暗涵区水生态修复技术综述

＊杨国宁 范巍 谢长福 丁耀华 冯朝娜 王霏 尚静艺*

（1.中国水电基础局有限公司 天津 301700 2.河南省爱可沃德生态科技有限公司 河南 450199）

引言

近年来，城市黑臭水体污染已然成为当前社会各界关注的热点话题，也是各级政府进行环境污染整治的重要内容。我国“十四五”规划要求，完善水污染防治流域协同机制，加强城市水体综合治理，推进美丽河湖保护与建设，氨氮排放总量下降8%，基本消除城市黑臭水体。根据国务院实施的《水污染防治行动计划》，到2030年城市建成区黑臭水体总体得到消除的要求，黑臭水体的治理虽然已经取得成效，但仍任重道远。

随着我国社会经济的快速发展，生产和生活污水总量也迅猛增加，再加上监管力度不足，城市垃圾无序堆积，面源污染径流汇入，大量源头或小型河道裁弯取直，明渠加盖或被箱涵替代导致天然的河道环境被挤压而产生暗涵式黑臭水体。天然河渠在转变为地下暗涵后，由于缺乏光照和充足的溶解氧，会造成大量的好氧微生物消亡，加速厌氧细菌繁殖，引起河道生态功能退化。如果不加以整治，不仅直接影响水体质量，更会诱发各种矛盾和问题，直接影响生态平衡发展以及人类健康生活。

因此，本文通过对暗涵区水生态环境现状和主要的修复技术进行分析，从“道法自然”的角度出发，在暗涵区水生态治理常规措施的基础上，就近年来产生的新兴技术在暗涵水生态修复中的应用进行讨论，以期对暗涵区水质改善策略提供新思路。

1.暗涵治理现状

目前，在水利、水生态和水环境领域，针对于暗涵区的水生态治理研究，国内外关注度相对较少。国内的暗涵管理现状不容乐观，水质比明渠断面普遍较差，甚至部分暗涵已经失去了其水利和水生态功能。近年来，国内学界和工程界对暗涵区水污染治理技术也在不断地探索和积累。我国主要将其归于黑臭水体治理的范畴，而非采用GB3838-2002地表水环境质量标准。《城市黑臭水体整治工作指南》提出的基本治理路线为“控源截污、内源治理；活水循环、清水补给；水质净化、生态修复”。暗涵区水生态的治理方式主要有暗涵清淤、控源截污、生态修复等。

(1)暗涵清淤

由于部分污染物沉积在底部堆积，形成暗涵淤泥，不少学者在暗涵淤泥清理方面取得了很大的进展，并在国内进行广泛的应用。宗可喜等[1]采用人工清除深圳市福田区的暗涵淤泥取得了良好的效果。人工清淤方式施工方便灵活、可操作性强，但施工效率较低，并且由于暗涵封闭环境中常积淤泥与混排进入的污水相互作用，极易产生有毒有害气体和易燃易爆气体，安全风险较大。为了提高工作效率和保护工作人员安全，陈振翔[2]对深圳市宝安机场北排渠暗涵清淤采用机械化施工。机械化清淤虽然效率高，暗涵内施工用人少，但施工区水深要求高，主要用于大型暗涵的清淤作业。随着科技的不断进步，张磊等[3]利用一种能够进入箱涵内部进行清淤作业的清淤机器人进行淤泥清理，但机器人清淤受限于暗涵涵体尺寸，并且如果是浅泥段作业，利用清淤机器人的综合成本较高。针对于以上三种淤泥清理方式，各有优缺点，需要根据不同的施工条件采用合理的方式进行淤泥处理。

