受污染河流水质修复技术研究进展综述_肖乐

1、檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶殞殞殞殞行业导向与研究进展受污染河流水质修复技术研究进展综述肖乐,周琪(同济大学环境科学与工程学院,污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092摘要受污染河流水质修复技术多种多样,包括物理技术、化学技术、生物技术以及工程治理技术,其中工程治理技术由于物理、化学、生物手段的综合运用成为受污染河流水质修复的主要手段。该文对常用的受污染河流水质修复技术进行总结,对不同水质修复技术进行分析,最后对受污染河流水质修复技术的发展趋势进行展望。关键词河流水质修复工艺技术研究进展综述中图分类号:X522文献标识码:A文章编号:1009-0177(20

2、1501-0009-06General eview of esearch Advance on Water Quality estoration Technology forPolluted iverXiao Le ,Zhou Qi(State Key Laboratory of Pollution Control and esources euse ,College of Environmental Science and Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092,China AbstractWater quality restorati

3、on technology for polluted river includes physical ,chemical ,biological technology and engineeringtechnologyAmong these technologies ,engineering technology becomes the main method because it is a combination of physical ,chemical and biological technologyWater quality restoration technologies for

4、polluted river were summarized in this paperThe differences of water quality restoration technologies wer analyzedFinally ,the development trend of water quality restoration technology for polluted river was discussedKeywordsriverwater quality restorationtechnologyresearch advancegeneral review收稿日期2

5、014-07-31基金项目国家水体污染控制与治理科技重大专项:老运粮河生态修复与生态建设(2012ZX07302002007作者简介肖乐(1990,男,硕士研究生,河流水质污染的特点一般是水体浑浊,溶解氧含量较低,氮磷含量超标,藻类大量繁殖,出现富营养化现象,受污染严重的河道甚至出现生态系统退化、河水黑臭等现象。针对受污染河流水质差的问题,对受污染河流进行水质修复具有重要意义。受污染河流水质修复技术包括物理技术、化学技术、生物技术及工程治理技术。其中,物理法包括引清调度、底泥疏浚、河道曝气、机械除藻等技术。化学法包括化学固定、化学除藻等方法。生物技术包括水生植物净化技术、微生物修复技术等。工程

6、治理技术包括人工湿地技术、生物浮床技术、填料生物床技术等。工程治理技术由于包含物理、化学、生物手段,通过不同技术的组合运用,相比其他水质修复技术具有处理效果好、易于调控、价格低廉等优势,从而成为受污染河流水质修复的主要手段。1物理修复技术11引清调度引清调度技术也称为调水稀释技术,即通过工程手段调水对污染水体进行稀释。通过引清调度的稀释作用可以有效减少污染物浓度,同时引清调度也可在一定程度上增加水中溶解氧浓度,从而使污染物稀释,微生物活性增加,达到水质修复的目的1。引清调度具有成本低、见效快的特点,在水资源净水技术WATEPUIFICATION TECHNOLOGYVol34,No1,2015

7、February 25th ,2015净水技术2015,丰富的地区应用较为广泛。上海市开展引清调度已经多年,通过引清调度可降低上海市河流污染物浓度10% 20%,部分河段可以改善一个水质级别2。通过模拟计算的方法也能说明引清调度技术对改善水质的作用。高程程等3研究了上海市青松大控制片河网水资源引清调度方案,模拟计算结果表明淀浦河以南河道中NH3-N浓度可降低157%,COD 浓度降低86%。但引清调度也存在一定的缺陷,如果引水速率过大,使底泥处于扰动状态,会导致底泥中氮和磷等营养盐的释放率加快,如此不仅不能起到水质修复的作用,还会导致河流中氮和磷等营养盐浓度增加。12底泥疏浚河道大多存在大量的

