清华大学：城市水环境整治水体修复技术的发展与实践

清华大学：城市水环境整治水体修复技术的发展与实践

清华大学环境学院刘翔

我国城市河流有90%左右受到污染，出现水体滞流、多处于厌氧状态、复氧能力差、淤积严重、透明度低、甚至发生黑臭等现象。由于城市水体污染负荷远远超过城市有限受纳水

—N等污染物严重超标，水生生态系统结构体的环境容量和自净能力，导致河水中COD、NH

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破坏，生物多样性锐减，城市水体的生态功能和使用功能日益衰退，水体修复和水生态功能恢复的难度明显加大，城市河流水环境生态系统处于失衡状态。同时，城市污水中氮磷污染物未经有效去除，又成为城市水体发生富营养化的重要诱因，造成水体生态功能的衰退甚至丧失，水生生态环境的破坏已经成为城市生态文明建设的主要障碍。“有水皆污”、“河道黑臭”已经成为许多城市面临亟待解决的环境顽疾。城市水环境综合整治和水体修复技术是破解上述难题的有效方法，国家重大水专项城市主题在“十一五”期间重点针对城市水体修复技术开展了研究集成和示范应用，突破了44项关键技术，建立了25项示范工程，取得了良好的效果，为我国水体修复积累了技术集成方案和工程实践经验。

1城市水体修复的科学原理与技术思路

城市水体修复技术是指根据生态学和环境学的原理，综合运用水生生物和微生物的方法，使污染水体得到改善或恢复所采用的技术。其特点是充分发挥现有水环境工程的作用，综合利用流域内的湿地、滩涂、水塘、堤坡及水生生物等自然资源及人工合成材料，对城市水域自恢复能力和自净能力进行强化恢复或提升。

生态修复是相对于生态破坏而言的，生态破坏就是生态系统结构和功能的破坏，因而生态修复就是恢复生态系统合理的结构、高效的功能和协调的关系，就是重建受损生态系统的功能以及相关的物理、化学和生物特性。其本质是恢复系统的必要功能并使系统达到自我维持的状态。修复的目的就是要再现一个自然的、能自我调节的生态系统，使它与它所在的生态景观形成一个完整的统一体。但要将一个受损的生态系统的结构与功能恢复到受损前的水平是一项艰巨、困难和漫长的工作。从一定意义上讲，修复又可定义为使受损的生态系统的结构与功能最大限度地接近受损前的水平。就是针对具体受损的生态系统，找出目前环境条件的限制性因素，根据生态工程学原理，对该系统实施种群组建或重建，恢复其原有的生物多样性，使其达到具备自我维持与自我调节的能力。因此，要从生态、社会需求出发，实现

生态修复所期望达到的生态-社会-经济效益；恢复能够达到上述效益的生态系统的结构和功能;通过对系统物理、化学、生物甚至社会文化要素的控制，带动生态系统的恢复，达到自我维持的状态。

基于上述原理，城市水体修复的总体技术思路为：控源为本，调配优先，多元为辅，强化应急，景观共建。

控源为本：城市水体的水质改善应以污染源控制为根本，控源以水环境容量为目标，在此基础上实现水体收纳污染负荷的总量和浓度控制。

调控优先：大多数城市水体最主要的问题是由于生态基流不足而引起的水流缓滞，导致水体的自净能力退化甚至丧失，进而引发一系列的水环境问题。因而水质改善最有效的方法就是通过水系调配或是引入其他水源（例如满足补水水质要求的再生水和城市雨水径流），改善水动力流态，实现水体的良性循环。

