新型“船式”水體生態修復裝置研究

唐國明，田欣欣＊，王鐵錚，解慶平，趙浩寧，翟華寧，許丹宇

（1.天津市聯合環保工程設計有限公司，天津 300191；2.中國環境保護產業協會水污染治理專業委員會，北京 100045；3.天津市生態環境科學研究院，天津 300191）

1 河流湖泊生態污染的現狀

水污染加劇了水資源的短缺，直接威脅飲用水安全和人民身體健康，并且影響工農業生產、農作物的安全[1]。水污染防治已成為國民經濟可持續發展的關鍵保障[2]。在河流和湖泊中，污染表現為發黑、水體混濁、發臭以及在水面上漂浮垃圾。如果湖泊或者城鄉河流受到了污染，那么水體質量就會下降，就會造成水體環境的不均衡，最為嚴重的是將丟失本來所具有的環境功能。早期在發達國家和一些發展中國家都是采取切斷污染源的方式來治理湖泊污染[3]。

2 水體生態系統修復技術的現狀

生態系統修復是指通過一系列措施，將已經退化的水生生態系統恢復到原來的水平，使水生生態系統具有較高的生態耐受性。湖泊生態系統修復的最終目的是通過一系列措施，使系統恢復或修復到一個可接受的、可長期自我維持的、穩定的狀態水平，創造出自然的、可自我調節的、與所處區域完全融合的系統，從而降低水體生態系統的退化速度[4]。水體生態修復一般采用人工干預的方式，包括物理環境條件下的重建干擾、原位處理等。通過修復生態系統，提高生態系統對外部環境變化的抵御能力，提高生態系統自身的修復能力[5]。

2.1 增氧曝氣技術

現有的惡臭水體修復設備有太陽能增氧系統、魚塘增氧機、微孔曝氣增氧機等，但這些設備存在功能單一、技術不系統、使用效果不明顯等問題。

（1）太陽能增氧系統

太陽能增氧系統的優點在于能實現能源自給、管理自給、控制自給，運行成本幾乎為零，符合節能減排的要求。系統利用太陽能供電，驅動水底氣液混合裝置攪動水體，形成縱向和橫向水流[6]。

（2）魚塘增氧機

魚塘增氧機的優點是設備簡單、使用方便、能實現快速增氧。其缺點是：1）需要單獨的電源驅動，使用條件受到一定限制，同時也存在一定的安全風險；2）推流增氧的水流速度快，噪聲較大[7]。

（3）微孔曝氣增氧機

微孔曝氣增氧機的工作原理是在風機的帶動下產生高壓氣體經管道輸送到各個微孔曝氣盤，并產生大量微細氣泡從管壁溢出，形成霧化氣流從水體底部向四周擴散，在擴散過程中釋放氧氣，可解決傳統增氧機解決不了的底層溶解氧低的問題[8]。

2.2 微生物修復技術

微生物是生態系統中的分解者。生物修復是在一定條件下，利用特定的生物徹底降解環境中的污染物，從而達到治理污染環境的目的[9]。微生物修復對有機污染較重的城市河道而言，具有得天獨厚的優勢。

在我國城市水環境治理中，目前有兩大類技術是微生物修復的常用技術。一類是將一種或多種經過培養篩選的微生物菌種直接投放到受污染的河道水體中。應用的微生物制劑主要有美國的Clear-Flo系列菌劑，日本的LLMO生物活性液、有效微生物菌群，中國的光合菌、硝化菌等，在治理方面取得了一定成效。另一類是將促進“土著”微生物生長和對污染物起代謝作用的微生物促生劑投放到受污染的河道水體中，以達到凈化水質的目的[10]。高巖等[11]采用微生物制劑對白洋淀水陸交錯帶進行研究，微生物制劑對上覆水CODCr的降解率高達33.57%、對TP的降解率高達83.33%、對TN的降解率高達42.98%。

2.3 水生植物凈化技術

水生植物是城市景觀建設中的關鍵要素，主要包括挺水植物、浮葉植物、漂浮植物和沉水植物等，其不僅具備極高的觀賞價值，還具有強大的生態功能[12]。何君[13]把太湖流域污水處理廠尾水作為對象，構建人工濕地研究水生植物對N、P等指標的去除效果，研究表明，再力花、香蒲對NH3-N的凈化效果較好，四季鳶尾對COD的凈化效果較好，在高溫季節，圓幣草對TN、TP的去除率均達70%以上。宋濤等[14]通過靜態模擬試驗探究旱傘草、黃菖蒲、再力花、美人蕉和鳶尾這五種挺水植物對水體C、N的去除效果，研究表明，這5種挺水植物對CODCr的去除率為56.76%—80.58%，對NH4+-N的去除率為84.33%—97.69%，對TN的去除率為77.92%—92.90%，其中旱傘草對NH4+-N和TN的去除率最高，分別為97.69%、92.90%。

3 新型水體生態修復裝置

為了解決惡臭水體問題，研究人員設計了一種一體化新型“船式”水體生態修復裝置。該裝置通過整合優化現有技術的各方面優點，將微孔曝氣增氧、微生物菌劑釋放、水生植物凈化等技術集為一體，系統地進行水體生態修復。新型的水體生態修復裝置為整體呈船舶形態的浮式結構設施（見下圖），該裝置由主船體、增氧曝氣系統、菌劑釋放裝置、浮游植物系統、太陽能系統五個部分組成[15]。

水體生態修復裝置側視、俯視圖

主船體是該水體生態修復裝置的主要載體，包括設備艙、主甲板、植物種植槽、保護支架和微生物菌劑釋放艙。植物種植槽位于主船體四周，其底部和外側開設足夠的微細孔洞，便于水體進入植物種植槽內，并保證槽內外水體的有效流通與交換。浮游植物根據所凈化修復的水體環境進行選擇，種植在植物種植槽內的卵石培植土上，部分處于水位以下，改培植土也需要根據所選擇的浮游植物品種和所修復的水生態環境進行具體的專業化設計，以確保修復效果。微生物菌劑釋放艙位于主船體的四個角部，其上方無蓋，下方整體開洞鏤空，外側面開設足夠的洞口，以保證水體能進入微生物菌劑釋放艙且水體內外交換順暢。菌劑釋放盒底部與水體接觸，固態化的菌劑球緩慢溶解釋放進入水體，實現水體的微生物培育，起到凈化水體、修復水體生態的作用。植物的根部亦可作為微生物生長的載體，在微孔曝氣下共同作用實現水體凈化。

與現有技術相比，該裝置的優點是：改變了現有水體凈化設備功能單一、效果欠缺的問題，將微孔曝氣增氧、微生物菌劑釋放、水生植物凈化等技術集為一體，達到系統進行水體生態修復的目的，提高了水體凈化效率。該裝置為太陽能供電，具有綠色、環保、節能的特點，改變了以往人工投菌的方式，通過緩慢的菌劑釋放裝置可實現均勻慢速的投菌，效果更佳。該裝置注重整體的觀感效果，具備觀賞價值，能充分融入使用環境的生態景觀，而且可實現遠程控制，無須人工管理。

4 展望與應用前景

新型“船式”水體生態修復裝置通過整合優化現有技術的各方面優點，將微孔曝氣增氧、微生物菌劑釋放、水生植物凈化等技術集為一體，在工程實踐中可系統地進行水體生態修復，提高了水體凈化效率。該裝置可實現太陽能供電、自動投菌、遠程控制設備啟停，具備較好的觀感，為湖泊、河流、坑塘等水體生態修復提供了一種可行方案。