南安市梅溪小流域生態修復應用的成效分析

陳少寶

（南安市環境保護監測站，福建 泉州 362300）

由于我國經濟的快速增長及人口的增加，人類活動干擾產生了眾多環境問題，同時隨著城市化進程的加快以及環境設施建設的滯后性，大量生活點源污染、工業污染、農業林業及畜牧業等面源污染導致水質不斷惡化[1]，水體污染問題日益嚴重[2]?！?019 年中國生態環境狀況公報》顯示，我國主要河流的1610 個水質控制斷面中，仍有20.9%的斷面呈現Ⅳ類及以下水質，流域治理任務依然較為嚴峻，以小流域為主的水生態修復尤為關鍵[3]。

目前，小流域的生態修復手段主要側重于點源與面源污染的治理及防控、水土保持及自然修復等方面[4]，而水環境治理較為薄弱、技術手段適應性較差以及后期維護不完善等問題是當前小流域治理的薄弱環節[5]。為此，亟須找到一種綜合全面的修復手段對小流域進行生態修復，在有效防控點源與面源污染的同時，也能有效削減內源污染，恢復水體自凈能力，提高生態系統穩定性。

本文通過將“HCECR 水體生態修復技術”與“功能生態礁石修復技術”進行聯合應用，對梅溪流域進行生態修復，即采用HCECR 水體生態修復技術中的微納米曝氣、水生態因子調控以及輔助投加環境友好微生物（包括好氧硝化細菌、聚磷菌等微生物，活菌數>108CFU/mL）與功能生態礁石修復技術中的功能生態礁石聯動使用，對南安市梅溪小流域進行生態修復，并對修復河段的水質狀況進行成效分析，旨在為小流域的水環境治理及生態修復提供依據。

1 研究對象與材料方法

1.1 研究區概況

南安市梅溪是東溪的一條支流，位于南安市洪梅鎮、洪瀨鎮境內，梅溪主要發源于洪梅鎮山溪村與洛江區交界的建興山，自北向南流經洪梅鎮的山溪村和仁科村以及洪瀨鎮壩田村和集新村等村落，至東林村納四都溪后，于楊美村匯入晉江東溪。河道長23.20km，流域面積101km2，多年平均徑流量8054 萬m3，地處晉江中下游，屬晉江二級支流[6]。

梅溪流域污染源來源廣泛，農村生活污染、農業面源、畜禽養殖污染、工業污水排放、內源污染、河道生態破壞等都會影響梅溪的水質。其中，城鎮污水管網不完善、農村污水處理設施缺失、生活垃圾入河、畜禽養殖廢水直接排放、農業面源污染、工業污水排放不達標以及底泥淤積是造成梅溪水質惡化、生態破壞的重要原因。2018 年4 月27 日至5 月6 日梅溪流域的水質數據顯示，梅溪流域重要點位的水質已超出地表水環境質量Ⅴ類標準，屬劣Ⅴ類水體，其中氮、磷超標嚴重。

1.2 材料方法

1.2.1 工程情況

針對梅溪流域水質超標問題，2018 年5 月開展了水生態修復項目，在梅溪干流鳳凰橋上游、猛虎橋上游、神像工業園區，以及梅溪支流潘坑橋上游、新舊貢山橋之間布設生態修復設備，修復區域長度分別為0.5km，共計2.5km。根據流域實際徑流量配置生態修復設備，主要包括4 套水生態因子調控設備[7]、50 套生態礁石[8]、3 臺中央控制系統、1 臺高溶氧發生裝置[9]、1 臺微氣泡及微納米氣泡擴散裝置[10]、4 套微生物馴化投加系統。

1.2.2 水樣采集

本研究針對梅溪流域設置4 個采樣點，分別為對照區S1 點位（陳厝橋，N25°04′32″、E118°31′36″）、修復區S2 點位（神像工業園，N25°3′15″、E118°30′59″）、修復區S3 點位（潘坑橋，N25°3′6″、E118°31′8″）和修復區S4 點位（獅峰橋，N25°3′12″、E118°30′53″），2018 年5 月10 日開始陸續實施生態修復工程，運營期至2020 年10 月結束。工程前期對梅溪流域進行診斷分析；工程運營期間，定時對各點位進行采樣檢測。采樣方法參照《水質 采樣技術指導》（HJ 494—2009）。

