理河道的重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)，如何實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電與生物-生態(tài)治理河道技術(shù)的最優(yōu)配置將是下一步研究的關(guān)鍵點(diǎn)。