治理后的凉水河
底泥洗脱机
雷克环境芜湖六郎治理现场
安徽雷克环境科技有限公司（以下简称“雷克环境”）是中科院合肥物质科学研究院和中国环境科学研究院技术合作企业，由北京东方雷克环保科技有限公司和山东华特磁电科技股份有限公司联合投资。公司多年致力于湖泊蓝藻治理和其他富营养化水体治理研究，拥有5项发明专利、10项实用新型专利和1项外观设计专利，并在2019年成为国家高新技术企业。
雷克环境研发的蓝藻磁捕技术，通过磁加载和磁分离，成功实现藻水在线快速分离和高效打捞，在同类技术领域达到先进水平，入选生态环境部《2019年国家先进污染防治技术目录（水污染防治领域）》。根据蓝藻磁捕技术开发的蓝藻磁捕船机动灵活、处理量大、能耗较低等特点，已广泛用于巢湖、太湖、滇池等湖泊蓝藻治理和城镇景观水体、饮用水水源地藻华防控和处置。
底泥洗脱暨生态恢复技术是富营养化水体污染治理和生态恢复的重要基础性技术，可在较短时间内快速清除底泥有机质和水体悬浮物，消除底泥上泛和水体黑臭，提高水体透明度和光照强度，为沉水植物的萌发、生长和水生态系统的重建创造良好的水体生境。
■ 引子
“和实生物，同则不继”。
——西周伯阳父
“道生一，一生二，二生三，三生万物。万物负阴而抱阳，冲气以为和”。
——老子《道德经》
著名哲学家冯友兰先生释曰：宇宙原始，混沌未分，轻清之气上浮为天，重浊之气下沉为地。天地阴阳二气互为交冲，在幻化、运动中臻于调和，世间万物便滋生、成长。
■ 凉水河的启示
2018年10月16日，水利部科技推广中心主办的“基于底泥洗脱的水体内源污染治理暨生态恢复技术交流会”（以下简称“技术交流会”）在北京成功举办。来自全国各地近300名与会代表到凉水河进行现场考察，水面碧波荡漾、水草丰茂、鱼翔浅底，赢得了大家的一致肯定和好评。
凉水河发源于北京市石景山区，流经丰台、大兴、通州汇入北运河，全长约68.4公里，流域面积约629.7平方公里，流域人口达450万人，曾是北京南城区最大的污水排放地。随着经济、社会的快速发展和城市规模的扩张，河流污染负荷不断加剧，治理前凉水河多年来一直是劣Ⅴ类水质，每年夏季底泥上泛、异味刺鼻，被市民称为“臭水河”。
“凉水河的巨变得益于内源治理和外源治理的协同实施。近几年来，凉水河新建污水管线50.5公里，改造雨污合流管线31.3公里，治理规模以上排污口86个，新建完善污水处理配套设施54处，特别是污水处理厂增量扩容和提标改造，为凉水河污染治理和生态恢复创造了良好的外部条件。”时任北京市凉水河管理处总工程师李延在会上介绍，“在加强控源截污的同时，一改过去年年清淤的传统办法，勇于创新、积极引进底泥洗脱暨生态恢复技术进行内源治理，在较短时间内消除黑臭并成功实现生态转型。”
2017年至2019年，雷克环境对南四环以下旧宫段和亦庄段12公里河道实施底泥洗脱暨生态恢复技术，这项技术是富营养化水体污染治理和生态恢复的重要基础性技术。治理后，河道底泥有机质去除率均达到90%以上，水体透明度大幅提高，金鱼藻、轮叶黑藻、眼子菜等原生沉水植物大面积恢复性生长，局部河道沉水植被覆盖率达到50%以上，鱼虾等浮游动物生物量明显增多，吸引着沿岸居民临河垂钓。凉水河治理项目在2018年荣获北京市水利学会科学技术一等奖，后入选《2019年重点环境保护实用技术及示范工程名录》，成为北京市乃至全国的标杆和示范。
雷克环境北京公司总经理董邦敏为凉水河治理项目付出大量心血和辛勤努力，他深有感触地介绍道：凉水河本底污染严重，工程挑战性大，一些朋友劝我们慎重行事，最好不碰这个项目。经过详细调查和认真研究，公司决定啃下这块硬骨头。
