城市黑臭河道的生物-生态修复技术研究进展

常越亚

上海市环境保护事业发展有限公司

0 引言

城市文明的孕育离不开城市河道，它不仅为城市防洪抗涝、提供水源，并且具有调节气候的功能，推动了城市的建设[1]。但是，由于城市的快速发展和管理不善等问题，外源污染大量进入水体，破坏水生态系统平衡，导致水体功能无法发挥作用，引起水质恶化[2]。除外源污染外，还有河道未得到定期疏浚导致底泥淤积严重成为内源污染，释放大量污染物（甲烷、氮气、硫化氢、锰铁硫盐等）进入河水，直接影响河流生态健康[3,4]。有研究[5]指出，底泥吸附的污染物会与孔隙水发生交换反应再次进入水体，引发二次黑臭问题，而这种再悬浮情况的出现会使水体的黑臭和富营养化程度加重和延续。

黑臭水体的分布具有范围广且间断的特征[6]，对周边居民的正常生活和身心健康带来危害，严重制约着生态文明城市的建设进程，因此，城市黑臭河道的治理迫在眉睫。

1 生物-生态修复技术

相较于发达国家，虽然我国生物-生态的修复起步较晚，但近年来，科研领域已经越来越重视黑臭水体问题，对其研究的深度也由最初的整体框架、理论探讨向机理研究、修复技术转变[7]。黑臭河道治理方法主要包括物理、化学、生态以及多方法组合应用[7]，其中物理、化学方法有着处理效率高的优点，但是反弹性和长效性难以保证[8-10]。因此，越来越多的研究学者把焦点转移到生态修复治理技术，因为有多项研究[5,11,12]表明，通过微生物、动物、植物等多体参与的生理过程来转移、富集或降解污染物，净化水质，为生物的栖息繁衍创造适宜生境，从而恢复和重建有序健康的水体生态环境。

生物-生态的修复方法，其本质是利用生态系统自身的恢复和调控能力,利用其自身规律实现水质净化的目的[7]。目前，主要有浮床技术、生态护岸带技术、人工湿地技术、微生物强化技术、水生动植物恢复与重建技术等[13]，这些技术因成本低、无二次污染等优势在河道治理方面有很大的发展潜力。在实际应用中，根据水环境污染程度和生态功能现状进行综合评估，决定选用哪种组合技术以实现生态与经济效益的双赢。

1.1 曝气增氧-生态净化技术

大部分河道黑臭问题是由厌氧环境导致。首先通过曝气使河湖的水体溶氧环境改善，增强水动力使水体内部形成循环，加快悬浮物凝聚，然后沉降到河流底部。其次进行微生物净化，依托生物填料形成的生物膜，在推流和充氧的状态下形成溶解氧梯度，生物膜表层、中部和内部生长大量好氧、兼氧及厌氧微生物，共同作用于水体中的有机污染物[14]。最后，辅之以驳岸建设，种植水生植物，逐渐形成稳定的水生态系统。

针对曝气增氧环节，传统曝气增氧由于气泡形态大，在水中停留时间短，且不能渗入底泥中，处理效果相对较差。目前，微纳米气泡技术正被广泛推广应用，原因是该技术有着粒径小、水中停留时间长、传质效果好等优点[15]。但是，单独利用微纳米气泡技术曝气仍存在着污染物去除率和生物降解能力较低等缺点，因此，将微纳米曝气技术与其他技术相结合，可以提高污染物去除率，有效改善水体和底泥的微生物群落结构。余恒等[16]采用“微纳米气泡复氧系统+活性生态自由基+复合菌酶修复剂+景观生态浮床”生物-生态治理技术修复宁波市府溪河，运行1年后，水中和驳岸带多种挺水、沉水和陆生植物共生良好，水体污染物CODCr、NH4+-N、TP的平均去除率分别达到52.89%、77.84%、65.88%。

1.2 生物酶-生态复合技术

自然的净化过程主要是依托土著微生物实现，但是由于污染物的过多进入破坏了营养盐、溶解氧或其它电子受体的平衡，而使降解反应进程很慢。而生物酶，是一种有机的、含有酶类，并结合了非离子表面活性剂的高效净化剂[17]。生物酶的加入，显著提高了微生物的活性，促进水中污染物质快速分解成小分子化合物，并释放出结合氧而提高了水中溶解氧含量，小分子物质又易于微生物吸收利用，从而增加微生物丰度，辅之以生态技术，达到一种植物-动物-微生物的生态动态平衡。

1.3 光伏发电-生态处理技术

生物-生态修复技术虽然有多方面的生态优势，但有关研究[18,19]也表明，其经济效益还有待提高，相较于生态优势，其相对较高的耗电量需重点权衡，尤其在一些不便铺设电缆的地段。

在各种可再生能源中，太阳能具有分布广泛、清洁无污染等优点，不会排放CO2等温室气体，也不会产生SO2等有毒气体，可以实现荒地的复垦，减少电网输送，增强能源独立[20]。水上光伏发电应用最多的国家是日本，中国在2013年尝试将光伏发电用于渔业养殖，在养殖水域的上方搭建光伏发电站，水上发电，水下养殖，这是一种开发清洁新能源的典型案例[21]。有研究[22]表明，该技术可以实现土地的复合利用，实现经济和生态效益双丰收。

河道有着大面积水域，在上面加装太阳能光伏板有着空间优势，并且部分治理方式需要加盖抑制藻类生长，太阳能光伏板的搭建可以兼顾该功能。有研究[23]表明，水面光伏发电处理水污染，能够丰富水域的浮游生物群落、鱼类种群、沉水植物种类，改善水生态系统食物网结构和提高能量转化效率，从而实现协同作用。

2 结论与建议

光伏发电的设计必须充分考虑当地的气候、太阳能倾角、负载水平及建筑美观度等，不同的设计伴随着不同的安装难度，单位造价也会有差异。但从长远看，光伏发电用于河道生物-生态处理技术，不仅能够提供新能源，还能为污水处理降本增效，具有明显的社会和生态效益。尤其在碳达峰-碳中和提出的政策背景下[24]，光伏发电作为碳中和的方式之一，作为一种在负荷端替代电能的方式，可成为用于生物-生态治理河道的重点发展技术，如何实现光伏发电与生物-生态治理河道技术的最优配置将是下一步研究的关键点。