治理后的涼水河

底泥洗脫機

雷克環(huán)境蕪湖六郎治理現(xiàn)場

　　安徽雷克環(huán)境科技有限公司（以下簡稱“雷克環(huán)境”）是中科院合肥物質(zhì)科學研究院和中國環(huán)境科學研究院技術合作企業(yè)，由北京東方雷克環(huán)�？萍加邢薰�司和山東華特磁電科技股份有限公司聯(lián)合投資。公司多年致力于湖泊藍藻治理和其他富營養(yǎng)化水體治理研究，擁有5項發(fā)明專利、10項實用新型專利和1項外觀設計專利，并在2019年成為國家高新技術企業(yè)。

　　雷克環(huán)境研發(fā)的藍藻磁捕技術，通過磁加載和磁分離，成功實現(xiàn)藻水在線快速分離和高效打撈，在同類技術領域達到先進水平，入選生態(tài)環(huán)境部《2019年國家先進污染防治技術目錄（水污染防治領域）》。根據(jù)藍藻磁捕技術開發(fā)的藍藻磁捕船機動靈活、處理量大、能耗較低等特點，已廣泛用于巢湖、太湖、滇池等湖泊藍藻治理和城鎮(zhèn)景觀水體、飲用水水源地藻華防控和處置。

　　底泥洗脫暨生態(tài)恢復技術是富營養(yǎng)化水體污染治理和生態(tài)恢復的重要基礎性技術，可在較短時間內(nèi)快速清除底泥有機質(zhì)和水體懸浮物，消除底泥上泛和水體黑臭，提高水體透明度和光照強度，為沉水植物的萌發(fā)、生長和水生態(tài)系統(tǒng)的重建創(chuàng)造良好的水體生境。

　　■ 引子 

　　“和實生物，同則不繼”。

　　——西周伯陽父

　　“道生一，一生二，二生三，三生萬物。萬物負陰而抱陽，沖氣以為和”。

　　——老子《道德經(jīng)》

　　著名哲學家馮友蘭先生釋曰：宇宙原始，混沌未分，輕清之氣上浮為天，重濁之氣下沉為地。天地陰陽二氣互為交沖，在幻化、運動中臻于調(diào)和，世間萬物便滋生、成長。

　　■ 涼水河的啟示 

　　2018年10月16日，水利部科技推廣中心主辦的“基于底泥洗脫的水體內(nèi)源污染治理暨生態(tài)恢復技術交流會”（以下簡稱“技術交流會”）在北京成功舉辦。來自全國各地近300名與會代表到?jīng)鏊�河進行現(xiàn)場考察，水面碧波蕩漾、水草豐茂、魚翔淺底，贏得了大家的一致肯定和好評。

　　涼水河發(fā)源于北京市石景山區(qū)，流經(jīng)豐臺、大興、通州匯入北運河，全長約68.4公里，流域面積約629.7平方公里，流域人口達450萬人，曾是北京南城區(qū)最大的污水排放地。隨著經(jīng)濟、社會的快速發(fā)展和城市規(guī)模的擴張，河流污染負荷不斷加劇，治理前涼水河多年來一直是劣Ⅴ類水質(zhì)，每年夏季底泥上泛、異味刺鼻，被市民稱為“臭水河”。

　　“涼水河的巨變得益于內(nèi)源治理和外源治理的協(xié)同實施。近幾年來，涼水河新建污水管線50.5公里，改造雨污合流管線31.3公里，治理規(guī)模以上排污口86個，新建完善污水處理配套設施54處，特別是污水處理廠增量擴容和提標改造，為涼水河污染治理和生態(tài)恢復創(chuàng)造了良好的外部條件。”時任北京市涼水河管理處總工程師李延在會上介紹，“在加強控源截污的同時，一改過去年年清淤的傳統(tǒng)辦法，勇于創(chuàng)新、積極引進底泥洗脫暨生態(tài)恢復技術進行內(nèi)源治理，在較短時間內(nèi)消除黑臭并成功實現(xiàn)生態(tài)轉(zhuǎn)型。”

　　2017年至2019年，雷克環(huán)境對南四環(huán)以下舊宮段和亦莊段12公里河道實施底泥洗脫暨生態(tài)恢復技術，這項技術是富營養(yǎng)化水體污染治理和生態(tài)恢復的重要基礎性技術。治理后，河道底泥有機質(zhì)去除率均達到90%以上，水體透明度大幅提高，金魚藻、輪葉黑藻、眼子菜等原生沉水植物大面積恢復性生長，局部河道沉水植被覆蓋率達到50%以上，魚蝦等浮游動物生物量明顯增多，吸引著沿岸居民臨河垂釣。涼水河治理項目在2018年榮獲北京市水利學會科學技術一等獎，后入選《2019年重點環(huán)境保護實用技術及示范工程名錄》，成為北京市乃至全國的標桿和示范。

