生態(tài)修復技術在上海市黑臭水體治理工程中的應用進展

劉 敏，左 倬，王嘉偉

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335)

水環(huán)境的清潔安全與人民健康生活息息相關，更是一個城市生態(tài)文明的名片。上海市濱江臨海，水網豐富，上游來水水質不佳與各項產業(yè)飛速發(fā)展帶來的污染引起多個地區(qū)水質惡化，甚至黑臭問題。上海市從1988年起投入巨資實施水環(huán)境整治，2000年打響城區(qū)黑臭河道綜合整治戰(zhàn)役，并逐漸開展大規(guī)模的治水工程，形成了治污為本、截污為先、標本兼治、建管并舉的水環(huán)境治理保護體系，全市河道的水環(huán)境現狀持續(xù)改善。根據《2018上海市生態(tài)環(huán)境狀況公報》，全市主要河流的259個考核斷面中，Ⅳ～Ⅴ類斷面占65.8%，劣Ⅴ類斷面占7.0%，而2019年1月—9月的考核斷面中，劣V類斷面占2.1%，這與《上海市城市總體規(guī)劃》(2017—2035年)報告中提出“全面恢復水生態(tài)系統(tǒng)功能，基本實現水環(huán)境功能區(qū)達標”的目標及上海市國際化大都市的生態(tài)環(huán)境定位仍存在差距[1-2]。隨著上海市水質逐步改善，水體生態(tài)修復被提高到一定高度，作為黑臭水體治理“外源減排、內源清淤、水質凈化、清水補給、生態(tài)恢復”技術體系的重要環(huán)節(jié)，生態(tài)修復是維持水體底質、水質及水生生物群落結構穩(wěn)定，最終實現黑臭水體長治久清的關鍵，也是實現黑臭水體向生態(tài)之河蛻變的重要手段。為鞏固和提高上海市黑臭水體治理成果，切實提升水質，改善水生態(tài)，有必要通過不斷總結、研究，提出適合上海市不同黑臭水體生態(tài)修復技術，為進一步提升上海市水環(huán)境質量、保障水生態(tài)安全、維護水生態(tài)系統(tǒng)功能健康奠定基礎。

1 上海市黑臭水體生態(tài)修復現狀

上海市黑臭水體的治理，始于1988年蘇州河水環(huán)境整治，先后實施了3期治水工程，把河道水環(huán)境治理作為重中之重，并在1993年實現了基本截除直接排入蘇州河的污染源的目標。2000年，上海市打響了城、郊黑臭河道整治先導戰(zhàn)，啟動“三年行動計劃”，隨著整治工程的深入開展，蘇州河干流黑臭現象逐步消除，各水體生態(tài)功能逐漸恢復[3]。2006年，上海市大力開展“萬河整治行動”，到2018年上海市以鎮(zhèn)村級河道為重點，累計完成23 245條中、小河道共計17 067 km河段的整治，清除16 863萬m3的內源污染[4]。上海市因水成陸，其治水的腳步從未停下，尤其在水生態(tài)修復方面一直走在全國前列。2006年編制《上海市河道生態(tài)整治導則》，2008年發(fā)布《上海市河道綠化建設導則》，2013年出臺《上海市河道生態(tài)治理設計指南》并開展河道生態(tài)治理試點工作，2014年制定《上海市河道維修養(yǎng)護技術規(guī)程》，同年推出《上海市水污染防治行動計劃實施方案》。從2016年開始，隨著黑臭水體達標率考核時間的臨近，上海市在繼續(xù)推進水污染綜合整治及相關成果鞏固的基礎上，聚焦黑臭水體的整治，沖刺實現2020年全市基本消除黑臭水體、基本消除喪失使用功能(劣V類)水體的目標。經過2016年—2017年分批、集中整治，基本消除1 864條黑臭河道，共計1 756 km[5]。2018年上海市主要河流的259個考核斷面中，27.2%的斷面水質達到Ⅱ～Ⅲ類，65.8%的斷面水質達到Ⅳ～Ⅴ類，劣Ⅴ類斷面占7.0%，主要污染指標為氨氮和TP。截至2019年12月底，全市3 893個水質監(jiān)測斷面中，劣于Ⅴ類斷面有111個，占2.8%[2]，全市黑劣水體治理取得顯著成績。

