河道水質強化凈化與水生態修復研究進展

錢璨 黃浩靜 曹玉成

摘要 針對河道整治過程中存在的問題，即單一的物理、化學修復技術只能起到短期的治理效果，長期有效的治理理念是使河道水生態系統恢復自凈功能，回到被破壞前的近似狀態，綜述了國內外在水質凈化與水生態修復領域的研究進展，介紹了生態修復的復合技術，如植物強化修復技術、微生物強化修復技術、水生態多樣性修復技術等。

關鍵詞 生態修復；強化凈化；多樣性修復；河道水質

中圖分類號 S181.3；X522 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）34-0044-03

Abstract According to the exsiting problems of the river regulation， longterm effective governance is that the river water ecosystem can be restored to the approximate state before it is damaged， and its self purification fuction， which can not be got by a single physical and chemical repair technology. The research progress at home and abroad of water strengthening purification and ecological restoration was summarized， also the composite technology of ecological restoration was introduced， such as plant strengthening repair technology， microbial strengthening repair technology and water ecological diversity restoration technology.

Key words Ecological restoration；Strengthening purification；Multiplicity restoration；River water

河道是人類社會生存和發展的起源地，與人類的生產和生活密切相關。健康的河道不僅具有供應水源、泄洪排澇、調節氣候、改善生態環境、維護生物多樣性等功能，還是一個物種豐富、生產力較高的生態系統[1]。

改革開放以來，我國工業化、城鎮化、農業現代化得到了迅猛發展，人們的生活水平也顯著提高，然而，社會經濟的快速發展也帶來了河流、湖泊等天然水體污染加重、水環境質量下降、水生態受損嚴重、環境隱患頻發等水環境問題，嚴重影響著我國社會經濟的持續發展和人們的身心健康。筆者針對河道整治過程中存在的問題，綜述了國內外在水質凈化與水生態修復領域的研究進展。

1 國內外水生態修復研究進展

近10年來，特別是國家“水專項”實施以來，我國許多高校、科研機構、流域機構等單位開展了一系列河流（段）湖泊等水體治理及生態修復的研究工作，在理論與應用方面取得了顯著進展。

自1990年以來，美國每年投資10億多美元用于河道的修復工程，多數工程投入到水質改善、生境修復和水生態多樣性恢復。澳大利亞于1993年啟動了“國家河流健康項目”，1998年澳大利亞自然遺產信托項目提出在5年多時間內投入9 000萬美元以上用于河道生境和生態健康的改善[2]。而日本不斷吸收和借鑒歐美發達國家的河道治理經驗，在第9個治理河道行動計劃中，將河道生態環境保護和水質保護等技術作為重點研究內容，到1996年日本河川審議會通過修改《河川工法》，要求治河工程使用“多自然工法” [3]。近10余年來，河道生境修復、水生態多樣化修復及水環境安全評估是歐美等發達國家科學研究的熱點和工程實踐的重點內容。

水體生態修復是恢復受損水體原有生態功能的必要手段，但現有科技支撐水平比較薄弱。國內外大量研究和工程實踐表明，內外源污染的有效控制[4]，可以明顯改善河道、湖泊等天然水體的水質，但同時也發現，由于生境退化和生態結構的受損，單純水質的改善并未獲得與之相匹配的水體生態多樣性的改善和生態功能的恢復。這也激發了我國對污染水體生態修復工作的重視，許多高校、科研機構、流域機構等單位也開始著手開展水生態修復的研究工作，并在理論與工程應用方面取得了顯著進展，也積累了大量的基礎數據和具有重要借鑒價值的工程經驗。但總體而言，由于我國研發工作起步較晚、實踐投入相對滯后等因素，加上河道自身的多樣性和復雜性，目前我國水生態修復領域仍處于理論的完善和實踐探索階段。

2 河道生態修復技術類別

河道水生態修復是一項理論復雜、因素眾多、操作困難的系統工程，不僅需要對河道自身功能和特性、污染成因、污染程度等方面進行科學分析，還需要對修復技術的經濟性、治理效果及其長效性、維護管理的難易性等方面具有科學的把握。因此，立足于河道具體實際，科學選擇與優化河道修復方法和工藝顯得極為重要。國內外對河道水生態修復技術已有大量研究，根據修復機理不同可分為物理修復、化學修復和生態修復3種技術類別[5-9]。

