城市污染河道水體環(huán)境修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

韓 萍，劉 健，郭靜嫻，張相忠，王 晉

(1.山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000；2.青島市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，山東 青島 266023；3.山東建筑大學(xué) 資源與環(huán)境創(chuàng)新研究院，山東 濟(jì)南 250101)

1 引言

城市“因水而生、因水而興”。城市河道不僅具有防洪行洪、漁業(yè)航運(yùn)、供排水等功能，同時也具有調(diào)節(jié)微氣候、改善環(huán)境、提供生境、休閑娛樂等生態(tài)功能，對社會經(jīng)濟(jì)生態(tài)的高質(zhì)量發(fā)展具有重要影響[1]。然而近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市污廢水排放量持續(xù)增加，全國相當(dāng)部分城市河段受到不同程度的污染(中國水網(wǎng))[2]，部分河道甚至淪為黑臭水體[3，4]。據(jù)統(tǒng)計，2020年全國監(jiān)測的1614個水質(zhì)斷面中，僅可用于一般工業(yè)用水、人體非直接接觸的娛樂用水、農(nóng)業(yè)用水及一般景觀用水的Ⅳ、Ⅴ類水體斷面310個，占17.9%；除調(diào)節(jié)局部氣候外，幾乎無使用功能的劣Ⅴ類水體斷面11個，占0.6%(中國生態(tài)環(huán)境狀況公報，2019)。

城市河道水體的污染不僅破壞了城市景觀文化，損害了城市人居環(huán)境，更帶來了水質(zhì)惡化和河流生態(tài)系統(tǒng)失衡問題[5]。城市河道水體的污染已成為“十二五”與“十三五”期間多地公眾強(qiáng)烈反映的水環(huán)境問題[6]。鑒于城市污染河道水體修復(fù)的重要性、必要性和緊迫性，黨和國家高度重視，2015年發(fā)布并實施了《水污染防治行動計劃》，將“全力保障水生態(tài)環(huán)境安全”作為重要內(nèi)容。由此可見，系統(tǒng)修復(fù)城市污染河道水生態(tài)環(huán)境，是保障國家生態(tài)文明建設(shè)順利實施的重要舉措。

2 城市河道環(huán)境修復(fù)的發(fā)展

20世紀(jì)30年代，為最大限度發(fā)揮河道的運(yùn)輸功能，歐洲國家對河道進(jìn)行了硬化處理，河水水質(zhì)隨之惡化，因而產(chǎn)生了最早的可追溯到的對河道修復(fù)的研究[7]。20世紀(jì)50年代，由于工業(yè)革命后歐洲工業(yè)的蓬勃發(fā)展，河流納污遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其自身自凈能力，60年代開始，歐洲國家開始對這些污染河流進(jìn)行治理，當(dāng)時重點關(guān)注的項目依然是水質(zhì)指標(biāo)[8]。20世紀(jì)80年代，美國提出水環(huán)境狀態(tài)的優(yōu)劣除考慮水質(zhì)參數(shù)外，還應(yīng)關(guān)注生態(tài)質(zhì)量、棲息地情況和生物多樣性等[9]。美國生態(tài)學(xué)家提出“生態(tài)工程”理論，即“對人工化的河道、水系進(jìn)行遵循自然法則下的設(shè)計，以便生態(tài)與人類共存共榮”[10]。20世紀(jì)90年代后，美國形成了可持續(xù)的河流管理理念，認(rèn)為城市河流應(yīng)與自然相協(xié)調(diào)，為公眾提供舒適體驗，恢復(fù)河流整體生態(tài)功能[9]。日本90年代提出了“多自然河川工法”，強(qiáng)調(diào)采用生態(tài)工程的方法恢復(fù)河流生態(tài)環(huán)境等[11]。21世紀(jì)開始，各國家開始了流域尺度的生態(tài)修復(fù)。

3 城市河道環(huán)境修復(fù)技術(shù)

當(dāng)前城市河道環(huán)境修復(fù)技術(shù)基于修復(fù)原理的不同，可分為物理修復(fù)技術(shù)、化學(xué)修復(fù)技術(shù)、生物修復(fù)技術(shù)和生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

3.1 物理修復(fù)技術(shù)

物理修復(fù)是指采用物理的、工程的方法對城市污染河道水體及底泥進(jìn)行凈化和改善的技術(shù)，包含疏控底泥、引水稀釋和水動力調(diào)控、機(jī)械除藻等過程。

