生物修复技术在城市水环境治理中的应用

范群杰

（上海市长宁区河道管理所，上海市 200335）

0 引言

城市水环境是由城市与周边的河流、湖泊、湿地、地下水、水库等水体所构成的水生生态环境，是城市生态环境的重要组成部分。城市水环境不仅具有提供水源、防洪排涝、促进交通等与人类生存息息相关的功能，还具有景观休闲、城市区域局部气候调节、减轻热岛效应等生态环境作用，为城市环境的可持续发展提供了重要保障。随着我国城市化进程的加快，人类活动对城市水生态环境带来了巨大的负面影响：废水过度排放造成水污染加剧；水体的过度取用造成水资源短缺。上述现象均会造成城市水环境承载力大幅下降，这和人与自然和谐共生的发展理念相悖。据2014年度环保部调研统计显示：我国淡水流域中约有28.8%断面水质低于Ⅲ类标准；全国61.5%的地级市监测点所反馈的地下水指标较差。城市水环境污染的加剧已经深刻地影响了人类赖以生存的家园。

为减缓和抑制水环境恶化加剧的趋势，越来越多的工程或技术手段被用于城市水生态环境的修复上，如底部清淤、人工曝气、补充除藻剂和氧化剂等。尽管如此，对于城市水环境而言，上述单一的物理或化学修复手段往往效果有限且持续时间较短，无法对水环境修复起到标本兼治的作用。而基于生物原理的生态修复技术不仅具有环境友好型的特点，还能从根源上改善水环境内源与外源污染状况，被认为是十分具有前景的水生态环境修复技术。

1 生态修复技术的概念

生态修复（bioremediation）是指人类停止对生态系统造成损害，以减轻其污染负荷与生态压力。生态系统依靠其自身对外界环境的调节能力与自组织能力使其向有序的方向进行演化[1]。即主要通过利用生态系统自我恢复能力，同时辅助以人工强化手段，使遭受破坏的生态系统逐步恢复。生物修复技术主要可以分为生物强化技术（bioaugmentation）、生物促生技术（biostimulation）、生物通气（bioventing）、生物堆肥（composting）等。目前针对水环境富营养化与黑臭化加剧的水环境污染特点，以耦合生物代谢、通过物理化学措施辅助强化的方式来调控水体环境内部菌群种类、菌群活性与污染物降解等的生物修复技术受到了广泛的重视。目前已被广泛应用于城市河道水环境修复、景观原位水体修复等多个领域。

2 生态修复技术的种类与应用

2.1 人工湿地与生物氧化塘

人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的池塘。被污染的水体进入湿地后，沿水平或竖直的方向流动。在微生物、水生植物、水生动物和底泥的作用下以过滤、吸附、植物吸收、动物吸收、微生物分解的协同方式实现水体的净化。人工湿地不仅具有去除悬浮物和有机污染物的功能，还可以通过人工强化手段实现水体中微生物与植物根系的协同脱氮作用和对水体中磷元素的吸收。这极大程度上拓展了其适用范围。在实际运营中发现，人工湿地具有形式多样（见表1）、能够因地制宜地建造、建造成本低廉、操作简单、管理方便、对常规污染物处理效果较好、能耗低和运行费用低等优点，但也存在占地面积大、个别季节有异味影响感官等缺陷。

表1 人工湿地的分类与应用

类似于人工湿地，生物氧化塘也是一种利用微生物天然净化能力来实现水体净化的系统。其独特之处在于，生物氧化塘可借由人工曝气、投加高效菌种、培育合适的水生生物等措施进行功能强化。在净化水体时，生物氧化塘内部的食物链得到延长，微生物、水生动植物可以构成生物多样性的生态系统促进微生物、水生动植物的相互协作。

综上所述，基于人工湿地与生物氧化塘的特点，在利用该生物修复技术时可通过对废弃旧河道、滩涂、鱼塘、闲置的土地进行改造，将其转化为人工湿地或生物氧化塘。这不仅能合理有效地利用土地资源，还可以利用改造后的人工湿地或生物氧化作为雨水调蓄、海绵化改造和生物净化的预处理反应单元，从而实现水量调节与水体净化的双重功用。

