城市黑臭水体植物修复技术研究进展

李开军

摘要：指出了黑臭水体的治理是城市生态发展亟需解决的问题，用水生植物修复黑臭水体具有投资成本低、对环境扰动小、污染物降解效果好等优点。探讨了黑臭水体“致黑”、“致臭”的发生机制，阐述了沉水植物、挺水植物修复河道黑臭水体成功经验和研究进展，对未来植物修复黑臭水体，重建河道生态景观进行了展望。

关键词：黑臭水体;水生植物;修复;河道景观

中图分类号：X591文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）16-0114-04

1引言

随着城市化和工业化的发展，城市河道水体黑臭现象明显增多，城市河流生态功能退化，河道生态系统面临着重大挑战，严重影响了城镇居民的生活环境，直接制约了城市生态发展和城镇居民生活饮用水安全。

黑臭水体通常是指散发出刺鼻的气味，呈现黑色或灰黑色，生态功能丧失的水体，黑臭水体的发生主要是由于河道接受了沿线分散式畜禽养殖废水的污染、城镇污水处理场废水超标排放及沿岸居民生活垃圾乱投和雨污混排所致。近年来我国水污染问题已成为社会焦点和研究热点。

目前对于黑臭水体的整治主要有控源截污、内源控制、生态修复、补水活水等措施，其中控源截污主要是从根本上减少入河污染源，对河道水质污染物实施总量控制，是防治黑臭水体的首要条件;内源控制主要是消除河道沉积物、淤泥的内源营养源对水体的二次污染，稳定或净化淤泥污染物的再释放，从而保证水质;生态修复是一种自然的、通过水生生物、底栖动植物、微生物等生态系统的重建，对河道水质进行长期净化;补水活水主要是加强河道水系的连通性，增强富氧能力，从而提高黑臭水体的自净能力。

控源截污因其管道建设投资大，维护保养难度高，在中小城市推广具有一定的局限性;内源控制主要有底泥疏浚、底泥曝气复氧等措施，常规的底泥疏浚容易造成二次污染，且施工工程量大;补水活水虽然提高了河道的自净能力，但引水水源问题常常困扰工程的实施。相比较上述3种方式，生物修复具有投资省、能耗低、效果好、长期稳定的优势。

城市河流由于距离城市工业区、居民生活区较近，水质污染成分复杂，包括非持久性有机污染物、持久性有机污染及重金属污染等，消除黑臭污染需要投入大量的物力财力。考虑到城市河流与城市建设的发展密切相关，河流生态作为城市景观的重要组成部分，植物修复黑臭水体得到了广泛的关注和研究。

2黑臭水体的形成机制研究

目前已有许多学者开展了城市黑臭水体形成机制的研究，水体黑臭的成因是多方面的。涉及的因素较多，包括溶氧、有机污染物、气温等。黑臭水体从感官上来讲主要是黑、臭。

2.1黑臭水体“致黑”机理研究

水体黑臭主要是由于河流受到严重的有机污染时，有机物的好氧降解致使好氧速率大于复氧速率，从而造成水体缺氧，厌氧降解过程中产生硫化氢、胺、氨、硫醇等发臭物质，同时形成FeS、MnS等黑色物质，造成水体发黑发臭。此外水体有机负荷、Fe、Mn等金属污染、底泥污染和水动力条件等环境因素的复杂性，影响了黑臭水体形成的生物化学过程，导致黑臭水体的水质参数指标、颜色、气味等具有差异性。

2.2黑臭水体“致臭”机理研究

在缺氧环境中产臭过程与致黑同步，有机物厌氧分解产生甲烷（CH4）、硫化氢H2S、氨（NH3）等具有异味易挥发的小分子化合物溢出水面进入大气，因而散发出臭味。另外研究人员发现挥发性有机硫化物为主要的致臭物质，主要有甲硫醇、二甲基硫醚、二甲基二硫醚、二甲基三硫醚等。当水体处于厌氧

状态或营养盐相对较高时，水体中存在大量放线菌、藻类和真菌，其新陈代谢过程中会分泌多种醇类异臭物质，也会导致水体发臭。

3河道生态植物修复技术

2003年，美国土木工程师协会（ASCE）将河流生态恢复定义为：河流恢复是这样一种保护行动，其目的是促使河流系统恢复到较为自然的状态，在这种状态下，河流系统具有可持续特征，并可提高生态系统价值和生物多样性。