1.2.3 水質檢測與數據處理

氨氮（NH3-N）依據《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》（HJ 535—2009），采用納氏試劑分光光度法測定；總磷（TP）依據《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》（GB/T 11893—1989），采用鉬酸銨分光光度法測定。數據測定后采用SPSS 19.0 進行顯著性分析[11]，并使用Origin 9.0 完成繪圖工作。

2 結果

2.1 梅溪流域修復前水質

圖1 梅溪流域修復前水體NH3-N 濃度

圖2 梅溪流域修復前水體TP 濃度

本研究于2018 年4 月27 日至5 月6 日期間對梅溪進行項目實施前的水質監測。由圖1、圖2 可知：生態修復前，各點位水體的NH3-N 和TP 濃度分別介于1.294—7.218mg/L 和0.176—0.981mg/L，超出《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中流域Ⅲ類標準（NH3-N <1.0mg/L、TP <0.2mg/L），其中多數時間超出了流域Ⅴ類標準（NH3-N <2.0mg/L、TP <0.4mg/L），水質超標較為嚴重。由上表可知，生態修復前，各點位水體NH3-N 濃度均值介于（2.854±1.926）—（4.189±1.940）mg/L，超出流域Ⅴ類標準42.71%—109.45%；各點位水體TP 濃度均值介于（0.428±0.213）—（0.609±0.123）mg/L，超出流域Ⅴ類標準7.00%—52.25%，水質為地表水劣Ⅴ類，水體污染嚴重。

梅溪流域重要點位修復前水質均值

2.2 梅溪流域修復后水質

2.2.1 水體氨氮濃度變化

生態修復后水體NH3-N 濃度變化情況如圖3 所示。顯著性分析表明，2018—2020 年，對照區S1 點位的NH3-N 濃度與修復區S2、S3 及S4 點位的NH3-N 濃度均存在顯著性差異（P<0.01）。生態修復期間，對照區S1 點位的NH3-N 濃度為1.847—2.770mg/L，流域長期為Ⅴ類和劣Ⅴ類水體。而修復區各點位的NH3-N 濃度在2018 年5 月底已基本擺脫劣Ⅴ類，6 月至11 月期間，除7 月和11 月由于水體污染物本底值較高而導致個別點位水質偶有超標外，其余月份的NH3-N 濃度滿足Ⅴ類標準。其中，S2 點位的NH3-N 濃度為0.697—2.110mg/L，削減率達19.95%—60.64%；S3 點位的NH3-N 濃度為1.110—2.106mg/L，削減率達19.53%—41.52%；S4 點位的NH3-N 濃度為0.890—1.980mg/L，削減率達24.89%—52.66%。2019 年，修復區NH3-N濃度已基本提升至Ⅳ類標準（<1.5mg/L），除了5 月和11 月由于降水和氣候影響而導致水體污染物本底值升高，使得修復區點位水質變為Ⅴ類外，剩余多數月份修復區點位水質已提升至Ⅲ類。其中，S2 點位的NH3-N 濃度為0.364—1.783mg/L，削減率達29.72%—83.33%；S3 點位的NH3-N 濃度為0.316—1.520mg/L，削減率達38.93%—82.89%；S4 點位的NH3-N 濃度為0.432—1.540mg/L，削減率達39.30%—77.23%。2020 年，修復區各點位的NH3-N 濃度已基本提升至Ⅲ類標準。其中，S2 點位的NH3-N 濃度為0.225—0.921mg/L，削減率達54.20%—88.10%；S3 點位的NH3-N 濃度為0.162—1.190mg/L，削減率達45.44%—91.96%；S4 點位的水體濃度為0.130—1.040mg/L，削減率達52.03%—94.29%，除氮效果較為顯著。2020 年7—11 月數據顯示，修復區水體逐步優化并滿足Ⅱ類標準（<0.5mg/L），水質修復效果良好。

