原位生态修复技术在景观水体水质维护中的应用

李屹昆 潘红忠*，3 吴佐京通 习文祥 王家明

［1. 长江大学资源与环境学院，湖北 武汉 430100；2. 长江大学国际水生态研究院，湖北 武汉 430100；3. 清水华明（武汉）生态科技有限公司，湖北 武汉 430000］

1 引言

景观水体常见的治理方式大多针对水中有机污染物进行，如截污纳管、曝气增氧、生化药剂、换水等［1］。在这些常见方法中，有的能对景观水体起到较好效果，有的反而会给水体带来二次污染，造成资源浪费。在修复景观水体的过程中，人们主要关注治理后的效果，后期维护往往被忽视。因此，在某些情况下，景观水体在治理初期水质较好，但是持续一段时间后，各类水质指标迅速下降，水质逐步恶化。因此，水质维护才是水体长期保持良好的关键。

2 景观水体主要污染

由于景观水体的封闭性，无稳定水源，因此需要给水体定时进行生态补水。一般水源包括再生水补水和地表径流，而这两种补水方式容易给水体带来更多的污染物质。

2.1 再生水补水污染

根据GB/T 18921—2019《城市污水再生利用 景观环境用水水质》的要求，景观补水水质见表1。

表1 景观环境用水的再生水水质

如表1 所示，补水水质各项指标并未达到Ⅴ类水质标准，在补水的同时，大量氮磷元素进入水体，给水体富营养化提供了大量营养物质，从而使得藻类爆发，其水体携带的病原体会给人体健康带来威胁。以北京圆明园为例，自2007 年起以北京清河再生水厂的再生水作为补水水源，而其携带的病原微生物在水体内部繁殖，其中粪大肠菌群、大肠杆菌、肠球菌的浓度与入水时相比均出现了明显的增长［2］。

2.2 地表径流污染

降尘和降水是将大气污染物转移到地面的主要过程，城市空气质量和气象条件都会对大气沉降产生影响，进而影响城市地表径流［3］。马学琳等［4］指出城市景观水体地表径流物理污染物以悬浮颗粒物为主，主要过程为降雨后水体携带路面颗粒污染物质流入水体。陈玉成等［5］指出城市地表径流中有机有毒污染物包括杀虫剂、多氯联苯和多环芳烃等，主要来源于城市绿化施用农药、机动车辆排放尾气等。这些污染物质进入水体后导致水体富营养化，给藻类繁殖提供基础物质条件。绿化植物凋零后被带入水体，腐烂时会持续消耗水体溶解氧，给厌氧生物提供繁殖环境，进而导致水体黑臭。

3 景观水体主要问题

3.1 藻类泛滥

根据研究发现［6-7］，Ⅱ类或优于Ⅱ类水质的水体也有爆发藻华的可能，水体富营养化并不是导致藻华现象的根本原因，水中的营养物质往往是为藻华的爆发提供营养基础。景观水体补水时为了节约水资源，往往使用大量的再生水，而再生水本身就含有较高的总氮、总磷等营养物质，从而导致水体富营养化，给藻类繁殖提供了营养基础，而地表径流所带入的有机物质，又因为景观水体的封闭性无法释放出去，使得景观水体进一步富营养化，最终导致藻类泛滥。

3.2 生态系统不健全

景观水体通常是由人工建造或人工改造自然水体形成，食物链过于单一，生态系统容易崩溃［8］。例如水中的浮游生物对绿藻的滤食，抑制了绿藻的生长，蓝藻在水体中逐渐占据主导优势，从而导致蓝藻成为优势种群，在其死亡时释放出藻毒素，对饲养在景观水体中的水生动物造成威胁，从而导致水体感官效果急剧下降。水中微生物在分解死亡藻类和水生动物时，会大量消耗水中溶解氧，加剧水体恶化，从而导致水体黑臭。

3.3 水体自净能力不足

通常水体受污染后，在一段时间内能够通过一系列物理、化学、生物的方式，使水体恢复到污染前的状态［9］。然而由于景观水体的封闭性，加上缺乏稳定且干净的水源，污染物质无法得到稀释，使水体中污染物浓度远高于水体的自净能力。同时，较弱的水动力导致景观水体自然复氧不足，无法为水中微生物提供足够氧气，好氧微生物活性较低，厌氧微生物活跃，而景观水体中原有微生物未经过驯化，生物降解能力不能满足要求，无法在较短时间内对污染物质进行生物降解，从而导致水体自净能力下降［10］。

