受污染水体的生物-生态修复技术 当前位置:首页环境修复
 

1  概述

对受污染的江河湖库水体进行修复,已是社会经济发展及生态环境建设的迫切需要。特别是南水北调东线沿线的治污工程,量大面广,寻找先进实用、造价低廉的技术迫在眉睫。

我国的江河湖库水体污染主要包括氮磷等营养物和有机物污染两方面。另外,湖泊水库蓝藻及赤潮给水域生态、人体健康也造成了严重危害。对于富营养化的控制,发达国家以控制营养盐为主,大多采取“高强度治污-自然生态恢复”的技术路线,即控制外源磷污染负荷并配合生态恢复措施,在这方面已经取得较大成效。

去除藻类与控制其生长是湖泊水库水体恢复与保护的难题。目前国际上采用的技术主要有三类:1〕化学方法:如加入化学药剂杀藻、加入铁盐促进磷的沉淀、加入石灰脱氮等,但是易造成二次污染;2〕物理方法:疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等,但往往治标不治本;3〕生物-生态方法:如放养控藻型生物、构建人工湿地和水生植被。开发生物-生态水体修复技术,是当前水环境技术的研究开发热点。实际上,大自然在发展变化的长期过程中,本身已经具备了自我净化、自我完善的强大能力,使得自然界得以持续而有序地运行。其中水体的自然生物净化能力,在人类出现之前的远古时期,就保证了自然界江河湖泊的水体洁净。目前开发的水体生物-生态修复技术,实质上是按照仿生学的理论对于自然界恢复能力与自净能力的强化。可以说,按照自然界自身规律去恢复自然界的本来面貌;强化自然界自身的自净能力去治理被污染水体,这是人与自然和谐相处的合乎逻辑的治污思路,也是一条创新的技术路线。

生物-生态污水处理技术,是利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动,对水中污染物进行转移、转化及降解作用,从而使水体得到净化的技术。近年来这种技术发展很快,在国外已经达到工程实用化的程度,并且积累了系列观测数据。水体的生物-生态修复技术具有以下优点:首先是处理效果好。其次,生物-生态水体修复的工程造价相对较低,不需耗能或低耗能,运行成本低廉。所需的微生物具有来源广、繁殖快的特点,如能在一定条件下,对其进行筛选、定向驯化、富集培养,可以对大多数有机物质实现生物降解处理。另外,这种处理技术不向水体投放药剂,不会形成二次污染。所以,这种廉价实用技术十分适用我国江河湖库大范围的污水治理工作。用生物-生态方法治污,还可以与绿化环境及景观改善相结合,在治理区建设休闲和体育设施,创造人与自然相融合的优美环境。

2  主要处理工艺方法

生物处理技术包括好氧处理、厌氧处理、厌氧-好氧组合处理;利用细菌、藻类、微型动物的生物处理;利用湿地、土壤、河湖等自然净化能力处理等。以下重点介绍几种针对江河湖库污染大水体的修复技术。

2.1  生物膜法处理技术

生物膜法是指用天然材料(如卵石)、合成材料(如纤维)为载体,在其表面形成一种特殊的生物膜,生物膜表面积大,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。生物膜法具有较高的处理效率。它的有机负荷较高,接触停留时间短,减少占地面积,节省投资。此外,运行管理时没有污泥膨胀和污泥回流问题,且耐冲击负荷。

主要工艺方法有生物廊道、生物滤池、生物接触氧化池等。生物膜法对于受有机物及氨氮轻度污染水体有明显的效果。日本、韩国等都有对江河大水体修复的工程实例。

2.2  人工湿地处理技术

人工湿地是近年来迅速发展的生物-生态治污技术,可处理多种工业废水,包括化工、石油化工、纸浆、纺织印染、重金属冶炼等各类废水,后又推广应用为雨水处理。这种技术已经成为提高大型水体水质的有效方法。人工湿地的原理是利用自然生态系统中物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化。这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中,由土壤和填料(如卵石等)混合组成填料床,污染水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动,或在床体表面流动。在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物(如芦苇等),形成一个独特的动植物生态环境,对污染水进行处理。

