城市污染湖泊原位生态修复效果分析

邹紫然，胡细全，谭荣贤，潘江浚

（1.湖北大学，武汉 420062；2.武汉新天达美环境科技股份有限公司，武汉 430200）

湖泊作为重要的陆地景观之一，具有防洪排涝、旅游娱乐、美化环境、改善城市生态环境等作用，是城市生态系统的重要组成部分，对于城市生态建设具有重要意义。由于城市规模扩大与人口剧增，大量污染物排入湖泊，导致湖泊中有机污染物和氮、磷浓度升高，水质恶化[1]，目前我国大部分湖泊已出现不同程度的富营养化问题[2]，2021年我国对210 个重要湖泊开展水质监测，Ⅰ类至Ⅲ类水质湖泊（水库）占72.9%，劣Ⅴ类占5.2%。开展营养状态监测的209 个重要湖泊（水库）中，贫营养状态湖泊（水库）占10.5%，中营养占62.2%，轻度富营养化占23.0%，中度富营养化状态占4.3%[3]。随着生态文明建设的发展，群众环境保护意识日益增强，城市水体环境改善的呼声也日益高涨，因此城市富营养化水体治理刻不容缓。

我国学者于20世纪开始研究湖泊生态修复[4-5]，经过近40年的发展，湖泊水体生态修复研究取得较多的成果[6-7]，如上海市清涧公园中心湖[8]、武汉市南湖[9]等。武汉市北湖位于江汉区，20世纪90年代初为建设人工游泳池而铺设硬质底板，水体生态系统脆弱，自净能力差，蓝藻频发。因此，有必要探究合适的生态修复方法，改善湖泊生态环境和居民居住环境。本文在北湖选择一块代表性区域采用生态滤池与水下森林组合方式进行生态修复研究，通过比较生态修复试验区及外湖区平均水质变化，探究该技术对城市污染湖泊的治理效果，为整体工程实施提供数据支撑，为城市污染湖泊生态修复提供参考。

1 研究方法

北湖位于武汉市江汉区中部，为汉口后湖“遗湖”，水面面积约为9.4 hm2，岸线长度约为1.3 km，规划控制最高水位为19.23 m，与西湖均位于江汉区西北湖绿化广场内，湖泊功能为景观娱乐、雨水调蓄、生态调节。北湖汇水范围内，现状用地以居住用地、交通设施用地、商业服务设施用地及绿化广场用地为主。北湖区域内已有较完善的污水收集管网，管网完善率约达98%。根据河湖排口排查成果，北湖排口总数为7 个，其中，明显雨水排口数为1 个，其他情况排口数为6 个。湖泊无新增入湖排污口及污水私自直排湖泊现象。但北湖为湖底硬化的非自然湖泊，生态系统脆弱，水体自净能力差，虽尽量减少外来污染并实施一些生态修复措施，但水体仍无法自行净化污染物，只能靠不定时的换水来解决。换水耗费较大，不能经常进行，污染物不断累积容易造成水体富营养化，如果遇上季节变化，温度升高容易造成蓝藻水华现象，严重影响湖泊生态环境和周边居民生活环境。

选取北湖南侧岸边区域作为试验区，对硬质湖底进行破除，采用生态软围，以减少风浪、鱼类以及其他因素干扰，试验区面积约为200 m2。采取直接抛掷种植方式，试验区种植刺苦草，种植密度为108 株/m2，覆盖率为50%，刺苦草高度约为25 cm。在试验区的岸边安装1 台生态滤池设备，设备处理规模为20～50 m3/d，由脱氮除磷槽和不饱和碳槽组成，设备尺寸为1.80 m×0.75 m×1.60 m。用潜水泵从试验区内抽水至试验设备，处理后排回，取水点和排放点设置在不同位置形成水循环。

