第二讲：北方缺水型城市景观水体生态修复

1、第二讲：北方缺水型城市景观水体 生态修复 潘涛潘涛 研究员研究员 北京市环境保护科学研究院 主要内容一一 二二三三四四五五六六七七八八 国内水体富营养化情况 国外水体富营养化情况一、国内外水体富营养化现状及发展趋势一、国内外水体富营养化现状及发展趋势 流动水体：河流 缓流水体：湖泊、水库、河口大型湖泊营养盐浓度超过富营养化发生界限，其中太湖、巢湖及滇池等已经发生严重富营养化；中型湖泊已具备富营养化的营养盐条件；城市湖泊富营养化严重，表现为营养盐浓度异常，透明度低，水体叶绿素含量高。国内水体富营养化情况滇池滇池太湖太湖巢湖巢湖北京坝河北京坝河富营养富营养 41%中营养中营养 47% 47%贫营养

2、贫营养 12%7070年代末年代末 8080年代中年代中富营养富营养 61%61%中营养中营养 35%35%贫贫营养营养4 4%8080年代后期年代后期富营养富营养77%77%中营养中营养23%23%贫营养贫营养0%0%9090年代后期年代后期制定湖泊富营养化控制规划控制沿湖工业污染源控制沿湖城市生活污水排放治理湖内污染源开展农业面源的控制工作和湖泊及流域的生态恢复工作我国政府已采取的政策和措施主要集中在美国、西欧、日本等经济发达国家和地区据1996年美国全国水质调查报告,有40%的河流、51%的湖泊和53%的河口正受到富营养化的负面影响。 主要原因是农业排污,其次是地方政府的污水处理厂,大雨

3、时的城市污水溢流和大气沉降等非点源污染源。高营养高营养中高营养中高营养正常正常中低营养中低营养低营养低营养美国河口富营养化发生情况1972年联邦水污染控制法修正案(1972PL92-500号)，(通常称为清洁水法)被确立为水环境基本法,被认为是一部划时代的法律,旨在:采取各种措施以维持不同水域的水质适合于浴场、水上娱乐及野生生物、鱼类和甲壳类动物的生存；全面预防污染物进入水体。清洁水法实施以来,历届政府都与当地居民以及私有公司合作,实施了各种提高水资源质量的计划。一些计划是根据联邦水污染控制法、海岸管理法、农业土地法(1990年),农业土地法(1996年)以及其他法律实施的。美国防治富营养化的

4、主要措施制定水质目标制定水质目标排放许可证排放许可证NPDESNPDES进行进行水质监测水质监测是否达标是否达标采取保护措施采取保护措施制定控制计划（制定控制计划（303d303d）最大日负荷（最大日负荷（TDMLTDML）实施计划实施计划法规法规309309，401401和和404404节节各州周转资金（各州周转资金（SRFSRF）NY通过执行这些计划,水污染程度得以显著降低。但是,美国各地仍然存在着严重的水污染问题,对美国公民的生活质量产生了很多负面影响,如休闲娱乐机会的减少、地方经济发展停滞,以及饮用水供应和公共健康方面的危机等。富营养化仍然是美国最普遍的问题,长久以来一直引起人们的关注

5、。美国防治富营养化的效果严重恶化严重恶化轻微恶化轻微恶化无变化无变化略微好转略微好转明显好转明显好转美国河口富营养化的前景预测“磷”排放量不断减少欧盟通过三级法律措施来防止富营养化，即：第一级，20世纪7080年代的水相关法律系统；第二级，营养物防治策略的法律修正案；第三级，更新的水策略的框架性指标。欧盟减排营养盐措施及效果定义及特征危害机理藻类影响因素治理对策二、水体富营养化基础二、水体富营养化基础水体富营养化(eutrophication)是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及

