城市污染河道生物生態修復研究進展

裴 菲

(中煤科工集團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河，具有水位淺、流量小、河道順直、流速緩慢等水力特性，環境容量小、生態系統脆弱是城市河道的特點[1]。城市河道具有排除洪澇災害的安全功能，也是沿岸城市的一道亮麗風景線，同時兩旁的河岸成為了市民休閑娛樂的場所[2]。

由于我國經濟的快速發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，也直接影響了市民的生產和生活。國家高度重視黑臭水體的治理工作，國務院明確了治理的控制性目標：到2020年，地級及以上城市建成區黑臭水體均控制在10%以內；到2030年，城市建成區黑臭水體總體得到消除。

目前，河道水體修復技術主要有物理、化學、生物修復技術，而生物生態修復技術是一種應用前景很好的水體修復技術[3]，目前已經廣泛應用于城市河道的治理。本文總結了河道生物生態修復技術研究進展，然后歸納了現有生物生態修復技術的特點，并指出了今后城市河道污染治理工作的方向。

2 河道生物生態修復的發展

目前，河道生物生態修復通常使用生物生態法。該方法利用自然界的規律，通過自然界的自我恢復、自我調控能力實現了人與自然和諧共處、水質改善的目的[4]。

1938年，Seifert最早提出了這種方法[5]。國外河道的生物生態修復工作經歷了以下3個發展階段。第1階段：20世紀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、動物和生態的相互協調和制約[7]；20世紀60年代，隨著現代生物學的完善，該理論步入了科學軌道[8]。第2階段：20世紀80年代后期，近自然河道治理的觀念更加明確。1989年Mitsch和Jorgensn定義了生態工程的概念，也成為了“多自然河道修復技術”的理論基礎[6]。第3階段：20世紀90年代以后，隨著生物生態技術的逐漸成熟，許多發達國家在治理城市河道的過程中，更加注重生態穩定和生物多樣性[8]，并取得了良好的治理效果。英國在治理泰晤士河時，不僅注重生態治理方法恢復河道自然環境，而且更注重未來的維護與管理[9]；美國在治理密西西比河的洪澇災害時，采用了水泥固化、截彎取直等工程措施與生態治理方法相結合的非工程措施[10]；加拿大在治理圣勞倫斯河的水質污染時，成立了生態環境監測管理中心且采取了切實可行的生態治理技術措施，取得了很好的效果[11]。

與國外的發達國家相比，我國河道生物生態修復工作起步較晚。進入21世紀以來，河道生物生態修復已經引起了國家的高度重視，已經開展了相關的研究和實踐活動。國內河道生物生態修復工作經歷了以下2個發展階段。第1階段：2000～2005年為初始階段，該階段是學習國外的研究成果，并形成與我國生物生態修復工作有關的學術見解[12]。第2階段：2005年至今，我國生物生態修復工作已經向具體的修復方法和技術轉變[12]。目前，我國已經有很多城市利用生物生態方法治理了城市黑臭水體，并取得了良好的生態環境效益。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、生態修復等措施進行綜合整治，開發出了“凈水梯田”生態護岸技術，使處理后的河水達到Ⅳ類水質標準，那考河黑臭水體治理項目也榮獲了2017年度中國人居環境范例獎[13]。

3 城市污染河道生物生態修復技術研究

生物生態修復技術是利用特定的植物或微生物轉移、轉化、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技術有微生物強化技術、生物膜技術、生態浮床技術和生物生態組合技術。

3.1 微生物強化技術研究進展

微生物強化技術也稱為微生物增效技術，通過向生物處理系統投加篩選出的優勢菌種或高效微生物，實現去除某一種或一類有害物質的技術[15]。該技術直接向黑臭水體投加微生物菌劑或可促進微生物生長的微生物促生劑[16]，治理黑臭水體取得了很好的效果。

杜聰等[17]向某黑臭河道水體中投加不同濃度的微生物菌劑，結果表明：投加濃度為0.5～1 mg/L時，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黑臭水體，結果表明：COD、氨氮和總磷的去除率分別為46.8%、98.7%和73.3%，運行成本也明顯降低。可見，微生物強化技術處理黑臭河道水體的效果較好，運行成本較低。