疏控底泥是通過工程措施清除河道中污染底泥的過程，可快速去除底泥中埋藏的大量無機(jī)營養(yǎng)鹽、有機(jī)污染物、重金屬等，以減少對上覆水體水質(zhì)的影響。俄羅斯的莫斯科河曾通過疏浚河段、清挖河床等措施實現(xiàn)了水質(zhì)的凈化[12]。污染底泥的疏控去除也是海綿城市建設(shè)中黑臭水體整治的有效手段[13]。但是疏控底泥往往造價較高，可能對底棲生態(tài)系統(tǒng)造成較大破壞，且清挖的底泥需作為固廢進(jìn)行處理，否則易造成二次污染。

引水稀釋是通過引入外部清潔水源對污染水體進(jìn)行稀釋的過程，可大大降低污染物濃度。水動力調(diào)控是通過引入外部清潔活水或外加動力，增強(qiáng)河道水體流動性，提高流速，改善水體復(fù)氧和自凈能力。通過閘門調(diào)度，珠海前山河引入5倍左右的清潔水源進(jìn)入河道，對污染物進(jìn)行稀釋和排泄，明顯改善了水質(zhì)條件[14]。當(dāng)外部水源能源源不斷供給時，引水稀釋能較快解決河道污染問題，但此法不能從根本上降低污染物總量，因而具有一定局限性。

機(jī)械除藻可通過人工或機(jī)械的措施將河道水體中的藻類去除。該方法不僅可防止藻類在水體中腐敗耗氧，改善水體中氧氣的含量；同時還可以防止大量藻類遮擋水面，影響水生生物生存。

3.2 化學(xué)修復(fù)技術(shù)

化學(xué)修復(fù)是通過向城市污染河道水體投加化學(xué)藥劑或化學(xué)改良劑以促使水體中污染物分解、沉淀或轉(zhuǎn)化的過程。對于河道中的重金屬，真正對水體起負(fù)面作用的是其中的易溶性組分，可通過添加堿性化學(xué)物質(zhì)促使重金屬生成難溶性的沉淀，以減輕重金屬對水體的影響。投加化學(xué)藥劑處理河道污染水體，操作方便，見效快，對于處理突發(fā)性事故造成的河道污染效果顯著。但因修復(fù)成本相對較高且存在二次污染風(fēng)險,該技術(shù)一般不用作日常城市河道修復(fù)技術(shù)。

3.3 微生物修復(fù)技術(shù)

微生物修復(fù)是利用微生物對水體中的污染物進(jìn)行吸收、分解、轉(zhuǎn)化以達(dá)到水體凈化目的的技術(shù)。該技術(shù)通過管道曝氣、建設(shè)水車、噴泉增強(qiáng)水體流動等人工增氧技術(shù)提高水體中微生物的活性，促進(jìn)水體中有機(jī)物和氨氮等污染物分解，實現(xiàn)水質(zhì)凈化。趙振等[15]通過曝氣技術(shù)對黑臭河水進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)水體中的化學(xué)需氧量、氨氮和總氮均有明顯去除。微生物可以是水體中自然存在的菌種，也可是人工投放的優(yōu)勢菌種。已有研究證明利用實驗室研發(fā)微生物制劑修復(fù)西壩河污染水體，使五日生化需氧量、總氮、總磷下降達(dá)40%以上[16]。

3.4 生態(tài)修復(fù)技術(shù)

生態(tài)修復(fù)技術(shù)是利用自然生態(tài)系統(tǒng)、植物、微生物等分解和轉(zhuǎn)化水體中污染物的技術(shù)，包括生態(tài)浮島技術(shù)、人工濕地技術(shù)、穩(wěn)定塘技術(shù)等。

生態(tài)浮島又稱為生態(tài)浮床，是利用植物無土栽培技術(shù)和生態(tài)工程措施對污染水體環(huán)境進(jìn)行修復(fù)的技術(shù)。生態(tài)浮島通常適宜于富營養(yǎng)化且沒有航運(yùn)要求的景觀河道[17]。生態(tài)浮島技術(shù)建設(shè)和運(yùn)行成本低廉，同時又具有美化河道的作用，因而在當(dāng)前的河道修復(fù)技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛。但目前對于生態(tài)浮床的管理維護(hù)，如植物的選擇和栽培、定期收割和更換、病蟲害預(yù)防治理等方面存在不足，可能會造成生態(tài)浮床使用期限縮短，甚至達(dá)不到預(yù)期處理效果。且由于生態(tài)浮床僅僅浮于水面，植物根系很難對深層水進(jìn)行凈化，為突破這一限制，國內(nèi)很多學(xué)者對生態(tài)浮床及其他技術(shù)進(jìn)行復(fù)合和改良，以提高生態(tài)浮床的凈化效果[18～20]。

