暗涵區(qū)水生態(tài)修復(fù)技術(shù)綜述

＊楊國(guó)寧 范巍 謝長(zhǎng)福 丁耀華 馮朝娜 王霏 尚靜藝*

（1.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司 天津 301700 2.河南省愛(ài)可沃德生態(tài)科技有限公司 河南 450199）

引言

近年來(lái)，城市黑臭水體污染已然成為當(dāng)前社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)話題，也是各級(jí)政府進(jìn)行環(huán)境污染整治的重要內(nèi)容。我國(guó)“十四五”規(guī)劃要求，完善水污染防治流域協(xié)同機(jī)制，加強(qiáng)城市水體綜合治理，推進(jìn)美麗河湖保護(hù)與建設(shè)，氨氮排放總量下降8%，基本消除城市黑臭水體。根據(jù)國(guó)務(wù)院實(shí)施的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，到2030年城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除的要求，黑臭水體的治理雖然已經(jīng)取得成效，但仍任重道遠(yuǎn)。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)和生活污水總量也迅猛增加，再加上監(jiān)管力度不足，城市垃圾無(wú)序堆積，面源污染徑流匯入，大量源頭或小型河道裁彎取直，明渠加蓋或被箱涵替代導(dǎo)致天然的河道環(huán)境被擠壓而產(chǎn)生暗涵式黑臭水體。天然河渠在轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵掳岛?，由于缺乏光照和充足的溶解氧，?huì)造成大量的好氧微生物消亡，加速厭氧細(xì)菌繁殖，引起河道生態(tài)功能退化。如果不加以整治，不僅直接影響水體質(zhì)量，更會(huì)誘發(fā)各種矛盾和問(wèn)題，直接影響生態(tài)平衡發(fā)展以及人類(lèi)健康生活。

因此，本文通過(guò)對(duì)暗涵區(qū)水生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和主要的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行分析，從“道法自然”的角度出發(fā)，在暗涵區(qū)水生態(tài)治理常規(guī)措施的基礎(chǔ)上，就近年來(lái)產(chǎn)生的新興技術(shù)在暗涵水生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行討論，以期對(duì)暗涵區(qū)水質(zhì)改善策略提供新思路。

1.暗涵治理現(xiàn)狀

目前，在水利、水生態(tài)和水環(huán)境領(lǐng)域，針對(duì)于暗涵區(qū)的水生態(tài)治理研究，國(guó)內(nèi)外關(guān)注度相對(duì)較少。國(guó)內(nèi)的暗涵管理現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，水質(zhì)比明渠斷面普遍較差，甚至部分暗涵已經(jīng)失去了其水利和水生態(tài)功能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)界和工程界對(duì)暗涵區(qū)水污染治理技術(shù)也在不斷地探索和積累。我國(guó)主要將其歸于黑臭水體治理的范疇，而非采用GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)?！冻鞘泻诔羲w整治工作指南》提出的基本治理路線為“控源截污、內(nèi)源治理；活水循環(huán)、清水補(bǔ)給；水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)”。暗涵區(qū)水生態(tài)的治理方式主要有暗涵清淤、控源截污、生態(tài)修復(fù)等。

(1)暗涵清淤

由于部分污染物沉積在底部堆積，形成暗涵淤泥，不少學(xué)者在暗涵淤泥清理方面取得了很大的進(jìn)展，并在國(guó)內(nèi)進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。宗可喜等[1]采用人工清除深圳市福田區(qū)的暗涵淤泥取得了良好的效果。人工清淤方式施工方便靈活、可操作性強(qiáng)，但施工效率較低，并且由于暗涵封閉環(huán)境中常積淤泥與混排進(jìn)入的污水相互作用，極易產(chǎn)生有毒有害氣體和易燃易爆氣體，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。為了提高工作效率和保護(hù)工作人員安全，陳振翔[2]對(duì)深圳市寶安機(jī)場(chǎng)北排渠暗涵清淤采用機(jī)械化施工。機(jī)械化清淤雖然效率高，暗涵內(nèi)施工用人少，但施工區(qū)水深要求高，主要用于大型暗涵的清淤作業(yè)。隨著科技的不斷進(jìn)步，張磊等[3]利用一種能夠進(jìn)入箱涵內(nèi)部進(jìn)行清淤作業(yè)的清淤機(jī)器人進(jìn)行淤泥清理，但機(jī)器人清淤受限于暗涵涵體尺寸，并且如果是淺泥段作業(yè)，利用清淤機(jī)器人的綜合成本較高。針對(duì)于以上三種淤泥清理方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)不同的施工條件采用合理的方式進(jìn)行淤泥處理。

