典型水环境治理的生态技术-讲稿

我国水量分布不均, 南方水多, 北方水少, 全国669 座城市中, 有400 座城市缺水, 180 座严重缺水。城市日缺水达到1 600 万m3。随着我国经济的高速发展, 水污染问题也变得更加尖锐。废水排放量2003 年就达到460 亿t, 其中主要污染物COD 为1 333. 6 万t, 超过环境容许量68%。国家环保总局的监测表明, 7 大水系741 个重点监测断面中, 29. 1%的断面满足Ⅰ ~ Ⅲ类水质要求, 30. 0%的断面属Ⅳ、Ⅴ 类水质,40. 9% 的断面属劣Ⅴ类水质。水污染给全国的工业、农业和人体健康等带来严重的不利影响, 造成的经济损失也是巨大的。

因此污水处理等技术受到推广。但是现有技术存在的问题：

近几十年来, 污水处理技术无论在理论研究还是在应用方面, 都取得了一定的进展。由于国内脱氮除磷技术一直不够成熟, 因此受传统治理技术和设计理念的束缚, 在对象生活污水这类有机污水的治理上, 许多设计单位和成套设备制造商只重视COD、BOD5 等有机污染物的去除, 而忽视了脱氮除磷。 随着污水成分的日趋复杂和人们环保意识的逐渐增强, 三级处理和深度处理污水厂也在很多城市兴起。同时, 随着研究的逐步深入, 新工艺、新技术大量涌现, 如在污水生物处理领域, 出现了AB 法工艺、间歇式( 序列式) 活性污泥法、脱氮除磷的A/ O 系统、同步脱氮除磷的A/ A/ O 系统、氧化沟系统等。

AB 法工艺、间歇式( 序列式) 活性污泥法、脱氮除磷的A/ O 系统、同步脱氮除磷的A/ A/ O 系统、氧化沟系统等。这些新工艺新技术的研究与应用, 在很大程度上缓解了水环境的污染。由于要达到较高的处理效果, 导致现有的技术设备一般都存在投资高、处理成本高等问题, 从而影响了整个处理系统的运行。因此如何优化组合工艺, 采用新技术, 降低成本,增强处理效果, 应用经济适用的/ 三低一少0 ( 投资低, 运行费低, 管理要求低, 废泥量少) 的污水处理新技术成了水环境治理的一个新课题。

( 1) 着眼于水环境整体。治理水环境要从整个水环境健康角度考虑[ 1] 。传统的水利用循环过程存在一定的弊端: 首先花费大量的处理成本修建污水收集系统, 并且会消耗大量的提升能耗、处理费用; 第二, 由于跨区域收集污水, 会造成区域水量的不平衡, 例如有的区域, 由于大范围地使用地下水作为水源, 又不进行回灌, 最终导致很多地方出现地陷现象; 第三, 由于目前常规的二级处理不能有效地去除氮磷等营养元素, 会导致受纳水体出现富营养化, 太湖、滇池、环渤海湾的藻类滋生就是很好的例子。只有从地表水、地下水, 生活污水、生产废水、雨水径流, 自然循环、社会循环等多方面综合考虑才能彻底改善水环境质量。 ( 2) 维持水环境良性循环。水是可以再生、循环利用的自然资源,水的自然循环和社会循环交织在一起, 水的社会循环依赖于自然循环, 又对水的自然循环产生影响。如果在水的社会循环中, 注意遵循水的自然循环规律, 重视污水的处理程度, 使得排放到自然水体中的再生水能够满足水体自净的环境容量要求, 就不会破坏水的自然循环, 从而使自然界有限的淡水资源能够为人类重复地、持续地利用。

控制水污染的生态技术方法

将控制水体污染的生态技术按使用场所来划分：有用于流域的，也有直接用于湖泊

和水库的。

最重要的流域水质管理手段其实不外乎在工业企业内部进行污染的源头控制，因为

污染意味着物质和能量的耗散，阻止耗散是最直接的手段。控制污染的第二步才是在流域内采取措施限制污染扩散。近年来提出了两类控制污染很有效的生态工艺：一是湿地(wetland)，用于减轻多种水体污染；另一类是预集水(pre-impoundment)，主要用于聚集污水中的磷 造成水体富营养化的主要物质。

