河流水體治理技術(shù)

河流水體治理技術(shù)河流水體生態(tài)系統(tǒng)具有自凈能力，但當(dāng)污染物的數(shù)量超過其自凈容量時(shí)，將造成河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞，功能受阻，致使河流生態(tài)平衡失調(diào)。此時(shí)，必須實(shí)施污染物綜合治理的方法和措施，消除污染物的影響，修復(fù)河流水生態(tài)系統(tǒng)。一、底泥疏浚1、底泥疏浚是解決河流內(nèi)源污染的重要措施，它主要是通過底泥的疏挖去除底泥中所含的污染物，清除污染水體的內(nèi)源，減少底泥污染物向水體的釋收，主要適用于富營(yíng)養(yǎng)化河流的治理。來自于河流與湖庫底部沉積物釋放的內(nèi)源污染物質(zhì)是造成水體污染的主要因素之一。氮和磷元素是水生生態(tài)系統(tǒng)中重要的營(yíng)養(yǎng)限制因子，來自于內(nèi)源釋放的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)上覆水營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的貢獻(xiàn)率可以達(dá)到甚至超過外源污染的貢獻(xiàn)。因此，即使在外源污染得到較好控制時(shí)，河流水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)仍然處于較高水平，致使水體富營(yíng)養(yǎng)化問題難以得到徹底解決。2、底泥疏?？梢詫⒏缓廴疚锏牡啄鄰乃w中永久性去除，能夠控制內(nèi)源污染物的釋放或減少污染物生物有效性，因而被認(rèn)為是河道湖庫治理中的重要工程措施而被廣泛應(yīng)用。在外源氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得到有效控制的前提下，底泥疏浚是控制內(nèi)源氮磷負(fù)荷有效的技術(shù)手段。3、底泥疏浚技術(shù)控制內(nèi)源污染釋放，修復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)在我國(guó)太湖、西湖以及廣州等地均有實(shí)際應(yīng)用，并取得了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。然而底泥疏浚后新生表層沉積物的物理、化學(xué)和生物性質(zhì)與疏浚的表層沉積物均發(fā)生了根本性變化，改變沉積物中微生物群落組成，導(dǎo)致微生物群落功能多樣性降低，從而對(duì)沉積物中生源要素的循環(huán)產(chǎn)生影響。日本的隅田川河和俄羅斯的莫斯科河曾采用污泥疏浚的治理措施，從而使得水質(zhì)恢復(fù)。但底泥疏浚法工程量大，造價(jià)高，并需確定合理的挖掘深度和挖泥量，否則容易破壞水生生態(tài)系統(tǒng)。4、投放微生物菌種投放到水體中，針對(duì)不同的有機(jī)物和腐殖質(zhì)進(jìn)行消除，淤泥被就地分解成為水和二氧化碳。達(dá)到水中無淤泥的效果，自動(dòng)調(diào)節(jié)水中新陳代謝，無需額外養(yǎng)分補(bǔ)給和生化調(diào)整，在污水中不易發(fā)生“DNA”蛻變。最后的目標(biāo)就是水變清，并且無毒無害，對(duì)人的身體健康沒有任何影響。生物清淤這種方法比較經(jīng)濟(jì)效益，既減少清污費(fèi)用，又縮短了工期，同時(shí)淤泥被分解為水和二氧化碳，不破壞環(huán)境，對(duì)魚蝦沒有副作用。其次是社會(huì)效應(yīng)，關(guān)鍵是杜絕二次污染，不產(chǎn)生任何廢棄物和有害物質(zhì)，也不存在淤泥的轉(zhuǎn)運(yùn)和堆放問題。二、人工濕地技術(shù)1、人工濕地是一種簡(jiǎn)便有效的生態(tài)工程型污水處理技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。此技術(shù)由于運(yùn)行簡(jiǎn)便、管理費(fèi)用低、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。