　　雷克環(huán)境北京公司總經(jīng)理董邦敏為涼水河治理項目付出大量心血和辛勤努力，他深有感觸地介紹道：涼水河本底污染嚴重，工程挑戰(zhàn)性大，一些朋友勸我們慎重行事，最好不碰這個項目。經(jīng)過詳細調(diào)查和認真研究，公司決定啃下這塊硬骨頭。

　　雷克環(huán)境專家團隊和工程技術人員在走河排查、摸清情況的基礎上，有的放矢，精準施策，并采取靈活機動的戰(zhàn)略戰(zhàn)術：一是針對底泥有機質(zhì)下游高于上游的分布特點，研究確定自上而下、分段實施、穩(wěn)步推進的策略，治理一段、鞏固一段；二是針對北京雨季集中在“七下八上”的氣候特點，及時調(diào)整作業(yè)布局，將原先確定洗脫兩遍的方案調(diào)整為雨季之前洗脫兩遍、雨季之后再洗脫一遍，及時清除雨季地表徑流特別是初期雨水匯入的大量污染，為次年春季植物生長創(chuàng)造條件；三是注重加強治理河段的后期運維，及時清除雨季匯入河床的大量污染物質(zhì)，攔截、打撈支流和干流重點斷面漂浮物和懸浮物，及時收割生長旺盛的沉水植物，避免因沉水植物凋亡腐爛導致污染物質(zhì)回流，確保河床不淤積、水質(zhì)不反彈。

　　“涼水河治理的最大亮點就是生態(tài)恢復。”一位居民由衷地稱贊，“過去污水橫流、臭氣熏天，現(xiàn)在清澈見底、水草搖曳，生機勃勃，多年未見的白鷺、天鵝又回來落腳、嬉水，我們推開窗子就能賞景兒。”

　　■ 水與水環(huán)境 

　　“治水不等于治河、治湖。水環(huán)境治理不僅要控源截污，實現(xiàn)清水入河、清水入湖，還要十分重視改善水體生境、促進生態(tài)恢復”。著名水環(huán)境專家劉永定研究員針對重治水輕生態(tài)的片面做法進行了批評。

　　黨的十九大明確提出，到2020年，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量總體改善，生態(tài)環(huán)境保護水平同全面建成小康社會相適應；到2035年，生態(tài)環(huán)境根本好轉(zhuǎn)，美麗中國目標基本實現(xiàn)；到21世紀中葉，把我國建成富強民主文明和諧美麗的社會主義現(xiàn)代化強國。

　　“水環(huán)境治理是十分復雜的系統(tǒng)工程，必須統(tǒng)籌處理好控源截污和內(nèi)源治理、消除黑臭與生態(tài)恢復、治理水污染和改善水環(huán)境三個關系。”中國供水排水協(xié)會副會長、住建部黑臭水體治理專家委員會主任委員章林偉從宏觀角度進行了精辟闡述，“消除黑臭是水環(huán)境治理階段性目標，是水環(huán)境治理最基本的要求，水環(huán)境治理最終目標是促進水體生態(tài)轉(zhuǎn)型、全面恢復水體生態(tài)”。

　　“導致重治水輕生態(tài)、重外源輕內(nèi)源的直接原因是重設計輕咨詢。”中國城市規(guī)劃設計研究院生態(tài)市政院院長王家卓長期從事海綿城市、黑臭水體和城市綜合管廊方案設計和技術咨詢工作，有著扎實的理論基礎和豐富的實踐經(jīng)驗，談及水環(huán)境治理感觸頗深，“設計單位大多擅長市政設計，對截污納管、污水處理和提標改造輕車熟路，對水環(huán)境水生態(tài)知之甚少。地方政府應當注意改變重設計輕咨詢的工作套路，注意加強技術咨詢，聘請包括市政工程、水利工程、環(huán)境工程、環(huán)境科學、資源管理、生物生態(tài)等方面專家咨詢團隊，充分論證，精準施策，有的放矢地確定工程方案，真正做到以技術咨詢來統(tǒng)領水環(huán)境治理的各個環(huán)節(jié)，以最小的投入達到最大的效果，真正把有限的資金用到刀刃上”。

