受污染水體的生物－生態修復技術
1 概述
對受污染的江河湖庫水體進行修復，已是社會經濟發展及生態環境建設的迫切需要。特別是南水北調東線沿線的治污工程，量大面廣，尋找先進實用、造價低廉的技術迫在眉睫。
我國的江河湖庫水體污染主要包括氮磷等營養物和有機物污染兩方面。另外，湖泊水庫藍藻及赤潮給水域生態、人體健康也造成了嚴重危害。對于富營養化的控制，發達國家以控制營養鹽為主，大多采取“高強度治污－自然生態恢復”的技術路線，即控制外源磷污染負荷并配合生態恢復措施，在這方面已經取得較大成效。
去除藻類與控制其生長是湖泊水庫水體恢復與保護的難題。目前國際上采用的技術主要有三類：1〕化學方法：如加入化學藥劑殺藻、加入鐵鹽促進磷的沉淀、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、機械除藻、引水沖淤等，但往往治標不治本；3〕生物－生態方法：如放養控藻型生物、構建人工濕地和水生植被。開發生物－生態水體修復技術，是當前水環境技術的研究開發熱點。實際上，大自然在發展變化的長期過程中，本身已經具備了自我凈化、自我完善的強大能力，使得自然界得以持續而有序地運行。其中水體的自然生物凈化能力，在人類出現之前的遠古時期，就保證了自然界江河湖泊的水體潔凈。目前開發的水體生物－生態修復技術，實質上是按照仿生學的理論對于自然界恢復能力與自凈能力的強化。可以說，按照自然界自身規律去恢復自然界的本來面貌；強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，也是一條創新的技術路線。
生物－生態污水處理技術，是利用培育的植物或培養、接種的微生物的生命活動，對水中污染物進行轉移、轉化及降解作用，從而使水體得到凈化的技術。近年來這種技術發展很快，在國外已經達到工程實用化的程度，并且積累了系列觀測數據。水體的生物－生態修復技術具有以下優點：首先是處理效果好。其次，生物－生態水體修復的工程造價相對較低，不需耗能或低耗能，運行成本低廉。所需的微生物具有來源廣、繁殖快的特點，如能在一定條件下，對其進行篩選、定向馴化、富集培養，可以對大多數有機物質實現生物降解處理。另外，這種處理技術不向水體投放藥劑，不會形成二次污染。所以，這種廉價實用技術十分適用我國江河湖庫大范圍的污水治理工作。用生物－生態方法治污，還可以與綠化環境及景觀改善相結合，在治理區建設休閑和體育設施，創造人與自然相融合的優美環境。
2 主要處理工藝方法
生物處理技術包括好氧處理、厭氧處理、厭氧－好氧組合處理；利用細菌、藻類、微型動物的生物處理；利用濕地、土壤、河湖等自然凈化能力處理等。以下重點介紹幾種針對江河湖庫污染大水體的修復技術。
2.1 生物膜法處理技術
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，有利于加強對污染物的降解作用。其反應過程是：1〕基質向生物膜表面擴散；2〕在生物膜內部擴散；3〕微生物分泌的酵素與催化劑發生化學反應；4〕代謝生成物排出生物膜。生物膜法具有較高的處理效率。它的有機負荷較高，接觸停留時間短，減少占地面積，節省投資。此外，運行管理時沒有污泥膨脹和污泥回流問題，且耐沖擊負荷。
主要工藝方法有生物廊道、生物濾池、生物接觸氧化池等。生物膜法對于受有機物及氨氮輕度污染水體有明顯的效果。日本、韓國等都有對江河大水體修復的工程實例。
2.2 人工濕地處理技術
人工濕地是近年來迅速發展的生物－生態治污技術，可處理多種工業廢水，包括化工、石油化工、紙漿、紡織印染、重金屬冶煉等各類廢水，后又推廣應用為雨水處理。這種技術已經成為提高大型水體水質的有效方法。人工濕地的原理是利用自然生態系統中物理、化學和生物的三重共同作用來實現對污水的凈化。這種濕地系統是在一定長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，或在床體表面流動。在床體的表面種植具有處理性能好、成活率高的水生植物（如蘆葦等），形成一個獨特的動植物生態環境，對污染水進行處理。
人工濕地的顯著特點之一是其對有機污染物有較強的降解能力。廢水中的不溶性有機物通過濕地的沉淀、過濾作用，可以很快地被截留進而被微生物利用；廢水中可溶性有機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行，濕地床中的微生物也繁殖生長，通過對濕地床填料的定期更換及對濕地植物的收割而將新生的有機體從系統中去除。
濕地對氮的去除是將廢水中的無機氮作為植物生長過程中不可缺少的營養元素，可以直接被濕地中的植物吸收，用于植物蛋白質等有機氮的合成，同樣通過對植物的收割而將它們從廢水和濕地中去除。人工濕地對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等幾方面的共同協調作用完成的。由于這種處理系統的出水質量好，適合于處理飲用水源，或結合景觀設計，種植觀賞植物改善風景區的水質狀況。其造價及運行費遠低于常規處理技術。英、美、日、韓等國都已建成一批規模不等的人工濕地。
