裴 菲

(中煤科工集團(tuán)杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

1 引言

城市河道又稱之為城市內(nèi)河，具有水位淺、流量小、河道順直、流速緩慢等水力特性，環(huán)境容量小、生態(tài)系統(tǒng)脆弱是城市河道的特點(diǎn)[1]。城市河道具有排除洪澇災(zāi)害的安全功能，也是沿岸城市的一道亮麗風(fēng)景線，同時(shí)兩旁的河岸成為了市民休閑娛樂的場(chǎng)所[2]。

由于我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市人口的迅速增加，大量的污染物直接排入城市河道，導(dǎo)致了水體黑臭。城市黑臭水體給市民帶來了極差的感官體驗(yàn)，也直接影響了市民的生產(chǎn)和生活。國家高度重視黑臭水體的治理工作，國務(wù)院明確了治理的控制性目標(biāo)：到2020年，地級(jí)及以上城市建成區(qū)黑臭水體均控制在10%以內(nèi)；到2030年，城市建成區(qū)黑臭水體總體得到消除。

目前，河道水體修復(fù)技術(shù)主要有物理、化學(xué)、生物修復(fù)技術(shù)，而生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)是一種應(yīng)用前景很好的水體修復(fù)技術(shù)[3]，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市河道的治理。本文總結(jié)了河道生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展，然后歸納了現(xiàn)有生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)，并指出了今后城市河道污染治理工作的方向。

2 河道生物生態(tài)修復(fù)的發(fā)展

目前，河道生物生態(tài)修復(fù)通常使用生物生態(tài)法。該方法利用自然界的規(guī)律，通過自然界的自我恢復(fù)、自我調(diào)控能力實(shí)現(xiàn)了人與自然和諧共處、水質(zhì)改善的目的[4]。

1938年，Seifert最早提出了這種方法[5]。國外河道的生物生態(tài)修復(fù)工作經(jīng)歷了以下3個(gè)發(fā)展階段。第1階段：20世紀(jì)50年代，德國提出了“近自然河道治理工程理論”[6]，該理論注重植物、動(dòng)物和生態(tài)的相互協(xié)調(diào)和制約[7]；20世紀(jì)60年代，隨著現(xiàn)代生物學(xué)的完善，該理論步入了科學(xué)軌道[8]。第2階段：20世紀(jì)80年代后期，近自然河道治理的觀念更加明確。1989年Mitsch和Jorgensn定義了生態(tài)工程的概念，也成為了“多自然河道修復(fù)技術(shù)”的理論基礎(chǔ)[6]。第3階段：20世紀(jì)90年代以后，隨著生物生態(tài)技術(shù)的逐漸成熟，許多發(fā)達(dá)國家在治理城市河道的過程中，更加注重生態(tài)穩(wěn)定和生物多樣性[8]，并取得了良好的治理效果。英國在治理泰晤士河時(shí)，不僅注重生態(tài)治理方法恢復(fù)河道自然環(huán)境，而且更注重未來的維護(hù)與管理[9]；美國在治理密西西比河的洪澇災(zāi)害時(shí)，采用了水泥固化、截彎取直等工程措施與生態(tài)治理方法相結(jié)合的非工程措施[10]；加拿大在治理圣勞倫斯河的水質(zhì)污染時(shí)，成立了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)管理中心且采取了切實(shí)可行的生態(tài)治理技術(shù)措施，取得了很好的效果[11]。