6、其他生物大量死亡的现象。 在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，不过这种自然过程非常缓慢。而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化则可以在短时间内出现。水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华。因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮。富营养化的定义和特征富营养化给水环境和水资源造成了十分严重的危害，主要表现在：水质恶化，水华频发，影响饮用水源供水与工农业用水；湖泊景观受到破坏，妨碍旅游业的发展；水体水产养殖功能下降；生态系统失调或破坏。 除此之外，富营养化造成的水华可能带来致癌的三卤甲烷

7、。富营养化的危害外源性营养盐（特别是限制盐磷）排放进入水体，不断富集植物过渡生长，蓝藻个体快速增加藻类生长周期短，浮游生物死亡，消耗大量氧气被微生物分解后产生大量硫化氢，同时水生动植物量死亡藻类、浮游生物和水生动植物死亡，分解释放大量氮、磷等营养盐富营养化的机理微囊藻鱼腥藻颤藻席藻微囊藻鱼腥藻颤藻席藻贫营养贫营养中营养中营养富营养富营养备注备注总磷含量总磷含量（mg/L）0.02美国美国EPA0.0020.010.05我国巢湖我国巢湖地表水地表水II类类TP0.025，地表水，地表水III类类TP0.05（湖库）（湖库）富营养化常用评判指标：营养盐浓度、叶绿素A浓度、透明度、指数法营养盐浓度：

8、磷控制 or 氮控制评判指标贫营养贫营养中营养中营养富营养富营养备注备注Chla（mg/m3）平均值平均值2.52.58825最大值最大值6361.53最小值最小值31.530.71.5富营养化指数：chla、TP、TN、SD、CODMn综合指数TLI（）TLI（）30贫营养（Oligotropher）30TLI（）50中营养（Mesotropher）TLI（）50富营养(Eutropher)50TLI（）60轻度富营养(lighteutropher)60TLI（）70中度富营养(Middleeutropher)TLI（）70重度富营养(Hypereutropher)叶绿素A浓度、透明度：评判

9、指标富营养化的发生受到以下因素影响：无机营养盐温度光照水力条件酸碱度影响因素 清洁生产措施清洁生产措施：从源头控制污染物入流，可同时针对从源头控制污染物入流，可同时针对点源和面源污染；点源和面源污染； 环境工程措施环境工程措施：末端治理减排，一般适合于点源；末端治理减排，一般适合于点源； 生态工程措施生态工程措施：生态规划与调控，强调依赖生物群落生态规划与调控，强调依赖生物群落的同化作用；的同化作用； 管理规划措施管理规划措施：产业结构，产品使用，环境整治等。产业结构，产品使用，环境整治等。治理对策污染状况调研水环境问题分析水环境功能区划分数学模型模拟水环境管理规划污染治理方案三、流域水环境管

10、理与污染防治规划三、流域水环境管理与污染防治规划污染源调查生活污染源城市居民农村居民农村服务业工业污染源一般工业污染源重点工业污染源城市面源农业污染源畜禽养殖水产养殖农业面源污染状况调研：污染源、水质、自然及社会经济污染源 点源：生活、工业、农业、集中处理设施 面源：地表径流、降水、大气沉降水质 时间：历史水质数据，实时水质数据 空间：各主要支流、断面水质数据自然 地理：流域面积、地形特点、水文水力背景 气候：降雨量、温度、蒸发量、风速等经济 行政划分、人口 经济发展情况、工农业主要特点及分布污染状况调研：污染源、水质、自然及社会经济流域水环境历史、现状及趋势评价；流域的污染负荷状况及主要成因

11、；污染负荷的空间分布情况；流域水文特征的影响，需水量及环境容量分析；流域重点污染源分析筛选；水环境监测、执法、管理、监督存在的不完善因素；其它水环境问题。水环境问题分析 主要适用于源头水、国家自然保护区类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产卵场、仔稚幼鱼的索饵场等类 主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保护区、鱼虾类越冬场、徊游通道、水产养殖区等渔业水域及游泳区类 主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区类 主要适用于农业用水区及一般景观要求水域类水环境功能区划分水质模型是一个用于描述物质在水环境中的混合、迁移过程的数学方程，即描述水体

