城市黑臭河道的生物-生態修復技術研究進展

常越亞

上海市環境保護事業發展有限公司

0 引言

城市文明的孕育離不開城市河道，它不僅為城市防洪抗澇、提供水源，并且具有調節氣候的功能，推動了城市的建設[1]。但是，由于城市的快速發展和管理不善等問題，外源污染大量進入水體，破壞水生態系統平衡，導致水體功能無法發揮作用，引起水質惡化[2]。除外源污染外，還有河道未得到定期疏浚導致底泥淤積嚴重成為內源污染，釋放大量污染物（甲烷、氮氣、硫化氫、錳鐵硫鹽等）進入河水，直接影響河流生態健康[3,4]。有研究[5]指出，底泥吸附的污染物會與孔隙水發生交換反應再次進入水體，引發二次黑臭問題，而這種再懸浮情況的出現會使水體的黑臭和富營養化程度加重和延續。

黑臭水體的分布具有范圍廣且間斷的特征[6]，對周邊居民的正常生活和身心健康帶來危害，嚴重制約著生態文明城市的建設進程，因此，城市黑臭河道的治理迫在眉睫。

1 生物-生態修復技術

相較于發達國家，雖然我國生物-生態的修復起步較晚，但近年來，科研領域已經越來越重視黑臭水體問題，對其研究的深度也由最初的整體框架、理論探討向機理研究、修復技術轉變[7]。黑臭河道治理方法主要包括物理、化學、生態以及多方法組合應用[7]，其中物理、化學方法有著處理效率高的優點，但是反彈性和長效性難以保證[8-10]。因此，越來越多的研究學者把焦點轉移到生態修復治理技術，因為有多項研究[5,11,12]表明，通過微生物、動物、植物等多體參與的生理過程來轉移、富集或降解污染物，凈化水質，為生物的棲息繁衍創造適宜生境，從而恢復和重建有序健康的水體生態環境。

生物-生態的修復方法，其本質是利用生態系統自身的恢復和調控能力,利用其自身規律實現水質凈化的目的[7]。目前，主要有浮床技術、生態護岸帶技術、人工濕地技術、微生物強化技術、水生動植物恢復與重建技術等[13]，這些技術因成本低、無二次污染等優勢在河道治理方面有很大的發展潛力。在實際應用中，根據水環境污染程度和生態功能現狀進行綜合評估，決定選用哪種組合技術以實現生態與經濟效益的雙贏。

1.1 曝氣增氧-生態凈化技術

大部分河道黑臭問題是由厭氧環境導致。首先通過曝氣使河湖的水體溶氧環境改善，增強水動力使水體內部形成循環，加快懸浮物凝聚，然后沉降到河流底部。其次進行微生物凈化，依托生物填料形成的生物膜，在推流和充氧的狀態下形成溶解氧梯度，生物膜表層、中部和內部生長大量好氧、兼氧及厭氧微生物，共同作用于水體中的有機污染物[14]。最后，輔之以駁岸建設，種植水生植物，逐漸形成穩定的水生態系統。

針對曝氣增氧環節，傳統曝氣增氧由于氣泡形態大，在水中停留時間短，且不能滲入底泥中，處理效果相對較差。目前，微納米氣泡技術正被廣泛推廣應用，原因是該技術有著粒徑小、水中停留時間長、傳質效果好等優點[15]。但是，單獨利用微納米氣泡技術曝氣仍存在著污染物去除率和生物降解能力較低等缺點，因此，將微納米曝氣技術與其他技術相結合，可以提高污染物去除率，有效改善水體和底泥的微生物群落結構。余恒等[16]采用“微納米氣泡復氧系統+活性生態自由基+復合菌酶修復劑+景觀生態浮床”生物-生態治理技術修復寧波市府溪河，運行1年后，水中和駁岸帶多種挺水、沉水和陸生植物共生良好，水體污染物CODCr、NH4+-N、TP的平均去除率分別達到52.89%、77.84%、65.88%。

1.2 生物酶-生態復合技術

自然的凈化過程主要是依托土著微生物實現，但是由于污染物的過多進入破壞了營養鹽、溶解氧或其它電子受體的平衡，而使降解反應進程很慢。而生物酶，是一種有機的、含有酶類，并結合了非離子表面活性劑的高效凈化劑[17]。生物酶的加入，顯著提高了微生物的活性，促進水中污染物質快速分解成小分子化合物，并釋放出結合氧而提高了水中溶解氧含量，小分子物質又易于微生物吸收利用，從而增加微生物豐度，輔之以生態技術，達到一種植物-動物-微生物的生態動態平衡。

1.3 光伏發電-生態處理技術

生物-生態修復技術雖然有多方面的生態優勢，但有關研究[18,19]也表明，其經濟效益還有待提高，相較于生態優勢，其相對較高的耗電量需重點權衡，尤其在一些不便鋪設電纜的地段。

在各種可再生能源中，太陽能具有分布廣泛、清潔無污染等優點，不會排放CO2等溫室氣體，也不會產生SO2等有毒氣體，可以實現荒地的復墾，減少電網輸送，增強能源獨立[20]。水上光伏發電應用最多的國家是日本，中國在2013年嘗試將光伏發電用于漁業養殖，在養殖水域的上方搭建光伏發電站，水上發電，水下養殖，這是一種開發清潔新能源的典型案例[21]。有研究[22]表明，該技術可以實現土地的復合利用，實現經濟和生態效益雙豐收。

河道有著大面積水域，在上面加裝太陽能光伏板有著空間優勢，并且部分治理方式需要加蓋抑制藻類生長，太陽能光伏板的搭建可以兼顧該功能。有研究[23]表明，水面光伏發電處理水污染，能夠豐富水域的浮游生物群落、魚類種群、沉水植物種類，改善水生態系統食物網結構和提高能量轉化效率，從而實現協同作用。

2 結論與建議

光伏發電的設計必須充分考慮當地的氣候、太陽能傾角、負載水平及建筑美觀度等，不同的設計伴隨著不同的安裝難度，單位造價也會有差異。但從長遠看，光伏發電用于河道生物-生態處理技術，不僅能夠提供新能源，還能為污水處理降本增效，具有明顯的社會和生態效益。尤其在碳達峰-碳中和提出的政策背景下[24]，光伏發電作為碳中和的方式之一，作為一種在負荷端替代電能的方式，可成為用于生物-生態治理河道的重點發展技術，如何實現光伏發電與生物-生態治理河道技術的最優配置將是下一步研究的關鍵點。