生态修复技术在上海市黑臭水体治理工程中的应用进展

刘 敏，左 倬，王嘉伟

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

水环境的清洁安全与人民健康生活息息相关，更是一个城市生态文明的名片。上海市滨江临海，水网丰富，上游来水水质不佳与各项产业飞速发展带来的污染引起多个地区水质恶化，甚至黑臭问题。上海市从1988年起投入巨资实施水环境整治，2000年打响城区黑臭河道综合整治战役，并逐渐开展大规模的治水工程，形成了治污为本、截污为先、标本兼治、建管并举的水环境治理保护体系，全市河道的水环境现状持续改善。根据《2018上海市生态环境状况公报》，全市主要河流的259个考核断面中，Ⅳ～Ⅴ类断面占65.8%，劣Ⅴ类断面占7.0%，而2019年1月—9月的考核断面中，劣V类断面占2.1%，这与《上海市城市总体规划》(2017—2035年)报告中提出“全面恢复水生态系统功能，基本实现水环境功能区达标”的目标及上海市国际化大都市的生态环境定位仍存在差距[1-2]。随着上海市水质逐步改善，水体生态修复被提高到一定高度，作为黑臭水体治理“外源减排、内源清淤、水质净化、清水补给、生态恢复”技术体系的重要环节，生态修复是维持水体底质、水质及水生生物群落结构稳定，最终实现黑臭水体长治久清的关键，也是实现黑臭水体向生态之河蜕变的重要手段。为巩固和提高上海市黑臭水体治理成果，切实提升水质，改善水生态，有必要通过不断总结、研究，提出适合上海市不同黑臭水体生态修复技术，为进一步提升上海市水环境质量、保障水生态安全、维护水生态系统功能健康奠定基础。

1 上海市黑臭水体生态修复现状

上海市黑臭水体的治理，始于1988年苏州河水环境整治，先后实施了3期治水工程，把河道水环境治理作为重中之重，并在1993年实现了基本截除直接排入苏州河的污染源的目标。2000年，上海市打响了城、郊黑臭河道整治先导战，启动“三年行动计划”，随着整治工程的深入开展，苏州河干流黑臭现象逐步消除，各水体生态功能逐渐恢复[3]。2006年，上海市大力开展“万河整治行动”，到2018年上海市以镇村级河道为重点，累计完成23 245条中、小河道共计17 067 km河段的整治，清除16 863万m3的内源污染[4]。上海市因水成陆，其治水的脚步从未停下，尤其在水生态修复方面一直走在全国前列。2006年编制《上海市河道生态整治导则》，2008年发布《上海市河道绿化建设导则》，2013年出台《上海市河道生态治理设计指南》并开展河道生态治理试点工作，2014年制定《上海市河道维修养护技术规程》，同年推出《上海市水污染防治行动计划实施方案》。从2016年开始，随着黑臭水体达标率考核时间的临近，上海市在继续推进水污染综合整治及相关成果巩固的基础上，聚焦黑臭水体的整治，冲刺实现2020年全市基本消除黑臭水体、基本消除丧失使用功能(劣V类)水体的目标。经过2016年—2017年分批、集中整治，基本消除1 864条黑臭河道，共计1 756 km[5]。2018年上海市主要河流的259个考核断面中，27.2%的断面水质达到Ⅱ～Ⅲ类，65.8%的断面水质达到Ⅳ～Ⅴ类，劣Ⅴ类断面占7.0%，主要污染指标为氨氮和TP。截至2019年12月底，全市3 893个水质监测断面中，劣于Ⅴ类断面有111个，占2.8%[2]，全市黑劣水体治理取得显著成绩。

目前，公认有效的黑臭水体治理思路是“控源截污是核心，清淤疏浚是基础，生态修复是关键”。黑臭水体治理截污、清淤和生态修复缺一不可，随着上海市水环境质量的逐步改善，生态修复成为水体长治久清的关键所在。

2 黑臭水体生态修复技术

黑臭水体生态修复以控源截污工作全面完成为前提，并确保各水体行洪排涝、引水灌溉、航运等基本功能不受影响。在此基础上，根据各水体生态禀赋和现状问题，有针对性地选取相关技术进行综合整治。目前，上海市黑臭水体生态修复技术众多，总体概括为物理结构修复、水质生态净化、生物群落恢复3方面。上海市各区黑臭河道生态修复技术应用情况如表1所示。

表1 上海市各区部分黑臭河道生态修复技术应用Tab.1 Application of Ecological Rehabilitation Technology for Part of Black and Odorous Rivers in Shanghai City

