李章林，李榮福，寇祥明，孫龍生

(1.揚州市水利學會，江蘇 揚州 225001； 2.揚州市水產學會，江蘇 揚州 225001；3.江蘇省里下河地區(qū)農業(yè)科學研究所，江蘇 揚州 225003； 4.揚州大學動物科學與技術學院，江蘇 揚州 225003)

1 概 述

“活水”是人們對于保持緩慢流速的開放性自然水體的習慣稱謂。我國古代就已發(fā)現(xiàn)“活水”具有凈化污染、改善水質的功能，便有了“流水不腐”[1]和“問渠哪得清如許，為有源頭活水來”等對活水凈化功能的精辟概括[2]。研究發(fā)現(xiàn)，自然“活水”并非流動著的純凈水，而是“綠水”，是有多樣化礦物質溶解和由多樣化微生物生存的緩流水，具有綜合性自然凈化能力，故萬里長江雖吸納沿岸城市多樣化海量污染，直至奔流到海仍為“一江春水”。

一般認為，“活水”是有源頭而常流動的水[3]。古代文獻中“活水”是指靜流之水或有源頭常流動的水[4]。雖有一定流速，但流速緩慢、水質清澈。五代時期太湖地區(qū)塘浦圩田系統(tǒng)形成全局式的活水周流，認為有利于作物灌溉，污染治理[5]。近年來，城市污水治理強調清淤和“活水工程”的作用[6]。以常州市為例，2007—2016年清淤工程耗資40多億元，水質從嚴重污染下降為重污染[7]?！盎钏こ獭笔峭ㄟ^引入外源清水，使水體保持一定水位(水量)和流量(流速)，以改善水質的方法。但其打造的是平直水流，而非垂直交流，只是發(fā)揮了污染稀釋作用，或將上游污染轉移到下游水體。且此法在缺水地區(qū)無法采用。

“活水”一般指緩慢流動的開放性水體。所有水生動物都喜歡“活水”，江河湖海等“活水”出產的水產品相比一般“呆塘”(封閉池塘)養(yǎng)殖的水產品更為鮮美，水產養(yǎng)殖強調“活水”作用[8]。筆者從2009年起，開展活水機應用于水產養(yǎng)殖水質調控的試驗，發(fā)現(xiàn)“活水”中具有交換、運送和凈化功能[9]。養(yǎng)殖水體中污染物凈化效果往往與水體中有益菌、浮游(動)植物等兩類微生物構成的微生態(tài)系統(tǒng)和溶解氧含量與分布狀況密切相關，通過“微生態(tài)制劑”與“增氧活水機”配合使用，對凈化富營養(yǎng)化水質，抑制“藍藻爆發(fā)”有顯著效果[10]。研究發(fā)現(xiàn)，“生態(tài)活水”中兩類微生物綜合作用，不斷進行著化合與分解，產能與耗能或貯能，耗氧與增氧等理化反應，實現(xiàn)了水域生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量轉換，構成了“生態(tài)活水”對污染物的自然凈化作用[11]。根據(jù)上述分析，設計的“生態(tài)活水”治理黑臭水體技術方案在揚州官河組織實施，取得了理想的治理效果[12]，促進“生態(tài)活水”治水理論的形成。

2.“生態(tài)活水”治理揚州官河黑臭水體取得極佳的治水效果

水體黑臭和富營養(yǎng)化是我國城鄉(xiāng)河道的普遍現(xiàn)象[13]。河湖出現(xiàn)季節(jié)性或終年黑臭，是城鄉(xiāng)水體的嚴重污染[14]，不僅影響城市景觀和生態(tài)環(huán)境，而且降低城鄉(xiāng)居民生活。據(jù)統(tǒng)計，截至2016年，全國295個地級以上城市中有216座城市排查出黑臭水體1 811個[15]。黑臭水體治理的難點是有機污染物底泥(氧債)的大量沉積，導致生態(tài)系統(tǒng)崩潰[16]。揚州官河是揚州市區(qū)嚴重污染多年的典型黑臭水體，按照住建部《城市黑臭水體整治工作指南》分級標準，屬重度黑臭水體[17]。雖經(jīng)多年治理，水質未能改觀。治理前溶解氧近于零(0.12～0.13 mg/L)，每逢清晨或陰雨天氣，兩側臭氣熏人，群眾意見極大。在揚州市水利局支持下，從8月13日起，在揚州官河開展了“生態(tài)活水”治理黑臭水體試驗，通過安裝使用活水機和增氧機，足量投放系列微生態(tài)制劑，迅速修復生態(tài)系統(tǒng)[18]，形成“綠水”(即生態(tài)活水)，達到了快速高效的黑臭污水治理效果。8月18日水利部太湖局至揚州檢查城市黑臭河道整治工作，對“生態(tài)活水”治理黑臭污水效果充分認可。8月27日，揚州市水利局(市水利學會)與揚州市邗江區(qū)竹西街道辦事處聯(lián)合對該試驗進行了現(xiàn)場檢查驗收，對治污效果給予充分肯定。揚州大學9月8日官河水質檢測結果表明，9月8日9：30官河水質檢測結果為:水體透明度、溶氧、氨氮、總氮、總磷和有機物耗氧量等指標分別達60.7 cm、5.61 mg/L、0.59 mg/L、1.43 mg/L、0.09 mg/L和6.06 mg/L，均達到或超過了國家地表水Ⅲ類水水質標準，這在國內外尚屬首次報道。

