植物组合技术在黑臭水体修复中的应用*

2020-03-11

四川水利 2020年1期

(四川省水利科学研究院，成都，610072)

城市水体作为城市生态系统的重要组成部分，是涌动整个城市人文、经济、社会和自然环境和谐发展的重要脉搏。城市黑臭水体不仅给群众带来了极差的感官体验，更严重影响了城市人居环境、经济建设和城市综合发展。国务院颁发的《水污染防治行动计划》提出：到2020 年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内，到2030年，全国城市建成区黑臭水体总体得到消除。四川省亦高度重视城市黑臭水体综合整治工作，并按照中央关于生态文明建设的重要工作部署，分别于2016年底、2017年初先后出台了一系列文件，对我省各地的污染水体整治提出了明确的目标要求。

城市黑臭水体整治已成为地方各级人民政府改善城市人居环境工作的重要内容，然而，城市水体黑臭成因复杂、影响因素众多，治理工作困难。本文重点分析了黑臭水体的成因、总结了现有植物修复技术、阐述了植物组合技术在四川省都江堰市某河道黑臭水体中的应用。

1 黑臭水体的成因

水体黑臭现象的产生是一个复杂的物理、化学和生物过程，涉及因素较多[1]，主要成因分为有外源污染、内源污染和其他因素。

1.1 外源污染

外源污染是指大量污染物直接进入水体，造成水体变黑、变臭，这是导致水体黑臭的最根本原因[2]。外来污染物中的有机物、N、P以及部分 Fe、Mn等污染物进入水体后，微生物分解时水中溶解氧消耗速度大于恢复速度，导致水中溶解氧含量降低，使水体处于厌氧或缺氧状态[3]，厌氧微生物经过一系列的生化反应产生黑色和有氢味的物质，使水变黑和变臭。

1.2 内源污染

底泥是河道中必不可少的组成部分，底泥再悬浮是导致水体黑臭的重要因素之一。有机污染物进入水体后，部分经微生物消解，部分通过沉淀形成底泥，当遇到水力冲刷或人为扰动时，底泥再悬浮，向水体中释放污染物，大量悬浮颗粒漂浮在水中，导致水体变黑、发臭，形成二次污染。

1.3 其他原因

水体热污染也是造成水体黑臭的重要因素。温度较高的废水进入水体，导致水体局部甚至整个水体温度升高，增加微生物和藻类活性，使水中溶解氧含量降低，造成水体黑臭[4]。

城镇水体多呈流速慢、河道弯曲，这种特性导致水体动力不足，易产生垃圾、污泥等固体的滞留和淤积。水动力学条件不足，水循环不畅也是引起河道水体黑臭的原因之一，诸如河道水量不足、流速低缓以及河道渠道化、硬质化等都有可能导致河道黑臭[5]。

2 黑臭水体植物修复技术

植物修复是指利用绿色植物来转移、容纳或转化环境中的污染物。目前，国内外河道生态修复的主要技术有河道形态修复技术、生态河堤修复技术、生态河床修复技术、生态护坡修复技术和生态水体修复技术以及人工湿地处理技术等[6]。植物修复技术因其应用成本较低、效果好、简单易行、对水体水质的改善有着重要的作用，在河道生态修复工程中得到广泛的应用。随着不断的工程实践和经验总结，水生植物在河道生态修复工程的应用技术不断成熟。

2.1 人工湿地处理技术

人工湿地处理技术是利用生态工程的方法，在一定的填料上种植特定的湿地植物，建立起人工湿地生态系统，当水通过系统时，其中的污染物质和有机物被系统吸收或分解，使水质得到净化。

污水中不溶性有机物通过沉淀、过滤，很快地被人工湿地系统截留并被微生物利用；可溶性有机物通过植物根系的吸附、吸收及代谢降解等过程被分解去除。随着处理过程的不断进行，湿地中的微生物也繁殖生长，通过对填料的定期更换及对植物的收割而将新生的有机体从湿地生态系统中去除[6]。该技术建造和运行成本低、操作简单、出水水质好，同时有兼顾美化环境的作用，成为近年来迅速发展的生态污染处理系统。

不同类型人工湿地对有机物都有较高的去除率，COD的去除率达70%～75%，BOD5的去除率达88%～90%[7]。丁玲[8]等选取苦草和伊乐藻研究其对营养物质的净化效果，研究表明：其植物组合对PO43--P的净化率为42.3%±13.9%，对NH4+-N、NO3--N、TN、TP的净化率分别为17.5%±5.1%、11.0%±3.9%、8.2%±3.7%和18.1%±4.1%。孙瑞莲[9]等研究了宽叶香蒲、茭白及黄花鸢尾对污染水体中COD、TN和TP的净化能力，研究表明：同一浓度污水处理下，各植物对COD的去除效果无显著差异，黄花鸢尾对TP的去除效果最好，茭白对TN的去除效果表现最佳。