2.3 土地處理技術
土地處理技術是一種古老、但行之有效的水處理技術。它是以土地為處理設施，利用土壤－植物系統的吸附、過濾及凈化作用和自我調控功能，達到某種程度對水的凈化的目的。土地處理系統可分為快速滲濾、慢速滲濾、地表漫流、濕地處理等幾種形式。國外的實踐經驗表明，土地處理系統對于有機化合物尤其是有機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驗。
3 國外工程實例
3.1 日本坂川古崎凈化場
位于日本江戶川支流坂川古崎凈化場，是采用生物－生態方法對河道大水體進行修復的典型工程，從1993年投入運行至今已有8年的運行歷史，觀測結果表明，河道的微污染水體的水質有了明顯改善。
江戶川是日本東京都和千葉縣附近的主要河流，是這個地區的主要水源，從河道中引出70m3/s的流量為城市、農業、工業供水。其中城市供水占60%。靠江戶川下游的金町、古崎和栗山三個水廠要為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，致使水質惡化，BOD等指標嚴重超標，同時浮游植物繁殖迅速。坂川水質惡化，直接對金町等三個水廠構成威脅，居民對飲用水味道不佳多有怨言。為治理坂川，采取工程設施將坂川改道，先流入古崎凈化場。經過古崎凈化場后，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 古崎凈化場地下廊道
圖中：1—輸水道；2—通氣管；3—進水輸水渠；4—整流水渠；5—整流墻；6—擴散曝氣管；
7—卵石；8—排水渠；9—管道；10—江戶川河；11—河漫灘；12—堤防。
古崎凈化場是一座利用生物－生態水體修復技術的水凈化場。其原理是利用卵石接觸氧化法對水體進行凈化。古崎凈化場建在江戶川的河灘地下，充分節省了土地，是地下廊道式的治污設施（圖1）。水凈化場結構十分簡單，主體結構是高4.5m，長28m的地下矩形廊道，內部放置直徑15-40cm不等的卵石。用水泵將河水泵入柵形進水口，經導水結構后水流均勻平順流入甬道。另外有若干進氣管將空氣通入廊道內。凈化作用主要由以下三方面組成：1〕接觸沉淀作用：污水經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，或由于卵石表面生物膜的微生物群產生的黏性產生吸附作用；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列出了幾項污染主要指標，其中BOD反映有機物的含量。SS反映浮游于水中的固體物，造成水體渾濁。由于該地區的市鎮下水設施落后，造成糞便及生活污水排入河道是產生氨的主要原因。2－MIB反映水中藍藻類物質，藍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，通過凈化場后，水質明顯提高，效果十分顯著。
表1 水質變化情況
|
|
BOD |
SS |
氨 |
2-MIB |
|
處理前 |
23 |
24 |
7.6 |
0.55 |
|
處理后 |
5.7 |
9.1 |
2.2 |
0.22 |
坂川的河水經改道注入古崎凈化場后，清潔的水流入新開的人工渠道－松戶川。其設計理念頗有新意，它一改傳統設計形式，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，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，兩岸種植樹木，適于鳥類棲息。設計者認為這種環境不但可以為居民提供一個與自然相融合的休閑環境，而且對水體也能起進一步的凈化作用。 松戶川注入江戶川后，大大緩解了江戶川的環境壓力。在江戶川和坂川的控制部位，設置了水量及水質自動監測站，數據通過光纜傳輸到古崎凈化場的操作室，特別是一旦發生水質事故可及時發現處理。
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，汛期時洪水由溢流堤流入蓄水池，此時蓄水池用于調洪，提供調洪庫容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霉臭等水質問題。為保護蓄水池的水質，自1993年起在蓄水池一側滯洪洼地上建人工濕地，這是一座設有人工設施的蘆葦蕩。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，達到對水體進行自然凈化的目的。這種凈化過程循環進行，確保蓄水池水質潔凈。這種凈化方式類似醫學對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生沉淀作用，蘆葦的根部與莖部可吸收某些污染物。另外，附著在莖部上的微生物可對污染物產生吸附分解作用。
