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關鍵詞:城市水生態 環境 生物 措施
中圖分類號: TU986 文獻標識碼: A
隨著全球科技的進步,人類活動的頻繁和社會經濟增長模式的轉變,水資源的開發利用達到了前所未有的強度,水生態環境遭到了嚴重的破壞,但是城市水環境是城市生態環境的重要組成部分,也是市民休閑娛樂、維護城市生態平衡的重要手段。那么隨著人們生活水平的提高,人們對水環境的質量也越來越高,在這種情況下采取生態修復的方法解決污染不是很嚴重格的水環境是今后城市環境治理的必然,修復受損的水生態環境是恢復水生態環境的有效途徑。
一、 水生態環境影響因素
現如今隨著城市發展的不斷進行中,工業廢水和生活污水應該嚴格按照規定排入城市污水處理系統,嚴禁排入城市自然水環境。要定期對公園、環城河內的樹枝敗葉,以及其它的生活垃圾進行清理,強化環境宣傳,是人們在休閑游玩的時候養成一個良好的喜歡。這樣從環境污染的外源攝入上控制上污染源,才能為內源性污染質量奠定一個良好的基礎。
1.農村對水生態環境的影響
我國人口多、土地資源少的國情決定了我國是一個農業大國,農業在我國國民經濟中起到基礎地位的作用。我國農業目前正處在由傳統農業向現代化農業轉變時期。傳統農業是在自然經濟條件下,采用人力、畜力、手工工具、鐵器等為主的手工勞動方式,靠世代積累下來的傳統經驗發展,以自給自足的自然經濟居主導地位的農業。傳統農業對水生態環境影響較小。現代農業大量使用以石油為原料的化肥、農藥和以石油為能源的農業機械,使現代農業對生態環境的影響已遠遠超出傳統農業,達到了前所未有的程度。現代農業生產引起了土壤侵蝕和土地退化,減少了生物多樣性,農業生產中施用的化肥、農藥等產生了有機污染物及氮、磷等營養物質,造成水質的富營養化。
二、水生態環境修復原理
水生態修復是利用生態系統原理按照自然界的自身規律使水體恢復自我修復功能,采取各種工程、生物和生態措施修復受損傷的水體生態系統的生物群體及結構,強化水體的自凈能力,重建健康的水生生態系統。而水生態環境修復主要分為三種技術——物理修復、化學修復、生物修復。(1)物理修復技術為:外源控制、底泥疏浚、水動力循環治理。(2)化學修復技術為:化學除藻、沉淀凈化。(3)生物修復技術為:生物過濾技術、微生物技術。
三、水生態環境修復措施
1.城市水生態環境修復措施
1.1增強污水處理廠處理污水及廢水能力
根據污水水量、水中污染物的不同,采用不同的排放標準及處理工藝。修建污水處理綜合性能強的污水處理廠,將工藝研究和設備開發密切結合,在推廣應用先進工藝技術的同時推出高質量的成套設備,不斷擴增污水處理廠綜合性技能。
1.2人工建造景觀水體,增加城市綠地面積
在城市中修建人工景觀水體,滿足人們的親水性需求,改善周邊環境,種植適合城市生長的植被與樹木,增加降雨后形成徑流時間,使雨水能入滲到城市地面以下,補充城市地下水體,緩解城市水資源環境由于城市化帶來的不利影響,進而調節局部生態系統。
1.3修建人工濕地,為城市增色添香
模擬自然濕地生態系統修建人工濕地。利用濕地土壤疏松多孔體系,含有大量的膠體顆粒的物理性狀,去除水體中的有機物和重金屬,進而修復水生態環境。栽植有較高觀賞價值的濕地植物,增添休閑、觀賞和貼近自然的美景。
四、天然水體水生態修復措施
我國的天然水體主要由江湖湖海組成,目前已有近60%水體受到了不同程度的污染。水體中富含氮、磷等營養物和有機物。局部水體富氧化情況嚴重,造成諸如藍藻等生物的大量繁殖,藍藻等水生生物與水體中的魚類等生物爭耗氧氣,而使魚類等生物死亡。影響了水生態環境的自然規律。目前,我國主要通過修建工程措施、生物修復技術和生態修復技術修復受損的水生態環境。
1.工程措施
利用稀釋和沖刷技術,引用外流對水體進行稀釋和沖刷,短時間內有效地減少污染物的濃度和負荷,提高水體自凈能力;利用底泥疏浚技術去除水體底部的毒害物質;利用底泥覆蓋技術在底泥表面敷設滲透性小的塑料膜或卵石,營造出特定的水流環境和水生生物所需要的環境,抑制藻類大量繁殖;利用氣體抽提技術,使用真空泵和井使有機污染物蒸氣,或者將被吸附的、溶解狀態的或自由相的污染物轉變為氣相,抽提到地面,然后再進行收集和處理;利用空氣吹脫技術將壓縮空氣注入受污染區域,使溶解在地下水中的揮發性化合物、吸附在土壤顆粒表面上的化合物以及阻塞在土壤空隙中的化合物驅趕出來。
2.生物修復技術
生物修復技術是利用生物的新陳代謝對有機污染物及氮、磷營養物質的同化作用,將低濃度污染物進行富集轉化,達到治理污染水體的目的。該類技術與所要修復水體之間的空間關系屬于旁路裝置或非緊密結合的狀態。常見的技術包括:固定化細菌技術、河道內曝氣、結合高效微生物處理修復技術、生態浮床技術、卵石床生物膜技術、穩定塘技術、生物過濾技術土地處理技術等。
3.生態修復技術
生態修復技術是恢復退化水生態系統結構中缺失的組分,達到重建水生態系統的良好結構,實現其功能的恢復,同時改善水質。該種技術包括:生物操縱技術、沉水植物重建技術等。其中,生物操縱技術包括引入濾食性魚類來控制藻類生物量的富集。沉水植物重建是利用屬于本地物種的沉水植物,選擇合適的地帶進行引種并使之成為水生態系統的有機組成部分。
五、強化政府立法職能,增加社會輿論監督
我們在對水生態環境進行修復的過程中,也要不斷地去加強國家監察職能,運用行政手段、通過出臺法律、法規約束破壞水生態環境的行為。引進激勵機制,對生產、生活中保護水生態環境的企業給予減免財稅等方面的政策,獎勵和鼓勵高污染行業的技術進步。調動社會力量,加強社會輿論監督,對破壞水生態環境的行為提出譴責,輿論干預其企業銷售。加大社會保護水生態環境的宣傳力度,樹立全民保護水生態環境的意識,增強社會責任感和使命感。
關鍵詞:黑臭河道治理生物-生態修復技術
中圖分類號: TV85 文獻標識碼: A 文章編號:
引言:河道是包括河堤、河床、護坡、水體和生物等的復雜生態系統,既是防洪排澇和引水抗旱的通道,又是生態、景觀、休閑和旅游的重要場所。隨著人口及社會經濟的迅速發展,人類對河道生態的影響越來越大,河道的生態環境狀況越來越差,越來越多的城市河道變得黑臭,給河道景觀和居民身體健康帶來了嚴重危害。同時還加劇了水資源的短缺,直接威脅著飲用水的安全和人民的健康。水污染的防治已經成為國民經濟可持續發展的關鍵保障。
一、上海地區河道黑臭的成因:
上海地區的河道黑臭的一般原因都是因為河道所接納的污染負荷已經遠遠超過了它自身的凈化能力。主要是由于水體缺氧、有機物腐敗而造成的一種有機物污染的極限現象。具體的成因主要是以下幾點:
