综合生态修复技术对景观湖原位修复的实践

综合生态修复技术对景观湖原位修复的实践福建省肿瘤医院陈伯武等摘要以福建省肿瘤医院内湖为研究处理对象，采用包括人工复氧、水生植物净化和鱼类控藻生物操纵的综合生态修复技术治理其劣V类水质湖水。近年的综合生态修复结果表明，修复后DO恢复到5.8mg/L以上，BOD、CODCr和NH4+-N削减92.3%、72.9%和99.6%，藻类总量也大大减少，湖底淤泥厚度由原来的0.35-0.5m削减为0.2-0.3m，水质接近地表水Ⅰ类水质标准。关键词人工复氧水生植物净化生物操纵技术原位修复一、内湖整治前基本情况及存在的问题福建省肿瘤医院内湖原为福州市城区内河凤坂河的支流，自院区西南角蜿蜒贯穿至东北角汇入凤坂河，其交汇处由升降式闸板阀隔断使其成为内湖。内湖现长约180m，水面面积2550m2，受凤坂河水位影响目前水深仅1.0-1.5m，总水量约3000m³。内湖承担院区雨水蓄积和排涝功能，更为重要的是和沿岸的绿色景观配合构成医院景观主轴，是极其稀缺和不可复制的风景线。2009年5月至7月，委托检测机构对内湖水样进行了多点多次抽检后发现，内湖水质属劣Ⅴ类（见表1），蓝藻过多，河水水色偏绿，透明度低，有腥臭味，底部淤泥最厚处淤积达0.5m。表12009年整治前内湖水质指标水质指标地表水环境Ⅴ类标准监测值化学需氧量(CODCr),mg/L4054-59生化需氧量(BOD5),mg/L1036-40氨氮(NH4+-N),mg/L2.019-24溶解氧(DO),mg/L20.5-1.2粪大肠菌群,个/100mL40000200-500总磷(P),mg/L0.41-2总氮(N),mg/L2.020-25分析内湖水质为劣V类的主要成因，首先是城区内河带来的污染，根据2009-2011年福州市发布的环境公报显示，凤坂河水质长期处于地表水劣Ⅴ类标准，该河河水通过地下河床等不断渗入污染着内湖；其次是院区管网渗漏的污染，由于历史原因，内湖东侧的生活区虽几经规划改造，仍不可避免的存在污废水渗漏至内湖；此外还有落叶等腐殖物的污染，内湖两岸种植有36株榕树，最大树龄约25年，平均高度10m，最大胸径约1.1m，河面上方枝叶茂密，大量落叶落入湖中腐败后产生的营养物又加重了湖水的富营养化。二、综合生态修复技术的路径遴选医院内湖相对封闭，邻近的凤坂河水质不佳，通过引水冲污的方式不具可行性。根据内湖水质特点、污染源特征，结合整治目标、施工难度和资金安排，通过方案筛选、论证，确定湖水治理采用人工复氧、水生植物浮床净化和鱼类控藻生物操纵的综合生态修复技术。1.人工复氧净化水质的机理和适用范围水体的溶解氧是反映水体受污染程度的一个重要指标，水中微生物依靠消耗溶解氧以好氧方式分解受污染水体中的有机物，而大气中的氧也能不断地溶解到水中以补充消耗掉的氧，若水体污染程度太严重，水中有机物含量过高，溶解氧的消耗超过大气复氧速度，水体溶解氧将逐渐下降乃至耗尽，有机物的分解方式便转为厌氧分解，厌氧分解产生的二价硫（S2-）和铁离子（Fe2+）会形成硫化亚铁（FeS）沉淀而造成黑色沉积，并产生H2S臭味。由此可知，溶解氧在河水自净过程中起着重要的作用。而单靠大气复氧，河水的自净过程将非常缓慢。一条水流湍急、且带有许多急弯和跌水的河道依靠水流紊动的增加，可改进氧的传递和扩散，对污染负荷的去除率可达到水流滞缓河流的10到15倍。通过人工复氧，可提高水体中好氧微生物降解有机物的能力。对黑臭河流进行人工复氧，还能迅速氧化有机物厌氧降解时产生的H2S及FeS等致黑、臭物质，有效地改善或缓解黑臭现象，能使河道的上层底泥中还原性物质得到氧化或被好氧生物降解[1]。目前，如德国的鲁尔河、萨尔河，英国的泰晤士河、特伦特河，美国的圣克鲁斯港、密西西比河，重庆的桃花溪、上海的苏州河等为改善水体的缺氧状态均装设了曝气装置，人工复氧技术广泛地适用于各种规模体量的池塘、溪流、湖泊、河流、港口等受污染水体。2.水生植物净化水质的机理[2]2.1吸附、过滤、沉淀作用。