受污染水體的生物－生態(tài)修復(fù)技術(shù)
1 概述
對(duì)受污染的江河湖庫水體進(jìn)行修復(fù)，已是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境建設(shè)的迫切需要。特別是南水北調(diào)東線沿線的治污工程，量大面廣，尋找先進(jìn)實(shí)用、造價(jià)低廉的技術(shù)迫在眉睫。
我國的江河湖庫水體污染主要包括氮磷等營養(yǎng)物和有機(jī)物污染兩方面。另外，湖泊水庫藍(lán)藻及赤潮給水域生態(tài)、人體健康也造成了嚴(yán)重危害。對(duì)于富營養(yǎng)化的控制，發(fā)達(dá)國家以控制營養(yǎng)鹽為主，大多采取“高強(qiáng)度治污－自然生態(tài)恢復(fù)”的技術(shù)路線，即控制外源磷污染負(fù)荷并配合生態(tài)恢復(fù)措施，在這方面已經(jīng)取得較大成效。
去除藻類與控制其生長(zhǎng)是湖泊水庫水體恢復(fù)與保護(hù)的難題。目前國際上采用的技術(shù)主要有三類：1〕化學(xué)方法：如加入化學(xué)藥劑殺藻、加入鐵鹽促進(jìn)磷的沉淀、加入石灰脫氮等，但是易造成二次污染；2〕物理方法：疏挖底泥、機(jī)械除藻、引水沖淤等，但往往治標(biāo)不治本；3〕生物－生態(tài)方法：如放養(yǎng)控藻型生物、構(gòu)建人工濕地和水生植被。開發(fā)生物－生態(tài)水體修復(fù)技術(shù)，是當(dāng)前水環(huán)境技術(shù)的研究開發(fā)熱點(diǎn)。實(shí)際上，大自然在發(fā)展變化的長(zhǎng)期過程中，本身已經(jīng)具備了自我凈化、自我完善的強(qiáng)大能力，使得自然界得以持續(xù)而有序地運(yùn)行。其中水體的自然生物凈化能力，在人類出現(xiàn)之前的遠(yuǎn)古時(shí)期，就保證了自然界江河湖泊的水體潔凈。目前開發(fā)的水體生物－生態(tài)修復(fù)技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是按照仿生學(xué)的理論對(duì)于自然界恢復(fù)能力與自凈能力的強(qiáng)化？梢哉f，按照自然界自身規(guī)律去恢復(fù)自然界的本來面貌；強(qiáng)化自然界自身的自凈能力去治理被污染水體，這是人與自然和諧相處的合乎邏輯的治污思路，也是一條創(chuàng)新的技術(shù)路線。
生物－生態(tài)污水處理技術(shù)，是利用培育的植物或培養(yǎng)、接種的微生物的生命活動(dòng)，對(duì)水中污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化及降解作用，從而使水體得到凈化的技術(shù)。近年來這種技術(shù)發(fā)展很快，在國外已經(jīng)達(dá)到工程實(shí)用化的程度，并且積累了系列觀測(cè)數(shù)據(jù)。水體的生物－生態(tài)修復(fù)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先是處理效果好。其次，生物－生態(tài)水體修復(fù)的工程造價(jià)相對(duì)較低，不需耗能或低耗能，運(yùn)行成本低廉。所需的微生物具有來源廣、繁殖快的特點(diǎn)，如能在一定條件下，對(duì)其進(jìn)行篩選、定向馴化、富集培養(yǎng)，可以對(duì)大多數(shù)有機(jī)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)生物降解處理。另外，這種處理技術(shù)不向水體投放藥劑，不會(huì)形成二次污染。所以，這種廉價(jià)實(shí)用技術(shù)十分適用我國江河湖庫大范圍的污水治理工作。用生物－生態(tài)方法治污，還可以與綠化環(huán)境及景觀改善相結(jié)合，在治理區(qū)建設(shè)休閑和體育設(shè)施，創(chuàng)造人與自然相融合的優(yōu)美環(huán)境。
2 主要處理工藝方法
生物處理技術(shù)包括好氧處理、厭氧處理、厭氧－好氧組合處理；利用細(xì)菌、藻類、微型動(dòng)物的生物處理；利用濕地、土壤、河湖等自然凈化能力處理等。以下重點(diǎn)介紹幾種針對(duì)江河湖庫污染大水體的修復(fù)技術(shù)。