3 “生態(tài)活水”治水的理論基礎

3.1 天然水體生態(tài)系統(tǒng)的自然凈化理論

一般天然水體都有多樣性生物組成的完整生態(tài)系統(tǒng)，包括植物生產者、動物消費者和細菌真菌類分解者[19-20]。生態(tài)學將上述三者組成的生態(tài)系統(tǒng)稱為“完整生態(tài)系統(tǒng)”。天然水體生態(tài)系統(tǒng)具有生物多樣性，穩(wěn)定性好，其中消費者和部分生產者(水生經(jīng)濟植物)為人類提供食物。

天然水體中各類生物代謝產生的廢棄物沉積到水底而污染水體。而這些廢棄物又被微生物分解成營養(yǎng)元素被利用[21]；這些微生物分泌的催化酶，能加速對水體中廢棄有機物氧化分解，轉化為浮游植物與水生維管束植物生長需要的氮、磷等營養(yǎng)鹽，如果沒有這些微生物的參與，這個進程非常緩慢[22]；浮游植物與水生維管束植物借助太陽能，利用上述微生物分解形成的營養(yǎng)鹽進行光合作用，產生大量溶解氧；既為水生動物提供必要條件和食物，也為微生物氧化分解提供充足的氧氣，使天然水體始終維持能量轉換和物質循環(huán)的可持續(xù)狀態(tài)，形成對污染物的自然凈化能力。充足的溶解氧能在底泥表層形成氧化還原層，有利于底棲好氧型有益菌附著與生長繁育，又增強了生態(tài)凈化能力?！吧鷳B(tài)活水”治水就是恢復或健全以微生物為核心的水體生態(tài)系統(tǒng)，形成可持續(xù)的自然凈化能力。其中最為核心是由細菌、放線菌、真菌類等有益菌和浮游動、植物等2類微生物組成的“微生態(tài)系統(tǒng)”，具有高效自然凈化能力。在水體足量供氧并微速循環(huán)流動條件下，足量投放高活力微生態(tài)制劑，3～5個晴日在黑臭水體中就形成“微生態(tài)系統(tǒng)”，造就具有強勁自然凈化能力的“綠水(生態(tài)活水)”，快速完成對黑臭污水和黑臭淤泥的治理。

3.2 “生態(tài)活水”治水的哲學基礎

水體生態(tài)系統(tǒng)實質是多樣化矛盾的矛盾綜合體。矛盾中雙方總是既相互對立又相互依賴，矛盾雙方既是對立方存在的條件，也是對立方發(fā)展變化的推動因素。在水體生態(tài)系統(tǒng)中多樣化生物與多樣化非生物環(huán)境因子之間存在著極其復雜的矛盾[23]。這些多樣化非生物環(huán)境因子包括當?shù)貧夂?、地形地貌和土壤、水文等等物理因素及其之間相互影響，由此帶來系統(tǒng)中化學因子之間相互作用與化學因子的變化。而在人類聚居的城鄉(xiāng)周圍水域生態(tài)系統(tǒng)，打上了人類社會的烙印。人類活動使水體生態(tài)系統(tǒng)中本來并不對抗的矛盾變得尖銳起來。如自然狀況下的水體溶解氧對水體所有生物來說是充裕剩余的。在人類聚居密度較低情況下的城鄉(xiāng)周圍水域溶解氧也是總量平衡，稍有剩余。但在進入現(xiàn)代社會后，化肥農藥過量使用后農業(yè)廢水、食品工業(yè)污水和人類生活廢水的直接排放，過量消耗了水體溶解氧，水生生物與溶解氧之間和有機污染物與溶解氧之間兩對矛盾的性質由量變到質變，由非對抗性矛盾轉變?yōu)閷剐悦埽纱我苌仙秊橹饕?，并且將溶解氧從次要矛盾的次要方面上升為主要矛盾的主要方面[24]，并因為缺氧可能造成生態(tài)系統(tǒng)凈化功能減弱，甚至生態(tài)系統(tǒng)崩潰而成為“黑臭水體”。因此，“生態(tài)活水”治水關鍵是保障溶解氧均衡充裕供給，緩和其與水生生物之間和其與水體污染物之間對抗性的矛盾沖突，恢復并保持穩(wěn)定的自然凈化能力。

