一、生態治理模式概況
近年來，由城市河道污染所引發的眾多環境問題逐漸成為制約城市可持續經濟發展的關鍵所在，隨著國內外對環境建設的不斷重視，水環境污染治理領域呈現出多元化、系統化的發展趨勢。但傳統污染河道的治理方法(物理法、化學法和生物法)側重于對某幾項環境指標的控制和改善，忽視了河道生態系統恢復的重要性，致使黑臭水體在治理一段時間后反復出現。生態治理模式是指能夠在不影響河道正常行洪功能的情況下，通過綜合治理方法恢復河道內水生態系統結構與功能，借助水生態系統內部物質循環過程去除污染物的綜合治理方法，是環境與生物相互作用的結果。以往研究證實了大型水生植物、浮游植物及微生物膜在凈化城市生活污水、工業廢水等方面的作用，而近幾年國內有關生態治理模式應用的案例也取得了良好效果。
二、項目背景
2017年北京市五大水系中河流總長度約2434km，其中劣V類河流長度占34.7%，其中北運河水系整體水環境質量較差。2018年北京市黑臭水體總長度約50.1km，污染面積約19.2km2。葆李溝跨越豐臺區與大興區，是北運河水系中涼水河的一條支流，環境建設滯后于城市經濟發展致使葆李溝生態環境破壞與水環境污染陷入惡性循環狀態：岸坡植被稀疏，土壤侵蝕嚴重；河道內泥沙垃圾淤積，水體連續性差；水生植物種類單一數量稀少，水體自凈能力低；生活污水與不達標中水(中水水質為一級B標準，斷面考核標準為V類地表水標準)直排，中水與河道匯流口距斷面考核點距離過短，無法充分凈化。經檢測，2016年葆李溝斷面考核點水質全年(除汛期外)為劣V類地表水標準，屬于重度黑臭水體。2017年河道斷面考核點COD平均值為83.32mg/L，TP平均值為4.48mg/L，NH3-N平均值為44.07mg/L。
生態治理模式的應用需遵循因地制宜的原則，根據葆李溝的污染特征實施了具有針對性的生態治理模式，并對生態治理模式運行后的污染物去除效果以及影響水生植物凈化區內污染物去除貢獻率(該區域內污染物去除量與整體治理模式污染物去除量的百分比)的環境因子進行跟蹤研究。
三、具體措施及研究方法
以靜溝京良路至宏康路段(K0+000~K1+188)為對象，在截污清淤的基礎上設計并實施以延長水體駐停時間、設置生態濾床、重建水生植物系統、微生物系統構建和水生動物系統構建等措施相結合的生態治理模式，見表1和圖1。通過在河道內建立良性生態系統循環過程，恢復水生態系統內部的物質循環功能，加快污染物的分解轉化速度，延長污水凈化時間并提升河道水體自凈能力。
2018年3月，研究段內所有措施布設完成并進入水環境修復期，為評價生態治理模式的成效，需對河道內水質(COD，NH3-N，TP、溫度、pH和溶解氧)、生態系統恢復狀況進行檢測分析。COD、TP和NH3-N檢測工具為哈希水質分析儀(DRB200)，為減小實驗誤差每組水樣需重復檢測2次，pH檢測工具為pH計(上海三信PHB-3)，溫度與溶解氧檢測儀器為便攜式溶氧儀(上海雷磁JPB?607A)o檢測K0+970?K1+188水生植物凈化區內水生植物生物量(濕重)，具體方法參照《淡水生物資源調查技術規范：DB43/T432—2009》進行，檢測時間與次數與水質相同。數據分析使用SPSS19.0完成。通過現場調查評價生態系統恢復狀況。檢測期間，高立莊污水處理廠中水出水水質較穩定：NH3-N平均值為29.8mg/L、TP平均值為2.94mg/L、COD平均值為20.2mg/L。
四、結果討論
4.1 污染物去除率
以《城鎮污水處理廠污染物排放標準：GB18918—2002》和《地表水環境質量標準：GB3838—2002》網為參考標準評價污染物去除效果。檢測結果見表2、表3。
生態治理模式對研究段內COD的平均去除率達到66.45%±0.11%。考核斷面COD指標從2017年的二級標準(83.32mg/L)提升至2018年的U類地表水標準(9.04mg/L)，COD的去除主要依靠濾料的攔截、吸附作用，水生植物的攔截、吸附和吸收作用及微生物的分解作用，但水生植物與微生物在低溫環境下代謝活動較弱問，水溫回升至25?30℃時，水生植物與微生物代謝活動旺盛，濾料、植物根系與人工水草表面形成的微生物膜能夠高效分解吸收水中有機質。此外，沉水植物與挺水植物的根系能夠穩定底質環境，避免沉積物中有機碎屑再懸浮。