北湖湖水生态调查点位分布如图1所示，在试验区外均匀设置10 个点位。氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）、水温等指标的调查时间从2022年8月22日开始到2022年12月29日结束，浊度、叶绿素a、蓝绿藻密度等指标的调查时间从2022年9月13日开始到2022年12月29日结束，外湖区平均间隔10 d 检测一次，试验区间隔2～3 d 检测一次，遇到降雨等极端天气增加检测次数。COD、NH3-N、TN、TP 分析方法分别为重铬酸钾法、纳氏试剂分光光度法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法、钼酸盐分光光度法[10]，浊度、叶绿素a、蓝绿藻密度均采用便捷式叶绿素蓝绿藻二合一检测仪（型号JC-LZYB，青岛精诚仪器仪表有限公司）在现场进行测定，水温采用温度计现场测定。水质分类执行《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）[11]。2022年8月14日种下沉水植物，每周对沉水植物生长情况进行观察和检测，随机选择10 株刺苦草进行高度测量，取其平均值，采用目测法对覆盖率进行估算。

图1 北湖水质监测布点

2 结果与分析

2.1 沉水植物生长状况

试验区种植沉水植物（刺苦草）后，植株高度明显增大。种植81 d 后，平均高度由25 cm 增加到27 cm，数量也明显增加，刺苦草的单位面积数量从108 株/m2增加到149 株/m2（见图2），覆盖率也从50%增加到79%。

图2 试验区刺苦草单位面积数量随时间的变化

2.2 水质变化

2.2.1 COD 变化情况分析

各项生态修复措施实施后，试验区COD 浓度从40.17 mg/L 下降至22.05 mg/L，下降39.62%。如图3所示，试验区COD 浓度低于外湖区，外湖区COD 浓度在17.08～31.34 mg/L，平均值为25.24 mg/L，达到Ⅴ类水质要求；试验区COD 浓度在15.80～27.32 mg/L，平均值为21.53 mg/L，达到Ⅳ类水质要求。

图3 外湖区与试验区COD 浓度随时间的变化

2.2.2 NH3-N 变化情况分析

调查期间，试验区NH3-N 浓度从0.32 mg/L 下降至0.18 mg/L，下降43.75%。试验区NH3-N 浓度远低于外湖区（见图4），外湖区NH3-N 浓度在0.15～0.52 mg/L，平均浓度为0.32 mg/L，大部分时间能达到Ⅱ类水质要求；试验区NH3-N 浓度呈现波动下降趋势，变化范围在0.03～0.40 mg/L，平均浓度为0.184 mg/L，比外湖区平均浓度低42.93%，Ⅰ类水质达标率为33.3%，Ⅱ类水质达标率为100%。

图4 外湖区与试验区NH3-N 浓度随时间的变化

2.2.3 TN 变化情况分析

生态修复措施实施后，试验区TN 浓度从2.20 mg/L下降至0.59 mg/L，降低73.18%。如图5所示，试验区TN 浓度比外湖区低，外湖区TN 浓度在0.74～1.19 mg/L，平均浓度为0.97 mg/L，Ⅲ类达标率为41.67%；试验区TN 浓度在0.38～1.08 mg/L，平均浓度为0.72 mg/L，比外湖区平均浓度低25.77%，Ⅲ类水质达标率为97.00%，为外湖区的2.33 倍。

图5 外湖区与试验区TN 浓度随时间的变化

2.2.4 TP 变化情况分析

试验区TP 浓度从修复前的0.04 mg/L 下降至修复后的0.029 mg/L，下降27.5%。如图6所示，试验区TP 浓度明显低于外湖区，外湖区TP 浓度在0.05～0.10 mg/L，平均浓度为0.07 mg/L，达到Ⅱ类水质标准；试验区TP 浓度在0.029～0.056 mg/L，平均浓度为0.04 mg/L，比外湖区低32.27%，达到Ⅱ类水质标准。

2.2.5 浊度变化情况分析

如图7所示，试验区、外湖区浊度都呈现下降趋势，试验区浊度明显低于外湖区。调查期间，试验区浊度从7.39 NTU 下降至2.54 NTU，降低65.63%，变化范围在1.92～8.08 NTU，平均值为4.46 NTU，外湖区从12.20 NTU 下降至5.64 NTU，降低53.77%，变化范围在5.64～15.40 NTU，平均值为10.32 NTU，比试验区浊度平均值高60.63%。

图7 外湖区与试验区浊度随时间的变化

2.2.6 叶绿素a 变化情况分析

如图8所示，试验区叶绿素a 浓度明显低于外湖区。调查期间，试验区叶绿素a 浓度从6.49 μg/L 下降到3.93 μg/L，降低39.45%，变化范围在3.93～11.73 μg/L，平均浓度为7.39 μg/L，外湖区叶绿素a浓度从11.75 μg/L 下降到10.14 μg/L，降低13.70%，变化范围在9.82～30.64 μg/L，平均浓度为16.8 μg/L，比试验区高57.43%。