目前，公認有效的黑臭水體治理思路是“控源截污是核心，清淤疏浚是基礎，生態(tài)修復是關鍵”。黑臭水體治理截污、清淤和生態(tài)修復缺一不可，隨著上海市水環(huán)境質量的逐步改善，生態(tài)修復成為水體長治久清的關鍵所在。

2 黑臭水體生態(tài)修復技術

黑臭水體生態(tài)修復以控源截污工作全面完成為前提，并確保各水體行洪排澇、引水灌溉、航運等基本功能不受影響。在此基礎上，根據各水體生態(tài)稟賦和現狀問題，有針對性地選取相關技術進行綜合整治。目前，上海市黑臭水體生態(tài)修復技術眾多，總體概括為物理結構修復、水質生態(tài)凈化、生物群落恢復3方面。上海市各區(qū)黑臭河道生態(tài)修復技術應用情況如表1所示。

表1 上海市各區(qū)部分黑臭河道生態(tài)修復技術應用Tab.1 Application of Ecological Rehabilitation Technology for Part of Black and Odorous Rivers in Shanghai City

2.1 物理結構修復技術

生境多樣性是保護生物多樣性的重要基礎，河道生境多樣性是河道水生態(tài)系統(tǒng)恢復的關鍵要素之一，也是實現水安全的重要保障[6]。上海市黑臭水體治理在物理結構修復中全面考慮了河道形態(tài)、斷面形式、護岸結構等因素，對所治理水體整體空間布局進行設計，達到豐富生境多樣性的目標。主要涉及河道平面調整、斷面設置、微地形塑造、生態(tài)護岸建設、硬質護岸改造等技術。

2.1.1 平面調整

平面形態(tài)布置在設計中強調近自然的形態(tài)。在滿足相關規(guī)劃的情況下，平面設計強調在現狀走向的基礎上進行調整，避免高挖低填，最大限度體現河道的蜿蜒性，同時充分考慮現有地形特點，保持局部彎道、深潭、淺灘、江心洲、洲灘濕地及河濱帶等自然景觀格局多樣性特征。

2.1.2 斷面設置

上海市是長江三角洲沖積平原的一部分，區(qū)域天然河道斷面多為斜坡式[7]?！渡虾Ｊ泻拥郎鷳B(tài)治理設計指南》中將人工河道斷面分為矩形、梯形和復式斷面3種類型。其中，復式斷面可提供豐富的生境，生態(tài)性最佳，不足之處是占地面積較大；矩形斷面因其占地面積較小可在用地受限的河道使用，但不利于構建生態(tài)系統(tǒng)恢復條件，生態(tài)親和性最差；梯形斷面占地面積和生態(tài)性居于矩形和復式之間。在滿足河道排澇、通航等功能要求的前提下，河道斷面宜保持天然河道斷面形態(tài)，優(yōu)先選用斜坡式斷面，當難以保持斜坡式斷面時，按復式斷面、梯形斷面、矩形斷面的順序選擇河道斷面。

2.1.3 微地形塑造

河底微地形塑造主要是人工模擬自然地形的高低起伏，創(chuàng)造多樣的生境，一般在河道平、斷面確定后，在不影響河道過流的前提下，根據地形條件和微生物棲息生境進行塑造。自然彎曲河道可在河道生態(tài)修復工程的基礎上，構建深潭與淺灘共存的河床地形。王慶鶴等[8]研究認為深潭-急流-沙灘系統(tǒng)水體的自凈作用會增強。平直河道可通過導流、挑流構筑物及植物等的布置改變水體的流向而形成多樣性流況，以形成多樣化的生境。

