原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)在景觀水體水質(zhì)維護(hù)中的應(yīng)用

李屹昆 潘紅忠*，3 吳佐京通 習(xí)文祥 王家明

［1. 長江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100；2. 長江大學(xué)國際水生態(tài)研究院，湖北 武漢 430100；3. 清水華明（武漢）生態(tài)科技有限公司，湖北 武漢 430000］

1 引言

景觀水體常見的治理方式大多針對水中有機(jī)污染物進(jìn)行，如截污納管、曝氣增氧、生化藥劑、換水等［1］。在這些常見方法中，有的能對景觀水體起到較好效果，有的反而會(huì)給水體帶來二次污染，造成資源浪費(fèi)。在修復(fù)景觀水體的過程中，人們主要關(guān)注治理后的效果，后期維護(hù)往往被忽視。因此，在某些情況下，景觀水體在治理初期水質(zhì)較好，但是持續(xù)一段時(shí)間后，各類水質(zhì)指標(biāo)迅速下降，水質(zhì)逐步惡化。因此，水質(zhì)維護(hù)才是水體長期保持良好的關(guān)鍵。

2 景觀水體主要污染

由于景觀水體的封閉性，無穩(wěn)定水源，因此需要給水體定時(shí)進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。一般水源包括再生水補(bǔ)水和地表徑流，而這兩種補(bǔ)水方式容易給水體帶來更多的污染物質(zhì)。

2.1 再生水補(bǔ)水污染

根據(jù)GB/T 18921—2019《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》的要求，景觀補(bǔ)水水質(zhì)見表1。

表1 景觀環(huán)境用水的再生水水質(zhì)

如表1 所示，補(bǔ)水水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)并未達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在補(bǔ)水的同時(shí)，大量氮磷元素進(jìn)入水體，給水體富營養(yǎng)化提供了大量營養(yǎng)物質(zhì)，從而使得藻類爆發(fā)，其水體攜帶的病原體會(huì)給人體健康帶來威脅。以北京圓明園為例，自2007 年起以北京清河再生水廠的再生水作為補(bǔ)水水源，而其攜帶的病原微生物在水體內(nèi)部繁殖，其中糞大腸菌群、大腸桿菌、腸球菌的濃度與入水時(shí)相比均出現(xiàn)了明顯的增長［2］。

2.2 地表徑流污染

降塵和降水是將大氣污染物轉(zhuǎn)移到地面的主要過程，城市空氣質(zhì)量和氣象條件都會(huì)對大氣沉降產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響城市地表徑流［3］。馬學(xué)琳等［4］指出城市景觀水體地表徑流物理污染物以懸浮顆粒物為主，主要過程為降雨后水體攜帶路面顆粒污染物質(zhì)流入水體。陳玉成等［5］指出城市地表徑流中有機(jī)有毒污染物包括殺蟲劑、多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴等，主要來源于城市綠化施用農(nóng)藥、機(jī)動(dòng)車輛排放尾氣等。這些污染物質(zhì)進(jìn)入水體后導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，給藻類繁殖提供基礎(chǔ)物質(zhì)條件。綠化植物凋零后被帶入水體，腐爛時(shí)會(huì)持續(xù)消耗水體溶解氧，給厭氧生物提供繁殖環(huán)境，進(jìn)而導(dǎo)致水體黑臭。

3 景觀水體主要問題

3.1 藻類泛濫

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)［6-7］，Ⅱ類或優(yōu)于Ⅱ類水質(zhì)的水體也有爆發(fā)藻華的可能，水體富營養(yǎng)化并不是導(dǎo)致藻華現(xiàn)象的根本原因，水中的營養(yǎng)物質(zhì)往往是為藻華的爆發(fā)提供營養(yǎng)基礎(chǔ)。景觀水體補(bǔ)水時(shí)為了節(jié)約水資源，往往使用大量的再生水，而再生水本身就含有較高的總氮、總磷等營養(yǎng)物質(zhì)，從而導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，給藻類繁殖提供了營養(yǎng)基礎(chǔ)，而地表徑流所帶入的有機(jī)物質(zhì)，又因?yàn)榫坝^水體的封閉性無法釋放出去，使得景觀水體進(jìn)一步富營養(yǎng)化，最終導(dǎo)致藻類泛濫。