2.1 生物膜法處理技術(shù)
生物膜法是指用天然材料（如卵石）、合成材料（如纖維）為載體，在其表面形成一種特殊的生物膜，生物膜表面積大，可為微生物提供較大的附著表面，有利于加強(qiáng)對(duì)污染物的降解作用。其反應(yīng)過程是：1〕基質(zhì)向生物膜表面擴(kuò)散；2〕在生物膜內(nèi)部擴(kuò)散；3〕微生物分泌的酵素與催化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；4〕代謝生成物排出生物膜。生物膜法具有較高的處理效率。它的有機(jī)負(fù)荷較高，接觸停留時(shí)間短，減少占地面積，節(jié)省投資。此外，運(yùn)行管理時(shí)沒有污泥膨脹和污泥回流問題，且耐沖擊負(fù)荷。
主要工藝方法有生物廊道、生物濾池、生物接觸氧化池等。生物膜法對(duì)于受有機(jī)物及氨氮輕度污染水體有明顯的效果。日本、韓國等都有對(duì)江河大水體修復(fù)的工程實(shí)例。
2.2 人工濕地處理技術(shù)
人工濕地是近年來迅速發(fā)展的生物－生態(tài)治污技術(shù)，可處理多種工業(yè)廢水，包括化工、石油化工、紙漿、紡織印染、重金屬冶煉等各類廢水，后又推廣應(yīng)用為雨水處理。這種技術(shù)已經(jīng)成為提高大型水體水質(zhì)的有效方法。人工濕地的原理是利用自然生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物的三重共同作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化。這種濕地系統(tǒng)是在一定長(zhǎng)寬比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料（如卵石等）混合組成填料床，污染水可以在床體的填料縫隙中曲折地流動(dòng)，或在床體表面流動(dòng)。在床體的表面種植具有處理性能好、成活率高的水生植物（如蘆葦?shù)龋，形成一個(gè)獨(dú)特的動(dòng)植物生態(tài)環(huán)境，對(duì)污染水進(jìn)行處理。
人工濕地的顯著特點(diǎn)之一是其對(duì)有機(jī)污染物有較強(qiáng)的降解能力。廢水中的不溶性有機(jī)物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快地被截留進(jìn)而被微生物利用；廢水中可溶性有機(jī)物則可通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代謝降解過程而被分解去除。隨著處理過程的不斷進(jìn)行，濕地床中的微生物也繁殖生長(zhǎng)，通過對(duì)濕地床填料的定期更換及對(duì)濕地植物的收割而將新生的有機(jī)體從系統(tǒng)中去除。
濕地對(duì)氮的去除是將廢水中的無機(jī)氮作為植物生長(zhǎng)過程中不可缺少的營養(yǎng)元素，可以直接被濕地中的植物吸收，用于植物蛋白質(zhì)等有機(jī)氮的合成，同樣通過對(duì)植物的收割而將它們從廢水和濕地中去除。人工濕地對(duì)磷的去除是通過植物的吸收，微生物的積累和填料床的物理化學(xué)等幾方面的共同協(xié)調(diào)作用完成的。由于這種處理系統(tǒng)的出水質(zhì)量好，適合于處理飲用水源，或結(jié)合景觀設(shè)計(jì)，種植觀賞植物改善風(fēng)景區(qū)的水質(zhì)狀況。其造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)遠(yuǎn)低于常規(guī)處理技術(shù)。英、美、日、韓等國都已建成一批規(guī)模不等的人工濕地。
2.3 土地處理技術(shù)
土地處理技術(shù)是一種古老、但行之有效的水處理技術(shù)。它是以土地為處理設(shè)施，利用土壤－植物系統(tǒng)的吸附、過濾及凈化作用和自我調(diào)控功能，達(dá)到某種程度對(duì)水的凈化的目的。土地處理系統(tǒng)可分為快速滲濾、慢速滲濾、地表漫流、濕地處理等幾種形式。國外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，土地處理系統(tǒng)對(duì)于有機(jī)化合物尤其是有機(jī)氯和氨氮等有較好的去除效果。德、法、荷蘭等國均有成功的經(jīng)驗(yàn)。
