生態(tài)-生物方法水體修復(fù)技術(shù)
一、概述
據(jù)2000年統(tǒng)計，我國河流水質(zhì)在11.4萬km評價河長中，符合和優(yōu)于Ⅲ類水的河長占評價河長的58.7%，比上年下降3.7%。在評價的24個湖泊中，9個湖泊水質(zhì)符合或優(yōu)于Ⅲ類水，4個湖泊部分水體受到污染，11個湖泊水嚴(yán)重污染。其中，太湖Ⅳ類水質(zhì)斷面占64%，Ｖ類水質(zhì)斷面占12%。滇池水質(zhì)劣于Ｖ類，處于富營養(yǎng)狀態(tài)。在評價的139座主要水庫中，有118座達(dá)到Ⅱ、Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在未達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的水庫中，有8座劣于Ｖ類。在對93座水庫進行營養(yǎng)化程度評價時，處于中營養(yǎng)化狀態(tài)的水庫65座，處于富營養(yǎng)化狀態(tài)的水庫14座。這些情況說明我國江河湖庫水體污染狀況嚴(yán)重，且有明顯惡化趨勢。
對受污染的江河湖庫水體進行治理修復(fù)是社會經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)環(huán)境建設(shè)的迫切需要。特別是南水北調(diào)東線沿線的治污工程，量大面廣，需要的投資大，尋找先進實用、造價低廉的技術(shù)迫在眉睫。
我國的江河湖庫水體污染主要包括氮磷等營養(yǎng)物和有機物污染兩方面。另外，湖泊水庫藍(lán)藻及赤潮給水域生態(tài)、人體健康也造成了嚴(yán)重危害。對于富營養(yǎng)化的控制，發(fā)達(dá)國家以控制營養(yǎng)鹽為主，大多采取“高強度治污－自然生態(tài)恢復(fù)”的技術(shù)路線，即控制外源磷污染負(fù)荷并配合生態(tài)恢復(fù)措施，在這方面已經(jīng)取得較大成效。
去除藻類與控制其生長是湖泊水庫水體恢復(fù)與保護的難題，目前國際上采用的技術(shù)主要有三類：①化學(xué)方法：如加入化學(xué)藥劑殺藻、加入鐵鹽促進磷的沉淀、加入石灰脫氮等，但是易造成二次污染；②物理方法：疏挖底泥、機械除藻、引水沖淤等，但往往治標(biāo)不治本；③生態(tài)—生物方法：是國外近年來發(fā)展很快的一種新技術(shù)，水體生態(tài)—生物修復(fù)技術(shù)是按照自然界自身規(guī)律去恢復(fù)自然界的本來面貌，強化自然界自身的自凈能力去治理被污染水體，這是人與自然和諧相處的合乎邏輯的治污思路，也是一條創(chuàng)新的技術(shù)路線。
生態(tài)—生物污水處理技術(shù)，是利用培育的植物或培養(yǎng)、接種的微生物的生命活動，對水中污染物進行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化及降解作用，從而使水體得到凈化的技術(shù)，具有處理效果好、工程造價相對較低、不需耗能或低耗能、運行成本低廉等優(yōu)點。另外，這種處理技術(shù)不向水體投放藥劑，不會形成二次污染。還可以與綠化環(huán)境及景觀改善相結(jié)合，在治理區(qū)建設(shè)休閑和體育設(shè)施，創(chuàng)造人與自然相融合的優(yōu)美環(huán)境。所以，這種廉價實用技術(shù)預(yù)計適用我國江河湖庫大范圍的污水治理。
二、主要處理工藝方法
生物處理技術(shù)包括好氧處理、厭氧處理、厭氧—好氧組合處理，利用細(xì)菌、藻類、微型動物的生物處理，利用濕地、土壤、河湖等自然凈化能力處理等。以下重點介紹幾種針對江河湖庫污染大水體的修復(fù)技術(shù)。
1.生物膜法處理技術(shù)
生物膜法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纖維）為載體，在其表面形成一種特殊的生物膜，生物膜表面積大，可為微生物提供較大的附著表面，有利于加強對污染物的降解作用。其反應(yīng)過程是：①基質(zhì)向生物膜表面擴散，②在生物膜內(nèi)部擴散，③微生物分泌的酵素與催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，④代謝生成物排出生物膜。
生物膜法主要工藝方法有生物廊道、生物濾池、生物接觸氧化池等。生物膜法具有較高的處理效率，對于受有機物及氨氮輕度污染水體有明顯的效果。它的有機負(fù)荷較高，接觸停留時間短，減少占地面積，節(jié)省投資。此外，運行管理時沒有污泥膨脹和污泥回流問題，且耐沖擊負(fù)荷。日本、韓國等都有對江河大水體修復(fù)的工程實例。
2.人工濕地處理技術(shù)