12、中污染物与时间、空间的定量关系。在一个较综合的河流水质模型中，有许多影响河流水质的因素，如物理学的、化学的、水力学的、生物学的以及气象学的因素。水质模拟预测是顺利实现水环境规划管理、水污染综合防治等任务不可缺少的基础工作。需求及目标确立模型选择数据收集、监测系统GIS信息、数据库模型建立调试运行水质模型规划的目标、原则、依据、方法；规划的期限，规划重点；现状及问题诊断；规划对策：水源保护、污染防治、水质修复、生态建设、管理措施；规划的可行性分析，与社会经济发展战略衔接；规划的实施与管理；结论与建议。水环境管理规划污染源减排 节水宣传、减少污水排放 改变生产方式，减少污染物排放 完善污水管网，加

13、强污水截留污水处理设施 新建污水处理设施 改造老旧污水处理设施 加强资金技术支持，支持已建未运行设施的运转 加强污泥处理治理、修复 生态防护区建设 水生动植物 人工基质 直接人工处理 药剂污染治理方案研究背景技术路线污染现状水质模型治理措施四、案例四、案例A北京泃河试点项目北京泃河试点项目10 km泃河洳河金鸡河泃河为蓟运河上游支流之一，属蓟运河水系，使北京五大水系之一。泃河发源于河北省兴隆县的茅山和跑马厂，经泥河村流入我市平谷区境内，东向西流经平谷城南，在前芮营村经洳河汇入后折向东流，于东店村流入河北省三河县，于天津市九王庄与洲河汇合后流入蓟运河，向南流入渤海。泃河全长206公里，其中平谷区

14、境内66公里，汇水面积1712.3平方公里。研究背景 国家要求COD100mg/L 北京市要求COD70mg/L2008年 国家要求COD70mg/L 北京市要求COD40mg/L2010年泃河出境断面为国家环保部对北京市政府考核的三个出入境水质断面之一。2006年平均COD浓度141mg/L，2007年平均COD浓度为79.67mg/L，与V类水体的要求相比分别超标2.5倍和1倍。研究背景污染源调查初级即时行动计划完善的ILCA计划落实ILCA计划2008年水质目标落实综合水域管理规划2010年水质目标数据收集水质监测水质初步模型完善的数学模型综合水环境管理规划IRBMC示范工程SCADA系

15、统数据社会经济分析污染源类型估计COD产量(吨/年)估计COD当前削减量 (吨/年) COD残余量 (吨/年)残余COD百分比（%）养殖 (尤其是养猪场)3100003100070.5%工业3150022500900020.5%生活8500450040009.0%合计700002700044000100%COD排放总量及组成污染现状0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 180.0 2008年01月2008年02月2008年03月2008年04月2008年05月2008年06月2008年07月2008年08月2008年09月2008年10

16、月COD浓度（浓度（mg/L）泃河流域泃河流域2008年年COD月均值变化图月均值变化图前芮营东店5月份数据偏高原因是平谷污水处理厂停产检修水质监测数据平谷污水处理厂入口上游的污水溢流平谷县城未处理污水直排平谷县城沿岸水流停滞污染带河道滞留段养殖污水（主要指养猪场）农村散户生活污水直排工厂污泥处理设备没有常规运行流域内点源/面源污染工业活动工业活动区域区域一般数据WWTP WWTP 一般数据备注生活污水生活污水畜禽养殖畜禽养殖河道里程河道里程面源污染面源污染水排放量 WWTP一般数据排放量WWTP一般数据排放量 WWTP 动物一般信息类型泃河项目数据库泃河项目数据库泃河水质模型的用途：可以模拟