1、河道接納了大量的工藝廢水、生活垃圾廢水、農田化學廢水、牲畜的糞便廢棄物及各種重金屬廢棄物。大量的污染造成河道內溶解氧幾乎沒有了,才使的河道的水質變黑發臭。
2、上海地區的潮汐特點是每天兩潮水,河道較密對污水的排出較不利,容易發酵產生變質,造成反復污染,同時上海處于長江和黃浦江的下游,上游下來的各種污染經常在這里沉淀造成污染。
3、上海是高度發展的城市,城市建設、市政建設有許多不完善的地方,造成地下水、河道、管網的水系不能完全暢通,河道水系結構復雜治理困難。長期以來上海地下水的雨水管線也被用來做污水管,使的污水沒有辦法排除形成污染發臭。
4、由于污染的嚴重,環境的惡化,造成水體食物鏈中最重要、最基礎一環(底端腐蝕群落食物鏈)嚴重缺失,造成水體自身的凈化能力消失殆盡,造成水體的有機污染物無法得到及時分解,加劇了水質的惡化。
另外一個現象值得我們警惕,現在上海地區的農村河道治理改造工程,一般都是簡單的采取河道兩邊打樁在插上預制的水泥板。這樣外觀是好看了,但卻是阻礙了水體與岸灘間的養份交換,大大減少了河水的自凈能力。
二、河道黑臭的治理辦法
治理本地區河道黑臭的方法還是比較多的,概況起來一般有以下幾個辦法。
1、物理方法
主要是引水換水和底淤疏浚;
2、化學方法
化學絮凝處理技術是一種通過投加化學藥劑去除水層污染物以達到改善水質的污水處理技術。
3、生物方法(生物加生態修復技術)
提高微生物的活性和繁殖能力,達到一種微生態平衡。這類技術主要是利用微生物、植物等生物的生命活動,對水中污染物進行轉移、轉化及降解作用,從而使水體得到凈化,創造適宜多種生物生息繁衍的環境,重建并恢復水生生態系統。
4、曝氣復氧法
曝氣復氧對消除水體黑臭的良好效果已被國內一些實驗室試驗及河流曝氣中試所證實。
三、上海黑臭河道適宜的治理方法及原因
比較下來我個人認為生物-生態技術最適合也最科學。這是因為上海地區的地理環境和歷史問題決定的。
上海地處黃浦江的下游入長江口,常年水流喘急應該比較適合采用引水換水作業,但由于一些歷史遺留下來的問題,造成了許多內陸河道成斷頭河,影響了河水的流動。要想改造難度較大,時間很長。特別是上海的河道富營養嚴重要想通過換水來治理必然造成水資源的大量浪費,費用高昂。
底淤疏浚可減少積存湖內的大量有機碳、氮、磷等營養物質,增大湖的蓄水量,是減少內源性污染、減輕水體黑臭的有效途徑和措施。但是大規模清淤,可能會破壞湖泊原有的生物種群結構和生境,削弱其自凈功能,對生態修復帶來負面影響。
采用化學方法主要是化學絮凝處理技術,這是一種通過投加化學藥劑去除水層污染物以達到改善水質的污水處理技術。近年來,化學絮凝處理技術在強化城市污水一級處理的效果方面得到了越來越廣泛的研究與應用,而隨著水體污染形勢的日趨嚴峻,對嚴重污染的水體如黑臭水體的治理,可減少積存湖內的大量有機碳、氮、磷等營養物質,增大湖的蓄水量,是減少內源性污染、減輕水體黑臭的有效途徑和措施。可減少積存湖內的大量有機碳、氮、磷等營養物質,增大湖的蓄水量,是減少內源性污染、減輕水體黑臭的有效途徑和措施。但是大規模清淤,可能會破壞湖泊原有的生物種群結構和生境,削弱其自凈功能,對生態修復帶來負面影響。
曝氣復氧法對消除水體黑臭的良好效果已被國內一些實驗室試驗及河流曝氣中試所證實。其原理是進入水體的溶解氧與黑臭物質(H2S,FeS等還原物質)之間發生了氧化還原反應。對于長期處于缺氧狀態的黑臭河流,要使水生態系統恢復到正常狀態一般需要一個長期的過程,水體曝氣復氧有助于加快這一過程。由于河道曝氣復氧具有效果好、投資與運行費用相對較低的特點,已成為一些發達國家如美國、德國、法國及中等發達國家與地區如韓國、香港等在中小型污染河流污染治理經常采用的方法。對于污染情況嚴重,污染長期排入的水體需配合生物方法及生態措施,因此,可做為輔助生物―生態修復的方法之一。
曝氣復氧法在上海推廣還是有局限性的。上海是一個經濟高度發達的城市,河道中含有較多的工業廢水,封閉的純氧曝氣池內可燃氣濃度較高時,有產生爆炸的可能,純氧曝氣池周圍要設為防火區,對區域要求高。其次,自控儀表多,維護保養工作較多,且對運行管理人員的技術能力要求較高。封閉的純氧曝氣池內熱量不易損失,而且沒有有效散熱的手段,因此夏季進水溫度較高時,一旦混合液的溫度升高,無法采取有效手段進行控制。最后受氧源限制,如果沒有專業的空氣分離廠制造和供應足量氧氣、而是依靠污水處理場自身制備氧氣,會導致純氧曝氣法的運行成本上升、增加管理難度。
生物、生態修復技術,顧名思義就是在生物治理的同時進行生態修復。生物治理就是生物復合酶能刺激加速微生物的反應,同時它能促進水中的大分子化合物分解成小分子化合物,同時釋放出結合氧,增強水體復氧功能,這些簡單化合物又很容易被微生物所利用,在有機物被降解的同時,又有利于微生物的多樣性,提高微生物的活性和繁殖能力,達到一種微生態平衡。生物復合酶可有效地刺激和加速自然的生物反應,激發土著微生物的活性,加速微生物的生長和繁殖,同時對浮游生物和環境無害。從而可以快速有效地促進受污染水體向良性生態系統演替,使得水體中的復氧得以恢復,污染指標迅速下降,水體的黑臭異味現象得以快速消除。它有以下一些特點。
特點1、是能高效消除黑臭恢復生態系統;以微生物實施水體生態修復,重建底端生物鏈,為上行生物鏈的梯次恢復奠定基礎,為底棲生物著床創造底質條件;提高水體透明度,為水生動物的放養創造水質條件。通過人工控制生態環境,使水生動植物與水環境達到動態平衡。
特點2、標本兼治
生物技術治理河道污染,不僅治理水體,而且治理河湖底泥。生物修復治理不僅僅是水質的達標,最終是要通過階段性治理完全恢復河湖底泥的活性,使河湖恢復自凈能力,達到生態平衡。
特點3、施工簡便,投資小
采用生物法治理河湖過程中使用的設備簡單,不需要挖掘機等大型設備,所以施工方便,操作簡單,投資規模小并且不會產生噪音,不影響周圍居民的正常生活;在施工過程中不需轉移底泥,即消除了污染物的轉移,同時杜絕了對環境造成的二次污染,而且在原有底泥的基礎上進行治理,刺激原有土著微生物迅速生長繁殖,形成種群優勢,恢復底泥的活性,達到水體長期自凈的效果。經過生物修復的底泥恢復了活性,不但不需要疏浚,而且活性底泥可以大大提高河道的自凈能力。
在生物治理的同時生態的修復也同時進行,這就是近年來發展起來的一種新型環境生物技術。這類技術主要是利用微生物、植物等生物的生命活動,對水中污染物進行轉移、轉化及降解作用,從而使水體得到凈化,創造適宜多種生物生息繁衍的環境,重建并恢復水生生態系統。由于這類技術具有處理效果好、工程造價相對較低、不需耗能或低耗能、運行成本低廉等優點。同時不向水體投放藥劑,不會形成二次污染,還可以與綠化環境及景觀改善相結合,創造人與自然相融合的優美環境,因此已成為水體污染及富營養化治理的主要發展方向。