　　■ 給污染的河流洗洗澡 

　　“給污染的河流洗洗澡”，這是中國工程院院士王浩在技術交流會上對底泥洗脫技術的形象比喻。

　　底泥洗脫暨生態(tài)恢復技術是中科院合肥物質(zhì)科學研究院余增亮研究員率領團隊潛心研究的新理念、新技術，這項技術的基本原理是通過物理擾動在泥—水界面產(chǎn)生湍流，使膠體沉積物在湍流作用下翻滾、碰撞、摩擦，真密度大的顆粒沉降、原位覆蓋，粒徑和比重較小的顆粒狀污染物隨水泵出，經(jīng)絮凝沉淀后外運，絮凝分離后的清水回流水體，不斷提高水體透明度，并著力構(gòu)建穩(wěn)定的泥-水界面，滿足沉水植物生長的光照要求和基質(zhì)條件，促進富營養(yǎng)化藻型水體向清水穩(wěn)態(tài)草型水體轉(zhuǎn)換。這項技術在安徽池州百荷公園、北戴河國家濕地公園、上海進博會場館小淶港、青島膠州市桃源河、廣東東莞長青渠和人民涌、昆明市廣普大溝等諸多項目中成功應用，均在較短時間內(nèi)取得顯著成效。

　　余增亮是中科院合肥物質(zhì)科學研究院資深研究員，也是國際公認的離子束生物工程學的開創(chuàng)者和奠基人，他的學術專著《離子束生物技術引論》被國際權(quán)威科技書籍出版社Springer評審認定為經(jīng)典著作，并譯成英文作為教科書在美國出版發(fā)行。2003年，他在安徽省政府倡議、支持下，率領團隊開始進行巢湖富營養(yǎng)化治理研究，先后發(fā)明“控失化肥”“藍藻磁捕”“底泥洗脫”三項技術，形成面源污染控制、內(nèi)源污染削減和藍藻高效打撈的技術體系，發(fā)揮了顯著的社會效益和生態(tài)效益。

　　“底泥洗脫技術原理新穎、針對性強，是水體內(nèi)源污染治理的重大技術創(chuàng)新。”中國科學院南京地理與湖泊研究所研究院范成新長期從事沉積物、水界面污染防治研究，他結(jié)合內(nèi)源污染分布特點和釋放規(guī)律進行了分析，“水體沉積物一般分為懸浮層、流體層和壓密層，內(nèi)源污染主要分布在懸浮層和流體層，而經(jīng)常處于懸浮狀態(tài)的膠粘狀有機污染云團是內(nèi)源污染的主要組成部分，其比重略大于水，風浪靜止時沉降在底泥表層，稍有擾動就會上浮，嚴重影響水體透明度。特別是夏季，在一定溫度和其他因素作用下，懸浮物總體呈上浮態(tài)勢，且上層懸浮物有機質(zhì)含量明顯高于下層，清淤疏浚難以去除。”

　　有研究表明，有機污染物匯入水體，在需氧和兼性微生物作用下發(fā)生氧化反應不斷消耗水體溶解氧，當溶解氧過低或全部耗盡時，有機物將在厭氧微生物作用下發(fā)酵、分解，產(chǎn)生甲烷、氨氣、硫醇、硫化氫等氣體，混雜在一起散發(fā)出難聞的氣味；鐵、錳等重金屬穿過厭氧區(qū)發(fā)生不完全還原反應產(chǎn)生二價鐵、二價錳，與硫化氫結(jié)合生成硫化鐵、硫化錳等，致使水體黑臭。所以，水體有機質(zhì)含量和水體耗氧、復氧速率對水質(zhì)起著決定性作用。

　　“在水體沉積物中，有機質(zhì)很少以游離方式存在，多以膠膜形式包被在礦質(zhì)土粒外層，形成結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的有機無機復合體。”余增亮團隊的馮慧云研究員介紹，“在真密度相近的情況下，沉降速率與粒徑有關。”試驗表明，10μm的礦質(zhì)顆粒在上覆水中沉降20cm的距離需要87min，20μm的顆粒沉降需要21min，50μm、60μm的顆粒沉降同樣的距離則只需要3.5min和2.4min。物理分選后大量有機顆粒隨水泵出并絮凝分離，泥水界面被一層粗顆粒泥沙原位覆蓋，底泥物理性狀和水體透明度就會逐漸得以改善。

