城市污染湖泊原位生態(tài)修復(fù)效果分析

鄒紫然，胡細(xì)全，譚榮賢，潘江浚

（1.湖北大學(xué)，武漢 420062；2.武漢新天達(dá)美環(huán)境科技股份有限公司，武漢 430200）

湖泊作為重要的陸地景觀之一，具有防洪排澇、旅游娛樂、美化環(huán)境、改善城市生態(tài)環(huán)境等作用，是城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于城市生態(tài)建設(shè)具有重要意義。由于城市規(guī)模擴(kuò)大與人口劇增，大量污染物排入湖泊，導(dǎo)致湖泊中有機(jī)污染物和氮、磷濃度升高，水質(zhì)惡化[1]，目前我國(guó)大部分湖泊已出現(xiàn)不同程度的富營(yíng)養(yǎng)化問題[2]，2021年我國(guó)對(duì)210 個(gè)重要湖泊開展水質(zhì)監(jiān)測(cè)，Ⅰ類至Ⅲ類水質(zhì)湖泊（水庫(kù)）占72.9%，劣Ⅴ類占5.2%。開展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的209 個(gè)重要湖泊（水庫(kù)）中，貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊（水庫(kù)）占10.5%，中營(yíng)養(yǎng)占62.2%，輕度富營(yíng)養(yǎng)化占23.0%，中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)占4.3%[3]。隨著生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展，群眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益增強(qiáng)，城市水體環(huán)境改善的呼聲也日益高漲，因此城市富營(yíng)養(yǎng)化水體治理刻不容緩。

我國(guó)學(xué)者于20世紀(jì)開始研究湖泊生態(tài)修復(fù)[4-5]，經(jīng)過近40年的發(fā)展，湖泊水體生態(tài)修復(fù)研究取得較多的成果[6-7]，如上海市清澗公園中心湖[8]、武漢市南湖[9]等。武漢市北湖位于江漢區(qū)，20世紀(jì)90年代初為建設(shè)人工游泳池而鋪設(shè)硬質(zhì)底板，水體生態(tài)系統(tǒng)脆弱，自凈能力差，藍(lán)藻頻發(fā)。因此，有必要探究合適的生態(tài)修復(fù)方法，改善湖泊生態(tài)環(huán)境和居民居住環(huán)境。本文在北湖選擇一塊代表性區(qū)域采用生態(tài)濾池與水下森林組合方式進(jìn)行生態(tài)修復(fù)研究，通過比較生態(tài)修復(fù)試驗(yàn)區(qū)及外湖區(qū)平均水質(zhì)變化，探究該技術(shù)對(duì)城市污染湖泊的治理效果，為整體工程實(shí)施提供數(shù)據(jù)支撐，為城市污染湖泊生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 研究方法

北湖位于武漢市江漢區(qū)中部，為漢口后湖“遺湖”，水面面積約為9.4 hm2，岸線長(zhǎng)度約為1.3 km，規(guī)劃控制最高水位為19.23 m，與西湖均位于江漢區(qū)西北湖綠化廣場(chǎng)內(nèi)，湖泊功能為景觀娛樂、雨水調(diào)蓄、生態(tài)調(diào)節(jié)。北湖匯水范圍內(nèi)，現(xiàn)狀用地以居住用地、交通設(shè)施用地、商業(yè)服務(wù)設(shè)施用地及綠化廣場(chǎng)用地為主。北湖區(qū)域內(nèi)已有較完善的污水收集管網(wǎng)，管網(wǎng)完善率約達(dá)98%。根據(jù)河湖排口排查成果，北湖排口總數(shù)為7 個(gè)，其中，明顯雨水排口數(shù)為1 個(gè)，其他情況排口數(shù)為6 個(gè)。湖泊無新增入湖排污口及污水私自直排湖泊現(xiàn)象。但北湖為湖底硬化的非自然湖泊，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，水體自凈能力差，雖盡量減少外來污染并實(shí)施一些生態(tài)修復(fù)措施，但水體仍無法自行凈化污染物，只能靠不定時(shí)的換水來解決。換水耗費(fèi)較大，不能經(jīng)常進(jìn)行，污染物不斷累積容易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，如果遇上季節(jié)變化，溫度升高容易造成藍(lán)藻水華現(xiàn)象，嚴(yán)重影響湖泊生態(tài)環(huán)境和周邊居民生活環(huán)境。