生態―生物修復技術包括:微生態系統修復技術、人工濕地技術、浮島技術、植物操控技術,生態護堤技術,生態復氧技術、生態清淤技術、水生動物恢復和重建技術等。在實際工程應用中,可按照水體污染程度,水環境現狀給水體功能等考慮選用不同的技術組合,以呈現生態效益和經濟效益雙贏。
由于內河治理的最終目的是河道生態系統功能與結構的恢復,并促使系統的自我維護和自我發展。因此,生物―生態修復技術被認為是21世紀我國生態環境保護領域最有價值和最具生命力的生物處理技術。
關鍵詞:富營養化;生物修復;生態浮床;微生物強化技術
中圖分類號:X52;X172文獻標識碼:A文章編號:0439-8114(2012)04-0660-04
近年來,我國農業、工業和城鎮化建設加快,大量含有氮、磷元素營養物質的工業、生活和農業廢水以點源和面源形式不斷排入河流、湖泊中,使水體中藻類大量繁殖,形成惡性循環,加劇了水質下降及富營養化進程,水體中化學耗氧量(CODcr)、總氮、總磷、氨氮等主要富營養化污染指標普遍劣于相應標準1~2類[1,2]。
水體富營養化后,首先危害水產養殖業,水體透明度降低,藻類大量繁殖,水中溶解氧降低,導致魚、蝦、貝類大量死亡;再者,水體生態系統嚴重退化產生的過量亞硝酸鹽和硝酸鹽、藻類致病毒素對人體健康產生很大的威脅,水體散發的腥臭味更影響到周邊水環境和人文景觀[3,4]。所以解決城市水體富營養化現象,恢復河流湖泊的生態和社會功能問題,日益成為城市可持續發展的關鍵乃至限制性因素。
1水體富營養化控制的方法
消除富營養化的關鍵在于削減水體中氮、磷的負荷,從而消除水體藻類瘋長的基礎,達到降低水體中藻類生物量、提高水體透明度的目的,實踐中采用多種方法進行綜合防治。
1.1外源性營養物質控制
通過減少或者截斷外部輸入的營養物質,使水體失去營養物質富集的可能性。實踐證明,對工業廢水、農業生產及生活污水的有效控制是控制水體富營養化的關鍵措施之一[4]。
1.2內源性營養物質控制
外源性營養物質減少后,對內源性營養物質的控制是消除富營養化、恢復生態系統的關鍵[5,6]。目前常用的方法有工程性措施、物理化學措施、生物措施等。
工程性措施如底泥疏浚、引水置換和底泥覆蓋等,存在的主要問題是工程量巨大,成本高,因此一般僅適用于小型水體[7]。
物理化學措施如利用湖底深層曝氣、絮凝沉淀、化學藥劑殺藻等達到減氮除磷殺藻的目的,主要的問題是短期內使用易造成二次污染,生態系統不能有效恢復。
相對于傳統的工程、物理化學處理方法,生物措施則成本低廉、綜合效益高、不易造成二次污染,在消除富營養化及生態修復方面優勢明顯,越來越受到人們的重視,主要是利用水生生物通過代謝活動去除水體營養物質、抑制藻類生長,研究應用集中在水生植物修復技術[8,9]、微生物強化技術[10]等方面。
水生植物修復技術機理是植物和根區微生物共存,產生協同效應,經過植物吸收、微生物轉化、物理吸附和沉降作用,一方面對營養元素的吸收凈化可有效削減營養物質負荷,另一方面對浮游植物產生競爭抑制,同時沉水植物能夠促使懸浮或溶解在湖水中的污染物向底泥轉移,澄清和凈化水質,在生態系統恢復中起到了關鍵作用[11]。其中,人工濕地處理技術和生態浮床技術(也稱人工浮島、生物浮島)在工程實踐中應用廣泛。人工濕地利用基質-微生物-植物這個復合的生態系統,實現對廢水中有害物質的去除[12],國內學者開展了潛流人工濕地系統凈化,總氮、總磷去除等方面的研究[13,14]。而生態浮床技術利用植物在生長過程中對水體中氮、磷等元素的吸收及植物根系微生物和浮床基質對水體中懸浮物的吸附,富集水體中的有害物質,國內外在浮床植物的篩選、浮床的機理、浮床材料應用等方面開展了大量研究。
微生物強化技術主要利用微生物作為生態系統中的分解者,通過氨化、硝化、反硝化作用將氮轉化成氣體,加快水體中氮的循環;參與有機磷的分解作用,促進水生植物的吸收利用,使磷元素從水體中去除。國內學者在脫氮菌、去磷菌、復合光合細菌、有效微生物群(EM)、溶藻菌以及固定化微生物技術、微生物制劑等的應用上做了許多研究。
2生態浮床研究動態
生態浮床是近年來一種新型的水體生物修復方法之一,特點是不需要搬運或輸送污染水體(包括底泥和岸邊受污染的土壤),直接利用水生植物、微生物對水體中氮、磷元素進行有效吸附、轉化和降解,在受污染區域進行原位處理,最具經濟和技術合理性,所以運用的也最為廣泛。
2.1浮床植物的篩選
目前已用于或可用于人工生態浮床凈化水體的植物主要有:美人蕉、蘆葦、荻、多花黑麥草、稗草、水稻、香根草、牛筋草、香蒲、葛蒲、石菖蒲、水浮蓮、鳳眼蓮、水芹菜、水蕹菜、芝麻花、燈心草等[15-22]。在提高浮床植物應用效果的研究上,郭沛涌等[23,24]對冬春季不同植物蓋度的浮床研究發現,在黑麥草覆蓋率為30%時,系統對NH3-N、TN和TP的去除率都達到最高。周曉紅等[25]通過水培試驗發現,重度刈割有利于黑麥草生物量的累積,且能有效提高系統對TN、TP等的去除能力。
2.2浮床的機理
林東教等[26]研究發現,浮床凈化是一個漂浮植物、微生物、水體及植物根區生理生態特性相互作用的結果;周小平等[27]的研究表明,植物組織累積的N、P量分別占各自系統去除量的40.32%、63.87%,其吸收同化作用是其去除的主要途徑;浮床在一定程度上調控了受污染河道中浮游藻類群落種群結構和生物量,明顯改變不同水層中的細菌和真菌的數量,提高了水體的自凈功能[28,29]。
2.3浮床材料
浮床材料的應用大致經歷了幾個階段的發展:第一階段,是植物水上種植的一種方式,材料以泡沫塑料板、竹排、椰殼、漁用網片、玻璃鋼等為材料,無論材料和水生植物都易造成二次污染;第二階段,重視了成本和材料兩個方面,但在耐腐蝕、牢固性及氧的傳輸功能等方面嚴重不足;現階段,浮床制作大多有氣體交換區,提高了水體的表面復氧作用,通過水生動物、根際微生物等來提高植物的水質凈化能力。
2.4生態浮床應用
國外生態浮床在城市暴雨污水、生活污水、工農業廢水的凈化上都有應用。我國生態浮床方面的研究從20世紀90年代初逐漸增多,在工農業廢水以及河道、湖泊污水治理中都有應用,如應用于北京永定河引渠羅道莊河道、杭州南應加河道、上海華漕楊樹灣河道、無錫五里湖工程、上海七寶寶華小區河道、上海青浦區府前河道、巢湖湖水、合肥環城河水、蘇州重污染河道、太湖五里湖示范區等,均取得了良好效果[30-33]。
