（环境科学专业论文）人工水草技术处理受污染河水的试验研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字： 签字日期：彦所年驴月乡9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金壁王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 佥g 巴王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 导师躲易参 ， 签字日期：年月日签字日期：年孕月；口日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 讶也 人工水草技术处理受污染河水的试验研究 摘要 随着科学技术的进步，我国的社会经济也在不断地发展，但是水环境也在 不断地恶化。为此，人们开始对以往的河流治理技术进行思考，河流治理工程 的规划中，发现在以往的设计中往往是以河流自身的防洪安全为重点，而并没有 考虑到河流的生态环境系统的保护相结合，因此使得河流的生态系统屡遭破坏。 目前，河流的污染治理技术主要包括物理、化学和生物三种修复技术。污染较 为严重的城市河流存在低透明度、低溶解氧等问题，这些问题的存在严重限制 了生物修复技术的广泛应用，由此人工水草技术开始进入了人们的视野。人工 水草技术运用在河流水体环境中不受透明度、悬浮物及不可预见污染因子的限 制，它是一种新型的生物强化修复技术，具有投资低、见效快、不产生二次污 染等特性。 本文主要是以国家水体污染控制与治理科技重大专项( 2 0 0 8 z x 0 7 1 0 3 0 0 3 ) 为依托。基于人工水草技术的应用研究现状，结合其他生物修复技术对人工水 草的污水处理效果进行探索研究，进一步探讨新型人工水草修复技术的可行性， 并提出了有意义的见解。研究结果表明： 在试验中所用的人工水草填料耐污耐腐蚀，且具有去除有机污染物、氮磷 的作用。在外界条件相同的条件下，通过静态实验可知，丝绒、无纺布和摇粒 绒对c o d 、n h 3 一n 和t p 均具有一定的处理效果。其中丝绒的处理效果较突 出，并与阿科蔓的处理效果相近。同时，水温和溶解氧对人工水草填料的处理 污水能力也存在一定的影响。 在人工水草密度的选择试验中，当水深与人工水草高度比为1 0 ：7 时，综合 人工水草填料对透明度、d o 、c o d 、n h 3 n 和t p 的影响进行分析，发现在7 0 l 体积的污染水体中布设面积5 2 5 0 c m 2 的人工水草填料最为适宜，此时的污水处 理效果较好。同时，p h 和水力停留时间( h r t ) 对有机物和氨氮的去除效果均 存在一定的影响。当p h 为7 8 时，人工水草对有机物和氨氮的去除效率分别 达到7 2 4 和7 4 3 。当h r t 为1 2 h 时，人工水草对有机物和氨氮的去除效率 则分别为6 9 5 和7 0 7 。由显微镜观察可知，在人工水草生物挂膜的启动过 程中，其生物膜先从白色变为奶黄色，接着变为金黄色，最后变为棕褐色。 根据中小型河流的污染现状，探讨了人工水草技术对河流污水的处理效果， 并提出促进生态、社会、经济三方面协调发展的河流治理防治对策。 关键词：河流污水、人工水草、生态修复 t h ep i l o ts t u d yo np o l l u t e dr i v e rt r e a t m e n tb ythever 1r e a t m e n tt l l e t e c h n o l o g yo fa r t i f i c i a l l yp l a n t s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，o u re c o n o m yi sg r o w i n gq u i c k l y h o w e v e rt h e r i v e re c o s y s t e mi s d e t e r i o r a t i n g a ta n o t h e rh i g hr a t e w h e nw er e v i e wt h ef o r m e r t e c h n o l o g yo fr i v e rm a n a g e m e n t ，w ec a nf i n dt h a ti tm e r e l yf o c u s e