與國外的發(fā)達(dá)國家相比，我國河道生物生態(tài)修復(fù)工作起步較晚。進(jìn)入21世紀(jì)以來，河道生物生態(tài)修復(fù)已經(jīng)引起了國家的高度重視，已經(jīng)開展了相關(guān)的研究和實(shí)踐活動(dòng)。國內(nèi)河道生物生態(tài)修復(fù)工作經(jīng)歷了以下2個(gè)發(fā)展階段。第1階段：2000～2005年為初始階段，該階段是學(xué)習(xí)國外的研究成果，并形成與我國生物生態(tài)修復(fù)工作有關(guān)的學(xué)術(shù)見解[12]。第2階段：2005年至今，我國生物生態(tài)修復(fù)工作已經(jīng)向具體的修復(fù)方法和技術(shù)轉(zhuǎn)變[12]。目前，我國已經(jīng)有很多城市利用生物生態(tài)方法治理了城市黑臭水體，并取得了良好的生態(tài)環(huán)境效益。例如，南寧市那考河是典型的城市黑臭水體，通過采取控源截污、生態(tài)修復(fù)等措施進(jìn)行綜合整治，開發(fā)出了“凈水梯田”生態(tài)護(hù)岸技術(shù)，使處理后的河水達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，那考河黑臭水體治理項(xiàng)目也榮獲了2017年度中國人居環(huán)境范例獎(jiǎng)[13]。

3 城市污染河道生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究

生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)是利用特定的植物或微生物轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化、降解水體中的污染物，從而消除城市黑臭水體[14]。目前，在河道治理中常用的修復(fù)技術(shù)有微生物強(qiáng)化技術(shù)、生物膜技術(shù)、生態(tài)浮床技術(shù)和生物生態(tài)組合技術(shù)。

3.1 微生物強(qiáng)化技術(shù)研究進(jìn)展

微生物強(qiáng)化技術(shù)也稱為微生物增效技術(shù)，通過向生物處理系統(tǒng)投加篩選出的優(yōu)勢(shì)菌種或高效微生物，實(shí)現(xiàn)去除某一種或一類有害物質(zhì)的技術(shù)[15]。該技術(shù)直接向黑臭水體投加微生物菌劑或可促進(jìn)微生物生長(zhǎng)的微生物促生劑[16]，治理黑臭水體取得了很好的效果。

杜聰?shù)萚17]向某黑臭河道水體中投加不同濃度的微生物菌劑，結(jié)果表明：投加濃度為0.5～1 mg/L時(shí)，黑臭水體的處理效果好，COD、總氮和氨氮的去除率分別為87.37%、90.7%和95.24%，且水體透明度明顯增加。胡湛波等[18]利用生物促生劑、輔以曝氣的方式來修復(fù)黑臭水體，結(jié)果表明：COD、氨氮和總磷的去除率分別為46.8%、98.7%和73.3%，運(yùn)行成本也明顯降低?？梢姡⑸飶?qiáng)化技術(shù)處理黑臭河道水體的效果較好，運(yùn)行成本較低。

因此，在黑臭河道水體治理中，該技術(shù)具有污染物去除率較高、能耗較低、工藝簡(jiǎn)單及基建費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)[19]。目前，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于河道污染水體治理。

3.2 生物膜技術(shù)研究進(jìn)展

生物膜技術(shù)也稱為生物膜法，該技術(shù)使微生物群體附著于某些載體表面形成了生物膜，當(dāng)污水通過生物膜時(shí)，生物膜上的微生物能夠吸附和降解污水中的污染物，最終實(shí)現(xiàn)了污水的凈化[20]。目前，生物膜技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于污染河道的治理，常用的基本方法有礫間接觸氧化法、排水溝接觸氧化法、生物活性炭填充柱凈化法、薄層流法和伏流凈化法[21]。

在國內(nèi)，邢海等[22]自行設(shè)計(jì)了生物接觸氧化裝置，針對(duì)城市河道的污染水體進(jìn)行了動(dòng)態(tài)掛膜試驗(yàn)，結(jié)果表明：該裝置正常運(yùn)行以后，COD、BOD5的去除率能夠達(dá)到70.45%、85.57%。在日本，采用了接觸氧化槽為主體結(jié)構(gòu)的凈化設(shè)施來處理污水，凈化效果明顯，SS、BOD、COD的去除率分別達(dá)到了97%、88%、70%，減少了進(jìn)入河流的污染物質(zhì)[23]?？梢?，該技術(shù)對(duì)河道的污染水體有很好的凈化效果。

該技術(shù)的核心是填料，且近年來的研究重點(diǎn)是生物膜載體材質(zhì)[24]。但是，該技術(shù)需要定期更換填料且周期較短，導(dǎo)致了運(yùn)行成本較高。因此，生物膜技術(shù)凈化河道具有凈化效果好、管理方便、投資少等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)非常適合我國中小河流污染的治理。

