試論城市河道水質(zhì)提升和生態(tài)修復(fù)技術(shù)

劉文輝，孫志國

（1.臺州市椒江生態(tài)區(qū)建設(shè)事務(wù)中心，浙江 臺州 318000；2.上海柏檀環(huán)境科技有限公司，上海 201600）

引言

城市河道作為城市社區(qū)為市民提供生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和休閑等多重利益的組成部分，具有重要的生態(tài)功能。然而，快速的城市化進(jìn)程和人類活動對這些水體施加了巨大的壓力，導(dǎo)致了各種生態(tài)挑戰(zhàn)[1]。由于雨污分流不徹底以及排污管道的損壞，部分生活污水、工業(yè)廢水進(jìn)入河道，導(dǎo)致水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化，甚至出現(xiàn)黑臭現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)生物多樣性受損等環(huán)境問題[2]。

城市河道水質(zhì)惡化和水生態(tài)系統(tǒng)的破壞，影響著人們對良好環(huán)境質(zhì)量的基本需求，篩選適宜的城市河道生態(tài)修復(fù)治理措施，實施相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)工程，恢復(fù)河道優(yōu)良水質(zhì)和健康生態(tài)系統(tǒng)，是實現(xiàn)生態(tài)文明的客觀要求，有助于實現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展[3，4]。

1 河道水質(zhì)提升技術(shù)概況

目前，河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要包括物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。物理修復(fù)主要通過岸線修復(fù)和防護(hù)、機(jī)械疏通河道底泥、沖淤和稀釋等手段，恢復(fù)河道的正常水流和水容量，改善河道的水文條件，實現(xiàn)河道修復(fù)的目標(biāo)[5]。化學(xué)修復(fù)則是通過投加化學(xué)試劑去除受損河道水體中的污染物。在選擇和應(yīng)用化學(xué)修復(fù)方法時，需要綜合考慮污染物類型、水體特性和環(huán)境風(fēng)險，并確保投藥劑量和投藥時機(jī)的合理性[6]。物化修復(fù)方法具有操作簡單、周期短等優(yōu)點，但同時也存在成本高、易產(chǎn)生副作用以及修復(fù)效果短暫的缺點。

相比之下，河道生態(tài)生物修復(fù)技術(shù)以生物群體和生態(tài)過程為基礎(chǔ)，重建健康的水體環(huán)境，實現(xiàn)河道生態(tài)系統(tǒng)的自我維持和自我協(xié)調(diào)的良性循環(huán)，具有成本低、操作方便和無二次污染等優(yōu)點，因此，在河道生態(tài)修復(fù)中具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，成為主要的修復(fù)方法[7]。

2 河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)

河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要通過植物、動物以及微生物的作用，對水體中污染物進(jìn)行吸收、降解、轉(zhuǎn)化，達(dá)到增加生物多樣性和恢復(fù)棲息地的目的，實現(xiàn)水體環(huán)境的凈化和健康水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)[8]。河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)主要包括植物凈化技術(shù)、水生動物凈化技術(shù)、微生物凈化技術(shù)以及植物、動物以及微生物相互組合的技術(shù)。

2.1 植物凈化技術(shù)

植物凈化技術(shù)利用植物對污染物的吸收和富集特性，能顯著去除水體中的污染物。植物位于水面以下的部分附著大量微生物，連同土壤中的微生物一起，降解水體中的營養(yǎng)物質(zhì)。同時，水生植物通過自身對氮、磷等營養(yǎng)元素的攝取，降低污染河道氮磷負(fù)荷[9]。此外，水生植物不僅能凈化水質(zhì)，還可以通過遮光降低水下光照強度，利用呼吸作用產(chǎn)生CO2改善水體的pH值等途徑改變水體的理化性質(zhì)，形成多樣化的小生境，促進(jìn)生物多樣性的提高。

常用的水生植物主要包括挺水植物、浮葉植物以及沉水植物。挺水植物通過根系吸附、微生物轉(zhuǎn)化和增氧作用，達(dá)到生態(tài)修復(fù)目的。這類植物的根系具有良好的吸附能力，能夠吸附和減少水體中的營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬和懸浮物等污染物質(zhì)[10]；同時，挺水植物的叢生形態(tài)為水生生物提供了棲息地和避難場所。浮葉植物通過葉片的漂浮和豐富的根系，能夠阻隔陽光的直射，減緩水體中藻類的生長速度，有效防止富營養(yǎng)化。沉水植物的莖和葉生長在水下，其根系能夠吸收水中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，有效防止水體富營養(yǎng)化，起到調(diào)節(jié)水質(zhì)的作用[11，12]。在未來的研究和實踐中，應(yīng)重點關(guān)注水生植物的選擇和配置、生態(tài)效應(yīng)評估和管理策略的制定，以實現(xiàn)更有效、可持續(xù)的城市河道生態(tài)修復(fù)和水質(zhì)改善。