2.1.4 生態(tài)護岸建設

生態(tài)護岸是一種利用植物或植物與工程措施相結合，既能保護堤防與岸線的安全，控制河勢變化，又有生態(tài)環(huán)境修復功能，同時兼具增添河道自然景觀的河道護岸結構[9-11]。生態(tài)護岸主要承擔的功能是水安全，同時能較好的為河道生境的連續(xù)性提供基礎條件[12-13]。上海市主要的生態(tài)護岸結構有植物護岸(植生護坡、木樁)、土工材料復合種植基護岸(土工格室、水土保護毯、生態(tài)袋)、干砌石護岸、石籠護岸、疊石護岸、多孔預制混凝土塊體護岸(開孔預制塊、生態(tài)混凝土塊、螺母塊體)、仿木樁護岸、綠化混凝土護岸等[14]，各類型相關要點如表2所示[15-26]。上海市中心城區(qū)和近郊河道護岸以鋼筋混凝土和漿砌塊石為主材，生態(tài)化較低，郊區(qū)及農村段護岸形式較為多樣，其中仿木樁和生態(tài)土坡生態(tài)護岸水生植物生長狀態(tài)較好，其他護岸形式多出現裸露和掏刷現象。

表2 生態(tài)護岸技術要點[15-26]Tab.2 Key Points of Ecological Revetment Technology[15-26]

2.1.5 硬質護岸改造

上海市人口密集，用地緊張，城區(qū)和近郊區(qū)護岸硬質化率超過90%，對硬質護岸進行生態(tài)化改造在水生態(tài)修復中不可避免。硬質護岸改造是對用地條件受限制的河道，采取一定措施對其已建硬質護岸進行改造，使其基本滿足河道生態(tài)治理的要求。硬質護岸改造應不影響護岸原有結構的安全和耐久性等指標。直立式擋墻護岸可采用墻頂或臨水側墻面設置種植槽(平臺)、拆除常水位以上墻體構件生態(tài)護岸等措施進行改造。斜坡護岸可采用坡面設置種植槽、生態(tài)護岸結構進行坡面覆蓋等措施進行改造。有條件的硬質護岸可通過在護岸頂部種植攀援類植物進行覆綠。

2.2 水質生態(tài)凈化技術

水質生態(tài)凈化是階段性、輔助性的凈水措施，主要針對經過控源截污和內源治理后依然不具備生態(tài)群落構建的水體，加速水質的改善，或針對景觀要求較高的水體。目前，上海市水質生態(tài)凈化技術主要包括生態(tài)浮床技術、微生物凈化技術、曝氣增氧技術[27]及一些新型的集成技術，如一體化凈水設備、高通量生態(tài)凈化廊道等。各類水質凈化技術的選擇應考慮水質要求、處理效率、水體環(huán)境特征、設施占地面積、與周邊環(huán)境的相容性、對水安全及其他功能的影響等因素。

2.2.1 生態(tài)浮床技術

上海市中心城區(qū)和近郊河道護岸硬質化程度很高，挺水植物的生境載體普遍采用生態(tài)浮床。生態(tài)浮床技術利用基質載體可將水生植物以水培的形式種植在水體的任何位置，是一種不受限于種植條件的人工生態(tài)系統(tǒng)[28]。生態(tài)浮床由于具有能促進有機物降解、有效吸收氮和磷、為微生物和其他水生生物提供棲息與繁衍場所、可美化水域景觀等多重作用[29-31]，而被廣泛用于各類水體的生態(tài)修復。生態(tài)浮床的技術類型一般分為3類：水中綠毯、拼接浮盆(組合式浮床)、纖維濕地。水中綠毯以輕質管材為框架，包裹聚乙烯網為載體進行植物的栽植，是上海市黑臭水體治理早期工程中的常用技術。組合式浮床由浮床與具備其他功能的裝置組合而成，如太陽能曝氣浮床，一般為廠家定型產品。浮動纖維濕地以天然纖維為載體，結合浮體和不同填料進行植物栽植，穩(wěn)定性和景觀效果較好，常用于湖區(qū)。

生態(tài)浮床的總體覆蓋率一般小于布設河段水體面積的20%，且不得影響水體行洪或其他功能。單體浮床的邊長一般為0.5～5 m，單體間的間距一般為0.3～5 m[32]。目前，上海市較多選用的浮床植物以生長快、生物量大、根系發(fā)達、繁殖能力強的物種為主，如美人蕉(CannaindicaL.)、黃菖蒲(IrispseudacorusL.)、千屈菜(LythrumsalicariaL.)、茭白(ZizanialatifoliaStapf)、旱傘草(Cyperusalternifolius)、再力花(ThaliadealbataFraser)、粉綠狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、銅錢草[Hydrocotylechinensis(Dunn)Craib]等。

