摘要: 随着城市工业化发展，城市景观水体污染日益加重，水体修复技术选择及其影响成为当今环境工程领域的热点问题。本文通过总结目前城市景观水体的水质污染指标特征，对比分析了景观水体修复的物理法、化学法和生物生态技术，明确了人工湿地及生态浮岛技术在处理景观污染水体时的优势，同时也说明了该工艺存在产生受污染水生植物废弃物的问题。为此对该类生物质废弃物的处置技术，包括压缩、堆肥、焚烧及热处理等，进行了技术和经济的分析，为城市景观水体生态修复技术的推广应该提供技术支持。
Abstract:
With the development of urban industrialization, the pollution of urban landscape water bodies is becoming increasingly severe, and the selection and impact of water restoration technologies have become a hot topic in the field of environmental engineering today. This article summarizes the characteristics of water quality pollution indicators in urban landscape water bodies, compares and analyzes the physical, chemical, and biological ecological technologies for landscape water body remediation, clarifies the advantages of artificial wetlands and ecological floating island technologies in treating landscape polluted water bodies, and also illustrates the problem of producing contaminated aquatic plant waste in this process. For this purpose, a technical and economic analysis was conducted on the disposal technology of this type of biomass waste, including compression, composting, incineration, and heat treatment, to provide technical support for the promotion of urban landscape water ecological restoration technology.
1. 引言
人类世代逐水而居，水体元素在城市景观建设中占据了重要的位置。城市景观水体主要分为天然和人工建造水体两大类，水体类型包括天然河流和湖泊，人工河渠、湖塘。水体景观是城市公众文体娱乐和亲近自然的场所，一些水体景观本身就是极具社会经济效益的旅游观光胜地。另外，城市景观水体可减弱城市热岛效应，具有防洪、蓄洪和泄洪功能，缓解洪涝灾害 [1] 。
然而，随着城市工业化进程的发展，受点源、面源、内源的复合污染影响，超出了水体自净能力，致使水体发黑、发臭，影响水体的生态景观功能。目前，大多数城市已经将河道、湖泊污染治理视为城市环境整治的首要任务，也是“山水林田湖草沙”生命共同体守护的重要环节 [2] 。
2. 城市景观水体的水质污染指标特征
城市湖泊具有面积较小、水流动性较差、人类活动影响大等特点，因此其自身水环境容量小，生态脆弱，自净能力差，易破坏不易治理。居民生活和水体中鱼类养殖的影响、雨水冲刷地面带来的污染和空气中飘尘的沉降，以及树叶、垃圾等的散落，极易造成水中悬浮物增多、透明度降低。在温度较高时，富含N、P等营养元素的水体还会滋长藻类，使水体呈现明显的绿色。水体色度一般可达几十度甚至上百度，并伴有明显的鱼腥味，有时甚至造成水体发黑发臭，丧失了景观水体的功能。另外，城市公园或小区中的人工湖泊和水池由于设计的不科学，经常会出现死角，而死角中的水缺乏流动，往往最容易恶化。