人工濕地是人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)和建造是通過對(duì)濕地自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物作用的優(yōu)化組合來進(jìn)行污水處理。人工濕地污水處理技術(shù)是20世紀(jì)七八十年代發(fā)展起來的一種污水生態(tài)處理技術(shù)，一般由人工基質(zhì)和生長(zhǎng)在其上的水生植物（如蘆葦、香蒲等）組成，是一個(gè)獨(dú)特的土壤（基質(zhì)）-植物一微生物生態(tài)系統(tǒng)。人工濕地凈化污水主要機(jī)理如下表所示:人工濕地凈化污水主要機(jī)理物理作用大顆粒物沉降水生植物和生物濾膜對(duì)輕顆粒物的過濾通過沉淀或過濾聚集顆粒物以達(dá)到去除目的化學(xué)反應(yīng)沉降吸收到基質(zhì)和腐殖質(zhì)揮發(fā)生物反應(yīng)微生物降解、有機(jī)物質(zhì)礦化轉(zhuǎn)化作用（硝化/反硝化）從水體直接生物吸收（藻類、細(xì)菌生物膜）從根區(qū)間接生物吸收（水體生物膜、挺水植物）微生物競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致部分病菌死亡（1）SS的去除SS中有有機(jī)物和無機(jī)物，顆粒的密度和大小變化很大，不同密度、大小的顆粒物具有不同的去除機(jī)理和路徑。大塊物質(zhì)可通過隔柵去除。部分小顆粒物質(zhì)可在水解酸化池沉降去除。在人工濕地中SS的去除是相當(dāng)迅速的物理過程。主要去除機(jī)理為沉淀、聚集、表面粘附和過濾等。（2）BOD、COD的去除濕地中的不溶性的有機(jī)物主要是通過濕地的過濾作用而被截留在濕地中；可溶性有機(jī)物則通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物降解過程而被分解去除。生物降解過程主要是通過好氧和厭氧代謝降解，從而降低污水的BOD、COD。（3）氮的去除大多數(shù)污水中N是主要成分。N在環(huán)境中以多種形式存在，有復(fù)雜的循環(huán)路徑。TN由不同比例顆粒的有機(jī)氮、溶解有機(jī)氮、氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮°N2和N20在N循環(huán)中很重要。礦化、生物吸收、硝化和異化（硝態(tài)氮到氨氮DNRA）是使氮的一種形式轉(zhuǎn)到另一種形式的過程，這些過程是物質(zhì)平衡過程，N在同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，從而致使N從系統(tǒng)中得到去除。大量的研究表明濕地中氮的去除路徑主要為生物硝化一反硝化。N在濕地中的主要轉(zhuǎn)化過程如下表所示：氮的主要轉(zhuǎn)化過程過程物質(zhì)產(chǎn)物礦化有機(jī)質(zhì)氨氮生物吸收氨氮、硝態(tài)氮硝化氨氮硝態(tài)氮反硝化硝態(tài)氮氮?dú)釪NRA硝態(tài)氮氨氮揮發(fā)氨氮+高pH氨氣同氮氮?dú)庥袡C(jī)氮（4）磷的去除無機(jī)磷是濕地植物必需的養(yǎng)分。廢水中無機(jī)磷在植物吸收及同化作用下可變成植物的ATP、DNA及RNA等有機(jī)成分，通過植物收割而去除。物理化學(xué)作用包括填料對(duì)磷的吸附及填料與磷酸根離子的化學(xué)反應(yīng)，這種作用對(duì)無機(jī)磷的去除會(huì)因填料中Ca和Fe可與P043-反應(yīng)而沉淀去除P043-因而除磷效果較好的填料非常重要，含鈣質(zhì)或鐵質(zhì)的地下水滲入人工濕地也有利于磷的去除。微生物對(duì)磷的去除包括它們對(duì)磷的正常同化（將磷納入其分子組成）和對(duì)磷的過量積累。由于植物中植物光合反應(yīng)、暗反應(yīng)交替進(jìn)行，根毛輸氧多少的交替出現(xiàn)，以及系統(tǒng)內(nèi)部不同區(qū)域?qū)ρ跸牧康牟町?，?dǎo)致了系統(tǒng)中厭氧、好氧的交替出現(xiàn)，使磷的過量釋放和過量積累得以完成，這是常規(guī)二級(jí)處理方式所難以滿足的。