暗涵區水生態修復技術綜述

＊楊國寧 范巍 謝長福 丁耀華 馮朝娜 王霏 尚靜藝*

（1.中國水電基礎局有限公司 天津 301700 2.河南省愛可沃德生態科技有限公司 河南 450199）

引言

近年來，城市黑臭水體污染已然成為當前社會各界關注的熱點話題，也是各級政府進行環境污染整治的重要內容。我國“十四五”規劃要求，完善水污染防治流域協同機制，加強城市水體綜合治理，推進美麗河湖保護與建設，氨氮排放總量下降8%，基本消除城市黑臭水體。根據國務院實施的《水污染防治行動計劃》，到2030年城市建成區黑臭水體總體得到消除的要求，黑臭水體的治理雖然已經取得成效，但仍任重道遠。

隨著我國社會經濟的快速發展，生產和生活污水總量也迅猛增加，再加上監管力度不足，城市垃圾無序堆積，面源污染徑流匯入，大量源頭或小型河道裁彎取直，明渠加蓋或被箱涵替代導致天然的河道環境被擠壓而產生暗涵式黑臭水體。天然河渠在轉變為地下暗涵后，由于缺乏光照和充足的溶解氧，會造成大量的好氧微生物消亡，加速厭氧細菌繁殖，引起河道生態功能退化。如果不加以整治，不僅直接影響水體質量，更會誘發各種矛盾和問題，直接影響生態平衡發展以及人類健康生活。

因此，本文通過對暗涵區水生態環境現狀和主要的修復技術進行分析，從“道法自然”的角度出發，在暗涵區水生態治理常規措施的基礎上，就近年來產生的新興技術在暗涵水生態修復中的應用進行討論，以期對暗涵區水質改善策略提供新思路。

1.暗涵治理現狀

目前，在水利、水生態和水環境領域，針對于暗涵區的水生態治理研究，國內外關注度相對較少。國內的暗涵管理現狀不容樂觀，水質比明渠斷面普遍較差，甚至部分暗涵已經失去了其水利和水生態功能。近年來，國內學界和工程界對暗涵區水污染治理技術也在不斷地探索和積累。我國主要將其歸于黑臭水體治理的范疇，而非采用GB3838-2002地表水環境質量標準。《城市黑臭水體整治工作指南》提出的基本治理路線為“控源截污、內源治理；活水循環、清水補給；水質凈化、生態修復”。暗涵區水生態的治理方式主要有暗涵清淤、控源截污、生態修復等。

(1)暗涵清淤

由于部分污染物沉積在底部堆積，形成暗涵淤泥，不少學者在暗涵淤泥清理方面取得了很大的進展，并在國內進行廣泛的應用。宗可喜等[1]采用人工清除深圳市福田區的暗涵淤泥取得了良好的效果。人工清淤方式施工方便靈活、可操作性強，但施工效率較低，并且由于暗涵封閉環境中常積淤泥與混排進入的污水相互作用，極易產生有毒有害氣體和易燃易爆氣體，安全風險較大。為了提高工作效率和保護工作人員安全，陳振翔[2]對深圳市寶安機場北排渠暗涵清淤采用機械化施工。機械化清淤雖然效率高，暗涵內施工用人少，但施工區水深要求高，主要用于大型暗涵的清淤作業。隨著科技的不斷進步，張磊等[3]利用一種能夠進入箱涵內部進行清淤作業的清淤機器人進行淤泥清理，但機器人清淤受限于暗涵涵體尺寸，并且如果是淺泥段作業，利用清淤機器人的綜合成本較高。針對于以上三種淤泥清理方式，各有優缺點，需要根據不同的施工條件采用合理的方式進行淤泥處理。

(2)控源截污

單純地進行暗涵區淤泥清理，并不足以解決根本問題，區域土著生態在治理的同時亦被破壞，控源截污等前段預防就具有重要意義。對暗涵上游相關污染源分布和現狀進行摸底分析，分類管理，確保對上游水質不產生負面影響。對暗涵上游和暗涵區的排污口和通過地表徑流引入水體的污染因素進行嚴格管理，目標是將外源性污染降到最低。段騰騰 等[4]認為，針對暗涵型河道，最有效的方式是“打開”，可對暗涵型河道的內部末端實施截污，通過建造截污擋墻、暗涵底部局部抹平等多種手段，最終達到此類水域水生態質量提升的目的。王雙等[5]在其基礎上采用截污管對高密度建筑區的暗涵內排污口進行截流，實現了“清污分流”目標，取得了一定的成效。