3微生物強化修復污染水體研究進展
3.1微生物修復污染水體
微生物作為生態系統中的分解者,對污染物的去除和養分的循環起著不可忽視的作用,已有的研究表明,通過對氮的氨化、硝化、反硝化作用,脫氮菌(主要包括硝化菌和反硝化菌)驅動著水體中氮的生物地球化學循環,其中硝化作用是指氨經過硝化細菌氧化為亞硝酸和硝酸的過程,是脫氮中的關鍵環節,但自然界中的硝化細菌是一類好氧化能自養的細菌,特點是自養、好氧和生長速度慢,在高有機物濃度條件下很難形成優勢菌種,嚴重影響其硝化能力,因此高效異養硝化菌、好氧反硝化菌、高效氨氮降解菌等新型脫氮菌群成為最新研究的熱點[34,35]。
磷元素對水體環境富營養化程度改善和惡化的影響往往比氮元素更大,微生物參與著有機磷的分解作用,可以促進水生植物的吸收利用,已有研究主要通過植物過濾、吸附、共沉和各種絮凝微生物絮凝沉淀作用,去除效率低下,有研究利用反硝化聚磷菌在好氧條件下攝取磷合成聚磷酸鹽而儲存于細胞內來達到除磷目的,解決傳統利用物理絮凝作用去除磷效率低下的問題[36]。
光合細菌、復合光合細菌可去除富營養化水體的有機質和氨氮[37];有效微生物群(EM)由篩選出的優勢乳酸菌、酵母菌、放線菌及光合細菌等功能性菌株組成,具有廣泛的應用價值,研究表明可顯著抑制“水華”藻類生長,去除水體富營養化[38],采用溶藻菌控制藍藻[39]。
3.2固定化微生物技術
固定化微生物技術是用化學或物理手段將游離微生物定位于限定的空間區域內,并使其保持活性、反復利用的方法,能夠提高微生物密度、穩定性、耐毒害和抗沖擊能力等,被廣泛應用。
在氮循環菌中,硝化菌為自養細菌,其生長緩慢,易受外界環境影響,對低溫異常敏感,固定化硝化菌能夠提高硝化菌群濃度,增加硝化菌對溫度的抵抗力和有毒物質的耐受性,取得較好的硝化效果[40]。如張爽等[41]采用聚乙烯醇-硼酸包埋法固定經常溫富集培養的含耐冷菌的硝化污泥,處理常溫和低溫生活污水,10 ℃以下氨氮去除率可穩定在80.00%左右。應用固定化氮循環細菌技術(NICB)對富營養化水體原位修復,并在鎮江金山湖進行湖泊水體氮污染凈化實踐,結果表明,總氮和氨氮去除效果明顯[42,43]。常會慶等[44]用伊樂藻和固定化細菌共同作用研究表明,對水體中的幾種形式的氮素都有不同程度的降低作用。蔡昌鳳等[45]在傳統的PVA固定化方法中加入麥秸粉末,混合固定硝化細菌和反硝化細菌,對厭氧酸化后的焦化廢水進行脫氮,經過12 h的曝氣處理后,氨氮濃度去除率高達94.30%,COD去除率為63.15%。
固定化技術除磷研究主要是利用固定化聚磷菌除磷,采用固定化技術,可以提供厭氧和好氧交替的環境,使聚磷菌成為優勢菌群,達到除磷的目的[46]。
3.3微生物制劑修復富營養化
近些年興起的微生物制劑作為以改善環境狀況和強化處理系統穩定、高效為目標,通過菌群構建等科學方法得到的具有特殊功能的生物制品[47],在水體修復領域已得到廣泛應用。如美國Alken-Murry公司開發的系列微生物制劑Clear-Flo,除了用于修復污染河流外,也用于修復富營養化的湖泊,在國內也有應用[48]。美國生態實驗室研發的液可清是一種由32種專性活菌構成的混合微生物制劑,已獲得美國環保局、衛生部和農業部的認證,在我國云南昆明城市西南部西壩河進行的水體修復中有應用,3周后,修復河段內的BOD5、總氮、總磷和濁度分別有不同程度的下降[49]。
在富營養化水體的生物修復中,以植物-微生物為基礎的原位生物修復體系不但可以降低水體中的營養鹽水平;而且還可同步實現生態系統結構的改善與經濟效益的獲得,被越來越多地應用于實踐中。
參考文獻:
[1] 吳宇.富營養化:中國湖泊面臨的治理難題[J].生態經濟, 2008(9):14-19.
[2] 付春平,鐘成華,鄧春光.水體富營養化成因分析[J].重慶建筑大學學報,2005,27(1):128-131.
[3] 高愛環,李紅纓,郭海福. 水體富營養化的成因、危害及防治措施[J].肇慶學院學報,2005,26(5):41-44.
[4] 鄢恒珍,龔文琪,梅光軍,等. 水體富營養化與生物修復技術評析[J].安徽農業科學,2009,37(34):17003-17006.
[5] 張志明. 高原湖泊富營養化發生機制與防治對策初探[J].環境科學導刊,2009,28(3):52-56.
[6] 秦伯強.湖泊富營養化治理的技術對策[J]. 環境保護,2007(19):22-24.
[7] 秦伯強,楊柳燕,陳非洲,等. 湖泊富營養化發生機制與控制技術及其應用[J]. 科學通報,2006,56(16):1857-1866.
[8] 楊,吳小剛,張維昊,等.富營養化水體生態修復中水生植物的應用研究[J]. 環境科學與技術,2007,30(7):98-102.
[9] 李先會.水生植物―微生物系統凈化水質效應研究[D].無錫:江南大學,2008.
[10] 鄭煥春,周青.微生物在富營養化水體生物修復中的作用[J].中國生態農業學報,2009,17(1):197-202.
[11] 厲恩華. 大型水生植物在淺水湖泊生態系統營養循環中的作用[D]. 武漢:中國科學院研究生院,2006.
[12] 張志勇,方向京,周躍. 人工濕地防治湖泊富營養化污染探討[J].污染防治技術,2007,20(4):38-41.
[13] 劉紅,代明利,歐陽威,等.潛流人工濕地改善官廳水庫水質試驗研究[J].中國環境科學,2003,23(5):462-466.
[14] 唐靜杰,周青.生態浮床在富營養化水體修復中的應用[J]. 環境與可持續發展,2009,34(2):24-26.
[15] 盧進登,陳紅兵,趙麗婭,等.人工浮床栽培7種植物在富營養化水體中的生長特性研究[J]. 環境污染治理技術與設備,2006,7(7):58-61.
[16] 余俊任,林聰,張新平,等.水生植物在豬場廢水凈化中的耐污性研究[J].豬業科學,2006 (12):64-66.
[17] 付子軾,鄒國燕,宋祥甫.適應近郊污染河道治理工程的生態浮床植物篩選[J].上海農業科技,2007(5):19-20.
[18] 張麗萍,梅朋森,程加麗,等.人工浮島栽培蔬菜及花卉對水質的凈化作用研究[J].三峽大學學報(自然科學版),2008,30(1): 93-96.
[19] 黃田,周振興,張勁,等.富營養化水體的水芹菜浮床栽培試驗[J].污染防治技術,2007,20(3):17-19.
[20] 黃婧,林惠鳳,朱聯東,等.浮床水培蕹菜的生物學特征及水質凈化效果[J].環境科學與管理,2008,33(12):92-94.