(2)控源截污

单纯地进行暗涵区淤泥清理，并不足以解决根本问题，区域土著生态在治理的同时亦被破坏，控源截污等前段预防就具有重要意义。对暗涵上游相关污染源分布和现状进行摸底分析，分类管理，确保对上游水质不产生负面影响。对暗涵上游和暗涵区的排污口和通过地表径流引入水体的污染因素进行严格管理，目标是将外源性污染降到最低。段腾腾 等[4]认为，针对暗涵型河道，最有效的方式是“打开”，可对暗涵型河道的内部末端实施截污，通过建造截污挡墙、暗涵底部局部抹平等多种手段，最终达到此类水域水生态质量提升的目的。王双等[5]在其基础上采用截污管对高密度建筑区的暗涵内排污口进行截流，实现了“清污分流”目标，取得了一定的成效。

(3)生态修复

部分学者从生物修复等方面进行了细致的研究。全为民等[6]研究发现采用放养食鱼性鱼类来调控靠捕食浮游动物为生鱼类的密度，可以达到控藻和改善水质的目的。郑欢等[7]以西安某村涝池为研究对象，采用微生物修复+人工曝气对水体中NH3-N、DO、透明度进行人工干预，66天后水体NH3-N 去除率可达73.52%，该技术可有效消除水体黑臭现象，水体自净能力得到提升。牛美青等[8]主要分析了原位修复方法中的生物修复法对黑臭水体底泥的修复作用，发现光合细菌、反硝化细菌与生物促生剂对黑臭水体及底泥有一定的修复作用，同时反硝化细菌可提高脱氮速率。

2.暗涵区水生态修复新兴技术

(1)微纳米气泡修复技术

近年来，学界在更高效、更生态的方式去治理黑臭水体领域进行了探索，也可用于暗涵区水质改善中。利用空气或氧气生成的微纳米气泡[9]由于具有尺寸小、比表面积大、水中停留时间长、Zeta电位高、氧化性强、传质效率高、生物活性强、无二次污染等特性，使得水与底泥界面一直处于有氧状态，不出现厌氧层，相比于其他宏观气泡具有更高效的修复环境水体的性能[10]。通过实验亦可证明微纳米气泡可显著提高氧气传质速率，加快对地下水污染物的去 除[11]。曝气是好氧生物处理中的重要环节，其主要作用是提供微生物生化作用所需的溶解氧[12]。段相锋等[13]研究出了一款新型微纳米曝气机来治理黑臭水体，可以实现智能操控、高曝气效率，氧利用率在90%以上。Ben Chen等[14]采用传统活性污泥法在缺氧-好氧（AO）工艺中引入微纳米气泡（MNBs），发现MNBs对水中COD、NH4+-N的去除有明显促进作用，MNBs提供了较高的溶解氧，促进了絮状污泥向生物膜的转化。MarwaSakr等[15]研究表明，MNBs可以提高传质效率，可以用于对废水中有机物、油类、真菌和细菌、重金属、总氮和总磷消减。

微纳米气泡除了可以增加水体的溶解氧，还对微生物起到一定的调节作用，从而进一步提升水质。郑晋等[16]研究了微纳米气泡对池塘微生态系统的调节作用，发现可以通过对水体微生物种群的多样性的调节可以进行水质改善。王硕等[17]研究了微纳米气泡对水体和底泥内的微生物群落结构产生了影响，微纳米气泡曝气对污染物降解的促进作用更好，微纳米气泡曝气使好氧微生物成为绝对优势菌种，从而加速了水体内污染物的降解。

(2)植生修复技术

植生修复技术越来越多地被用于水生态治理领域，在暗涵区常有分布。常见的水生植物有芦苇、菖蒲、凤眼莲、睡莲、苦草等。某些水生植物可以将污染物质固定在生物体内，以富集氮、磷、重金属等污染物质[18]。刘海琴等[19]通过设置动态模拟试验，分析比较了浮叶植物凤眼莲和水浮莲、沉水植物轮叶黑藻和挺水植物黄菖蒲对村镇生活污水厂尾水深度净化效果，结果表明：尾水水质得到明显改善,凤眼莲和水浮莲对尾水氮、磷的净化效果优于挺水植物黄菖蒲和沉水植物轮叶黑藻。张雪[20]研究了添加氧化剂和促生剂后的苦草与单独种植苦草对水体黑臭的削减作用。发现添加氧化剂或促生剂之后，对黑臭水体的治理效果显著，降低了沉积物中N、P的含量。Belloa等[21]研究了芦苇对污染水体中镉、铅、镍处理能力，研究结果表明：在6周内，对Pb的去除率可达到95%，Cd去除率为93%，Ni去除率为84%。Rizzo等[22]研究出山茱萸和水滑子叶可以在高有机负荷饲料场废水中有效去除有机物和重金属。在治理含多环芳烃污水的实验中，利用乔、灌、草等植物形成复杂群落结构的植物修复效果较单用某种植物的效果更佳，可将污水当中90%以上的多环芳香烃化合物清除[23]。