3.3 “生態(tài)活水”治水的“氧債”理論

水體中大量有機污染物可能因溶解氧未及時足量供應而處于待氧化分解狀態(tài)，便形成了“氧債”。這些未及時氧化分解的有機污染物，日積月累沉積在水體底部成為黑臭淤泥，并成為主要“氧債”源。水體黑臭的實質是“氧債”累積量遠遠超出供氧能力，導致溶解氧供求失衡而“破產”，造成生態(tài)系統(tǒng)崩潰。同時，由于“氣”“水”比重差異，形成“氧往高處走，水往低處流”。而光合作用產氧和一般機械方式充氧、增氧主要增加的是水體中上層溶解氧，無法將溶解氧輸送到黑臭淤泥(氧債)集中的水體底層；只有在夜晚或降溫降雨降雪后，表層水溫降低導致表層水密度加大，形成水體垂直交流，才有可能將中上層溶解氧捎帶到水體底層，償還長期積欠的“氧債”。在自然狀態(tài)下，陰雨天氣和夜晚都是水體垂直交流最為劇烈的時間，同時又是光合作用停止，溶解氧來源最少的時段；如果水底淤泥沉積過多，“氧債”積欠過大，水體垂直交流可以在短時間內耗盡水體溶解氧，造成水體生態(tài)系統(tǒng)崩潰而“黑臭”。一般情況下，人工充氧(增氧)很難送達水體底層償還“氧債”；化學增氧也只是在短時間內償還部分“氧債”。一遇暴雨便帶動底泥泛起爆發(fā)性償還“氧債”時，便可能使水體溶解氧歸零而使生態(tài)系統(tǒng)崩潰?！吧鷳B(tài)活水”治水焦點集中在水體生態(tài)系統(tǒng)修復上，通過足量投放強氧化型生化產品，快速還清水中和淤泥表層積欠的“氧債”，并在底泥表層形成氧化還原層，阻斷下層污染物釋放。同時利用活水機將人工充氧(增氧)與光合作用等產生的溶解氧源源不斷送達水體底層，及時償還積欠的“氧債”，防止“氧債”累積造成水體溶解氧“虧空”，而重返“黑臭”。

3.4 “生態(tài)活水”治水的“活水”理論

黑臭水體即便徹底清除黑臭淤泥后，隨著新的污水排放又會產生淤泥，往往黑臭水體清淤不到一年甚至數(shù)月后，便重返“黑臭”[25]。如何消除水體因雨水及其他地表水持續(xù)帶入有機污染物形成“氧債”累積，便是黑臭水體的治本之策。“生態(tài)活水”在自然狀態(tài)下直觀為“綠水”。“生態(tài)活水”治水就是創(chuàng)建“微生態(tài)系統(tǒng)”造就水體強勁的自然凈化能力，并通過活水機形成全水體微速循環(huán)水流，對水體污染物實現(xiàn)“四維”全時空(即全水體、全時段、全天候)持續(xù)凈化的治水方式。首先，必須通過活水機將光合作用產氧(這是水體溶解氧來源的主渠道)及其他方式增加的溶解氧持續(xù)不斷地輸送到水體底層，及時清除不斷產生的“氧債”；同時又將底層有機污染物及其氧化分解成的營養(yǎng)鹽轉運到水體上層。其次，有機污染物降解以好氧有益菌充分參與分泌多樣化催化酶而加速，而好氧有益菌降解有機污染物又以溶解氧供給為條件，并以溶解氧及時足量供給而保證有機污染物降解過程變得更加徹底，避免產生有毒有害的氨氮、硫化氫等中間還原產物，有利于水生生物的回歸。另外，還須通過適量引水或補水，修復并健全多樣化生物構成的水體生態(tài)系統(tǒng)，進一步提升水體自然凈化能力[26]。綜上所述，“生態(tài)活水”治水就是通過活水機造就微速循環(huán)流水，帶動投放的有益菌、溶解氧和水體有機污染物向全水體輸送，以增加三者之間相互作用的機率和程度，實現(xiàn)三者之間充分、深入、頻繁地相互作用，達到對有機污染物快速、全面、徹底凈化，并及時將轉化成的氮、磷等營養(yǎng)鹽運送到水體上層供給植物光合作用利用，從而加快了水體能量轉換與物質循環(huán)過程，以水體垂直交流促進新陳代謝，造就活力強勁的“生態(tài)活水(綠水)”，形成可持續(xù)的水體高效自然凈化能力。

