生物修復技術在城市水環境治理中的應用

范群杰

（上海市長寧區河道管理所，上海市 200335）

0 引言

城市水環境是由城市與周邊的河流、湖泊、濕地、地下水、水庫等水體所構成的水生生態環境，是城市生態環境的重要組成部分。城市水環境不僅具有提供水源、防洪排澇、促進交通等與人類生存息息相關的功能，還具有景觀休閑、城市區域局部氣候調節、減輕熱島效應等生態環境作用，為城市環境的可持續發展提供了重要保障。隨著我國城市化進程的加快，人類活動對城市水生態環境帶來了巨大的負面影響：廢水過度排放造成水污染加劇；水體的過度取用造成水資源短缺。上述現象均會造成城市水環境承載力大幅下降，這和人與自然和諧共生的發展理念相悖。據2014年度環保部調研統計顯示：我國淡水流域中約有28.8%斷面水質低于Ⅲ類標準；全國61.5%的地級市監測點所反饋的地下水指標較差。城市水環境污染的加劇已經深刻地影響了人類賴以生存的家園。

為減緩和抑制水環境惡化加劇的趨勢，越來越多的工程或技術手段被用于城市水生態環境的修復上，如底部清淤、人工曝氣、補充除藻劑和氧化劑等。盡管如此，對于城市水環境而言，上述單一的物理或化學修復手段往往效果有限且持續時間較短，無法對水環境修復起到標本兼治的作用。而基于生物原理的生態修復技術不僅具有環境友好型的特點，還能從根源上改善水環境內源與外源污染狀況，被認為是十分具有前景的水生態環境修復技術。

1 生態修復技術的概念

生態修復（bioremediation）是指人類停止對生態系統造成損害，以減輕其污染負荷與生態壓力。生態系統依靠其自身對外界環境的調節能力與自組織能力使其向有序的方向進行演化[1]。即主要通過利用生態系統自我恢復能力，同時輔助以人工強化手段，使遭受破壞的生態系統逐步恢復。生物修復技術主要可以分為生物強化技術（bioaugmentation）、生物促生技術（biostimulation）、生物通氣（bioventing）、生物堆肥（composting）等。目前針對水環境富營養化與黑臭化加劇的水環境污染特點，以耦合生物代謝、通過物理化學措施輔助強化的方式來調控水體環境內部菌群種類、菌群活性與污染物降解等的生物修復技術受到了廣泛的重視。目前已被廣泛應用于城市河道水環境修復、景觀原位水體修復等多個領域。

2 生態修復技術的種類與應用

2.1 人工濕地與生物氧化塘

人工濕地是由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的池塘。被污染的水體進入濕地后，沿水平或豎直的方向流動。在微生物、水生植物、水生動物和底泥的作用下以過濾、吸附、植物吸收、動物吸收、微生物分解的協同方式實現水體的凈化。人工濕地不僅具有去除懸浮物和有機污染物的功能，還可以通過人工強化手段實現水體中微生物與植物根系的協同脫氮作用和對水體中磷元素的吸收。這極大程度上拓展了其適用范圍。在實際運營中發現，人工濕地具有形式多樣（見表1）、能夠因地制宜地建造、建造成本低廉、操作簡單、管理方便、對常規污染物處理效果較好、能耗低和運行費用低等優點，但也存在占地面積大、個別季節有異味影響感官等缺陷。

表1 人工濕地的分類與應用

類似于人工濕地，生物氧化塘也是一種利用微生物天然凈化能力來實現水體凈化的系統。其獨特之處在于，生物氧化塘可借由人工曝氣、投加高效菌種、培育合適的水生生物等措施進行功能強化。在凈化水體時，生物氧化塘內部的食物鏈得到延長，微生物、水生動植物可以構成生物多樣性的生態系統促進微生物、水生動植物的相互協作。

綜上所述，基于人工濕地與生物氧化塘的特點，在利用該生物修復技術時可通過對廢棄舊河道、灘涂、魚塘、閑置的土地進行改造，將其轉化為人工濕地或生物氧化塘。這不僅能合理有效地利用土地資源，還可以利用改造后的人工濕地或生物氧化作為雨水調蓄、海綿化改造和生物凈化的預處理反應單元，從而實現水量調節與水體凈化的雙重功用。