生態治理模式對研究段內TP的平均去除率達到39.36%±0.01%。考核斷面TP指標從2017年二級標準(4.48mg/L)提升至2018年的一級B標準(2.24mg/L)。TP的去除主要依靠生態濾床中濾料的攔截吸附與微型生態系統的分解、轉化作用以及水生植物與微生物(主要為聚磷菌)的吸收、分解作用。聚磷菌在好氧條件下過量吸收水中的正磷酸鹽合成聚磷酸鹽儲存在細胞內，在厭氧條件下水解體內的聚磷酸鹽并向水中釋放正磷酸鹽呵。水生植物根系周圍好氧環境有利于除磷菌過量吸收水體中正磷酸鹽，從而提高TP去除率。
生態治理模式對研究段內NH3-N的平均去除率達到36.13%±0.03%。考核斷面NH3-N均值從2017年的三級標準(44.07mg/L)提升至2018年的二級標準(23.03mg/L)。除濾料與水生植物作用外，微生物膜中一系列脫氮過程(同化、氨化、硝化和反硝化等)也能夠有效降低NH3-N含量，但微生物的脫氮過程需要充足的C源作為底物陰，研究段內COD平均去除率達到60%以上，而通過生態跌水增加的CO2、CO3-和HCO3-等少量C源并不能充分滿足微生物的代謝活動需求，微生物脫氮過程受到限制是NH3-N去除率較低的原因之一。此外，弱酸性條件下濾料對NH3-N的去除效果較強，而研究過程中水體呈現弱堿性，較多的OH-會影響濾料對NH3-N的吸附效果問，是研究段內氨氮去除率較低的另一個原因。
4.2 污染物去除貢獻率與環境因子的關系
利用相關分析分別研究K0+970~K1+188區域內水生植物生物量(濕重)、溫度、pH和溶解氧與該區域內污染物去除貢獻率的相關關系，并使用Pearson相關系數表示相關關系的強弱情況，分析結果見表4。
水生植物凈化區內，3種污染物的去除貢獻率與水生植物生物量和溫度呈顯著正相關關系；3種污染物去除貢獻率與pH無相關關系；COD與NH3-N的去除貢獻率與溶解氧呈顯著正相關關系，而TP的去除貢獻率與溶解氧無相關關系。
4.3 河道生態系統恢復
項目實施前后河道生態系統狀況對比結果，見表5。
表5可知，生態治理模式運行以來，河道生態系統(葆李溝)在表觀特征、水文、河道形態、水質和水生生物豐度等方面有明顯改善，河道生態系統結構及功能的恢復不僅能夠改善葆李溝水污染狀況，同時沿河道形成的生態恢復帶有助于物種的遷入，如生態系統恢復初期，草本植物(稗草、菖蒲等)與浮游動物(輪蟲類、枝角類)會率先在近岸帶及生態濾床帶中出現。
4.4 污染物去除效果的優化
生態治理模式去除污染物是多種措施綜合作用的結果，通過以上的結果分析可以看出，目前所采用的生態治理模式仍有可優化提升的空間，在濾料作用區控制水體弱酸性條件、提高水生植物生物量、控制適宜的水溫、提升水體溶解氧含量和保持水體中有一定量的有機質等措施可以提高整體研究段內染污物的去除效果。但考慮到室外條件及成本控制，如何有效控制部分區域水體酸堿性及水溫等問題仍需要進一步的研究。
五、結論
本次葆李溝水污染治理過程中，針對污染源問題，前期的截污清淤能夠將河道內污染物含量控制在穩定水平。針對原河道中污水處理路徑較短的問題，生態跌水的建設與中水匯流口的改造一方面能夠延長河道內水力駐停時間，使污染物得到充分凈化;另一方面穩定的水文條件能夠為水生生物及微生物提供適宜的棲息環境。針對治理前河道內水質惡化嚴重的問題，將人工水草微生物凈化作用集中在凈化流程的中后段，前期生態濾床與大型水生植物的初步凈化能夠將河道內污染物含量控制在微生物生存的耐受范圍之內，為微生物掛膜提供有益環境。生態治理模式運行期間，水體內營養物質最終進入水生植物及濾食性動物體內，對水生生物的收割和打撈能夠及時將營養轉移出河道，避免水生生物死亡后營養元素再次進入河道。
葆李溝生態治理模式運行期間，研究段內COD平均去除率為66.45%±0.11%，TP平均去除率為39.36%±0.01%，NH3-N平均去除率為36.13%土0.03%；其中K0+970-K1+188水生植物凈化區內COD、TP和NH3-N的去除貢獻率與水生植物生物量、溫度呈顯著正相關；生態治理模式在有效去除水體內污染物的同時，能夠沿河道建立生態的恢復帶，對區域內生態系統恢復具有實際意義；弱酸性條件、提高水生植物生物量、適宜的溫度、提高溶解氧含量和一定量的有機質等措施能夠提升生態治理模式中污染物的去除效果。
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