白湖亭河水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)方案分析

林 航

(首創(chuàng)生態(tài)環(huán)境(福州)有限公司，福建 福州 350026)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，工業(yè)廢水和生活污水的排放量急劇增大，大量工業(yè)廢水和生活污水排放到城市河道，引起水質(zhì)惡化，甚至出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象[1]。城市黑臭水體不僅給群眾帶來了極差的感觀體驗(yàn)，也直接影響著群眾的生產(chǎn)生活[2]。在此背景下，國務(wù)院發(fā)布了《水污染防治行動計(jì)劃》，提出了“城市黑臭水體總體得到消除”的控制性目標(biāo)[3]，并開展了一系列黑臭水體整治專項(xiàng)行動。

在政策的引導(dǎo)下，黑臭水體治理取得了巨大的成效，但仍存在水體“復(fù)黑臭”現(xiàn)象，這是由于絕大多數(shù)的治理方案關(guān)注水體表面的感觀修復(fù)，忽視了對水體深層生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)，導(dǎo)致整體治理效果不佳[4-5]。通過構(gòu)建完整的水生態(tài)系統(tǒng)，可全面治理水環(huán)境污染，消除黑臭并使水體恢復(fù)生態(tài)自凈功能[6]。本文以福州市龍津陽岐水系中的白湖亭河道為例，對其水體生態(tài)修復(fù)方案進(jìn)行分析，以期為其他黑臭水體生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目提供思路。

1 白湖亭河基本情況

白湖亭河位于福州市倉山區(qū)和高蓋山片區(qū)，北起躍進(jìn)河流，經(jīng)南二環(huán)路、潘墩路、南三環(huán)路最終匯入義序河螺城段。白湖亭河長4.490km，河底高程2.5～3.2m，河寬8～30m，白湖亭河水系見圖1。白湖亭河兩岸為農(nóng)田和工業(yè)廠房，污水直排口眾多，導(dǎo)致白湖亭河水質(zhì)極差，整治前的水質(zhì)情況(2017年6月)見表1。

圖1 白湖亭河水系

表1 白湖亭河整治前水質(zhì)情況

2 白湖亭河水生態(tài)修復(fù)思路

白湖亭河是陽岐龍津水系的區(qū)域內(nèi)河，屬于流動性水體。造成白湖亭河黑臭的主要原因是市政管網(wǎng)建設(shè)不完善，周邊的生活污水、初期雨水直排入河，造成水體的外源污染。同時，河道水動力不足，調(diào)水換水效果差，污染物長期積聚，通過沉降或微粒的吸附作用進(jìn)入水體底泥，造成水體的內(nèi)源污染。要想徹底修復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)，修復(fù)方案必須分“兩步走”：先消除內(nèi)、外污染源，再進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)改造。因此，一方面要先阻止未經(jīng)處理的污水排入河流，以及消除河道自身的污染源；另一方面要與其他生態(tài)修復(fù)手段協(xié)同作用，改善水體環(huán)境，提升水體的自凈能力，才能確保白湖亭河水體黑臭不“復(fù)發(fā)”。

外源修復(fù)通過打造生態(tài)活性水岸，對直排入河的污水和雨水進(jìn)行截留和緩沖，同時對河道駁岸進(jìn)行改造，提高調(diào)水、換水能力。內(nèi)源修復(fù)通過底泥改良及凈化技術(shù)，引入微生物分解底泥污染物。在內(nèi)外源修復(fù)消除污染源的基礎(chǔ)上，繼續(xù)構(gòu)建良好的水體環(huán)境，通過增加曝氣設(shè)備和河道微地形改造，增加水動力，提高水體含氧量，改善水體動植物生長條件。最后通過在河道種植沉水、挺水、浮水三維水生植物提升水體自凈能力，進(jìn)一步提升水體環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)白湖亭河水體生態(tài)的徹底修復(fù)。