图8 外湖区与试验区叶绿素a 浓度随时间的变化

2.2.7 蓝绿藻变化情况分析

如图9所示，蓝绿藻密度均呈现下降趋势，这和温度变化有关[12]。调查期间，试验区蓝绿藻密度从5 480 cells/mL 下降至692 cells/L，下降87.37%，密度变化范围在692～9 488 cells/L，平均值为3 640 cells/L，外湖区蓝绿藻密度从12 370 cells/mL 下降至1 779 cells/mL，下降85.62%，密度变化范围在1 779～25 076 cells/L，平均值为1 110 cells/L，比试验区高64.55%。

3 原位生态修复效果评价

本试验采用生态滤池与水下森林组合的方式进行生态修复，对城市污染湖泊水质具有明显的改善效果。生物滤池通过滤料对水体的过滤作用以及附着在滤料上各种生物膜对污水的净化作用对污水进行处理，从而提高污水处理效果[13]。滤料上依附的生物通过硝化作用能将水体中的氨氮氧化成硝态氮，再通过反硝化作用将硝态氮还原成N2，然后将其从水体中排出[14]，降低水体中氮含量。生物滤池中的活性污泥在好氧、厌氧交替作用下产生聚磷菌，聚磷菌在好氧环境中能大量摄取废水中的磷，形成多聚磷酸盐，在厌氧条件下释放磷，将磷以富磷污泥形式排出，从而降低水体的磷含量[15-16]。本研究中，试验区TN 浓度从2.20 mg/L 下降至0.59 mg/L，降低73.18%，平均浓度比外湖区平均浓度低25.77%，NH3-N 浓度从0.32 mg/L 下降至0.18 mg/L，降低43.75%，是外湖区的56.97%，TP 浓度从修复前的0.04 mg/L 下降至修复后的0.029 mg/L，下降27.5%，比外湖区TP 浓度低。陈佳慧等[17]采用底泥陶粒曝气生物滤池处理生活废水，COD、NH3-N、TP 的平均去除率分别为77.24%、71.21%、73.92%。郭泓利等[18]采用活性焦两级生物滤池对生活污水进行深度处理，TP 平均去除率为58.49%，TN 平均去除率为22.82%，NH3-N平均去除率为57.03%。因此，生物滤池对于污水具有一定的脱氮除磷效果，能有效提升水质。

水下森林技术采取种植沉水植物刺苦草的方式对水质进行净化。沉水植物作为初级生产者，在水生态系统中具有维持清水稳态和调控湖泊磷循环的作用，并且可以通过遮光、化感作用等抑制浮游藻类生长[19]，通过根系作用吸收氮、磷等营养物质，增加磷与铁的结合能力，降低氮、磷的释放和沉积物的再悬浮[20]。研究表明[21]，沉水植物覆盖率大于25%时，水中浮游藻就能被有效抑制，苦草、黑藻、狐尾藻等沉水植物能有效降低水中浮游藻类叶绿素a 浓度，从而降低水体浊度，提高水体透明度。试验区种植沉水植物81 d 后，覆盖率就从50%扩增到79%，叶绿素a 浓度降低39.45%，是外湖区的38.76%，表明水下森林能有效降低水体叶绿素a 浓度，从而降低水体浊度。水生植物还能通过光合作用释放溶解氧，抑制沉积物中结合态磷的释放，从而降低水体TP 浓度[22]。

4 结论

在城市污染湖泊北湖中，生物滤池与水下森林的组合通过沉水植物的遮光、化感作用抑制浮游藻类生长，降低水体浊度，通过植物根系吸收氮磷、植物光合作用抑制磷释放、生物脱氮除磷作用降低废水的氮磷含量，改善水质，实现城市污染湖泊生态修复。该组合方式对TN、浊度、蓝绿藻的去除效果尤为明显，去除率分别为73.18%、65.63%、87.37%，对COD、NH3-N、TP、叶绿素a 具有一定的去除效果，去除率分别为39.62%、43.75%、27.50%、39.45%。