在濕地系統(tǒng)中磷有著一系列的變化形式。如下表所示。磷主要轉(zhuǎn)化過程過程物質(zhì)產(chǎn)物礦化有機(jī)質(zhì)正磷酸生物吸收正磷酸有機(jī)磷吸附正磷酸磷-粘土/金屬水化合物沉降正磷酸離散狀態(tài)磷礦物質(zhì)脫附磷-粘土/金屬水化合物正磷酸2、人工濕地是集廢水處理凈化功能與景觀功能于一體的綜合處理系統(tǒng)，當(dāng)污水通過系統(tǒng)時(shí)，其中污染物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被系統(tǒng)吸收、轉(zhuǎn)化或分解，從而使水質(zhì)得到凈，運(yùn)行簡(jiǎn)單，操作自動(dòng)化程度高。3、從工程實(shí)用的角度出發(fā)，按系統(tǒng)布水方式的不同或水流方式差異一般分為自由表面流人工濕地和潛流型人工濕地。（1）自由水面系統(tǒng)自由水面系統(tǒng)的污水從系統(tǒng)表面流過，水深較淺（一般在0.H）.6m）,氧通過自由擴(kuò)散補(bǔ)給。進(jìn)水中所含的溶解性和顆粒性污染物與系統(tǒng)介質(zhì)和植物根系接觸。常用的植物包括香蒲、蘆葦、慈姑、莎草等。與潛流型系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)是投資省，缺點(diǎn)是負(fù)荷低。北方地區(qū)冬季表面會(huì)結(jié)冰，夏季會(huì)滋生蚊蠅、散發(fā)臭味，目前已較少采用。（2）潛流系統(tǒng)在潛流系統(tǒng)中，污水在濕地床的表面下流動(dòng)，一方面可以充分利用填料表面生長(zhǎng)的生物膜、豐富的植物根系及表層土和填料截留等作用，提高處理效果和處理能力；另一方面由于水流在地表下流動(dòng)，保溫性好處理效果受氣候影響較小，且衛(wèi)生條件較好，是目前國(guó)際上較多研究和應(yīng)用的一種濕地處理系統(tǒng)，但此系統(tǒng)的投資比自由水面型系統(tǒng)略高。三、水生生物群落恢復(fù)技術(shù)1、河流水體生態(tài)系統(tǒng)的生物群落恢復(fù)包括水生植物恢復(fù)、底棲動(dòng)物恢復(fù)、浮游生物恢復(fù)、魚類恢復(fù)等。在河流水體污染得到有效控制以及水質(zhì)得到改善后，生物群落的恢復(fù)就變得相對(duì)容易，可以通過自然恢復(fù)或進(jìn)行相應(yīng)的人工強(qiáng)化，必要時(shí)可以采用人工重建措施。2、大型水生植物（包括沉水植物、挺水植物、浮水植物）在水污染治理中可以發(fā)揮多種作用。通過自身生長(zhǎng)代謝可大量吸收氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，植物光合作用增加水體溶解氧，同時(shí)，一些物種還可以富集重金屬或吸收、降解某些有機(jī)污染物。水生植物通過促進(jìn)微生物的代謝，使水中大部分可生物降解的有機(jī)物得到降解，同時(shí)抑制藻類的生長(zhǎng)，從而控制水體富營(yíng)養(yǎng)化，利用植物及共存微生物體系去除環(huán)境中的污染物。據(jù)文獻(xiàn)研究，通過在水體中種植水生植物，利用植物的吸收、揮發(fā)、過濾、降解、穩(wěn)固等作用，可以將水中有機(jī)和無機(jī)污染物進(jìn)行有效的去除，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。3、在河流生態(tài)系統(tǒng)中，原生及后生微型動(dòng)物、底棲動(dòng)物能夠吞食藻類、細(xì)菌及部分懸浮狀有機(jī)物，可防止藻類、細(xì)菌過度增殖，加速污染河流水質(zhì)凈化，同時(shí)自身又是良好的魚餌。雜食性魚類（如鯉魚、鯽魚）捕食水中的食物殘屑和浮游動(dòng)物；濾食性魚類（如鰱、鳙）和草食性魚類（如草魚）等的濾食活動(dòng)及生理代謝，促進(jìn)了氮磷的釋放，有利于浮游植物的大量繁殖，同時(shí)能夠控制藻類的過度增殖，防止水華。