8、底泥淤积,底泥主要含有重金属、有机物及氮磷营养盐。底泥是河流污染的内源因素之一,在一定条件下污染物会从底泥中释放到水体内,使水质恶化4。底泥疏浚通过挖除部分底泥,减少底泥中污染物向水体释放。底泥疏浚能将底泥中的污染物从河道体系中去除,因此可以有效减少内源污染。但底泥疏浚技术也存在一定缺陷。底泥疏浚技术工程量大,治理费用较高。如果底泥清除力度过大,可能破坏原有的河流生态系统,引起不良的生态反应5,同时底泥疏浚对底泥的扰动也可能导致水质变差。刘志刚6根据南淝河中段南淝河污水泵站的排污口附近河流底泥污染空间分布数据,计算得出如果河岸清淤到20cm的深度,污染负荷不但没有削减,反而有所上升;如果清淤到

9、40cm,氨氮的污染负荷将会削减5132%,溶解性总磷污染负荷将会削减2631%。13河道曝气技术河道曝气技术针对河流受到污染后缺氧的特点,在适当的位置向水体中连续或间歇充入空气或纯氧,加速水体复氧过程,提高水体的溶解氧水平,从而恢复水体中好氧微生物的活力7,在河道内形成多种微生物和水生动物共存的生态系统,通过各类微生物和水生生物共同作用降解污染物,使水体得以净化,从而改善河流的水质状况8。河道曝气技术操作简单,见效较快,一般用于处理水体溶解氧浓度较低及受有机物污染的河道。张同祺9研究人工曝气强化技术对同心河的影响,结果表明曝气对COD、NH3-N有一定去除效果,污染水体水质得到好转,当曝气强

10、度为250L/m3·h时即能有较好的除污效果,再加大曝气强度并没有提高受污染水体的除污率。河道曝气技术也可作为应急措施处理突发性河道污染,短时曝气即可提高水体溶解氧浓度,使水体得到净化。14机械除藻技术水体污染的一个重要表现就是夏季藻类暴发生长,水质急剧恶化。机械除藻技术即用机械化手段去除水中藻类的技术,包括机械捞藻法、气浮法除藻、超声波除藻及曝气混合法等技术10,不同机械除藻技术的流程各不相同。机械捞藻法仅仅靠机械手段清捞水面的藻类,耗费人力物力较多。超声波除藻是利用高强度的超声波破坏藻类细胞。张智等11研究了超声波除藻型过滤器,结果表明超声波除藻型过滤器对浊度和藻类的去除率分别为

11、818%和666%。气浮法除藻包括絮凝、气浮、脱水、藻类处置等步骤。袁俊等12进行了气浮除藻工艺的比较及影响因素研究,结果表明污染物去除率可达90%以上。曝气混合技术则是将曝气技术结合到了机械除藻中。高郑娟13研究了扬水曝气混合对铜绿微囊藻分布及生长抑制作用,并通过Fluent软件模拟,计算结果为藻类净生产力小于零,说明藻类可以得到控制。尽管机械除藻技术效率高,起效快,但机械除藻技术不能降低水体中氮磷等营养物质的浓度,不能从根本上起到水质修复的作用。2化学修复技术21化学固定化学固定技术是用化学方法将磷等营养盐或重金属固定在底泥中的技术。化学固定磷的原理是加入化学药剂,使水中的磷以磷酸盐沉淀的

12、形式固定到底泥中1。化学固定重金属的原理是向河水中加入碱性物质,适度提升河水的pH,重金属离子在较高pH的条件下会形成沉淀,从而在底泥中固定。化学固定技术见效快,操作简单,可有效抑制底泥释放造成的内源污染,但化学药剂加入量过多会对水生生态系统产生不良的影响。孙远军14研究了城市河流底泥污染与原位稳定化技术,结果表明试验用的4种稳定剂都会对底泥的黑臭现象具有一定的改善作用,其中硝酸钙对TOC的去除率可达到1872%,但也会使重金属的生物毒性有所升高。张丹15研究了城市河道底泥化学修复,结果表明硝酸钙在厌氧条件下可较有效地抑制底泥中氮磷的释放;聚合氯化铝可有效抑制氮磷的释放,但时效性不长;过氧化钙