選取北湖南側(cè)岸邊區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)，對(duì)硬質(zhì)湖底進(jìn)行破除，采用生態(tài)軟圍，以減少風(fēng)浪、魚類以及其他因素干擾，試驗(yàn)區(qū)面積約為200 m2。采取直接拋擲種植方式，試驗(yàn)區(qū)種植刺苦草，種植密度為108 株/m2，覆蓋率為50%，刺苦草高度約為25 cm。在試驗(yàn)區(qū)的岸邊安裝1 臺(tái)生態(tài)濾池設(shè)備，設(shè)備處理規(guī)模為20～50 m3/d，由脫氮除磷槽和不飽和碳槽組成，設(shè)備尺寸為1.80 m×0.75 m×1.60 m。用潛水泵從試驗(yàn)區(qū)內(nèi)抽水至試驗(yàn)設(shè)備，處理后排回，取水點(diǎn)和排放點(diǎn)設(shè)置在不同位置形成水循環(huán)。

北湖湖水生態(tài)調(diào)查點(diǎn)位分布如圖1所示，在試驗(yàn)區(qū)外均勻設(shè)置10 個(gè)點(diǎn)位。氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）、水溫等指標(biāo)的調(diào)查時(shí)間從2022年8月22日開始到2022年12月29日結(jié)束，濁度、葉綠素a、藍(lán)綠藻密度等指標(biāo)的調(diào)查時(shí)間從2022年9月13日開始到2022年12月29日結(jié)束，外湖區(qū)平均間隔10 d 檢測(cè)一次，試驗(yàn)區(qū)間隔2～3 d 檢測(cè)一次，遇到降雨等極端天氣增加檢測(cè)次數(shù)。COD、NH3-N、TN、TP 分析方法分別為重鉻酸鉀法、納氏試劑分光光度法、堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、鉬酸鹽分光光度法[10]，濁度、葉綠素a、藍(lán)綠藻密度均采用便捷式葉綠素藍(lán)綠藻二合一檢測(cè)儀（型號(hào)JC-LZYB，青島精誠(chéng)儀器儀表有限公司）在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)定，水溫采用溫度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。水質(zhì)分類執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[11]。2022年8月14日種下沉水植物，每周對(duì)沉水植物生長(zhǎng)情況進(jìn)行觀察和檢測(cè)，隨機(jī)選擇10 株刺苦草進(jìn)行高度測(cè)量，取其平均值，采用目測(cè)法對(duì)覆蓋率進(jìn)行估算。

圖1 北湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

2 結(jié)果與分析

2.1 沉水植物生長(zhǎng)狀況

試驗(yàn)區(qū)種植沉水植物（刺苦草）后，植株高度明顯增大。種植81 d 后，平均高度由25 cm 增加到27 cm，數(shù)量也明顯增加，刺苦草的單位面積數(shù)量從108 株/m2增加到149 株/m2（見圖2），覆蓋率也從50%增加到79%。

圖2 試驗(yàn)區(qū)刺苦草單位面積數(shù)量隨時(shí)間的變化

2.2 水質(zhì)變化

2.2.1 COD 變化情況分析

各項(xiàng)生態(tài)修復(fù)措施實(shí)施后，試驗(yàn)區(qū)COD 濃度從40.17 mg/L 下降至22.05 mg/L，下降39.62%。如圖3所示，試驗(yàn)區(qū)COD 濃度低于外湖區(qū)，外湖區(qū)COD 濃度在17.08～31.34 mg/L，平均值為25.24 mg/L，達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)要求；試驗(yàn)區(qū)COD 濃度在15.80～27.32 mg/L，平均值為21.53 mg/L，達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)要求。

