河道水质强化净化与水生态修复研究进展

钱璨 黄浩静 曹玉成

摘要 针对河道整治过程中存在的问题，即单一的物理、化学修复技术只能起到短期的治理效果，长期有效的治理理念是使河道水生态系统恢复自净功能，回到被破坏前的近似状态，综述了国内外在水质净化与水生态修复领域的研究进展，介绍了生态修复的复合技术，如植物强化修复技术、微生物强化修复技术、水生态多样性修复技术等。

关键词 生态修复；强化净化；多样性修复；河道水质

中图分类号 S181.3；X522 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）34-0044-03

Abstract According to the exsiting problems of the river regulation， longterm effective governance is that the river water ecosystem can be restored to the approximate state before it is damaged， and its self purification fuction， which can not be got by a single physical and chemical repair technology. The research progress at home and abroad of water strengthening purification and ecological restoration was summarized， also the composite technology of ecological restoration was introduced， such as plant strengthening repair technology， microbial strengthening repair technology and water ecological diversity restoration technology.

Key words Ecological restoration；Strengthening purification；Multiplicity restoration；River water

河道是人类社会生存和发展的起源地，与人类的生产和生活密切相关。健康的河道不仅具有供应水源、泄洪排涝、调节气候、改善生态环境、维护生物多样性等功能，还是一个物种丰富、生产力较高的生态系统[1]。

改革开放以来，我国工业化、城镇化、农业现代化得到了迅猛发展，人们的生活水平也显著提高，然而，社会经济的快速发展也带来了河流、湖泊等天然水体污染加重、水环境质量下降、水生态受损严重、环境隐患频发等水环境问题，严重影响着我国社会经济的持续发展和人们的身心健康。笔者针对河道整治过程中存在的问题，综述了国内外在水质净化与水生态修复领域的研究进展。

1 国内外水生态修复研究进展

近10年来，特别是国家“水专项”实施以来，我国许多高校、科研机构、流域机构等单位开展了一系列河流（段）湖泊等水体治理及生态修复的研究工作，在理论与应用方面取得了显著进展。

自1990年以来，美国每年投资10亿多美元用于河道的修复工程，多数工程投入到水质改善、生境修复和水生态多样性恢复。澳大利亚于1993年启动了“国家河流健康项目”，1998年澳大利亚自然遗产信托项目提出在5年多时间内投入9 000万美元以上用于河道生境和生态健康的改善[2]。而日本不断吸收和借鉴欧美发达国家的河道治理经验，在第9个治理河道行动计划中，将河道生态环境保护和水质保护等技术作为重点研究内容，到1996年日本河川审议会通过修改《河川工法》，要求治河工程使用“多自然工法” [3]。近10余年来，河道生境修复、水生态多样化修复及水环境安全评估是欧美等发达国家科学研究的热点和工程实践的重点内容。

水体生态修复是恢复受损水体原有生态功能的必要手段，但现有科技支撑水平比较薄弱。国内外大量研究和工程实践表明，内外源污染的有效控制[4]，可以明显改善河道、湖泊等天然水体的水质，但同时也发现，由于生境退化和生态结构的受损，单纯水质的改善并未获得与之相匹配的水体生态多样性的改善和生态功能的恢复。这也激发了我国对污染水体生态修复工作的重视，许多高校、科研机构、流域机构等单位也开始着手开展水生态修复的研究工作，并在理论与工程应用方面取得了显著进展，也积累了大量的基础数据和具有重要借鉴价值的工程经验。但总体而言，由于我国研发工作起步较晚、实践投入相对滞后等因素，加上河道自身的多样性和复杂性，目前我国水生态修复领域仍处于理论的完善和实践探索阶段。

2 河道生态修复技术类别

河道水生态修复是一项理论复杂、因素众多、操作困难的系统工程，不仅需要对河道自身功能和特性、污染成因、污染程度等方面进行科学分析，还需要对修复技术的经济性、治理效果及其长效性、维护管理的难易性等方面具有科学的把握。因此，立足于河道具体实际，科学选择与优化河道修复方法和工艺显得极为重要。国内外对河道水生态修复技术已有大量研究，根据修复机理不同可分为物理修復、化学修复和生态修复3种技术类别[5-9]。