3.3 生態(tài)浮床技術(shù)研究進(jìn)展

生態(tài)浮床技術(shù)也稱為人工浮床技術(shù)，是采取生態(tài)工程措施并結(jié)合無土栽培技術(shù)實(shí)現(xiàn)修復(fù)水體環(huán)境的目的[25]。該技術(shù)是利用植物的根系吸收水體中的有機(jī)物以及N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，有效減輕了水體的富營養(yǎng)化現(xiàn)象[26]。生態(tài)浮床的經(jīng)濟(jì)性較好，且能夠結(jié)合水體修復(fù)和景觀設(shè)計(jì)，近年來已經(jīng)成為國內(nèi)學(xué)者研究的熱點(diǎn)[27]。

段金程等[28]以菖蒲和水芹作為水體凈化的浮床植物，對(duì)漕橋河的河水進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著浮床面積的增加，菖蒲區(qū)對(duì)TN和TP的去除率最高可達(dá)26.7%和58.2%，水芹區(qū)對(duì)TN和TP的去除率最高也可達(dá)到22.0%和28.0%?？梢?，該技術(shù)對(duì)N和P有較好的去除效果，適用于富營養(yǎng)化的微污染河道。

因此，生態(tài)浮床技術(shù)特別適合城市污染河道富營養(yǎng)化的治理，投資費(fèi)用僅為傳統(tǒng)治污技術(shù)的一半，且運(yùn)行費(fèi)用也較低[29]。但是，該技術(shù)需要人工操作且后續(xù)的維護(hù)工作比較困難。

3.4 生物生態(tài)組合技術(shù)研究進(jìn)展

某一種修復(fù)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)污染河道的治理，研究者對(duì)各單項(xiàng)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，形成了多種組合技術(shù)。目前，生物生態(tài)組合技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外污染河道治理的主流技術(shù)[20]。

侯保兵等[30]采用了以植物組合曝氣凈化技術(shù)和河道底質(zhì)修復(fù)為主的生物生態(tài)組合技術(shù)處理嘉興市和睦橋港及其支流的污水，工程實(shí)施以后，氨氮、總氮和總磷分別降低了72%、65.0%、67.3%。練繼建等[31]開發(fā)膜曝氣生物膜-生態(tài)浮床立式組合凈化裝置處理河水，結(jié)果表明：該組合裝置比其他單一裝置的凈化效果好，對(duì)氨氮、總氮和總磷的去除率更高，而且水體的透明度也大幅度提高。

生物生態(tài)組合技術(shù)具有投資小、處理效果好、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為河道污染治理的首選[32]。因此，各地應(yīng)根據(jù)不同河流污染的情況，選擇合適的生物生態(tài)組合技術(shù)，發(fā)揮組合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，各類生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)的處理效果、投資成本和運(yùn)行成本的比較見表1。

表1 各類生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)的特點(diǎn)

4 結(jié)語

目前，生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市污染河道的治理，也取得了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。該技術(shù)充分體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展理念，也提升了城市環(huán)境質(zhì)量和市民的幸福感，是一種切實(shí)可行、應(yīng)用前景十分廣闊的綜合治理技術(shù)。

針對(duì)今后城市河道污染治理，應(yīng)做好以下4個(gè)方面的工作。①尊重生態(tài)學(xué)和季節(jié)變化的規(guī)律，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合各地的實(shí)際情況；②根據(jù)不同河道的特點(diǎn)，選擇兩種及以上不同的生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)，發(fā)揮出組合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)；③針對(duì)城市河道水體的修復(fù)，單一的生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)有時(shí)難以實(shí)現(xiàn)治污目標(biāo)，需要應(yīng)用物理、化學(xué)等傳統(tǒng)方法進(jìn)行綜合治理，實(shí)現(xiàn)河道水環(huán)境的全面改善；④加強(qiáng)后期的河道管理，這是治理城市河道污染的關(guān)鍵，也是完善中國城市管理體系的重點(diǎn)。