4 对策研究

4.1 原位生态修复技术流程

景观水体相对于自然水体而言存在面积较小、过于封闭、结构单一、生态稳定性差、水体易富营养化等问题［11］。对此，本研究提出了“原位生态修复技术”，将多个单一技术进行集成，对水体进行综合治理与维护，在满足观赏性的前提下，提高水体自净能力，使水体长时间处在较为稳定的状态。原位生态修复技术流程如图1 所示。

图1 原位生态修复技术流程

4.2 原位闭环生态修复技术集成

在工程实践中发现，在治理景观水体时，某一项单一技术的应用并不能起到很好的效果，反而会造成资源浪费。因此，通过实验模拟，将多个技术进行集成，从多个角度综合修复景观水体，能较好地达到期望值。首先，使用絮凝技术将水中藻类和悬浮有机物絮凝沉降至水底；其次，在水底安装曝气盘和投放微生物，对絮体进行降解；最后，种植水生植物，在提高观赏效果的同时消耗水中营养物质［12］。

4.2.1 改性原位土絮凝技术

市面常见的絮凝剂通过架桥作用与藻细胞形成网状的絮体，从而沉淀，因此对藻华现象有着较强的处理效果，可以作为应急处理手段［13］。周庆等［14］利用聚合氯化铝（PAC）改性原位黏土对蓝藻水华进行处理，发现PAC 改性原位黏土对水体蓝藻细胞的去除率为96%，表明PAC 改性黏土的施用能有效控制水体中的蓝藻浓度。

本研究将水体附近黏土用壳聚糖＋PAC 进行改性处理，增加黏土吸附能力，而黏土的自重加快絮体的沉降速度，使藻类快速絮凝沉降，在较短时间内降低叶绿素a 的数值。这一技术在提高絮凝效果的同时，减少了化学试剂的使用，降低了对水体的二次污染，能够起到较好的应急效果。在实验过程中，将改性原位土均匀投入景观水体沉降120 min 后，即可絮凝沉降90%以上藻类，水体透明度大大提高，这说明用壳聚糖＋PAC 改性原位黏土能有效地絮凝除藻。

4.2.2 复合微生物菌剂

微生物技术对氨氮、总氮有着较强的处理效果。李延等［15］在北京小龙河排口处设置实验装置投放复合微生物菌剂后，氨氮的去除率平均达到36.7%、总磷的去除率达到32.5%、总氮的去除率达到20.1%，还能有效对水中类蛋白有机质进行降解。

因此，微生物菌剂［16-17］是治理水体的常用手段，复合微生物菌剂是将多种微生物复合在一起形成菌群，从而高效降解水体污染物质。因此，在水体的治理与维护中微生物必不可少。目前，市面上使用的菌群一般有来源有两种，一种是在自然界中某一特定环境下筛选出的高效菌种，另一种是通过人工诱变得到的菌株。

4.2.3 层流曝气复氧

曝气技术能提高水体自净能力。迟娟等［18］对福创溪—大排沟黑臭水体进行治理，通过曝气增氧等技术手段，8 个月后水体断面溶解氧浓度均大于2 mg/L，氨氮浓度小于8 mg/L，透明度大于25 cm，达到消除黑臭的目的。

水体中的溶解氧是影响水质的重要因素，有关研究表明［19］，溶解氧可以为好氧微生物提供生存所需的氧气，使水中污染物由厌氧消化转变成好氧反硝化，从而提升水体自净能力和加快水体生态修复。工程实践证明，曝气对氨氮有着较好的去除效果，同时能提高水体透明度、消除水体异味。长江大学水生态研究院在常州藻港河黑臭河道治理案例［20］中开发层流曝气富氧装置，运行时产生小气泡带动底部水体向上移动，使得水体上下循环，增加了自然富氧率，提高了水体溶解氧含量，较好地解决了水体黑臭问题。