2.1 物理修復

河道物理修復主要有底泥疏浚及水動力循環2種方式，其中底泥疏浚應用最為廣泛。底泥是天然水體中一個重要內源污染，含有大量有毒有害物質（如重金屬離子、氮、磷及某些難以降解有毒物質），因此必須注意防止底泥泛起。在一定條件下，底泥中的污染物質將會釋放到上覆水，造成二次污染，進而影響水生態[10]。水動力循環修復技術主要用于控制水體富營養化及改善水體水質[11]，多采用人工曝氣推流的方法。河道曝氣復氧對污染水體的修復效果已經被國內外許多工程所驗證[12-15]，如1988年德國通過純氧曝氣法成功遏制了Saar河中的水體惡臭；1989年美國利用曝氣系統對污染河流進行曝氣，發現水體中的溶解氧和生物量顯著增加；我國通過河道曝氣技術增加水體中的溶解氧，消除了水體中的致黑臭物質，緩解了黑臭現象等。

綜合而言，河道物理修復實施簡單、見效快，但成本較高、工程量較大、易造成生態系統的破壞，因而常作為水生態修復的輔助手段。

2.2 化學修復

化學修復通常是通過氧化還原、吸附沉淀、絡合等化學或生物反應，如向受污染的河道中投加化學改良劑與藥劑學改良劑，將污染物轉化成無害或毒性較小的物質，以達到凈化水質的目的。最為常用的化學方法是原位化學反應技術。原位處理技術可分為生物-化學修復和凝固-穩定修復兩大類。生物-化學修復即在原地投加微生物菌種或微生物促生劑以增強生物修復，而凝固-穩定修復則是通過投加化學藥劑及黏合劑，將有機物轉化為無毒或者毒性較小的化合物，并在受污染地點固定下來[16]。如磷的沉淀和鈍化技術就是典型的凝固-穩定修復，即向水體中投加硫酸鋁，形成的磷酸鋁吸附在氫氧化鋁絮體表面并沉淀，從而去除水體中的磷[17]。

化學修復不是一種永久的修復措施，對突發性水污染具有很好的治理和恢復效果。因此，化學修復往往也是作為河道水生態修復過程的一項輔助或應急處理措施[18]。

2.3 生態修復

生態修復技術是利用微生物或動植物對水體中的污染物進行吸收、降解、轉化，從而達到修復生態系統的作用。因為生態系統是統一的整體，包括生產者、消費者和分解者，所以單一的物種修復難以達到良好的修復效果[19]。近年來，國內外學者通過人工建造模擬的生態系統（如人工濕地），將植物、動物、微生物的修復作用統一結合而形成的水質強化凈化與水生態修復技術正越來越多地應用于實際工程中，這也是當前的研究熱點。

3 水質強化凈化與水生態修復技術

3.1 植物強化修復技術

植物強化凈化修復是在河道水面或水下人工種植水生植物或改良的陸生植物，利用植物的吸收、根系的阻截與吸附、根區形成的生物共生體的吸收轉化等作用以及物種的競爭相克原理，以達到凈化污染物、改善生境、創造有利于水生態恢復的條件等目的的一種擬自然處理方法。根據種植植物類型和種植方式的不同，植物強化凈化可分為人工植物浮床（常稱為生態浮島、生物浮床或生物浮島等）和人工“水下森林”2種技術類別。其中，浮床技術是由現代農藝無土種植技術衍生而來的一種生態工程技術[20]。近年來，這種被譽稱為“水上移動花園”的修復技術在我國許多地區得到了廣泛的應用。但現行浮床技術主要依賴于浮床植物的吸收作用來凈化水質，制作浮床所用的浮體大多數為PE材料，普遍存在凈化效果持續性較差、凈化能力有限、投資成本高等問題。

近幾年，在水下人工種植先鋒沉水植物的植物強化凈化技術（通常被稱為人工“水下森林”）也逐漸走向商業化應用[21]。相對于人工浮床技術，該技術在投資成本、工程實施難度與強度等方面存在明顯的差異化優勢，但也存在一些難以克服的局限性，如易大面積擴散生長，管控難度大，影響河道泄洪通航。此外，人工“水下森林”措施也極有可能對生態完整性恢復和景觀多樣性產生不利影響。