do nt h ec o n t r o l l i n g f l o o d ，i g n o r i n gt h ee n v i r o n m e n t sp r o t e c t i o no ft h er i v e r s a tt h ep r e s e n tt i m e ，i n c l u d e s p h y s i c a lr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y ，c h e m i c a lr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g ya n db i o r e m e d i a t i o n t e c h n o l o g y s e r i o u s l yp o l l u t e du r b a nr i v e r sc o m m o n l y h a v ep r o b l e m so fl o w t r a n s p a r e n c y a n dl o wa n dh i g hd i s s o l v e do x y g e na n ds oo n ，w h i c hs e v e r e l yr e s t r i c tt h ea p p l i c a t i o no f b i o l o g i c a l m e d i a t i o nt e c h n o l o g y t h e np e o p l es e e k h e l pf r o ma r t i f i c i a l f l o a tp l a n t s t e c h n o l o g y ，w h i c hi sak i n do fe m e r g i n gb i o l o g i c a lr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g y ，i s n ta f f e c t e d b yt h ef a c t o r so fw a t e rt r a n s p a r e n c y ，f l o a t e di m p u r i t i e so ru n f o r e s e e a b l ep o l l u t i o nl o a d i m p a c t ，h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wi n v e s t m e n t ，q u i c ke f f e c t ，n os e c o n d a r yp o l l u t i o ne t c t h ep a p e rb a s e do nt h es t a t em a jo rp r o j e c to fw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o la n dm a n a g e m e n t ( 2 0 0 8 z x 0 7 10 3 0 0 3 ) w h i c hb a s e do nt h ei m p l i c a t e dr e s e a r c hs i t u a t i o no fa r t i f i c i a lf l o a t p l a n t s t r e a t m e n ts y s t e m s ，c o m b i n i n go t h e rb i o l o g i c a lr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g i e s ，d o e sa n e x p l o r i n gr e s e a r c ho ft h er a t i f i c a t i o ng r a s s e s w a s t ew a t e rt r e a t m e n te f f e c ta n d d i s c u s s e s t h ef e a s i b i l i t yo fe m e r g i n gr e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yo fa r t i f i