3 國外工程實(shí)例
3.1 日本坂川古崎凈化場(chǎng)
位于日本江戶川支流坂川古崎凈化場(chǎng)，是采用生物－生態(tài)方法對(duì)河道大水體進(jìn)行修復(fù)的典型工程，從1993年投入運(yùn)行至今已有8年的運(yùn)行歷史，觀測(cè)結(jié)果表明，河道的微污染水體的水質(zhì)有了明顯改善。
江戶川是日本東京都和千葉縣附近的主要河流，是這個(gè)地區(qū)的主要水源，從河道中引出70m3/s的流量為城市、農(nóng)業(yè)、工業(yè)供水。其中城市供水占60%？拷瓚舸ㄏ掠蔚慕痤、古崎和栗山三個(gè)水廠要為630萬人供水。坂川是江戶川的一條支流，在金町等三個(gè)水廠上游附近匯入江戶川。由于坂川河道治理不力，大量生活污水排入坂川，致使水質(zhì)惡化，BOD等指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)，同時(shí)浮游植物繁殖迅速。坂川水質(zhì)惡化，直接對(duì)金町等三個(gè)水廠構(gòu)成威脅，居民對(duì)飲用水味道不佳多有怨言。為治理坂川，采取工程設(shè)施將坂川改道，先流入古崎凈化場(chǎng)。經(jīng)過古崎凈化場(chǎng)后，坂川的污染減少了60-70%，處理過的河水流入稱為松戶川的新開人工渠道，然后注入江戶川。
圖1 古崎凈化場(chǎng)地下廊道
圖中：1—輸水道；2—通氣管；3—進(jìn)水輸水渠；4—整流水渠；5—整流墻；6—擴(kuò)散曝氣管；
7—卵石；8—排水渠；9—管道；10—江戶川河；11—河漫灘；12—堤防。
古崎凈化場(chǎng)是一座利用生物－生態(tài)水體修復(fù)技術(shù)的水凈化場(chǎng)。其原理是利用卵石接觸氧化法對(duì)水體進(jìn)行凈化。古崎凈化場(chǎng)建在江戶川的河灘地下，充分節(jié)省了土地，是地下廊道式的治污設(shè)施（圖1）。水凈化場(chǎng)結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，主體結(jié)構(gòu)是高4.5m，長(zhǎng)28m的地下矩形廊道，內(nèi)部放置直徑15-40cm不等的卵石。用水泵將河水泵入柵形進(jìn)水口，經(jīng)導(dǎo)水結(jié)構(gòu)后水流均勻平順流入甬道。另外有若干進(jìn)氣管將空氣通入廊道內(nèi)。凈化作用主要由以下三方面組成：1〕接觸沉淀作用：污水經(jīng)過卵石與卵石間的間隙，水中的漂浮物觸到卵石即沉淀；2〕吸附作用：由于污染物自身的電子性質(zhì)，或由于卵石表面生物膜的微生物群產(chǎn)生的黏性產(chǎn)生吸附作用；3〕氧化分解作用：卵石表面形成一種生物膜。生物膜的微生物把污染物作為食物吞噬，然后分解成水和二氧化碳。表1列出了幾項(xiàng)污染主要指標(biāo)，其中BOD反映有機(jī)物的含量。SS反映浮游于水中的固體物，造成水體渾濁。由于該地區(qū)的市鎮(zhèn)下水設(shè)施落后，造成糞便及生活污水排入河道是產(chǎn)生氨的主要原因。2－MIB反映水中藍(lán)藻類物質(zhì)，藍(lán)藻類異常繁殖是造成水體腐臭的主要原因。由表1可以看出，通過凈化場(chǎng)后，水質(zhì)明顯提高，效果十分顯著。
表1 水質(zhì)變化情況
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BOD |
SS |
氨 |
2-MIB |
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處理前 |
23 |
24 |
7.6 |
0.55 |
|
處理后 |
5.7 |
9.1 |
2.2 |
0.22 |