例如田利等人通過在富營(yíng)養(yǎng)化水體中放養(yǎng)鰱魚、蘆臺(tái)魚的試驗(yàn)表明在一定密度下放養(yǎng)濾食性鰱魚可以有效地起到控制富營(yíng)養(yǎng)化水體中藻類生長(zhǎng)的作用；李傳紅通過選擇在惠州南湖進(jìn)行鯉魚圍隔實(shí)驗(yàn)和去除魚類的全湖實(shí)驗(yàn)，以鯉魚對(duì)南湖底質(zhì)擾動(dòng)所造成的沉積物再懸浮為核心，首次較為系統(tǒng)地研究了鯉魚對(duì)湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽水平、浮游植物生產(chǎn)力、浮游動(dòng)物種類組成和數(shù)量等方面的生態(tài)效應(yīng)，探討了底棲性鯉魚在熱帶淺水富營(yíng)養(yǎng)化湖泊生態(tài)系統(tǒng)的作用，試驗(yàn)結(jié)果表明了魚類對(duì)水體中的TN和TP有一定的去除效果。四、漂浮型人工濕地1、漂浮型人工濕地也稱移動(dòng)式人工濕地或人工浮島技術(shù)，廣泛適用于河湖的深水、淺水區(qū)域。該裝置利用陶粒、生物碳等填料作為浮體，和水生植物構(gòu)成可移動(dòng)的人工濕地，克服了常規(guī)濕地和浮島的種種缺陷。2、漂浮濕地獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使能培植的植物類型多樣化，挺水、浮水、沉水和陸生植物都能適應(yīng)；漂浮濕地的浮體填料和種植管里水體修復(fù)藥劑增強(qiáng)了治理污染水體的效率。3、技術(shù)特點(diǎn)：（1）建立生態(tài)島:漂浮濕地獨(dú)特的透氣構(gòu)造孔便于各種植物生根;（2）脫氮除磷：利用漂浮濕地上的功能植物，吸收和去除水中的N、P等富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)；（3）景觀功能：可根據(jù)污染水體治理要求不同，選擇不同植物，也可以進(jìn)行輪種和套種，形成立體種植、四季種植，景觀效果四季延續(xù)；（4）水質(zhì)改善：植物、浮體填料、水體修復(fù)藥劑共同作用，促進(jìn)懸浮物沉降，削減污染物含量，抑制浮游藻類生長(zhǎng)；（5）消浪護(hù)岸：通過消浪作用穩(wěn)定湖濱帶，形成有利于水生植物恢復(fù)的相對(duì)的靜水環(huán)境；（6）造型組裝：結(jié)構(gòu)新穎，植物造型與色彩可隨意組合，便于管理；（7）重復(fù)適用：漂浮濕地單元具有防腐抗氧化特點(diǎn)，使用壽命為7-8年。4、作用機(jī)理：（1）漂浮濕地上功能植物的根系增加了水體與氧的接觸面積，加強(qiáng)了水體氧化能力，凈化水質(zhì)，同時(shí)根系釋放出能降解有機(jī)物的分泌物，可加速降解有機(jī)污染物的分解；植物對(duì)水體中N、P營(yíng)養(yǎng)物及其相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)鹽（硝酸鹽和磷酸鹽）的吸收、吸附，在光合作用和呼吸作用下，轉(zhuǎn)化為植物機(jī)體的一部分，帶走水中的污染物質(zhì)。（2）由于浮體填料作為載體，可為微生物提供較大的附著表面，有利于加強(qiáng)對(duì)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(kuò)散，②在生物膜內(nèi)部擴(kuò)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。（3）種植管里的水體修復(fù)藥劑，可根據(jù)污染水體的不同治理要求，配制菌劑來修復(fù)水體，以光合菌群和酵母菌群為主導(dǎo)，協(xié)同其他土著菌群共同作用，氧化、還原等途徑，增加水體溶解氧含量，分解氧化有機(jī)物，除臭去污。五、曝氣增氧技術(shù)耗氧有機(jī)污染物、營(yíng)養(yǎng)物等消耗水體中大量溶解氧，導(dǎo)致水體復(fù)氧來不及補(bǔ)充，水體的溶解氧急劇下降，甚至消耗殆盡，有機(jī)物不完全分解和大量有毒物質(zhì)的釋放，使水生生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，水質(zhì)惡化，出現(xiàn)水體黑臭現(xiàn)象，無法自行恢復(fù)，河流水體失去自凈能力。