圖3 外湖區(qū)與試驗(yàn)區(qū)COD 濃度隨時(shí)間的變化

2.2.2 NH3-N 變化情況分析

調(diào)查期間，試驗(yàn)區(qū)NH3-N 濃度從0.32 mg/L 下降至0.18 mg/L，下降43.75%。試驗(yàn)區(qū)NH3-N 濃度遠(yuǎn)低于外湖區(qū)（見圖4），外湖區(qū)NH3-N 濃度在0.15～0.52 mg/L，平均濃度為0.32 mg/L，大部分時(shí)間能達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)要求；試驗(yàn)區(qū)NH3-N 濃度呈現(xiàn)波動(dòng)下降趨勢(shì)，變化范圍在0.03～0.40 mg/L，平均濃度為0.184 mg/L，比外湖區(qū)平均濃度低42.93%，Ⅰ類水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為33.3%，Ⅱ類水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為100%。

圖4 外湖區(qū)與試驗(yàn)區(qū)NH3-N 濃度隨時(shí)間的變化

2.2.3 TN 變化情況分析

生態(tài)修復(fù)措施實(shí)施后，試驗(yàn)區(qū)TN 濃度從2.20 mg/L下降至0.59 mg/L，降低73.18%。如圖5所示，試驗(yàn)區(qū)TN 濃度比外湖區(qū)低，外湖區(qū)TN 濃度在0.74～1.19 mg/L，平均濃度為0.97 mg/L，Ⅲ類達(dá)標(biāo)率為41.67%；試驗(yàn)區(qū)TN 濃度在0.38～1.08 mg/L，平均濃度為0.72 mg/L，比外湖區(qū)平均濃度低25.77%，Ⅲ類水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為97.00%，為外湖區(qū)的2.33 倍。

圖5 外湖區(qū)與試驗(yàn)區(qū)TN 濃度隨時(shí)間的變化

2.2.4 TP 變化情況分析

試驗(yàn)區(qū)TP 濃度從修復(fù)前的0.04 mg/L 下降至修復(fù)后的0.029 mg/L，下降27.5%。如圖6所示，試驗(yàn)區(qū)TP 濃度明顯低于外湖區(qū)，外湖區(qū)TP 濃度在0.05～0.10 mg/L，平均濃度為0.07 mg/L，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；試驗(yàn)區(qū)TP 濃度在0.029～0.056 mg/L，平均濃度為0.04 mg/L，比外湖區(qū)低32.27%，達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.5 濁度變化情況分析

如圖7所示，試驗(yàn)區(qū)、外湖區(qū)濁度都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，試驗(yàn)區(qū)濁度明顯低于外湖區(qū)。調(diào)查期間，試驗(yàn)區(qū)濁度從7.39 NTU 下降至2.54 NTU，降低65.63%，變化范圍在1.92～8.08 NTU，平均值為4.46 NTU，外湖區(qū)從12.20 NTU 下降至5.64 NTU，降低53.77%，變化范圍在5.64～15.40 NTU，平均值為10.32 NTU，比試驗(yàn)區(qū)濁度平均值高60.63%。

圖7 外湖區(qū)與試驗(yàn)區(qū)濁度隨時(shí)間的變化

2.2.6 葉綠素a 變化情況分析

如圖8所示，試驗(yàn)區(qū)葉綠素a 濃度明顯低于外湖區(qū)。調(diào)查期間，試驗(yàn)區(qū)葉綠素a 濃度從6.49 μg/L 下降到3.93 μg/L，降低39.45%，變化范圍在3.93～11.73 μg/L，平均濃度為7.39 μg/L，外湖區(qū)葉綠素a濃度從11.75 μg/L 下降到10.14 μg/L，降低13.70%，變化范圍在9.82～30.64 μg/L，平均濃度為16.8 μg/L，比試驗(yàn)區(qū)高57.43%。

圖8 外湖區(qū)與試驗(yàn)區(qū)葉綠素a 濃度隨時(shí)間的變化

2.2.7 藍(lán)綠藻變化情況分析

如圖9所示，藍(lán)綠藻密度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這和溫度變化有關(guān)[12]。調(diào)查期間，試驗(yàn)區(qū)藍(lán)綠藻密度從5 480 cells/mL 下降至692 cells/L，下降87.37%，密度變化范圍在692～9 488 cells/L，平均值為3 640 cells/L，外湖區(qū)藍(lán)綠藻密度從12 370 cells/mL 下降至1 779 cells/mL，下降85.62%，密度變化范圍在1 779～25 076 cells/L，平均值為1 110 cells/L，比試驗(yàn)區(qū)高64.55%。