多元辅助：在实现控源和调配目标的基础上，可以通过多元生态系统构建、河水充氧、底质控制等辅助技术促进和提升水质改善和生态修复的效果。

强化应急：人工强化处理方法是针对河水（包括循环和旁路）的人工处理技术，通常投资和成本较高，一般常用于需要紧急应对的场合（例如污染事故，黑臭河道等）。

景观共建：城市水体大多具有一定城市景观功能，在采用生态处理技术时，可考虑与景观建设相结合，起到良好的感官效果。

2水体修复技术的研究进展

城市水体修复技术按照治理对象可以分

为河道底质改善、河道生态修复、河流水动

力调控和河水强化处理等4类技术，整体技

术体系构成如图1所示。

城市河流水动力调控技术

自然状况下，河流具有一定的自净能力，水体中的溶解氧足以满足自净过程中微生物分解有机物需要的氧量。但是当水体受到严重污染或超负荷污染时，过量的有机物排入水中，大气复氧不能及时补充消耗的溶解氧，溶解

氧含量大幅降低，出现缺氧或无氧的河段，

从而威胁好氧生物的生存。另外，水体中溶

解氧过低，导致厌氧细菌繁殖，形成厌氧分

解，产生甲烷、硫化氢等气体，发生黑臭问

题。此时，必须采取必要的措施以改善水

质。该类技术包括水量水质调配和曝气复

氧，见图2。

在污染严重的水体中，单靠自然复氧作用，河水的自净过程非常缓慢。故需要采用人工曝气弥补自然复氧的不足。河道人工曝气技术作为一种投资少、见效快、无二次污染的河流污染治理技术在很多场合被优先采用。河道人工曝气技术能在较短的时间内提高水体的溶解氧水平，增强水体的净化功能，消除黑臭，减少水体污染负荷，促进河流生态系统的恢复；另外，河道曝气技术因地制宜，占地面积相对较小，投资省、运行成本低，对周围环境无不良影响，如果与综合利用相结合，还可实现环境效益与经济效益的统一，有利于工程的长效管理。但是要真正发挥河流水体人工曝气复氧技术的实际效益，还必须制订应用该技术的具体方案，得出可行的增氧量、曝气方式、季节最优化组合，并充分考虑城市景观和经济性原则。常用曝气技术特点见表1。

城市河道底质改善技术

在城市河道中，底泥是陆源性入河污染物（营养物、重金属、有机毒物等）的主要蓄积场所。在不同的环境影响（温度、风浪和溶氧等）条件下，底泥既可以净化湖泊水体，也可以因富含污染物而成为潜在的内源性污染源污染水体，增加上层水体污染负荷。底质改善技术则是有效遏制这类内源污染物释放的有效手段，常用的有底质清淤及原位修复技术、景观河道生态修复型底泥疏竣与处理处置技术等。

（1）底质清淤及原位修复技术。

底泥生态清淤采用生态清淤工程将污染最重、释放量最大的上层污染底泥依据环保要求移出水体，避免因河流、湖泊内的底泥释放和动力作用下的再悬浮和溶出后可能造成的河水富营养化和藻类产生和发展问题，从而达到控制底泥释放二次污染的目的。它是控制内源污染效果较为明显的工程技术措施之一。

在采用原位修复技术，利用研发的环境友好型双固定化功能载体及筛选的具有高效净化性能的功能生物，通过河道底质良性生境的构建、定向强化净化及底质基质促进剂的使用，进行污染底质原位生态固化－覆盖联合修复。

（2）景观河道生态修复型底泥疏竣与处理处置技术。

底泥也是水生态系统重要的环境要素之一，其理化特性直接影响水生态系统的结构与功能；可以考虑河湖底泥疏浚与底栖生态重建的优化协同，避免过量疏浚造成的河湖底泥生态支持力下降、疏浚底泥易地处理的环境和经济成本问题，发展可实施精准疏浚的河湖底泥生态修复型疏浚技术。

（3）底质基改造与污染生态修复技术。

从单一的清淤、硬底化、引水冲污、曝气增氧等治理技术研究转为对多项治理技术的集成应用研究，以降低河道治理的投资、运行成本和保证持续稳定的治理效果。对底泥治理技术的研究和应用表明，相对于物理、化学修复，对目前以有机物含量高、Eh 偏低的重污染