表观水质指标对于城市景观水体水质评价具有重要的意义，如黑臭河道的描述也是基于表观指标的。表观指标主要包括透明度、浊度和色度，其中色度包括表面色度和真色度，前者是由于水中溶解及悬浮物共同作用的结果，而后者为去除悬浮固体水的颜色。影响水体表观指标的主要因素包括季节变化、悬浮固体(SS)、浮游生物、有机质、温度、pH、营养元素、风、波浪等等 [3] 。
有研究采用结构方程模型(SEM)对风景名胜区七处水体的水质指标进行了分析，模型中考虑了12项水质指标参数，包括水中颗粒粒径、D90、NO3− −N、TN、TP、NO2− −N、DO、pH、Chla、SS、COD和温度。分析结果发现风景水域的透明度、浊度和表面色度均主要受颗粒物的影响，悬浮固体浓度(SS)是影响其他感官指标的关键因素。水体中SS与浊度、表面色度和透明度的相关性R2分别为0.92、0.89和0.79 [4] 。
有研究按照污染物的性质，将景观水体的表观污染类型分为4类：有机主导型、无机主导型、营养主导型和混合型 [5] 。
有机主导型表观污染水体主要由有机物引起，水体中有机物污染物引起了溶解氧(DO)的消耗，发生氨化、缺氧及厌氧生化反应，产生氨气、硫化氢等具有刺激性气味气体，同时硫离子会与水体中金属离子(铁、锰)生成硫化物，导致水体黑臭等现象。
孙慧群等研究发现，水体的ORP值可以反应其还原性及黑臭物质产生状况。考虑水质指标测定的简便性及可操作性，将ORP值作为有机主导型(黑臭)表观污染水体的特征指标 [6] 。
水体中的藻类会发生自解，导致水体中有机物大量增加，水华水体会转化为黑臭水体，因此也将其归为有机主导型。水华水体的主要污染物质为藻类，直接测定藻类含量较为困难，藻类浓度P (Chl-a)的变化可反映藻类的总生物量变化规律，因此选择P (Chl-a)作为特征指标。
无机主导型表观污染水体主要由无机颗粒(泥沙等)引起，浊度偏高，水体多呈现黄色、土黄色；营养主导型表观污染水体主要由水体中少量无机营养物(N、P等)引起，水体表观污染较轻，清澈、无明显悬浮物；混合型表观污染水体处于上述三者之间，具备其他类型的共同特点，也可以在不同条件下，向有机主导型、无机主导型或营养主导型发生转变。
3. 景观水处理技术
景观水处理技术包括污染后的景观水体、供水原水的处理，其中供水原水包括再生水回用、雨水回用及河流供水等。
由于城市景观水体多为静止或流动性差的封闭缓流水体，一般具有水域面积小、易污染、水环境容量小、水体自净能力低等特点，管理不好，很容易成为居民生活污水、雨水及各种生活垃圾的受纳水体。再加上设计时景观水体的选址、水体净化、水体生态系统自我维持方面考虑不足，使城市景观水体更容易受到点源、面源污染的影响，从而造成水体富营养化，出现藻类大量繁殖、水体变黑发臭、水生生物死亡等现象，导致景观功能丧失，严重影响周围自然环境和居民生活环境。如何恢复水体的景观功能，解决城市景观水体富营养化问题，己成为制约城市环境质量提高的瓶颈。
根据生态学的观点，景观水体富营养化的成因主要为生态失衡，有机质及营养盐等污染物的输入大于输出，积聚于水体中造成生态阻滞，致使生物营养结构单一，多样性下降，从而造成水体浮游藻类增多、透明度下降，甚至发黑发臭。因此，对于富营养化景观水体，水质净化和生态维护的关键在于有效调控污染物质在水体中输入和输出的途径和数量，使景观水体中污染物的总量和浓度降低到预期的要求，维持营养物的收支平衡以保证水体维持良好的水质。
近几十年来，我国开展了较为系统的城市湖泊河流等景观水体富营养化研究，并取得了一系列研究成果，总的来说，目前应用的富营养化景观水体修复技术，主要包括外源营养盐控制以截污为代表和内源营养盐控制降低水体内营养盐浓度，可分为物理法、化学法和生物生态技术三大类，物理法主要包括增氧曝气、底泥疏浚、引水冲污、机械除藻等。化学法主要有化学杀藻、絮凝沉淀以及营养盐钝化等。生物生态技术有投加菌种、植被修复、生物塘净化等。
与传统的污水净化工艺比较，人工湿地及生态浮岛技术作为一种新型的污水生态处理技术，具有净化效果好、工艺设备简单、投资运行费用低、生态效益显著的特点 [7] [8] 。有研究采用人工浮岛种植凤眼莲(Eichhornia crassipes)处理洗涤废水，水力停留时间(HRT)设定为21 d，废水电导率(EC)、总溶解性固体(TDS)、COD及PO43−都有明显的下降 [9] 。另外，人工湿地，通过种植景观植物，可以实现净化污水与增强景观的双重目的，构筑集观赏、娱乐、污水净化于一体的人文环境。