人工濕地的原理是利用自然生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物的三重共同作用來實現(xiàn)對污水的凈化。這種濕地系統(tǒng)是在一定長寬比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料（如卵石等）混合組成填料床，污染水可以在床體的填料縫隙中曲折地流動，或在床體表面流動。在床體的表面種植具有處理性能好、成活率高的水生植物（如蘆葦?shù)龋纬梢粋獨特的動植物生態(tài)環(huán)境，對污染水進行處理。
人工濕地的顯著特點之一是其對有機污染物有較強的降解能力。廢水中的不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快地被截留進而被微生物利用；廢水中可溶性有機物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除。隨著處理過程的不斷進行，濕地床中的微生物也繁殖生長，通過對濕地床填料的定期更換及對濕地植物的收割而將新生的有機體從系統(tǒng)中去除。由于這種處理系統(tǒng)的出水質(zhì)量好，適合于處理飲用水源，或結(jié)合景觀設(shè)計，種植觀賞植物改善風(fēng)景區(qū)的水質(zhì)狀況。其造價及運行費遠(yuǎn)低于常規(guī)處理技術(shù)。這種技術(shù)已經(jīng)成為提高大型水體水質(zhì)的有效方法。英、美、日、韓等國都已建成一批規(guī)模不等的人工濕地。
3.土地處理技術(shù)
土地處理技術(shù)是一種古老、但行之有效的水處理技術(shù)。它是以土地為處理設(shè)施，利用土壤—植物系統(tǒng)的吸附、過濾及凈化作用和自我調(diào)控功能，達(dá)到某種程度對水的凈化的目的。土地處理系統(tǒng)可分為快速滲濾、慢速滲濾、地表漫流、濕地處理等幾種形式。國外的實踐經(jīng)驗表明，土地處理系統(tǒng)對于有機化合物尤其是有機氯和氨氮等有較好的去除效果。德、法、荷等國均有成功的經(jīng)驗。
三、國外工程實例
1.日本坂川古崎凈化場
位于日本江戶川支流坂川古崎凈化場，是采用生態(tài)—生物方法對河道大水體進行修復(fù)的典型工程，從1993年投入運行至今已有8年的運行歷史，觀測結(jié)果表明，河道污染水體的水質(zhì)有了明顯改善。
江戶川是日本東京都和千葉縣附近的主要河流，從河道中引出70m3/s的流量為該地區(qū)城市、農(nóng)業(yè)、工業(yè)供水，其中城市供水占60%。靠江戶川下游的金町、古崎和栗山三個水廠為630萬人供水。坂川是江戶川的一條支流，在金町等三個水廠上游附近匯入江戶川。由于坂川河道治理不力，大量生活污水排入坂川，致使水質(zhì)惡化，BOD等指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，同時浮游植物繁殖迅速。坂川水質(zhì)惡化，直接對金町等三個水廠構(gòu)成威脅，居民對飲用水味道不佳多有怨言。為治理坂川，采取工程設(shè)施將坂川改道，先流入古崎凈化場。經(jīng)過古崎凈化場后，坂川的污染減少了60%～70%，處理過的河水流入稱為松戶川的新開人工渠道，然后注入江戶川。
古崎凈化場是利用卵石接觸氧化法對水體進行凈化。古崎凈化場建在江戶川的河灘地下，充分節(jié)省了土地，是地下廊道式的治污設(shè)施。凈化場結(jié)構(gòu)十分簡單，主體結(jié)構(gòu)是高4.5m、長28m的地下矩形廊道，內(nèi)部放置直徑15～40cm不等的卵石。用水泵將河水泵入柵形進水口，經(jīng)導(dǎo)水結(jié)構(gòu)后水流均勻平順流入廊道。另外有若干進氣管將空氣通入廊道內(nèi)。凈化作用主要由以下三方面組成：①接觸沉淀作用：污水經(jīng)過卵石與卵石間的間隙，水中的漂浮物觸到卵石即沉淀；②吸附作用：由于污染物自身的電子性質(zhì)，或由于卵石表面生物膜的微生物群產(chǎn)生的黏性而產(chǎn)生吸附作用；③氧化分解作用：卵石表面形成一種生物膜，生物膜的微生物把污染物作為食物吞噬，然后分解成水和二氧化碳。通過凈化場后，水質(zhì)明顯提高，效果十分顯著，見表1。其中BOD反映有機物的含量；SS反映浮游于水中的固體物，造成水體渾濁；2-MIB反映水中藍(lán)藻類物質(zhì)，藍(lán)藻類異常繁殖是造成水體腐臭的主要原因。
坂川的河水經(jīng)改道注入古崎凈化場后，清潔的水流入新開的人工渠道——松戶川。其設(shè)計理念頗有新意，它一改傳統(tǒng)設(shè)計形式，不采用混凝土或塊石襯砌的直線渠道，而以微彎曲的河道形態(tài)，岸坡間有大小卵石，植有繁茂的蘆葦和其他植物，適于鯽魚、魚等魚類生長，兩岸種植樹木，適于鳥類棲息。這種環(huán)境不但可以為居民提供一個與自然相融合的休閑環(huán)境，而且對水體也能起進一步的凈化作用。松戶川注入江戶川后，大大緩解了江戶川的環(huán)境壓力。