(2)控源截污

單純地進(jìn)行暗涵區(qū)淤泥清理，并不足以解決根本問(wèn)題，區(qū)域土著生態(tài)在治理的同時(shí)亦被破壞，控源截污等前段預(yù)防就具有重要意義。對(duì)暗涵上游相關(guān)污染源分布和現(xiàn)狀進(jìn)行摸底分析，分類(lèi)管理，確保對(duì)上游水質(zhì)不產(chǎn)生負(fù)面影響。對(duì)暗涵上游和暗涵區(qū)的排污口和通過(guò)地表徑流引入水體的污染因素進(jìn)行嚴(yán)格管理，目標(biāo)是將外源性污染降到最低。段騰騰 等[4]認(rèn)為，針對(duì)暗涵型河道，最有效的方式是“打開(kāi)”，可對(duì)暗涵型河道的內(nèi)部末端實(shí)施截污，通過(guò)建造截污擋墻、暗涵底部局部抹平等多種手段，最終達(dá)到此類(lèi)水域水生態(tài)質(zhì)量提升的目的。王雙等[5]在其基礎(chǔ)上采用截污管對(duì)高密度建筑區(qū)的暗涵內(nèi)排污口進(jìn)行截流，實(shí)現(xiàn)了“清污分流”目標(biāo)，取得了一定的成效。

(3)生態(tài)修復(fù)

部分學(xué)者從生物修復(fù)等方面進(jìn)行了細(xì)致的研究。全為民等[6]研究發(fā)現(xiàn)采用放養(yǎng)食魚(yú)性魚(yú)類(lèi)來(lái)調(diào)控靠捕食浮游動(dòng)物為生魚(yú)類(lèi)的密度，可以達(dá)到控藻和改善水質(zhì)的目的。鄭歡等[7]以西安某村澇池為研究對(duì)象，采用微生物修復(fù)+人工曝氣對(duì)水體中NH3-N、DO、透明度進(jìn)行人工干預(yù)，66天后水體NH3-N 去除率可達(dá)73.52%，該技術(shù)可有效消除水體黑臭現(xiàn)象，水體自凈能力得到提升。牛美青等[8]主要分析了原位修復(fù)方法中的生物修復(fù)法對(duì)黑臭水體底泥的修復(fù)作用，發(fā)現(xiàn)光合細(xì)菌、反硝化細(xì)菌與生物促生劑對(duì)黑臭水體及底泥有一定的修復(fù)作用，同時(shí)反硝化細(xì)菌可提高脫氮速率。

2.暗涵區(qū)水生態(tài)修復(fù)新興技術(shù)

(1)微納米氣泡修復(fù)技術(shù)

近年來(lái)，學(xué)界在更高效、更生態(tài)的方式去治理黑臭水體領(lǐng)域進(jìn)行了探索，也可用于暗涵區(qū)水質(zhì)改善中。利用空氣或氧氣生成的微納米氣泡[9]由于具有尺寸小、比表面積大、水中停留時(shí)間長(zhǎng)、Zeta電位高、氧化性強(qiáng)、傳質(zhì)效率高、生物活性強(qiáng)、無(wú)二次污染等特性，使得水與底泥界面一直處于有氧狀態(tài)，不出現(xiàn)厭氧層，相比于其他宏觀氣泡具有更高效的修復(fù)環(huán)境水體的性能[10]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)亦可證明微納米氣泡可顯著提高氧氣傳質(zhì)速率，加快對(duì)地下水污染物的去 除[11]。曝氣是好氧生物處理中的重要環(huán)節(jié)，其主要作用是提供微生物生化作用所需的溶解氧[12]。段相鋒等[13]研究出了一款新型微納米曝氣機(jī)來(lái)治理黑臭水體，可以實(shí)現(xiàn)智能操控、高曝氣效率，氧利用率在90%以上。Ben Chen等[14]采用傳統(tǒng)活性污泥法在缺氧-好氧（AO）工藝中引入微納米氣泡（MNBs），發(fā)現(xiàn)MNBs對(duì)水中COD、NH4+-N的去除有明顯促進(jìn)作用，MNBs提供了較高的溶解氧，促進(jìn)了絮狀污泥向生物膜的轉(zhuǎn)化。MarwaSakr等[15]研究表明，MNBs可以提高傳質(zhì)效率，可以用于對(duì)廢水中有機(jī)物、油類(lèi)、真菌和細(xì)菌、重金屬、總氮和總磷消減。

