城市水体水污染生态修复的综合治理方法

摘要

本发明实施例公开了一种城市水体水污染生态修复的综合治理方法，属于水污染治理技术领域。一种城市水体水污染生态修复的综合治理方法包括水生植物群落修复和动物群落修复。本发明的综合治理方法能够实现空中、水面、水下立体式的生物多样性，逐步恢复水生态环境，基于“食物链”原理的生物调控技术，从完善食物链初级生产者、消费者、分解者开始，通过不同生物消化和吸收内外污染源，增加水体中生物多样性，促进水体中有机物的降解，并有助于水体增氧，能够有效地消除水体污染，恢复并持续提升水体的自净能力，对污染水体进行修复，同时提高生态修复的空间和时间的稳定性。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及水污染治理技术领域，具体涉及城市水体水污染生态修复的综合治理方法。

背景技术

城市的社会经济系统依赖于城市水体所提供的各种功能，例如受纳功能、生态功能、景观与美化功能等，因此，健康的城市水环境是城市可持续发展的重要保障。但随着我国经济的快速发展，以及人民生活水平的不断提高，工农业废水和生活污水的排放量逐年增加，使得城市水体受到了严重的污染。城市水体严重污染带来的水环境恶化问题不仅影响着城市的正常发展，对城市居民的健康和城市生态安全也构成了严重威胁。

城市水体污染的治理及修复技术包括：物理法治理水体技术，如截污分流、引水冲污、底泥疏浚和曝气复氧；化学法治理水体技术，如化学除藻、重金属的化学固定。CN105858898A公开了一种水体生态修复方法，包括以下步骤：先清洁水面，接着分别种植沉水植物、挺水植物和浮叶植物，并投放水生动物。该技术提供的水体修复方法是采用植物毯原位覆盖法处理水底淤泥，挺水植物以无污染粘土固定根系，浮水、挺水植物采用投放式种植方法，提供的水生植物能够为微生物提供附着共生空间，为水生动物提供食物来源，当水生植物生长稳定时投以鱼贝类，形成快速简易的水体森林系统，不仅可以达到固定水底淤泥，修复自然生态环境，保持水质持久清澈的效果，同时还可以为鱼类及鸟类提供栖息场所，形成一定河流景观。CN111517597A公开了一种黑臭水体底泥原位修复方法，该方法包括如下步骤：向黑臭水体内投加活化后的反硝化菌、光合细菌与枯草芽孢杆菌；对黑臭水体内投放微生物活化成分并进行曝气2-3小时；完成步骤S2后，静置1-2小时后，向黑臭水体内加入等比例混合的第一修复包材(10)和第二修复包材(20)，边投入边对水体搅拌。

虽然现有技术中存在对水体的生态修复方法的研究，但是现有的治理及修复技术存在实施难度较大、成本较高、可能导致二次污染、以及对水生生态系统产生不良的影响等缺陷。

因此，建立城市水体的治理方法以解决城市水体水质污染问题，恢复水体的生态功能和社会功能，从而确保城市可持续发展。另外，现有生态治理的一个重要问题就是当前的治理工作通常集中在植物或动物上，两种方法之间的整合、协同治理有限。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种城市水体水污染生态修复的综合治理方法，该方法的核心是利用生物群落吸收、降解、转化土壤和水体中的污染物，从而促进水体生态重建，增加生物多样性，最终实现对水体的修复及治理。

本发明从更加重视生态系统的关键功能的修复，动植物的相互作用出发，弥补基于植物和动物的方法之间的差距带来的不利影响，并为水体的生物多样性带来长期利益。

其原理主要是基于食物链中的捕食关系，通过提高或降低某个高级生态位物种的生物量来改变水体中的生物群落结构，对水体造成污染的物质进行有效的回收和资源利用，同时实现水质净化效果。利用水生动植物对水体中有机和无机物质的吸收和利用来净化污水。水生动物以水体中的细菌、藻类、浮游动物、有机碎屑等为食，能够有效减少水体中的悬浮物，提高水体透明度。种植和投放数量合适、物种配比合理的水生动植物，能够延长生态系统的食物链、提高生物净化效果。

生命力顽强的长期植被修复能够建立幼苗并恢复生存。动植物之间的相互作用通过相互影响(如植物的授粉和种子传播)和“自上而下”的捕食(如食草动物、肉食动物等)会影响生态修复过程。例如，大多数果肉类植物物种的种子通常被许多吃水果的物种食用和分散，但这一过程可以通过小型食肉动物(如鸟类)的回归而逆转。