13、的效果最好,可以有效抑制底泥中氮磷的释放,并具有较长的时效性。肖乐,周琪受污染河流水质修复技术研究进展综述Vol34,No1,201522化学除藻化学除藻是直接向富营养化水体中投加除藻剂的方法。根据投加药剂的不同可分为除藻剂除藻、混凝沉淀剂除藻、化学氧化剂除藻16。化学除藻工艺简单,除藻速度快,可在短时间内取得明显的除藻效果,提高水体透明度。缪柳17研究了复配化学药剂对地表富营养化水体藻类的去除,使用铜盐与铝盐组成的复配药剂,对不同藻类的去除能力为硅藻蓝藻绿藻,除藻药剂投加后10d内藻类去除率高于80%。化学除藻也存在一定缺陷。首先,投加的化学药剂用量需要控制,化学除藻的效果和药剂的投加量紧密

14、相关,投加药剂过少会使去除藻类效果不明显,投加药剂过多会导致二次污染。其次,除藻剂可能产生生物累积作用。同时,这些化学药剂也可能对水中其他生物存在毒性,影响水生生态系统,长期使用除藻剂还有可能使藻类产生抗药性,达不到应有的除藻效果。不同物理化学水质修复技术主要优缺点如表1所示。表1物理化学水质修复技术主要优缺点Tab1Main Advantages and Disadvantages of Physicaland Chemical Water Qualityestoration Technologies技术优点缺点引清调度成本低、见效快使底泥扰动可能导致河流中氮磷浓度增加底泥疏浚有效减少内源污

15、染工程量大,治理费用较高河道曝气操作简单,见效较快治理费用较高机械除藻效率高,起效快不能从根本上起到水质修复的作用化学固定见效快,操作简单,有效抑制底泥释放造成的内源污染若化学药剂加入量过多会对水生生态系统产生不良的影响化学除藻工艺简单,除藻速度快,可在短时间内提高水体透明度投加药剂过多会导致二次污染,生物富集和生物放大作用可能对生态系统产生不良影响3生物修复技术31水生植物净化技术水生植物的净化作用主要包括水生植物吸收作用、微生物代谢及植物根部环境中的吸附、过滤、沉淀等作用18。水生植物可以吸收水体中的氮、磷等营养盐,同时也可以吸收某些重金属离子,也可以通过收割植物将部分污染物从水体中彻底去

16、除。水生植物根系环境中微生物可以通过硝化和反硝化作用有效去除水体中的氮。部分水生植物同时也是经济作物或可以作为景观植物,这样在治理水体污染的同时也能带来经济效益或起到美化环境的作用。水生植物可分为挺水植物、浮水植物和沉水植物,可以根据不同需求选择不同类型的水生植物,不同水生植物对水质的净化效果不同。付晓云等19比较了5种水生植物脱氮除磷能力,结果表明不同植物的净化能力从强到弱的顺序为千屈菜菖蒲雨久花泽泻慈姑。水生植物净化技术通常作为人工湿地技术和生物浮床技术的重要组成环节发挥作用。张秋卓等20通过水生植物净化区与经济作物浮床区两个区段处理上海市松江五厍生态农业园区水产养殖排水,其中水生植物净化

17、区种植凤眼莲,经济作物浮床区种植空心菜,结果表明水生植物组合净化技术对COD、TN及TP的去除率分别可达735%、249%及674%。水生植物净化技术的优点是成本较低,治理效果较好,对环境无二次污染,有利于改善河道生态环境。32微生物修复技术微生物修复技术是利用微生物降解河道中的污染物,或将其转化为无毒无害的物质的技术。可以直接向污染河道水体投加经过培养筛选的微生物菌种,也可向污染河道水体投加微生物缺乏的营养物质,促进微生物的生长,使其降解河道中的污染物,达到水质修复的目的18。对微生物修复技术的研究通常需要考虑河道环境条件。庄景等21研究了投加微生物及其所需营养元素对无锡市浒溪河治理效果,结