2.1 物理结构修复技术

生境多样性是保护生物多样性的重要基础，河道生境多样性是河道水生态系统恢复的关键要素之一，也是实现水安全的重要保障[6]。上海市黑臭水体治理在物理结构修复中全面考虑了河道形态、断面形式、护岸结构等因素，对所治理水体整体空间布局进行设计，达到丰富生境多样性的目标。主要涉及河道平面调整、断面设置、微地形塑造、生态护岸建设、硬质护岸改造等技术。

2.1.1 平面调整

平面形态布置在设计中强调近自然的形态。在满足相关规划的情况下，平面设计强调在现状走向的基础上进行调整，避免高挖低填，最大限度体现河道的蜿蜒性，同时充分考虑现有地形特点，保持局部弯道、深潭、浅滩、江心洲、洲滩湿地及河滨带等自然景观格局多样性特征。

2.1.2 断面设置

上海市是长江三角洲冲积平原的一部分，区域天然河道断面多为斜坡式[7]。《上海市河道生态治理设计指南》中将人工河道断面分为矩形、梯形和复式断面3种类型。其中，复式断面可提供丰富的生境，生态性最佳，不足之处是占地面积较大；矩形断面因其占地面积较小可在用地受限的河道使用，但不利于构建生态系统恢复条件，生态亲和性最差；梯形断面占地面积和生态性居于矩形和复式之间。在满足河道排涝、通航等功能要求的前提下，河道断面宜保持天然河道断面形态，优先选用斜坡式断面，当难以保持斜坡式断面时，按复式断面、梯形断面、矩形断面的顺序选择河道断面。

2.1.3 微地形塑造

河底微地形塑造主要是人工模拟自然地形的高低起伏，创造多样的生境，一般在河道平、断面确定后，在不影响河道过流的前提下，根据地形条件和微生物栖息生境进行塑造。自然弯曲河道可在河道生态修复工程的基础上，构建深潭与浅滩共存的河床地形。王庆鹤等[8]研究认为深潭-急流-沙滩系统水体的自净作用会增强。平直河道可通过导流、挑流构筑物及植物等的布置改变水体的流向而形成多样性流况，以形成多样化的生境。

2.1.4 生态护岸建设

生态护岸是一种利用植物或植物与工程措施相结合，既能保护堤防与岸线的安全，控制河势变化，又有生态环境修复功能，同时兼具增添河道自然景观的河道护岸结构[9-11]。生态护岸主要承担的功能是水安全，同时能较好的为河道生境的连续性提供基础条件[12-13]。上海市主要的生态护岸结构有植物护岸(植生护坡、木桩)、土工材料复合种植基护岸(土工格室、水土保护毯、生态袋)、干砌石护岸、石笼护岸、叠石护岸、多孔预制混凝土块体护岸(开孔预制块、生态混凝土块、螺母块体)、仿木桩护岸、绿化混凝土护岸等[14]，各类型相关要点如表2所示[15-26]。上海市中心城区和近郊河道护岸以钢筋混凝土和浆砌块石为主材，生态化较低，郊区及农村段护岸形式较为多样，其中仿木桩和生态土坡生态护岸水生植物生长状态较好，其他护岸形式多出现裸露和掏刷现象。

表2 生态护岸技术要点[15-26]Tab.2 Key Points of Ecological Revetment Technology[15-26]

2.1.5 硬质护岸改造

上海市人口密集，用地紧张，城区和近郊区护岸硬质化率超过90%，对硬质护岸进行生态化改造在水生态修复中不可避免。硬质护岸改造是对用地条件受限制的河道，采取一定措施对其已建硬质护岸进行改造，使其基本满足河道生态治理的要求。硬质护岸改造应不影响护岸原有结构的安全和耐久性等指标。直立式挡墙护岸可采用墙顶或临水侧墙面设置种植槽(平台)、拆除常水位以上墙体构件生态护岸等措施进行改造。斜坡护岸可采用坡面设置种植槽、生态护岸结构进行坡面覆盖等措施进行改造。有条件的硬质护岸可通过在护岸顶部种植攀援类植物进行覆绿。

2.2 水质生态净化技术

水质生态净化是阶段性、辅助性的净水措施，主要针对经过控源截污和内源治理后依然不具备生态群落构建的水体，加速水质的改善，或针对景观要求较高的水体。目前，上海市水质生态净化技术主要包括生态浮床技术、微生物净化技术、曝气增氧技术[27]及一些新型的集成技术，如一体化净水设备、高通量生态净化廊道等。各类水质净化技术的选择应考虑水质要求、处理效率、水体环境特征、设施占地面积、与周边环境的相容性、对水安全及其他功能的影响等因素。