2.2.2 曝氣增氧技術

曝氣增氧能短時間增加水體中溶解氧，提升水質，在污水處理及自然水體治理中廣泛應用[33-34]。上海市現有的曝氣技術根據增氧原理大致可以分為跌水曝氣、噴水曝氣、機械曝氣和鼓風曝氣4類。其中跌水曝氣通過攔河構筑物抬高水位實現復氧，在如金澤水庫和上海植物園等存在大水面且無通航要求的水體中應用較多；噴水曝氣通過水下設備向空中揚起水柱實現復氧，不適用于重度黑臭水體，因景觀效果較高被廣泛用于上海市城鎮(zhèn)區(qū)的河道中；機械曝氣通過機械設備(如葉輪式曝氣機和水車式曝氣機等)對水體形成擾動實現復氧，在上海市早期水環(huán)境整治中使用，因景觀性不高常見于農村河道段；鼓風曝氣通過鼓風設備與置于河底的穿孔曝氣管連接實現復氧，適用于重度缺氧的黑臭水體。目前上海市有關曝氣增氧設備對黑臭水體的修復及應用研究較多，相關研究表明，單獨曝氣也能有效去除黑臭水體重點污染物，同等條件下與其他生態(tài)技術結合會提高去除效果[35-37]。目前在曝氣設備數量的設計上研究較少。

2.2.3 微生物凈化技術

微生物凈化技術主要利用微生物降解、轉化或吸收水環(huán)境污染物，相關研究表明該技術對養(yǎng)殖廢水、污水廠尾水等的除臭效果顯著[38-40]，由于不慎使用微生物會造成一定的副作用，在實際設計中相對比較謹慎。利用微生物進行水體原位修復的方法主要有接種微生物技術、富集培養(yǎng)土著微生物技術、固定化微生物技術3種。該類技術對水體總氮、總磷和CODCr具有較強的去除率，對水體SS去除率較低。目前微生物凈水技術應用較多的是硝化細菌、光合細菌及芽孢桿菌等[41-43]，針對不同的凈水目的可選擇相應的凈水作用菌種，投放時需要注意水體水溫控制在20 ℃以上。

目前，應用于上海市水體修復的微生物投放量尚無明確規(guī)范指導，大多數凈水工程依據工程經驗或通過微生物試驗確定最佳投放比例，具體投放量規(guī)模選取需依據治理水體本底值、采用的技術組合方式及出水目標值確定[44]。此外，部分微生物菌粉在使用說明中有最佳適用劑量，單位一般為g/m2，此時根據治理水體的具體面積確定微生物投放量，如式(1)。

V=C粉×A/C液

(1)

其中：V——微生物投放量，L；

C粉——微生物粉劑投放規(guī)格，g/m2；

C液——微生物菌液配置質量濃度，g/L；

A——投放水體面積，m2。

2.2.4 其他新型技術

除上述較為常用的技術外，在水生生態(tài)凈化方面，不斷有新技術涌現，同時取得了較好的效果。海綿固化土技術通過對不同河道淤泥和原位土壤分析，調整ISER固化劑的配比，將其和原位土壤、淤泥充分攪拌，用于河道的護岸、護底、護坡澆筑建設，長興島26號機口河護岸應用固化海綿土技術，應用技術后河道邊坡整體水土保持能力顯著提升。EHBR強化耦合生物膜反應器(MABR)是氣體分離膜技術與生物膜法水處理技術相結合的一種新型水處理技術，金澤庫區(qū)通過EHBR膜為主的一系列措施提升水質。生態(tài)攔截屏障技術利用多種特殊構造的材料和做法結合為凈化屏障，垂直設置在河道截面上，一般用于無通航要求的河道，上海市靜安區(qū)江場河大量應用生態(tài)屏障技術，治理后極大減緩了污染源對河道的影響。超氧曝氣技術通過將河水抽入設備之中，進行加壓富氧，形成富氧水融入水體中達到增氧效果，上海市走馬塘河道應用該技術，河道布置1臺設備，應用7 d后水體氧氣提升，目前該技術的不足之處在于需要較大占地面積放置設備。高通量生物凈化廊道技術是整合曝氣、人工介質、生態(tài)浮床等的技術，彭越浦的侯趙泵站排口處采用了該技術，河道下游的水體有機物含量大大降低。目前更多的研究和專利趨向于尋找更多更優(yōu)的技術組合，苑希民等[45]試驗結果表明MABR與生態(tài)浮床組合技術有顯著凈水作用，王海珊等[46]提出人工曝氣+投加菌劑+投加促生劑+投加填料+栽種水生植物進行水質凈化的思路。以各項凈水技術組合進行水體修復已經成為當前研究的熱點。