4.2.4 水生植物种植

水生植物的种植可以吸收水中各类营养物质，净化水中污染物质，同时起到良好的观赏效果。常宝亮等［21］对比了6 种沉水植物对3 种不同氮磷浓度的净化效果，发现在一定浓度范围内水生植物可以吸收富营养化水体中的氮、磷元素，从而促进植物生长，其中苦草综合治理效率最高。

在景观水体中种植水生植物，植物的生长会消耗水体的营养物质和抑制藻类生长，从而达到净化水体的目的［22］。水生植物系统能够有效抑制景观水体中藻类的滋生，使水质得到改善，而大型植物的化感作用可以抑制有害浮游植物的生长。长江大学国际生态研究所研发的“旋转式浮法湿地”下挂生物膜，上种优选水生植物，可提高水体自净能力，抑制有害藻类过度增长，控制内源污染物质的释放，为水生动物提供了生存环境。

5 某景观水池项目

5.1 项目简介

本文研究的项目为某景观水池，位于湖北省武汉市，其宽15.6 m，长25 m，面积约为390 m2，蓄水深度约为1 m。水池中生物以乌龟为主，最高峰时乌龟数量接近千只，水体散发异味，有轻微黑臭的现象，极大影响了景区环境和游客观赏体验。

5.2 修复与维护

经过调查，该项目主要污染源来自水生动物的生理排泄和地表径流污染，导致水体黑臭。对这一现象主要采用层流曝气技术、复合微生物菌剂，增加水中溶解氧，提升水体自净能力，提高水体观赏效果，给水生动物创造良好的生存环境。

5.2.1 层流曝气装置布置

曝气技术相比其他技术而言，在维持水体透明度、消除水体异味方面有成本低与效果好等优点。针对该景观水池情况，于2021 年6 月29 日开始对其进行施工治理，构建层流曝气系统，见图2。该系统设置1 台空压机，在池内均匀布置25 个曝气190盘，使用外径8 mm 的软管连接，24 h 不间断曝气，带动底部水体向上循环，增加自然富氧效率，提高水体含氧量，消除水体异味。

图2 曝气盘布置

5.2.2 复合微生物菌剂投放

由于大量游客向水中乌龟投喂各种食物，以及动物排泄超出水体自净能力，因此水中含有大量有机物。针对此现象，采用清水华明（武汉）有限公司所生产的“清水一号”复合微生物菌剂。投放复合微生物前，使用0.3 m3的塑料桶加入2 kg 复合微生物菌剂，抽取景观池水倒入桶中，使得最后总体积达到0.3 m3，搅拌均匀在阳光下活化1 h 后，投入该景观水池内。

曝气3 d 后，水体中溶解氧含量上升，于2021年7 月2 日将活化好的微生物菌剂撒入曝气盘四周，通过水体循环带入水底，使得微生物在水中均匀扩散。

治理过程中每天撒入2 kg“清水一号”，持续一周。曝气装置持续曝气，定期取样分析，观察水质指标变化。

5.3 水质检测与分析

水质指标测定均使用国标法：氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定［23］；总磷采用钼酸铵分光光度法测定［24］；总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定［25］。使用SPSS 进行数据分析，使用Origin2019进行绘图。

5.4 结果与讨论

图3 为维护期间该景观水池中氨氮、总磷、总氮的变化情况。

图3 维护期间水质指标的变化

由图3 可知，治理工程实施后，氨氮、总氮、总磷含量均有所下降，其中，氨氮去除率最高达到88.67%，总氮去除率最高达到76.69%，总磷去除率最高达到53.23%。施工后2 个月水质指标处于稳定，水体无异味，水中动物生存环境改善，景观效果逐渐改善，维护工程效果较好。

6 结论

采用长江大学集成修复技术中的“层流曝气系统+复合微生物菌剂”对武汉市某景观水池进行修复，可以快速降低水体异味，恢复水体观赏效果，降解水中污染物质，提高水体自净能力。实验结果显示，氨氮去除率达到88.67%，总氮去除率达到76.69%，总磷去除率达到53.23%，使景观水体水质指标维护在可控范围内波动，给水生动物提供良好的生存环境。该项目对于景观水体维护提供了参考依据和工程案例，具有一定的可行性。