景观水处理的技术实施首先要进行污染源控制，重视城乡雨污管网混接问题消除点源污染，建造加固岸坡和岸滤设施，种植树木灌木丛，进行面源污染阻控。其次，控制水体内源污染，进行底泥清淤疏浚，避免富集在沉积物中的有害污染物重新释放进入上覆水中 [10] 。然而，水体环保疏浚工程不可避免地会产生大量的疏浚底泥，需要妥善处置 [11] 。水体治理工艺主要包括曝气补氧、引水换水及生态净化。其中生态净化包括氧化塘、人工湿地及人工浮岛等工艺。
4. 受污染水生植物的处置技术
水体的生物修复技术是利用植物或微生物的代谢和转化作用，使污染物逐渐降解、转化、去除，从而恢复水体的自净能力和生物多样性，主要用于有机、重金属污染和富营养化水体修复中。该技术具有适应性强、工艺管理简单、绿色环保，主要缺点是处理时间较长，技术复杂。另外，吸收污染的植物要定期收获，以确保修复植物的净化效率 [12] ，同时减少因为植物凋落腐烂而造成的二次污染。目前受污染植物的处理处置技术主要包括脱水减量、堆肥、焚烧及热处理等。
植物脱水减量一般采用压缩技术。有报道对吸收重金属的植物进行压榨，产生的渗滤液中含有高浓度的镍、钙或锌等重金属配合物，这些配合物具有可溶性和生物可利用性，该工艺属于受污染植物的预处理工艺，可以大幅度减少植物总量，但压实的最终产物，包括脱水后剩余的受污染生物质，及收集的渗滤液还需要最终处置 [13] 。有实验表明(Kucharski et al., 2003)，植物在干燥过程中产生的废水，与电厂飞灰和锯末的混合在一起，然后运送去焚烧，混合物很坚固，在搬运和运输过程中不会造成任何危害 [14] 。
堆肥是常用的污染废弃生物质减量处理方法，有效地降低了后续处置的成本。需要强调的是，堆肥的目的是减少植物废物的体积和重量，而不考虑最终产品的农业特性。有研究表明，收获的植物吸收提取的金属配合污染物具有较好的迁移和淋滤性能，这意味着不论何种类型的植物，堆肥过程中要慎重，避免淋滤出严控的污染物 [15] 。
水生植物的堆肥处理与农业废弃物的堆肥工艺类似。首先对物料进行含水量和营养调节，水分控制在60%左右，碳氮比(C/N)为(20~40):1；利用粉碎机粉碎，原料粒径不大于5 cm，并拌料均匀；进行接种，接种量宜为堆肥物料质量的0.1%~0.2% [16] 。堆肥工艺的缺点是反应时间较长，一般会持续2到3个月，受污染植物从收割到最终处置需要的时间会更长，而且堆肥产物还需按危废处置。
经预处理减量干燥后的受污染的植物材料可采用回转窑进行焚烧。该技术不受植物提取过程中产生的新污染物影响。焚烧可以彻底分解有机物，释放出金属元素。金属元素主要以氧化物的形式存在于炉渣中或随尾气排出，现代烟气净化技术可确保有效捕获含金属的灰尘。考虑到未来焚烧厂和铅/锌冶炼厂使用的安全新技术，该工艺节能环保，部分铅和锌可以在铅/锌冶炼厂焚烧过程中进行回收 [17] 。
热处理主要包括热解气化和中低温水热炭化技术。热解气化是在无氧或缺氧条件下对生物质进行加热蒸馏，产生裂解，经冷凝后形成各种新的气体、液体和固体，从中提取燃料油、可燃气体的过程。该工艺的进料需要进行预处理，包括筛选和破碎，物料输送、储存、上料系统全封闭式，防止臭气外漏。热解气化燃烧装置内部分为热解气化室和燃烧室，生物质在热解气化室产生大量的可燃气体，这些气体通过引风机进入燃烧室燃烧，温度高于850℃，促进了二噁英等污染物的彻底分解 [18] 。
中低温热解及水热炭化是在缺氧和中等温度下进行的，可以采用密闭反应器，避免向空气中排放废气，最终产品是热解气体和生物炭碎末，生物质中的重金属可以被固定在生物炭碎末中，需要当作危险废物处理，另外，生物炭碎末可代替焦炭用于铅/锌冶炼厂，在冶炼过程中回收铅或锌。也可以将植物与城市干垃圾一起热解处理，可降低热解原材料总体的含水高的问题。
5. 结论
景观水体修复是城市环境整治的首要任务。水体污染指标的类型和变化是影响水体修复技术的选择及工艺参数确定的重要依据。与传统的污水净化工艺相比，生态修复技术具有管理方便、效果明显及设备简单的优势，但也存在定期收获大量受污染水生植物的问题。通过分析发现，该类生物质废弃物的处理处置技术主要包括压缩、堆肥、焚烧及热处理等。其中，压缩是废弃生物质减量化处理，而堆肥需要评价生物质中有害元素的迁移转化行为，焚烧及气化解热是较为彻底的处置方式，密闭的中低温热解及水热炭化，由于操作压力等问题，目前多停留在实验室研究阶段。
NOTES
*通讯作者。