c i a l l yf l o a tp l a n t sa n dp u t f o r w a r ds o m em e a n i n g f u lp o i n t so fv i e w t h er e s u l t so ft h es t u d yi n d i c a t et h a t ： t h er a t i f i c a t i o np l a n t si sa b l et ob e a rb e i n gd e f i l e d ，c o r r u p t e d ，a n di tc a nw i p eo f f o r g a n i cp o l l u t a n t s ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n ，w ec a nf i n dt h a t t h r o u g ht h ep r o c e s so fs t a t i ce x p e r i m e n t su n d e rs o m ee x t e r n a lc o n d i t i o n s ，t h e ya r ei ne f f e c t o nm a n a g i n gc o d ，n h 3 一na n dt p a n dv e l v e ti st h eb e s to ft h et h r e e w a t e rt e m p e r a t u r e a n dd i s s o l v e do x y g e n ，t os o m ee x t e n t ，h a v eac e r t a i ne f f e c to nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t c a p a c i t yo fa r t i f i c i a l l yf l o a tp l a n t s w h e nt h eh i g hp r o p o r t i o no fw a t e rd e p t ha n da r t i f i c i a l l y f l o a tp l a n t ss e tf r o m10t o7 i ti sm o s ta p p r o p r i a t et of i l lt h ea r t i f i c i a l l yp l a n t sc o v e r i n ga r e a o f5 2 5 0c m 2i nt h ep o l l u t e dw a t e rw i t ht h ev o l u m eo f7 0 l p hv a l u ea n dh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e ( h r t ) h a v ec e r t a i ne f f e c to nt h ee x t r a c to fo r g a n i ca n da m m o n i an i t r o g e n ， w h e nt h ep hv a l u er e a c h e st o7o r8 ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fo r g a n i ca n da m m o n i a n i t r o g e nr e s p e c t i v e l ya c h i e v e d7 2 4 a n d7 4 3 w h e nh r t i s1 2 h t h er e m o v a le f f i c i e n c y o f o r g a n i cm a t t e ra n d a m m o n i an i t r o g e nr e s p e c t i v e l ya r e6 9 5 a n d7 0 7 u n d e rt h em i c r o s c o p e ，d u r i n gt h es t a r t u pp r o c e s so fh a n g i n gm e m b r a n e ，t h e c h a n g i n gs i t u a t i o no fa r t i f i c i a l l y f l o a tp l a n t si s ：f r o mw h i t et om i l k yy e l l o w , t h e nt u r n g o l d e n ，f i n a l l yb r o w n k e y w o r d s ：r i v e rs e w a g e ；a r t i f i c i a l l yp l a n t s ；e c o l o g i c a lr e m e d i a t i o n 致谢 论文是在尊敬的导师许建高工和汪家权教授两位老师的精悉心指导下完成 的。