　　■ 《四千年農(nóng)夫》與東方智慧 

　　《四千年農(nóng)夫》是美國著名土壤物理學家富蘭克林·H·金20世紀初遠涉重洋考察中國、日本和朝鮮農(nóng)耕體系的所見所感。當時，是美國化學農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展的時代，土地的過度開發(fā)造成養(yǎng)分流失和土壤退化，嚴重影響美國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。“東方的土地已經(jīng)耕種了四千年，他們是如何維持土地的生產(chǎn)能力？”帶著這個疑問，富蘭克林·H·金開啟了他的“東方之行”。

　　他在書中寫道：“東方民族保存下了全部廢物，無論來自農(nóng)村和城市，還是其他被我們忽略的地方，收集有機肥料應用于自己的土地被視為神圣的農(nóng)業(yè)活動”，“他們實行的最偉大的農(nóng)業(yè)措施之一就是利用人類的糞便，將其用于保持土壤肥力以及提高農(nóng)作物產(chǎn)量”，“生物體的排泄物、燃料燃燒之后的灰燼以及破損的布料都回到田里”，“水塘周邊的土地平坦，壟與壟之間有淺水溝，溝的一端與水塘邊緣相接”，“多余的地表水排入這些水塘，帶來的懸浮物沉積為泥漿后將回到田里變成肥料”，“在昆山，第一次近距離觀察了將運河中的淤泥用作肥料的具體施行方法”。

　　在詳細考察了中國、日本和朝鮮的耕作方式后，富蘭克林·H·金感慨地說，歐美國家使用化肥明顯是不可持續(xù)的，但是由于這樣的進口活動存在，使得經(jīng)過現(xiàn)代污水處理系統(tǒng)和其他錯誤做法導致的浪費有機肥料的行為變得可以容忍，在這一代毫無節(jié)制的人手里，把土壤的肥力掃進了大海。這種肥力是無數(shù)世紀的生命才積累起來的，也是所有生命賴以生存的基礎。

　　富蘭克林·H·金揭示的一百年前美國農(nóng)業(yè)退化和生態(tài)環(huán)境污染的事實，今天卻在國內(nèi)重演。“中國農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為污染水體的最大污染源，加上工業(yè)排放和城鎮(zhèn)生活污染排放，江河、湖泊不堪重負，大量有機質(zhì)和生命活動必需的礦質(zhì)元素沉積在河流和湖泊底部，導致水體混濁、沉水植物消亡，阻斷了生態(tài)系統(tǒng)能量流動和物質(zhì)循環(huán)”。中科院院士、著名生態(tài)學家方精云一語道破。

　　生態(tài)系統(tǒng)由非生物環(huán)境和生產(chǎn)者、消費者、分解者四部分組成，能量流動和物質(zhì)循環(huán)是生態(tài)系統(tǒng)的兩大基本功能。生產(chǎn)者、消費者、分解者是貯存能量、傳遞能量、釋放能量的子系統(tǒng)，是生物與環(huán)境之間、生物與生物之間和諧共生、協(xié)同進化的結(jié)果�，F(xiàn)如今，《四千年農(nóng)夫》所展現(xiàn)的一幅資源循環(huán)利用的耕作畫面已經(jīng)蕩然無存，但從自然生態(tài)系統(tǒng)中尋找這種相對穩(wěn)定、永續(xù)存在的生態(tài)機制，促進人類科學管理好人類唯一賴以生存的生命支持系統(tǒng)，是人類偉大的歷史使命。

　　■ 喚醒“沉睡”的生命 

　　在水體生態(tài)系統(tǒng)中，沉水植物是最重要的初級生產(chǎn)者。沉水植物通過光合作用將水和二氧化碳合成為碳水化合物，并進一步合成脂肪和蛋白質(zhì)，是水體生態(tài)系統(tǒng)能量輸入最重要的來源；沉水植物通過吸收固定氮磷等營養(yǎng)元素、吸附水體中大量生物性和非生物性懸浮物質(zhì)，以提高水體透明度、增加水體溶解氧、延續(xù)水體食物鏈，是凈化水質(zhì)和構(gòu)建水體健康生態(tài)系統(tǒng)最重要的載體；沉水植物分泌出的化感物質(zhì)可以破壞藻類生理代謝功能，是藻類天然的“克星”；沉水植物在水和沉積物界面上占據(jù)著重要的生態(tài)位，為浮游生物和水生動物提供食物來源和棲息場所，是水體生態(tài)系統(tǒng)的基石。

　　“改善水體生境，促進沉水植物的萌發(fā)、生長和種群擴張，是實現(xiàn)水體生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)的根本途徑。”中國環(huán)科院原副院長鄭丙輝深有感慨地說，“底泥洗脫暨生態(tài)恢復技術觸及水環(huán)境領域科學研究、技術研發(fā)和標準化管理體系的一個短板，應當引起高度重視，切實組織好機理研究和工程實驗，抓緊制定技術標準和設計規(guī)范，為水環(huán)境治理提供技術支撐。”