人工湿地的显著特点之一是其对有机污染物有较强的降解能力。废水中的不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用,可以很快地被截留进而被微生物利用;废水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解去除。随着处理过程的不断进行,湿地床中的微生物也繁殖生长,通过对湿地床填料的定期更换及对湿地植物的收割而将新生的有机体从系统中去除。

湿地对氮的去除是将废水中的无机氮作为植物生长过程中不可缺少的营养元素,可以直接被湿地中的植物吸收,用于植物蛋白质等有机氮的合成,同样通过对植物的收割而将它们从废水和湿地中去除。人工湿地对磷的去除是通过植物的吸收,微生物的积累和填料床的物理化学等几方面的共同协调作用完成的。由于这种处理系统的出水质量好,适合于处理饮用水源,或结合景观设计,种植观赏植物改善风景区的水质状况。其造价及运行费远低于常规处理技术。英、美、日、韩等国都已建成一批规模不等的人工湿地。

2.3  土地处理技术

土地处理技术是一种古老、但行之有效的水处理技术。它是以土地为处理设施,利用土壤-植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能,达到某种程度对水的净化的目的。土地处理系统可分为快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、湿地处理等几种形式。国外的实践经验表明,土地处理系统对于有机化合物尤其是有机氯和氨氮等有较好的去除效果。德、法、荷兰等国均有成功的经验。

3  国外工程实例

3.1  日本坂川古崎净化场

位于日本江户川支流坂川古崎净化场,是采用生物-生态方法对河道大水体进行修复的典型工程,从1993年投入运行至今已有8年的运行历史,观测结果表明,河道的微污染水体的水质有了明显改善。

江户川是日本东京都和千叶县附近的主要河流,是这个地区的主要水源,从河道中引出70m3/s的流量为城市、农业、工业供水。其中城市供水占60%。靠江户川下游的金町、古崎和栗山三个水厂要为630万人供水。坂川是江户川的一条支流,在金町等三个水厂上游附近汇入江户川。由于坂川河道治理不力,大量生活污水排入坂川,致使水质恶化,BOD等指标严重超标,同时浮游植物繁殖迅速。坂川水质恶化,直接对金町等三个水厂构成威胁,居民对饮用水味道不佳多有怨言。为治理坂川,采取工程设施将坂川改道,先流入古崎净化场。经过古崎净化场后,坂川的污染减少了60-70%,处理过的河水流入称为松户川的新开人工渠道,然后注入江户川。

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图1 古崎净化场地下廊道

图中:1—输水道;2—通气管;3—进水输水渠;4—整流水渠;5—整流墙;6—扩散曝气管;
7—卵石;8—排水渠;9—管道;10—江户川河;11—河漫滩;12—堤防。

古崎净化场是一座利用生物-生态水体修复技术的水净化场。其原理是利用卵石接触氧化法对水体进行净化。古崎净化场建在江户川的河滩地下,充分节省了土地,是地下廊道式的治污设施(图1)。水净化场结构十分简单,主体结构是高4.5m,长28m的地下矩形廊道,内部放置直径15-40cm不等的卵石。用水泵将河水泵入栅形进水口,经导水结构后水流均匀平顺流入甬道。另外有若干进气管将空气通入廊道内。净化作用主要由以下三方面组成:1〕接触沉淀作用:污水经过卵石与卵石间的间隙,水中的漂浮物触到卵石即沉淀;2〕吸附作用:由于污染物自身的电子性质,或由于卵石表面生物膜的微生物群产生的黏性产生吸附作用;3〕氧化分解作用:卵石表面形成一种生物膜。生物膜的微生物把污染物作为食物吞噬,然后分解成水和二氧化碳。表1列出了几项污染主要指标,其中BOD反映有机物的含量。SS反映浮游于水中的固体物,造成水体浑浊。由于该地区的市镇下水设施落后,造成粪便及生活污水排入河道是产生氨的主要原因。2-MIB反映水中蓝藻类物质,蓝藻类异常繁殖是造成水体腐臭的主要原因。由表1可以看出,通过净化场后,水质明显提高,效果十分显著。

