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生態(tài) 生物 方法 水體 修復(fù)技術(shù)
摘要：利用植物或微生物對(duì)水體中的污染物進(jìn)行處理，從而使水體得到凈化，這一用生態(tài)—生物的方法來(lái)修復(fù)水體的技術(shù)，廉價(jià)實(shí)用，適用我國(guó)江河湖庫(kù)大范圍的污水治理。
關(guān)鍵詞：生態(tài) 生物 污染 水體修復(fù)
一、概述
據(jù)2000年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)河流水質(zhì)在11.4萬(wàn)km評(píng)價(jià)河長(zhǎng)中，符合和優(yōu)于Ⅲ類水的河長(zhǎng)占評(píng)價(jià)河長(zhǎng)的58.7%，比上年下降3.7%。在評(píng)價(jià)的24個(gè)湖泊中，9個(gè)湖泊水質(zhì)符合或優(yōu)于Ⅲ類水，4個(gè)湖泊部分水體受到污染，11個(gè)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(yíng)養(yǎng)狀態(tài)。在評(píng)價(jià)的139座主要水庫(kù)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(kù)中，有8座劣于Ｖ類。在對(duì)93座水庫(kù)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)化程度評(píng)價(jià)時(shí)，處于中營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的水庫(kù)65座，處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)的水庫(kù)14座。這些情況說(shuō)明我國(guó)江河湖庫(kù)水體污染狀況嚴(yán)重，且有明顯惡化趨勢(shì)。
對(duì)受污染的江河湖庫(kù)水體進(jìn)行治理修復(fù)?是社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jìn)實(shí)用、造價(jià)低廉的技術(shù)迫在眉睫。
我國(guó)的江河湖庫(kù)水體污染主要包括氮磷等營(yíng)養(yǎng)物和有機(jī)物污染兩方面。另外，湖泊水庫(kù)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(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化的控制，發(fā)達(dá)國(guó)家以控制營(yíng)養(yǎng)鹽為主，大多采取“高強(qiáng)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(zhǎng)是湖泊水庫(kù)水體恢復(fù)與保護(hù)的難題，目前國(guó)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(jìn)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(jī)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(guó)外近年來(lái)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(lái)面貌，強(qiáng)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(dòng)，對(duì)水中污染物進(jìn)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(jià)相對(duì)較低、不需耗能或低耗能、運(yùn)行成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。另外，這種處理技術(shù)不向水體投放藥劑，不會(huì)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(jià)實(shí)用技術(shù)預(yù)計(jì)適用我國(guó)江河湖庫(kù)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(dòng)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(diǎn)介紹幾種針對(duì)江河湖庫(kù)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(qiáng)對(duì)污染物的降解作用。其反應(yīng)過(guò)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。
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(duì)于受有機(jī)物及氨氮輕度污染水體有明顯的效果。它的有機(jī)負(fù)荷較高，接觸停留時(shí)間短，減少占地面積，節(jié)省投資。此外，運(yùn)行管理時(shí)沒有污泥膨脹和污泥回流問(wèn)題，且耐沖擊負(fù)荷。日本、韓國(guó)等都有對(duì)江河大水體修復(fù)的工程實(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化。這種濕地系統(tǒng)是在一定長(zhǎng)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(dòng)，或在床體表面流動(dòng)。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�，形成一個(gè)獨(dú)特的動(dòng)植物生態(tài)環(huán)境，對(duì)污染水進(jìn)行處理。
人工濕地的顯著特點(diǎn)之一是其對(duì)有機(jī)污染物有較強(qiáng)的降解能力。廢水中的不溶性有機(jī)物通過(guò)濕地的沉淀、過(guò)濾作用，可以很快地被截留進(jìn)而被微生物利用；廢水中可溶性有機(jī)物則可通過(guò)植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過(guò)程而被分解去除。隨著處理過(guò)程的不斷進(jìn)行，濕地床中的微生物也繁殖生長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)濕地床填料的定期更換及對(duì)濕地植物的收割而將新生的有機(jī)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(jì)，種植觀賞植物改善風(fēng)景區(qū)的水質(zhì)狀況。其造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)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(guó)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(guò)濾及凈化作用和自我調(diào)控功能，達(dá)到某種程度對(duì)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(guó)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，土地處理系統(tǒng)對(duì)于有機(jī)化合物尤其是有機(jī)氯和氨氮等有較好的去除效果。德、法、荷等國(guó)均有成功的經(jīng)驗(yàn)。
三、國(guó)外工程實(shí)例
1.日本坂川古崎凈化場(chǎng)
位于日本江戶川支流坂川古崎凈化場(chǎng)，是采用生態(tài)—生物方法對(duì)河道大水體進(jìn)行修復(fù)的典型工程，從1993年投入運(yùn)行至今已有8年的運(yùn)行歷史，觀測(cè)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%�？拷瓚舸ㄏ掠蔚慕痤�、古崎和栗山三個(gè)水廠為630萬(wàn)人供水。坂川是江戶川的一條支流，在金町等三個(gè)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(shí)浮游植物繁殖迅速。坂川水質(zhì)惡化，直接對(duì)金町等三個(gè)水廠構(gòu)成威脅，居民對(duì)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(chǎng)。經(jīng)過(guò)古崎凈化場(chǎng)后，坂川的污染減少了60%～70%，處理過(guò)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(chǎng)是利用卵石接觸氧化法對(duì)水體進(jìn)行凈化。古崎凈化場(chǎng)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(chǎng)結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，主體結(jié)構(gòu)是高4.5m、長(zhǎng)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(jìn)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(jìn)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(guò)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(guò)凈化場(chǎng)后，水質(zhì)明顯提高，效果十分顯著，見表1。其中BOD反映有機(jī)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(chǎng)后，清潔的水流入新開的人工渠道——松戶川。其設(shè)計(jì)理念頗有新意，它一改傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhǎng)，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(gè)與自然相融合的休閑環(huán)境，而且對(duì)水體也能起進(jìn)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(kù)，總庫(kù)容2640萬(wàn)m3，水面面積4.5km2水深6.5m左右。平時(shí)為茨城縣等6縣市64萬(wàn)人口供水，日供水量21.6萬(wàn)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(wàn)m3的調(diào)洪庫(kù)容。
隨著近年來(lái)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(wèn)題。為保護(hù)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(guò)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(duì)水體進(jìn)行自然凈化的目的。這種凈化過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，確保蓄水池水質(zhì)潔凈，類似醫(yī)學(xué)上的對(duì)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(duì)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(jī)流量為1.25m3/s的兩臺(tái)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(dòng)，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(dòng)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(duì)居民、兒童進(jìn)行環(huán)保及愛水教育的場(chǎng)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�，其根系附著微生物，可提供充足氧氣，并通過(guò)遷移、轉(zhuǎn)化水中的氮、磷等物質(zhì)，降解水中有機(jī)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(guó)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(qiáng)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(dòng)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(zhǎng)18m、高1m）將河水?dāng)r截后引入帶攔污柵的進(jìn)水口，水流經(jīng)過(guò)進(jìn)水自動(dòng)閥，經(jīng)污物濾網(wǎng)進(jìn)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(zhǎng)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(guò)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(chǎng)相比，這種凈化裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是幾乎不耗能，運(yùn)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(jìn)行護(hù)岸，形成類似野生的自然環(huán)境，同時(shí)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(zhǎng)，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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