微納米氣泡除了可以增加水體的溶解氧，還對(duì)微生物起到一定的調(diào)節(jié)作用，從而進(jìn)一步提升水質(zhì)。鄭晉等[16]研究了微納米氣泡對(duì)池塘微生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)對(duì)水體微生物種群的多樣性的調(diào)節(jié)可以進(jìn)行水質(zhì)改善。王碩等[17]研究了微納米氣泡對(duì)水體和底泥內(nèi)的微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了影響，微納米氣泡曝氣對(duì)污染物降解的促進(jìn)作用更好，微納米氣泡曝氣使好氧微生物成為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌種，從而加速了水體內(nèi)污染物的降解。

(2)植生修復(fù)技術(shù)

植生修復(fù)技術(shù)越來(lái)越多地被用于水生態(tài)治理領(lǐng)域，在暗涵區(qū)常有分布。常見(jiàn)的水生植物有蘆葦、菖蒲、鳳眼蓮、睡蓮、苦草等。某些水生植物可以將污染物質(zhì)固定在生物體內(nèi)，以富集氮、磷、重金屬等污染物質(zhì)[18]。劉海琴等[19]通過(guò)設(shè)置動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)，分析比較了浮葉植物鳳眼蓮和水浮蓮、沉水植物輪葉黑藻和挺水植物黃菖蒲對(duì)村鎮(zhèn)生活污水廠尾水深度凈化效果，結(jié)果表明：尾水水質(zhì)得到明顯改善,鳳眼蓮和水浮蓮對(duì)尾水氮、磷的凈化效果優(yōu)于挺水植物黃菖蒲和沉水植物輪葉黑藻。張雪[20]研究了添加氧化劑和促生劑后的苦草與單獨(dú)種植苦草對(duì)水體黑臭的削減作用。發(fā)現(xiàn)添加氧化劑或促生劑之后，對(duì)黑臭水體的治理效果顯著，降低了沉積物中N、P的含量。Belloa等[21]研究了蘆葦對(duì)污染水體中鎘、鉛、鎳處理能力，研究結(jié)果表明：在6周內(nèi)，對(duì)Pb的去除率可達(dá)到95%，Cd去除率為93%，Ni去除率為84%。Rizzo等[22]研究出山茱萸和水滑子葉可以在高有機(jī)負(fù)荷飼料場(chǎng)廢水中有效去除有機(jī)物和重金屬。在治理含多環(huán)芳烴污水的實(shí)驗(yàn)中，利用喬、灌、草等植物形成復(fù)雜群落結(jié)構(gòu)的植物修復(fù)效果較單用某種植物的效果更佳，可將污水當(dāng)中90%以上的多環(huán)芳香烴化合物清除[23]。

(3)FEST集成處理系統(tǒng)在暗涵區(qū)水生態(tài)保護(hù)中的應(yīng)用

FEST集成處理系統(tǒng)基于五效立體富營(yíng)養(yǎng)化集成處理技術(shù)（Five Effectively Stereo Technique For The Integrated Treatment Of Eutrophication），主要用于河、湖、庫(kù)及近海岸帶水生態(tài)修復(fù)及可持續(xù)保障作業(yè)，是由致密液膜和工程用大型微納米氣泡發(fā)生技術(shù)、植生修復(fù)及生態(tài)構(gòu)建技術(shù)等集成的智能化重型裝備系統(tǒng)，包括水質(zhì)保障、離網(wǎng)供電、航道指揮、環(huán)境監(jiān)測(cè)四個(gè)子系統(tǒng)及一個(gè)智能控制中心。該系統(tǒng)中的“五效”即為五種協(xié)同機(jī)理，包括中下層除藻、水體氮磷脫除、底質(zhì)減量化、滿足生態(tài)氧需求、維持穩(wěn)定的生境躍層（保護(hù)水體土著生態(tài)）[24]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水生態(tài)可持續(xù)保護(hù)技術(shù)、綠能支撐技術(shù)、無(wú)人駕駛技術(shù)、智慧物聯(lián)技術(shù)的總成，排水量幾噸至幾十噸不等，填補(bǔ)了我國(guó)水生態(tài)領(lǐng)域智能化重型裝備的空白，已被用于中大型水域的水生態(tài)修復(fù)作業(yè)中。