2.2 水體人工增氧技術

相比于自然水體，城市水體具有靜止或流動性差、水體容量小、極易受到污染和自凈能力差等特點。如果外界環境中的外源性污染加劇，則極易出現由于溶解氧降低而造成的水體黑臭現象。針對上述問題所提出的水體人工曝氣就是通過提高水中溶解氧濃度的方式來恢復水生態環境。曝氣可以為水中生物提供呼吸所需要的氧，從而加速微生物對污染物的降解。并實現水體由缺氧狀態轉化為好氧狀態，增強水體的凈化能力。此外，針對富營養化水體上層好氧而下層缺氧的特點，人工增氧還可以在短期內通過加速硝化反應速度的方式減緩富營養化現象，見效速度快、處理效果好。故人工增氧是目前城市水環境生物修復的重要技術手段，并被廣泛應用于城市水環境生態治理[2]。

2.3 生物強化技術

生物強化技術是指通過向水環境中引入具有特定功能的微生物，以增強水體對降解有機物的能力，并改善和促進原有微生物去除效能[2]。其本質上而言是一種外源微生物投放技術。生物強化技術最早應用于治理高濃度有機廢水，有毒、有害難降解污染物的治理和強化廢水中油脂的液化和降解等領域。隨著功能性細菌的廣泛發現、篩選和應用，生物強化技術逐步拓展至江河湖泊與地下水生物的修復中來，并取得了一定的治理效果。但需注意的是，外源性菌群一般都存在對當地環境的適應性問題。同時，外源微生物作為“外來物種”也可能會對本地生態環境造成影響并產生相關的環境安全問題。

2.4 生態浮床

生態浮床又稱為人工浮床、生態浮島等，是人工浮島的一種。生態浮床是由綠化技術與漂浮技術結合衍生發展出來的。常見的生態浮床一般由水生植被、植物浮床、浮島框架（見圖1）和水下固定裝置所組成。生態浮床一般以水生植物為主體，利用無土栽培技術，以輕質材料為載體或基質，應用動植物物種間的協同共生關系，在充分利用水體空間的基礎上，建立高效人工生態系統，以達到削減水體中的污染負荷，提供生物棲息之所和美化環境的功能。生態浮床的凈化機理主要為：一方面利用表面積很大的植物根系網絡，過濾吸附水體中大量的懸浮物和溶解性COD；另一方面通過根系吸收水體中的氮、磷等富營養化物質。最后，浮床還可以借由遮光來抑制水體中藻類的光合作用，以防止浮游植物過量生長，使水體透明度大大提高。生態浮床通常選用陸生植物和濕生植物，例如美人蕉、香根草等易于生長和成活的植物。生態浮床不僅不占用土地資源，還可以為周邊的鳥類和魚類提供一定的生存空間，并兼具景觀美化的功能，目前普遍用于城市生態修復、農村水體污染修復和建設城市濕地景區等。

圖1 利用輕質材料拼接的生態浮床

2.5 生態護岸

生態護岸指的是利用植物或通過植物與土木工程結合的方式，對河道坡面進行防護的一種河道護坡形式。生態護岸的理念是基于最大可能以天然狀態下河海岸形式為參照，避免以建筑物的形式去破壞自然生態系統平衡。生態護岸一般具有防洪排澇、生態景觀和自凈功能，不僅可以維持河岸邊坡的穩定，還可以使河水與土壤相互滲透，增強水體與周邊的物質交換。生態護岸的修復機理主要為，為水體中的生物提供合適的棲息地和構建水陸緩沖帶，通過依附在其周邊的水生動植物來實現對水體的凈化作用。生態護岸一般可分為固化技術護岸、扦插拋石聯合技術護岸、直立式生態護岸、自嵌式植生擋土墻護岸和格賓柔性護岸。其結構材料通常以植被、干砌石或原木等柔性材料為主，也可以在上述材料的基礎上加入混凝土、鋼筋等材料來強化坡面的穩定性。

2.6 底泥生物氧化技術

底泥生物修復是通過原位微生物定向擴增的手段繁殖大量本地化的微生物。利用增殖的微生物和底物組合生產出藥物，通過靶向給藥的方式將藥物直接注射入底泥表層，促進底泥中有機物的快速氧化和底泥表層生物降解能力，加速黑臭底泥的生物氧化進程以抑制黑臭現象。底泥生物氧化的同時還能抑制底泥中營養鹽的釋放，緩解水體中富營養化的發生[3]。水環境底泥的生物修復可以有效減少水體的內源性污染，防止底泥中的污染物向水體中擴散與釋放，有助于建立水體良好的生態系統，提升自凈能力。