18、果表明COD、TP和NH3-N的去除率可达43%、56%和58%。对于受污染较严重的河道,直接使用微生物修复技术不能正常发挥其净化水质的作用,一般需要先经过其他水质修复技术的处理,再使用微生物修复技术。因此,微生物修复技术通常与河道曝气技术、水生植物净化技术、填料生物床技术等水质修复技术综合运用。蒋军等22研究了曝气及微生物修复技术在南库支浜河治理中的应用,将微生物按照一定配比构成混合菌进行投放,结果表明珠江路桥段NH3-N的平均去除率为736%,汾湖路桥段NH3-N的平均去除率为723%,珠江路桥段TP平均去除率可达821%,汾湖路桥段TP平均去除率为345%。净水技术WATEPUIFICA

19、TION TECHNOLOGY Vol34,No1,2015 February25th,20154工程治理技术41人工湿地技术人工湿地是通过系统中的基质、水生植物和微生物,将物理、化学和生物作用相结合起到水质修复的作用。具体而言,人工湿地的水质净化机理主要包含基质的过滤及吸附、植物的吸收作用和微生物分解作用。人工湿地技术具有高效、低成本、操作简单等优点,是目前受污染河流水质修复的主要技术之一。杜良梅等23对云南高原湖泊入湖河水的5个典型的人工湿地的处理效果进行分析,结果表明SS 的去除率为70% 80%,TN 及NH 3-N 的去除率为30% 50%,TP 的去除率为20% 40%,COD 的

20、去除率为40% 50%。人工湿地按照类型来分类,可以分为自由水面人工湿地、潜流型人工湿地和立式人工湿地,通常来说复合人工湿地具有更好的水质修复功能。杨洋24分析了皂河人工湿地对有机物的去除效果,结果表明COD 的去除率为70% 75%,BOD 5的去除率为88% 90%,水平表面流人工湿地对有机物的去除效果要优于潜流人工湿地,组合人工湿地可以提高对有机物的去除率。姜新佩等25利用复合人工湿地处理滏阳河河水,结果表明对浊度、COD 、TN 、TP 、硝态氮、亚硝态氮的平均去除率分别达到91%、50%、36%、91%、35%、89%。Zheng Yucong 等26研究了复合人工湿地对西安的高污染

21、河流的处理,将表面流人工湿地与潜流式人工湿地相结合,试验得出COD 、BOD 、NH 3-N 、TN 和TP 去除率分别为727%、934%、540%、539%和694%。42生物浮床技术生物浮床技术是运用无土栽培的原理,利用可漂浮材料为基质在水面种植植物,消减水体中的污染物质的技术。通过浮床基质对水体的过滤、吸附作用可以去除部分污染物,利用水生植物吸收及微生物降解作用去除水中氮、磷等污染物,达到水质修复的目的。通过收割植物也可将部分污染物带离水体。同时,生物浮床技术通过种植植物,可以起到改善景观的效果。生物浮床技术对污染物的去除效果较好。蒋白懿等27用生态浮床技术改善八干渠再生水景观河道,结

22、果表明出水质量浓度TP 为02 038mg /L ,TN 约20mg /L ,NH 3-N 为08 2mg /L ,NO 3-N 为025 10mg /L ,COD 为30 70mg /L 。高红杰等28用多层组合生物浮床考察其对沈阳细河水体的水质修复效果,结果表明多层组合生物浮床对沈阳细河河水的COD 和氨氮的去除率分别约50%和52%。李威等29用生物浮床对汾江河河水进行处理,结果表明有浮床侧TP 含量较无浮床侧降低了1389%,TN 含量降低了608%,COD 含量降低了1868%。43填料生物床技术该技术利用河流中的沙石、卵石、沉积物,或使用人工填料作为载体,由填料上的生物膜对水体进行