1) 湿地

流域内的湿地，特别是那些与湖泊和水库相连的湿地，都具备直接或间接调节水质

和水量的功能，包括：

·湿地能涵养水源，又能削减洪峰和暴雨径流造成的严重的污染负荷；

·湿地能作为下游水体的缓冲区，富集来水的重金属，降低下游的氮、磷负荷；

·在湿地中，反硝化进行得比较活跃，这有利于脱氮。湿地还能杀灭病原体，降解

毒物；

·湿地是鱼类、水生鸟类等进行捕食和产卵活动的主要区域，它保持了生物的多样性；

·湿地能调节小气候。

人工湿地对废水的处理综合了物理、化学和生物的3 种作用。湿地系统成熟后, 填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时, 大量的SS被填料和植物根系阻挡截留, 有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被除去。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放, 使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态, 保证了废水中的氮磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收, 而且还可以通过硝化、反硝化作用将其除去, 最后湿地系统更换填粒或收割栽种植物将污染物最终除去。 现状:人工湿地需耗费一定建设资金，但去除污染的效率较高；自然和半自然的湿地经过所费不多的改造，也能有效地改善水质。目前世界上有数千湿地类型的处理系统在运转，关于湿地的建设管理，目前已有较多的报道。就我国而言，系统化的研究还较少，亟需继续论证其技术经济可行性，以利于下一步的试点推广工作。

②预集水是指在河流汇入大型湖库的入口处建设小型湖库，发挥小型湖库截留磷的功能，降低主要湖库的富营养化。人们在湖库建设中认识到，湖泊水库对磷和其他一些污染物质的截留能力非常强。以流入湖泊的磷为基准，平均有66％的总磷可被

截留。该方程说明，在以天表示的水力停留时间(RT)较小时，总磷的截留率(RTP)也很小，但随着RT 的增加，RTP 增加得很快。当水力停留时间超过100 天时，水库截留的总磷平均为75％，其变化范围为50％～95％，可见，这一截留率相当可观。

通过预集水来决定最优的磷截留，其工程实施方法国外在80 年代初就有报道。在湖

库入口处建小型水坝蓄水是较典型的做法，条件是要有足够的用地和估计恰当的容积，以获得最高的截留率。

在整个流域内控制污染未必会见成效，特别在中国这样的发展中国家，经济

建设的渴求往往要压倒环境保护的需要，部门、地区的局部利益驱动，又会使全流域的环境管理难以实施，所以，仍然必须采取一些技术手段进行所谓的“尾端”治理，减轻污染对水环境的影响，这些措施可统称之为湖内管理。有些方式属于应急性的，可能会产生新的污染问题，例如，往湖水中加入某些物质，如含铜化合物，以去除蓝绿藻产生的水华，而一旦铜在底泥内积聚，处在食物链末端的人类就非常危险。由于水文气象条件的变化，湖库长期的有机物质循环，同一水体每年的状况不尽相同，管理决策中还需合理修正相关数学模型。归纳一下，湖内管理主要有以下几种方法：

·减少藻类的生物量；

·增加均温层（下层滞水带）的氧浓度；

·抑制底泥中磷的释出；

·保持湖水中较低的铁、锰浓度。具体到所采用的技术措施，有以下几种：

A：生物治理

生物治理这一概念是由Shapiro 1982 年提出的，其理论在50～60 年代就已由捷克的Hrb·cek 等人建立。这一方法的基础是当代湖沼学中所谓由上至下的控制，这一控制本质上是生态系统内自然的、内部的控制，它注重研究水生生态系统内非生命控制变量与各种水生生物的相互作用关系。传统湖沼学的控制类型是由下向上的控制。其思想是：光照、温度和营养物质这一类非生命要素对水基生产过程的最低一级即藻类和大型水生植物有决定性影响，因而控制要由低级的营养结构向高级的营养结构发生作用，从浮游植物向以之为食的有机体－浮游动物 作用，而浮游动物又是以之为食的鱼类生长的关键因素，这类鱼又决定了食肉鱼类的生长、繁育，这是一条水生生态系统的食物链。生物理的本质还是食物链控制，其原则是保证以浮游动物为生的鱼类有充足的食物供应。也即，各种属的浮游动物在湖沼中良好繁育，数量上的优势可有效控制浮游植物孳生，防止水华蔓延。当以浮游动物为食的鱼类过度繁育时，开始出现发育迟缓的现象（种群数量达大，增长变缓慢）。同时食物供应开始不足，浮游动物数量减少；另一方面小型的浮游动物由于数量多、个体小，要摄取比大型浮游动物多得多的食物，造成大型浮游动物在竞争中处于劣势，导致其种群迅速减少甚至灭绝，这样一来，浮游动物的种群结构遭到破坏，就难以有效地控制食物链下一级 浮游植