雷克环境专家团队和工程技术人员在走河排查、摸清情况的基础上，有的放矢，精准施策，并采取灵活机动的战略战术：一是针对底泥有机质下游高于上游的分布特点，研究确定自上而下、分段实施、稳步推进的策略，治理一段、巩固一段；二是针对北京雨季集中在“七下八上”的气候特点，及时调整作业布局，将原先确定洗脱两遍的方案调整为雨季之前洗脱两遍、雨季之后再洗脱一遍，及时清除雨季地表径流特别是初期雨水汇入的大量污染，为次年春季植物生长创造条件；三是注重加强治理河段的后期运维，及时清除雨季汇入河床的大量污染物质，拦截、打捞支流和干流重点断面漂浮物和悬浮物，及时收割生长旺盛的沉水植物，避免因沉水植物凋亡腐烂导致污染物质回流，确保河床不淤积、水质不反弹。
“凉水河治理的最大亮点就是生态恢复。”一位居民由衷地称赞，“过去污水横流、臭气熏天，现在清澈见底、水草摇曳，生机勃勃，多年未见的白鹭、天鹅又回来落脚、嬉水，我们推开窗子就能赏景儿。”
■ 水与水环境
“治水不等于治河、治湖。水环境治理不仅要控源截污，实现清水入河、清水入湖，还要十分重视改善水体生境、促进生态恢复”。著名水环境专家刘永定研究员针对重治水轻生态的片面做法进行了批评。
党的十九大明确提出，到2020年，生态环境质量总体改善，生态环境保护水平同全面建成小康社会相适应；到2035年，生态环境根本好转，美丽中国目标基本实现；到21世纪中叶，把我国建成富强民主文明和谐美丽的社会主义现代化强国。
“水环境治理是十分复杂的系统工程，必须统筹处理好控源截污和内源治理、消除黑臭与生态恢复、治理水污染和改善水环境三个关系。”中国供水排水协会副会长、住建部黑臭水体治理专家委员会主任委员章林伟从宏观角度进行了精辟阐述，“消除黑臭是水环境治理阶段性目标，是水环境治理最基本的要求，水环境治理最终目标是促进水体生态转型、全面恢复水体生态”。
“导致重治水轻生态、重外源轻内源的直接原因是重设计轻咨询。”中国城市规划设计研究院生态市政院院长王家卓长期从事海绵城市、黑臭水体和城市综合管廊方案设计和技术咨询工作，有着扎实的理论基础和丰富的实践经验，谈及水环境治理感触颇深，“设计单位大多擅长市政设计，对截污纳管、污水处理和提标改造轻车熟路，对水环境水生态知之甚少。地方政府应当注意改变重设计轻咨询的工作套路，注意加强技术咨询，聘请包括市政工程、水利工程、环境工程、环境科学、资源管理、生物生态等方面专家咨询团队，充分论证，精准施策，有的放矢地确定工程方案，真正做到以技术咨询来统领水环境治理的各个环节，以最小的投入达到最大的效果，真正把有限的资金用到刀刃上”。
■ 给污染的河流洗洗澡
“给污染的河流洗洗澡”，这是中国工程院院士王浩在技术交流会上对底泥洗脱技术的形象比喻。
底泥洗脱暨生态恢复技术是中科院合肥物质科学研究院余增亮研究员率领团队潜心研究的新理念、新技术，这项技术的基本原理是通过物理扰动在泥—水界面产生湍流，使胶体沉积物在湍流作用下翻滚、碰撞、摩擦，真密度大的颗粒沉降、原位覆盖，粒径和比重较小的颗粒状污染物随水泵出，经絮凝沉淀后外运，絮凝分离后的清水回流水体，不断提高水体透明度，并着力构建稳定的泥-水界面，满足沉水植物生长的光照要求和基质条件，促进富营养化藻型水体向清水稳态草型水体转换。这项技术在安徽池州百荷公园、北戴河国家湿地公园、上海进博会场馆小涞港、青岛胶州市桃源河、广东东莞长青渠和人民涌、昆明市广普大沟等诸多项目中成功应用，均在较短时间内取得显著成效。
余增亮是中科院合肥物质科学研究院资深研究员，也是国际公认的离子束生物工程学的开创者和奠基人，他的学术专著《离子束生物技术引论》被国际权威科技书籍出版社Springer评审认定为经典著作，并译成英文作为教科书在美国出版发行。2003年，他在安徽省政府倡议、支持下，率领团队开始进行巢湖富营养化治理研究，先后发明“控失化肥”“蓝藻磁捕”“底泥洗脱”三项技术，形成面源污染控制、内源污染削减和蓝藻高效打捞的技术体系，发挥了显著的社会效益和生态效益。