人工濕地是指由人工建造和控制運(yùn)行的水環(huán)境凈化系統(tǒng)。人工濕地是一種典型的旁位處理技術(shù)，將部分被污染的河道水體分流至人工濕地進(jìn)行處理，待凈化后再返回河道。人工濕地建造費(fèi)用較低、運(yùn)行維護(hù)簡便并兼具美觀效果，適用于周邊空間充足的城市河道。但人工濕地技術(shù)也存在一定局限，如溫度較高的夏季植物生長迅速，凈化效果較好，而冬季由于低溫凈化效果往往較差，因而需要篩選耐寒植物來凈化水質(zhì)。近些年大規(guī)模低能耗的人工濕地技術(shù)已經(jīng)成為一種趨勢，未來還需要全生命周期的研究和管理來維護(hù)系統(tǒng)的健康良性運(yùn)行[21]。

4 關(guān)于河道環(huán)境修復(fù)的幾點思考

4.1 城市河流水環(huán)境精細(xì)化和差異化特征識別

不同城市河流具有不同的水環(huán)境特征，如河流水動力條件、水質(zhì)狀況、水生態(tài)環(huán)境、接納污染物種類和方式等[22]。同一河流在不同時期，如不同季節(jié)、豐水年和枯水年等，水環(huán)境參數(shù)也存在較大的差異[23,24]。河道水環(huán)境特征的差異和變化必然要求修復(fù)措施的適應(yīng)和動態(tài)調(diào)整，因而精準(zhǔn)識別目標(biāo)河流的水環(huán)境特征是進(jìn)行河道環(huán)境修復(fù)的關(guān)鍵。對于河流水動力條件調(diào)查，至少應(yīng)收集河流豐水期、平水期、枯水期和豐水年、枯水年的水深、比降、流速、含沙量、底質(zhì)穩(wěn)定性等，以及污染物入河后的分布、遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律等資料。對于水質(zhì)狀況和水生態(tài)環(huán)境，應(yīng)至少收集月際變化的目標(biāo)污染物演變規(guī)律。對于污染源，應(yīng)包含不同季節(jié)或月份的點源污染情況，如排污口的分布和數(shù)量、生活污水、工業(yè)廢水排放量和性質(zhì)變化等；線源污染情況，如航運(yùn)污染等；面源污染情況，如大氣沉降污染物類型和通量、地表徑流類型和通量等。

4.2 河道修復(fù)技術(shù)層面和社會經(jīng)濟(jì)層面兼容性和沖突性問題

當(dāng)前對于城市河道環(huán)境修復(fù)所采用的治理技術(shù)，多注重于某一河道在某一時期內(nèi)的治理措施[25]。這是因為河道修復(fù)工程項目通常復(fù)雜、體量大，若要達(dá)到良好的治理效果需要長周期的運(yùn)行維護(hù)和調(diào)整。然而，河道環(huán)境修復(fù)不僅是技術(shù)層面的問題，還涉及到社會、經(jīng)濟(jì)、文化、歷史、政治等多層面。這些層面之間往往既存在兼容性，也常常相互沖突。因而探索河道環(huán)境修復(fù)技術(shù)層面和社會經(jīng)濟(jì)等各個層面組合的可能性，認(rèn)識沖突并減緩沖突，促進(jìn)河道修復(fù)全過程的兼容性，是河道環(huán)境修復(fù)成功完成的重要保障。

5 結(jié)論與展望

城市污染河道環(huán)境修復(fù)是城市綠色、高質(zhì)量與可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。近年來，已有眾學(xué)者對城市污染河道環(huán)境修復(fù)技術(shù)進(jìn)行了多方面研究，且部分相關(guān)技術(shù)已完成可觀的成果轉(zhuǎn)化。未來，對待修復(fù)河流進(jìn)行精細(xì)化和差異化調(diào)查，獲得月際變化的水環(huán)境特征演變規(guī)律，厘清水體污染來源及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，可大大提高河道修復(fù)技術(shù)的針對性和有效性。在關(guān)注修復(fù)技術(shù)層面的同時，妥善考慮社會經(jīng)濟(jì)等各個層面之間的兼容性和沖突性，以實現(xiàn)技術(shù)層面和社會經(jīng)濟(jì)層面的聯(lián)動發(fā)展，對實現(xiàn)生態(tài)長效、可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展有至關(guān)重要的意義。