城市黑臭水體植物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展

李開軍

摘要：指出了黑臭水體的治理是城市生態(tài)發(fā)展亟需解決的問題，用水生植物修復(fù)黑臭水體具有投資成本低、對環(huán)境擾動小、污染物降解效果好等優(yōu)點。探討了黑臭水體“致黑”、“致臭”的發(fā)生機制，闡述了沉水植物、挺水植物修復(fù)河道黑臭水體成功經(jīng)驗和研究進(jìn)展，對未來植物修復(fù)黑臭水體，重建河道生態(tài)景觀進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：黑臭水體;水生植物;修復(fù);河道景觀

中圖分類號：X591文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）16-0114-04

1引言

隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展，城市河道水體黑臭現(xiàn)象明顯增多，城市河流生態(tài)功能退化，河道生態(tài)系統(tǒng)面臨著重大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響了城鎮(zhèn)居民的生活環(huán)境，直接制約了城市生態(tài)發(fā)展和城鎮(zhèn)居民生活飲用水安全。

黑臭水體通常是指散發(fā)出刺鼻的氣味，呈現(xiàn)黑色或灰黑色，生態(tài)功能喪失的水體，黑臭水體的發(fā)生主要是由于河道接受了沿線分散式畜禽養(yǎng)殖廢水的污染、城鎮(zhèn)污水處理場廢水超標(biāo)排放及沿岸居民生活垃圾亂投和雨污混排所致。近年來我國水污染問題已成為社會焦點和研究熱點。

目前對于黑臭水體的整治主要有控源截污、內(nèi)源控制、生態(tài)修復(fù)、補水活水等措施，其中控源截污主要是從根本上減少入河污染源，對河道水質(zhì)污染物實施總量控制，是防治黑臭水體的首要條件;內(nèi)源控制主要是消除河道沉積物、淤泥的內(nèi)源營養(yǎng)源對水體的二次污染，穩(wěn)定或凈化淤泥污染物的再釋放，從而保證水質(zhì);生態(tài)修復(fù)是一種自然的、通過水生生物、底棲動植物、微生物等生態(tài)系統(tǒng)的重建，對河道水質(zhì)進(jìn)行長期凈化;補水活水主要是加強河道水系的連通性，增強富氧能力，從而提高黑臭水體的自凈能力。

控源截污因其管道建設(shè)投資大，維護(hù)保養(yǎng)難度高，在中小城市推廣具有一定的局限性;內(nèi)源控制主要有底泥疏浚、底泥曝氣復(fù)氧等措施，常規(guī)的底泥疏浚容易造成二次污染，且施工工程量大;補水活水雖然提高了河道的自凈能力，但引水水源問題常常困擾工程的實施。相比較上述3種方式，生物修復(fù)具有投資省、能耗低、效果好、長期穩(wěn)定的優(yōu)勢。

城市河流由于距離城市工業(yè)區(qū)、居民生活區(qū)較近，水質(zhì)污染成分復(fù)雜，包括非持久性有機污染物、持久性有機污染及重金屬污染等，消除黑臭污染需要投入大量的物力財力。考慮到城市河流與城市建設(shè)的發(fā)展密切相關(guān)，河流生態(tài)作為城市景觀的重要組成部分，植物修復(fù)黑臭水體得到了廣泛的關(guān)注和研究。

2黑臭水體的形成機制研究

目前已有許多學(xué)者開展了城市黑臭水體形成機制的研究，水體黑臭的成因是多方面的。涉及的因素較多，包括溶氧、有機污染物、氣溫等。黑臭水體從感官上來講主要是黑、臭。

2.1黑臭水體“致黑”機理研究

水體黑臭主要是由于河流受到嚴(yán)重的有機污染時，有機物的好氧降解致使好氧速率大于復(fù)氧速率，從而造成水體缺氧，厭氧降解過程中產(chǎn)生硫化氫、胺、氨、硫醇等發(fā)臭物質(zhì)，同時形成FeS、MnS等黑色物質(zhì)，造成水體發(fā)黑發(fā)臭。此外水體有機負(fù)荷、Fe、Mn等金屬污染、底泥污染和水動力條件等環(huán)境因素的復(fù)雜性，影響了黑臭水體形成的生物化學(xué)過程，導(dǎo)致黑臭水體的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)、顏色、氣味等具有差異性。