“底泥洗脱技术原理新颖、针对性强，是水体内源污染治理的重大技术创新。”中国科学院南京地理与湖泊研究所研究院范成新长期从事沉积物、水界面污染防治研究，他结合内源污染分布特点和释放规律进行了分析，“水体沉积物一般分为悬浮层、流体层和压密层，内源污染主要分布在悬浮层和流体层，而经常处于悬浮状态的胶粘状有机污染云团是内源污染的主要组成部分，其比重略大于水，风浪静止时沉降在底泥表层，稍有扰动就会上浮，严重影响水体透明度。特别是夏季，在一定温度和其他因素作用下，悬浮物总体呈上浮态势，且上层悬浮物有机质含量明显高于下层，清淤疏浚难以去除。”
有研究表明，有机污染物汇入水体，在需氧和兼性微生物作用下发生氧化反应不断消耗水体溶解氧，当溶解氧过低或全部耗尽时，有机物将在厌氧微生物作用下发酵、分解，产生甲烷、氨气、硫醇、硫化氢等气体，混杂在一起散发出难闻的气味；铁、锰等重金属穿过厌氧区发生不完全还原反应产生二价铁、二价锰，与硫化氢结合生成硫化铁、硫化锰等，致使水体黑臭。所以，水体有机质含量和水体耗氧、复氧速率对水质起着决定性作用。
“在水体沉积物中，有机质很少以游离方式存在，多以胶膜形式包被在矿质土粒外层，形成结构较为稳定的有机无机复合体。”余增亮团队的冯慧云研究员介绍，“在真密度相近的情况下，沉降速率与粒径有关。”试验表明，10μm的矿质颗粒在上覆水中沉降20cm的距离需要87min，20μm的颗粒沉降需要21min，50μm、60μm的颗粒沉降同样的距离则只需要3.5min和2.4min。物理分选后大量有机颗粒随水泵出并絮凝分离，泥水界面被一层粗颗粒泥沙原位覆盖，底泥物理性状和水体透明度就会逐渐得以改善。
■ 《四千年农夫》与东方智慧
《四千年农夫》是美国著名土壤物理学家富兰克林·H·金20世纪初远涉重洋考察中国、日本和朝鲜农耕体系的所见所感。当时，是美国化学农业迅速发展的时代，土地的过度开发造成养分流失和土壤退化，严重影响美国农业的可持续发展。“东方的土地已经耕种了四千年，他们是如何维持土地的生产能力？”带着这个疑问，富兰克林·H·金开启了他的“东方之行”。
他在书中写道：“东方民族保存下了全部废物，无论来自农村和城市，还是其他被我们忽略的地方，收集有机肥料应用于自己的土地被视为神圣的农业活动”，“他们实行的最伟大的农业措施之一就是利用人类的粪便，将其用于保持土壤肥力以及提高农作物产量”，“生物体的排泄物、燃料燃烧之后的灰烬以及破损的布料都回到田里”，“水塘周边的土地平坦，垄与垄之间有浅水沟，沟的一端与水塘边缘相接”，“多余的地表水排入这些水塘，带来的悬浮物沉积为泥浆后将回到田里变成肥料”，“在昆山，第一次近距离观察了将运河中的淤泥用作肥料的具体施行方法”。
在详细考察了中国、日本和朝鲜的耕作方式后，富兰克林·H·金感慨地说，欧美国家使用化肥明显是不可持续的，但是由于这样的进口活动存在，使得经过现代污水处理系统和其他错误做法导致的浪费有机肥料的行为变得可以容忍，在这一代毫无节制的人手里，把土壤的肥力扫进了大海。这种肥力是无数世纪的生命才积累起来的，也是所有生命赖以生存的基础。
富兰克林·H·金揭示的一百年前美国农业退化和生态环境污染的事实，今天却在国内重演。“中国农业已经成为污染水体的最大污染源，加上工业排放和城镇生活污染排放，江河、湖泊不堪重负，大量有机质和生命活动必需的矿质元素沉积在河流和湖泊底部，导致水体混浊、沉水植物消亡，阻断了生态系统能量流动和物质循环”。中科院院士、著名生态学家方精云一语道破。
生态系统由非生物环境和生产者、消费者、分解者四部分组成，能量流动和物质循环是生态系统的两大基本功能。生产者、消费者、分解者是贮存能量、传递能量、释放能量的子系统，是生物与环境之间、生物与生物之间和谐共生、协同进化的结果。现如今，《四千年农夫》所展现的一幅资源循环利用的耕作画面已经荡然无存，但从自然生态系统中寻找这种相对稳定、永续存在的生态机制，促进人类科学管理好人类唯一赖以生存的生命支持系统，是人类伟大的历史使命。
■ 唤醒“沉睡”的生命
