人工生态系统在黑臭河道治理中的应用

李凤镱

（铁汉环保集团有限公司，广东 广州 510000）

我国水污染问题十分严重，最突出的是城市和河道的污染。黑臭的河水不仅破坏了两岸的生态环境，还会通过城市管网造成地下水污染，严重威胁到市民的饮水安全，同时导致自来水净化成本增加。为彻底解决河道黑臭问题，以河道天然生态系统以及相关的演变为前提，衍生出人工生态系统治理河道的理论，根据该理南方某未完全截污河道的工程进行了应用实践，探索人工生态系统治理河道黑臭的路径。

1 人工生态系统应用的必要性

河道生态系统基本由三个部分组成：岸边的生物带、河床内环境和生境。人类活动降低了水体的自净能力，河道的自然生态系统遭到了人为地破坏。改善水质的措施可以采用截污纳管、底泥疏浚等水利工程手段，但对恢复河道的生态系统却没那么容易。所以，在河道管理中构建人工生态系统，对恢复河道生态平衡具有十分重大的意义。河道人工系统的功能是采取必要的措施和手段，对河道生态系统进行重塑，并以此为基础实施人工强化，增强河流的自净能力，确保河道生态系统的稳定性[1]。

2 人工生态系统在黑臭河道治理中的应用

2.1 建立生态浮床

生态浮床修复水体的原理是以浮床为载体，在富营养化的水面上种植水生植物或者陆生植物。植物在生长的过程中既可以吸收水体中的N、P等元素，又可以利用自身发达的根系和浮床基质吸附水体中的悬浮物，通过植物的根系将很多可以降解的有机物的分泌物释放出来，让水中的有机物迅速分解；有些植物还可以产生化学克生物质，对浮游植物生长进行抑制。同时促进好氧微生物的增加，有效分解了营养物和有机污染物，水体得到很大地改善。最后利用植物体机理功能，把污染物积累在植物根系或吸附到体内然后搬离水体，从而显著减少水中污染物，让水质净化[2]。

2.2 河道曝气生态净化

该系统的主体是水生生物，加以合理的人工曝气，构建的模拟人工生态处理系统[2]。该系统功能是对水中的污染负荷进行高效降解，对水质实施净化和改善，是生态净化和人工净化的有机结合。人工曝气复氧是河道曝气生态净化系统氧气的重要来源，另外，水生生物和大气复氧也可以利用光合作用传输一定的氧气。在采用该净化系统的河道内形成一个复杂的生态系统，这是多种微生物和水生动物和平共处的生态环境，利用生物降解、物理吸附、生物吸附等功能以及不同微生物和水生生物间作用的发挥去除污染物。

2.3 利用生态袋进行生态护坡

利用以聚丙烯为原材料制作的生态袋建造柔性生态边坡进行防护绿化，已经成为内河治理、河岸护坡的行之有效的关键措施，堪称是河道柔性生态边坡工程的核心构成。生态袋可以透水却不透土，目标过滤功能极强，既可以保护填充物流失，又可以促进土壤中水分的正常流动，发挥保持和及时补充植物所需水分的功能。生态袋对植物的友善性还体现在让植物穿过袋体自由生长，对净化水质起到至关重要的作用。在工程的基础土壤中，植物的根系如同无数锚杆再次稳固了袋体与主体的状态，而且会随着时间流逝而越发地加固，让边坡保持永久性的稳固，逐渐消除河道内的污染源。

