一、生态治理模式概况
近年来，由城市河道污染所引发的众多环境问题逐渐成为制约城市可持续经济发展的关键所在，随着国内外对环境建设的不断重视，水环境污染治理领域呈现出多元化、系统化的发展趋势。但传统污染河道的治理方法(物理法、化学法和生物法)侧重于对某几项环境指标的控制和改善，忽视了河道生态系统恢复的重要性，致使黑臭水体在治理一段时间后反复出现。生态治理模式是指能够在不影响河道正常行洪功能的情况下，通过综合治理方法恢复河道内水生态系统结构与功能，借助水生态系统内部物质循环过程去除污染物的综合治理方法，是环境与生物相互作用的结果。以往研究证实了大型水生植物、浮游植物及微生物膜在净化城市生活污水、工业废水等方面的作用，而近几年国内有关生态治理模式应用的案例也取得了良好效果。
二、项目背景
2017年北京市五大水系中河流总长度约2434km，其中劣V类河流长度占34.7%，其中北运河水系整体水环境质量较差。2018年北京市黑臭水体总长度约50.1km，污染面积约19.2km2。葆李沟跨越丰台区与大兴区，是北运河水系中凉水河的一条支流，环境建设滞后于城市经济发展致使葆李沟生态环境破坏与水环境污染陷入恶性循环状态：岸坡植被稀疏，土壤侵蚀严重；河道内泥沙垃圾淤积，水体连续性差；水生植物种类单一数量稀少，水体自净能力低；生活污水与不达标中水(中水水质为一级B标准，断面考核标准为V类地表水标准)直排，中水与河道汇流口距断面考核点距离过短，无法充分净化。经检测，2016年葆李沟断面考核点水质全年(除汛期外)为劣V类地表水标准，属于重度黑臭水体。2017年河道断面考核点COD平均值为83.32mg/L，TP平均值为4.48mg/L，NH3-N平均值为44.07mg/L。
生态治理模式的应用需遵循因地制宜的原则，根据葆李沟的污染特征实施了具有针对性的生态治理模式，并对生态治理模式运行后的污染物去除效果以及影响水生植物净化区内污染物去除贡献率(该区域内污染物去除量与整体治理模式污染物去除量的百分比)的环境因子进行跟踪研究。
三、具体措施及研究方法
以静沟京良路至宏康路段(K0+000~K1+188)为对象，在截污清淤的基础上设计并实施以延长水体驻停时间、设置生态滤床、重建水生植物系统、微生物系统构建和水生动物系统构建等措施相结合的生态治理模式，见表1和图1。通过在河道内建立良性生态系统循环过程，恢复水生态系统内部的物质循环功能，加快污染物的分解转化速度，延长污水净化时间并提升河道水体自净能力。
2018年3月，研究段内所有措施布设完成并进入水环境修复期，为评价生态治理模式的成效，需对河道内水质(COD，NH3-N，TP、温度、pH和溶解氧)、生态系统恢复状况进行检测分析。COD、TP和NH3-N检测工具为哈希水质分析仪(DRB200)，为减小实验误差每组水样需重复检测2次，pH检测工具为pH计(上海三信PHB-3)，温度与溶解氧检测仪器为便携式溶氧仪(上海雷磁JPB・607A)o检测K0+970〜K1+188水生植物净化区内水生植物生物量(湿重)，具体方法参照《淡水生物资源调查技术规范：DB43/T432—2009》进行，检测时间与次数与水质相同。数据分析使用SPSS19.0完成。通过现场调查评价生态系统恢复状况。检测期间，高立庄污水处理厂中水出水水质较稳定：NH3-N平均值为29.8mg/L、TP平均值为2.94mg/L、COD平均值为20.2mg/L。
四、结果讨论
4.1 污染物去除率
以《城镇污水处理厂污染物排放标准：GB18918—2002》和《地表水环境质量标准：GB3838—2002》网为参考标准评价污染物去除效果。检测结果见表2、表3。
生态治理模式对研究段内COD的平均去除率达到66.45%±0.11%。考核断面COD指标从2017年的二级标准(83.32mg/L)提升至2018年的U类地表水标准(9.04mg/L)，COD的去除主要依靠滤料的拦截、吸附作用，水生植物的拦截、吸附和吸收作用及微生物的分解作用，但水生植物与微生物在低温环境下代谢活动较弱问，水温回升至25〜30℃时，水生植物与微生物代谢活动旺盛，滤料、植物根系与人工水草表面形成的微生物膜能够高效分解吸收水中有机质。此外，沉水植物与挺水植物的根系能够稳定底质环境，避免沉积物中有机碎屑再悬浮。