17、整个泃河流域的污染状况；可模拟水质变化趋势，预测控制断面污染物浓度；便于制定COD削减的分配方案；可验证各项减排治污措施，便于采取最合理措施；便于水环境管理。干预类型方案估算COD削减量（吨年）成本与COD削减量比值（元/吨/年COD）方案实施所需估算时间（月）IT.1 平谷污水处理厂增容和改造方案 1 增加一套集中处理设备2,5002,2006IT.2 沿受污滞流河段建立人工湿地湿地n.11,20018,83324湿地n. 26203,71024湿地n. 36402,65624湿地n. 433016,06124湿地n. 533016,25024湿地n. 69208,37024IT.3养殖污水

18、、生活及工业污水污泥在农业中的可持续合理利用方案 1 改善畜禽污水处理和养殖方法24,0005006方案 2 改善农村地区和零散村庄的基本生活污水处理设施1,3003,00024方案 3 改进工业污水处理74021,62212总计32,2502,574-平谷污水处理厂内增加一套特别处理设备，该设备利用密实技术使污水絮凝澄清，可用于处理农村地区产生的污泥及部分明渠的污水溢流。最终目的是产生使用于农业堆肥的稳定污泥，进行农业堆肥的。平谷污水处理厂新的处理单元位置平谷污水处理厂新的处理单元位置试点项目一 改造平谷污水处理厂参数参数CODCODBODBODTNTNTPTP输入浓度(mg/l)77171

19、7.00.95平均输出浓度(mg/l)641115.70.79去除率(%)17%34%8%9%区域ID号总面积 (公顷)参考监测站河流河流平均流量(m3/天)341金鸡泃河汇流前泃河133300试点项目二 修建3#湿地 A. 形成有效的监管机制，包括政策立法、责罚、和监察等各个环节，保证国家排放标准（COD400mg/L）的达标。当然整套的监管机制应同时充分参考意大利方面的有关经验和中国当地的国情；B. 针对COD400mg/L的排放物，对于离河较近的养猪场采取进一步的深度处理（氧化塘）使排放物得到进一步净化；C. 同时针对各养猪场推广生态养殖方法（麦秸/稻草铺垫）。氧化塘户外生态养猪试点项目

20、三 改造高污染养殖场研究背景主要污染问题技术路线工艺参数选择工艺流程处理效果五、案例五、案例B宽沟生态修复项目宽沟生态修复项目北京市政府宽沟招待所位于京郊怀柔区，紧临怀柔水库，是北京市的一处重要会议场所，经常有国家高级领导人来此参加会议。北京市政府宽沟招待所人工湖景观水体面积为5500m2，富营养化问题比较突出，影响了招待所的整体形象。 项目背景主要污染源为：无排污口进入宽沟人工湖，污染类型为面源污染，主要污染物为径流中的营养盐；游客在钓鱼过程中投喂大量饵料也是污染源之一；底泥沉积物中有大量氮磷，内源释放也是重要污染。主要污染问题富营养化原因分析：前期水样分析表明，宽沟人工湖的补水为浅层地下水

21、，总磷浓度为0.03mg/L、总氮浓度为0.8mg/L；宽沟人工湖的湖水总氮浓度为46mg/L，总磷浓度为0.070.11mg/L。宽沟人工湖的补水含氮磷浓度虽然不高，但湖水中的氮磷含量较高，特别是总氮已经属于劣V类水质。在这一水质情况下，由于流动性不足，在日照和温度条件适宜的情况下，就造成了藻类大量滋生，并爆发“水华”现象。主要污染问题宽沟人工湖的主要污染物是总氮和总磷。控制水中氮、磷营养元素的含量，是防止富营养化的关键。尽管氮、磷同为生物的重要营养物质，但藻类等水生生物对磷更为敏感。当水体中磷处于低浓度时，即使氮浓度能满足藻类等水生生物的需要，其生产能力也会大受遏制。当水体中的氮不足时，往