2.4 在水中种植沉水植物

沉水植物是水生态系统中的重要成员，其可以吸收水体中氮磷等营养元素，维护水生态系统、控制水体富营养化，不仅可以对水体中的鱼类、底栖动物、浮游生物的构成和分布产生积极影响，而且可以有效净化水质。基于人类活动和环境变化的影响，随着日趋恶化的河道生态，沉水植物数量和分布面积不断萎缩，退化为单一化的群落结构。沉水植物的消失会缩短生态系统中的食物链，导致食物网简单，严重降低了物种的多样性，让河道的生态系统十分脆弱。恢复大型水生植被是解决该问题的途径之一。以菹草、金鱼藻等为代表的大型沉水植物可以充分吸收和利用水体中的营养物质，生成符合自身生长发育的物质，可以明显降低水体中营养盐的浓度，抑制了藻类的爆发；同时，沉水植物还能让悬浮颗粒物降低，沉降水体中的磷，把沉积物中磷的释放降到最低，有效抑制水体沉积物的再悬浮，通过对沉积物特性的改善促进营养盐释放率降低，吸附河道中的污染物，对浮游物的生长形成抑制，如图1所示。

图1 水中沉水植物

3 工程案例

3.1 工程概况

本文案例工程河流全长约1 200 m，本项目选取其中的一段进行生态治理，该治理河段总长为600 m。河道在综合治理前平均宽度为4 m，流动性不好，缺乏正常流速，自净能力极差，呈现深绿色的水体，河面上随处是黑臭的絮状漂浮物，气味异常难闻。治理过程中首先将人工生态浮岛布设在该河段的排污口处，通过浮岛上的植物根系吸收、阻挡、过滤来自排污口的污染物，同时生长会消化掉水体中的N、P等营养物质，还可以提高河道的景观效果。为了增加水体中的DO浓度，将曝气机和自沉式气管布设在污染的河段内，不仅促进了水动力条件的改善，加大了水体的流动性，更加快了后期投放微生物繁殖和生长的速度[3]。

曝气系统包括八台曝气机、一台空压机以及自沉式气管1 355 m，排污口附近布设人工生态浮岛8座，总共50 m2，人工浮岛上种植植物以千屈菜和狐尾藻为主；为了提升景观效果，该治理河段两端都建设了喷泉。布设完所有设施后，在河道内适量投放鲢鱼鱼苗。于2019年7月下旬投放微生物菌剂，投放量为25 kg，直到完全溶于水之后泼洒在曝气盘周围。

3.2 治理结果与分析

该河道委托第三方检测机构通过检测点选择后对水质进行检测，数据监测从2019年5月起开始，以后的监测间隔期为3个月，一共实施五次的监测，其中第一次监测在综合治理前进行的。人工生态措施治理前该河道水质指标基本为劣V类标准。开始应用人工生态系统后，该河道监测点各理化指标在日趋变好，到2020年4月中旬，监测点的断面水质从治理前的劣Ⅴ类升至V类。具体变化指标如下：

3.2.1 总磷分析

在河道整治初期，总磷浓度呈上升趋势，这是由于微生物繁殖引起沉积物扰动促进磷在水体中释放所致，总磷参数反复增加，但过一段时间后开始衰减。

3.2.2 总氮和氨氮分析

总氮和氨氮浓度下降的趋势呈现一致的趋势，浓度下降不明显的时间段7～11月，其原因是周边排污量迅速增大，河流污染负荷猛然增大所致。

3.2.3 COD浓度分析

在人工生态为主的综合治理后，COD在水体里呈现明显的下降趋势，而反弹现象发生在11末到次年1月间。主要原因是11月进入每年的枯水期，河道流量下降稀释有机物的能力下降，从而减弱了微生物的净化能力，导致COD在水体里浓度上升。而到了第二年春天会伴随河道流量增加而降低COD浓度。

3.2.4 水体透明度分析

在人工生态治理中，经常出现水体透明度在短时间内下降的现象，但不会持续很久就开始上升，究其原因就是总磷的变化趋势相同，同时微生物繁殖对底泥的扰动，影响了水体的透明度，但随着河道良性循环的形成，河道中的藻类、悬浮物减少，水体自然上升了透明度。

4 结论

总之，控制河道黑臭现象的措施虽然很多，但最适合的手段是生态修复措施，可以形成自然生态的良性循环，有助于对生态环境的长久保护。同时在生态治理的探索和实践中，可以促进人工生态系统更加完善，为河道的综合治理提供实践经验和技术支撑。