3 白湖亭河水生態(tài)修復(fù)方案

3.1 內(nèi)外源污染治理方案

3.1.1 生態(tài)活性水岸工程

打造生態(tài)活性水岸是解決白湖亭河外源污染的關(guān)鍵。生態(tài)活性水岸在滿足消除黑臭、防洪排澇、水資源調(diào)度等功能的前提下，融入生態(tài)河道的設(shè)計(jì)理念與技術(shù)，提高河道水體交換的能力，保護(hù)河道兩側(cè)自然植被，增加濱水動植物的生長，改善河網(wǎng)水質(zhì)，加強(qiáng)河道的整體生態(tài)功能[7]。

白湖亭河河道岸線布置在滿足泄洪能力要求的前提下，盡量遵循隨彎就彎、寬窄自然、河坡平緩、跌宕起伏的岸線布置原則。根據(jù)現(xiàn)場勘踏，白湖亭河道無完整駁岸結(jié)構(gòu)，兩岸違建侵河現(xiàn)象普遍存在，河道淤積嚴(yán)重，護(hù)岸設(shè)計(jì)主要是針對白湖亭河道進(jìn)行開挖和護(hù)岸結(jié)構(gòu)新建。白湖亭河位于城區(qū)內(nèi)，在城市化建設(shè)過程中未預(yù)留足夠的河道用地空間，河道寬度較窄，且兩岸房屋密集，拆遷工作難度較大，無法按照規(guī)劃河道藍(lán)線進(jìn)行建設(shè)。該河道只需滿足2年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)，因此采用梯形斷面型式。斷面采用生態(tài)袋護(hù)坡，坡腳采用松木樁加硬質(zhì)結(jié)構(gòu)護(hù)坡，木樁梢徑120～130mm，并與橫向木樁綁扎，形成穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)；生態(tài)袋內(nèi)填種植體，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)木G化景觀處理，實(shí)現(xiàn)親水與環(huán)保。

白湖亭河河道現(xiàn)狀及周邊的工程實(shí)施條件均滿足生態(tài)活性水岸的構(gòu)建要求，且全河段河道外源污染負(fù)荷較嚴(yán)重，因此方案擬定在白湖亭河全河段實(shí)施生態(tài)活性水岸改造工程，共建造生態(tài)活性水岸2129m3。將白湖亭河沿岸未能截留的雨水與市政尾水導(dǎo)入生態(tài)活性水岸，經(jīng)過初級水質(zhì)凈化后排入河道。同時生態(tài)活性水岸可有效攔截城市降雨徑流，有效削減面源污染，對水體中主要致黑臭污染物(總氮、總磷、硫化物)有明顯的削減效果。白湖亭河生態(tài)活性水岸治理前、后效果對比情況見圖2。

圖2 白湖亭河生態(tài)活性水岸治理前后對比

3.1.2 底泥改良及凈化工程

底泥改良及凈化工程是解決白湖亭河內(nèi)源污染的核心措施。白湖亭河由于長期污染，河道底泥污染負(fù)荷大、富營養(yǎng)化嚴(yán)重，為根治黑臭，恢復(fù)水體生態(tài)，需對白湖亭河道底泥進(jìn)行改良與凈化。底泥改良技術(shù)可在基本不破壞水體底泥自然環(huán)境的條件下，對富營養(yǎng)化的底泥進(jìn)行降解和修復(fù)。能夠在激活原有底泥環(huán)境中的土著微生物的同時，引入多種特效微生物及其生長所需要的營養(yǎng)來提高生物活性，因而可在原地快速分解黑臭污泥中的多種污染物，減少底泥內(nèi)源污染。

底泥改良及凈化技術(shù)主要采用水體凈化劑將微生物通過載體沉淀到河底，分解去除水底的氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽、硫化氫、含硫合物等成分和病原菌，去除淤泥、凈化水質(zhì)、水體增氧[8]。水體凈化劑在投撒后可沉入水底，覆于污泥表面，源源不斷地向水體釋放微生物，可對底泥起到長久的改善作用[9-10]。水體凈化劑投撒一段時間后，原生種質(zhì)生物開始生長，進(jìn)而出現(xiàn)水草和水生動物，水生態(tài)環(huán)境逐漸恢復(fù)。水體凈化劑具有在河道底部固著的能力，即使在流動水體中也不易流失。