[21] 胡細全,李兆華,王春秀,等.復合生態浮島處理重度富營養化水體的靜態試驗研究[J].湖北大學學報(自然科學版),2008,30(3):309-312.
[22] 孫連鵬,劉陽,馮晨,等.不同季節浮床美人蕉對水體氮素等污染物的去除[J].中山大學學報(自然科學版),2008,47(2):127-130,139.
[23] 郭沛涌,朱蔭湄,宋祥甫,等.浮床黑麥草去除富營養化水體總氮的試驗研究[J].華中科技大學學報(城市科學版),2007,24(2):33-35,40.
[24] 郭沛涌,朱蔭湄,宋祥甫,等.陸生植物黑麥草(Lolium multiflorum)對富營養化水體修復的圍隔實驗研究―總磷的凈化效應及其動態過程[J].浙江大學學報(理學版),2007,34(5):560-564.
[25] 周曉紅,王國祥,楊飛,等.刈割對生態浮床植物黑麥草光合作用及其對氮磷等凈化效果的影響[J].環境科學,2008,29(12):3393-3399.
[26] 林東教,唐淑軍,何嘉文,等.漂浮栽培蕹菜和水葫蘆凈化豬場污水的研究[J].華南農業大學學報,2004,25(3):14-17.
[27]周小平,徐曉峰,王建國,等. 3種植物浮床對冬季富營養化水體氮磷的去除效果研究[J].中國生態農業學報,2007,15(4):102-104.
[28] 陳立婧,顧靜,張飲江,等.從浮游藻類的變化分析人工浮島在治理上海白蓮涇中的作用[J].水產科技情報,2008,35(3):135-137,142.
[29] 吳偉,胡庚東,金蘭仙,等.浮床植物系統對池塘水體微生物的動態影響[J].中國環境科學,2008,28(9):791-795.
[30] 劉士哲,林東教,何嘉文,等.豬場污水漂浮栽培植物修復系統的組成及凈化效果研究[J].華南農業大學學報,2005,26(1):46-49.
[31] 邢廣彥,萬曉丹.水體富營養化及其生物―生態修復技術[J].黃河水利職業技術學院學報,2007,19(1):50-51.
[32] 楊婷婷,操家順,周勇,等.原位圍隔耐寒高羊茅浮床對蘇州重污染河道水體的凈化[J].湖泊科學,2007,19(5):618-621.
[33] 李英杰,金相燦,年躍剛,等.人工浮島技術及其應用[J].水處理技術,2007,33(10):49-51,77.
[34] 劉芳芳,周德平,吳淑杭,等. 養殖廢水中異養硝化細菌的分離篩選和鑒定[J].農業環境科學學報,2010,29(11):2232-2237.
[35] 朱偉,李娜. 高效氨氮降解菌的篩選、鑒定及降解能力測定[J].安徽農業科學,2008,36(22):9361-9362,9474.
[36] 陳磊.反硝化聚磷菌培養馴化分離方法及菌種特性的研究[D].濟南:山東大學,2008.
[37] 郭秒,慕躍林,黃遵錫.復合光合細菌對熱帶魚養殖水質凈化作用的研究[J].水產科學,2004,23(2):30-32.
[38] 王平,吳曉芙,李科林,等.應用有效微生物群(EM)處理富營養化源水試驗研究[J].環境科學研究,2004,17(3):40-43.
[39] 史順玉,劉永定,沈銀武.細菌溶藻的初步研究[J].水生生物學報,2004,28(2):219-221.
[40] 馮雅男,李軍, 王立軍,等.包埋固定化技術去除水體中氨氮的研究進展[J].遼寧化工,2010,39(2):164-168.
[41] 張爽,姜蔚,徐桂芹,等.固定化硝化菌在不同溫度下對氨氮的去除效能研究[J].環境科學與管理,2008,33(5):36-39.
[42] 胡綿好,袁菊紅,常會慶,等.鳳眼蓮-固定化氮循環細菌聯合作用對富營養化水體原位修復的研究[J].環境工程學報,2009,
3(12):2163-2169.
[43] 李正魁,張曉姣,楊竹攸,等.基于固定化氮循環細菌技術的鎮江金山湖生態工程效果研究[J].環境科學,2009,30(6):67-72.
[44] 常會慶,楊肖娥,方云英,等.伊樂藻和固定化細菌共同作用對富營養化水體中養分的影響[J].水土保持學報,2005,19(3):114-117.
[45] 蔡昌鳳,梁磊.混合固定化硝化菌和好氧反硝化菌處理焦化廢水[J].環境工程學報,2009,3(8):1391-1394.
[46] 常會慶,楊肖娥,濮培民.微生物除磷研究與工藝技術的發展前景[J].農業環境科學學報,2005,24(增刊):375-378.
[47] 馬放,楊基先,金文標,等.環境生物制劑的開發與應用[M].北京:化學工業出版社,2003.9-31.
1清淤工程
庫底泥沙淤積較多時,大量的農田氮、磷和工業重金屬等污染物被底泥吸附,并長期淤積在水庫底部,致使水生態平衡遭受破壞,魚蝦等水生生物種類逐步減少,對水體原有功能影響較大,必須采取有效的清淤措施。水庫泥沙淤積量的計算,常見的方法有斷面法、地形法、輸沙平衡法、基于GIS的DTM法和泰森多邊形法等。本文根據水庫建成初期各特征水位和相應特征庫容資料,擬合得到水庫原始水位庫容曲線;再通過對比2011年實測水庫庫容曲線和擬合得到的原始庫容曲線,推算得到水庫泥沙總淤積量和各高程區間的淤積量。通過計算,東風水庫泥沙淤積總量約為97.7萬m3,若清除整體淤泥,清淤工程量較大難以實施,且通過分析推算得到的淤泥分布可知,絕大部分淤泥位于水庫防汛限制水位以下,其淤積對水庫的防洪效益幾無影響。水庫的泥沙淤積物可分為表層淤積物和底層淤積物,可先清除污染相對較重的主庫區表層淤積物及其他庫區所有淤積物。經推算,清淤量約為35.42萬m3。因清淤工程量較大,采用分期清淤的方法,先清除污染物含量較高且對水體影響較大的淤泥,再分步清除其他淤泥,清出的淤泥通過管道輸送至庫尾的堆淤庫。待淤泥固化后,運輸至指定區域堆放壓實,并在其表面栽植草皮,防止淤泥對水庫造成二次污染。
2截污工程
截污是水庫水環境治理的主要措施,通過截污,可以減少點源污染。只有截斷污染源才能從根本上防止其對水質的破壞,為后期的水環境治理和水體修復打下基礎。對排污口排放的污染物,結合當地現有和規劃的市政排污管網,針對水庫不同區域,制定不同的截污方案。根據市政管網規劃圖,將水庫周邊排污口分成3個不同區域,每個區域的排污口通過支管網就近接入市政管網,最終分別排往西北污水處理廠、松崗污水處理廠和官窯污水處理廠。
3蓄洪換水
東風水庫地處亞熱帶地區,多年平均降水量為1489.3mm,雨量充沛,東風水庫每年出庫水量約為567.3萬m3,接近水庫興利庫容,這部分水體對水庫水質有一定的稀釋凈化作用。蓄洪換水可通過水庫的納洪換水來實現。東風水庫來水豐富,水庫運行中存在部分棄水,若能有效用這些棄水,根據水文預報在暴雨洪水來臨之前,在滿足水庫灌溉、供水的前提下,調節水庫使其低水位運行,實施納洪蓄水,即可達到交換水體、改善水質的目的。
