多方位生态修复技术在河道水环境治理工程的应用

刘学军

(锦州市义县水利局，辽宁 锦州 121100)

河道是工农业用水和城镇居民生活用水的重要基础，河道治理在一定程度上决定着人们生活质量和可持续发展的程度。随着经济的快速发展以及人们对生活质量的不断提高，河道受到了不同程度的污染，生活垃圾的乱堆乱放随降雨径流汇入河道，生活污水、工业废水以及含有农药化肥的农田灌溉水等被大量的排入河道。河道中有害物质明显增加，水环境系统发生明显改变，如河道中因氮磷过高导致的水体发绿、因固体污染物过多引起的水体浑浊、因有机物含量偏多使得水体发黑发臭、因水体含氧量偏低导致的病菌或有害生物的滋生、因农药化肥的乱排滥用导致的水体剧毒等。水体污染一方面对河道水环境造成严重破坏影响河道生物的生存和发展，另一方面打破了生态系统的平衡，不利于水资源的可持续发展。针对上述水体污染问题，国内外利用多项技术方法进行水体环境的治理和改善，主要可以分为机械改善法、化学修复法以及生物治理法[1]。其中机械改善法主要有机械除藻、调水稀释、单独曝气以及河底淤泥疏通等技术，通过人工措施达到改善河道环境的目的；化学修复法是利用化学试剂和药品与河道内的污染物或有害元素发生化学反应，进而达到将有害物质沉淀或消解目的；生物治理措施主要是利用微生物的吸收、降解和转化功能，降低河道水体中的污染物含量和浓度。不同地区的河道污染特征不同，河道的污染源和作用过程受多因素影响，采用传统的物理、化学和生物措施已无法满足当前河道污染的多样性和复杂性要求，不能对水体环境进行彻底、全面的修复。据此，本文通过对上述河道治理措施分析研究，筛选出两种或多种关键性技术措施形成综合治理体系，即多方位生态修复技术的河道治理模式，将此综合治理模式应用于锦州市义县宜州河的水环境治理中，并取得了预期的水体景观及水质改善效果[2]。

1 多方位生态修复技术河道治理模式

多方位生态修复技术的河道治理模式，其基本原则和理论是在综合治理基本理念基础上，利用多方位集成技术，建立长期有效的水体环境统筹治理机制和管理制度。通过对河道外源和内源污染物控制，采取有效的人工净化措施，并充分发挥水体自净强化功能共同达到河道水环境治理目标，多方位生态修复技术河道治理模式的基本体系如图1所示。

图1 多方位生态修复技术河道治理模式

河道外源污染控制主要是利用雨污自动过滤和滞留系统，将雨水和污染杂质进行隔离分流或合流完成对河道外入水源的原位控制；而采取河底清淤、水面清理等措施即为河道内源控制；人工净化往往是采用超微净化水处理技术对水质污染元素进行快速的吸收净化处理达到水体清洁的目的；水体自净功能的建设主要是通过构建水生植物和水生动物群落，增强水生态系统的功能作用达到水体能够自净目的。多方位生态修复技术河道治理模式是一种多方位的综合治理体系，它不仅包含了对外源污水的原位清洁和拦截控制技术，而且可将河底内长期累计的淤泥及内源污染物进行清理和消除，同时在提高河道自清洁功能的基础上实现了水体生态功能的增强。多方位生态修复技术河道治理模式能有效提高河道的纳污能力，并且在河道遇到特殊情况或短暂超负荷污染时能有效降低水中污染物含量。