坂川的河水經(jīng)改道注入古崎凈化場(chǎng)后，清潔的水流入新開的人工渠道－松戶川。其設(shè)計(jì)理念頗有新意，它一改傳統(tǒng)設(shè)計(jì)形式，不采用混凝土或砌石襯砌的直線渠道，而以微彎曲的河道形態(tài)，岸坡間有大小卵石，植有繁茂的蘆葦和其他植物，適于鯽魚、鱂魚等魚類生長(zhǎng)，兩岸種植樹木，適于鳥類棲息。設(shè)計(jì)者認(rèn)為這種環(huán)境不但可以為居民提供一個(gè)與自然相融合的休閑環(huán)境，而且對(duì)水體也能起進(jìn)一步的凈化作用。 松戶川注入江戶川后，大大緩解了江戶川的環(huán)境壓力。在江戶川和坂川的控制部位，設(shè)置了水量及水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，數(shù)據(jù)通過光纜傳輸?shù)焦牌閮艋瘓?chǎng)的操作室，特別是一旦發(fā)生水質(zhì)事故可及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理。
3.2 日本渡良瀨蓄水池的人工濕地
渡良瀨蓄水池位于日本栃木縣，是一座人工挖掘的平原水庫，總庫容2640萬m3，水面面積4.5km2 ,水深6.5m左右。這座蓄水池平時(shí)為茨城縣等六縣市64萬人口供水，日供水量21.6萬m3。蓄水池周圍是渡良瀨川的滯洪區(qū)，汛期時(shí)洪水由溢流堤流入蓄水池，此時(shí)蓄水池用于調(diào)洪，提供調(diào)洪庫容1000萬m3。
由于近年來上游用水造成生活污水以及含氮、磷的水流入，致使渡良瀨蓄水池出現(xiàn)霉臭等水質(zhì)問題。為保護(hù)蓄水池的水質(zhì)，自1993年起在蓄水池一側(cè)滯洪洼地上建人工濕地，這是一座設(shè)有人工設(shè)施的蘆葦蕩。將蓄水池的水引到蘆葦蕩，通過吸附、沉淀及吸收作用，去除水中的氮、磷及浮游植物，達(dá)到對(duì)水體進(jìn)行自然凈化的目的。這種凈化過程循環(huán)進(jìn)行，確保蓄水池水質(zhì)潔凈。這種凈化方式類似醫(yī)學(xué)對(duì)病人血液體外透析處理。蘆葦具有十分好的凈化功能，污染物與其莖部接觸產(chǎn)生沉淀作用，蘆葦?shù)母颗c莖部可吸收某些污染物。另外，附著在莖部上的微生物可對(duì)污染物產(chǎn)生吸附分解作用。
圖2 渡良瀨蓄水池人工濕地平面圖
圖中： 1—渡良瀨蓄水池；2—蓄水池泵站；3—橡膠壩；4—旁通水渠；5—地下水渠；6—連接渠；7—調(diào)節(jié)渠；8—取水泵站；9—進(jìn)水渠；10—荻草蕩；11—蘆葦蕩凈化設(shè)施；12—出水渠；13—集水池；14—蘆葦蕩泵站；15—北閘。
人工濕地的平面布置見圖2。在蓄水池出水口建高3.5m、寬40m的充氣式橡膠壩，用以控制出水口。水流經(jīng)引水渠到達(dá)設(shè)于地下的泵站。其所以設(shè)于地下，是為滿足景觀的要求。泵站安裝單機(jī)流量為1.25m3/s的兩臺(tái)水泵,水體加壓后流入箱形涵洞,再流入蘆葦蕩。蘆葦蕩占地20hm2，最大凈化水體能力為2.5m3/s。蘆葦蕩分為3個(gè)間隔，水流通過33個(gè)擋水堰流入。水流在蘆葦蕩中蜿蜒流動(dòng)，以增加凈化效果，遂從33處出口匯入集水池，再由渡良瀨蓄水池的北閘門回到蓄水池，完成一次凈化循環(huán)。人工濕地內(nèi)主要種植蘆葦，高2-3m，可收獲用于編葦簾。此外，還種植同屬稻科的荻，高度為1.0-2.5m。自1993年開始建設(shè)人工濕地，不只水質(zhì)得到改善，動(dòng)植物的生態(tài)系統(tǒng)也得到極大改善。生物多樣性有所恢復(fù)（見表2）。
表2 治理前后動(dòng)植物種類變化
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植 物 |
昆 蟲 |
鳥 類 |
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1993 |
31科，104種 |
19科，45種 |
18科，22種 |
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1998 |
45科，166種 |
45科，116種 |
25科，50種 |
渡良瀨人工濕地的人工植被從陸地到水面依次為：杞柳（水邊林）－蘆葦、荻、蓑衣草（濕地植物）－茭白、寬葉香蒲（吸水植物）－荇菜、菱（浮葉植物），形成了一體的生態(tài)空間。渡良瀨人工濕地已經(jīng)成為日本最大的蘆葦蕩，也成為對(duì)居民、兒童進(jìn)行環(huán)保及愛水教育的場(chǎng)所，組織學(xué)生進(jìn)行自然觀察。在這里可以看到綠頭鴨、針尾鴨等禽類及蘆燕、白頭鷂和鳶等鳥類。