2.2黑臭水體“致臭”機理研究

在缺氧環(huán)境中產(chǎn)臭過程與致黑同步，有機物厭氧分解產(chǎn)生甲烷（CH4）、硫化氫H2S、氨（NH3）等具有異味易揮發(fā)的小分子化合物溢出水面進(jìn)入大氣，因而散發(fā)出臭味。另外研究人員發(fā)現(xiàn)揮發(fā)性有機硫化物為主要的致臭物質(zhì)，主要有甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚等。當(dāng)水體處于厭氧

狀態(tài)或營養(yǎng)鹽相對較高時，水體中存在大量放線菌、藻類和真菌，其新陳代謝過程中會分泌多種醇類異臭物質(zhì)，也會導(dǎo)致水體發(fā)臭。

3河道生態(tài)植物修復(fù)技術(shù)

2003年，美國土木工程師協(xié)會（ASCE）將河流生態(tài)恢復(fù)定義為：河流恢復(fù)是這樣一種保護(hù)行動，其目的是促使河流系統(tǒng)恢復(fù)到較為自然的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，河流系統(tǒng)具有可持續(xù)特征，并可提高生態(tài)系統(tǒng)價值和生物多樣性。

河道生態(tài)修復(fù)的技術(shù)和方法應(yīng)根據(jù)常規(guī)河道整治方法對環(huán)境影響的方式、程度的不同而采取不同的修復(fù)技術(shù)和方法，使河道水體達(dá)到國家用水標(biāo)準(zhǔn)，逐步修復(fù)河道的生態(tài)功能。目前，國內(nèi)外河道修復(fù)的技術(shù)主要有河道形態(tài)修復(fù)技術(shù)、河道河堤修復(fù)技術(shù)、河道河床修復(fù)技術(shù)、生態(tài)護(hù)坡修復(fù)技術(shù)和生態(tài)水體修復(fù)技術(shù)以及人工濕地處理技術(shù)等。

水生植物對于水體水質(zhì)的改善有著重要的作用，其應(yīng)用成本較低、效果好、簡單易行，在河道生態(tài)修復(fù)工程中得到廣泛的應(yīng)用。近年來，隨著不斷的工程實踐和經(jīng)驗總結(jié)，水生植物在河道生態(tài)修復(fù)工程的應(yīng)用技術(shù)不斷成熟。

水生植物之所以對水體和底泥中的污染物具有較好的富集和降解能力，可能是水生植物修復(fù)河道，對本已遭受破壞的河流生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了重建，恢復(fù)了水生生物的棲息地，強化了河流生物多樣性。

3.1沉水植物水體修復(fù)研究

沉水植物的根、莖、葉全部生長在水體的基質(zhì)中，由于表皮細(xì)胞沒有角質(zhì)或蠟質(zhì)層，能直接吸收水分和溶于水中的氧和其他營養(yǎng)物質(zhì)，使得它們擁有強大的凈化能力。沉水植物的莖葉增加了垂直方向上水生生物的棲息地面積，植物根部可以穩(wěn)定底質(zhì)，為攀爬類和營穴類底棲動物提供棲息地，同時也為這類型底棲動物和小型魚類躲避捕食者提供重要的避難所。

丁玲等口釘選取3種當(dāng)?shù)貎?yōu)勢種輪葉黑藻（Hydril-laverticillata）、苦草（Vallisneria natans）和伊樂藻（Elo-dea nuttallii）作為庫區(qū)沉水植物，研究沉水植物對水體中氮磷和懸浮物質(zhì)的凈化效果，研究表明沉水植物對試驗水體的凈化效果以PO4³-P最高，凈化率為42.3%±13.9%;其次為對SS的凈化率為28.1%±7.7%;對NH4⁺-N、NO3^--N、TN、TP的凈化率分別為17.5%±5.1%、11.0%±3.9%、8.2%±3.7%和18.1%士4.1%，沉水植物對水體中氮磷和懸浮物質(zhì)的凈化效果明顯，且沉水植物的生物量與凈化效果表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系。喬云蕾等研究發(fā)現(xiàn)苦草（Vallisneria na-tans（Lour.）Hara）、黑藻（Hydrilla verticillata（Linn.f.）Royle）和金魚藻（Ceratophyllum demersum L.）等3種沉水植物對水體底泥中的重金屬污染具有較好的去除效果，3種沉水植物對重金屬Cd、Zn都具有較高的富集能力，生物富集因子大于1。陳國梁等研究了黑藻（Hydrilla verticillata（Linn.f.）Royle）、苦草（Vallisne-ria natans（Lour.）Hara）和菹草（Potamogeton crispus）等沉水植物富集富集水體中的重金屬Cd、As、Pb與Ca之間的交互作用，結(jié)果表明，沉水植物中Cd、As、Pb之間均為正相關(guān)。但都與Ca呈負(fù)相關(guān)，Cd、As、Pb在植物體中的富集會影響沉水植物對Ca的吸收，從而可能對其正常的生理活動產(chǎn)生影響。