圖3 2018—2020 年梅溪流域水體NH3-N 濃度變化情況

年際變化顯示（見圖4），2018—2020 年對照區S1點位的NH3-N 年均值介于2.131—2.330mg/L，由于面源污染無法完全杜絕，對照區S1 點位的水體NH3-N年均值一直處于劣Ⅴ類標準。2018 年修復區各點位的NH3-N 年均值介于1.868—1.880mg/L，水質由地表水劣Ⅴ類提升至Ⅴ類表明水生態系統已在緩慢恢復中；2019 年修復區各點位NH3-N 年均值均介于0.877—0.966mg/L，穩定提升至Ⅲ類標準；2020 年修復區各點位NH3-N 年均值均介于0.547—0.642mg/L，穩定維持在Ⅲ類標準，水體氨氮指標得到逐年優化，修復效果較為顯著。

圖4 2018—2020 年梅溪流域水體NH3-N 濃度年際變化情況

2.2.2 水體TP 濃度變化

生態修復后水體TP 濃度變化情況如圖5 所示。顯著性分析表明，2018—2020 年，對照區S1 點位的水體TP 濃度與修復區S2、S3 及S4 點位的TP 濃度均存在顯著性差異（P<0.01）。生態修復期間，對照區S1點位的TP 濃度為0.275—0.456mg/L，超出Ⅲ類標準，長期處于Ⅳ、Ⅴ類標準（<0.30mg/L 和<0.40mg/L），水質較差。而修復區各點位的TP 濃度在2018 年5 月底已達到Ⅳ類標準，5 月至11 月期間，除5 月由于水體污染物本底值較高而導致修復區S2 點位水質超過Ⅳ類標準外，其余月份修復區各點位的TP 濃度均滿足Ⅳ類標準。其中，S2 點位的TP 濃度為0.145—0.308mg/L，削減率為14.92%—65.64%；S3 點位的TP 濃度為0.129—0.245mg/L，削減率為32.32%—62.56%；S4 點位的TP 濃度為0.087—0.202mg/L，削減率為54.71%—70.00%。2019 年，修復區水體TP 濃度已穩定提升至Ⅳ類標準，多數月份（如3 月、7 月）可達到Ⅲ類標準。其中，S2 點位的TP 濃度為0.051—0.259mg/L，削減率達40.05%—81.45%；S3 點位的TP 濃度為0.078—0.228mg/L，削減率達50.00%—73.16%；S4 點位的TP 濃度為0.023—0.219mg/L，削減率達49.31%—91.64%。2020 年，修復區各點位的TP 濃度已基本滿足Ⅲ類標準，多數月份（如5 月及11 月）可達到Ⅱ類標準（<0.1mg/L）。其中，S2 點位的TP 濃度為0.034—0.209mg/L，削減率達47.88%—91.83%；S3 點位的TP 濃度為0.070—0.153mg/L，削減率達59.84%—81.49%；S4 點位的TP 濃度為0.047—0.179mg/L，削減率達52.03%—88.70%，控磷效果顯著。

圖5 2018—2020 年梅溪流域水體TP 濃度變化情況

年際變化顯示（見圖6），2018—2020 年對照區S1 點位的TP 年均值介于0.384—0.409mg/L，由于面源污染無法杜絕，對照區S1 點位的TP 年均值一直處于Ⅳ—Ⅴ類標準。2018 年修復區各點位的TP 年均值介于0.228—0.278mg/L，已提升至Ⅳ類標準；2019 年修復區各點位TP 年均值介于0.148—0.166mg/L，已提升至Ⅲ類標準；2020 年修復區各點位TP 年均值介于0.102—0.115mg/L，水質指標已穩定滿足流域Ⅲ類標準，水體TP 指標得到不斷優化，水生態修復效果良好。

