河流水体治理技术

河流水体治理技术河流水体生态系统具有自净能力，但当污染物的数量超过其自净容量时，将造成河流生态系统结构的破坏，功能受阻，致使河流生态平衡失调。此时，必须实施污染物综合治理的方法和措施，消除污染物的影响，修复河流水生态系统。一、底泥疏浚1、底泥疏浚是解决河流内源污染的重要措施，它主要是通过底泥的疏挖去除底泥中所含的污染物，清除污染水体的内源，减少底泥污染物向水体的释收，主要适用于富营养化河流的治理。来自于河流与湖库底部沉积物释放的内源污染物质是造成水体污染的主要因素之一。氮和磷元素是水生生态系统中重要的营养限制因子，来自于内源释放的氮磷营养物质对上覆水营养物质的贡献率可以达到甚至超过外源污染的贡献。因此，即使在外源污染得到较好控制时，河流水体中营养物质仍然处于较高水平，致使水体富营养化问题难以得到彻底解决。2、底泥疏浚可以将富含污染物的底泥从水体中永久性去除，能够控制内源污染物的释放或减少污染物生物有效性，因而被认为是河道湖库治理中的重要工程措施而被广泛应用。在外源氮磷营养物质得到有效控制的前提下，底泥疏浚是控制内源氮磷负荷有效的技术手段。3、底泥疏浚技术控制内源污染释放，修复水生生态系统在我国太湖、西湖以及广州等地均有实际应用，并取得了宝贵的实践经验。然而底泥疏浚后新生表层沉积物的物理、化学和生物性质与疏浚的表层沉积物均发生了根本性变化，改变沉积物中微生物群落组成，导致微生物群落功能多样性降低，从而对沉积物中生源要素的循环产生影响。日本的隅田川河和俄罗斯的莫斯科河曾采用污泥疏浚的治理措施，从而使得水质恢复。但底泥疏浚法工程量大，造价高，并需确定合理的挖掘深度和挖泥量，否则容易破坏水生生态系统。4、投放微生物菌种投放到水体中，针对不同的有机物和腐殖质进行消除，淤泥被就地分解成为水和二氧化碳。达到水中无淤泥的效果，自动调节水中新陈代谢，无需额外养分补给和生化调整，在污水中不易发生“DNA”蜕变。最后的目标就是水变清，并且无毒无害，对人的身体健康没有任何影响。生物清淤这种方法比较经济效益，既减少清污费用，又缩短了工期，同时淤泥被分解为水和二氧化碳，不破坏环境，对鱼虾没有副作用。其次是社会效应，关键是杜绝二次污染，不产生任何废弃物和有害物质，也不存在淤泥的转运和堆放问题。二、人工湿地技术1、人工湿地是一种简便有效的生态工程型污水处理技术，具有广阔的应用前景。此技术由于运行简便、管理费用低、无二次污染等优点而得到广泛应用。人工湿地是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统，其设计和建造是通过对湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用的优化组合来进行污水处理。人工湿地污水处理技术是20世纪七八十年代发展起来的一种污水生态处理技术，一般由人工基质和生长在其上的水生植物（如芦苇、香蒲等）组成，是一个独特的土壤（基质）-植物一微生物生态系统。人工湿地净化污水主要机理如下表所示:人工湿地净化污水主要机理物理作用大颗粒物沉降水生植物和生物滤膜对轻颗粒物的过滤通过沉淀或过滤聚集颗粒物以达到去除目的化学反应沉降吸收到基质和腐殖质挥发生物反应微生物降解、有机物质矿化转化作用（硝化/反硝化）从水体直接生物吸收（藻类、细菌生物膜）从根区间接生物吸收（水体生物膜、挺水植物）微生物竞争导致部分病菌死亡（1）SS的去除SS中有有机物和无机物，颗粒的密度和大小变化很大，不同密度、大小的颗粒物具有不同的去除机理和路径。