23、净化作用。生物膜具有较大的比表面积,可使微生物附着在其表面,对污染物进行吸附降解。因填料材质和粒径的不同,除生物降解有机物外,还可能产生物理吸附、沉降、过滤等作用,去除悬浮物、氮、磷、重金属等。填料生物床技术具有较好的处理效果,费用低廉,无二次污染,对受有机物及氨氮轻度污染的水体有明显的效果。侯俊等30将宜兴市大浦镇林庄港作为试验河道,研究了卵砾石生态河床的水质净化作用,结果表明卵砾石生态河床河段对氨氮和总磷的去除率可达到37%和25%。也可将填料生物床技术与其他受污染河流水质修复技术组合联用。潘静赟等31运用生物填料-沉水植物联用技术对武进港红旗河进行处理,结果表明各测定指标的总平均去除率分

24、别为:氨氮6907%、亚硝态氮7028%、硝态氮4758%、总氮5328%、正磷酸盐8488%和总磷8350%。受污染河流运用水质修复技术后,污染物去除率如表2所示。表2受污染河流采用水质修复技术及污染物去除率Tab2Water Quality estoration Technology used in Polluted iver and emoval ate of Pollutants处理对象NH 3-N TN TP COD 微生物修复无锡市浒溪河58%56%43%南库支浜河珠江路桥段736%821%南库支浜河汾湖路桥段723%345%肖乐,周琪受污染河流水质修复技术研究进展综述Vol34,

25、No1,2015续表处理对象NH3-N TN TP COD人工湿地云南高原湖泊入湖河水30% 50%30% 50%20% 40%40% 50%皂河70% 75%滏阳河36%91%50%生物浮床沈阳细河52%50%汾江河61%139%187%卵砾石生态河床宜兴市大浦镇林庄港河道37%25%水生植物净化+生物浮床上海市松江五厍生态农业园区水产养殖排水249%674%735%生物填料-沉水植物武进港红旗河691%533%835%注:数据来源为该论文所引文献5结论与展望河流水质工程治理技术用到了物理、化学、生物等多种手段,其中人工湿地净化过程包含物理吸附沉淀、水生植物净化、微生物降解等;生态浮床净化过

26、程包含基质吸附、水生植物净化等;填料生物床净化过程包含物理吸附沉淀、微生物降解等。河道工程治理技术可与不同物理、化学、生物技术联用,如与曝气、微生物修复等技术联用,从而起到更好的水质修复效果。上述各项技术在河流水质修复中有很多的成功案例。但如何提高治理效果,降低治理成本仍然是受污染河流水质修复技术中需要重点关注的部分。另外,受污染河道一般严重富营养化,并且污染物也趋于多样化,现有的水质修复技术也许不能满足个案治理的需求,因此开发新技术,进行多种技术结合,提高治理效果,降低治理成本是今后河流水质治理的大方向。在实际运用中,不同河道的污染情况各不相同,需根据不同河道的环境条件因地制宜选择水质修复技

27、术。此外,管理问题也是技术选择的一个重要的考虑因素,需要进一步的研究及实践。参考文献1胡祖武,刘玲河流治理物化技术分析J黑龙江科技信息,2011,15(13:55-562蔡浚,王春树,王卫开展水资源引清调度对改善河道水环境的探讨J中国水利,2011,61(7:39-413高程程,陈长太,唐迎洲上海市青松水利片引清调水方案研究J水电能源科学,2012,30(2:115-1194宋钊城市河流水污染治理及修复技术J工业用水与废水,2013,44(4:6-85区凤荘,孙国萍,许玫英城镇污染河流修复技术研究进展J广东化工,2013,40(10:88-89,536刘志刚河底泥污染物特性分析及释放风险研究J