表1 水质变化情况

 

BOD
mg/l

SS
mg/l


mg/l

2-MIB
μg/l

处理前

23

24

7.6

0.55

处理后

5.7

9.1

2.2

0.22

坂川的河水经改道注入古崎净化场后,清洁的水流入新开的人工渠道-松户川。其设计理念颇有新意,它一改传统设计形式,不采用混凝土或砌石衬砌的直线渠道,而以微弯曲的河道形态,岸坡间有大小卵石,植有繁茂的芦苇和其他植物,适于鲫鱼、鱂鱼等鱼类生长,两岸种植树木,适于鸟类栖息。设计者认为这种环境不但可以为居民提供一个与自然相融合的休闲环境,而且对水体也能起进一步的净化作用。 松户川注入江户川后,大大缓解了江户川的环境压力。在江户川和坂川的控制部位,设置了水量及水质自动监测站,数据通过光缆传输到古崎净化场的操作室,特别是一旦发生水质事故可及时发现处理。

3.2  日本渡良濑蓄水池的人工湿地

渡良濑蓄水池位于日本栃木县,是一座人工挖掘的平原水库,总库容2640万m3,水面面积4.5km2 ,水深6.5m左右。这座蓄水池平时为茨城县等六县市64万人口供水,日供水量21.6万m3。蓄水池周围是渡良濑川的滞洪区,汛期时洪水由溢流堤流入蓄水池,此时蓄水池用于调洪,提供调洪库容1000万m3

由于近年来上游用水造成生活污水以及含氮、磷的水流入,致使渡良濑蓄水池出现霉臭等水质问题。为保护蓄水池的水质,自1993年起在蓄水池一侧滞洪洼地上建人工湿地,这是一座设有人工设施的芦苇荡。将蓄水池的水引到芦苇荡,通过吸附、沉淀及吸收作用,去除水中的氮、磷及浮游植物,达到对水体进行自然净化的目的。这种净化过程循环进行,确保蓄水池水质洁净。这种净化方式类似医学对病人血液体外透析处理。芦苇具有十分好的净化功能,污染物与其茎部接触产生沉淀作用,芦苇的根部与茎部可吸收某些污染物。另外,附着在茎部上的微生物可对污染物产生吸附分解作用。

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图2 渡良濑蓄水池人工湿地平面图

    图中: 1—渡良濑蓄水池;2—蓄水池泵站;3—橡胶坝;4—旁通水渠;5—地下水渠;6—连接渠;7—调节渠;8—取水泵站;9—进水渠;10—荻草荡;11—芦苇荡净化设施;12—出水渠;13—集水池;14—芦苇荡泵站;15—北闸。

人工湿地的平面布置见图2。在蓄水池出水口建高3.5m、宽40m的充气式橡胶坝,用以控制出水口。水流经引水渠到达设于地下的泵站。其所以设于地下,是为满足景观的要求。泵站安装单机流量为1.25m3/s的两台水泵,水体加压后流入箱形涵洞,再流入芦苇荡。芦苇荡占地20hm2,最大净化水体能力为2.5m3/s。芦苇荡分为3个间隔,水流通过33个挡水堰流入。水流在芦苇荡中蜿蜒流动,以增加净化效果,遂从33处出口汇入集水池,再由渡良濑蓄水池的北闸门回到蓄水池,完成一次净化循环。人工湿地内主要种植芦苇,高2-3m,可收获用于编苇帘。此外,还种植同属稻科的荻,高度为1.0-2.5m。自1993年开始建设人工湿地,不只水质得到改善,动植物的生态系统也得到极大改善。生物多样性有所恢复(见表2)。

表2 治理前后动植物种类变化

 