大块物质可通过隔栅去除。部分小颗粒物质可在水解酸化池沉降去除。在人工湿地中SS的去除是相当迅速的物理过程。主要去除机理为沉淀、聚集、表面粘附和过滤等。（2）BOD、COD的去除湿地中的不溶性的有机物主要是通过湿地的过滤作用而被截留在湿地中；可溶性有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物降解过程而被分解去除。生物降解过程主要是通过好氧和厌氧代谢降解，从而降低污水的BOD、COD。（3）氮的去除大多数污水中N是主要成分。N在环境中以多种形式存在，有复杂的循环路径。TN由不同比例颗粒的有机氮、溶解有机氮、氨氮、亚硝态氮和硝态氮°N2和N20在N循环中很重要。矿化、生物吸收、硝化和异化（硝态氮到氨氮DNRA）是使氮的一种形式转到另一种形式的过程，这些过程是物质平衡过程，N在同一个系统内循环，从而致使N从系统中得到去除。大量的研究表明湿地中氮的去除路径主要为生物硝化一反硝化。N在湿地中的主要转化过程如下表所示：氮的主要转化过程过程物质产物矿化有机质氨氮生物吸收氨氮、硝态氮硝化氨氮硝态氮反硝化硝态氮氮气DNRA硝态氮氨氮挥发氨氮+高pH氨气同氮氮气有机氮（4）磷的去除无机磷是湿地植物必需的养分。废水中无机磷在植物吸收及同化作用下可变成植物的ATP、DNA及RNA等有机成分，通过植物收割而去除。物理化学作用包括填料对磷的吸附及填料与磷酸根离子的化学反应，这种作用对无机磷的去除会因填料中Ca和Fe可与P043-反应而沉淀去除P043-因而除磷效果较好的填料非常重要，含钙质或铁质的地下水渗入人工湿地也有利于磷的去除。微生物对磷的去除包括它们对磷的正常同化（将磷纳入其分子组成）和对磷的过量积累。由于植物中植物光合反应、暗反应交替进行，根毛输氧多少的交替出现，以及系统内部不同区域对氧消耗量的差异，导致了系统中厌氧、好氧的交替出现，使磷的过量释放和过量积累得以完成，这是常规二级处理方式所难以满足的。在湿地系统中磷有着一系列的变化形式。如下表所示。磷主要转化过程过程物质产物矿化有机质正磷酸生物吸收正磷酸有机磷吸附正磷酸磷-粘土/金属水化合物沉降正磷酸离散状态磷矿物质脱附磷-粘土/金属水化合物正磷酸2、人工湿地是集废水处理净化功能与景观功能于一体的综合处理系统，当污水通过系统时，其中污染物质和营养物质被系统吸收、转化或分解，从而使水质得到净，运行简单，操作自动化程度高。3、从工程实用的角度出发，按系统布水方式的不同或水流方式差异一般分为自由表面流人工湿地和潜流型人工湿地。（1）自由水面系统自由水面系统的污水从系统表面流过，水深较浅（一般在0.H）.6m）,氧通过自由扩散补给。进水中所含的溶解性和颗粒性污染物与系统介质和植物根系接触。常用的植物包括香蒲、芦苇、慈姑、莎草等。与潜流型系统相比，其优点是投资省，缺点是负荷低。北方地区冬季表面会结冰，夏季会滋生蚊蝇、散发臭味，目前已较少采用。（2）潜流系统在潜流系统中，污水在湿地床的表面下流动，一方面可以充分利用填料表面生长的生物膜、丰富的植物根系及表层土和填料截留等作用，提高处理效果和处理能力；另一方面由于水流在地表下流动，保温性好处理效果受气候影响较小，且卫生条件较好，是目前国际上较多研究和应用的一种湿地处理系统，但此系统的投资比自由水面型系统略高。三、水生生物群落恢复技术1、河流水体生态系统的生物群落恢复包括水生植物恢复、底栖动物恢复、浮游生物恢复、鱼类恢复等。