為凈化渡良瀨蓄水池的水體，還在蓄水池中部建一批人工生態(tài)浮島，種植蘆葦?shù)戎参，其根系附著微生物，可提供充足氧氣，并通過遷移、轉(zhuǎn)化水中的氮、磷等物質(zhì)，降解水中有機(jī)質(zhì)。浮島還設(shè)置為魚類產(chǎn)卵用的產(chǎn)卵床，也為小魚設(shè)有棲身地，水中的浮游植物成了魚餌。人工生態(tài)浮島保證了蓄水池水質(zhì)的潔凈。
3.3 韓國良才川水質(zhì)生物－生態(tài)修復(fù)設(shè)施
良才川是漢江的一條支流，位于漢城的江南區(qū)。由于河流地處住宅區(qū)加之治理不善，良才川的水質(zhì)受到較大污染，也影響了漢江的水質(zhì)。1995年起決定主要采用生物－生態(tài)方法治理良才川。
圖3 良才川凈化設(shè)施立體圖
圖中：1—橡膠壩；2—污水進(jìn)水口；3—污水閘板；4—攔污柵；5—自動(dòng)水位探測(cè)計(jì)；6—進(jìn)水自動(dòng)閥；
7—污物濾網(wǎng)；8—污水進(jìn)水管；9—污水孔墻；10—接觸氧化槽中的卵石；11—清水孔墻；12—出水自動(dòng)閥；
13—清水出口；14—清水出水管；15—殘?jiān)コO(shè)施；16—通氣管；17—檢查水管入口；18—蓋子；19—魚道。
水質(zhì)凈化設(shè)施主體是設(shè)于河流一側(cè)的地下生物－生態(tài)凈化裝置（圖3）。采用卵石接觸氧化法。即強(qiáng)化自然狀態(tài)下河流中的沉淀、吸附及氧化分解現(xiàn)象，利用微生物的活動(dòng)將污染物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。凈化設(shè)施日處理能力為32000噸/日。凈化的工作流程如下：攔河橡膠壩（長(zhǎng)18m，高1m）將河水?dāng)r截后引入帶攔污柵的進(jìn)水口，水流經(jīng)過進(jìn)水自動(dòng)閥，經(jīng)污物濾網(wǎng)進(jìn)入污水管，污水管連接有4座污水孔墻，污水孔墻兩側(cè)各有一座接觸氧化槽，共有8座。接觸氧化槽長(zhǎng)20m、寬13.6m、高14.8m。污水從孔墻的孔中流入接觸氧化槽，氧化槽中放置卵石，污水通過氧化槽得到凈化后分別流入4座清水孔墻，再匯集到清水出水管中，由清水出口排入橡膠壩下游側(cè)。污水在接觸氧化槽內(nèi)被凈化產(chǎn)生的主要作用是：接觸沉淀作用、吸附作用和氧化分解作用。與上述日本古崎凈化場(chǎng)相比，這種凈化裝置的重要優(yōu)點(diǎn)是幾乎不耗能，所以運(yùn)行成本很低。
韓國良才川水質(zhì)生物－生態(tài)修復(fù)設(shè)施建成至今已6年，治污效果顯著。表3為治理前后的對(duì)照,說明對(duì)BOD和SS的處理率達(dá)70-75％。
表3 良才川治污效果對(duì)照
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處 理 前 |
處 理 后 |
處 理 率 |
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BOD |
10－15mg/l |
4-5mg/l |
75% |
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SS |
20mg/l |
6mg/l |
70% |
除接觸氧化槽以外，良才川的環(huán)境治理工程還包括恢復(fù)河流自然生態(tài)的方法，即用石塊、木樁、蘆葦、柳樹等天然材料進(jìn)行護(hù)岸，形成類似野生的自然環(huán)境，同時(shí)種植菖蒲等植物，恢復(fù)魚類棲息環(huán)境，適于鱖魚等魚類生長(zhǎng)，也為白鷺、野鴨等禽類群落生存創(chuàng)造條件，又開辟散步、自行車小路和木橋等，為居民提供與水親近的自然環(huán)境。
附圖1：日本坂川古崎凈化場(chǎng)平面圖
附圖2：日本渡良瀨蓄水池的人工濕地
附圖3：韓國良才川水質(zhì)生物－生態(tài)修復(fù)設(shè)施平面圖
附圖4：韓國良才川水質(zhì)生物－生態(tài)修復(fù)設(shè)施橡膠壩
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