从论文的选题、试验研究到论文的撰写、修改无不凝聚着导师的心血。导 师渊博的学识、严谨的治学态度和活跃的学术思想对我有着深深的影响。他们 不仅教给我们理论知识和实验技能，同时还教育我们如何做人，培养了良好的 团队合作和敬业精神这些使我受益终生。在论文完成之际，谨向导师许教授和 汪教授表示最真诚的感谢和最诚挚的敬意。 在研究生的学习阶段，曾得到资源与环境工程学院的副院长孙世群教授、 胡淑恒老师、李云霞老师以及其他老师的大力帮助，并向他们表示衷心的感谢， 在此还要感谢师姐潘怡、沈燕华；师妹郑琳琳、童君君，师弟余三江、葛勇、 谢文逸在试验过程中所给予的热情及时而有力的帮助，在此一并表示感谢；同 时还要感谢4 2 2 、4 31 教研室的所有同门，正是有了你们对我的帮助，才能让我 在研究生阶段有所成长。 感谢曾和我在一起朝夕相处的室友罗月颖、刘杨艳、章红、阴娟、王安磊、 张国君，和你们的相互学习和相处让我的生活变得丰富多彩! 感谢我的父母和好友们多年来给予我的精神上的鼓励和物质上的支持，正 是他们默默无闻的奉献与鼓励，才使我顺利的完成学业! 再次向所有关心我帮助我的老师、同学和朋友们表示衷心的感谢! 谢谢你 们! 最后，感谢各位专家、教授在百忙之中评审我的论文，真诚期待更多的指 导! 作者：吴慧群 2 0 11 年1 月2 3 日 目录 第一章绪论。1 1 1 研究背景1 1 1 1 城市河流水污染现状l 1 1 2 城市河流的污染特征2 1 1 3 城市河流水污染的危害3 1 2 城市河流生态修复技术的研究现状4 1 2 1 国外的研究现状4 1 2 2 国内的研究现状5 1 3 人工水草技术的发展趋势。6 1 4 课题研究内容、方法及技术路线8 1 4 1 研究内容8 1 4 2 研究方法9 1 4 3 技术路线9 第二章试验材料与方法1 2 2 1 实验装置一1 2 2 2 实验材料1 2 2 3 试验仪器1 3 2 4 试验试剂1 4 2 5 测定方法1 4 2 5 1c o d 的测定15 2 5 2 氨氮的测定15 2 5 3t p 的测定。16 2 5 4 生物相的测定16 第三章人工水草填料的材料选择试验研究1 8 3 1 实验部分18 3 1 1 实验材料l8 3 1 2 试验水样及测定项目1 8 3 1 3 试验设计1 9 3 2 结果与分析19 3 2 1 人工水草挂膜的运行阶段1 9 3 2 2 有机物去除效果2 0 3 2 2 氨氮去除效果2 1 3 2 3t p 去除效果2 2 3 3 挂膜过程影响因素分析2 3 3 3 1 溶解氧的影响2 3 3 3 2 温度的影响。2 3 3 3 3p h 值的影响2 3 3 4 小结2 4 第四章人工水草填料密度确定的试验研究2 5 4 1 材料与方法2 5 4 1 1 试验装置2 5 4 1 2 试验材料2 5 4 1 3 试验设计j 2 5 4 1 4 试验方法2 6 4 2 结果与讨论2 7 4 2 1 对有机物的作用2 7 4 2 2 对氨氮的作用2 8 4 2 3 对t p 的作用2 9 4 3 对其他水质指标的作用3 0 4 3 1p h 的变化3 0 4 3 2d o 值的变化一31 4 4 小结3 2 第五章人工水草在模拟河道反应器中的效果研究3 3 5 1 材料及方法3 3 5 1 1 试验水体3 3 5 1 2 悬浮填料3 3 5 1 3 试验设计3 3 5 1 4 实验装置3 3 5 2 人工水草挂膜试验的结果及分析3 5 5 2 1 挂膜阶段有机物的变化3 5 5 2 2 挂膜阶段氨氮的变化3 6 5 2 3 挂膜阶段t p 的变化3 7 5 3 其他环境因素对有机物和氨氮去除率的影响3 8 5 3 1 对有机物去除率的影响3 8 5 3 2 对氨氮去除率的影响4 1 5 4 小结4 4 第六章结论及建议4 5 6 1 结 仑4 5 6 2 本文的创新点4 6 6 3 建议4 6 参考文献。