植 物

昆 虫

鸟 类

1993

31科,104种

19科,45种

18科,22种

1998

45科,166种

45科,116种

25科,50种

渡良濑人工湿地的人工植被从陆地到水面依次为:杞柳(水边林)-芦苇、荻、蓑衣草(湿地植物)-茭白、宽叶香蒲(吸水植物)-荇菜、菱(浮叶植物),形成了一体的生态空间。渡良濑人工湿地已经成为日本最大的芦苇荡,也成为对居民、儿童进行环保及爱水教育的场所,组织学生进行自然观察。在这里可以看到绿头鸭、针尾鸭等禽类及芦燕、白头鹞和鸢等鸟类。

为净化渡良濑蓄水池的水体,还在蓄水池中部建一批人工生态浮岛,种植芦苇等植物,其根系附着微生物,可提供充足氧气,并通过迁移、转化水中的氮、磷等物质,降解水中有机质。浮岛还设置为鱼类产卵用的产卵床,也为小鱼设有栖身地,水中的浮游植物成了鱼饵。人工生态浮岛保证了蓄水池水质的洁净。

3.3  韩国良才川水质生物-生态修复设施

良才川是汉江的一条支流,位于汉城的江南区。由于河流地处住宅区加之治理不善,良才川的水质受到较大污染,也影响了汉江的水质。1995年起决定主要采用生物-生态方法治理良才川。

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图3 良才川净化设施立体图

    图中:1—橡胶坝;2—污水进水口;3—污水闸板;4—拦污栅;5—自动水位探测计;6—进水自动阀;
7—污物滤网;8—污水进水管;9—污水孔墙;10—接触氧化槽中的卵石;11—清水孔墙;12—出水自动阀;
13—清水出口;14—清水出水管;15—残渣去除设施;16—通气管;17—检查水管入口;18—盖子;19—鱼道。

水质净化设施主体是设于河流一侧的地下生物-生态净化装置(图3)。采用卵石接触氧化法。即强化自然状态下河流中的沉淀、吸附及氧化分解现象,利用微生物的活动将污染物转化为二氧化碳和水。净化设施日处理能力为32000吨/日。净化的工作流程如下:拦河橡胶坝(长18m,高1m)将河水拦截后引入带拦污栅的进水口,水流经过进水自动阀,经污物滤网进入污水管,污水管连接有4座污水孔墙,污水孔墙两侧各有一座接触氧化槽,共有8座。接触氧化槽长20m、宽13.6m、高14.8m。污水从孔墙的孔中流入接触氧化槽,氧化槽中放置卵石,污水通过氧化槽得到净化后分别流入4座清水孔墙,再汇集到清水出水管中,由清水出口排入橡胶坝下游侧。污水在接触氧化槽内被净化产生的主要作用是:接触沉淀作用、吸附作用和氧化分解作用。与上述日本古崎净化场相比,这种净化装置的重要优点是几乎不耗能,所以运行成本很低。

韩国良才川水质生物-生态修复设施建成至今已6年,治污效果显著。表3为治理前后的对照,说明对BOD和SS的处理率达70-75%。

表3 良才川治污效果对照

 

处 理 前

处 理 后

处 理 率

BOD

10-15mg/l

4-5mg/l

75%

SS

20mg/l

6mg/l

70%

除接触氧化槽以外,良才川的环境治理工程还包括恢复河流自然生态的方法,即用石块、木桩、芦苇、柳树等天然材料进行护岸,形成类似野生的自然环境,同时种植菖蒲等植物,恢复鱼类栖息环境,适于鳜鱼等鱼类生长,也为白鹭、野鸭等禽类群落生存创造条件,又开辟散步、自行车小路和木桥等,为居民提供与水亲近的自然环境。  

附图1:日本坂川古崎净化场平面图

附图2:日本渡良濑蓄水池的人工湿地 

附图3:韩国良才川水质生物-生态修复设施平面图 

附图4:韩国良才川水质生物-生态修复设施橡胶坝