城市污染河道水體環境修復技術研究進展

韓 萍，劉 健，郭靜嫻，張相忠，王 晉

(1.山東城市建設職業學院，山東 濟南 250000；2.青島市城市規劃設計研究院，山東 青島 266023；3.山東建筑大學 資源與環境創新研究院，山東 濟南 250101)

1 引言

城市“因水而生、因水而興”。城市河道不僅具有防洪行洪、漁業航運、供排水等功能，同時也具有調節微氣候、改善環境、提供生境、休閑娛樂等生態功能，對社會經濟生態的高質量發展具有重要影響[1]。然而近年來，隨著我國社會經濟的快速發展，城市污廢水排放量持續增加，全國相當部分城市河段受到不同程度的污染(中國水網)[2]，部分河道甚至淪為黑臭水體[3，4]。據統計，2020年全國監測的1614個水質斷面中，僅可用于一般工業用水、人體非直接接觸的娛樂用水、農業用水及一般景觀用水的Ⅳ、Ⅴ類水體斷面310個，占17.9%；除調節局部氣候外，幾乎無使用功能的劣Ⅴ類水體斷面11個，占0.6%(中國生態環境狀況公報，2019)。

城市河道水體的污染不僅破壞了城市景觀文化，損害了城市人居環境，更帶來了水質惡化和河流生態系統失衡問題[5]。城市河道水體的污染已成為“十二五”與“十三五”期間多地公眾強烈反映的水環境問題[6]。鑒于城市污染河道水體修復的重要性、必要性和緊迫性，黨和國家高度重視，2015年發布并實施了《水污染防治行動計劃》，將“全力保障水生態環境安全”作為重要內容。由此可見，系統修復城市污染河道水生態環境，是保障國家生態文明建設順利實施的重要舉措。

2 城市河道環境修復的發展

20世紀30年代，為最大限度發揮河道的運輸功能，歐洲國家對河道進行了硬化處理，河水水質隨之惡化，因而產生了最早的可追溯到的對河道修復的研究[7]。20世紀50年代，由于工業革命后歐洲工業的蓬勃發展，河流納污遠遠超過其自身自凈能力，60年代開始，歐洲國家開始對這些污染河流進行治理，當時重點關注的項目依然是水質指標[8]。20世紀80年代，美國提出水環境狀態的優劣除考慮水質參數外，還應關注生態質量、棲息地情況和生物多樣性等[9]。美國生態學家提出“生態工程”理論，即“對人工化的河道、水系進行遵循自然法則下的設計，以便生態與人類共存共榮”[10]。20世紀90年代后，美國形成了可持續的河流管理理念，認為城市河流應與自然相協調，為公眾提供舒適體驗，恢復河流整體生態功能[9]。日本90年代提出了“多自然河川工法”，強調采用生態工程的方法恢復河流生態環境等[11]。21世紀開始，各國家開始了流域尺度的生態修復。

3 城市河道環境修復技術

當前城市河道環境修復技術基于修復原理的不同，可分為物理修復技術、化學修復技術、生物修復技術和生態修復技術。

3.1 物理修復技術

物理修復是指采用物理的、工程的方法對城市污染河道水體及底泥進行凈化和改善的技術，包含疏控底泥、引水稀釋和水動力調控、機械除藻等過程。

疏控底泥是通過工程措施清除河道中污染底泥的過程，可快速去除底泥中埋藏的大量無機營養鹽、有機污染物、重金屬等，以減少對上覆水體水質的影響。俄羅斯的莫斯科河曾通過疏浚河段、清挖河床等措施實現了水質的凈化[12]。污染底泥的疏控去除也是海綿城市建設中黑臭水體整治的有效手段[13]。但是疏控底泥往往造價較高，可能對底棲生態系統造成較大破壞，且清挖的底泥需作為固廢進行處理，否則易造成二次污染。

引水稀釋是通過引入外部清潔水源對污染水體進行稀釋的過程，可大大降低污染物濃度。水動力調控是通過引入外部清潔活水或外加動力，增強河道水體流動性，提高流速，改善水體復氧和自凈能力。通過閘門調度，珠海前山河引入5倍左右的清潔水源進入河道，對污染物進行稀釋和排泄，明顯改善了水質條件[14]。當外部水源能源源不斷供給時，引水稀釋能較快解決河道污染問題，但此法不能從根本上降低污染物總量，因而具有一定局限性。

機械除藻可通過人工或機械的措施將河道水體中的藻類去除。該方法不僅可防止藻類在水體中腐敗耗氧，改善水體中氧氣的含量；同時還可以防止大量藻類遮擋水面，影響水生生物生存。

3.2 化學修復技術

化學修復是通過向城市污染河道水體投加化學藥劑或化學改良劑以促使水體中污染物分解、沉淀或轉化的過程。對于河道中的重金屬，真正對水體起負面作用的是其中的易溶性組分，可通過添加堿性化學物質促使重金屬生成難溶性的沉淀，以減輕重金屬對水體的影響。投加化學藥劑處理河道污染水體，操作方便，見效快，對于處理突發性事故造成的河道污染效果顯著。但因修復成本相對較高且存在二次污染風險,該技術一般不用作日常城市河道修復技術。