22、往可由许多固氮的微生物来补充，而磷则不能。显然，控制水体中的磷含量，比控制氮含量更有实际意义。事实上，水中藻类生长的控制因素就是磷。为了防止景观水体发生富营养化，必须切实控制水中磷的含量。因此，在示范工程设计中，以总磷为限制性因素。技术路线确定限制因素化学沉淀法除磷，运行费用高，且会产生大量的化学污泥；生化法除磷，工程投资高，工艺复杂，运行管理要求高。 与传统的除磷方法相比，人工湿地具有生态性、景观性、经济性等特点。人工湿地除磷，是在一般的人工湿地系统的基础上，通过人为的控制措施，优化系统达到以除磷为主要目标的废水处理技术。人工湿地是一种自然除磷净化系统，它可通过吸附、络合、化学沉淀、植物吸收

23、和物理沉积等过程将磷去除。技术路线处理工艺比较工艺参数选择湿地类型填料：石灰石与高炉铁渣相比，使用石灰石在经济上具有更多优势，因为北京地区的石灰石来源较广、价格低廉。植物：芦苇最为常用的人工湿地植物；生物量生长迅速、根系发达、除磷效果好；景观效果较好；成本低廉、维护管理简便。工艺参数选择其它参数A A系统湿地系统湿地2 2号人工湖号人工湖1 1号人工湖号人工湖集水池集水池自自流流自自流流溢流溢流循环泵提升循环泵提升流量控制补水流量控制补水浇灌绿地和溢流浇灌绿地和溢流中水中水工艺流程A系统1号和2号人工湖B B系统湿地系统湿地3 3号人工湖号人工湖自自 流流溢流溢流循环泵提升循环泵提升地下水补水

24、地下水补水工艺流程B系统3号人工湖 用于净化以中水为补水水源的南北1号2号池。 潜流湿地、集水池、循环系统、补水系统。 设计循环流量900t/d，补水量15t/d，水力负荷0.58m/d。 三块湿地并联，每块2321m。A系统湿地 用于净化以清水为补水水源的西部3号池。 潜流湿地、循环系统、补水系统。 设计循环流量800t/d，水力负荷1.2m/d。 单块湿地，3520m。B系统湿地工程调试地表水地表水II类类地表水地表水III类类地表水地表水IV类类清水清水本底值本底值中水原水中水原水湿地出水湿地出水垂钓池内垂钓池内T-P（mg/L）0.0250.050.20.0350.30.50.020.

25、020.04COD（mg/L）15152015251515处理效果水质比较0.0%10.0%20.0%30.0%40.0%50.0%60.0%2005年06月2005年08月2005年10月2005年12月2006年02月2006年04月2006年06月2006年08月2006年10月TP 去除率去除率 %处理效果总磷去除率0.0%10.0%20.0%30.0%40.0%50.0%60.0%2005年06月2005年08月2005年10月2005年12月2006年02月2006年04月2006年06月2006年08月2006年10月透明度透明度 提高率提高率 %处理效果透明度提高率工艺A出水口

26、工艺B出水口处理效果湿地出水研究背景主要污染问题技术路线工艺参数选择工艺流程处理效果六、案例六、案例C汉石桥水质改善工程汉石桥水质改善工程汉石桥湿地位于顺义区东部，距顺义城区约13公里，控制流域面积57平方公里。汉石桥湿地是由1958年修建的一座滞洪水库淤积演化而成的，是北京地区湿地系统的重要组成部分，被称为京郊“小白洋淀”。近年来汉石桥湿地正面临着迅速退化的威胁。自1999年以来，由于连年干旱，湿地上游的两条河流已基本断流，湿地物征植物得以生长的区域以及水面面积比以前都有大幅度的缩减。汉石桥湿地周边的杨镇地区的污水一直没有进行处理，直接进入了湿地，成为湿地最大的污染源之一。研究背景一期：65

27、00m3/d（2010年排水量）二期：1.35104m3/d（2020年排水量）位置和水量项目设计进水水质设计出水水质执行（ 城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002一级A标准）CODCr（mg/L）50050BOD5（mg/L）25010悬浮物SS（mg/L）10总氮（以N计mg/L ）40 15氨氮（以N计mg/L ）5总磷（ mg/L mg/L）30.5色度（稀释倍数） 30pH 69进出水水质粗格栅破碎机曝气池曝气计量原水吸水池加压泵过滤潜流湿地Al反洗排水曝气池（WWRR）技术是美国S&R公司基于生态学原理、循环经济思想开发的一种全新理念的污水再生与回用生态技术，