2.2.1 生态浮床技术

上海市中心城区和近郊河道护岸硬质化程度很高，挺水植物的生境载体普遍采用生态浮床。生态浮床技术利用基质载体可将水生植物以水培的形式种植在水体的任何位置，是一种不受限于种植条件的人工生态系统[28]。生态浮床由于具有能促进有机物降解、有效吸收氮和磷、为微生物和其他水生生物提供栖息与繁衍场所、可美化水域景观等多重作用[29-31]，而被广泛用于各类水体的生态修复。生态浮床的技术类型一般分为3类：水中绿毯、拼接浮盆(组合式浮床)、纤维湿地。水中绿毯以轻质管材为框架，包裹聚乙烯网为载体进行植物的栽植，是上海市黑臭水体治理早期工程中的常用技术。组合式浮床由浮床与具备其他功能的装置组合而成，如太阳能曝气浮床，一般为厂家定型产品。浮动纤维湿地以天然纤维为载体，结合浮体和不同填料进行植物栽植，稳定性和景观效果较好，常用于湖区。

生态浮床的总体覆盖率一般小于布设河段水体面积的20%，且不得影响水体行洪或其他功能。单体浮床的边长一般为0.5～5 m，单体间的间距一般为0.3～5 m[32]。目前，上海市较多选用的浮床植物以生长快、生物量大、根系发达、繁殖能力强的物种为主，如美人蕉(CannaindicaL.)、黄菖蒲(IrispseudacorusL.)、千屈菜(LythrumsalicariaL.)、茭白(ZizanialatifoliaStapf)、旱伞草(Cyperusalternifolius)、再力花(ThaliadealbataFraser)、粉绿狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、铜钱草[Hydrocotylechinensis(Dunn)Craib]等。

2.2.2 曝气增氧技术

曝气增氧能短时间增加水体中溶解氧，提升水质，在污水处理及自然水体治理中广泛应用[33-34]。上海市现有的曝气技术根据增氧原理大致可以分为跌水曝气、喷水曝气、机械曝气和鼓风曝气4类。其中跌水曝气通过拦河构筑物抬高水位实现复氧，在如金泽水库和上海植物园等存在大水面且无通航要求的水体中应用较多；喷水曝气通过水下设备向空中扬起水柱实现复氧，不适用于重度黑臭水体，因景观效果较高被广泛用于上海市城镇区的河道中；机械曝气通过机械设备(如叶轮式曝气机和水车式曝气机等)对水体形成扰动实现复氧，在上海市早期水环境整治中使用，因景观性不高常见于农村河道段；鼓风曝气通过鼓风设备与置于河底的穿孔曝气管连接实现复氧，适用于重度缺氧的黑臭水体。目前上海市有关曝气增氧设备对黑臭水体的修复及应用研究较多，相关研究表明，单独曝气也能有效去除黑臭水体重点污染物，同等条件下与其他生态技术结合会提高去除效果[35-37]。目前在曝气设备数量的设计上研究较少。

2.2.3 微生物净化技术

微生物净化技术主要利用微生物降解、转化或吸收水环境污染物，相关研究表明该技术对养殖废水、污水厂尾水等的除臭效果显著[38-40]，由于不慎使用微生物会造成一定的副作用，在实际设计中相对比较谨慎。利用微生物进行水体原位修复的方法主要有接种微生物技术、富集培养土著微生物技术、固定化微生物技术3种。该类技术对水体总氮、总磷和CODCr具有较强的去除率，对水体SS去除率较低。目前微生物净水技术应用较多的是硝化细菌、光合细菌及芽孢杆菌等[41-43]，针对不同的净水目的可选择相应的净水作用菌种，投放时需要注意水体水温控制在20 ℃以上。

目前，应用于上海市水体修复的微生物投放量尚无明确规范指导，大多数净水工程依据工程经验或通过微生物试验确定最佳投放比例，具体投放量规模选取需依据治理水体本底值、采用的技术组合方式及出水目标值确定[44]。此外，部分微生物菌粉在使用说明中有最佳适用剂量，单位一般为g/m2，此时根据治理水体的具体面积确定微生物投放量，如式(1)。

V=C粉×A/C液

(1)