在河流水体污染得到有效控制以及水质得到改善后，生物群落的恢复就变得相对容易，可以通过自然恢复或进行相应的人工强化，必要时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发挥多种作用。通过自身生长代谢可大量吸收氮、磷等营养物质，植物光合作用增加水体溶解氧，同时，一些物种还可以富集重金属或吸收、降解某些有机污染物。水生植物通过促进微生物的代谢，使水中大部分可生物降解的有机物得到降解，同时抑制藻类的生长，从而控制水体富营养化，利用植物及共存微生物体系去除环境中的污染物。据文献研究，通过在水体中种植水生植物，利用植物的吸收、挥发、过滤、降解、稳固等作用，可以将水中有机和无机污染物进行有效的去除，达到净化水质的目的。3、在河流生态系统中，原生及后生微型动物、底栖动物能够吞食藻类、细菌及部分悬浮状有机物，可防止藻类、细菌过度增殖，加速污染河流水质净化，同时自身又是良好的鱼饵。杂食性鱼类（如鲤鱼、鲫鱼）捕食水中的食物残屑和浮游动物；滤食性鱼类（如鲢、鳙）和草食性鱼类（如草鱼）等的滤食活动及生理代谢，促进了氮磷的释放，有利于浮游植物的大量繁殖，同时能够控制藻类的过度增殖，防止水华。例如田利等人通过在富营养化水体中放养鲢鱼、芦台鱼的试验表明在一定密度下放养滤食性鲢鱼可以有效地起到控制富营养化水体中藻类生长的作用；李传红通过选择在惠州南湖进行鲤鱼围隔实验和去除鱼类的全湖实验，以鲤鱼对南湖底质扰动所造成的沉积物再悬浮为核心，首次较为系统地研究了鲤鱼对湖泊营养盐水平、浮游植物生产力、浮游动物种类组成和数量等方面的生态效应，探讨了底栖性鲤鱼在热带浅水富营养化湖泊生态系统的作用，试验结果表明了鱼类对水体中的TN和TP有一定的去除效果。四、漂浮型人工湿地1、漂浮型人工湿地也称移动式人工湿地或人工浮岛技术，广泛适用于河湖的深水、浅水区域。该装置利用陶粒、生物碳等填料作为浮体，和水生植物构成可移动的人工湿地，克服了常规湿地和浮岛的种种缺陷。2、漂浮湿地独特的结构设计，可使能培植的植物类型多样化，挺水、浮水、沉水和陆生植物都能适应；漂浮湿地的浮体填料和种植管里水体修复药剂增强了治理污染水体的效率。3、技术特点：（1）建立生态岛:漂浮湿地独特的透气构造孔便于各种植物生根;（2）脱氮除磷：利用漂浮湿地上的功能植物，吸收和去除水中的N、P等富营养化物质；（3）景观功能：可根据污染水体治理要求不同，选择不同植物，也可以进行轮种和套种，形成立体种植、四季种植，景观效果四季延续；（4）水质改善：植物、浮体填料、水体修复药剂共同作用，促进悬浮物沉降，削减污染物含量，抑制浮游藻类生长；（5）消浪护岸：通过消浪作用稳定湖滨带，形成有利于水生植物恢复的相对的静水环境；（6）造型组装：结构新颖，植物造型与色彩可随意组合，便于管理；（7）重复适用：漂浮湿地单元具有防腐抗氧化特点，使用寿命为7-8年。4、作用机理：（1）漂浮湿地上功能植物的根系增加了水体与氧的接触面积，加强了水体氧化能力，净化水质，同时根系释放出能降解有机物的分泌物，可加速降解有机污染物的分解；植物对水体中N、P营养物及其相应的营养盐（硝酸盐和磷酸盐）的吸收、吸附，在光合作用和呼吸作用下，转化为植物机体的一部分，带走水中的污染物质。（2）由于浮体填料作为载体，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。其反应过程是：①基质向生物膜表面扩散，②在生物膜内部扩散，③微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应，④代谢生成物排出生物膜。