2.3 生物群落恢復技術

生物群落恢復在污染源治理、物理結構修復的基礎上實施，是保證黑臭水體長治久清的重要手段，主要包括陸域生態(tài)措施、水生植物恢復構建、水生植物投放等相關措施，具體可根據治理水體的實際情況進行選擇性布置。

2.3.1 陸域生態(tài)措施

陸域綠化及景觀布置主要起截留面源污染、防止水土流失、提升景觀等作用。河道整治工程范圍內護堤一般根據范圍大小合理搭配喬灌草，上海市目前工程臨時用地或未在工程范圍內裸地常通過草皮護坡防止水土流失。對已建設好需改造的硬質護岸，在不影響其水安全及各項河道功能的基礎上通過攀援植物進行覆綠，對水位變幅小的河道硬質化出露面結合河岸綠化改善其景觀。在品種的選擇上以適宜本地自然生長的鄉(xiāng)土物種為主，并優(yōu)化種植配置形成健康的自然生物群落。在面源污染較大、土地利用有條件的水體治理中，結合地形可適當建設下凹式綠地、植草溝、雨水花園等海綿措施。目前，上海市較多采用海綿措施的河道主要集中在臨港地區(qū)。

2.3.2 水生植被恢復與構建

水生植被的恢復與構建是目前水體生態(tài)修復中必不可少的環(huán)節(jié)。水生植物主要為挺水植物、沉水植物、浮葉植物和漂浮植物。目前，上海市經過整治的黑臭河道沉水植物以人工恢復的矮型苦草[Vallisnerianatans(Lour.)Hara]、狐尾藻(Myrio-phyllumspicatum)和輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)為主，主要分布在徐匯、閔行、普陀、青浦和靜安等區(qū)，挺水植物和浮葉植物以觀賞性較高的水生植物為主。從實施工程效果而言，上海市人工恢復的沉水植物種類以單一物種較為普遍，對恢復面積的預期比重和物種多樣性缺乏考慮，挺水植物群落人工培植注重觀賞性，配置時隨意性較大。

根據目前的研究和相關工程經驗，挺水植物一般控制種植水深為0.2～0.4 m，以15 ℃以上水溫種植為宜，氣溫低于5 ℃時不宜種植，品種的選用上，目前較多研究表明蘆葦(Ph.australis)、美人蕉、旱傘草(Cyperusalternifolius)、黃花鳶尾(IriswilsoniiC.H.Wright)、梭魚草(Pontederiacordata)、茭白、再力花、香蒲(Typhaorientalis)等具有較好的凈水作用。浮葉植物種植水深為0.5～1.5 m，種植時一般需要用定植樁或載體進行固定，防止擴散，凈水效果較佳的品種為睡蓮(Nymphaeatetragona)、銅錢草等。沉水植物種植水深為0.5～2.5 m，播種在春、夏季進行，為減少后期管理，工程中較多用到常綠矮型苦草、微齒眼子菜(Potamogetonmaackianus)、輪葉黑藻等，在生長期均可進行移植或扦插。漂浮植物由于生長旺盛，易引起泛濫現象，一般在工程布置中較少采用[47-48]。上海市常見水生植物種植密度參考如表3所示。

表3 上海市常見水生植物種植密度參考[49]Tab.3 Reference for Planting Density of Common Aquatic Plants in Shanghai City[49]