4 7 插图清单 图1 1 细绳式人工水草构型6 图1 2 阿科蔓人工水草构型7 图1 3 仿臭轮藻式人工水草7 图1 - 4 生物飘带人工水草8 图1 5 圆环式人工水草8 图1 - 6 人工水草材料选择10 图1 7 人工水草填料的密度选择“1 0 图1 8 人工水草栅模拟试验技术路线一1 1 图2 1 实验装置图- 1 2 图2 2 试验材料实物图”1 3 图3 1人工水草构型示意图1 9 图3 2 生物膜的示意图“l9 图3 3 不同人工水草对水体有机物的去除效果一2 0 图3 4 不同人工水草对水体氨氮的去除效果一2 l 图3 5 不同人工水草对水体t p 的去除效果2 2 图4 1密度选择实验装置图2 5 图4 2 试验过程中c o d 的变化趋势图2 7 图4 3 试验过程中氨氮的变化趋势图2 8 图4 4 试验过程中t p 的变化趋势图2 9 图4 5 不同密度的人工水草填料对p h 的影响3 0 图4 - 6 不同密度的人工水草填料对d o 值的影响一3 l 图5 1 模拟河流反应器装置图3 4 图5 2 挂膜过程中对有机物去除效果3 5 图5 3 挂膜过程中对氨氮去除效果一3 6 图5 4 挂膜过程中对t p 去除效果3 7 图5 5 水力停留时间对有机物去除率的影响一3 8 图5 - 6p h 对有机物去除率的影响3 9 图5 7 冲击负荷对有机物去除率的影响”4 0 图5 8 水力停留时间对氨氮去除率的影响一4 1 图5 - 9p h 对氨氮去除率的影响4 2 图5 1 0 冲击负荷对氨氮去除率的影响4 3 表格清单 表2 1 实验仪器明细表1 4 表2 2 实验试剂明细表1 4 表3 1 实验水样初始水质指标1 8 表4 1 试验期间进水水质2 6 第一章绪论 1 1 研究背景 我国的淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿m 3 ，占全球水资源总量6 ，仅仅低于美 国、苏联、巴西、加拿大和印度尼西亚。但是，由于我国人口数量较多，按人 口和耕地计算，我国的人均、亩均占有量均低于世界的平均水平。我国的人均 水资源，已不足世界人均水平的1 4 ，是一个资源型缺水国家。同时，我国的 水体水质又达不到规定的饮用水水质标准，因此我国是一个水质型缺水的国家。 1 1 1 城市河流水污染现状 随着人口的飞速增长和经济的快速发展，越来越多的污染物质被排入河流， 其污染物的浓度已远远超过了河流的自净能力。世界上各地区年均排入水体的 工业废水和生活污水高达5 0 0 0 亿吨以上，许多河流都成了排污专道和污水的长 期滞留地【l 】。水体评价标准类别如下：i 类水体，适用于国家自然保护区及源 头水体；i i 类水体，适用于集中式生活饮用水水源地一级保护区、珍贵的鱼类 保护区及鱼虾产卵区；i i i 类水体，适用于集中式生活饮用水水源地二级保护区、 同时也可用于鱼类保护区和游泳区；类水体，则适用于一般的工业用水区和 非直接接触人体的娱乐用水区；v 类水体，适用于农用区以及一般的景观区。 对比此类划分标准可知，我国的水体污染问题已处于一个相当严重的局面1 2 j 。 2 0 0 6 年，在七大水系的19 7 条河流中布设了4 0 8 个监测断面，其中，i i 类 水质的断面比例占4 6 、i v v 类水质的断面比例为2 8 、而劣v 类水质的断 面比例占2 6 。其中污染的主要指标：石油类、氨氮和高锰酸盐指数等 3 1 ；2 0 0 7 年，在1 9 7 条河流的4 0 7 个断面中i i i i 类水质的断面比例占4 9 9 、i v v 类水质的断面比例占2 6 5 、劣v 类水质的断面比例占2 3 6 t 4 j ；2 0 0 8 年，在 我国2 0 0 条河流中布设的4 0 9 个断面中，i i i i 类水体的断面比例为5 5 0 、i v v 类水体的断面比例为2 4 2 、劣v 类水质的断面比例为2 0 8 ，由该结果可 知，我国的七大水系的水质在总体上呈现中度污染的状况【3 1 ；2 0 0 9 年，在我国 2 0 3 条河流中布设的4 0 8 个断面中，i i i i 类水体的断面比例为5 7 3 、i v v 类水体的断面比例为2 4 3 、劣v 类水质的断面比例为18 4 5 1 ；由结果可 知，目前我国的七大水系的水质在总体上呈现轻度污染的状况。 据统计知，在全国的3 0 0 0 家排污严重的企业中，向淮河流域排放工业废水 的企业就有1 6 0 家；在该流域内的1 8 2 个城镇中，排污单位的总数为1 5 5 万家， 排放工业废水的总量约为1 6 1 亿m 3 ，城镇生活用水的排放量7 亿m3 【州。