對白湖亭河底污染釋放嚴(yán)重、污染沉積層較厚的區(qū)域采用生態(tài)活性污染隔離毯凈化技術(shù)，可隔離嚴(yán)重污染的底泥污染源，遏制污染物釋放；減少河底清淤工作量和污泥處理量；創(chuàng)造河底生物活性環(huán)境，消減氮、磷、硫化物等導(dǎo)致河流黑臭的污染物，提高溶解氧含量，改善河流生態(tài)效果顯著；在水流流動條件下，改善河流水質(zhì)。生態(tài)隔離毯具有覆蓋隔離污染底泥效果均勻穩(wěn)定、抗御水流沖蝕能力強(qiáng)、工程施工便利等特點(diǎn)。

治理方案為：在白湖亭河全河道投撒水體凈化劑，同時在重點(diǎn)河段鋪設(shè)生態(tài)隔離毯。白湖亭河底泥改良的效果見圖3。根據(jù)白湖亭河的長度與寬度，確定投撒密度為150～200g/m2，總投撒量為17.77t，生態(tài)隔離毯的鋪設(shè)面積為10500m2。

圖3 白湖亭河底泥改良的效果

3.2 水體環(huán)境改善方案

3.2.1 曝氣增氧工程

恢復(fù)水體耗氧-復(fù)氧平衡、提高水體溶解氧濃度是水生態(tài)恢復(fù)的前提。當(dāng)水體內(nèi)供氧和耗氧失衡時，水體缺氧乃至厭氧條件下污染物會轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生氨氮、硫化氫、揮發(fā)性有機(jī)酸等惡臭物質(zhì)以及鐵、錳、硫化物等黑色物質(zhì)。曝氣增氧是水體增氧的主要方法，能快速提高水體溶解氧，使水體環(huán)境在短期內(nèi)由厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化為好氧反應(yīng)，為好氧微生物與植物聯(lián)合凈化污染物提供了先決條件[11-12]。

方案擬采用景觀噴泉曝氣增氧技術(shù)(見圖4)為河道內(nèi)水體增氧，同時曝氣也可以適當(dāng)改善水體的水動力，提高水體的自凈能力。

圖4 景觀噴泉示意圖

在白亭湖河共布設(shè)景觀噴泉曝氣設(shè)備6臺：10.0kW機(jī)器2臺，2.2kW機(jī)器4臺，控制方式為PLC自動控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備開啟關(guān)閉自動化控制，減少人為維護(hù)。控制電纜沿河岸布設(shè)，外敷設(shè)DN40、DN50、DN80、PVC材質(zhì)穿線管保護(hù)，動力電源取電遵循就近原則?，F(xiàn)場實(shí)施效果見圖5。

圖5 景觀噴泉現(xiàn)場實(shí)施效果

3.2.2 河道微地形改造工程

對白湖亭河部分河段實(shí)施河道地形改造工程，使水生植物及微生物能夠正常生活繁衍，為下一步河流水生態(tài)初步修復(fù)及未來河流水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供條件。通過在河底合理地構(gòu)造深潭淺灘，使河水在適宜的河道內(nèi)流動時能夠呈現(xiàn)紊流態(tài)，形成天然的曝氣機(jī)制，使河流在沒有人為曝氣的情況下能夠自然地提高水體溶解氧含量。采用格賓石籠、塊石等對河道地形進(jìn)行改造，總體改造面積約為53000m2。

3.2.3 水生植物系統(tǒng)修復(fù)

水生態(tài)系統(tǒng)最關(guān)鍵的一個組成部分是水生植物，由于水環(huán)境與陸地土壤不同，水生植物的根可以蔓延無阻，根端不易受傷，同時水生植物無根冠、無根毛，整個根的表皮細(xì)胞都有吸收功能，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)中儲氣組織發(fā)達(dá)，因此水生植物在水中可直接吸收營養(yǎng)和水分，對水環(huán)境高度適應(yīng)。