河道生态修复的技术和方法应根据常规河道整治方法對环境影响的方式、程度的不同而采取不同的修复技术和方法，使河道水体达到国家用水标准，逐步修复河道的生态功能。目前，国内外河道修复的技术主要有河道形态修复技术、河道河堤修复技术、河道河床修复技术、生态护坡修复技术和生态水体修复技术以及人工湿地处理技术等。

水生植物对于水体水质的改善有着重要的作用，其应用成本较低、效果好、简单易行，在河道生态修复工程中得到广泛的应用。近年来，随着不断的工程实践和经验总结，水生植物在河道生态修复工程的应用技术不断成熟。

水生植物之所以对水体和底泥中的污染物具有较好的富集和降解能力，可能是水生植物修复河道，对本已遭受破坏的河流生态系统进行了重建，恢复了水生生物的栖息地，强化了河流生物多样性。

3.1沉水植物水体修复研究

沉水植物的根、茎、叶全部生长在水体的基质中，由于表皮细胞没有角质或蜡质层，能直接吸收水分和溶于水中的氧和其他营养物质，使得它们拥有强大的净化能力。沉水植物的茎叶增加了垂直方向上水生生物的栖息地面积，植物根部可以稳定底质，为攀爬类和营穴类底栖动物提供栖息地，同时也为这类型底栖动物和小型鱼类躲避捕食者提供重要的避难所。

丁玲等口钉选取3种当地优势种轮叶黑藻（Hydril-laverticillata）、苦草（Vallisneria natans）和伊乐藻（Elo-dea nuttallii）作为库区沉水植物，研究沉水植物对水体中氮磷和悬浮物质的净化效果，研究表明沉水植物对试验水体的净化效果以PO4³-P最高，净化率为42.3%±13.9%;其次为对SS的净化率为28.1%±7.7%;对NH4⁺-N、NO3^--N、TN、TP的净化率分别为17.5%±5.1%、11.0%±3.9%、8.2%±3.7%和18.1%士4.1%，沉水植物对水体中氮磷和悬浮物质的净化效果明显，且沉水植物的生物量与净化效果表现出显著的正相关关系。乔云蕾等研究发现苦草（Vallisneria na-tans（Lour.）Hara）、黑藻（Hydrilla verticillata（Linn.f.）Royle）和金鱼藻（Ceratophyllum demersum L.）等3种沉水植物对水体底泥中的重金属污染具有较好的去除效果，3种沉水植物对重金属Cd、Zn都具有较高的富集能力，生物富集因子大于1。陈国梁等研究了黑藻（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体中的重金属Cd、As、Pb与Ca之间的交互作用，结果表明，沉水植物中Cd、As、Pb之间均为正相关。但都与Ca呈负相关，Cd、As、Pb在植物体中的富集会影响沉水植物对Ca的吸收，从而可能对其正常的生理活动产生影响。

沉水植物对于水体及底泥中重金属的吸收具有较好的效果，同时莫家勇的研究表明，沉水植物能抑制沉积物中磷的释放，提高沉积物对磷的滞留能力，从而降低水体磷含量，改善水质。

3.2挺水植物水体修复研究

挺水植物的根、根茎生长在水的底泥之中，茎、叶挺出水面，挺水植物本身通过吸收水中的富营养物为生，尤其是聚集生长的挺水植物，为水域中的微生物创造了良好的寄生环境，而这些微生物又以水域中的营养物质为食源，从而提高了微生物的成活率，有利于加速挺水植物对于营养盐成分的吸收和净化，从而可以降低水域中的富营养元素。

孙瑞莲等选取宽叶香蒲（Typha lati folia L.）、茭白（Zizania lati folia Turcz.）及黄花鸢尾（Irispseudacorus L.）研究了挺水植物对污染水体中COD、TN和TP的净化效率，研究表明：同一浓度污水处理下，各植物对COD的去除效果均无显著差异，黄花鸢尾对TP的去除效果最好，茭白对TN的去除效果表现最佳。随着污水浓度的增加，选取的挺水植物可通过调节抗氧化酶系统和脯氨酸的合成来减少逆境胁迫引起的氧化伤害，高污染负荷水体对3种植物有胁迫作用。上述研究结果与裴淑兰等。研究具有相似性，虽然苯胁迫对耐水湿观赏植物有一定的抑制作用，但水生植物可通过体内保护酶体系和渗透调节能力来抵御苯的胁迫，使其保持或恢复正常的叶绿素水平、光合能力，防止细胞因膜质过氧化程度加剧而受到伤害。