因此，在黑臭河道水體治理中，該技術具有污染物去除率較高、能耗較低、工藝簡單及基建費用較低等優點[19]。目前，該技術已經廣泛應用于河道污染水體治理。

3.2 生物膜技術研究進展

生物膜技術也稱為生物膜法，該技術使微生物群體附著于某些載體表面形成了生物膜，當污水通過生物膜時，生物膜上的微生物能夠吸附和降解污水中的污染物，最終實現了污水的凈化[20]。目前，生物膜技術已經廣泛應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，邢海等[22]自行設計了生物接觸氧化裝置，針對城市河道的污染水體進行了動態掛膜試驗，結果表明：該裝置正常運行以后，COD、BOD5的去除率能夠達到70.45%、85.57%。在日本，采用了接觸氧化槽為主體結構的凈化設施來處理污水，凈化效果明顯，SS、BOD、COD的去除率分別達到了97%、88%、70%，減少了進入河流的污染物質[23]。可見，該技術對河道的污染水體有很好的凈化效果。

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

3.3 生態浮床技術研究進展

生態浮床技術也稱為人工浮床技術，是采取生態工程措施并結合無土栽培技術實現修復水體環境的目的[25]。該技術是利用植物的根系吸收水體中的有機物以及N、P等營養物質，有效減輕了水體的富營養化現象[26]。生態浮床的經濟性較好，且能夠結合水體修復和景觀設計，近年來已經成為國內學者研究的熱點[27]。

段金程等[28]以菖蒲和水芹作為水體凈化的浮床植物，對漕橋河的河水進行試驗，結果表明：隨著浮床面積的增加，菖蒲區對TN和TP的去除率最高可達26.7%和58.2%，水芹區對TN和TP的去除率最高也可達到22.0%和28.0%。可見，該技術對N和P有較好的去除效果，適用于富營養化的微污染河道。

因此，生態浮床技術特別適合城市污染河道富營養化的治理，投資費用僅為傳統治污技術的一半，且運行費用也較低[29]。但是，該技術需要人工操作且后續的維護工作比較困難。

3.4 生物生態組合技術研究進展

某一種修復技術難以實現對污染河道的治理，研究者對各單項修復技術進行了優化，形成了多種組合技術。目前，生物生態組合技術已經成為國內外污染河道治理的主流技術[20]。

侯保兵等[30]采用了以植物組合曝氣凈化技術和河道底質修復為主的生物生態組合技術處理嘉興市和睦橋港及其支流的污水，工程實施以后，氨氮、總氮和總磷分別降低了72%、65.0%、67.3%。練繼建等[31]開發膜曝氣生物膜-生態浮床立式組合凈化裝置處理河水，結果表明：該組合裝置比其他單一裝置的凈化效果好，對氨氮、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。

生物生態組合技術具有投資小、處理效果好、運行費用低等優點，已經成為河道污染治理的首選[32]。因此，各地應根據不同河流污染的情況，選擇合適的生物生態組合技術，發揮組合技術的優勢。

綜上所述，各類生物生態修復技術的處理效果、投資成本和運行成本的比較見表1。

表1 各類生物生態修復技術的特點

4 結語

目前，生物生態修復技術已經廣泛應用于城市污染河道的治理，也取得了良好的社會、經濟和生態環境效應。該技術充分體現了可持續發展理念，也提升了城市環境質量和市民的幸福感，是一種切實可行、應用前景十分廣闊的綜合治理技術。

針對今后城市河道污染治理，應做好以下4個方面的工作。①尊重生態學和季節變化的規律，同時還應結合各地的實際情況；②根據不同河道的特點，選擇兩種及以上不同的生物生態修復技術，發揮出組合技術的優勢；③針對城市河道水體的修復，單一的生物生態修復技術有時難以實現治污目標，需要應用物理、化學等傳統方法進行綜合治理，實現河道水環境的全面改善；④加強后期的河道管理，這是治理城市河道污染的關鍵，也是完善中國城市管理體系的重點。