水生植物生长旺盛，根系发达，与水体接触形成大面积密集的过滤层。水流缓慢时，重金属和悬浮颗粒被阻隔而沉降，防止其随水流失。同时又在其表面进行离子交换、整合、吸附、沉淀等，不溶性胶体为根系吸附，凝集的菌胶团把悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下来。2.2吸收作用。高等水生植物在生长过程中，需要吸收、利用水中大量的N、P、CO2和有机物等营养物质，从而达到净化水体的作用。它们不仅通过根部吸收沉积物中的营养盐，还可通过茎叶吸收水中的营养盐；水生植物还能通过根系分泌的特殊有机物从周围环境中交换吸附重金属。将富集了大量污染物的植物体从水体中移出后，即可达到较好的净化水体效果。2.3微生物的辅助作用。水生植物通过植株枝条和根系的气体传输、释放作用，能将光合作用产生的O2或大气中的O2输送至根系，其中一部分通过根系向根区释放，在周围形成氧化态的微环境，加强了根区好氧微生物的生长和繁殖，促进了其对有机物的分解，还有助于硝化菌和反硝化菌的生长，并进行强烈的反硝化反应，最终一部分NH4+-N以N2的形式去除。因此植物的生理代谢活动直接关系到污染物的降解。2.4对有害藻类的抑制作用。水生植物与浮游藻类竞争营养物质以及所需的光热条件，同时分泌出抑藻物质，破坏藻类正常的生理代谢功能，迫使藻类死亡，以防止其带来的毒素。3.鱼类控藻生物操纵技术对水质的净化作用生物操纵技术(biomanipulation)是1975年Shapiro等提出的恢复方法，即通过去除食浮游生物性鱼类或添加肉食性鱼类来降低浮游生物食性的数量，从而调控浮游动物的群落结构，使浮游动物的生物量增加和体型增大，从而提高浮游动物对浮游植物的摄食效率，降低浮游植物的数量[4]。除了利用凶猛鱼类控制藻类过量生长的经典生物操纵以外，还有利用滤食性鱼类和浮游动物直接摄食浮游植物的非经典生物操纵。刘建康和谢平等人在武汉东湖及其他一些实践证明，鲢、鳙鱼和淡水软体动物等底栖动物有滤食浮游藻类或刮食着生藻类的作用，可促进河湖生态系统物质循环，并论证得出鲢、鳙控制武汉东湖水华的有效密度在33-69g·m-3范围内[5]。根据王金鑫[3]所作的鱼类对水体中藻类控制作用的研究，藻类数量受到许多因素影响，如放养模式、放养密度、放养时浮游植物的群落结构、湖泊类型（不同地域、形态）等，一个水体使用的操纵方法很可能不适用于另一个水体。因此放养多少密度的鱼类以控制不同水体中的藻类需要经过长期的观测和研究。三、综合生态原位修复技术的实践1.人工复氧技术的方案选择1.1由鼓风机-微孔曝气系统主导和耕水机组成的人工复氧技术措施医院内湖相对封闭，面积较小，属单位内景观河道，人工复氧采用鼓风机-微孔曝气系统，该系统由鼓风机和微孔曝气器组成，被广泛用于城市生活污水和工业废水的好氧生化处理工艺中，投资成本比纯氧增氧系统、叶轮吸气推流式曝气器和水下射流曝气设备等低，技术成熟，适合作为小规模河道复氧方案。内湖无承担航运活动，不会影响到河底曝气系统；受潮汐作用，内湖水位变化范围在1.5m至2.0m之间，对鼓风机风压的要求不高。耕水机复氧技术的补充选择。耕水机是用漂浮于水面表层的旋转划水浆，使水沿径向排出，形成底层水流的上升构成旋流的装置。它是利用物理的方法使被污染的水体形成流动和循环，充分利用风能、太阳能及被激活的水底生物能，通过曝气、空气接触、紫外线照射、藻类光合作用等途径，使整个水体的溶氧量增加。耕水机理论作用范围较大，但内湖形态狭长，对耕水机效果有所影响，选择在内湖前段及后段各设置1台移动使用，电功率合计100W，作用范围约300m2。同时，在内湖设置以潜水泵为主的简易水交换系统，使湖水在溶氧高区和低区之间进行交换，以达到水体溶氧均匀的目的。1.2鼓风机-微孔曝气系统的曝气量计算对于河流等流动水体需氧量的计算，上海市环境科学研究院曾在苏州河曝气复氧工程方案研究中建立了一种简便的组合式推流反应器模型。