2.2 水体人工增氧技术

相比于自然水体，城市水体具有静止或流动性差、水体容量小、极易受到污染和自净能力差等特点。如果外界环境中的外源性污染加剧，则极易出现由于溶解氧降低而造成的水体黑臭现象。针对上述问题所提出的水体人工曝气就是通过提高水中溶解氧浓度的方式来恢复水生态环境。曝气可以为水中生物提供呼吸所需要的氧，从而加速微生物对污染物的降解。并实现水体由缺氧状态转化为好氧状态，增强水体的净化能力。此外，针对富营养化水体上层好氧而下层缺氧的特点，人工增氧还可以在短期内通过加速硝化反应速度的方式减缓富营养化现象，见效速度快、处理效果好。故人工增氧是目前城市水环境生物修复的重要技术手段，并被广泛应用于城市水环境生态治理[2]。

2.3 生物强化技术

生物强化技术是指通过向水环境中引入具有特定功能的微生物，以增强水体对降解有机物的能力，并改善和促进原有微生物去除效能[2]。其本质上而言是一种外源微生物投放技术。生物强化技术最早应用于治理高浓度有机废水，有毒、有害难降解污染物的治理和强化废水中油脂的液化和降解等领域。随着功能性细菌的广泛发现、筛选和应用，生物强化技术逐步拓展至江河湖泊与地下水生物的修复中来，并取得了一定的治理效果。但需注意的是，外源性菌群一般都存在对当地环境的适应性问题。同时，外源微生物作为“外来物种”也可能会对本地生态环境造成影响并产生相关的环境安全问题。

2.4 生态浮床

生态浮床又称为人工浮床、生态浮岛等，是人工浮岛的一种。生态浮床是由绿化技术与漂浮技术结合衍生发展出来的。常见的生态浮床一般由水生植被、植物浮床、浮岛框架（见图1）和水下固定装置所组成。生态浮床一般以水生植物为主体，利用无土栽培技术，以轻质材料为载体或基质，应用动植物物种间的协同共生关系，在充分利用水体空间的基础上，建立高效人工生态系统，以达到削减水体中的污染负荷，提供生物栖息之所和美化环境的功能。生态浮床的净化机理主要为：一方面利用表面积很大的植物根系网络，过滤吸附水体中大量的悬浮物和溶解性COD；另一方面通过根系吸收水体中的氮、磷等富营养化物质。最后，浮床还可以借由遮光来抑制水体中藻类的光合作用，以防止浮游植物过量生长，使水体透明度大大提高。生态浮床通常选用陆生植物和湿生植物，例如美人蕉、香根草等易于生长和成活的植物。生态浮床不仅不占用土地资源，还可以为周边的鸟类和鱼类提供一定的生存空间，并兼具景观美化的功能，目前普遍用于城市生态修复、农村水体污染修复和建设城市湿地景区等。

图1 利用轻质材料拼接的生态浮床

2.5 生态护岸

生态护岸指的是利用植物或通过植物与土木工程结合的方式，对河道坡面进行防护的一种河道护坡形式。生态护岸的理念是基于最大可能以天然状态下河海岸形式为参照，避免以建筑物的形式去破坏自然生态系统平衡。生态护岸一般具有防洪排涝、生态景观和自净功能，不仅可以维持河岸边坡的稳定，还可以使河水与土壤相互渗透，增强水体与周边的物质交换。生态护岸的修复机理主要为，为水体中的生物提供合适的栖息地和构建水陆缓冲带，通过依附在其周边的水生动植物来实现对水体的净化作用。生态护岸一般可分为固化技术护岸、扦插抛石联合技术护岸、直立式生态护岸、自嵌式植生挡土墙护岸和格宾柔性护岸。其结构材料通常以植被、干砌石或原木等柔性材料为主，也可以在上述材料的基础上加入混凝土、钢筋等材料来强化坡面的稳定性。

2.6 底泥生物氧化技术

底泥生物修复是通过原位微生物定向扩增的手段繁殖大量本地化的微生物。利用增殖的微生物和底物组合生产出药物，通过靶向给药的方式将药物直接注射入底泥表层，促进底泥中有机物的快速氧化和底泥表层生物降解能力，加速黑臭底泥的生物氧化进程以抑制黑臭现象。底泥生物氧化的同时还能抑制底泥中营养盐的释放，缓解水体中富营养化的发生[3]。水环境底泥的生物修复可以有效减少水体的内源性污染，防止底泥中的污染物向水体中扩散与释放，有助于建立水体良好的生态系统，提升自净能力。