物的生长，致使藻类孳生。可见，要调节浮游动物和以之为食的鱼类的数量平衡，关键还在于恰当调控湖沼中鱼类的组成，即湖沼中食肉鱼类的种群良好繁育，能够适时地减少以浮游动物为食的鱼类的数量，从而保证浮游动物的生物量。生物治理的控制是从鱼类开始的，所以是由上向下的控制链。

通过控制鱼类的组成来实现对浮游植物的控制，目前常采取两类措施：

·暂时性地灭除由于过度繁盛而发育迟缓的鱼类，通常可投加鱼藤酮类(rotenone)致毒剂灭除，或在冬季冰冻的湖库中有计划地杀灭；

·连续投放食肉鱼种，捕杀非食肉性鱼种。

生物治理是一种新颖的工艺，对它的研究尚不十分成熟。众多学者的研究认为，生

物治理方法适用于中营养化的浅层湖泊，对水深较大，严重营养化的湖泊，实施较为困难。实际上，生物治理是一种非稳态工艺，不应把它当作日常的操作，而应通过常规的脱磷除氮工艺来巩固和维持其效果。 生物治理方法的优点除了费用低廉外，最突出的特点还在于它纯粹借助自然的自适

应机制，不需任何化学制剂和机械外力，而且兼顾了水产养殖和水体保护两方面的要求，它唯一耗费的是人力。该技术的缺点是要求对鱼类数量和种类进行长期的连续的控制，因为富营养化湖泊往往伴有鱼类种群单一，过度繁殖的问题，所以实施过程中必须要求尽可能少地捕捞食肉鱼类，控制投加非食肉鱼种。

2) 破坏湖水的分层

湖库水由于冷热不均，自然条件下会发生分层。湖下层指接近湖底的水体，氧浓度

较低，温度在一定深度内保持恒定，因此常称均温层。均温层水体在缺氧条件下，底泥中的磷、铁、锰容易释放出来，造成较高的环境浓度。而接近湖面的水体因阳光能穿透，温度变化较明显，也称透光层或变温层。这一层藻类容易聚集繁育。湖库水分层后，变温层湖水藻类大量繁殖，阻止了深层湖水的复氧，使水体分解有机污染物的能力下降，水质恶化加剧。目前已开发出一些工艺来防止湖水分层。例如，采用专门的扩散器向湖底均温层鼓入压缩空气或纯氧，提高底层水的氧浓度，减缓底泥向水中释放磷、铁等营养物；通过人工强化湖水的对流来促进各层

湖水的混合，防止藻类的透光层中积聚，为鱼类创造良好的环境条件。对流还有一个目的，就是阻止pH 值的升高，因为pH 值高时，危害较大的蓝绿藻繁殖迅速，而毒性较轻的绿藻在pH 值低时数量要占优势。不论是均温层曝气还是人工对流，均需

消耗一定机械动力，这是它们的缺点。

3) 入流污水的扩散

典型做法是在湖库沿岸建污水截留管，将污水截留至湖库下游水质、水力条件较好

的河流，或在对营养化不如湖库敏感的受纳水体处排放。理论上讲，这只是将污染转移了，但对保护易发生富营养化和一旦受污不易恢复的湖库来说，也是一种行之有效的解决办法。

4) 均温层湖水的吸出

波兰湖沼学家Olszewski 1961 年曾提出过一种暂时去除水质较差的均温层湖水的方法，即将这层湖水吸出。这一层湖水体积相对较小，但磷、铁、锰含量高，对湖库的水质有决定性影响。可选取低于湖库水面的洼地将这层湖水用虹吸管排除，之后单独对其进行处理。