FEST集成處理系統(tǒng)中的花島式裝備已經(jīng)在衡水湖王口閘暗涵區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，經(jīng)過(guò)一周左右的修復(fù)作業(yè)，試驗(yàn)區(qū)水質(zhì)高錳酸鹽指數(shù)得到了明顯改善，兩周以后總氮和總磷指標(biāo)也開(kāi)始明顯下降。在暗涵區(qū)域包括其附近水域，利用主體設(shè)施、黃菖蒲等挺水植物、亞洲矮生苦草等沉水植物共同作用來(lái)改善水質(zhì)，氧通過(guò)氣膜和液膜從而進(jìn)入液體中，傳質(zhì)效果的重要因素之一是氧分壓，液膜是影響氣液傳質(zhì)的重要 因素[25]?？梢岳靡耗?lái)提升暗涵區(qū)域水體的氧化還原電位，從而進(jìn)一步的降解還原性有機(jī)污染物，除此之外，前文植生修復(fù)結(jié)果也表明黃菖蒲等挺水植物具有對(duì)水體污染物有富集作用、可以去除水體中N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和一些重金屬物質(zhì)的特性。微納米氣泡對(duì)植生修復(fù)亦有協(xié)同促效作用，張揚(yáng)等[26]探究微納米氣泡水對(duì)黃菖蒲生長(zhǎng)發(fā)育的影響。發(fā)現(xiàn)微納米氣泡對(duì)黃菖蒲有明顯的促長(zhǎng)作用，從根長(zhǎng)分布、葉綠素含量、相對(duì)電導(dǎo)率以及超氧陰離子產(chǎn)生速率等數(shù)據(jù)比較，實(shí)驗(yàn)組均優(yōu)于對(duì)照組，表明微納米氣泡有利于黃菖蒲生長(zhǎng)。

本課題組[25]利用五效立體富營(yíng)養(yǎng)化集成處理系統(tǒng)及植生輔助技術(shù)，設(shè)計(jì)了一座暗涵水生態(tài)修復(fù)模型及暗涵區(qū)水質(zhì)改善模擬系統(tǒng)。一方面提升了水體溶解氧，保證了好氧微生物的高活性，強(qiáng)化了暗涵區(qū)好氧菌團(tuán)的穩(wěn)定性；另一方面提高了水體的氧化還原電位，促進(jìn)水體中還原性有機(jī)物的降解，暗涵區(qū)的黃菖蒲和矮生苦草生長(zhǎng)旺盛，亦可輔助性提升水質(zhì)。

3.結(jié)論

綜上所述，可以用于暗涵區(qū)水域的水生態(tài)修復(fù)和保護(hù)的方法多種多樣，各有優(yōu)缺，要充分考慮到暗涵區(qū)所屬地的地質(zhì)、水文、氣候等條件，以及暗涵功能要求、補(bǔ)水情況、污染源分析等進(jìn)行具體情況具體分析和實(shí)施。接近自然規(guī)則的方法越來(lái)越被鼓勵(lì)采用，如通過(guò)物理-植物-微生物協(xié)同作用的原位低成本智能化修復(fù)工藝，比傳統(tǒng)的人工清淤等方法具有安全性好、成本低、功能性高、景觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)智能化管理運(yùn)營(yíng)，可以很好實(shí)現(xiàn)暗涵區(qū)及其附近水域水質(zhì)的指標(biāo)改善和水生態(tài)的可持續(xù)保障，通過(guò)暗涵區(qū)的水體不但不會(huì)給下游帶來(lái)環(huán)境壓力，在減少水體污染負(fù)荷的基礎(chǔ)上，景觀性亦有大幅提升，帶來(lái)良好的社會(huì)效益和生態(tài)效益。