3.2 生態(tài)系統(tǒng)不健全

景觀水體通常是由人工建造或人工改造自然水體形成，食物鏈過于單一，生態(tài)系統(tǒng)容易崩潰［8］。例如水中的浮游生物對綠藻的濾食，抑制了綠藻的生長，藍(lán)藻在水體中逐漸占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢，從而導(dǎo)致藍(lán)藻成為優(yōu)勢種群，在其死亡時(shí)釋放出藻毒素，對飼養(yǎng)在景觀水體中的水生動(dòng)物造成威脅，從而導(dǎo)致水體感官效果急劇下降。水中微生物在分解死亡藻類和水生動(dòng)物時(shí)，會(huì)大量消耗水中溶解氧，加劇水體惡化，從而導(dǎo)致水體黑臭。

3.3 水體自凈能力不足

通常水體受污染后，在一段時(shí)間內(nèi)能夠通過一系列物理、化學(xué)、生物的方式，使水體恢復(fù)到污染前的狀態(tài)［9］。然而由于景觀水體的封閉性，加上缺乏穩(wěn)定且干凈的水源，污染物質(zhì)無法得到稀釋，使水體中污染物濃度遠(yuǎn)高于水體的自凈能力。同時(shí)，較弱的水動(dòng)力導(dǎo)致景觀水體自然復(fù)氧不足，無法為水中微生物提供足夠氧氣，好氧微生物活性較低，厭氧微生物活躍，而景觀水體中原有微生物未經(jīng)過馴化，生物降解能力不能滿足要求，無法在較短時(shí)間內(nèi)對污染物質(zhì)進(jìn)行生物降解，從而導(dǎo)致水體自凈能力下降［10］。

4 對策研究

4.1 原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)流程

景觀水體相對于自然水體而言存在面積較小、過于封閉、結(jié)構(gòu)單一、生態(tài)穩(wěn)定性差、水體易富營養(yǎng)化等問題［11］。對此，本研究提出了“原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)”，將多個(gè)單一技術(shù)進(jìn)行集成，對水體進(jìn)行綜合治理與維護(hù)，在滿足觀賞性的前提下，提高水體自凈能力，使水體長時(shí)間處在較為穩(wěn)定的狀態(tài)。原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)流程

4.2 原位閉環(huán)生態(tài)修復(fù)技術(shù)集成

在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在治理景觀水體時(shí)，某一項(xiàng)單一技術(shù)的應(yīng)用并不能起到很好的效果，反而會(huì)造成資源浪費(fèi)。因此，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M，將多個(gè)技術(shù)進(jìn)行集成，從多個(gè)角度綜合修復(fù)景觀水體，能較好地達(dá)到期望值。首先，使用絮凝技術(shù)將水中藻類和懸浮有機(jī)物絮凝沉降至水底；其次，在水底安裝曝氣盤和投放微生物，對絮體進(jìn)行降解；最后，種植水生植物，在提高觀賞效果的同時(shí)消耗水中營養(yǎng)物質(zhì)［12］。

4.2.1 改性原位土絮凝技術(shù)

市面常見的絮凝劑通過架橋作用與藻細(xì)胞形成網(wǎng)狀的絮體，從而沉淀，因此對藻華現(xiàn)象有著較強(qiáng)的處理效果，可以作為應(yīng)急處理手段［13］。周慶等［14］利用聚合氯化鋁（PAC）改性原位黏土對藍(lán)藻水華進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)PAC 改性原位黏土對水體藍(lán)藻細(xì)胞的去除率為96%，表明PAC 改性黏土的施用能有效控制水體中的藍(lán)藻濃度。

本研究將水體附近黏土用殼聚糖＋PAC 進(jìn)行改性處理，增加黏土吸附能力，而黏土的自重加快絮體的沉降速度，使藻類快速絮凝沉降，在較短時(shí)間內(nèi)降低葉綠素a 的數(shù)值。這一技術(shù)在提高絮凝效果的同時(shí)，減少了化學(xué)試劑的使用，降低了對水體的二次污染，能夠起到較好的應(yīng)急效果。在實(shí)驗(yàn)過程中，將改性原位土均勻投入景觀水體沉降120 min 后，即可絮凝沉降90%以上藻類，水體透明度大大提高，這說明用殼聚糖＋PAC 改性原位黏土能有效地絮凝除藻。

