城市河道水体生态修复实践现状及进展

       1 概述 
　　城市河道污染的特点一般是水体富营养化严重，氮磷含量超标；水体滞流，多处于厌氧状态，复氧能力差；淤积严重，透明度低，甚至出现黑臭现象；河道生态系统退化严重，自净能力差等。城市河道往往需要进行综合整治，如调整产业结构、提高污水处理率和废水回用率、控源截污、清淤、水系沟通、护岸整修、完善调水设施、沿河绿化、水质修复等等，以达到标本兼治的目的。 
　　城市河道的治理受到地形、周围建筑物等空间限制以及防洪泄洪、行船、休闲等功能需要的限制，因此有必要从河道特点和污染特征出发，构建水污染控制和水环境改善的综合技术体系，从而达到流域水环境质量改善的最终目的。具体到河道水体修复方法来讲，主要包括物理法、化学法与生态修复法，其中生态修复技术由于具有安全、经济、实用、系统等诸多优点而成为河流污染治理的主要技术手段。本文将重点讨论此类技术在河道治理中的应用。 
　　2 微生物修复技术 
　　微生物是生态系统中的分解者。生物修复（Bioremediation）是利用特定的生物（主要是微生物，包括土著或外源微生物）在一定的条件下将环境中的污染物彻底降解，或转化为无毒无害的物质，从而达到对污染环境进行治理的目的。受污染的环境中有机物少部分是通过物理、化学作用被稀释、扩散、挥发及氧化、还原、中和而迁移转化外，主要是通过微生物的代谢活动将其降解转化。因此，对于有机污染严重的城市河道来说，微生物修复具有独特的优势。 
　　在生物修复中首先考虑适宜微生物的来源及其应用技术，创造适于微生物作用的条件，以强化微生物对污染物的修复作用。在我国城市水环境治理中，目前常用的微生物修复技术有两类。一类是直接向污染河道水体投加经过培养筛选的一种或多种微生物菌种。应用的微生物制剂主要包括美国的Clear-Flo系列菌剂、LLMO生物活性液、日本的有效微生物菌群、中国的光合细菌、硝化细菌等，并取得了一定的治理效果[1]。上海市水务部门应用水底曝氧和投放微生物相结合的办法治理西双泾河道，实现全面消除黑臭[2]。上海玉垒环境生物技术有限公司使用“东江放线菌”对苏州河底泥进行了修复，对皂河黑臭水体也有较好的处理效果[3]。庞金钊等[4]投加光合细菌、硝化细菌、复合菌的混合液对水体浊度的去除率达到88%，且CODMn、氨氮、叶绿素a等均明显降低。唐玉斌等[5]采用2种生物激活剂对上海景观湖水进行修复，结果发现它们对水体COD、BOD、TP、浊度等均有显著的去除效果，并可显著提升水体DO。方一丰等[6]用由酵母膏、氨基酸和维生素等组成的生物激活剂对实际景观水体进行修复，结果表明投加生物激活剂的水样CODCr去除率比空白增加了27.3%，DO提升21.2%，浊度的去除率增加了23.6%，氨氮的去除率增加了11.5%。用生物复合酶污水净化剂对黑臭水体进行修复实验，其对水体致黑臭污染物等有较高的去除率，并能提高水体的复氧功能，消除水体黑臭[7]。美国绿净公司FL0-1200菌种在河水曝气的条件下治理纽约中央公园的湖泊取得了成功，并在印度也取得了成功[8]。将光合细菌包埋固定后处理府南河水样，CODCr去除率可达90%以上[9]。 
　　另一类是向污染河道水体投加微生物促生剂（营养物质），促进“土著”微生物的生长和对污染物的代谢作用，达到净化水质的目的。普罗生物技术（上海）有限公司、华东师范大学环境科学与技术系与上海市徐汇区环保局应用美国Probidic Solution公司的Bioenergizer水体净化促生剂在徐汇区上澳塘的一段河道内进行了试验[10]，结果表明，投放促生剂对于消除水体黑臭、增加水体DO作用明显且迅速，BOD5、CODCr迅速下降，黑臭消除。 