云南 省的l5 个主要城市的3 0 个城市河流( 水域) 的4 5 个监测断面中， i i i 类、 i i i 类、i v 类、v 类、劣v 类标准水质的监测断面所占比例分别为2 8 9 、l7 8 、 6 7 、4 4 、4 2 2 ；满足水功能要求水质的监测断面所占比例为4 6 7 ；该 河流的总体污染状况属于重度污染1 7 j 。根据深圳市的河流普查结果可知【引，该 市共有3 1 0 条河流，其中水环境遭受不同程度污染的河流有2 1 7 条，占总数的 7 0 。从武汉市对其ll 条主要河流监测的结果看来，该市的主要河流中符合i i 类标准水质的河流只有沙河；长江武汉段、汉江武汉段、倒水、举水、滠水等 7 条河流符合i i i 类标准水质；符合i v 类标准水质的河流有东荆河和蚂蚁河； 而府河武汉段的水质较差，劣于v 类p j 。2 0 0 8 年，由巢湖流域水质监测的结果 可知，流经城市的3 5 条主要河流均遭受了各种程度的污染；其中，南淝河、十 五里河、双桥河和派河属于重度污染水质，均劣于v 类l l0 1 。总的来看，我国流 域中干流的污染状况比支流好，一般河段的污染状况比城市河段好，污染从下 游地区逐步转移到上游j 。尤其是城市河流，由于受到城市发展的影响比较大， 水污染从其污染类型到污染强度都发生了重大的变化。因此，城市污染水体的 治理是刻不容缓的。 1 1 2 城市河流的污染特征 2 0 0 8 年，我国排放废水的总量为5 7 1 7 亿吨，相比前一年增长了2 7 ；其 中工业废水为2 4 1 7 亿吨，占排放总量的4 2 3 ；生活污水为3 3 0 0 亿吨，占总 量的5 7 7 ，比前一年增长了6 4 。排放的废水中化学需氧量的总量为1 3 2 0 7 万吨，其中工业废水、城镇生活污水的的化学需氧量分别4 5 7 6 万吨、8 6 3 1 万 吨；分别占化学需氧量排放总量的3 4 6 和6 5 4 。排放的废水中氨氮总量为 1 2 7 o 万吨，其中工业氨氮和生活氨氮的排放量分别占氨氮排放总量的2 3 4 和 7 6 6 1 1 2 】。2 0 0 9 年，我国排放废水的总量为5 8 9 2 亿吨，相比2 0 0 8 年增长了3 0 ； 其中工业废水为2 3 4 4 亿吨，占排放总量的3 9 8 ；生活污水为3 5 4 8 亿吨，占 总量的6 0 2 ，比前一年增长了2 5 t5 j ；排放的废水中化学需氧量的总量为 1 2 7 7 5 万吨，比0 8 年下降了3 3 。在日常生活中，污水的排放量大，污水处 理率又低，从而使得城市河流的水污染状况日益恶化。其主要特征包括： ( 1 ) 工业污染 工业生产的污水排放是水体环境中污染物的主要来源之一。在我国，长时 间形成的地区粗放型的生产方式还未进行根本改变，工艺技术相对落后，能源 的利用率低下，消耗量居高不下，规模效益较差。就耗水率而言，大多数的工 业单位均高于国际先进水平，甚至高出几十倍。虽然工业废水的排放量要比生 活污水排放量少，但是其危害作用却远远大于生活污水，它的大量排放对生态 环境造成严重的破坏。另外，在工业生产过程中所产生的其他废弃物的排放 也会造成大量的水体污染，如大气污染，最后则可能以酸雨的形式污染水体。 ( 2 ) 生活污染 随着人口的增长和集中，生活污水的排放总量呈现逐步增加的趋势，并已 成为了水污染的一个重要污染源。这类污水一般是通过城市的管网与部分工业 废水混合后排入天然水域，有的则汇合降水形成地表径流。生活污水中的杂质 2 含量与生活习惯的水平有关，通常都用平均情况进行描述，如我国生活污水的 指标情况，经过沉淀后，生化需氧量( b o d 5 ) 的标准为2 0 3 0 g ( 人d ) ，悬浮物 ( s s ) 的标准为2 0 4 5 g ( 人d ) 。2 0 0 6 年，我国排放生活污水的总量为2 9 6 6 亿 吨，到了2 0 0 8 年，其排放总量增加到了3 3 0 1 亿吨。而对于污水处理方面，我 国城市污水的处理率却很低，仅为5 7 1 。 ( 3 ) 农业污染 在农业污染方面，除了农产品加工这一污染行业对水环境产生影响，还有 种植作物和饲养家畜等农业活动；第一，畜禽养殖的废弃物造成水污染；随着禽 畜业发展的一步步扩大，禽畜粪便的排放量也随之增多，2 0 0 4 年，我国禽畜粪 便的排放总量为2 8 亿吨【l 引，其还田率则仅为3 0 5 0 。