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29、-28,7613高郑娟扬水曝气混合对铜绿微囊藻分布及生长抑制作用的研究D扬州:扬州大学,201214孙远军城市河流底泥污染与原位稳定化研究D西安:西安建筑科技大学,200915张丹城市河道底泥化学修复的探索与研究D天津:天津大学,200916汪小雄化学方法在除藻方面的应用J广东化工,2011,38(4:24-2617缪柳复配化学药剂对地表富营养化水体藻类去除的研究D厦门:华侨大学,201218翁平,王发园,宁大亮,等城市河道水体生态修复实践现状及进展J中小企业管理与科技(下旬刊,2012,5(5:98-10219付晓云,何兴元5种水生植物脱氮除磷能力比较J西北林学院学报,2014,29(3:7

30、9-82,9120张秋卓,李华,王娟,等生态农业园区水产养殖排水水生植物组合净化技术效果评估J农业环境科学学报,2013,32(6: 1253-126021庄景,谢悦波,宗绪成,等单一直接投加微生物修复技术在河流治理中的应用J水资源保护,2011,27(2:63-6622蒋军,张俊环,张楚,等曝气、微生物修复技术在南库支浜河治理中的应用研究J广东化工,2013,40(10:117-118,129(下转第28页净水技术WATEPUIFICATION TECHNOLOGY Vol34,No1,2015 February25th,2015周 斌， 王桂玉， 占国将 化学药剂除磷试验初探 盐絮凝的最佳

31、 pH 为 9 左右； （ 2 ） 对常见的铝盐、 铁盐和钙盐絮凝剂而言， 化 学除磷反应的搅拌时间在 15 的除磷效果； 20 min 能获得最佳 Vol 34 ， No 1 ， 2015 参考文献 1 孟顺龙， 裘丽萍， 陈家长， 等 污水化学沉淀法除磷研究进展 J 中国农学通报， 2012 ， 28 （ 35 ） ： 264268 2 中国环境保护总局 ， 水和废水监测分析方法 编委会 水和废 第 4 版 北 京： 中 国 环 境 科 学 出 版 水监 测 分 析 方 法M 2002 社， 3 邓晓文 混凝沉淀法处理含磷废水的试验研究 J 安徽建筑工 2004 ， 12 （ 5 ） ：

32、2122 业学院学报， 净水技 4 张亮平 城市污水处理厂污泥协同处置模式讨论J 2013 ， 32 （ 5 ） ： 6971 术， 净 水 技 术， 2012 ， 31 （ 1 ） ： 5 顾 士 贞 改 性 污 泥 的 稳 定 化J 5963 （ 3 ） 通过烧 杯 试 验 ， 在控制各药剂最佳反应 条件的前 提 下 ， 铝 盐 和 铁 盐 除 磷 效 果 相 当， 两者 均优 于 钙 盐 ， 其 中 效 果 最 好 的 是 Al2 （ SO 4 ） 3 和 Fe 2 （ SO 4 ） 3 ； （ 4 ） 从经济性角度分析， FeSO4 的市场价格远远 ， ， 低于其他药剂 性价比高 最适

33、合应用在日常污水除 磷体系中。 （ 上接第 13 页） 23 杜良梅， 张丽， 和丽萍， 等 利用人工湿地处理云南高原湖泊入湖河 J 环境科学导刊， 2013， 32（ 6） ： 4447 水的净化效果分析 24 杨洋 人工湿地去除污染河水有机物的研究D 西安： 西安 2013 建筑科技大学， 25 姜新佩， 张欢， 张春霞 复合人工湿地对滏阳河河水净化的试验 2014 ， 45 （ 4 ） ： 3943 研究J 水利水电技术， 26 Yucong Zheng，Xiaochang Wang，Jiaqing Xiong，et al Hybrid constructed wetlands for

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