2.7 生态修复技术

生态修复是通过人工强化或干预的方式来加速生态演替和多样化的过程。狭义上的生态修复是指水生植物修复；广义上的生态修复是指水生生态恢复技术。水生植物修复一般是在河滨周边建立起水生植被带，利用水生植物的根系来吸收水体中的氮、磷等营养物质，实现抑制藻类大量繁殖和净化水体的功能。水生植物修复与构建一般包括创造水生植物适宜的生存条件，通过行定植、扩增、优化配置种群的方式进而形成具有沉水植被、挺水植被、浮水植物空间群落结构。

水生生态恢复技术则侧重于将视角集中于整个生态系统的生物与物质的良性互动。在微观方面，通过诱导或改变系统内微生物种群方式促进种群由单一型厌氧微生物向好氧微生物进行转变。同时延长系统内的食物链，构建包含细菌、藻类、原生动物、后生动物、动植物等多种生物组合，最大可能地提高生物多样性，繁荣整个生态体系。在宏观方面，利用工程手段在减轻输入性污染物的同时抑制内源性污染物的扩散与传输，增强水体自身的净化能力。配合城市海绵化的新理念，扩大水体与周边的物质、能量良性交互。

3 城市水环境治理中生物修复应用探讨

3.1 重视前期调查

在进行水生态修复前，需优先对修复水体进行调研，调研内容主要包括水质指标（水体中的溶解氧、pH 值、CODMn、BOD5、TOC、NH4+-N、TP、氧化还原电位等常规指标）、微生物指标（水体与底泥中的生物群落、微生物种类、底栖动物与动植物）。除此之外，还要了解水体的点源与面源污染现状、水体的水文特征与周边沿岸的动植物分布和环境状况。根据上述资料合理确定水环境生物的修复方案，在实施前尽可能通过试验进行模拟和预测。

3.2 实现核心目标

由于水体污染的情况通常较为复杂且成功的治理方案难以完全复制，故应在前期调研基础上确定需要实现的最终效果。例如：若水生态环境主要以富营养化为主，则可以通过植物根系吸收的方式减轻水体中的氮、磷元素，同时辅以人工曝气手段恢复水中的溶解氧；若水生态环境以黑臭现象为主，则应注重对水体底泥的复氧和激活原位微生物的净化能力。通过针对性的选取净化方案来获得最大的环境效益。

4 生态修复技术在西安市护城河中的应用

西安市护城河是城墙景区重要的组成部分，也是西安市老城区36 km2范围的雨水调蓄库和泄洪的主干路，蓄洪水量为可达80万m3。但通过前期的水质调研分析发现，护城河水质不容乐观，存在外部临时性的生活排放污水、季节性雨水（主要污染物为COD和SS）和局部死水造成的内源性污染（主要污染物为N和P），河道水质常年劣于Ⅴ类。除此之外，污染源还有藻类植物与水面漂浮物等。对水体的影响主要体现为耗氧性污染、富营养化污染。综上，护城河水体污染形成并不仅是单一的因素所导致，需要对护城河进行综合的治理与维护。

针对上述耗氧性污染和富营养化污染的问题，分别采用人工浮岛与投加复合菌种恢复水生态的方法进行治理：在护城河北段区域内分级布置人工浮岛（3 m×3 m×0.4 m的种植单元格），单元格内种植香根草、凤眼莲、美人蕉等植物，起到利用根系去除污水中的有机污染物和其他营养物质的作用。人工浮岛布置之前采用人工曝气的方式初步减少水中COD。曝气完成后在尚德门以西400 m处河段设10个浮岛种植单元格，护城河东北角设21个人工浮岛种植单元格。同时在上游区域设置拦污网，以减轻漂浮物对修复河段的影响。通过上述措施，该河段的水质类别由之前的劣Ⅴ类变为Ⅳ类，COD、SS、氨氮三项指标监测下降为同比的57%、31%、27%。

在气温合适的5～7月，将YL-H15作为先锋生物菌种投至护城河东段的底泥中，建立缺损的腐食食物链，促进底泥矿化。投加点投加量按水域面积以100 g/m2计。投加后试运行一个月并观测相关的水质指标，根据检测结果辅助投加高浓度污水分解复合菌种（YL-H40）以促进生态系统的恢复，提高水体的抗负荷能力。采用该方法后通过对河道连续29周的监测结果显示，溶解氧、总氮、总磷三项指标监测值优于Ⅳ类水标准的频次分别为71%、82%、76%。该方法有效地抑制了水体富营养化的趋势。

5 结语

生物修复技术是城市水环境治理的重要技术手段，同时也是水体整治重要的发展方向。生物修复技术具有环境友好型的特点，可以为人与自然的和谐发展提供很好的发展思路。