本发明另一个突出的贡献在于，对所述浮床/浮岛的设计。结构上，实现水面上下生态循环的功能：水面上的植被向上生长，吸引昆虫授粉，水面下同一植被的根系向下发展，给鱼类提供栖息和食物。材料构成上，采用惰性弹性体环保材料，具有不易损坏、耐候性好、生态性能好等优点，满足所述浮床/浮岛的长期使用、四季适用的功能。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种城市水体水污染生态修复的综合治理方法，包括水生植物群落修复和动物群落修复，其特征在于，水生植物与动物在水体生态系统的时间和空间上相互作用、相互协同。

在一个优选的实施例中，所述方法包括：

S1、对污染水体进行水生态调查与评估，根据污染源特性、水质/底泥特征、修复目标、功能要求、建设投资、运行成本和资源化利用因素确定生态修复方案；

S2、近岸修复

沿生态岸坡两侧在常水位以下深度小于30厘米的范围内种植挺水植物，挺水植物外侧种植沉水植物，硬质挡墙区域沿岸边布置生态浮床/浮岛；

S3、污染水体修复

通过对水生植物进行调控和配置，从群落配置、合理布局与景观美学实现水生植物配置的层次感和立体感，形成挺水植物-浮水植物-沉水植物的梯度化分布；按比例合理投放水生动物进行食物链调节，促进水生态系统的稳定。

优选的，所述浮床/浮岛的形状设置为矩形或圆形；浮床/浮岛包含两个锚定构件用来限定浮床/浮岛的漂浮范围，第一锚定构件一端连接浮床/浮岛，另一端连接沉入水体底部的重物；第二锚定构件一端连接浮床/浮岛，另一端连接在已嵌入水体底部内壁中的锚定物；浮床/浮岛水面以上部分铺设绿色草坪，种植根系发达的植物，浮床/浮岛的支撑主体选择含有贯通筛孔的惰性弹性纤维材料，所述植物的根系也通过所述筛孔延伸至水面下，供鱼类栖食。

优先的，所述惰性弹性纤维材料，包含以重量分数计算的如下成分：2-10％环氧树脂，6-10％聚氨酯树脂，5-10％丙烯酸酯树脂，10-20％二氧化硅纳米纤维，5-10％碳纤维，40-70％聚对苯二甲酸乙二酯。

步骤S2中，使用生态护岸技术修复近岸，即采用自然方法维持或恢复自然护坡的护岸形状，利用乔木、灌木和水生植物的发达根系来固定岸坡。

作为优选，也可以采用硬质驳岸生态种植箱技术在硬质陡坡边种植挺水植物。该方法不仅可以绿化、美化水体，而且通过它们吸收、转化和输出水中的营养盐，减少入河水体的光通量，从而抑制浮游藻类的生产，增加河水的透明度。

作为优选，步骤S3中，可进一步，可控地投放小型食肉或杂食动物(如鸟类或鸭类)。有了这些食肉动物，能够更加容易可控地实现修复目标。其次，以动物为基础的修复活动可返回更合理的动物群体，同时对于修复原生植被可能是也是有效的。因为，这些食肉动物的存在，为了对于食草动物，如昆虫以及鱼类，的无限制生长，能起到合理的抵制作用以及对于植物的衰落起恢复作用，进而保护整个生态系统的修复效果。这种可控的、人为的对于食肉动物的投放，可以极有效地加强生态水体中的动物和植物的相互作用，恢复水体的功能。

在一个优选的实施例中，投入的食肉动物，区别于水生动物以及大型的脊椎动物或哺乳动物，以小型水鸟类动物为主，如鸻鹬类，包括小型的翠鸟科。因为这种鸟类一是可以有效地抵制生态水体内鱼类及植物的泛滥，还能避免水生食肉动物或杂食动物对水体过度的不利影响，如水中排便引起的污染及富营氧化。

在一个优选的实施例中，所述生态浮床/浮岛以轻质材料为载体，分为五代产品，第四代以PET、PP为主，是目前国内市场的主力军。第五代为新材料浮岛，植物的根系可以和浮岛材料融为一体，材料为中空管状结构，能够形成良好的水体微动力循环。将水生植物栽植在载体内，植物根系吸收水中N、P等营养物质，同时释放出化合物来抑制藻类的生长，从而到达净化水质的目的。常见的栽植植物有：芦苇、香蒲、水葱、荷花、茭白、千屈菜、美人蕉等。浮岛单块边长1-5米不等，可拼接使用，形成各种效果。除净化水质作用外，浮岛还具有消波、创造生物栖息空间、提升景观品质等作用。