水生植物可以吸收富營養(yǎng)化水域中的氮、磷，以供其生長發(fā)育，再通過植物收割，使水體中氮、磷物質(zhì)降低。另外，水生植物可以通過根部呼吸將氧釋放到沉積物中，影響沉積物的化學(xué)特性，促進(jìn)植物對礦物質(zhì)元素的吸收，減少沉積物中的礦物質(zhì)元素，從而提高水體質(zhì)量[13-14]。通常根據(jù)不同生態(tài)類型的水生植物的凈化能力及其微生物特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用由挺水、浮水、沉水植物及根際微生物等組成的人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[15]。挺水植物，如千屈菜、花葉蘆竹、花葉美人蕉等，以吸收水中的富營養(yǎng)物碳、氮為生，可消除水域中的富營養(yǎng)成分，大量種植挺水植物可加速對于營養(yǎng)鹽成分的吸收和凈化，從而降低水域中的富營養(yǎng)元素。沉水植物，如馬來眼子菜、黑藻、苦草等，通過光合作用，使水中溶解氧快速增加，每畝沉水植物相當(dāng)于一臺增氧機(jī)。浮水植物，如睡蓮、荇菜，阻止了底泥上翻，同時枝葉表面積很大，能有效吸附和沉降水中的浮泥、藻類等懸浮物，從而使水體透明度大大提高。

結(jié)合白湖亭河常水位較低及水深、河道流速等實(shí)際情況，方案以種挺水植物為主，輔以沉水和浮水植物。為修復(fù)河流水生植被系統(tǒng)，方案擬定在淺水區(qū)域水深小于0.5m范圍內(nèi)構(gòu)建挺水植物帶，在水深0.5～1.0m范圍內(nèi)構(gòu)建浮水植物帶，大于1.0m水深范圍構(gòu)建沉水植物帶，見圖6。挺水植物帶300m2，浮水植物帶6200m2，沉水植物帶36000m2?，F(xiàn)場實(shí)施效果見圖7。

圖6 水生植物種植斷面示意圖

圖7 白湖亭河水生植物種植效果

3.3 治理成效

通過打造生態(tài)活性水岸和采取底泥改良及凈化的內(nèi)外源污染治理措施，白湖亭的黑臭污染基本消除。在水生態(tài)系統(tǒng)改善方面，采用了曝氣增氧、河道微地形改造以及種植水生植物的聯(lián)合技術(shù)。因此，在內(nèi)外源治理方案和水體環(huán)境改善方案的協(xié)同作用下，生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)良好。整治后的水質(zhì)情況(2021年6月)見表2。整治后，白湖亭河的水體透明度由治理前的23cm提升至51cm，從感觀上說明水體整體由黑臭往清澈改變。水質(zhì)指標(biāo)COD由治理前的111mg/L降至35mg/L，去除率為68%；氨氮由30.30mg/L降至1.76mg/L，去除率為94%；TN、TP、SS、BOD5均有明顯的降低，去除率分別為94%、91%、76%、56%。此外，白湖亭河自凈能力、抗干擾能力也明顯增強(qiáng)，即使在少量污水溢流的情況下，其水質(zhì)仍能達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

表2 白湖亭河整治后水質(zhì)情況

4 結(jié) 語

水生態(tài)修復(fù)是黑臭水體治理中的最后一環(huán)，也是評價黑臭水體治理成效的重要指標(biāo)，與水體系統(tǒng)恢復(fù)的穩(wěn)定性直接相關(guān)。在實(shí)行水體生態(tài)修復(fù)前，要根據(jù)每條河道的特點(diǎn)，系統(tǒng)分析其黑臭水體水質(zhì)、水量特征及污染物來源，在“截污控源”基礎(chǔ)上，結(jié)合環(huán)境條件與控制目標(biāo)，篩選技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、效果明顯的技術(shù)方案，確定最終的水生態(tài)修復(fù)技術(shù)路線。

白湖亭河的水生態(tài)修復(fù)方案為：先通過打造生態(tài)活性水岸和底泥改良及凈化消除內(nèi)、外污染源，再通過曝氣增氧、河道微地形改造以及種植水生植物技術(shù)的聯(lián)合實(shí)施對其生態(tài)環(huán)境進(jìn)行改造提升。修復(fù)后，白湖亭河自凈能力明顯增強(qiáng)，水質(zhì)情況顯著提升，各指標(biāo)均符合地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，水體生態(tài)環(huán)境基本恢復(fù)。