2.7 生態修復技術

生態修復是通過人工強化或干預的方式來加速生態演替和多樣化的過程。狹義上的生態修復是指水生植物修復；廣義上的生態修復是指水生生態恢復技術。水生植物修復一般是在河濱周邊建立起水生植被帶，利用水生植物的根系來吸收水體中的氮、磷等營養物質，實現抑制藻類大量繁殖和凈化水體的功能。水生植物修復與構建一般包括創造水生植物適宜的生存條件，通過行定植、擴增、優化配置種群的方式進而形成具有沉水植被、挺水植被、浮水植物空間群落結構。

水生生態恢復技術則側重于將視角集中于整個生態系統的生物與物質的良性互動。在微觀方面，通過誘導或改變系統內微生物種群方式促進種群由單一型厭氧微生物向好氧微生物進行轉變。同時延長系統內的食物鏈，構建包含細菌、藻類、原生動物、后生動物、動植物等多種生物組合，最大可能地提高生物多樣性，繁榮整個生態體系。在宏觀方面，利用工程手段在減輕輸入性污染物的同時抑制內源性污染物的擴散與傳輸，增強水體自身的凈化能力。配合城市海綿化的新理念，擴大水體與周邊的物質、能量良性交互。

3 城市水環境治理中生物修復應用探討

3.1 重視前期調查

在進行水生態修復前，需優先對修復水體進行調研，調研內容主要包括水質指標（水體中的溶解氧、pH 值、CODMn、BOD5、TOC、NH4+-N、TP、氧化還原電位等常規指標）、微生物指標（水體與底泥中的生物群落、微生物種類、底棲動物與動植物）。除此之外，還要了解水體的點源與面源污染現狀、水體的水文特征與周邊沿岸的動植物分布和環境狀況。根據上述資料合理確定水環境生物的修復方案，在實施前盡可能通過試驗進行模擬和預測。

3.2 實現核心目標

由于水體污染的情況通常較為復雜且成功的治理方案難以完全復制，故應在前期調研基礎上確定需要實現的最終效果。例如：若水生態環境主要以富營養化為主，則可以通過植物根系吸收的方式減輕水體中的氮、磷元素，同時輔以人工曝氣手段恢復水中的溶解氧；若水生態環境以黑臭現象為主，則應注重對水體底泥的復氧和激活原位微生物的凈化能力。通過針對性的選取凈化方案來獲得最大的環境效益。

4 生態修復技術在西安市護城河中的應用

西安市護城河是城墻景區重要的組成部分，也是西安市老城區36 km2范圍的雨水調蓄庫和泄洪的主干路，蓄洪水量為可達80萬m3。但通過前期的水質調研分析發現，護城河水質不容樂觀，存在外部臨時性的生活排放污水、季節性雨水（主要污染物為COD和SS）和局部死水造成的內源性污染（主要污染物為N和P），河道水質常年劣于Ⅴ類。除此之外，污染源還有藻類植物與水面漂浮物等。對水體的影響主要體現為耗氧性污染、富營養化污染。綜上，護城河水體污染形成并不僅是單一的因素所導致，需要對護城河進行綜合的治理與維護。

針對上述耗氧性污染和富營養化污染的問題，分別采用人工浮島與投加復合菌種恢復水生態的方法進行治理：在護城河北段區域內分級布置人工浮島（3 m×3 m×0.4 m的種植單元格），單元格內種植香根草、鳳眼蓮、美人蕉等植物，起到利用根系去除污水中的有機污染物和其他營養物質的作用。人工浮島布置之前采用人工曝氣的方式初步減少水中COD。曝氣完成后在尚德門以西400 m處河段設10個浮島種植單元格，護城河東北角設21個人工浮島種植單元格。同時在上游區域設置攔污網，以減輕漂浮物對修復河段的影響。通過上述措施，該河段的水質類別由之前的劣Ⅴ類變為Ⅳ類，COD、SS、氨氮三項指標監測下降為同比的57%、31%、27%。

在氣溫合適的5～7月，將YL-H15作為先鋒生物菌種投至護城河東段的底泥中，建立缺損的腐食食物鏈，促進底泥礦化。投加點投加量按水域面積以100 g/m2計。投加后試運行一個月并觀測相關的水質指標，根據檢測結果輔助投加高濃度污水分解復合菌種（YL-H40）以促進生態系統的恢復，提高水體的抗負荷能力。采用該方法后通過對河道連續29周的監測結果顯示，溶解氧、總氮、總磷三項指標監測值優于Ⅳ類水標準的頻次分別為71%、82%、76%。該方法有效地抑制了水體富營養化的趨勢。

5 結語

生物修復技術是城市水環境治理的重要技術手段，同時也是水體整治重要的發展方向。生物修復技術具有環境友好型的特點，可以為人與自然的和諧發展提供很好的發展思路。