3.3沉水植物生物炭的研发应用研究

沉水植物虽然对水质具有较好的净化效果，但在实际种植和管理过程中如出现过度生长，则会对水质、水生生态系统以及水体的功能造成严重的危害。如何处理好沉水植物的过度生长以及沉水植物的打捞利用也是当前研究的热点。沉水植物作为河道生态修复的关键物种，量大源广，可以作为生物炭的制备原料，且制成的生物碳对于水体中的Cr6⁺和磷具有较好的吸附效果。沉水植物制备生物炭具有价格低廉、安全、吸附能力强的多种优点，是解决沉水植物腐败导致水体污染的有效途径。

3.4植物组合新技术水研究

底泥沉积物的治理对于消灭黑臭水体至关重要，可减少二次污染的风险。朱娟平等尝试将水生植物引入微生物燃料系统，研究植物修复黑臭水体底泥与产电性能，取得了较好的实验效果：植物微生物燃料电池（P-MFC）在产电过程中抑制了领的迁移，有助于底泥中磷的稳定。

4黑臭水体植物景观再造

城市河流是城市生态环境的重要组成部分，良好的河道生态系统既可以起到河道防护、城市绿化的作用，又可以为市民和游客提供高品质的观赏效果。因此，植物修复河道生态系统，必须结合城市生态建设，统筹规划，统一布局，选择的植物类型、植物修复方案、修复目标等与城市景观建设保持协调一致。在黑臭水体的治理研究中，人工湿地、生态浮床等的探索研究对于河道景观再造提供了思路。黄淑萍等殂“。钉研究了人工湿地对西安皂河中重金属的截流效率，结果表明：夏季湿地对重金属截留效率多集中在50%～80%，春秋截留效率多集中在30%～50%;在湿地截留重金属过程中，植物贡献率5%～10%，基质和微生物综合贡献率89%～94%。不同类型人工湿地对有机物都有较高的去除率，COD的去除率达70%～75%，BOD5的去除率达88%～90%。

生态浮床的设计灵活，容易与堤岸打造協调的河道景观。生态浮床是把具有净水、观赏及经济价值的高等水生植物或经改良驯化后的陆生草本、木本植物移栽到富营养化水体的水面种植，利用可漂浮在水面并能够承受较大重量的生态浮板作为载体，通过植物深入水中强大根系的吸收、吸附、截留作用（挺水植物如美人蕉、梭鱼草等，浮水植物如水金钱、狐尾藻等），物种竞争相克的机理，以及微生物的生化降解等作用，削减富营养化水体中的N、P及有机物质，并以收获植物体的形式将其搬离水体，从而达到净化水质的效果，是一种行之有效的原位生态修复技术。

李昌等研究了低温条件下豆瓣菜（NasturtiumDfficinale R.Br.）浮床对养殖废水的净化效果，罗固源等删选取多种浮床栽培植物研究了对水体氮磷净化效果。上述研究均表明，生态浮床对于河流水体具有较好的净化效果。

生态浮床可根据河道形态、走向，以及水体的保护目标进行相应的设计，能够较好的与堤岸生态带进行有效结合，与城市生态环境融为一体。

5黑臭水体植物修复展望

5.1黑臭水体优势种群的构建

城市河道河道黑臭水体因其所处的城市环境不同，河道水质具有一定的差别。在选用植物修复黑臭水体时应充分考虑优势种的选择，与污染水质匹配，最大限度地利用植物表面积吸附、积累主要污染物。植物优势种群的构建优先选用当地物种，避免造成外来物种生物入侵。

5.2植物修复高富集植物的筛选

目前对于河道重金属污染的植物修复主要是通过高富集植物提取，将污染水体中的重金属离子转移到地上部分，但由于不同种植物的富集系数不同，因此植物富集重金属量也呈现显著差异，从而影响了植物修复的效果。因此，筛选高富集植物将是未来植物修复河道污染的重点方向。

5.3黑臭水体植物修复的协同研究

植物修复黑臭水体虽然具有一定的效果，但还应从生态系统的角度考虑河流生态的重建，包括水生植物与微生物协同处理水体氮磷元素，增强河道的水力联系，强化富氧能力;合理调整水生植物栽培密度，创建底栖动物的生境等。

6结语

植物修复黑臭水体具有成本低、能耗小、治理效果好、对环境扰动小、有利于恢复河道生态景观的特点，能够从根本上提高河流生态功能，恢复其完整性。但水生植物在后期管理不善，如不能及时打捞沉水植物、不能及时收割挺水植物，容易造成植物腐烂，造成水体二次污染，因此，今后对水生植物修复黑臭水体，应强化运营维护。