(3)生態修復

部分學者從生物修復等方面進行了細致的研究。全為民等[6]研究發現采用放養食魚性魚類來調控靠捕食浮游動物為生魚類的密度，可以達到控藻和改善水質的目的。鄭歡等[7]以西安某村澇池為研究對象，采用微生物修復+人工曝氣對水體中NH3-N、DO、透明度進行人工干預，66天后水體NH3-N 去除率可達73.52%，該技術可有效消除水體黑臭現象，水體自凈能力得到提升。牛美青等[8]主要分析了原位修復方法中的生物修復法對黑臭水體底泥的修復作用，發現光合細菌、反硝化細菌與生物促生劑對黑臭水體及底泥有一定的修復作用，同時反硝化細菌可提高脫氮速率。

2.暗涵區水生態修復新興技術

(1)微納米氣泡修復技術

近年來，學界在更高效、更生態的方式去治理黑臭水體領域進行了探索，也可用于暗涵區水質改善中。利用空氣或氧氣生成的微納米氣泡[9]由于具有尺寸小、比表面積大、水中停留時間長、Zeta電位高、氧化性強、傳質效率高、生物活性強、無二次污染等特性，使得水與底泥界面一直處于有氧狀態，不出現厭氧層，相比于其他宏觀氣泡具有更高效的修復環境水體的性能[10]。通過實驗亦可證明微納米氣泡可顯著提高氧氣傳質速率，加快對地下水污染物的去 除[11]。曝氣是好氧生物處理中的重要環節，其主要作用是提供微生物生化作用所需的溶解氧[12]。段相鋒等[13]研究出了一款新型微納米曝氣機來治理黑臭水體，可以實現智能操控、高曝氣效率，氧利用率在90%以上。Ben Chen等[14]采用傳統活性污泥法在缺氧-好氧（AO）工藝中引入微納米氣泡（MNBs），發現MNBs對水中COD、NH4+-N的去除有明顯促進作用，MNBs提供了較高的溶解氧，促進了絮狀污泥向生物膜的轉化。MarwaSakr等[15]研究表明，MNBs可以提高傳質效率，可以用于對廢水中有機物、油類、真菌和細菌、重金屬、總氮和總磷消減。

微納米氣泡除了可以增加水體的溶解氧，還對微生物起到一定的調節作用，從而進一步提升水質。鄭晉等[16]研究了微納米氣泡對池塘微生態系統的調節作用，發現可以通過對水體微生物種群的多樣性的調節可以進行水質改善。王碩等[17]研究了微納米氣泡對水體和底泥內的微生物群落結構產生了影響，微納米氣泡曝氣對污染物降解的促進作用更好，微納米氣泡曝氣使好氧微生物成為絕對優勢菌種，從而加速了水體內污染物的降解。

(2)植生修復技術

植生修復技術越來越多地被用于水生態治理領域，在暗涵區常有分布。常見的水生植物有蘆葦、菖蒲、鳳眼蓮、睡蓮、苦草等。某些水生植物可以將污染物質固定在生物體內，以富集氮、磷、重金屬等污染物質[18]。劉海琴等[19]通過設置動態模擬試驗，分析比較了浮葉植物鳳眼蓮和水浮蓮、沉水植物輪葉黑藻和挺水植物黃菖蒲對村鎮生活污水廠尾水深度凈化效果，結果表明：尾水水質得到明顯改善,鳳眼蓮和水浮蓮對尾水氮、磷的凈化效果優于挺水植物黃菖蒲和沉水植物輪葉黑藻。張雪[20]研究了添加氧化劑和促生劑后的苦草與單獨種植苦草對水體黑臭的削減作用。發現添加氧化劑或促生劑之后，對黑臭水體的治理效果顯著，降低了沉積物中N、P的含量。Belloa等[21]研究了蘆葦對污染水體中鎘、鉛、鎳處理能力，研究結果表明：在6周內，對Pb的去除率可達到95%，Cd去除率為93%，Ni去除率為84%。Rizzo等[22]研究出山茱萸和水滑子葉可以在高有機負荷飼料場廢水中有效去除有機物和重金屬。在治理含多環芳烴污水的實驗中，利用喬、灌、草等植物形成復雜群落結構的植物修復效果較單用某種植物的效果更佳，可將污水當中90%以上的多環芳香烴化合物清除[23]。