4 “生態(tài)活水”治水機理與戰(zhàn)略價值

氧債是黑臭之源，生態(tài)是治水之本，活水是治水之機。國務院“水十條”提出了“到2020年，地級及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內，到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除”的水污染控制性目標[27]。傳統(tǒng)黑臭水體治理投資規(guī)模大、運行成本高、治標不治本、返黑返臭周期短，給地方財政帶來了沉重負擔?！吧鷳B(tài)活水”治水通過投放足量系列微生態(tài)制劑，快速造就具有強勁凈化功能的水體微生態(tài)系統(tǒng)，逐步恢復多樣性生物構成的完整生態(tài)系統(tǒng)并維持穩(wěn)定性，達到快速持續(xù)治理污水的目的。

4.1 快速底層增氧，徹底清除底泥積欠“氧債”，快速復氧，治水效率高

黑臭水體主要耗氧源(氧債)是底泥耗氧，底泥約占黑臭水體總耗氧量的60%～90%以上。快速徹底清除水體底泥“氧債”，是恢復黑臭水體生態(tài)系統(tǒng)的前提?！吧鷳B(tài)活水”治水通過機械活水和使用生物化學制劑，快速增加水體下層及底泥表層溶解氧，清除水中和底泥表層累積的“氧債”，在底層表層形成一定厚度的氧化還原層，造就有利于底棲微生物、底棲動物及水生植物生長發(fā)育的土壤環(huán)境；同時，這個氧化還原層隔絕了底泥中下層有機污染物(氧債)繼續(xù)向水中釋放，賜除了這部分積欠“氧債”，減輕了水體償還“氧債”的壓力，避免了因天氣劇烈變化爆發(fā)性償還這部分“氧債”，促進水體生態(tài)系統(tǒng)(核心是微生態(tài)系統(tǒng))快速恢復并保持穩(wěn)定，快速消除水體黑臭現(xiàn)象。這是“生態(tài)活水”治水的首要措施。

4.2 使用高性能微生態(tài)制劑恢復生態(tài)系統(tǒng)凈化污水，標本兼治，設備投資省，治水效果好

“生態(tài)活水”治水是恢復并利用水體生態(tài)系統(tǒng)凈化污水，毋須繁雜的設備投資，每公頃黑臭水體治理設備只須投資6萬～10萬元，是節(jié)地、節(jié)水、節(jié)電的污水治理方式。黑臭水體在自然狀態(tài)下復氧后恢復生態(tài)系統(tǒng)與自然凈化能力是一個極其緩慢的過程，少則十天、半月，多則數(shù)月。“生態(tài)活水”治水是在溶解氧穩(wěn)定供應和足量投放高活力系列微生態(tài)制劑的前提下，借助機械活水作用，形成包括好氧有益菌、兼性有益菌、喜光性有益菌，以及底泥附著型有益菌等系列有益菌和水體原生態(tài)浮游動、植物共同組成的、污染物凈化功能強大的微生態(tài)系統(tǒng)?！吧鷳B(tài)活水”治水可以在短時間內(3～5 d)迅速造就“生態(tài)活水(綠水)”，形成強大持續(xù)生態(tài)凈化能力，并抑制藍藻的繁殖。同時，適當引水補水，栽植水生維管束植物，還可投放定向培育的優(yōu)良浮游藻種，健全多樣化生物構成的水體生態(tài)系統(tǒng)，提升水體整體活力與自凈能力，黑臭污水經(jīng)15～20 d治理，水質達地表水Ⅲ類標準。與當前國內外黑臭污水治理方式相比，具有明顯的效率優(yōu)勢和成本優(yōu)勢，處于世界領先地位。