步骤S3中，水生植物有利于封闭底泥，吸收水体中部分营养盐和有害物质，降低污染水体中的氮、磷浓度，从而达到净化水质的目的。通过对水生植物进行调控和配置，从群落配置、合理布局与景观美学等方面对实现水生植物配置的层次感和立体感，形成挺水植物—浮水植物—沉水植物的梯度化分布，构建别具特色的立体水岸景观和水体空间景观。各类水生植物分别占据不同的空间生态位，能适应不同水深处的光照条件，保持相对稳定。

特别是沉水植物能够防止底泥再悬浮而降低透明度有利保持河水清澈，吸收、转化、积累底泥及河水中的有机质及降低水中营养盐浓度，抑制浮游藻类的生长，从而防止水体富营养化。这些植物通过光合作用释放氧，起到增氧作用，防止水体黑化，改善一些动物的生活条件，增加动物的种类和数量，及动物迁移、转化和输出的途径和输出的数量，增强其对水体的净化能力。

水生动物主要是通过细胞膜进入体内，通过呼吸道、消化道、皮肤等途径吸收和迁移污染物污染物。按比例合理投放鱼、虾、螺、贝等水生动物进行食物链调节，促进水生态系统的稳定。尤其是利用水体生态系统食物链中淡水贝类(蚌、螺)和鱼类，直接吸收营养盐类、有机碎屑、浮游植物和浮游动物，这些水生动物就像小小的生物过滤器，昼夜不停地过滤着水体。

在一个优选的实施例中，在治理城市水体之前，根据污染水体污染特性、土地利用状况采取污染源控源截污或适当河道清淤曝气的前处理措施。

对主要污染源进行控制后，仍有一定分散污染源不断进入城市水体的风险，如在洪水季节，以及其他突发性环境事件影响下，仍存在大量污染物短期集中进入水体的风险；为防控上述风险，在控源的基础上采取更进一步的治理控制措施-生态修复技术，恢复水体的自净能力。

在一个优选的实施例中，所述污染水体修复中，首先在需要种植沉水植物的区域栽种沉水植物，然后蓄水投放淡水贝类，接着栽种挺水植物、浮叶植物和漂浮植物，立即先行投放滤食性鱼类和杂食性鱼类，以控制水体中的浮游植物、浮游动物和有机碎屑，待水生植物长到一定生物量后，根据水生植物的生产量以及需要控制的植物密度适当投放少量的草食性鱼类，待水体中鱼类较多时再投放部分肉食性鱼类。

其中：所述沉水植物大部分生活周期内营养体全部沉没水中，植株扎根基底，包括金鱼藻、狸藻、眼子菜、狐尾藻、苦菜、黑藻；所述挺水植物根生泥中，下部或基部在水中，茎、叶等光合作用部分暴露在空中，包括芦、蒲草、荸荠、莲、水芹、茭白荀、荷花、香蒲；所述浮叶植物扎根基底，光合作用部分仅叶漂浮于水面，包括睡莲、水鳖、荇菜、芡实；所述漂浮植物，与浮叶植物相比，整个植物体悬浮于水面，根沉水中，但不接触基底，包括满江红、清萍、水萍、水芙蓉。所述滤食性鱼类和杂食性鱼类包括黄鲢、白鲢鱼、餐条；所述草食性鱼类包括鳊鱼、草鱼；所述肉食性鱼类包括黑鱼、桂鱼。

本发明的技术方案具有如下技术效果：

本发明的综合治理方法能够实现空中、水面、水下立体式的生物多样性，逐步恢复水生态环境，基于“食物链”原理的生物调控技术，从完善食物链初级生产者、消费者、分解者开始，通过不同生物消化和吸收内外污染源，增加水体中生物多样性，促进水体中有机物的降解，并有助于水体增氧，能够有效地消除水体污染，恢复并持续提升水体的自净能力，对污染水体进行修复。同时，除了水生动物以外，还能够通过鸟类非水生动物来控制生态体系的空间稳定性，以及引入一些长期的植物来延续生态体系的时间有效性。另外，浮床/浮岛的的巧妙设计，实现了水面上下生态系统立体循环的功能以及采用惰性弹性体环保材料，满足了浮床/浮岛的长期使用、四季适用的功能。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例的具体方案可以设计如下：

S1、在治理城市水体之前，根据目标污染水体污染特性、土地利用状况采取污染源控源截污或适当河道清淤曝气的前处理措施。然后对污染水体进行水生态调查与评估，根据污染源特性、水质/底泥特征、修复目标、功能要求、建设投资、运行成本和资源化利用因素确定生态修复方案。