相对于传统的单一河道水环境治理模式，多方位生态修复技术河道治理模式具有以下特征和优点。

(1)在污染源头上能有效降低河道外源污染物随降雨向河道内的流入，进而明显减少水中氮磷等有害化学物质的含量。

(2)对河道淤积进行定期清理，对水体进行周期性净化除质，显著降低水环境中污染物浓度。

(3)利用现代化的水体净化技术设施，对于重度污染水体能够快速高效的对净化去污，改善水质环境且提高水体抵抗突发性污染的反应能力。

(4)构建水生植物和水生动物群落，增强水体生态系统，具有一定的生态景观以及河道美化功能。

1.1 外源污染控制

降雨原位自动膜滤系统是一种对雨水进行工程化处理的技术，利用超低压过滤膜，对径流雨水进行污染物的过滤和除去。系统是采用一种折叠式的滤膜，在保证过水能力的前提下可有效对污染物进行过滤，系统对于过滤后的水体设有蓄水池，在暴雨时可对滤芯进行反自动清洗，减少沉淀污染物对滤芯的阻碍作用并明显提高芯片的使用寿命[2]。在河道末端系统还安装有雨水管网，用于暴雨时期。当河道汇入污染物较多时，将过滤后的水体排入管网中，降低水体对河道直接污染，且可有效防止因排放不当造成的二次污染问题。

驳岸生态滞留系统主要用于暴雨时期未排入雨水管网的水体，以提高生态河岸的渗透性和河道的纳污能力。驳岸生态滞留系统的基本作用是通过连接作用将水面、驳岸及陆地形成一个整体，利用植被之间的间隙、土质的空隙和微小缝隙等进行能量和物质的转移交换，以此形成空气对流，提高水体中的溶氧量，改善水质。河道的生态驳岸实现了多种动植物的复合型共生，利用生态形式可靠的控制了外来有害物质对水体的污染。

1.2 内源污染控制

外来污染物在河道内经过长期的累积、沉淀和固化形成了积于河底的淤泥，淤泥是河道水质二次污染的主要来源，严重影响了城市河道的水体环境。河道底泥较难控制，沉积于河底的污染物如氮磷和化学药物等会在某些特定的条件和作用下进入上层片源水中，对水体产生二次污染。采用机械清淤技术和淤泥生物酶降解是进行河道内源控制的主要措施，该方法具有快速、高效以及可持续性能高的功能和特性。

机械清淤因实施成本较高，且对河道清淤能力较强，故一般适用于高污染、小面积的水源污染治理。而生物酶河道治理措施是利用河底微生物的活性对有害污染物进行降解和转化，该项技术措施一般适用于污染程度较低且污染面积较广的河道。同时，生物酶能够促进微生物的活性提高，对后期的淤泥的理化性质的提高具有一定的促进作用[3]。

1.3 人工净化技术

当河道水环境受外界污染物的侵入和影响，其本身的生态系统变得不稳或失衡，故采取有效的治理措施对水体进行净化，降低污染物浓度使其重新达到平衡。人工净化措施是提高河道防污染能力的有效方法，目前超微净化水处理技术是人工净化应用较为广泛且相对成熟的措施。其基本原理是基于气、液相界面，利用超高压气水混合技术产生大量的微米级和亚微米级的氧化气泡，有效去除水环境中的氮磷含量、降低重金属污染物浓度、消解藻类和胶体等有害物质含量，该技术可明显增加水体中的溶氧量，提高水体的清澈透光能力，是目前应用于水环境治理的理想型技术工艺[4]。

超微净化水处理技术可以对水体中的各个污染指标进行消除和分解，微米级氧化气泡可快速消除藻类对河体污染，恢复水体颜色；微米级气泡其本身具有一定的正电荷，可利用正负电荷之间的吸附作用降低水体中的胶体含量，并且可对水体中的杂质进行沉淀吸附，改善浑浊水体现象。对于发黑发臭的水体污染源，微米气泡破碎过程中产生氢氧基和自由基能够对水质中的有机物进行氧化分解作用。

1.4 水体自净功能

河道生态系统是决定水体自净能力的关键性因素，在河道治理过程中生态治理法得到了广泛的应用和发展，且在实际工程应用中表现出良好的结果。河道生态系统中水体的自净过程如图2所示。

图2 河道生态系统水体自净过程流程图

挺水植物群落、浮叶植物群落以及沉水植物群落是水生植物的三大主要群落类型，其中挺水和浮叶植物在河道中主要发挥生态美观和水质保持的功能作用，而沉水植物是决定水体生态功能修复的关键性基础措施，它是影响生态系统稳定性和多样性的主要因素[5]。通常情况下可在河道浅水区种植常绿矮型的水下草皮，在中深部水域种植四季常绿、形高易活型的水下森林。