3.3 微生物修復技術

微生物修復是利用微生物對水體中的污染物進行吸收、分解、轉化以達到水體凈化目的的技術。該技術通過管道曝氣、建設水車、噴泉增強水體流動等人工增氧技術提高水體中微生物的活性，促進水體中有機物和氨氮等污染物分解，實現水質凈化。趙振等[15]通過曝氣技術對黑臭河水進行處理，發現水體中的化學需氧量、氨氮和總氮均有明顯去除。微生物可以是水體中自然存在的菌種，也可是人工投放的優勢菌種。已有研究證明利用實驗室研發微生物制劑修復西壩河污染水體，使五日生化需氧量、總氮、總磷下降達40%以上[16]。

3.4 生態修復技術

生態修復技術是利用自然生態系統、植物、微生物等分解和轉化水體中污染物的技術，包括生態浮島技術、人工濕地技術、穩定塘技術等。

生態浮島又稱為生態浮床，是利用植物無土栽培技術和生態工程措施對污染水體環境進行修復的技術。生態浮島通常適宜于富營養化且沒有航運要求的景觀河道[17]。生態浮島技術建設和運行成本低廉，同時又具有美化河道的作用，因而在當前的河道修復技術中應用較為廣泛。但目前對于生態浮床的管理維護，如植物的選擇和栽培、定期收割和更換、病蟲害預防治理等方面存在不足，可能會造成生態浮床使用期限縮短，甚至達不到預期處理效果。且由于生態浮床僅僅浮于水面，植物根系很難對深層水進行凈化，為突破這一限制，國內很多學者對生態浮床及其他技術進行復合和改良，以提高生態浮床的凈化效果[18～20]。

人工濕地是指由人工建造和控制運行的水環境凈化系統。人工濕地是一種典型的旁位處理技術，將部分被污染的河道水體分流至人工濕地進行處理，待凈化后再返回河道。人工濕地建造費用較低、運行維護簡便并兼具美觀效果，適用于周邊空間充足的城市河道。但人工濕地技術也存在一定局限，如溫度較高的夏季植物生長迅速，凈化效果較好，而冬季由于低溫凈化效果往往較差，因而需要篩選耐寒植物來凈化水質。近些年大規模低能耗的人工濕地技術已經成為一種趨勢，未來還需要全生命周期的研究和管理來維護系統的健康良性運行[21]。

4 關于河道環境修復的幾點思考

4.1 城市河流水環境精細化和差異化特征識別

不同城市河流具有不同的水環境特征，如河流水動力條件、水質狀況、水生態環境、接納污染物種類和方式等[22]。同一河流在不同時期，如不同季節、豐水年和枯水年等，水環境參數也存在較大的差異[23,24]。河道水環境特征的差異和變化必然要求修復措施的適應和動態調整，因而精準識別目標河流的水環境特征是進行河道環境修復的關鍵。對于河流水動力條件調查，至少應收集河流豐水期、平水期、枯水期和豐水年、枯水年的水深、比降、流速、含沙量、底質穩定性等，以及污染物入河后的分布、遷移、轉化規律等資料。對于水質狀況和水生態環境，應至少收集月際變化的目標污染物演變規律。對于污染源，應包含不同季節或月份的點源污染情況，如排污口的分布和數量、生活污水、工業廢水排放量和性質變化等；線源污染情況，如航運污染等；面源污染情況，如大氣沉降污染物類型和通量、地表徑流類型和通量等。

4.2 河道修復技術層面和社會經濟層面兼容性和沖突性問題

當前對于城市河道環境修復所采用的治理技術，多注重于某一河道在某一時期內的治理措施[25]。這是因為河道修復工程項目通常復雜、體量大，若要達到良好的治理效果需要長周期的運行維護和調整。然而，河道環境修復不僅是技術層面的問題，還涉及到社會、經濟、文化、歷史、政治等多層面。這些層面之間往往既存在兼容性，也常常相互沖突。因而探索河道環境修復技術層面和社會經濟等各個層面組合的可能性，認識沖突并減緩沖突，促進河道修復全過程的兼容性，是河道環境修復成功完成的重要保障。

5 結論與展望

城市污染河道環境修復是城市綠色、高質量與可持續發展的重要組成部分。近年來，已有眾學者對城市污染河道環境修復技術進行了多方面研究，且部分相關技術已完成可觀的成果轉化。未來，對待修復河流進行精細化和差異化調查，獲得月際變化的水環境特征演變規律，厘清水體污染來源及遷移轉化規律，可大大提高河道修復技術的針對性和有效性。在關注修復技術層面的同時，妥善考慮社會經濟等各個層面之間的兼容性和沖突性，以實現技術層面和社會經濟層面的聯動發展，對實現生態長效、可持續、高質量發展有至關重要的意義。