(3)FEST集成处理系统在暗涵区水生态保护中的应用

FEST集成处理系统基于五效立体富营养化集成处理技术（Five Effectively Stereo Technique For The Integrated Treatment Of Eutrophication），主要用于河、湖、库及近海岸带水生态修复及可持续保障作业，是由致密液膜和工程用大型微纳米气泡发生技术、植生修复及生态构建技术等集成的智能化重型装备系统，包括水质保障、离网供电、航道指挥、环境监测四个子系统及一个智能控制中心。该系统中的“五效”即为五种协同机理，包括中下层除藻、水体氮磷脱除、底质减量化、满足生态氧需求、维持稳定的生境跃层（保护水体土著生态）[24]。系统实现了水生态可持续保护技术、绿能支撑技术、无人驾驶技术、智慧物联技术的总成，排水量几吨至几十吨不等，填补了我国水生态领域智能化重型装备的空白，已被用于中大型水域的水生态修复作业中。

FEST集成处理系统中的花岛式装备已经在衡水湖王口闸暗涵区进行了应用，经过一周左右的修复作业，试验区水质高锰酸盐指数得到了明显改善，两周以后总氮和总磷指标也开始明显下降。在暗涵区域包括其附近水域，利用主体设施、黄菖蒲等挺水植物、亚洲矮生苦草等沉水植物共同作用来改善水质，氧通过气膜和液膜从而进入液体中，传质效果的重要因素之一是氧分压，液膜是影响气液传质的重要 因素[25]。可以利用液膜来提升暗涵区域水体的氧化还原电位，从而进一步的降解还原性有机污染物，除此之外，前文植生修复结果也表明黄菖蒲等挺水植物具有对水体污染物有富集作用、可以去除水体中N、P等营养物质和一些重金属物质的特性。微纳米气泡对植生修复亦有协同促效作用，张扬等[26]探究微纳米气泡水对黄菖蒲生长发育的影响。发现微纳米气泡对黄菖蒲有明显的促长作用，从根长分布、叶绿素含量、相对电导率以及超氧阴离子产生速率等数据比较，实验组均优于对照组，表明微纳米气泡有利于黄菖蒲生长。

本课题组[25]利用五效立体富营养化集成处理系统及植生辅助技术，设计了一座暗涵水生态修复模型及暗涵区水质改善模拟系统。一方面提升了水体溶解氧，保证了好氧微生物的高活性，强化了暗涵区好氧菌团的稳定性；另一方面提高了水体的氧化还原电位，促进水体中还原性有机物的降解，暗涵区的黄菖蒲和矮生苦草生长旺盛，亦可辅助性提升水质。

3.结论

综上所述，可以用于暗涵区水域的水生态修复和保护的方法多种多样，各有优缺，要充分考虑到暗涵区所属地的地质、水文、气候等条件，以及暗涵功能要求、补水情况、污染源分析等进行具体情况具体分析和实施。接近自然规则的方法越来越被鼓励采用，如通过物理-植物-微生物协同作用的原位低成本智能化修复工艺，比传统的人工清淤等方法具有安全性好、成本低、功能性高、景观性强的特点，还可实现智能化管理运营，可以很好实现暗涵区及其附近水域水质的指标改善和水生态的可持续保障，通过暗涵区的水体不但不会给下游带来环境压力，在减少水体污染负荷的基础上，景观性亦有大幅提升，带来良好的社会效益和生态效益。