S2、近岸修复

沿生态岸坡两侧在常水位以下深度小于30厘米的范围内种植挺水植物，芦、蒲草、莲、水芹，比例为1：1：1：1。挺水植物外侧种植沉水植物，如金鱼藻、狸藻、眼子菜、狐尾藻、苦菜、黑藻，比例为1：1：1：1：1：1。硬质挡墙区域沿岸边布置生态浮床/浮岛，栽植在内的植物按覆盖率分布，包括芦苇15％、香蒲14％、水葱15％、荷花22％、茭白16％、千屈菜10％、美人蕉8％。

硬质挡墙区域沿岸边布置生态浮床/浮岛设计中，植物的根系可以和浮岛材料融为一体，材料为中空管状结构，能够形成良好的水体微动力循环。将水生植物栽植在载体内，植物根系吸收水中N、P等营养物质，同时释放出化合物来抑制藻类的生长，从而到达净化水质的目的。

浮床/浮岛的形状设置为矩形或圆形；浮床/浮岛包含两个锚定构件用来限定浮床/浮岛的漂浮范围，第一锚定构件一端连接浮床/浮岛，另一端连接沉入水体底部的重物；第二锚定构件一端连接浮床/浮岛，另一端连接在已嵌入水体底部内壁中的锚定物；浮床/浮岛水面以上部分铺设绿色草坪，种植根系发达的植物，浮床/浮岛的支撑主体选择含有贯通筛孔的惰性弹性纤维材料，所述植物的根系也通过所述筛孔延伸至水面下，供鱼类栖食。

惰性弹性纤维材料，包含以重量分数计算的如下成分：2-10％环氧树脂，6-10％聚氨酯树脂，5-10％丙烯酸酯树脂，10-20％二氧化硅纳米纤维，5-10％碳纤维，40-70％聚对苯二甲酸乙二酯。

S3、污染水体修复

首先在需要种植沉水植物的区域进行沉水植物种植，然后蓄水投放淡水贝类，如河蚌和螺蛳，投放的淡水贝类需要能够适应本地水体底质，否则很快就会死亡。如背瘤丽蚌、洞穴丽蚌、圆顶珠蚌等适宜土质底，河蚬喜砂质底等。同时要注意，在高密度种植沉水植物的区域应少投放蚌类，因这些区域容易缺氧且浮游类饵料常常不足，不利于蚌类的生存，但是这些区域特别适宜于螺类的生存，螺类附着在水草上不断的刮食其表面的有机碎屑。贝类按照等比例投放不同种类。

淡水贝类投放完毕后，栽种挺水植物、浮叶植物和漂浮植物，可立即先行投放滤食性鱼类和杂食性鱼类，如黄鲢、白鲢鱼、餐条，控制物种比例相等，用以控制水体中的浮游植物、浮游动物和有机碎屑，快速提升水体透明度，浮叶植物和漂浮植物可选择菱、槐叶萍、凤眼莲和浮萍，控制密度不超过5株/平方米。然后待水生植物长到一定生物量后，根据水生植物的生产量以及需要控制的植物密度适当投放少量的草食性鱼类，如鳊鱼、草鱼。待水体中小杂鱼等鱼类较多时再投放部分肉食性鱼类，如黑鱼、桂鱼，但是一般城市水体不要投放底层鲤鱼与鲫鱼等，这些鱼类极容易在觅食过程中搅浑水体，让水体透明度极低。鱼类的投放数量按等比例的不同种类投放，投放密度控制为200-300/亩。

滤食性鱼类，如鲢、鳙鱼能够有效地去除水体中浮游藻类及浮游动物，从而使水体的透明度增加。淡水贝类中的蚌类主要滤食水体中的浮游植物和浮游动物及有机碎屑，滤水率和摄食量都很大。而其中的螺类主要刮食固着藻类，同时分泌促絮凝物质，使湖水中悬浮物质絮凝，因此能够加速悬浮物质的沉降，促使水变清。两者加速有机质的循环作用，进而优化水质条件。鱼类的投放数量按等比例的不同种类投放，投放密度控制为200-300/亩。

进一步，在水体周围的大型植被上投放小型翠鸟，控制数量为20-50只/亩。

本综合治理方法经多次现场试验，效果良好。

在安徽省芜湖市繁昌县城区黑臭水体综合治理项目中应用了该方法，治理前是黑臭水体(表1)，治理后满足住建部《城市黑臭水体整治工作指南》消除黑臭指标要求(表2)。水体水质指标修复后达到消除黑臭水体标准，主要指标参见表3。

表1治理前水体指标

表2治理后水体指标

表3城市黑臭水体污染程度达标标准

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。