2.3.3 水生動物投放

水生動物主要包括浮游動物、魚類(雜食性、濾食性、草食性、肉食性)和底棲動物，在投放時需要慎重選擇。水生動物一般在水生植物構建完成并生長穩(wěn)定后進行投放，連通水體一般在水生植物系統(tǒng)構建完全后水生動物會自由進入并繁殖，不建議投放，封閉水體可根據具體情況和食物鏈確定水生動物的投放種類和數量。建議魚類投放比例：雜食性為10%～20%，濾食性為10%～20%，草食性<6%，肉食性為40%～50%，底棲食性<10%。由于底棲動物不會影響水生植物的生長，同時具有較好的水質凈化能力，可以與水生植物的種植同步進行投放[50-52]。魚類對整個生態(tài)系統(tǒng)的影響較大，可以在整個生態(tài)系統(tǒng)較為穩(wěn)定時進行少量投放，在連通河道也可以暫時不進行魚類投放，靠魚類自行繁殖游動進入。

3 結論與展望

上海市在黑臭水體治理工程中應用的生態(tài)修復技術較多，主要概況為物理結構修復、水質生態(tài)凈化、生物群落恢復3類。物理結構修復技術包括河道平面調整、斷面設置、微地形塑造、生態(tài)護岸建設、硬質護岸改造等，主要在保證安全的基礎上塑造更加豐富的生境，上海市在黑臭水體治理中物理結構上以硬質化為主，生境較為單一。水質生態(tài)凈化包括人工增氧、微生物強化、生態(tài)浮島等措施，此外，目前市場上涌現出很多EHBR膜、生態(tài)攔截屏障、高通量生物凈化廊道等新技術。水質生態(tài)凈化技術一般在物理結構修復基礎上作為輔助性措施，對水體進行進一步凈化，為生物群落的構建與恢復創(chuàng)造條件。上海市黑臭水體治理中應用的水質凈化措施種類較多，實際效果有待進一步驗證。生物群落恢復主要包括陸域生態(tài)措施、水生植被恢復與構建、水生植物投放，具體可根據治理水體的實際情況進行選擇性布置，主要通過構建健康完整的生物鏈構建自然生態(tài)系統(tǒng)，保證水體的自凈能力，上海市人工恢復的生物群落種類以單一物種較為普遍，對恢復面積的預期比重和物種多樣性缺乏考慮。

目前，上海市黑臭水體生態(tài)修復治理技術種類繁多，其適用工況、凈化修復效果及技術特點缺乏相關標準和技術指引，往往未能達到長期穩(wěn)定的處理效果，尤其對于跨區(qū)域或分支較多的河道?，F行單段治理的方式雖然能實現短時間成效，但從片區(qū)系統(tǒng)性而言，短時片面的治理方案治標不治本，治理后期往往出現水質生態(tài)的迅速惡化，導致治理時投入資源的巨大浪費。因此，突破當前非體系式的治理思路和治理方式是實現上海市河道水質提升的首要關鍵，研究實現多種生態(tài)治理技術的集成化則是達到這一目標的關鍵出路。現階段上海市黑臭水體的生態(tài)修復應聚焦以下內容。

(1)根據不同水體的特點，各單項技術壁壘有待對癥擊破。物理結構方面，上海市目前護岸硬質化程度較高，在土地受限的情況下如何構建豐富的生境及如何在硬質化的基礎上有效進行生態(tài)化改造亟待解決；水質生態(tài)凈化方面，明確各單項技術的適用邊界，市場上各河道生態(tài)治理公司往往一種技術包打天下，沒有明確的適用邊界，達不到黑臭水體生態(tài)治理長治久清的預期目標；生態(tài)群落恢復方面，同質化的生物配置的思維亟需轉變，以自然演替的縱深觀進行人為輔助恢復工程設計值得思考。

(2)有針對性的生態(tài)集成技術有待進一步研究和實踐。目前，黑臭水體的治理思路均以《上海市水污染防治行動計劃》中提到的“治污為本、截污為先、標本兼治、建管并舉的水環(huán)境治理保護體系”進行，但在真正實施過程中無法做到有針對性地選擇相關技術，加上工程設計單位掌握的技術程度不一，使得對污染控制技術的選擇隨意性較大，甚至以工程費用為導向，預算足時使用所有的常用技術，預算不足時選擇性使用一些技術，并不能對癥下藥，針對性選擇生態(tài)集成技術。