该模型是将河流近似地看作多个推流式反应器的串联组合，在充分利用河道现有水质、水力资料的基础上，对相关边界条件作了合理简化和假设后，综合考虑了还原物质耗氧、有机物耗氧、硝化耗氧、底泥耗氧等耗氧作用和大气复氧、藻类光合作用复氧等复氧作用而建立起来的。对小型静止水体（如公园、居住小区的景观湖泊或池塘），由于其面积较小、水深较浅，且外界输入污染负荷一般较小，可以采用基于一级反应的箱式模型[6]。医院内湖符合箱式模型适用条件，为方便起见，只考虑有机物生化降解与大气复氧作用，则：VCeCCeLOmtktk21114.10（1）式中O——水体的需氧量，gV——水体的体积，m3t——充氧时间，dC——水体的溶氧量浓度，mg/L0L——水体初始的BOD5浓度，mg/L1K——BOD5生化反应速率常数，d-1C——水体的饱和溶氧量，mg/L2K——水体的复氧速率常数，d-1mC——维护水体好氧微生物生命活动的最低溶解氧浓度，一般取2mg/L充氧时间t根据下式确定：tkeLL110（2）式中L——水体改善后的BOD5浓度，mg/L公式（1）中，数据统一取为温度25℃下的值，水体体积V=3000m3，水体溶解氧浓度C=0.85mg/L，水体初始BOD5浓度L0=39mg/L，BOD5生化反应速率常数K1=0.1d-1，水体的复氧速率常数K2=0.1d-1，水体饱和溶氧量Cv=8.38mg/L；根据公式（2）计算出充氧时间t=0.78d。将上述数据带入公式（1），计算得O=16530g=11.56m³。考虑充氧时间（t=0.78d=18.72h）、氧转移效率（取8%）、空气含氧比例（约21%）等因素，计算出供气量min/m613.06072.18%8%2156.113sG。2.水生植物的选择在水生植物选择时，既要从园林生态景观角度注重视觉效果和美学价值又要兼顾水质净化能力等生态功能，这样才能实现内湖的生态多样性，丰富其水环境空间，形成具有较强的水质净化能力及和谐的景观效果。周遗品等人以铜钱草为试材进行培养，其对高质量浓度（CODCr：287.21mg/L,TN：14.68mg/L,TP：3.87mg/L）、中质量浓度（CODCr：191.62mg/L,TN：9.69mg/L,TP：2.74mg/L）和低质量浓度（CODCr：139.24mg/L,TN：6.94mg/L,TP：1.46mg/L）城市生活污水中CODCr的去除率分别为94.99%、84.97%和88.71%；对TN的去除率分别为76.85%、65.24%和57.34%；对TP的去除率分别为92.17%、84.71%和73.24%且均生长良好。铜钱草与凤眼莲相比处于可控范围，可作为城市生活污水治理的优良物种[7]。综合以上因素及原则，在根据景观需求制作成不同的形状和规格的植物浮床上栽种了水竹芋、美人蕉、千屈菜、鸢尾和聚草等水生植物作为水生植物浮床的素材，并以大片绿色的铜钱草作为主要搭配植物，形成10余个总栽种面积超过220m2的植物浮床。表2水生植物种类、功能及搭配方案学名主要功能生活方式花/叶色彩种植面积（㎡）水竹芋(Thaliadealbata)其根系对重金属具有吸收作用挺水绿20千屈菜(LythrumSalicaria)其根系对重金属具有吸收作用挺水紫红10鸢尾(Iristectorum)其根系对重金属具有吸收作用挺水蓝10美人蕉(Cannalily)其根系对重金属具有吸收作用挺水红、白、黄/绿30铜钱草(Hydrocotylevulgaris)对COD等具有降解作用浮水绿120聚草(Myriophyllumspicatum)对COD等具有降解作用浮水绿303.生物操纵技术应用中鱼类品种及密度的选择我国相关实验结果表明：可利用滤食性鱼类鲢、鳙等来直接控制富营养化和藻类水华。但是鲢、鳙高密度放养也可能加速天然水域的富营养化。根据中科院水生所谢平等的研究，每立方米水体放养鲢、鳙鱼40-50g，可以有效控制水华，这一方法在东湖、滇池、巢湖的水华治理中得到实际应用[8]。王海珍[9]