沉水植物對于水體及底泥中重金屬的吸收具有較好的效果，同時莫家勇的研究表明，沉水植物能抑制沉積物中磷的釋放，提高沉積物對磷的滯留能力，從而降低水體磷含量，改善水質(zhì)。

3.2挺水植物水體修復(fù)研究

挺水植物的根、根莖生長在水的底泥之中，莖、葉挺出水面，挺水植物本身通過吸收水中的富營養(yǎng)物為生，尤其是聚集生長的挺水植物，為水域中的微生物創(chuàng)造了良好的寄生環(huán)境，而這些微生物又以水域中的營養(yǎng)物質(zhì)為食源，從而提高了微生物的成活率，有利于加速挺水植物對于營養(yǎng)鹽成分的吸收和凈化，從而可以降低水域中的富營養(yǎng)元素。

孫瑞蓮等選取寬葉香蒲（Typha lati folia L.）、茭白（Zizania lati folia Turcz.）及黃花鳶尾（Irispseudacorus L.）研究了挺水植物對污染水體中COD、TN和TP的凈化效率，研究表明：同一濃度污水處理下，各植物對COD的去除效果均無顯著差異，黃花鳶尾對TP的去除效果最好，茭白對TN的去除效果表現(xiàn)最佳。隨著污水濃度的增加，選取的挺水植物可通過調(diào)節(jié)抗氧化酶系統(tǒng)和脯氨酸的合成來減少逆境脅迫引起的氧化傷害，高污染負(fù)荷水體對3種植物有脅迫作用。上述研究結(jié)果與裴淑蘭等。研究具有相似性，雖然苯脅迫對耐水濕觀賞植物有一定的抑制作用，但水生植物可通過體內(nèi)保護(hù)酶體系和滲透調(diào)節(jié)能力來抵御苯的脅迫，使其保持或恢復(fù)正常的葉綠素水平、光合能力，防止細(xì)胞因膜質(zhì)過氧化程度加劇而受到傷害。

3.3沉水植物生物炭的研發(fā)應(yīng)用研究

沉水植物雖然對水質(zhì)具有較好的凈化效果，但在實際種植和管理過程中如出現(xiàn)過度生長，則會對水質(zhì)、水生生態(tài)系統(tǒng)以及水體的功能造成嚴(yán)重的危害。如何處理好沉水植物的過度生長以及沉水植物的打撈利用也是當(dāng)前研究的熱點。沉水植物作為河道生態(tài)修復(fù)的關(guān)鍵物種，量大源廣，可以作為生物炭的制備原料，且制成的生物碳對于水體中的Cr6⁺和磷具有較好的吸附效果。沉水植物制備生物炭具有價格低廉、安全、吸附能力強的多種優(yōu)點，是解決沉水植物腐敗導(dǎo)致水體污染的有效途徑。

3.4植物組合新技術(shù)水研究

底泥沉積物的治理對于消滅黑臭水體至關(guān)重要，可減少二次污染的風(fēng)險。朱娟平等嘗試將水生植物引入微生物燃料系統(tǒng)，研究植物修復(fù)黑臭水體底泥與產(chǎn)電性能，取得了較好的實驗效果：植物微生物燃料電池（P-MFC）在產(chǎn)電過程中抑制了領(lǐng)的遷移，有助于底泥中磷的穩(wěn)定。