2.1 物理修复

河道物理修复主要有底泥疏浚及水动力循环2种方式，其中底泥疏浚应用最为广泛。底泥是天然水体中一个重要内源污染，含有大量有毒有害物质（如重金属离子、氮、磷及某些难以降解有毒物质），因此必须注意防止底泥泛起。在一定条件下，底泥中的污染物质将会释放到上覆水，造成二次污染，进而影响水生态[10]。水动力循环修复技术主要用于控制水体富营养化及改善水体水质[11]，多采用人工曝气推流的方法。河道曝气复氧对污染水体的修复效果已经被国内外许多工程所验证[12-15]，如1988年德国通过纯氧曝气法成功遏制了Saar河中的水体恶臭；1989年美国利用曝气系统对污染河流进行曝气，发现水体中的溶解氧和生物量显著增加；我国通过河道曝气技术增加水体中的溶解氧，消除了水体中的致黑臭物质，缓解了黑臭现象等。

综合而言，河道物理修复实施简单、见效快，但成本较高、工程量较大、易造成生态系统的破坏，因而常作为水生态修复的辅助手段。

2.2 化学修复

化学修复通常是通过氧化还原、吸附沉淀、络合等化学或生物反应，如向受污染的河道中投加化学改良剂与药剂学改良剂，将污染物转化成无害或毒性较小的物质，以达到净化水质的目的。最为常用的化学方法是原位化学反应技术。原位处理技术可分为生物-化学修复和凝固-稳定修复两大类。生物-化学修复即在原地投加微生物菌种或微生物促生剂以增强生物修复，而凝固-稳定修复则是通过投加化学药剂及黏合剂，将有机物转化为无毒或者毒性较小的化合物，并在受污染地点固定下来[16]。如磷的沉淀和钝化技术就是典型的凝固-稳定修复，即向水体中投加硫酸铝，形成的磷酸铝吸附在氢氧化铝絮体表面并沉淀，从而去除水体中的磷[17]。

化学修复不是一种永久的修复措施，对突发性水污染具有很好的治理和恢复效果。因此，化学修复往往也是作为河道水生态修复过程的一项辅助或应急处理措施[18]。

2.3 生态修复

生态修复技术是利用微生物或动植物对水体中的污染物进行吸收、降解、转化，从而达到修复生态系统的作用。因为生态系统是统一的整体，包括生产者、消费者和分解者，所以单一的物种修复难以达到良好的修复效果[19]。近年来，国内外学者通过人工建造模拟的生态系统（如人工湿地），将植物、动物、微生物的修复作用统一结合而形成的水质强化净化与水生态修复技术正越来越多地应用于实际工程中，这也是当前的研究热点。

3 水质强化净化与水生态修复技术

3.1 植物强化修复技术

植物强化净化修复是在河道水面或水下人工种植水生植物或改良的陆生植物，利用植物的吸收、根系的阻截与吸附、根区形成的生物共生体的吸收转化等作用以及物种的竞争相克原理，以达到净化污染物、改善生境、创造有利于水生态恢复的条件等目的的一种拟自然处理方法。根据种植植物类型和种植方式的不同，植物强化净化可分为人工植物浮床（常称为生态浮岛、生物浮床或生物浮岛等）和人工“水下森林”2种技术类别。其中，浮床技术是由现代农艺无土种植技术衍生而来的一种生态工程技术[20]。近年来，这种被誉称为“水上移动花园”的修复技术在我国许多地区得到了广泛的应用。但现行浮床技术主要依赖于浮床植物的吸收作用来净化水质，制作浮床所用的浮体大多数为PE材料，普遍存在净化效果持续性较差、净化能力有限、投资成本高等问题。

近几年，在水下人工种植先锋沉水植物的植物强化净化技術（通常被称为人工“水下森林”）也逐渐走向商业化应用[21]。相对于人工浮床技术，该技术在投资成本、工程实施难度与强度等方面存在明显的差异化优势，但也存在一些难以克服的局限性，如易大面积扩散生长，管控难度大，影响河道泄洪通航。此外，人工“水下森林”措施也极有可能对生态完整性恢复和景观多样性产生不利影响。