(3)FEST集成處理系統在暗涵區水生態保護中的應用

FEST集成處理系統基于五效立體富營養化集成處理技術（Five Effectively Stereo Technique For The Integrated Treatment Of Eutrophication），主要用于河、湖、庫及近海岸帶水生態修復及可持續保障作業，是由致密液膜和工程用大型微納米氣泡發生技術、植生修復及生態構建技術等集成的智能化重型裝備系統，包括水質保障、離網供電、航道指揮、環境監測四個子系統及一個智能控制中心。該系統中的“五效”即為五種協同機理，包括中下層除藻、水體氮磷脫除、底質減量化、滿足生態氧需求、維持穩定的生境躍層（保護水體土著生態）[24]。系統實現了水生態可持續保護技術、綠能支撐技術、無人駕駛技術、智慧物聯技術的總成，排水量幾噸至幾十噸不等，填補了我國水生態領域智能化重型裝備的空白，已被用于中大型水域的水生態修復作業中。

FEST集成處理系統中的花島式裝備已經在衡水湖王口閘暗涵區進行了應用，經過一周左右的修復作業，試驗區水質高錳酸鹽指數得到了明顯改善，兩周以后總氮和總磷指標也開始明顯下降。在暗涵區域包括其附近水域，利用主體設施、黃菖蒲等挺水植物、亞洲矮生苦草等沉水植物共同作用來改善水質，氧通過氣膜和液膜從而進入液體中，傳質效果的重要因素之一是氧分壓，液膜是影響氣液傳質的重要 因素[25]。可以利用液膜來提升暗涵區域水體的氧化還原電位，從而進一步的降解還原性有機污染物，除此之外，前文植生修復結果也表明黃菖蒲等挺水植物具有對水體污染物有富集作用、可以去除水體中N、P等營養物質和一些重金屬物質的特性。微納米氣泡對植生修復亦有協同促效作用，張揚等[26]探究微納米氣泡水對黃菖蒲生長發育的影響。發現微納米氣泡對黃菖蒲有明顯的促長作用，從根長分布、葉綠素含量、相對電導率以及超氧陰離子產生速率等數據比較，實驗組均優于對照組，表明微納米氣泡有利于黃菖蒲生長。

本課題組[25]利用五效立體富營養化集成處理系統及植生輔助技術，設計了一座暗涵水生態修復模型及暗涵區水質改善模擬系統。一方面提升了水體溶解氧，保證了好氧微生物的高活性，強化了暗涵區好氧菌團的穩定性；另一方面提高了水體的氧化還原電位，促進水體中還原性有機物的降解，暗涵區的黃菖蒲和矮生苦草生長旺盛，亦可輔助性提升水質。

3.結論

綜上所述，可以用于暗涵區水域的水生態修復和保護的方法多種多樣，各有優缺，要充分考慮到暗涵區所屬地的地質、水文、氣候等條件，以及暗涵功能要求、補水情況、污染源分析等進行具體情況具體分析和實施。接近自然規則的方法越來越被鼓勵采用，如通過物理-植物-微生物協同作用的原位低成本智能化修復工藝，比傳統的人工清淤等方法具有安全性好、成本低、功能性高、景觀性強的特點，還可實現智能化管理運營，可以很好實現暗涵區及其附近水域水質的指標改善和水生態的可持續保障，通過暗涵區的水體不但不會給下游帶來環境壓力，在減少水體污染負荷的基礎上，景觀性亦有大幅提升，帶來良好的社會效益和生態效益。