其中：V——微生物投放量，L；

C粉——微生物粉剂投放规格，g/m2；

C液——微生物菌液配置质量浓度，g/L；

A——投放水体面积，m2。

2.2.4 其他新型技术

除上述较为常用的技术外，在水生生态净化方面，不断有新技术涌现，同时取得了较好的效果。海绵固化土技术通过对不同河道淤泥和原位土壤分析，调整ISER固化剂的配比，将其和原位土壤、淤泥充分搅拌，用于河道的护岸、护底、护坡浇筑建设，长兴岛26号机口河护岸应用固化海绵土技术，应用技术后河道边坡整体水土保持能力显著提升。EHBR强化耦合生物膜反应器(MABR)是气体分离膜技术与生物膜法水处理技术相结合的一种新型水处理技术，金泽库区通过EHBR膜为主的一系列措施提升水质。生态拦截屏障技术利用多种特殊构造的材料和做法结合为净化屏障，垂直设置在河道截面上，一般用于无通航要求的河道，上海市静安区江场河大量应用生态屏障技术，治理后极大减缓了污染源对河道的影响。超氧曝气技术通过将河水抽入设备之中，进行加压富氧，形成富氧水融入水体中达到增氧效果，上海市走马塘河道应用该技术，河道布置1台设备，应用7 d后水体氧气提升，目前该技术的不足之处在于需要较大占地面积放置设备。高通量生物净化廊道技术是整合曝气、人工介质、生态浮床等的技术，彭越浦的侯赵泵站排口处采用了该技术，河道下游的水体有机物含量大大降低。目前更多的研究和专利趋向于寻找更多更优的技术组合，苑希民等[45]试验结果表明MABR与生态浮床组合技术有显著净水作用，王海珊等[46]提出人工曝气+投加菌剂+投加促生剂+投加填料+栽种水生植物进行水质净化的思路。以各项净水技术组合进行水体修复已经成为当前研究的热点。

2.3 生物群落恢复技术

生物群落恢复在污染源治理、物理结构修复的基础上实施，是保证黑臭水体长治久清的重要手段，主要包括陆域生态措施、水生植物恢复构建、水生植物投放等相关措施，具体可根据治理水体的实际情况进行选择性布置。

2.3.1 陆域生态措施

陆域绿化及景观布置主要起截留面源污染、防止水土流失、提升景观等作用。河道整治工程范围内护堤一般根据范围大小合理搭配乔灌草，上海市目前工程临时用地或未在工程范围内裸地常通过草皮护坡防止水土流失。对已建设好需改造的硬质护岸，在不影响其水安全及各项河道功能的基础上通过攀援植物进行覆绿，对水位变幅小的河道硬质化出露面结合河岸绿化改善其景观。在品种的选择上以适宜本地自然生长的乡土物种为主，并优化种植配置形成健康的自然生物群落。在面源污染较大、土地利用有条件的水体治理中，结合地形可适当建设下凹式绿地、植草沟、雨水花园等海绵措施。目前，上海市较多采用海绵措施的河道主要集中在临港地区。

2.3.2 水生植被恢复与构建

水生植被的恢复与构建是目前水体生态修复中必不可少的环节。水生植物主要为挺水植物、沉水植物、浮叶植物和漂浮植物。目前，上海市经过整治的黑臭河道沉水植物以人工恢复的矮型苦草[Vallisnerianatans(Lour.)Hara]、狐尾藻(Myrio-phyllumspicatum)和轮叶黑藻(Hydrillaverticillata)为主，主要分布在徐汇、闵行、普陀、青浦和静安等区，挺水植物和浮叶植物以观赏性较高的水生植物为主。从实施工程效果而言，上海市人工恢复的沉水植物种类以单一物种较为普遍，对恢复面积的预期比重和物种多样性缺乏考虑，挺水植物群落人工培植注重观赏性，配置时随意性较大。

根据目前的研究和相关工程经验，挺水植物一般控制种植水深为0.2～0.4 m，以15 ℃以上水温种植为宜，气温低于5 ℃时不宜种植，品种的选用上，目前较多研究表明芦苇(Ph.australis)、美人蕉、旱伞草(Cyperusalternifolius)、黄花鸢尾(IriswilsoniiC.H.Wright)、梭鱼草(Pontederiacordata)、茭白、再力花、香蒲(Typhaorientalis)等具有较好的净水作用。浮叶植物种植水深为0.5～1.5 m，种植时一般需要用定植桩或载体进行固定，防止扩散，净水效果较佳的品种为睡莲(Nymphaeatetragona)、铜钱草等。沉水植物种植水深为0.5～2.5 m，播种在春、夏季进行，为减少后期管理，工程中较多用到常绿矮型苦草、微齿眼子菜(Potamogetonmaackianus)、轮叶黑藻等，在生长期均可进行移植或扦插。漂浮植物由于生长旺盛，易引起泛滥现象，一般在工程布置中较少采用[47-48]。上海市常见水生植物种植密度参考如表3所示。