2.2 水生動物凈化技術(shù)

水生動物凈化技術(shù)基于水生動物攝食、呼吸、排泄和生物過濾的生態(tài)功能和生理過程。水生動物通過攝食和生物過濾，減少水體中的懸浮物和有機(jī)物[13]。同時，它們的呼吸和排泄過程有助于水體中氧氣和營養(yǎng)物的循環(huán)和轉(zhuǎn)化。此外，水生動物在水體中形成復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，通過生態(tài)協(xié)同作用提高水體的自凈能力。

水生動物主要分為浮游生物、底棲動物及大型魚類。浮游生物和底棲動物構(gòu)建的動物群落通過對河道水體中污染物的攝取和捕食，實現(xiàn)凈化水質(zhì)和穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的目的，其中青蝦、海螺以及河蚌都是常用的底棲動物。大型魚類的棲息和游動行為會改變水體的生態(tài)環(huán)境，有利于水體流動和沉降物的分布。同時，大型魚類作為捕食者，對水體中的小型魚類和浮游動物進(jìn)行捕食，可以維持食物鏈的平衡，控制過度繁殖的生物群落，減少水體中的生物過載。

雖然大型魚類的投放提高了河道生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性和生態(tài)景觀功能。然而，水生動物凈化技術(shù)仍面臨一定的挑戰(zhàn)和限制。這包括水生動物種類的選擇、環(huán)境適應(yīng)性、餌料供給和管理要求等方面。此外，水生動物凈化技術(shù)的長期穩(wěn)定性和生態(tài)風(fēng)險也需要進(jìn)一步研究和評估。

2.3 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)技術(shù)是利用河道水體中或填料基質(zhì)附著的微生物將污染物吸附、降解以及轉(zhuǎn)化的過程[14]。微生物修復(fù)技術(shù)可對水體中的氮、磷污染物高效去除，避免水體富營養(yǎng)化，且具有基建投入和維護(hù)費用低、效果顯著、無二次污染及便于管理等優(yōu)點，比較適用于城市中小河道的修復(fù)[15]。但隨著城市化進(jìn)程的加快，河道水體受污染程度復(fù)雜多樣，高含量氮、磷污染物和難降解有機(jī)物的引入，致使傳統(tǒng)生物修復(fù)技術(shù)已很難滿足要求。

為了改善微生物的處理效果，微生物強化技術(shù)也被應(yīng)用于河道生態(tài)修復(fù)。微生物強化技術(shù)是利用基因工程或優(yōu)勢菌種篩選的方法獲得的特定菌種，實現(xiàn)對河道水體內(nèi)特定污染物的高效降解。微生物強化技術(shù)在河道生態(tài)修復(fù)過程中，主要有直接投加菌劑和微生物固定化技術(shù)兩種方式。直接投加菌劑的方式比較快捷高效，但菌種容易隨水流流失，增加了河道修復(fù)運行成本；而固定化微生物強化技術(shù)可有效避免菌種流失，將優(yōu)勢菌種固定在特定的填料載體上，可維持較高的菌種濃度，實現(xiàn)對河道水體中污染物的高效去除[16，17]。

2.4 生物組合技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)既可是單一生物修復(fù)技術(shù)，也可以是多種生物技術(shù)的組合。由于河道生態(tài)系統(tǒng)相對復(fù)雜，單一的生物修復(fù)技術(shù)往往不能滿足河道生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的目標(biāo)，利用多種植物、動物及微生物共同構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)河道生態(tài)的修復(fù)的組合生物技術(shù)成為了一種有效的策略[18]。植物在組合中扮演著主導(dǎo)角色，通過吸附和降解污染物，改善水質(zhì)和提供生境。動物在組合中發(fā)揮著捕食和生物搬運的作用，維持食物鏈平衡和物質(zhì)循環(huán)。微生物在組合中負(fù)責(zé)降解和轉(zhuǎn)化有機(jī)物和污染物，發(fā)揮著關(guān)鍵的功能。目前，在河道生態(tài)修復(fù)廣泛應(yīng)用的組合生物技術(shù)包括人工濕地和人工浮島技術(shù)。