4水土保持工程
東風水庫雨季集中在4~9月,夏季降水不均,旱澇無定。這種氣候條件極易誘發庫岸滑坡、崩崗、山泥傾瀉等局部水土流失事件,山泥最終流入水庫,造成淤積,影響水庫水質。對即將入庫的徑流,可采取修建生態護坡等水土保持工程削減污染物入庫量。根據水庫集雨范圍內耕地的不同坡度及土層情況,可采取退耕還林、修建梯田、整治坡面等方法進行治理;對輕、中度水土流失的疏林地,以封山育林為主,可采取全封、輪封等形式;對水土流失嚴重的疏林地,需進行育苗補植、修枝疏伐、擇優選育,以促進林木生長,加快植被恢復;荒草地宜進行造林。根據地表面和土壤地質條件的不同,采取移栽培育、掛網移栽、噴錨土壤栽植等方法恢復坡面植被。
5生態修復工程
生態修復是東風水庫水環境治理的主要工程措施,生態修復方法主要有人工濕地、生態護岸、生物浮島等,具有效果好、造價低、耗能低、運行成本低等優點。根據東風水庫的水環境現狀及地形條件,將庫區劃分為5個修復區,每個修復區種植不同的水生植物并采用不同的修復方法。目前,用于修復水生態的水生植物越來越多,常見的有蘆葦、美人蕉、水芹菜、睡蓮、香蒲、再力花、水雍菜(空心菜)等植物,且針對各類植物對不同污染物的吸收能力的研究較多。在水生植物的選取中,首先考慮其削減污染物的能力和當地的氣候條件;其次,生態修復工程仍需較大投入,不同的修復措施、不同水生植物的種植管理投入差異較大;在滿足前述條件前提下,盡可能種植一些觀賞性較好或具有一定經濟價值的植物。經分析比較,初步擬定水生植物為蘆葦、美人蕉、再力花、水芹菜和空心菜5種主要植物,而在具體實施中可適當添加其他植物。通過計算,為達到既定目標,需要種植蘆葦、美人蕉、再力花、水芹菜和空心菜分別為7000m2、14000m2、7000m2、5000m2。水生植物在生長期間吸收氮磷,對凈化水庫水質具有較強效果,但水生植物一般都會死亡,其在死亡腐爛后分解耗氧,造成氨氮、高錳酸鹽指數升高、溶解氧降低,同時吸收的氮磷營養物質被重新釋放。因此,在水生植物死亡腐爛前,應進行及時有效的收割打撈并帶出庫外,力求杜絕二次污染,以達到削減污染物、改善水質的目的。通過采取清淤工程、截污工程、蓄洪換水工程、水土保持工程、生態修復工程等工程措施,可以達到較好的水庫治理效果。經計算,可得各工程措施所削減的污染物量,求得剩余污染量,理論上能夠在2020年使東風水庫水質達到II類標準,詳見表4。
非工程性措施
1加強水庫水體監測能力建設
東風水庫現有的監測資料存在監測頻率較低、測點范圍較窄等不足,其水質監測能力已無法滿足信息日益增長的需要。為了全面掌握水體的水質狀況和變化動態,需要以現有的測點為基礎,增加測點數量并不斷進行優化調整。根據水庫的實際情況,依據相關規劃的具體要求,建議建設1座自動化水質監測站,及時掌握水庫各區域水質狀況,以保障用水安全和生態平衡。
2劃定水庫水資源保護范圍
水庫水資源保護范圍按照下列標準在水庫管理范圍邊界外延劃定:工程區、生產區的主體建筑物200m;庫區主副壩壩址上游壩頂高程線或者土地征用線以上至第一道分水嶺脊之間的土地。作為生活飲用水源的水庫,其保護區的劃分方法參照《飲用水水源保護區劃分技術規范》。水庫保護范圍的具體界線劃定后,市、區環保部門應當設立界樁和警示牌,任何單位和個人不得移動或者損毀界標和警示標志。
3控制水庫周邊養殖
目前,東風水庫庫區和周邊有大量的水產和畜禽養殖,且其排泄物隨便堆放,畜禽排泄物含有大量氮磷等營養物質和細菌,對水庫水質影響較大。對占用水庫用地的養殖場應予以搬遷取締,對庫區外的養殖場,要嚴格控制未達標的污染物排放,未達標的排泄物必須經過處理,達標后方能允許排放,以盡量減少污染物入庫量。
結語
1)由于長期的工業廢水和生活污水排入,以及農業種植帶來的農藥化肥污染和養殖業的排泄污染,導致東風水庫污染較重,水質較差,尤其是庫尾的水質已嚴重惡化,開展水庫水環境治理迫在眉睫。
2)通過對東風水庫水環境狀況的分析,結合對污染物來源的調查,提出包括水庫清淤、截污工程、蓄洪換水、水土保持、生態修復等水環境治理的工程措施。
關鍵詞:生物 生態 修復技術 內涵 外延 應用
1 概念、定義及主要特點
何謂“生物-生態修復”,它的內涵和外延應該如何確定,以及不同技術措施的作用、效果和聯系如何,等等。回答這些問題對推進和實施河流生物-生態修復工作具有重要意義。
1.1 河流生物修復
生物——系指有生命的物體。一般指動物、植物和微生物。有時專指微生物,如生物制劑、生物制品等等。污水生物處理和河流生物修復中的“生物”,一般專指“微生物”,不包括“植物”和“動物”。廣義的生物修復也包括“動物”和“植物”修復。
生物修復——是指利用微生物的生命代謝活動減少存于環境中有毒有害物質的濃度或使其完全無害化,使污染了的環境能部分或完全恢復到原始狀態的過程。它包括:①污染土壤的生物修復;②污染河流的生物修復;③污染湖泊的生物修復;④污染地下水的生物修復;⑤污染海洋的生物修復;⑥污染大氣的生物修復;⑦固體廢物污染的生物修復等。
河流生物修復——是指用微生物或微生物菌群來降解河流水體中的有機物或有毒有害物質,如COD、BOD5、有機氮或氨氮、石油類、揮發酚等,或使這類物質變成無毒的、無害的,如二氧化碳、氮氣或水等,從而使河流水質得到改善,河流生態得到恢復或修復。生物修復已成功應用于土壤、地下水、河道和近海洋面的污染治理。
河流生物修復工程——是指利用生物修復技術在河道內或河道傍側修建或實施的旨在改善河流水質、治理河流污染的工程或非工程的技術手段。它包括:河道或水庫內,以及壩、陂前的增氧曝氣工程,用于改善或處理河流水質的河流傍側工程、河流底部工程,以及直接向河道內投放特種、高效菌種或利用特種、高效菌種直接凈化河流水質的工程技術等。
1.2 河流生態修復
生態——指生物在一定自然環境下生存和發展的狀態,也指生物的生理特性和生活習性。此概念下的“生物”,一般不包含“微生物”。
生態修復——是指利用生態工程學或生態平衡、物質循環的原理和技術方法或手段,對受污染或受破壞、受脅迫環境下的生物(包括生物群體,下同)生存和發展狀態的改善、改良或恢復、重現。其中包含對生物生存物理、化學環境的改善和對生物生存“鄰里”、食物鏈環境的改善等。
河流生態修復措施主要包含:①工程措施。如:生態河道、生態堤岸、人工濕地和人工產卵場、越冬場、育幼場、回游通道,以及河道內增氧曝氣等等;②生物措施。如:植物生態修復措施,動物生態修復措施,生物增殖、放流技術等;③綜合措施。如:微生物修復與植物、動物修復的結合,微生物修復與生態河道、生態堤岸的結合,生態、生物修復與保育、管理措施的結合,河道內生態修復與河道外濕地修復的結合,陸地水土保持、生態修復與河流生態修復的結合,等等。