4.3 適時適量補氧、補菌、補水，維持水體強大的自凈能力，治水成本低，有利長效管理

治理后污染水體具有穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)和水質凈化能力。無論水體中各類生物產生的廢棄有機物污染，還是一定量的外源有機污染物排放，都可以利用其自身凈化能力予以降解。需要指出的是，當天氣連續(xù)陰雨或有大量外源有機污染物排放時，在可能造成溶解氧來源大量減少的同時，又會使耗氧量快速增加，造成水體溶解氧入不衍出而導致生態(tài)系統(tǒng)崩潰而重返黑臭。

恢復生物多樣性生態(tài)系統(tǒng)不僅進程緩慢，而且成本昂貴，需要付出維持生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)十倍甚至上百倍的代價，因此，必須做好治理后水體生態(tài)系統(tǒng)的維持工作。做到密切注意天氣變化、周邊水體水文波動和污水排放等情況，及時調整增氧強度，彌補因水體產氧減少或耗氧增加等造成的溶解氧缺口，保障水體溶解氧供求平衡并略有剩余。同時，及時適量補充衰竭消減的有益菌，保持水體有益菌活力和適當密度(濃度)，并定期引進外源好水，引入活力充沛的浮游動植物及其他水生動物品種[28]，保持水體生態(tài)系統(tǒng)完整性和污染物凈化能力。每公頃污染水體維持年投入僅3萬～5萬元。

4.4 活水機械在“生態(tài)活水”治水中的關鍵作用

然而，建立水體生態(tài)系統(tǒng)(主要是微生態(tài)系統(tǒng))只是造就了凈化污水的生態(tài)主體，具備了污水凈化的生態(tài)潛能。在自然水體中，這種污染凈化潛能只是間隙性發(fā)揮作用。在占據(jù)一年中大多數(shù)的非降溫降雨天氣，水體上層溫度總是高于底層，造成上層水密度(比重)總是小于底層水，這種因上下水層“溫度差”形成的“密度差”成為阻礙水體垂直交流的“熱阻力”，阻礙了生態(tài)系統(tǒng)(主要是微生態(tài)系統(tǒng))對底層水和底部淤泥中污染物的凈化。只是在少數(shù)降溫降雨天氣造就了垂直交流“密度流”后，水體才能發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)(主要是微生態(tài)系統(tǒng))自然凈化作用。所以，自然水體生態(tài)系統(tǒng)的污染凈化功能只是局部空間和局部時間發(fā)揮作用，即在晴天白天在水體上層對水中污染物發(fā)揮凈化作用，只有到夜間或降溫降雨天氣形成“密度流”后，好氧有益菌和溶解氧才能一起奔走水體底層，對下層水和底泥表層污染物發(fā)揮凈化作用。而在此時，水體已失去或減少了溶解氧供給，生態(tài)系統(tǒng)的污染凈化(氧化分解)功能必然受到水體溶解氧貯存量限制。鑒于水的熱力學和光學特點，如何實現(xiàn)并持續(xù)保持水體上下水層之間垂直交流，是能否將水體生態(tài)系統(tǒng)(主要是微生態(tài)系統(tǒng))污染凈化潛能轉化為治理污水現(xiàn)實效果的關鍵所在。據(jù)江蘇省揚州水文局測定，活水機能造就全水體微速循環(huán)水流，表層流速為0.008～0.117 m/s，底層流速為0.005～0.061 m/s。這個流速既保證了水體上下水層之間的持續(xù)頻繁交流，又不會將水底淤泥沖刷泛起，造成水質渾濁。“生態(tài)活水”治水借助于活水機械形成的全水體微速循環(huán)水流，帶來了有益菌、溶解氧和污染物之間親密接觸、充分接觸和頻繁接觸，實現(xiàn)了三者之間的緊密結合，達成了水體生態(tài)系統(tǒng)(主要是微生態(tài)系統(tǒng))“四維”全時空(即全水面、全水層、全時段、全天候等組成)持續(xù)循環(huán)凈化污水，這便是“生態(tài)活水”治水效率高、效果好的關鍵所在。采用“生態(tài)活水”治水是通過修復水體生態(tài)系統(tǒng)及其自然凈化能力，特定微生態(tài)制劑的使用還能有效抑制的藍藻爆發(fā)，起到改善水面景觀的作用；另外，在適宜的水體還可栽植苦草、輪葉黑藻、蓮藕、茭白、菱角等沉水性、挺水性及浮葉性水生經(jīng)濟植物，既凈化水質環(huán)境，又改善生態(tài)景觀[29]，實現(xiàn)生態(tài)產業(yè)化，提高周圍居民生活質量。