4.2.2 復(fù)合微生物菌劑

微生物技術(shù)對氨氮、總氮有著較強(qiáng)的處理效果。李延等［15］在北京小龍河排口處設(shè)置實(shí)驗(yàn)裝置投放復(fù)合微生物菌劑后，氨氮的去除率平均達(dá)到36.7%、總磷的去除率達(dá)到32.5%、總氮的去除率達(dá)到20.1%，還能有效對水中類蛋白有機(jī)質(zhì)進(jìn)行降解。

因此，微生物菌劑［16-17］是治理水體的常用手段，復(fù)合微生物菌劑是將多種微生物復(fù)合在一起形成菌群，從而高效降解水體污染物質(zhì)。因此，在水體的治理與維護(hù)中微生物必不可少。目前，市面上使用的菌群一般有來源有兩種，一種是在自然界中某一特定環(huán)境下篩選出的高效菌種，另一種是通過人工誘變得到的菌株。

4.2.3 層流曝氣復(fù)氧

曝氣技術(shù)能提高水體自凈能力。遲娟等［18］對福創(chuàng)溪—大排溝黑臭水體進(jìn)行治理，通過曝氣增氧等技術(shù)手段，8 個(gè)月后水體斷面溶解氧濃度均大于2 mg/L，氨氮濃度小于8 mg/L，透明度大于25 cm，達(dá)到消除黑臭的目的。

水體中的溶解氧是影響水質(zhì)的重要因素，有關(guān)研究表明［19］，溶解氧可以為好氧微生物提供生存所需的氧氣，使水中污染物由厭氧消化轉(zhuǎn)變成好氧反硝化，從而提升水體自凈能力和加快水體生態(tài)修復(fù)。工程實(shí)踐證明，曝氣對氨氮有著較好的去除效果，同時(shí)能提高水體透明度、消除水體異味。長江大學(xué)水生態(tài)研究院在常州藻港河黑臭河道治理案例［20］中開發(fā)層流曝氣富氧裝置，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生小氣泡帶動(dòng)底部水體向上移動(dòng)，使得水體上下循環(huán)，增加了自然富氧率，提高了水體溶解氧含量，較好地解決了水體黑臭問題。

4.2.4 水生植物種植

水生植物的種植可以吸收水中各類營養(yǎng)物質(zhì)，凈化水中污染物質(zhì)，同時(shí)起到良好的觀賞效果。常寶亮等［21］對比了6 種沉水植物對3 種不同氮磷濃度的凈化效果，發(fā)現(xiàn)在一定濃度范圍內(nèi)水生植物可以吸收富營養(yǎng)化水體中的氮、磷元素，從而促進(jìn)植物生長，其中苦草綜合治理效率最高。

在景觀水體中種植水生植物，植物的生長會(huì)消耗水體的營養(yǎng)物質(zhì)和抑制藻類生長，從而達(dá)到凈化水體的目的［22］。水生植物系統(tǒng)能夠有效抑制景觀水體中藻類的滋生，使水質(zhì)得到改善，而大型植物的化感作用可以抑制有害浮游植物的生長。長江大學(xué)國際生態(tài)研究所研發(fā)的“旋轉(zhuǎn)式浮法濕地”下掛生物膜，上種優(yōu)選水生植物，可提高水體自凈能力，抑制有害藻類過度增長，控制內(nèi)源污染物質(zhì)的釋放，為水生動(dòng)物提供了生存環(huán)境。

5 某景觀水池項(xiàng)目

5.1 項(xiàng)目簡介

本文研究的項(xiàng)目為某景觀水池，位于湖北省武漢市，其寬15.6 m，長25 m，面積約為390 m2，蓄水深度約為1 m。水池中生物以烏龜為主，最高峰時(shí)烏龜數(shù)量接近千只，水體散發(fā)異味，有輕微黑臭的現(xiàn)象，極大影響了景區(qū)環(huán)境和游客觀賞體驗(yàn)。