1.3 河流生物修復與河流生態修復的異同
目標和對象不同:河流生物修復的對象是水質;目標是改善河流水生生物生存、生活和繁衍、發展的水質條件。河流生態修復的對象是水生生物生存和發展的整個環境,包括水量、水質、水位、流速、水深、水溫、水面寬度,漲水、落水時間,以及產卵場、越冬場、育肥場、回游通道的修復或恢復等等;目標是為水生生物或特有的生物種群提供良好的生和發展環境。
所采用的技術和手段不同:生物修復的技術核心是微生物及微生物使用和利用等。生態修復的核心技術是生態工程學和生物、生命科學等。
兩者的共同點和不同點:生態修復可以包含生物修復,生物修復可以是生態修復的一個部分或一項主要內容;兩者的共同點或共同目標都是改善或改良生物的生存和發展環境。不同點是:生物修復是針對水體污染的修復,生態修復是針對水生生物及其生存環境的整體修復。
對于污染嚴重,并有產卵場、育幼場、越冬場或回游通道損傷及破壞的河流,一般應首先采取生物修復技術恢復河流水質,然后采取生態修復措施恢復河流生物棲息地和回游通道等。
1.4 河流生物修復工程與城鎮污水處理廠的異同
相同點和不同點:河流生物修復是利用微生物凈化污水的特點和規律,對受污染水體(河流)進行凈化處理的技術;城鎮污水處理廠是利用微生物凈化污水的特點和規律,對用管道收集到的社區污水進行凈化處理的技術。城鎮污水處理廠的出水可排入河流,也可用作市政回用、沖廁、農灌等等;河流生物修復工程處理過的河水一般必須重新流入河道。兩者的相同點是技術內涵完全一致,不同點是工作對象的來源和工作成果的服務對象。
由于污水處理廠工程和生物修復工程所處理或針對的水源不同和處理后的水量所服務對象不同,從而導致了污水處理廠工程與河流生態修復工程在建設地點、規模、工藝流程、產品形態、表現形式等諸多方面的差別。一般情況下,城市污水處理廠的進水污染物濃度高、變化小,河流生物修復工程所針對的河水濃度相對較低、變幅很大;在水量方面,河流生物修復工程面臨的變化更大。因而,在工藝設計中,一般要求河流生物修復工程具有更強的耐沖擊能力和防堵塞能力等。
1.5 河流生物修復與河湖污染直接凈化和“就地生物處理”的異同
除了河流生物-生態修復之外,河湖污染直接凈化、“就地生物處理”等詞語也經常被有關專家推崇和一些學者“炒作”。筆者認為:河湖污染生物修復工程技術與河湖污染生物直接凈化工程技術、河湖污染“就地生物處理”工程技術,在內涵和外延方面沒有明顯的區別,其實質都是利用生物處理技術就地治理河湖水質污染,其表現形式也是相互包含或完全一致的。
1.6 河流生態修復與傳統河流整治工程的異同
河流生態修復工程的目標是:修復或恢復受到污染、破壞或工程脅迫的水生生物的生存和繁衍的物理、化學和水文環境,及其“鄰里”依存和食物鏈的關系。傳統河流整治工程的目標是:防治洪水決堤、漫溢和確保人類社會、經濟和生命財產安全;或者是保證河流的航運能力等經濟功能。兩者的直接目的和目標雖然相差甚遠,但其工作的對象卻完全一致,即都是將工程的措施作用于河流或河道。因而兩者的設計和實施過程,必然會存在著諸多的不同、對立和矛盾。這種對立和矛盾必須通過目標分析和不同學科人員之間的溝通、協調和共同努力進行解決。因為兩者的最終目標都是為了人類自己。
為此,從20世紀70年代開始,發達國家科技界和工程界針對水利工程對河流生態系統的負面影響,開發研究了河流生態恢復的理論和技術。從而,確立了解決這種矛盾和對立的基本方法和規則。河流生態工程在德國稱為“河流生態自然工程”,日本稱為“多自然型建設工法”,美國稱為“自然河道設計技術”。與之相應,一些發達國家在河道整治工程和堤防工程設計、施工規范中增加了河流生態建設的內容,或者頒布了專門的河流生態工程設計導則。依據這些導則和方法,河道水利工程在滿足防洪、防災和經濟目標的同時,可以兼顧河流生態修復和恢復需求。 2 不同技術措施的適應性評價及其合理使用
2.1 對受污染河流的適應性
河流污染治理一般應從源頭做起。但源頭治理能力也是有限的。以深圳河(含深圳灣,下同)的污染治理為例,截止2003年底,該流域已建污水處理廠四座,設計污水處理能力為142萬m3/d,比當年實際污水排放量125萬m3/d高 16.6%。然而,深圳河水質依然黑臭,常年處于劣Ⅴ類的狀態。通過分析認為:污水截流不徹底和深圳河納污能力過小是主要原因,除此之外,還有城市面源和部分城區尚未截流等原因。一般認為,對于類似深圳市自然環境和社區經濟布局的城市,污水截流管網健全,城市污水截流率可以達到90%,最高很難超過95%。深圳市河流枯水期的污水量遠遠大于徑流水量,有10%的未截流污水,加上面源污染等因素,河流依然黑臭,應該是在情理之中的。除此之外,還有城市污水管網收集不到的邊緣村鎮污水,以及城市污水處理廠對氨氮、總氮、總磷的去處能力十分有限等,也是需要實施河流污染生物-生態修復的主要原因。
河流污染生物-生態修復與城市污水處理廠相比,主要優點在于:①不需要占用城區土地或優質耕地;②不需要高于城市污水廠投資數倍的管道網絡及其維護;③距城市居民區一般相對較遠,不擾民或者較少擾民等。然而,河流污染生物-生態修復在治理污染方面,僅僅是對城市污水處理廠的補充,而不能代替城市污水處理廠。因為大量、高濃度城市污水采用污水處理廠治理比采用河流生物-生態修復治理經濟的多。
在河流生物-生態修復措施中,對于污染相對嚴重的河流,使用生物(微生物)修復比生態修復工程措施要優越得多。在生物修復工程中,河底工程和河道傍側工程一般有微生物固定化的措施,比采用沒有微生物固定化措施的河中曝氣或直接投加微生物的效果好得多。在使用的微生物菌種方面,使用有針對性的高科技微生物菌種,比使用自然微生物菌種的效果好得多。
2.2 對富營養化水體的適應性
湖泊、水庫和河口、海灣、近海的富營養化,是人類社會的一個難題。城市污水處理廠和河流生物修復的辦法,對有機污染物的治理效果十分顯著,但當有機物被氧化、分解和揮發、無害化之后,總是仍有相當部分已經無機化的氮、磷營養物質不能得到去除。對于無機磷污染物,采用化學的辦法基本可以得到有效;對于無機氮污染物,目前還沒有比較好的處理方法。這些營養物質進入湖泊、水庫、河口、海灣、近海等緩流水體后,在適宜的環境條件下,會使水體中某些藻類或植物瘋長,產生水華、赤潮和富營養化,從而導致嚴重的生態災難和水生生物死亡,以及造成湖泊水面萎縮、甚至消失等。
氮、磷元素是植物生長必需的營養物質。因而,治理氮、磷最好辦法是植物生態處理或植物生態修復。對于城市而言,土地是制約植物生態處理和修復的重要因素。充分利用河灘、湖灘、海灘、海灣及其它濕地,以及荒地、林地、草地等治理氮、磷污染是重要的。對專門用于治理氮、磷污染的濕地而言,在海灘、海灣、河口和淺海,以紅樹林和海帶植物比較好;對陸域濕地,以蘆葦、茭草、蒲草、茭白等植物比較好。對河、湖、水庫、海灣、海岸進行生態修復,必須滿足防洪、防潮和景觀等要求。