3 原位生態(tài)修復(fù)效果評(píng)價(jià)

本試驗(yàn)采用生態(tài)濾池與水下森林組合的方式進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，對(duì)城市污染湖泊水質(zhì)具有明顯的改善效果。生物濾池通過濾料對(duì)水體的過濾作用以及附著在濾料上各種生物膜對(duì)污水的凈化作用對(duì)污水進(jìn)行處理，從而提高污水處理效果[13]。濾料上依附的生物通過硝化作用能將水體中的氨氮氧化成硝態(tài)氮，再通過反硝化作用將硝態(tài)氮還原成N2，然后將其從水體中排出[14]，降低水體中氮含量。生物濾池中的活性污泥在好氧、厭氧交替作用下產(chǎn)生聚磷菌，聚磷菌在好氧環(huán)境中能大量攝取廢水中的磷，形成多聚磷酸鹽，在厭氧條件下釋放磷，將磷以富磷污泥形式排出，從而降低水體的磷含量[15-16]。本研究中，試驗(yàn)區(qū)TN 濃度從2.20 mg/L 下降至0.59 mg/L，降低73.18%，平均濃度比外湖區(qū)平均濃度低25.77%，NH3-N 濃度從0.32 mg/L 下降至0.18 mg/L，降低43.75%，是外湖區(qū)的56.97%，TP 濃度從修復(fù)前的0.04 mg/L 下降至修復(fù)后的0.029 mg/L，下降27.5%，比外湖區(qū)TP 濃度低。陳佳慧等[17]采用底泥陶粒曝氣生物濾池處理生活廢水，COD、NH3-N、TP 的平均去除率分別為77.24%、71.21%、73.92%。郭泓利等[18]采用活性焦兩級(jí)生物濾池對(duì)生活污水進(jìn)行深度處理，TP 平均去除率為58.49%，TN 平均去除率為22.82%，NH3-N平均去除率為57.03%。因此，生物濾池對(duì)于污水具有一定的脫氮除磷效果，能有效提升水質(zhì)。

水下森林技術(shù)采取種植沉水植物刺苦草的方式對(duì)水質(zhì)進(jìn)行凈化。沉水植物作為初級(jí)生產(chǎn)者，在水生態(tài)系統(tǒng)中具有維持清水穩(wěn)態(tài)和調(diào)控湖泊磷循環(huán)的作用，并且可以通過遮光、化感作用等抑制浮游藻類生長(zhǎng)[19]，通過根系作用吸收氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，增加磷與鐵的結(jié)合能力，降低氮、磷的釋放和沉積物的再懸浮[20]。研究表明[21]，沉水植物覆蓋率大于25%時(shí)，水中浮游藻就能被有效抑制，苦草、黑藻、狐尾藻等沉水植物能有效降低水中浮游藻類葉綠素a 濃度，從而降低水體濁度，提高水體透明度。試驗(yàn)區(qū)種植沉水植物81 d 后，覆蓋率就從50%擴(kuò)增到79%，葉綠素a 濃度降低39.45%，是外湖區(qū)的38.76%，表明水下森林能有效降低水體葉綠素a 濃度，從而降低水體濁度。水生植物還能通過光合作用釋放溶解氧，抑制沉積物中結(jié)合態(tài)磷的釋放，從而降低水體TP 濃度[22]。

4 結(jié)論

在城市污染湖泊北湖中，生物濾池與水下森林的組合通過沉水植物的遮光、化感作用抑制浮游藻類生長(zhǎng)，降低水體濁度，通過植物根系吸收氮磷、植物光合作用抑制磷釋放、生物脫氮除磷作用降低廢水的氮磷含量，改善水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)城市污染湖泊生態(tài)修復(fù)。該組合方式對(duì)TN、濁度、藍(lán)綠藻的去除效果尤為明顯，去除率分別為73.18%、65.63%、87.37%，對(duì)COD、NH3-N、TP、葉綠素a 具有一定的去除效果，去除率分別為39.62%、43.75%、27.50%、39.45%。