3.2 微生物强化修复技术

应用于水体水质净化的微生物强化法（通常又称为生物法）衍生于城镇生活污水处理活性污泥法或生物膜法技术，技术手段主要有曝气增氧、设置生物填料、投加微生物菌剂或生长促生剂等方式[22]。曝气增氧是采用曝气装置向处于缺氧或厌氧状态的河道进行充氧，提高河道水体微生物种群数量和改善微生物系统的结构与功能，以达到增强或恢复河道净化能力和改善水质的目的。该方法操作简单、效果明显、适应性强，在德国（如柏林Teltow 河）、美国（如Homewood河）等发达国家得到了成功实践，被认为是一种比较适合于城市景观河道治理的清洁方法。其不足之处：若大面积使用，动力能耗较高，噪声较大，不宜于在靠近居住区河段过多设置。

在水体内设置便于微生物附着生长的生物填料是受污染水体生物强化处理技术的又一分支，它可以丰富水体中微生物的数量和种群结构，提高水体中的污染物与微生物的接触机会，因而可一定程度增强水体对污染物的氧化分解或转化能力。该方法的局限性：①影响河道泄洪、航运等功能；②设置面过小，效果不明显，而调置面过大，成本高；③受水位影响较大，水位低时填料易暴露，影响河道景观效果；④若采用合成的纤维填料，易脱落，而若采用沸石等天然无机填料，填料层内部因水流短路而难以发挥作用。

向受污染河道投加微生物菌剂或微生物生长促进剂（简称为“投菌法”），是近年来逐渐被人们所认识的一种水体修复方法。这种方法投资相对较节省、见效也较快，且易于操作，目前在我国不少地区进行了试探性工程应用，但实际效果仍需进一步科学论证。另一方面，我国在水体修复工程中主要采用从国外购买的微生物菌剂，有可能存在一定生态风险，这种担忧成为制约投菌法推广应用的重要因素。此外，这种方法往往受到水体水力条件、水体温度等因素影响，净化效果难以长时间维持。

3.3 水生态多样性修复技术

水生态多样性修复是在生境条件（水质、基底、岸坡等）达到明显改善和获知水体水生贫化程度的基础上，通过人工配种水生植物或放养水生动物来重建稳定群落结构和完整功能的顶层生态修复手段。依据当前对该技术的研究范围，可分为水生植物多样性修复和水生动物多样性修复2种技术类别，其中对水生植物多样性修复的研究相对较多。自20世纪70年代，国外开始对水生生物多样性修复进行了较为广泛研究，目前在优势物种及其组建方面取得了一定进展，如配种金鱼藻、黑藻、苦草等沉水植物和浮叶植物睡莲可以抑制浮游植物生长、加速营养物的周转和提高水体生物多样性与自净能力[23]。

近年来，国内一些高校和科研院所开始对河道水生植物多样性恢复技术进行了探索研究，一些环保企业也开始尝试将该技术应用于河道的生态治理中。截至目前，我国在该技术应用方面已初步形成了一些具有指导性的设计模式和关键技术参数。例如在植物来源方面要尽量选择本地常见水生植物；在植物组配方面需要以顶水植物为主、沉水植物为辅，结合少量漂浮植物[24]。

与此同时，水生动物多样性修复技术也引起了我国研究者的重视，目前在物种选择、群落配置等方面也形成了比较一致的技术应用原则：①遵循从低等向高等的进化缩影修复原则进行群落配置，避免群落系统不稳定；②在水体沉水植物多样性修复以后，并在水体现存物种调查的基础上进行；③首先修复水生昆虫、杂食性虾类和滤食性、碎屑食性为主的水生动物，在群落稳定以后，再适当配置肉食性鱼类；④水生动物应尽量选取广氧性的土著鱼类；⑤在种植沉水植物的河道，不宜投放草食性鱼类。但总体而言，目前我国对河道水生态多样性修复技术的研究和应用刚刚起步，工程实践还缺乏科学理论的支撑，并存在较大的盲目性和随意性。

4 结论

（1）河道修复技术依靠单一的物理、化学修复技术难以达到持久有效的治理效果，因此应加强对水质强化净化与水生态修复技术的综合研究与创新，为水生态形成良好的修复系统提供技术支持。

（2）水质强化净化与水生态修复技术被认为是有广阔前景的环境修复技术，充分发挥该技术的优势关键在于对不同类型植物、微生物、动物污染物最佳去除作用的基础研究。

（3）水生植物多样性修复的研究应用较多，目前已初步形成了一些具有指导性的设计模式和关键技术参数；水生动物多样性修复技术则在物种选择、群落配置等方面形成较一致的技术应用原则。

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