2.3 對水利工程脅迫的適應性
水利工程對河流生態的脅迫主要表現在兩方面:一是河道、航道整治使自然河流渠道化,從而破壞水生生物的產卵場、棲息地和河流形態的多樣化,以及減弱河流的自然凈化能力和破壞岸邊生態系統;二是水壩建設使自然河流非連續化,從而淹沒生物產卵場、棲息地和阻斷魚類的回游通道,以及降低河流的自然凈化能力和破壞河流形態的多樣性等等。對此,可采用河道、河型多樣化的生態修復措施,設置人工產卵床,建設人工產卵場、棲息地和回游通道,以及人工放流等措施緩解。水利工程對河流生態的脅迫主要是生物生境和生態條件的改變,因而,修復的措施以河流生態水工學和水生生物增殖、放流措施為主。
3 河流生物修復的技術類型及其應用
3.1 河道底部生物處理修復工程
以深圳市大沙河河底式生物處理工程為例。該工程坐落在深圳市南山區大沙河大學城河段,設計污水處理能為4000m3/d,設計水流停留時間4.8h。采用的處理技術為日本 “自然循環方式水處理系統技術”。該技術的創新特點是利用自然土壤和水田對污水凈化的原理,不使用任何化學藥品,通過使用石頭、木炭、塑料球以及經過特殊加工的木炭(生物炭),作為凈化過濾材料達到綜合凈化污水的目的。
該工程的主要設施由6個單元組成,分別為污泥儲存單元、水量分流單元、接觸沉淀單元、接觸曝氣單元1、接觸曝氣單元2和出水整理脫色脫臭單元等。通過這幾個單元的組合,可以高度去除污水中的BOD、COD、SS和LAS(陰離子界面活性物質),同時,也能有效去除氨態氮。處理效果見表1。 3.2 河道傍側生物處理修復工程
北京二道河傍側生物處理與修復工程。該工程坐落在北京市順義區首都機場附近,設計日處理污水量1.7萬m3/d,采用的處理技術為固定化高效微生物—曝氣生物濾池(簡稱I-BAF)。該工程屬實驗工程,僅有一個長100m、寬6m、有效水深5.5m的長條形曝氣生物濾池,有效池容3300m3,停留時間4.7h。濾池內填裝網狀懸浮大孔載體,載體高度3.2m。工程的前處理部分僅有一個格柵和一個用堆石壩攔截污水形成的回水區,依次起到穩定取水和沉淀泥沙的目的。處理效果見表2。
另外,日本江戶川支流坂川古崎凈化場,韓國漢江支流良才川水質凈化廠等河道傍側工程的處理效果也很好。
3.3 河道內曝氣和高效微生物處理修復工程
河道水體人工曝氣復氧是一種有效的河流生物-生態修復技術。20世紀60年代起,國外已有不少國家應用人工曝氣復氧改善河流水質和生態環境。如,德國的魯爾河、萊茵河,英國的泰晤士河、特倫物河,美國的福克斯河、佛博河及威斯康星河等,均有成功的工程范例。在國內,上海環境科學研究院對蘇州河水體進行了實驗室研究,結果表明,即使黑臭程度高的河水,在有氧條件下20小時后臭味也可基本去除,水體顏色明顯改觀,COD、BOD濃度大幅下降。
微生物作為河流生物修復技術的核心,國外的開發研究很多。美國、英國、加拿大、日本、巴西等國家,已有上百種商品化的微生物制劑可供選用。根據實驗結果,在處理特種廢水方面,高效微生物比普通微生物高幾倍到十幾倍,而且還能夠處理普通生物法不能處理的廢水。在城市污水方面,使用高效微生物除具有良好的COD、BOD5去除效果外,還具有良好的脫氮除鱗效果。將高效微生物直接用于河流水質修復,成本較高,容易造成流失和浪費,目前國內使用的不多。但通過微生物固定化技術或生物濾池技術,使用高效為生物的實例國內已有許多。
4 河流生態修復的技術類型及其應用
4.1 山區河流的生態修復
山區河流比降大、水流急,寬深比小,來沙量遠遠小于挾沙量,河床往往有大石塊和不均勻的麻砂組成。經過自然發育后,往往形成階梯—深潭結構的河道形態。階梯-深潭結構穩定了河床,從而穩定了岸坡,在一定的溫度和降雨條件下兩岸有發育良好的植被,河流底棲動物密度比鄰近的具有同樣氣候水文條件但不發育階梯-深潭結構的河流高出1000多倍,生物多樣性指數也大得多。這是由于階梯-深潭創造了多樣性的生物棲息地的緣故。
目前,德國、日本和我國的臺灣等,都在模擬使用階梯-深潭結構治理山區河流和修復河流生態。 4.2 生態護岸工程
生態護岸的目的在于為野生動物提供棲息地和隱蔽場所,保障自然環境和人居環境的和諧統一,對河岸進行加固,防治河道淤積、侵蝕和下切等。生態護岸材料主要有:石頭、木材、多孔混凝土構件和自然材質制成的柔性結構等等。在設計新材料護岸時,應確保水流作用下的結構安全,選擇能夠適應河流長期演變的結構形式,與河灘地和丁壩組合在一起保護護岸穩定。
我國深圳市已建人工濕地生態修復與處理工程數座,對COD的去除率一般可達70%~80%,對氨氮的去除率一般可達50%~60%。每1m3/d處理能力的占地面積大約為3m2。
4.4 人工產卵場、棲息地和回游通道工程
過魚設施的基本原理是利用魚類的向流(逆流)行為,人工創造更大的流速,將魚誘入進口,讓魚類自行溯游過壩,或運用各種手段運送過壩,主要有魚道、魚閘、升魚機、集運魚船等。
人工模擬產卵場、棲息地是指在壩下附近的支流或人工渠道內,模擬產卵場、棲息地要求的環境,讓魚類自行進入產卵場或棲息地(下圖為某河流上的魚類洄游通道)。
4.5 人工增殖站和生物放流工程
人工繁殖放流是指建立人工產卵場,收集和培育親魚,人工催青,人工孵化育苗,培育魚種,將一定規格的幼魚放入壩下河流,讓其下海生長。目前國內外都十分重視設置人工增殖站,開展人工增殖、放流工作,用于解決水壩對水生生物的阻隔。
水庫修建后,營養物質在庫內富集,浮游生物迅速生長,如果不能很好利用,將會自然死亡,惡性循環,從而造成富營養化和水質污染等。按照生態平衡原理,合理投放食用不同浮游生物的魚種進庫,進行生態修復,用產品的形式讓富營養物質出庫,既能清潔水庫,又能收獲魚產,可以做到一舉兩得。所有這些,都需要有生命科學和生物、生態技術作為支撐。
主要參考文獻:
1 上海辭書編輯委員會,辭海,上海辭書出版社,1979年;
2 中國大百科全書編輯部,中國大百科全書(環境卷),1980年;
3 董哲仁等,受污染水體的生態修復技術,水利水電技術,2002,(2);
4 董哲仁,生態水工學的理論框架.水利學報.2003,(1);
5 Loftin KA,Toth LA.Kissimmee River Restoration:Alternative Plan Evaluation andPreliminary Design Report[R]. South Florida Watermanagement District,West Palm Beach,Fla.1990;
6 National Research Council,