利用人工曝氣增氧，能夠極大增加河流溶解氧，有助于河流微生物區(qū)系由厭氧向好氧轉(zhuǎn)化，加速了好氧微生物的增殖，提高水體中的COD、BOD、N、P等污染物質(zhì)的好氧降解；另一方面刺激河道藻類生長(zhǎng)，并形成河流水體藻類自然復(fù)氧機(jī)制，消除水體黑臭。人工曝氣復(fù)氧能保證水體的好氧環(huán)境，提高水體中好氧微生物的活性，可達(dá)到消除黑臭，減少污染負(fù)荷，維持生態(tài)凈化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和最大凈化功能，促進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)等目的［l8］國(guó)內(nèi)外采用的人工曝氣復(fù)氧技術(shù)主要有純氧增氧系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)-微孔布?xì)夤芷貧庀到y(tǒng)、葉輪吸氣推流式曝氣器和水下射流曝氣等設(shè)備。六、微生物修復(fù)技術(shù)微生物作為生態(tài)系統(tǒng)中的分解者，對(duì)污染物的去除和養(yǎng)分的循環(huán)起著很重要的作用，是河流生物修復(fù)技術(shù)的核心。當(dāng)前河流微生物修復(fù)過程中使用較多的微生物制劑是利用微生物生命過程中的代謝機(jī)理，將污水中的有機(jī)物分解成為簡(jiǎn)單的無機(jī)物，從而去除有機(jī)污染的過程。微生物制劑是由幾十種具備各種功能的微生物組成的一個(gè)良性循環(huán)的微生物生態(tài)系統(tǒng)，主要包括了光合菌、乳酸菌、放線菌、酵母菌等，構(gòu)成了功能強(qiáng)大的菌團(tuán)”。其作用原理是利用菌團(tuán)”含有的微生物喚醒或激活河道中、污水中原有存在的可以自凈的，但被抑制而不能發(fā)揮其功效的微生物。通過他們的迅速增殖，強(qiáng)力地鉗制有害微生物的生長(zhǎng)和活動(dòng)，進(jìn)而分解水中的有機(jī)污染物，促進(jìn)氮的反硝化作用，加速磷的無害化，并鎖定水體中的重金屬元素。七、生物膜法處理技術(shù)1、河流中水生植物、沙石和沉積物表面通常生長(zhǎng)有一層對(duì)有機(jī)污染物有降解凈化作用的生物膜凋叢生物，主要由藻類、細(xì)菌、原生動(dòng)物等組成。為了強(qiáng)化周叢生物對(duì)河水中有機(jī)污染物的去除作用，可以用人工水草、生物柵和生態(tài)磚等作填料，在河道內(nèi)構(gòu)筑滲流生物膜凈化床。滲流生物膜凈化床因填料材料和粒徑的不同，除了生物降解有機(jī)物外，還可能產(chǎn)生物理吸附、沉降，過濾等作用，去除懸浮物和氮、磷、重金屬等。凈化床可選擇易被微生物附著的廢磚塊、廢陶或沸石等功能填料。采用獨(dú)特的生物填料作為微生物生存的載體達(dá)到強(qiáng)化河道水質(zhì)凈化的目的。利用該類載體作生物填料，在生物填料的表面和里面通道都可以長(zhǎng)出致密的生物膜，給微生物提供巨大的生存空間，增加生態(tài)區(qū)好氧菌的數(shù)量，加快載體附著微生物的生長(zhǎng)繁殖和新陳代謝，提高處理效率，縮短處理時(shí)間。2、礫石間接觸氧化也使用生長(zhǎng)在礫石表面上的生物膜過濾。礫石接觸氧化的基本原理是生物氧化凈化和沉淀去除懸浮物凈化。3、人工水草是對(duì)現(xiàn)有的多孔高分子材料進(jìn)行改性、比選、優(yōu)化而成。多孔材料除了具有很大的比表面積外，還帶有正負(fù)表面離子。材料來源豐富，價(jià)格低廉，環(huán)境安全性好。4、原位水質(zhì)改善技術(shù)，尤其適合富營(yíng)養(yǎng)湖泊水質(zhì)的改善。對(duì)富營(yíng)養(yǎng)水體進(jìn)行的小、中試結(jié)果表明：水質(zhì)改善效果顯著，見效時(shí)間短，布放人工水草一周左右，水體透明度顯著提高，水體葉綠素水平顯著降低，水體景觀質(zhì)量得到明顯改善。人工水草生產(chǎn)、布放及使用全過程，安全性好；其生產(chǎn)原材料來源豐富，價(jià)格低廉，生產(chǎn)、布放及維護(hù)都很簡(jiǎn)單，可以說是免維護(hù)