4黑臭水體植物景觀再造

城市河流是城市生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，良好的河道生態(tài)系統(tǒng)既可以起到河道防護(hù)、城市綠化的作用，又可以為市民和游客提供高品質(zhì)的觀賞效果。因此，植物修復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)，必須結(jié)合城市生態(tài)建設(shè)，統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)一布局，選擇的植物類型、植物修復(fù)方案、修復(fù)目標(biāo)等與城市景觀建設(shè)保持協(xié)調(diào)一致。在黑臭水體的治理研究中，人工濕地、生態(tài)浮床等的探索研究對于河道景觀再造提供了思路。黃淑萍等殂“。釘研究了人工濕地對西安皂河中重金屬的截流效率，結(jié)果表明：夏季濕地對重金屬截留效率多集中在50%～80%，春秋截留效率多集中在30%～50%;在濕地截留重金屬過程中，植物貢獻(xiàn)率5%～10%，基質(zhì)和微生物綜合貢獻(xiàn)率89%～94%。不同類型人工濕地對有機物都有較高的去除率，COD的去除率達(dá)70%～75%，BOD5的去除率達(dá)88%～90%。

生態(tài)浮床的設(shè)計靈活，容易與堤岸打造協(xié)調(diào)的河道景觀。生態(tài)浮床是把具有凈水、觀賞及經(jīng)濟價值的高等水生植物或經(jīng)改良馴化后的陸生草本、木本植物移栽到富營養(yǎng)化水體的水面種植，利用可漂浮在水面并能夠承受較大重量的生態(tài)浮板作為載體，通過植物深入水中強大根系的吸收、吸附、截留作用（挺水植物如美人蕉、梭魚草等，浮水植物如水金錢、狐尾藻等），物種競爭相克的機理，以及微生物的生化降解等作用，削減富營養(yǎng)化水體中的N、P及有機物質(zhì)，并以收獲植物體的形式將其搬離水體，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果，是一種行之有效的原位生態(tài)修復(fù)技術(shù)。

李昌等研究了低溫條件下豆瓣菜（NasturtiumDfficinale R.Br.）浮床對養(yǎng)殖廢水的凈化效果，羅固源等刪選取多種浮床栽培植物研究了對水體氮磷凈化效果。上述研究均表明，生態(tài)浮床對于河流水體具有較好的凈化效果。

生態(tài)浮床可根據(jù)河道形態(tài)、走向，以及水體的保護(hù)目標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，能夠較好的與堤岸生態(tài)帶進(jìn)行有效結(jié)合，與城市生態(tài)環(huán)境融為一體。

5黑臭水體植物修復(fù)展望

5.1黑臭水體優(yōu)勢種群的構(gòu)建

城市河道河道黑臭水體因其所處的城市環(huán)境不同，河道水質(zhì)具有一定的差別。在選用植物修復(fù)黑臭水體時應(yīng)充分考慮優(yōu)勢種的選擇，與污染水質(zhì)匹配，最大限度地利用植物表面積吸附、積累主要污染物。植物優(yōu)勢種群的構(gòu)建優(yōu)先選用當(dāng)?shù)匚锓N，避免造成外來物種生物入侵。

5.2植物修復(fù)高富集植物的篩選

目前對于河道重金屬污染的植物修復(fù)主要是通過高富集植物提取，將污染水體中的重金屬離子轉(zhuǎn)移到地上部分，但由于不同種植物的富集系數(shù)不同，因此植物富集重金屬量也呈現(xiàn)顯著差異，從而影響了植物修復(fù)的效果。因此，篩選高富集植物將是未來植物修復(fù)河道污染的重點方向。

5.3黑臭水體植物修復(fù)的協(xié)同研究

植物修復(fù)黑臭水體雖然具有一定的效果，但還應(yīng)從生態(tài)系統(tǒng)的角度考慮河流生態(tài)的重建，包括水生植物與微生物協(xié)同處理水體氮磷元素，增強河道的水力聯(lián)系，強化富氧能力;合理調(diào)整水生植物栽培密度，創(chuàng)建底棲動物的生境等。

6結(jié)語

植物修復(fù)黑臭水體具有成本低、能耗小、治理效果好、對環(huán)境擾動小、有利于恢復(fù)河道生態(tài)景觀的特點，能夠從根本上提高河流生態(tài)功能，恢復(fù)其完整性。但水生植物在后期管理不善，如不能及時打撈沉水植物、不能及時收割挺水植物，容易造成植物腐爛，造成水體二次污染，因此，今后對水生植物修復(fù)黑臭水體，應(yīng)強化運營維護(hù)。