在水体生态系统中，沉水植物是最重要的初级生产者。沉水植物通过光合作用将水和二氧化碳合成为碳水化合物，并进一步合成脂肪和蛋白质，是水体生态系统能量输入最重要的来源；沉水植物通过吸收固定氮磷等营养元素、吸附水体中大量生物性和非生物性悬浮物质，以提高水体透明度、增加水体溶解氧、延续水体食物链，是净化水质和构建水体健康生态系统最重要的载体；沉水植物分泌出的化感物质可以破坏藻类生理代谢功能，是藻类天然的“克星”；沉水植物在水和沉积物界面上占据着重要的生态位，为浮游生物和水生动物提供食物来源和栖息场所，是水体生态系统的基石。
“改善水体生境，促进沉水植物的萌发、生长和种群扩张，是实现水体生态系统良性循环的根本途径。”中国环科院原副院长郑丙辉深有感慨地说，“底泥洗脱暨生态恢复技术触及水环境领域科学研究、技术研发和标准化管理体系的一个短板，应当引起高度重视，切实组织好机理研究和工程实验，抓紧制定技术标准和设计规范，为水环境治理提供技术支撑。”
水体生境是水体生态系统的非生物环境，是水生生物个体、种群和群落赖以生存的环境空间，包括对水生生物生存起重要作用的各种生态因子。目前，国内外学者对于沉水植物和水环境关系的研究，主要集中在沉水植物对水体作用的影响以及光照强度和上覆水透明度、温度、营养盐等对沉水植物生长的影响，而水体底泥对沉水植物萌发、伸扎、生长的研究还很不充分。业界一致认为，光照、上覆水和底质是影响沉水植物生长的关键因子，而水体底泥对沉水植物根系固着和营养物质吸收至关重要。
“底泥洗脱可以全面改善光照、上覆水和底质等影响水体生境的关键因子，是水环境治理的重要基础性技术。”雷克环境副总经理孙进结合工程案例详细介绍了底泥洗脱技术的三大功能：
一是有利于提高水体透明度和光照强度。光照强度是指单位面积上所接受可见光的能量，是沉水植物生长的限制因子。植物通过光合作用制造的有机质与呼吸作用消耗的物质相平衡，此时的光照强度称为光补偿点。植物处于光补偿点时，有机物的形成和消耗相等，不能累积干物质，只有水下光强高于光补偿强度，光合速率才会优于呼吸作用强度，植物体才能逐渐积累有机物质，才能不断生长和发育。在富营养化水体中，由于水-气界面的密度差造成光照强度的损失，光能在水体传递过程中首先因水深因素的影响逐渐减弱，再加上水体悬浮颗粒物和藻类的折射与反射，沉水植物所需的光照条件严重不足，成为沉水植物健康成长的制约因素。底泥洗脱可以快速、精准地削减底泥有机质，去除水体悬浮物，有效提高水体透明度。
二是改善和优化底泥的物理性状。在污染环境中，由于有机污染物的沉降和积淀，底质结构发生负向渐变。深层底泥质地黏重，结构致密，通透性差；表层底泥界面混沌，基本呈流体、半流体不稳定状态。底泥洗脱将大量有机细颗粒分离后，粒径较大的矿物颗粒比重增加，泥-水界面渐趋稳定，综合环境得到全面改善。
三是促进沉水植物的萌发、生长。底泥洗脱把沉积物覆盖掩埋的种子重置于底泥表层，十分有利于种子萌发和芽体复苏。应用实践证明，洗脱后苦草种子和芽体萌发率达到45.36%，比洗脱前提高5.5倍，效果十分明显。
“唤醒沉睡的生命，促进水体生态系统的能量流动和物质循环，增强水体生态自组织和自我净化功能，从而实现以太阳能为驱动力的水体生态系统功能整体修复，这是水环境治理的初心和目标。”中国环科院储昭升研究员从生命科学的角度阐述了生态恢复的要义，生态意味着生命，我们必须紧紧抓住水生态系统的生命线，对阻碍和损害生命体复苏、发育的不利因素进行积极调控，修复、重建以沉水植物健康生长为首要目标的水体生命支持系统，促进水体生态系统的能量流动和物质循环，逐渐增强水体自修复、自平衡能力。
■ 结语
大道至简：万物生长靠太阳。
水环境治理的最终目标是实现水体生态转型，生态转型最重要的标志是恢复沉水植被，恢复沉水植被最基本的要求是改善水体生境，改善水体生境最关键的措施是泥水共治、提高水体透明度。
物竞天择，适者生存。尊重自然、顺应自然、保护自然，让世界每个角落都布满生命的光辉。