大型鱼类、低栖动物和浮游生物群落是水生动物群落的主要类型，其中大型鱼类群落促进了物种多样性，且具有一定的生态景观功能；而对于低栖类动物群落的构建主要是利用该群落可对腐质动植物的残体和有机质进行捕食的功能，进而达到过滤和沉淀水体杂质含量，通常采用的动物类型有河蚌、青虾、海螺等；浮游动物群落可对河道内的绿藻、腐质物进行摄取，能快速提高水体的清澈度，促进生态系统的形成[6]。

2 实例应用

2.1 研究区域概况

本文以宜州河河道为研究对象，该河道位于义县县城东部，河道全长为17km，流域面积约为41km2，水体深度范围为15～22m。河道内水体透明度较低，且污染较为严重，局部区域发黑发臭，水体的生态系统破坏现象严重，通过对河道水体取样，并进行水质监测可知水中的COD、TP以及NH3-N有害物质的浓度分别为325.4mg/L、12.6mg/L和1.2mg/L，污染物浓度含量明显超过V类水质标准中8.6倍、5.2倍和3.5倍。为改善水系统的生态环境，降低水体中的污染物浓度含量，采用多方位生态修复技术的综合治理模式，并依据相关水体治理原则和原理进行宜州河的综合治理[7]。

2.2 河道水环境治理

首先对上游河道进行外源截流处理，即利用聚酯纤维膜和土工膜对水体进行隔膜导流布置，在距离河岸北部5m处设置隔膜，隔膜外层为聚酯纤维内层为土工膜。利用导流设置将部分污水排入下游区域，以此降低上游重点区域的非溶解性污染物浓度和排入量[8]。多年来上游区域排入了大量未经处理的雨污水，进而导致河底的淤泥积累严重，针对上游区域的内源污染问题，可在河道中排放大量的生物酶以此提高水体底部微生物的活性，增加其吸收转化污泥的效率，进而解决河道底泥黑臭的污染问题，实现内源控制原位治理的功能[9]。

在河道内放入大量水生动植物，并改善水生动植物的生存空间，保证其存活率，增强水体的生态系统功能[10]。保证水生动植物的存活率是影响河道生态系统的主要因素，故需在上游河道布设一套超微净化设备对河道水环境进行循环净化，设备净水处理量为100m3/h，水质处理前后的各项指标见表1。

表1 超微净化设备实施前后的水质指标值

由表1可知，布置超微净化设备后河道内的水质得到了明显的改善，不仅为河道水生动植物的生存空间提供了良好环境，而且促进了水体生态系统的建设。通过往水体中放入水生植物，如矮型枯草，沉水型草皮等构建了水生植物群落，投放鲫鱼、大虾和海螺等构建了水生动物群落。采取上述措施后的2个月以后，可发现河道内水明显变得清澈，由先前的浅黑色变成了现在的浅绿色。水体中的COD、NH3-N以及TP浓度明显降低，不仅提高了水质标准类别，而且增强了水环境的自净能力[11]。

3 结论

通过对现有河道治理措施进行分析研究，筛选出两种或多种关键性技术措施形成综合治理体系，即多方位生态修复技术的河道治理模式，通过将该模式应用于锦州市义县宜州河的水环境治理中，得出主要结论：

(1)采用多方位生态修复技术河道治理模式，可实现河道水环境的良性循环，并有利于稳定河道水环境生态系统；河道内水明显变得清澈，以前的浅黑色变成了现在的浅绿色，水体中的COD、NH3-N及TP浓度明显降低，提高了水质标准类别，增强了水环境自净能力。

(2)布置超微净化设备后，河道内水质得到明显改善，为河道水生动植物的生存空间提供了良好的环境，促进了水体生态系统的建设。水生动植物措施具有良好的生态治理功能，是今后河道治理措施的主要发展方向。