5.2 修復(fù)與維護(hù)

經(jīng)過調(diào)查，該項(xiàng)目主要污染源來自水生動(dòng)物的生理排泄和地表徑流污染，導(dǎo)致水體黑臭。對這一現(xiàn)象主要采用層流曝氣技術(shù)、復(fù)合微生物菌劑，增加水中溶解氧，提升水體自凈能力，提高水體觀賞效果，給水生動(dòng)物創(chuàng)造良好的生存環(huán)境。

5.2.1 層流曝氣裝置布置

曝氣技術(shù)相比其他技術(shù)而言，在維持水體透明度、消除水體異味方面有成本低與效果好等優(yōu)點(diǎn)。針對該景觀水池情況，于2021 年6 月29 日開始對其進(jìn)行施工治理，構(gòu)建層流曝氣系統(tǒng)，見圖2。該系統(tǒng)設(shè)置1 臺空壓機(jī)，在池內(nèi)均勻布置25 個(gè)曝氣190盤，使用外徑8 mm 的軟管連接，24 h 不間斷曝氣，帶動(dòng)底部水體向上循環(huán)，增加自然富氧效率，提高水體含氧量，消除水體異味。

圖2 曝氣盤布置

5.2.2 復(fù)合微生物菌劑投放

由于大量游客向水中烏龜投喂各種食物，以及動(dòng)物排泄超出水體自凈能力，因此水中含有大量有機(jī)物。針對此現(xiàn)象，采用清水華明（武漢）有限公司所生產(chǎn)的“清水一號”復(fù)合微生物菌劑。投放復(fù)合微生物前，使用0.3 m3的塑料桶加入2 kg 復(fù)合微生物菌劑，抽取景觀池水倒入桶中，使得最后總體積達(dá)到0.3 m3，攪拌均勻在陽光下活化1 h 后，投入該景觀水池內(nèi)。

曝氣3 d 后，水體中溶解氧含量上升，于2021年7 月2 日將活化好的微生物菌劑撒入曝氣盤四周，通過水體循環(huán)帶入水底，使得微生物在水中均勻擴(kuò)散。

治理過程中每天撒入2 kg“清水一號”，持續(xù)一周。曝氣裝置持續(xù)曝氣，定期取樣分析，觀察水質(zhì)指標(biāo)變化。

5.3 水質(zhì)檢測與分析

水質(zhì)指標(biāo)測定均使用國標(biāo)法：氨氮采用納氏試劑分光光度法測定［23］；總磷采用鉬酸銨分光光度法測定［24］；總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定［25］。使用SPSS 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，使用Origin2019進(jìn)行繪圖。

5.4 結(jié)果與討論

圖3 為維護(hù)期間該景觀水池中氨氮、總磷、總氮的變化情況。

圖3 維護(hù)期間水質(zhì)指標(biāo)的變化

由圖3 可知，治理工程實(shí)施后，氨氮、總氮、總磷含量均有所下降，其中，氨氮去除率最高達(dá)到88.67%，總氮去除率最高達(dá)到76.69%，總磷去除率最高達(dá)到53.23%。施工后2 個(gè)月水質(zhì)指標(biāo)處于穩(wěn)定，水體無異味，水中動(dòng)物生存環(huán)境改善，景觀效果逐漸改善，維護(hù)工程效果較好。

6 結(jié)論

采用長江大學(xué)集成修復(fù)技術(shù)中的“層流曝氣系統(tǒng)+復(fù)合微生物菌劑”對武漢市某景觀水池進(jìn)行修復(fù)，可以快速降低水體異味，恢復(fù)水體觀賞效果，降解水中污染物質(zhì)，提高水體自凈能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氨氮去除率達(dá)到88.67%，總氮去除率達(dá)到76.69%，總磷去除率達(dá)到53.23%，使景觀水體水質(zhì)指標(biāo)維護(hù)在可控范圍內(nèi)波動(dòng)，給水生動(dòng)物提供良好的生存環(huán)境。該項(xiàng)目對于景觀水體維護(hù)提供了參考依據(jù)和工程案例，具有一定的可行性。