表3 上海市常见水生植物种植密度参考[49]Tab.3 Reference for Planting Density of Common Aquatic Plants in Shanghai City[49]

2.3.3 水生动物投放

水生动物主要包括浮游动物、鱼类(杂食性、滤食性、草食性、肉食性)和底栖动物，在投放时需要慎重选择。水生动物一般在水生植物构建完成并生长稳定后进行投放，连通水体一般在水生植物系统构建完全后水生动物会自由进入并繁殖，不建议投放，封闭水体可根据具体情况和食物链确定水生动物的投放种类和数量。建议鱼类投放比例：杂食性为10%～20%，滤食性为10%～20%，草食性<6%，肉食性为40%～50%，底栖食性<10%。由于底栖动物不会影响水生植物的生长，同时具有较好的水质净化能力，可以与水生植物的种植同步进行投放[50-52]。鱼类对整个生态系统的影响较大，可以在整个生态系统较为稳定时进行少量投放，在连通河道也可以暂时不进行鱼类投放，靠鱼类自行繁殖游动进入。

3 结论与展望

上海市在黑臭水体治理工程中应用的生态修复技术较多，主要概况为物理结构修复、水质生态净化、生物群落恢复3类。物理结构修复技术包括河道平面调整、断面设置、微地形塑造、生态护岸建设、硬质护岸改造等，主要在保证安全的基础上塑造更加丰富的生境，上海市在黑臭水体治理中物理结构上以硬质化为主，生境较为单一。水质生态净化包括人工增氧、微生物强化、生态浮岛等措施，此外，目前市场上涌现出很多EHBR膜、生态拦截屏障、高通量生物净化廊道等新技术。水质生态净化技术一般在物理结构修复基础上作为辅助性措施，对水体进行进一步净化，为生物群落的构建与恢复创造条件。上海市黑臭水体治理中应用的水质净化措施种类较多，实际效果有待进一步验证。生物群落恢复主要包括陆域生态措施、水生植被恢复与构建、水生植物投放，具体可根据治理水体的实际情况进行选择性布置，主要通过构建健康完整的生物链构建自然生态系统，保证水体的自净能力，上海市人工恢复的生物群落种类以单一物种较为普遍，对恢复面积的预期比重和物种多样性缺乏考虑。

目前，上海市黑臭水体生态修复治理技术种类繁多，其适用工况、净化修复效果及技术特点缺乏相关标准和技术指引，往往未能达到长期稳定的处理效果，尤其对于跨区域或分支较多的河道。现行单段治理的方式虽然能实现短时间成效，但从片区系统性而言，短时片面的治理方案治标不治本，治理后期往往出现水质生态的迅速恶化，导致治理时投入资源的巨大浪费。因此，突破当前非体系式的治理思路和治理方式是实现上海市河道水质提升的首要关键，研究实现多种生态治理技术的集成化则是达到这一目标的关键出路。现阶段上海市黑臭水体的生态修复应聚焦以下内容。

(1)根据不同水体的特点，各单项技术壁垒有待对症击破。物理结构方面，上海市目前护岸硬质化程度较高，在土地受限的情况下如何构建丰富的生境及如何在硬质化的基础上有效进行生态化改造亟待解决；水质生态净化方面，明确各单项技术的适用边界，市场上各河道生态治理公司往往一种技术包打天下，没有明确的适用边界，达不到黑臭水体生态治理长治久清的预期目标；生态群落恢复方面，同质化的生物配置的思维亟需转变，以自然演替的纵深观进行人为辅助恢复工程设计值得思考。

(2)有针对性的生态集成技术有待进一步研究和实践。目前，黑臭水体的治理思路均以《上海市水污染防治行动计划》中提到的“治污为本、截污为先、标本兼治、建管并举的水环境治理保护体系”进行，但在真正实施过程中无法做到有针对性地选择相关技术，加上工程设计单位掌握的技术程度不一，使得对污染控制技术的选择随意性较大，甚至以工程费用为导向，预算足时使用所有的常用技术，预算不足时选择性使用一些技术，并不能对症下药，针对性选择生态集成技术。