2.日本渡良瀨蓄水池的人工濕地
渡良瀨蓄水池位于日本櫪木縣，是一座人工挖掘的平原水庫，總庫容2640萬m3，水面面積4.5km2水深6.5m左右。平時為茨城縣等6縣市64萬人口供水，日供水量21.6萬m3。蓄水池周圍是渡良瀨川的滯洪區(qū)，汛期蓄水池能提供1000萬m3的調(diào)洪庫容。
隨著近年來上游用水造成生活污水以及含氮、磷的水流入，渡良瀨蓄水池出現(xiàn)霉臭等水質(zhì)問題。為保護蓄水池的水質(zhì)，自1993年起在蓄水池一側(cè)滯洪洼地上建人工濕地，這是一座設(shè)有人工設(shè)施的蘆葦蕩。將蓄水池的水引到蘆葦蕩，通過吸附、沉淀及吸收作用，去除水中的氮、磷及浮游植物，達(dá)到對水體進行自然凈化的目的。這種凈化過程循環(huán)進行，確保蓄水池水質(zhì)潔凈，類似醫(yī)學(xué)上的對病人血液體外透析處理。蘆葦具有很好的凈化功能，污染物與其莖部接觸產(chǎn)生沉淀作用，蘆葦?shù)母颗c莖部可吸收某些污染物。另外，附著在莖部上的微生物可對污染物產(chǎn)生吸附分解作用。
渡良瀨人工濕地在蓄水池出水口建高3.5m、寬40m的充氣式橡膠壩，用以控制出水口。水流經(jīng)引水渠到達(dá)設(shè)于地下的泵站。其所以設(shè)于地下，是為滿足景觀的要求。泵站安裝單機流量為1.25m3/s的兩臺水泵水體加壓后流入箱形涵洞再流入蘆葦蕩。蘆葦蕩占地20hm2，最大凈化水體能力為2.5m3/s。水流在蘆葦蕩中蜿蜒流動，以增加凈化效果，遂從出口匯入集水池，再回到蓄水池，完成一次凈化循環(huán)。人工濕地內(nèi)主要種植蘆葦，高2～3m。此外，還種植同屬稻科的荻，高為1.0～2.5m。人工濕地建成后，不僅水質(zhì)得到改善，動植物的生態(tài)系統(tǒng)也得以極大改善，生物多樣性有所恢復(fù)，見表2。該人工濕地已經(jīng)成為日本最大的蘆葦蕩，也成為對居民、兒童進行環(huán)保及愛水教育的場所。
為凈化渡良瀨蓄水池的水體，還在蓄水池中部建一批人工生態(tài)浮島，種植蘆葦?shù)戎参铮涓蹈街⑸铮商峁┏渥阊鯕猓⑼ㄟ^遷移、轉(zhuǎn)化水中的氮、磷等物質(zhì)，降解水中有機質(zhì)。浮島還設(shè)置為魚類產(chǎn)卵用的產(chǎn)卵床，也為小魚設(shè)有棲身地，水中的浮游植物成了魚餌。人工生態(tài)浮島保證了蓄水池水質(zhì)的潔凈。
3.韓國良才川水質(zhì)生態(tài)—生物修復(fù)設(shè)施
良才川是漢江的一條支流，位于漢城的江南區(qū)。由于河流地處住宅區(qū)，加之治理不善，良才川的水質(zhì)受到較大污染，也影響了漢江的水質(zhì)。1995年起主要采用生態(tài)—生物方法治理良才川。
水質(zhì)凈化設(shè)施主體是設(shè)于河流一側(cè)的地下生態(tài)—生物凈化裝置。采用卵石接觸氧化法，即強化自然狀態(tài)下河流中的沉淀、吸附及氧化分解現(xiàn)象，利用微生物的活動將污染物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。凈化設(shè)施日處理能力為32000t。凈化的工作流程如下：攔河橡膠壩（長18m、高1m）將河水?dāng)r截后引入帶攔污柵的進水口，水流經(jīng)過進水自動閥，經(jīng)污物濾網(wǎng)進入污水管，污水管連接有４座污水孔墻，污水孔墻兩側(cè)各有一座接觸氧化槽（長20m、寬13.6m、高14.8m），共有8座。污水從孔墻的孔中流入接觸氧化槽，氧化槽中放置卵石，污水通過氧化槽得到凈化后分別流入４座清水孔墻，再匯集到清水出水管中，由清水出口排入橡膠壩下游。污水在接觸氧化槽內(nèi)被凈化產(chǎn)生的主要作用是：接觸沉淀、吸附和氧化分解作用。與上述日本古崎凈化場相比，這種凈化裝置的主要優(yōu)點是幾乎不耗能，運行成本很低。該設(shè)施建成至今已6年，治污效果顯著，見表3。
除接觸氧化槽以外，良才川的環(huán)境治理工程還包括恢復(fù)河流自然生態(tài)的方法，即用石塊、木樁、蘆葦、柳樹等天然材料進行護岸，形成類似野生的自然環(huán)境，同時種植菖蒲等植物，恢復(fù)魚類棲息環(huán)境，適于鱖魚等魚類生長，也為白鷺、野鴨等禽類群落生存創(chuàng)造條件，又開辟散步、騎自行車小路和木橋等，為居民提供與水親近的自然環(huán)境。
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