人工濕地主要是由基質(zhì)填料和植物組成，利用富集在填料上的微生物、水中填料、水生動物及水上生長的植物實現(xiàn)對河道水體中的污染物的吸附和降解。人工浮島技術(shù)是利用人工搭建的生態(tài)設(shè)施供微生物、植物以及動物生長、富集及棲息。它不僅可以凈化富營養(yǎng)化和受有機(jī)物污染的河道，還可以創(chuàng)建生物的生息環(huán)境，具有良好的環(huán)境效益和生態(tài)效益[19]。

3 目前生態(tài)技術(shù)的局限及未來趨勢

3.1 生態(tài)處理技術(shù)的局限

生態(tài)處理技術(shù)的低碳性和持續(xù)性，是城市河道水質(zhì)提升和生態(tài)修復(fù)的首選。但是，目前主流的生態(tài)處理技術(shù)依然有著較明顯的局限性[20]。首先，生態(tài)修復(fù)的處理負(fù)荷有限，往往無法匹配河道受到較嚴(yán)重污染水體的處理要求。城市河道的污染來源，主要為雨污混接和排污管道破損造成污染物直接或者通過地下水滲透進(jìn)入河道，在城市管網(wǎng)不完善或者管網(wǎng)年久失修情況下，特別是雨天或者泵站放江情況時，大量污染物排入河道，僅僅依靠一般的生物修復(fù)很難達(dá)到污染水體水質(zhì)短期明顯改善目的[21]。其次，與物理和化學(xué)方法比較，水體生態(tài)修復(fù)效果往往顯得“緩慢”，這也意味著生態(tài)修復(fù)難以在短時間內(nèi)消除大量污染物，不適合應(yīng)急場景。再次，生態(tài)修復(fù)的處理效果易受外界影響，如溫度、水體濁度、水位變化等，在冬季低溫、水體濁度大、水位變淺等條件下，生物修復(fù)系統(tǒng)的處理效率明顯降低，河道水質(zhì)可能出現(xiàn)明顯反復(fù)。

3.2 生態(tài)修復(fù)技術(shù)的未來趨勢

為滿足城市文明建設(shè)的需要，高效、先進(jìn)生態(tài)修復(fù)技術(shù)顯得尤為迫切。那么，生態(tài)修復(fù)技術(shù)的未來趨勢需要具備哪些特征呢？

3.2.1 更加靈活的多種生物修復(fù)技術(shù)組合模式

充分利用微生物、植物和動物的不同特性，結(jié)合水文特征、水利功能和景觀建設(shè)要求，因地制宜，形成多層次、多維度、內(nèi)容豐富的生物修復(fù)組合技術(shù)體系。

3.2.2 高微生物量屬性和多種微生物協(xié)同的污染物去除模式

微生物較植物和動物具有更好的環(huán)境適應(yīng)性，也容易富集，更高的微生物量和良好的傳質(zhì)條件，并營造微生物降解不同污染物所需的好氧、缺氧和厭氧等環(huán)境條件，是先進(jìn)生態(tài)修復(fù)技術(shù)需要關(guān)注的要點之一[22]。

3.2.3 新技術(shù)的充分利用

如利用變價金屬強化人工濕地的代謝能力[23]，開發(fā)更利于微生物富集的新型生物填料[24]，運用提高管理效率和降低運行成本的智慧管理平臺[25]，等。

隨著城市建設(shè)和更新速度的加快，各項截污和治污工作的正在逐步推進(jìn)，將在源頭消減排入或滲入河道水體的污染物總量，這是城市河道維系健康的根本。隨著科技的進(jìn)步和管理水平的提高，越來越多的先進(jìn)生態(tài)修復(fù)技術(shù)在城市河道水質(zhì)提升和生態(tài)恢復(fù)中得以合理應(yīng)用，人們也享受到更多的城市水趣。

4 結(jié)語

城市河道水體污染造成水質(zhì)變劣和生態(tài)系統(tǒng)破壞，影響著人們追求美好生活目標(biāo)的實現(xiàn)。河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)作為一種環(huán)境保護(hù)的有效手段，能夠改善水體環(huán)境并恢復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)城市河道的良性循環(huán)。但是目前的生物修復(fù)手段往往存在負(fù)荷低、處理速度慢和易受外界環(huán)境影響等缺點，在大量截污工作尚未完成情況下，選擇適應(yīng)能力強、高負(fù)荷、智慧化、多污染物耦合去除的生態(tài)修復(fù)體系，可以滿足現(xiàn)實需求。未來，隨著科技的進(jìn)步，水質(zhì)不斷提升，城市河道將成為人們享受生態(tài)文明成果的樂園。