3.2 微生物強化修復技術

應用于水體水質凈化的微生物強化法（通常又稱為生物法）衍生于城鎮生活污水處理活性污泥法或生物膜法技術，技術手段主要有曝氣增氧、設置生物填料、投加微生物菌劑或生長促生劑等方式[22]。曝氣增氧是采用曝氣裝置向處于缺氧或厭氧狀態的河道進行充氧，提高河道水體微生物種群數量和改善微生物系統的結構與功能，以達到增強或恢復河道凈化能力和改善水質的目的。該方法操作簡單、效果明顯、適應性強，在德國（如柏林Teltow 河）、美國（如Homewood河）等發達國家得到了成功實踐，被認為是一種比較適合于城市景觀河道治理的清潔方法。其不足之處：若大面積使用，動力能耗較高，噪聲較大，不宜于在靠近居住區河段過多設置。

在水體內設置便于微生物附著生長的生物填料是受污染水體生物強化處理技術的又一分支，它可以豐富水體中微生物的數量和種群結構，提高水體中的污染物與微生物的接觸機會，因而可一定程度增強水體對污染物的氧化分解或轉化能力。該方法的局限性：①影響河道泄洪、航運等功能；②設置面過小，效果不明顯，而調置面過大，成本高；③受水位影響較大，水位低時填料易暴露，影響河道景觀效果；④若采用合成的纖維填料，易脫落，而若采用沸石等天然無機填料，填料層內部因水流短路而難以發揮作用。

向受污染河道投加微生物菌劑或微生物生長促進劑（簡稱為“投菌法”），是近年來逐漸被人們所認識的一種水體修復方法。這種方法投資相對較節省、見效也較快，且易于操作，目前在我國不少地區進行了試探性工程應用，但實際效果仍需進一步科學論證。另一方面，我國在水體修復工程中主要采用從國外購買的微生物菌劑，有可能存在一定生態風險，這種擔憂成為制約投菌法推廣應用的重要因素。此外，這種方法往往受到水體水力條件、水體溫度等因素影響，凈化效果難以長時間維持。

3.3 水生態多樣性修復技術

水生態多樣性修復是在生境條件（水質、基底、岸坡等）達到明顯改善和獲知水體水生貧化程度的基礎上，通過人工配種水生植物或放養水生動物來重建穩定群落結構和完整功能的頂層生態修復手段。依據當前對該技術的研究范圍，可分為水生植物多樣性修復和水生動物多樣性修復2種技術類別，其中對水生植物多樣性修復的研究相對較多。自20世紀70年代，國外開始對水生生物多樣性修復進行了較為廣泛研究，目前在優勢物種及其組建方面取得了一定進展，如配種金魚藻、黑藻、苦草等沉水植物和浮葉植物睡蓮可以抑制浮游植物生長、加速營養物的周轉和提高水體生物多樣性與自凈能力[23]。

近年來，國內一些高校和科研院所開始對河道水生植物多樣性恢復技術進行了探索研究，一些環保企業也開始嘗試將該技術應用于河道的生態治理中。截至目前，我國在該技術應用方面已初步形成了一些具有指導性的設計模式和關鍵技術參數。例如在植物來源方面要盡量選擇本地常見水生植物；在植物組配方面需要以頂水植物為主、沉水植物為輔，結合少量漂浮植物[24]。

與此同時，水生動物多樣性修復技術也引起了我國研究者的重視，目前在物種選擇、群落配置等方面也形成了比較一致的技術應用原則：①遵循從低等向高等的進化縮影修復原則進行群落配置，避免群落系統不穩定；②在水體沉水植物多樣性修復以后，并在水體現存物種調查的基礎上進行；③首先修復水生昆蟲、雜食性蝦類和濾食性、碎屑食性為主的水生動物，在群落穩定以后，再適當配置肉食性魚類；④水生動物應盡量選取廣氧性的土著魚類；⑤在種植沉水植物的河道，不宜投放草食性魚類。但總體而言，目前我國對河道水生態多樣性修復技術的研究和應用剛剛起步，工程實踐還缺乏科學理論的支撐，并存在較大的盲目性和隨意性。

4 結論

（1）河道修復技術依靠單一的物理、化學修復技術難以達到持久有效的治理效果，因此應加強對水質強化凈化與水生態修復技術的綜合研究與創新，為水生態形成良好的修復系統提供技術支持。

（2）水質強化凈化與水生態修復技術被認為是有廣闊前景的環境修復技術，充分發揮該技術的優勢關鍵在于對不同類型植物、微生物、動物污染物最佳去除作用的基礎研究。

（3）水生植物多樣性修復的研究應用較多，目前已初步形成了一些具有指導性的設計模式和關鍵技術參數；水生動物多樣性修復技術則在物種選擇、群落配置等方面形成較一致的技術應用原則。

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