　　水體生境是水體生態(tài)系統(tǒng)的非生物環(huán)境，是水生生物個體、種群和群落賴以生存的環(huán)境空間，包括對水生生物生存起重要作用的各種生態(tài)因子。目前，國內(nèi)外學者對于沉水植物和水環(huán)境關系的研究，主要集中在沉水植物對水體作用的影響以及光照強度和上覆水透明度、溫度、營養(yǎng)鹽等對沉水植物生長的影響，而水體底泥對沉水植物萌發(fā)、伸扎、生長的研究還很不充分。業(yè)界一致認為，光照、上覆水和底質(zhì)是影響沉水植物生長的關鍵因子，而水體底泥對沉水植物根系固著和營養(yǎng)物質(zhì)吸收至關重要。

　　“底泥洗脫可以全面改善光照、上覆水和底質(zhì)等影響水體生境的關鍵因子，是水環(huán)境治理的重要基礎性技術。”雷克環(huán)境副總經(jīng)理孫進結(jié)合工程案例詳細介紹了底泥洗脫技術的三大功能：

　　一是有利于提高水體透明度和光照強度。光照強度是指單位面積上所接受可見光的能量，是沉水植物生長的限制因子。植物通過光合作用制造的有機質(zhì)與呼吸作用消耗的物質(zhì)相平衡，此時的光照強度稱為光補償點。植物處于光補償點時，有機物的形成和消耗相等，不能累積干物質(zhì)，只有水下光強高于光補償強度，光合速率才會優(yōu)于呼吸作用強度，植物體才能逐漸積累有機物質(zhì)，才能不斷生長和發(fā)育。在富營養(yǎng)化水體中，由于水-氣界面的密度差造成光照強度的損失，光能在水體傳遞過程中首先因水深因素的影響逐漸減弱，再加上水體懸浮顆粒物和藻類的折射與反射，沉水植物所需的光照條件嚴重不足，成為沉水植物健康成長的制約因素。底泥洗脫可以快速、精準地削減底泥有機質(zhì)，去除水體懸浮物，有效提高水體透明度。

　　二是改善和優(yōu)化底泥的物理性狀。在污染環(huán)境中，由于有機污染物的沉降和積淀，底質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生負向漸變。深層底泥質(zhì)地黏重，結(jié)構(gòu)致密，通透性差；表層底泥界面混沌，基本呈流體、半流體不穩(wěn)定狀態(tài)。底泥洗脫將大量有機細顆粒分離后，粒徑較大的礦物顆粒比重增加，泥-水界面漸趨穩(wěn)定，綜合環(huán)境得到全面改善。

　　三是促進沉水植物的萌發(fā)、生長。底泥洗脫把沉積物覆蓋掩埋的種子重置于底泥表層，十分有利于種子萌發(fā)和芽體復蘇。應用實踐證明，洗脫后苦草種子和芽體萌發(fā)率達到45.36%，比洗脫前提高5.5倍，效果十分明顯。

　　“喚醒沉睡的生命，促進水體生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)，增強水體生態(tài)自組織和自我凈化功能，從而實現(xiàn)以太陽能為驅(qū)動力的水體生態(tài)系統(tǒng)功能整體修復，這是水環(huán)境治理的初心和目標。”中國環(huán)科院儲昭升研究員從生命科學的角度闡述了生態(tài)恢復的要義，生態(tài)意味著生命，我們必須緊緊抓住水生態(tài)系統(tǒng)的生命線，對阻礙和損害生命體復蘇、發(fā)育的不利因素進行積極調(diào)控，修復、重建以沉水植物健康生長為首要目標的水體生命支持系統(tǒng)，促進水體生態(tài)系統(tǒng)的能量流動和物質(zhì)循環(huán)，逐漸增強水體自修復、自平衡能力。

　　■ 結(jié)語 

　　大道至簡：萬物生長靠太陽。

　　水環(huán)境治理的最終目標是實現(xiàn)水體生態(tài)轉(zhuǎn)型，生態(tài)轉(zhuǎn)型最重要的標志是恢復沉水植被，恢復沉水植被最基本的要求是改善水體生境，改善水體生境最關鍵的措施是泥水共治、提高水體透明度。

　　物競天擇，適者生存。尊重自然、順應自然、保護自然，讓世界每個角落都布滿生命的光輝。