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—調節渠；8—取水泵站；9—進水渠；10—荻草蕩；11—蘆葦蕩凈化設施；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。水流經引水渠到達設于地下的泵站。其所以設于地下，是為滿足景觀的要求。泵站安裝單機流量為1.25m3/s的兩臺水泵,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個間隔，水流通過33個擋水堰流入。水流在蘆葦蕩中蜿蜒流動，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。人工濕地內主要種植蘆葦，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年開始建設人工濕地，不只水質得到改善，動植物的生態系統也得到極大改善。生物多樣性有所恢復（見表2）。
表2 治理前后動植物種類變化
|
|
植 物 |
昆 蟲 |
鳥 類 |
|
1993 |
31科，104種 |
19科，45種 |
18科，22種 |
|
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），形成了一體的生態空間。渡良瀨人工濕地已經成為日本最大的蘆葦蕩，也成為對居民、兒童進行環保及愛水教育的場所，組織學生進行自然觀察。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浮島，種植蘆葦等植物，其根系附著微生物，可提供充足氧氣，并通過遷移、轉化水中的氮、磷等物質，降解水中有機質。浮島還設置為魚類產卵用的產卵床，也為小魚設有棲身地，水中的浮游植物成了魚餌。人工生態浮島保證了蓄水池水質的潔凈。
3.3 韓國良才川水質生物－生態修復設施
良才川是漢江的一條支流，位于漢城的江南區。由于河流地處住宅區加之治理不善，良才川的水質受到較大污染，也影響了漢江的水質。1995年起決定主要采用生物－生態方法治理良才川。
圖3 良才川凈化設施立體圖
圖中：1—橡膠壩；2—污水進水口；3—污水閘板；4—攔污柵；5—自動水位探測計；6—進水自動閥；
7—污物濾網；8—污水進水管；9—污水孔墻；10—接觸氧化槽中的卵石；11—清水孔墻；12—出水自動閥；
13—清水出口；14—清水出水管；15—殘渣去除設施；16—通氣管；17—檢查水管入口；18—蓋子；19—魚道。
水質凈化設施主體是設于河流一側的地下生物－生態凈化裝置（圖3）。采用卵石接觸氧化法。即強化自然狀態下河流中的沉淀、吸附及氧化分解現象，利用微生物的活動將污染物轉化為二氧化碳和水。凈化設施日處理能力為32000噸/日。凈化的工作流程如下：攔河橡膠壩（長18m，高1m）將河水攔截后引入帶攔污柵的進水口，水流經過進水自動閥，經污物濾網進入污水管，污水管連接有4座污水孔墻，污水孔墻兩側各有一座接觸氧化槽，共有8座。接觸氧化槽長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。污水在接觸氧化槽內被凈化產生的主要作用是：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相比，這種凈化裝置的重要優點是幾乎不耗能，所以運行成本很低。
韓國良才川水質生物－生態修復設施建成至今已6年，治污效果顯著。表3為治理前后的對照,說明對BOD和SS的處理率達70-75％。
表3 良才川治污效果對照
|
|
處 理 前 |
處 理 后 |
處 理 率 |
|
BOD |
10－15mg/l |
4-5mg/l |
75% |
|
SS |
20mg/l |
6mg/l |
70% |
除接觸氧化槽以外，良才川的環境治理工程還包括恢復河流自然生態的方法，即用石塊、木樁、蘆葦、柳樹等天然材料進行護岸，形成類似野生的自然環境，同時種植菖蒲等植物，恢復魚類棲息環境，適于鱖魚等魚類生長，也為白鷺、野鴨等禽類群落生存創造條件，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境。
附圖1：日本坂川古崎凈化場平面圖
附圖2：日本渡良瀨蓄水池的人工濕地
附圖3：韓國良才川水質生物－生態修復設施平面圖
附圖4：韓國良才川水質生物－生態修復設施橡膠壩
使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環保網”