湖滨带是水陆生态交错带的简称, 是指介于湖泊最高水位线和最低水位线之间的水、陆交错带, 是湖泊水生生态系统与湖泊流域陆地生态系统间一种非常重要的生态过渡带。湖滨带的构造如图2[ 3] 。

湖滨带在涵养水源、蓄洪防旱、促淤造地、维持生物多样性和生态平衡以及生态旅游等方面均有十分重要的作用, 是湖泊天然的保护屏障, 也因此被称之为湖泊的肝脏0 , 是健康的湖泊生态系统的重要组成部分和评价标志。利用湖滨带, 在水底铺垫一定数量的酶促填料与吸附填料, 构建一个由多种群水生植物、动物和各种微生物组成并具有景观效果的多级天然生物生态污水净化系统, 对湖水和雨水径流进行生物与植物净化, 净化后的水直接进入湖泊主体, 有效地去除了湖体内的富营养元素, 并可以防止雨水径流造成的面源污染。国内有学者在太湖梅梁湾和五里湖、贵阳红枫湖、南京莫愁湖等水域进行直接治理和控制湖泊富营养化的理论和实验研究。

2. 3 人工浮岛净化技术

人工浮岛是按照自然界自身规律, 人工地把高等水生植物或改良的陆生植物种植到富营养化水域水面上, 通过植物根系的吸收、吸附作用, 消减富集水中的氮磷等营养元素, 达到净化水质的效果。人工浮岛技术实际上是强化了的水生植物净化方法。将水生植物种植在悬浮填料上, 通过工程化规模的应用, 达到净化水体的目的。人工浮岛最大的优点在于不受水深限制, 即使水体很深时, 也可以达到良好的净化效果, 还可以营造水上景观。图3 为武汉市汉阳月湖人工浮岛实例。

2. 4 生态护岸技术

人类对城市河流岸堤的改造一般是通过浆砌石料构建具有抗冲刷强度的硬质护岸体系, 来提高防洪能力, 但却破坏了河岸带生态系统的结构, 隔断了河流生态系统与陆地生态系统的联系, 降低了河岸带生态系统的功能。充分尊重自然及其选择, 利用介质排列和水分运动规律, 构建生态护岸,促进河岸带物质和能量的交换, 是生态护岸构建的基础。生态护岸按形式分有直立式、陡坡型、缓坡型等不同类型。通过生态护岸的应用, 可以优化堤岸生态系统的群落结构, 同时满足防洪和污染控制需求。生态护岸能够有效地保护岸堤, 减轻河岸冲刷, 防止水土流失; 同时, 也为河岸带生态系统的完善创造了条件, 促进了生物生存空间的延伸, 沟通了河水与地下水的联系, 完善了水陆生态系统。图4 为生态护岸的应用实例。

2. 5 雨水径流促渗利用技术

在城市化进程中, 城市土地的利用方式发生了根本的改变, 原有植被和土壤被不透水地面替代, 改变了流域水文过程。由于人工建筑物构成城市的硬质化下垫层后, 城市滞水空间被占用, 地表不透水面积的增加, 造成径流量的增加, 地面汇流时间缩短, 峰值加大和峰现时间提前, 这为城市地表径流污染的发生提供了充沛的动力。充分利用绿地的渗水、过滤污染物的功能, 并对绿地基层进行改造, 加大雨水的下渗量, 在面源污染控制的同时, 削减或延缓城市地表径流的产生, 可以降低城市发生水涝灾害的风险。开发原位下渗净化技术, 对表层土壤中掺加促渗材料以及土壤基层的改造, 增加绿化地面与不透水地面的镶嵌, 对排水沟渠和路边沟种植植物或底部铺设促渗砾石等材料, 实现径流量削减和污染物净化, 达到从源头上减少面源

污染负荷的目的。图5 为小区雨水促渗系统。

。这几类技术由于减小了因开采、生产、运输带来的二次污染，区别于传统技术，具有低耗高效的特点。传统污染控制技术确能解决局部的污染问题，但分析它们的工艺流程，不难发现这些技术会造成更大范围的环境问题。生态技术是对人类生产再生产过程的全新思考的结果，其优越性是明显的。