生态治理模式对研究段内TP的平均去除率达到39.36%±0.01%。考核断面TP指标从2017年二级标准(4.48mg/L)提升至2018年的一级B标准(2.24mg/L)。TP的去除主要依靠生态滤床中滤料的拦截吸附与微型生态系统的分解、转化作用以及水生植物与微生物(主要为聚磷菌)的吸收、分解作用。聚磷菌在好氧条件下过量吸收水中的正磷酸盐合成聚磷酸盐储存在细胞内，在厌氧条件下水解体内的聚磷酸盐并向水中释放正磷酸盐呵。水生植物根系周围好氧环境有利于除磷菌过量吸收水体中正磷酸盐，从而提高TP去除率。
生态治理模式对研究段内NH3-N的平均去除率达到36.13%±0.03%。考核断面NH3-N均值从2017年的三级标准(44.07mg/L)提升至2018年的二级标准(23.03mg/L)。除滤料与水生植物作用外，微生物膜中一系列脱氮过程(同化、氨化、硝化和反硝化等)也能够有效降低NH3-N含量，但微生物的脱氮过程需要充足的C源作为底物阴，研究段内COD平均去除率达到60%以上，而通过生态跌水增加的CO2、CO3-和HCO3-等少量C源并不能充分满足微生物的代谢活动需求，微生物脱氮过程受到限制是NH3-N去除率较低的原因之一。此外，弱酸性条件下滤料对NH3-N的去除效果较强，而研究过程中水体呈现弱碱性，较多的OH-会影响滤料对NH3-N的吸附效果问，是研究段内氨氮去除率较低的另一个原因。
4.2 污染物去除贡献率与环境因子的关系
利用相关分析分别研究K0+970~K1+188区域内水生植物生物量(湿重)、温度、pH和溶解氧与该区域内污染物去除贡献率的相关关系，并使用Pearson相关系数表示相关关系的强弱情况，分析结果见表4。
水生植物净化区内，3种污染物的去除贡献率与水生植物生物量和温度呈显著正相关关系；3种污染物去除贡献率与pH无相关关系；COD与NH3-N的去除贡献率与溶解氧呈显著正相关关系，而TP的去除贡献率与溶解氧无相关关系。
4.3 河道生态系统恢复
项目实施前后河道生态系统状况对比结果，见表5。
表5可知，生态治理模式运行以来，河道生态系统(葆李沟)在表观特征、水文、河道形态、水质和水生生物丰度等方面有明显改善，河道生态系统结构及功能的恢复不仅能够改善葆李沟水污染状况，同时沿河道形成的生态恢复带有助于物种的迁入，如生态系统恢复初期，草本植物(稗草、菖蒲等)与浮游动物(轮虫类、枝角类)会率先在近岸带及生态滤床带中出现。
4.4 污染物去除效果的优化
生态治理模式去除污染物是多种措施综合作用的结果，通过以上的结果分析可以看出，目前所采用的生态治理模式仍有可优化提升的空间，在滤料作用区控制水体弱酸性条件、提高水生植物生物量、控制适宜的水温、提升水体溶解氧含量和保持水体中有一定量的有机质等措施可以提高整体研究段内染污物的去除效果。但考虑到室外条件及成本控制，如何有效控制部分区域水体酸碱性及水温等问题仍需要进一步的研究。
五、结论
本次葆李沟水污染治理过程中，针对污染源问题，前期的截污清淤能够将河道内污染物含量控制在稳定水平。针对原河道中污水处理路径较短的问题，生态跌水的建设与中水汇流口的改造一方面能够延长河道内水力驻停时间，使污染物得到充分净化;另一方面稳定的水文条件能够为水生生物及微生物提供适宜的栖息环境。针对治理前河道内水质恶化严重的问题，将人工水草微生物净化作用集中在净化流程的中后段，前期生态滤床与大型水生植物的初步净化能够将河道内污染物含量控制在微生物生存的耐受范围之内，为微生物挂膜提供有益环境。生态治理模式运行期间，水体内营养物质最终进入水生植物及滤食性动物体内，对水生生物的收割和打捞能够及时将营养转移出河道，避免水生生物死亡后营养元素再次进入河道。
葆李沟生态治理模式运行期间，研究段内COD平均去除率为66.45%±0.11%，TP平均去除率为39.36%±0.01%，NH3-N平均去除率为36.13%土0.03%；其中K0+970-K1+188水生植物净化区内COD、TP和NH3-N的去除贡献率与水生植物生物量、温度呈显著正相关；生态治理模式在有效去除水体内污染物的同时，能够沿河道建立生态的恢复带，对区域内生态系统恢复具有实际意义；弱酸性条件、提高水生植物生物量、适宜的温度、提高溶解氧含量和一定量的有机质等措施能够提升生态治理模式中污染物的去除效果。
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