新型“船式”水体生态修复装置研究

唐国明，田欣欣＊，王铁铮，解庆平，赵浩宁，翟华宁，许丹宇

（1.天津市联合环保工程设计有限公司，天津 300191；2.中国环境保护产业协会水污染治理专业委员会，北京 100045；3.天津市生态环境科学研究院，天津 300191）

1 河流湖泊生态污染的现状

水污染加剧了水资源的短缺，直接威胁饮用水安全和人民身体健康，并且影响工农业生产、农作物的安全[1]。水污染防治已成为国民经济可持续发展的关键保障[2]。在河流和湖泊中，污染表现为发黑、水体混浊、发臭以及在水面上漂浮垃圾。如果湖泊或者城乡河流受到了污染，那么水体质量就会下降，就会造成水体环境的不均衡，最为严重的是将丢失本来所具有的环境功能。早期在发达国家和一些发展中国家都是采取切断污染源的方式来治理湖泊污染[3]。

2 水体生态系统修复技术的现状

生态系统修复是指通过一系列措施，将已经退化的水生生态系统恢复到原来的水平，使水生生态系统具有较高的生态耐受性。湖泊生态系统修复的最终目的是通过一系列措施，使系统恢复或修复到一个可接受的、可长期自我维持的、稳定的状态水平，创造出自然的、可自我调节的、与所处区域完全融合的系统，从而降低水体生态系统的退化速度[4]。水体生态修复一般采用人工干预的方式，包括物理环境条件下的重建干扰、原位处理等。通过修复生态系统，提高生态系统对外部环境变化的抵御能力，提高生态系统自身的修复能力[5]。

2.1 增氧曝气技术

现有的恶臭水体修复设备有太阳能增氧系统、鱼塘增氧机、微孔曝气增氧机等，但这些设备存在功能单一、技术不系统、使用效果不明显等问题。

（1）太阳能增氧系统

太阳能增氧系统的优点在于能实现能源自给、管理自给、控制自给，运行成本几乎为零，符合节能减排的要求。系统利用太阳能供电，驱动水底气液混合装置搅动水体，形成纵向和横向水流[6]。

（2）鱼塘增氧机

鱼塘增氧机的优点是设备简单、使用方便、能实现快速增氧。其缺点是：1）需要单独的电源驱动，使用条件受到一定限制，同时也存在一定的安全风险；2）推流增氧的水流速度快，噪声较大[7]。

（3）微孔曝气增氧机

微孔曝气增氧机的工作原理是在风机的带动下产生高压气体经管道输送到各个微孔曝气盘，并产生大量微细气泡从管壁溢出，形成雾化气流从水体底部向四周扩散，在扩散过程中释放氧气，可解决传统增氧机解决不了的底层溶解氧低的问题[8]。

2.2 微生物修复技术

微生物是生态系统中的分解者。生物修复是在一定条件下，利用特定的生物彻底降解环境中的污染物，从而达到治理污染环境的目的[9]。微生物修复对有机污染较重的城市河道而言，具有得天独厚的优势。

在我国城市水环境治理中，目前有两大类技术是微生物修复的常用技术。一类是将一种或多种经过培养筛选的微生物菌种直接投放到受污染的河道水体中。应用的微生物制剂主要有美国的Clear-Flo系列菌剂，日本的LLMO生物活性液、有效微生物菌群，中国的光合菌、硝化菌等，在治理方面取得了一定成效。另一类是将促进“土著”微生物生长和对污染物起代谢作用的微生物促生剂投放到受污染的河道水体中，以达到净化水质的目的[10]。高岩等[11]采用微生物制剂对白洋淀水陆交错带进行研究，微生物制剂对上覆水CODCr的降解率高达33.57%、对TP的降解率高达83.33%、对TN的降解率高达42.98%。

2.3 水生植物净化技术

水生植物是城市景观建设中的关键要素，主要包括挺水植物、浮叶植物、漂浮植物和沉水植物等，其不仅具备极高的观赏价值，还具有强大的生态功能[12]。何君[13]把太湖流域污水处理厂尾水作为对象，构建人工湿地研究水生植物对N、P等指标的去除效果，研究表明，再力花、香蒲对NH3-N的净化效果较好，四季鸢尾对COD的净化效果较好，在高温季节，圆币草对TN、TP的去除率均达70%以上。宋涛等[14]通过静态模拟试验探究旱伞草、黄菖蒲、再力花、美人蕉和鸢尾这五种挺水植物对水体C、N的去除效果，研究表明，这5种挺水植物对CODCr的去除率为56.76%—80.58%，对NH4+-N的去除率为84.33%—97.69%，对TN的去除率为77.92%—92.90%，其中旱伞草对NH4+-N和TN的去除率最高，分别为97.69%、92.90%。

3 新型水体生态修复装置

为了解决恶臭水体问题，研究人员设计了一种一体化新型“船式”水体生态修复装置。该装置通过整合优化现有技术的各方面优点，将微孔曝气增氧、微生物菌剂释放、水生植物净化等技术集为一体，系统地进行水体生态修复。新型的水体生态修复装置为整体呈船舶形态的浮式结构设施（见下图），该装置由主船体、增氧曝气系统、菌剂释放装置、浮游植物系统、太阳能系统五个部分组成[15]。

水体生态修复装置侧视、俯视图

主船体是该水体生态修复装置的主要载体，包括设备舱、主甲板、植物种植槽、保护支架和微生物菌剂释放舱。植物种植槽位于主船体四周，其底部和外侧开设足够的微细孔洞，便于水体进入植物种植槽内，并保证槽内外水体的有效流通与交换。浮游植物根据所净化修复的水体环境进行选择，种植在植物种植槽内的卵石培植土上，部分处于水位以下，改培植土也需要根据所选择的浮游植物品种和所修复的水生态环境进行具体的专业化设计，以确保修复效果。微生物菌剂释放舱位于主船体的四个角部，其上方无盖，下方整体开洞镂空，外侧面开设足够的洞口，以保证水体能进入微生物菌剂释放舱且水体内外交换顺畅。菌剂释放盒底部与水体接触，固态化的菌剂球缓慢溶解释放进入水体，实现水体的微生物培育，起到净化水体、修复水体生态的作用。植物的根部亦可作为微生物生长的载体，在微孔曝气下共同作用实现水体净化。

与现有技术相比，该装置的优点是：改变了现有水体净化设备功能单一、效果欠缺的问题，将微孔曝气增氧、微生物菌剂释放、水生植物净化等技术集为一体，达到系统进行水体生态修复的目的，提高了水体净化效率。该装置为太阳能供电，具有绿色、环保、节能的特点，改变了以往人工投菌的方式，通过缓慢的菌剂释放装置可实现均匀慢速的投菌，效果更佳。该装置注重整体的观感效果，具备观赏价值，能充分融入使用环境的生态景观，而且可实现远程控制，无须人工管理。

4 展望与应用前景

新型“船式”水体生态修复装置通过整合优化现有技术的各方面优点，将微孔曝气增氧、微生物菌剂释放、水生植物净化等技术集为一体，在工程实践中可系统地进行水体生态修复，提高了水体净化效率。该装置可实现太阳能供电、自动投菌、远程控制设备启停，具备较好的观感，为湖泊、河流、坑塘等水体生态修复提供了一种可行方案。