28、具有以下特点：处理过程中无异味产生运行成本低污泥产量少工艺简洁、操作管理简单出水水质好，运行稳定抗冲击能力强运行灵活，处理能力在较大的范围内可调，适合发展中的城市曝气塘工艺人工湿地的进水为再生水厂处理出水，出水水质可进一步改 善 。 在 人 工 湿 地 生 态 系 统 的 自 净 作 用 下 ， 总 磷 可 由0.50mg/L降至0.26mg/L，总磷去除率48%。人工湿地设计进水流量6500 m3/d，自流进水，自流出水。湿地填料采用石灰岩细碎石，算得湿地水力停留时间需2.3d。湿地填料层孔隙率30%，填料体积49,833m3。填料层高1m，湿地填料面积需5.0ha。潜流湿地282178m，

29、有效面积5.02ha，分2块并联，单块141178m。人工湿地设计 人工湿地种植芦苇10.50ha，种植35种精品湿地植物1.73ha，种植面积共12.23ha。 根据植物季相变化，花色和植株形态等进行搭配，并结合游人的观赏路线，对植物种类合理栽植，保证在游览路线上能够观赏到各种植物，让游人既有亲近感，又保护种植区不受破坏。 通过铺装、多品种的水生植物的种植等，强调该区域的游览、观光功能。人工湿地景观效果研究背景水质特点设计原则工艺流程工艺设计效果对比七、案例七、案例D北京会议中心水质改善工程北京会议中心水质改善工程北京会议中心位于朝阳区，是承接驻京各党政机关和北京市委、市政府各类会议的定点场

30、所，是集会议、住宿、餐饮、休闲娱乐于一体的花园式接待单位。北区人工湖，面积约2710m2，平均水深约1.1m，是北京会议中心内重要的景观水体。由于补水水源是南部湖区的劣类湖水，加之人工大量投放鱼食等行为，导致该湖富营养化严重，水华问题突出，急需治理。研究背景水质特点序号项目湖水GB3838-2002 类GB3838-2002 类1CODCr10220302TN5.701.01.53TP1.000.050.14Chla0.596单位：mg/L设计原则p北区人工湖不再出现藻类水华现象，并保持0.8m以上的透明度p具有较好的景观价值，本身可以成为一处新的景观p运行费用低、管理方便快滤池人工湿地人工湖

31、循环泵快滤池设计p设计处理水量40m/h，滤速5m/hp滤料：石英砂p从工作可靠性及运行灵活性、 经济性考虑，分2格设计p絮凝剂：PAC湿地设计p保证处理效果p充分利用场地条件p性质不同城市污水，为循环处理，负荷可适当提高p有预处理（快滤池），可去除部分污染物pTN非关键指标1#水平潜流人工湿地 6502#水平潜流人工湿地 70湿地设计植物考虑北京会议中心人工湿地周围景观、整个湖区植物分布情况以及植物搭配等因素，本工程最终确定在1#人工湿地栽植芦苇，在2#人工湿地栽植美人蕉。湿地设计基质1#人工湿地：砾石2#人工湿地：砾石+钢渣 钢渣主要由钙、 铁、 硅、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物组成。 由于钢渣的化学成分对磷有很好的吸附作用，所以除磷效果优异。而钢渣作为一种冶炼废物，对满足使用条件的地区而言，可能是一种比较适宜的选择。 砾石指的是风化岩石经水流长期搬运而成的粒径为2-60mm的无棱角的天然粒料。 但由于天然砾石资源较少，特别是北京地区，因此有些时候会用人工破碎的石料来代替砾石，效果良好，且价格低廉。治理前治理后研究背景水质特点设计原则工艺流程工艺设计八、案例八、案例E北京大观园水质改善工程北京大观园水质改