（3）种植管里的水体修复药剂，可根据污染水体的不同治理要求，配制菌剂来修复水体，以光合菌群和酵母菌群为主导，协同其他土著菌群共同作用，氧化、还原等途径，增加水体溶解氧含量，分解氧化有机物，除臭去污。五、曝气增氧技术耗氧有机污染物、营养物等消耗水体中大量溶解氧，导致水体复氧来不及补充，水体的溶解氧急剧下降，甚至消耗殆尽，有机物不完全分解和大量有毒物质的释放，使水生生态系统遭到严重破坏，水质恶化，出现水体黑臭现象，无法自行恢复，河流水体失去自净能力。利用人工曝气增氧，能够极大增加河流溶解氧，有助于河流微生物区系由厌氧向好氧转化，加速了好氧微生物的增殖，提高水体中的COD、BOD、N、P等污染物质的好氧降解；另一方面刺激河道藻类生长，并形成河流水体藻类自然复氧机制，消除水体黑臭。人工曝气复氧能保证水体的好氧环境，提高水体中好氧微生物的活性，可达到消除黑臭，减少污染负荷，维持生态净化系统的结构稳定和最大净化功能，促进水生态系统的恢复等目的［l8］国内外采用的人工曝气复氧技术主要有纯氧增氧系统、鼓风机-微孔布气管曝气系统、叶轮吸气推流式曝气器和水下射流曝气等设备。六、微生物修复技术微生物作为生态系统中的分解者，对污染物的去除和养分的循环起着很重要的作用，是河流生物修复技术的核心。当前河流微生物修复过程中使用较多的微生物制剂是利用微生物生命过程中的代谢机理，将污水中的有机物分解成为简单的无机物，从而去除有机污染的过程。微生物制剂是由几十种具备各种功能的微生物组成的一个良性循环的微生物生态系统，主要包括了光合菌、乳酸菌、放线菌、酵母菌等，构成了功能强大的菌团”。其作用原理是利用菌团”含有的微生物唤醒或激活河道中、污水中原有存在的可以自净的，但被抑制而不能发挥其功效的微生物。通过他们的迅速增殖，强力地钳制有害微生物的生长和活动，进而分解水中的有机污染物，促进氮的反硝化作用，加速磷的无害化，并锁定水体中的重金属元素。七、生物膜法处理技术1、河流中水生植物、沙石和沉积物表面通常生长有一层对有机污染物有降解净化作用的生物膜凋丛生物，主要由藻类、细菌、原生动物等组成。为了强化周丛生物对河水中有机污染物的去除作用，可以用人工水草、生物栅和生态砖等作填料，在河道内构筑渗流生物膜净化床。渗流生物膜净化床因填料材料和粒径的不同，除了生物降解有机物外，还可能产生物理吸附、沉降，过滤等作用，去除悬浮物和氮、磷、重金属等。净化床可选择易被微生物附着的废砖块、废陶或沸石等功能填料。采用独特的生物填料作为微生物生存的载体达到强化河道水质净化的目的。利用该类载体作生物填料，在生物填料的表面和里面通道都可以长出致密的生物膜，给微生物提供巨大的生存空间，增加生态区好氧菌的数量，加快载体附着微生物的生长繁殖和新陈代谢，提高处理效率，缩短处理时间。2、砾石间接触氧化也使用生长在砾石表面上的生物膜过滤。砾石接触氧化的基本原理是生物氧化净化和沉淀去除悬浮物净化。3、人工水草是对现有的多孔高分子材料进行改性、比选、优化而成。多孔材料除了具有很大的比表面积外，还带有正负表面离子。材料来源丰富，价格低廉，环境安全性好。4、原位水质改善技术，尤其适合富营养湖泊水质的改善。对富营养水体进行的小、中试结果表明：水质改善效果显著，见效时间短，布放人工水草一周左右，水体透明度显著提高，水体叶绿素水平显著降低，水体景观质量得到明显改善。人工水草生产、布放及使用全过程，安全性好；其生产原材料来源丰富，价格低廉，生产、布放及维护都很简单，可以说是免维护