2.2 生态浮床修复技术

生态浮床，又称人工浮床、生态浮岛等。针对富营养化的水质，利用生态工学原理，降解水中的COD、氮和磷的含量。生态浮床是作为生物方法改善水体水质的重要手段之一，由于其可移动性、无二次污染、净化效果好、易操作管理、充分利用水面空间、生态效益显著等特点，备受关注。

生态浮床设计灵活，把具有净水、观赏及经济价值的高等水生植物或经改良驯化后的陆生草本、木本植物移栽到污水水面种植，通过植物强大根系的吸收、吸附、截留以及微生物的生化降解等作用，削减水体中的N、P及有机物，并以收割植物的形式将其搬离水体，从而达到净化水质的效果，是一种行之有效的原位生态修复技术[10]。

生态浮床技术在水体的治理与修复中发挥了重要作用。众多研究均表明，生态浮床对于水体水质具有较好的净化效果。上海白莲泾世博园河段采用了由鲢鳙鱼、三角帆蚌和植物组合的生态浮岛技术，大大改善了河段综合水质，菖蒲、血草等浮岛区水质达到了Ⅲ类标准，有效地改善了河道水质[11]；将生态浮床应用在上海新角浦河、汇丰河黑臭河段，研究表明，对COD、NH3-N、TN和TP的去除效果明显，治理后出水浓度透明度增加，河道生物多样性显著提高，水体富营养化明显改善[12]。将豆瓣菜浮床应用在养殖废水净化中，结果显示，在低温条件下豆瓣菜浮床能够降低水体pH值、溶解氧、电导率、氮磷营养盐浓度、高锰酸盐指数和叶绿素a浓度[13]；将多种浮床植物作为研究对象，研究发现其吸收氮磷的能力显著[14、15]。

2.3 生态护坡修复技术

黑臭水体整治的关键是“控源截污”，没有截污不可能从根本上改善水质。生态护坡技术是在综合多学科的基础上对斜坡或边坡进行支护，形成由植物或工程和植物组成的综合护坡系统的护坡技术。

生态护坡可以增强坡面的稳定性、防止水土流失、发挥缓冲功能，有效地防止污染物质进入水体，改善水体情况，同时恢复和重建退化的护坡生态系统，修复河道生态环境。生态护坡技术在河道综合治理中得到了广泛的应用，并取得了明显的效果。

包头市城市水生态提升综合利用项目中，在完善植物生态建设的基础上，配合蜂巢防护和混凝土水工砌块等多种方式，显著改善土体性能，同时播撒草种，形成“生态袋”，发挥生态植物对环境的维护作用[16]。天津市区河道采用的生态护坡技术实践证明，生态护坡既能满足河岸的护坡功能，又对保持和恢复河流的生态环境具有良好的效果[17]。

3 应用实例分析

将“人工湿地+生态浮床+植物护坡”等植物组合技术应用于四川省都江堰市某河道黑臭水体修复中，通过生态系统的恢复与系统构建，持续去除水体污染物，改善水生态环境和景观。

3.1 河道现状

受当地地势的影响，河道附近的集中式居民社区生活污水无法接入市政管网，经过社区污水处理设施处理后直接排入该河道。因污水处理系统疏于管理，无法发挥正常的功能，且河道两岸岸坡裸露，垃圾遍布，致使河道散发恶臭，蚊蝇滋生，附近居民生活受到严重影响。生活污水处理工艺流程见图1。按照《城市黑臭水体整治工作指南》中黑臭水体分级与判定(分级评价指标见表1)，该河道属于轻度黑臭水体。

图1 社区生活污水处理工艺流程

表1 黑臭水体污染程度分级标准

3.2 水体修复措施

3.2.1 湿地植物

在人工湿地植物配置方面，根据当地的气候、地形和人文景观条件，优先选用了成本低廉、易于管理的本地植物。根据湿地进出水水质和植物抗污染负荷能力，首选了有一定观赏价值且成活率较高、耐污力较强、根系发达的3种湿地植物，即菖蒲、美人蕉和再力花。根据湿地管网推流特征，湿地前1/3段种植菖蒲，中部1/3段种植美人蕉，后1/3段种植再力花，种植时平均株高为40cm～50cm，种植间距均为20cm×20cm。

3.2.2 生态浮床

在岸线设置生态浮床，设计规格为33cm×33cm，将单个浮床连接在一起形成99cm×330cm的生态浮床，并在生态浮床上种植伞草、美人蕉、菖蒲等水生植物，将生态浮床放置河道浅水区，在增强景观效果的同时，改善水质理化指标，调节水体中生物种群结构。

3.2.3 构建植物护坡

植物护坡起到隔离(阻断)的作用。首先对河道进行清淤和垃圾打捞；其次清除岸边杂草并种植固土植物，选取了美人蕉和栀子花两种“走根”较快且具观赏性的植物，形成生态屏障区，一方面拦截消纳、阻断垃圾和面源污染进入河道；另一方面兼顾美化环境、增加景观效果的目的。

经过半年的运行，效果良好，基本消除了该河道的黑臭现象。河道水体评价指标值见表2。