圖6 2018—2020 年梅溪流域水體TP 濃度年際變化情況

3 討論

目前，常見的流域水生態修復措施主要包括生態浮島、生態護岸、微生物強化技術等，但這些措施都有一定的局限性。如生態浮島雖能利用植物的根系吸收水中污染物，改善水質[12]，但其抗水利沖擊能力差且種植的水生植物大多難以抵抗極端天氣，因而使用壽命短；生態護岸工程雖然能增強岸坡的抗侵蝕和沖刷能力，也兼具景觀效果[13]，但無法從根源上改善水質污染問題，因而成效并不顯著；微生物強化技術雖能有效降解水中污染物[14]，促進水質達標，但微生物群落受水環境影響較大且易流失[15]，因而其修復效果并不長久，需反復多次投加。由于目前的生態修復措施無法有效實現流域的水生態修復，因此亟須找到一套綜合全面的修復技術，從根本上解決流域的水質污染問題，提升水體自凈能力，恢復水體的生態健康，實現受污染水體的“長治久清”。

本研究通過將“HCECR 水體生態修復技術”與“功能生態礁石修復技術”聯合應用，形成科學的生態修復體系，對梅溪流域水質進行生態修復，其原理是：在水體底部安裝微納米曝氣與生態礁石裝置，配套岸上的水生態因子調控設備，不僅能增加水中溶解氧（DO）含量，改善水底厭氧環境，同時能有效調節水中的水生態因子，為微生物提供適宜的繁殖條件，促進微生物群落對于污染物的高效降解；生態礁石可作為微生物固載吸附大量的環境友好型微生物，并利用水體持續的微循環作用[16]，使其能長期作用于目標水體中，不斷促進污染物的高效降解，從而提升河道水體的自凈能力，長效提升水質。

王睿等[14]采用微孔曝氣與微生物技術對豐湖進行水質修復，雖然在一定程度上提升了水體的DO 含量和透明度、降低了高錳酸鹽指數（CODMn），但由于所投加的微生物無法長期作用于水體，導致其水質狀態反復，修復效果難以保持。由此可見，微生物強化技術需要與生物固載體配合使用，才能長效作用于目標水體，從而穩定提升水質。

研究表明，微納米曝氣氧化性強，傳質效率高，能有效分解水中有機顆粒，提升水質[17]。微納米曝氣與微生物法的結合[18]能提升水中DO 含量，提高好氧微生物的生理活性，提升好氧硝化細菌對于水中NH3-N的削減能力及聚磷菌對于水中TP 的吸收能力，并在短時間內降低污染物濃度、凈化水質。水生態因子調控和生態礁石的疊加作用能為微生物提供更加適宜的生長環境，促進微生物群落降解底泥中的污染物，起到抑制內源污染、提升水質的效果[19]。黃磊等[20]采用微納米曝氣和微生物法進行圍隔試驗，結果顯示該方法能提升水質，水中TN 和TP 的去除率約分別為37.7%和43.3%。

本研究通過多種技術的聯合使用，能最大限度降低污染物濃度，提高水體自凈能力，削減內源污染，促進水質達標，因而對水中NH3-N 和TP 等污染物的削減效果更為顯著。

監測數據顯示：2018—2020 年，梅溪口斷面處水質指標呈現逐年優化的趨勢，其中DO 和BOD5的年均值都由Ⅲ類標準逐漸優化成Ⅰ類標準，CODMn年均值從Ⅱ類標準逐漸優化成Ⅰ類標準。由此，可看出本研究對于梅溪流域的生態修復效果較為顯著。

4 結語

本研究針對梅溪小流域的水質超標問題，實施“一河一策”的生態修復措施，在促進梅溪流域水質提升的同時，也為梅溪流域的綜合治理奠定了堅實的基礎，具體表現為：生態修復后，梅溪小流域的鳳凰橋修復區、四都溪支流潘坑橋修復區以及獅峰橋修復區內水體的氮、磷指標均已顯著下降并得到逐年優化，目前已穩定達到地表水環境質量Ⅲ類標準。2018—2020 年，水體氨氮削減率介于19.95%—94.29%；總磷削減率介于14.92%—91.83%，氮、磷削減率逐年提升，控氮除磷效果顯著，水質修復效果良好。