　　多数情况下，微生物修复技术往往与曝气技术、植物修复技术、生物膜技术等复合运用。对于重污染河道来说，微生物往往不能正常生长或发挥作用，一般需要先经过物理化学修复到一定是阶段后再使用微生物修复。目前的产品种类丰富，除了常见的微生物菌剂外，也开发了固定化酶、固定化微生物、激活剂等产品，也有的把底质改良剂、氧化剂、钝化剂、抑藻剂等与微生物菌剂复合在一起，使之同时具有降解、氧化、钝化、除磷、抑藻等多种功能。 
　　3 水生植物净化技术 
　　3.1 常用的水生植物 
　　水生植物主要包括水生维管束植物和高等藻类组成。其中水生维管束植物包括：①挺水植物（根茎生于底泥中，植物上部挺出水面，如芦苇、香蒲等）；②浮叶植物（根茎生于底泥，叶漂浮于水面，如睡莲、荇菜等）；③漂浮植物（植物体完全漂浮于水面，具有特化的适应漂浮生活的组织结构，如凤眼莲、浮萍等）；④沉水植物（植物体完全沉于水气界面以下，根扎于底泥或漂浮于水中，如狐尾藻、金鱼藻等）。吴建强等[11]统计了污染水体净化和修复研究中的常用水生植物及其研究频度，其中水芋、荸荠、轮藻、水浮莲等研究频度较高。 
　　近些年有些陆生植物也被用于水污染治理，如水稻[12]、香根草[13]、蕹菜[14]。应注意选取经济价值高的陆生植物，如蔬菜类或花卉类植物等等，而且生长快，养分需求量大的物种。 
　　3.2 水生植物净化机理 
　　水生植物的净化作用主要包括植物吸收、微生物代谢以及植物根部的微环境中的吸附、过滤、沉淀等作用。 
　　①植物的吸收利用和富集作用。水生植物可以直接吸收水体中的营养物质，尤其是无机态的N、P等，合成机体的有机组分。同时，植物也可以吸收富集某些重金属元素。大型水生植物的生物量大，生长速度较快，对N、P吸收能力强，通过收割植物可以达到有效去除这些物质的目的。某些水生植物同时也是经济植物、景观植物，在治理水体污染的同时也能带来经济效益或具有景观功能。②微生物降解。细菌的硝化和反硝化以及微生物在好氧、兼氧及厌氧状态下的各种代谢活动，可以有效去除水体中的氮。有机氮被微生物分解与转化，植物对N有一定的吸收，但是硝化和反硝化作用是去除N的主要机理[15]。③过滤沉淀作用。水生植物发达的根系与水体接触面积大，形成天然的过滤层，可以过滤、截留水体中的污染物，在其表面进行离子交换、吸附、沉淀等，使周围水体变清。 
　　3.3 水生植物的净化效果 
　　由于N、P是植物的必需营养元素，水生植物对于富营养化水体中N、P的去除作用尤为突出[12，16，17]。室内研究发现水芹菜3天内对TN、TP的吸收率分别达到66.7%、73.7%[18]，水蕹菜对TN、TP、COD也有明显的去除效果[19]。刘淑媛等[20]利用人工基质无土栽培多花黑麦草净化富营养水体，发现其对TN、NH3-N、NO3-N、TP、PO4-P等的去除率均达80%以上。宋祥莆等[12]采用水域浮床无土种植水稻的方法，通过水稻的吸收和富集作用，去除水体中的N、P元素。袁东海等[21]研究了潜流人工湿地系统对污水氮的净化效果，发现石菖蒲（Acorus gramineus）、灯芯草和蝴蝶花（Iris japonica）3个植物系统的TN平均去除率为77.7%、71.2%和66.4%，而无植物系统的去除率仅为55.8%。 
　　利用黄花水龙修复太湖水体，室内试验结果显示，夏季对TN去除率约为60%，对TP去除率约为25%，冬季对TN和TP去除率分别约为23%和20%。肖兴富等[23]利用金鱼藻、黑藻和马来眼子菜等沉水植物修复洋河水库，50天后，水体中TN、NH4+-N、TP、PO43--P和CODMn平均去除率分别为36.3%、70.5%、54.6%、65.4%和43.1%；植物体内氮、磷等营养物质的含量升高使水体中营养物质减少, 间接影响了水体中浮游藻类的生长。