第二，化肥和农药等 造成水污染；由研究数据显示，我国的单位耕地面积中所投入的化肥量为世界 平均化肥用量的2 8 倍。2 0 0 4 年，我国施用化肥的总量为4 4 1 2 万吨，位居世 界第一，尽管化肥的用量较大，但是其利用率却很小仅为为3 0 5 0 。此途 径也是水体污染的主要源头之一【3 j 。 1 1 3 城市河流水污染的危害 水体污染造成的灾害影响范围较大，历时较长，它的危害往往要经历一个 相当长的时期后才会表现出来，而且水体污染还会加重水资源的短缺，使得生 态环境恶化。近年来，一些水资源较为丰富的地区和城市都形成了所谓的污染 型缺水。河道中的水体由于被污染，出现了有水而不能用的局面，水体污染的 问题已经加剧了水资源的危机。地球上水体总量虽然很大，但是淡水资源所占 比例很小，分布不均匀，不能满足人口增长和工农业发展不断增加的需求；尽 管水资源具有可再生的和不断循环的特性，但是日趋严重的环境污染使得水质 日益恶化，因此，地球上的水资源危机已经引起了人类的高度重视。 ( 1 ) 对水生生物的影响 不同类型的生物体存在于水体环境中，在生物与水体、生物与生物之间频 繁地进行着复杂的物质和能量的交换，使得它们在数量上可以保持一种动态平 衡，但最终这种平衡关系逐渐被人类的活动所破坏。当污染物质被人们排入水 体时，一部分有益的水生生物会因污染而死亡，而耐污性强的水生生物则会过 度繁殖，大量地消耗水中的氧气，水环境中氧气的不足使得有益的水生生物被 迫迁栖，甚至死亡。对于一些有毒的元素，它们在生物体内的累积对人类健康 造成了严重的影响1 3 】。如汞元素在水体中的含量很低，但是在水生生物体内的 含量却很高，在鱼类体内的含量就高得出奇。假若在水体中汞的浓度设为1 ， 在水生生物中的底栖生物( 即生活在水体底泥中的小生物) 的体内汞的浓度即 为7 0 0 ，而鱼类体内汞的浓度则可高达8 6 0 。由此可知，当水体被污染过后，一 方面会导致生物与水、生物与生物之间的平衡遭受到破坏，另一方面由于一些 有毒物质会不断转移和富集，最终会危及到人类自身的健康和生命。 ( 2 ) 对工农业的影响 工农业的生产不仅仅需要足够的水量，而且对水质的要求也较高。如果水 质条件不好，则会对工农业造成很大的损失，特别是在工农业生产过程中，如 果使用了被污染的水，对人类的健康有着极大的危害。一方面，使得工业设备 遭受到破坏，严重影响了产品的质量。另一方面，会使得土壤的化学成分发生 改变，肥力下降，导致农作物产量减少和污染严重。最后，在城市发展中，会 增加很多不必要的生活污水和工业污水的处理费用。 ( 3 ) 对人类健康的影响 在人体的新陈代谢过程中，随着水和食物的摄入，水中的各种元素会通过 消化道进入到人体的各个部分。当水体中缺乏了某些或某种人体在生命过程中 所必需的元素时，就会影响人体的健康。被污染过的城市河流主要是通过以下 途径影响人类健康【1 4 】：第一，异常的河水颜色和浓烈的臭味通过人类的感官会 影响人类心情；第二，污染的河水通过人类直接饮用或接触危害人体的健康； 第三，污染物质通过食物链进入人体；调查结果显示，一般情况下饮用含有害 物质水体的人比饮用洁净水体的人患癌症机率要高6 1 5 左右；含有汞、镉等 有毒元素的废水进入水体后，这些元素被水生植物吸收和富集，鱼类通过食用 这些水生植物的途径将这些元素富集在体内，人类则通过食用中毒的鱼类进一 步将这些元素富集在人体内，从而导致患病或死亡。通过食物链传递的方式， 人类最终成为了汞、镉等有毒元素的最后“落脚点”。 1 2 城市河流生态修复技术的研究现状 目前，我国水体环境普遍受到污染，并仍在继续恶化中，水污染的加剧给 人们的生活带来了很大的影响，它所导致的水资源短缺问题直接威胁着人类的 饮用水的安全和身心健康，甚至进一步对工农业生产产生了一定的影响。随着 温饱问题的基本解决，人类对生活质量的要求越来越高，因此对水体污染进行 治理的工作也提上了日程。在过去的几年中，我国针对一些关键科学技术问题 也开展了很多研究工作，并在调查河流水质、采用生物措施对污染河流进行防 治、河流生态系统修复技术的研究等方面都取得了一定的成果。 1 2 1 国外的研究现状 早在上世纪8 0 年代，污水处理的生物技术就已在欧洲地区得到了广泛的应 用【”】。1 9 世纪中期，在的阿尔卑斯山区，大规模的河流整治工程降低了生物多 样性，并严重影响了人类的生活环境，河流生态修复技术的设计理念和方法开 始引起了人们的重视。自此基础上，德国提出了河道的整治需要符合植物化和 生命化的原理，并创立了“近自然河道治理工程”；该工程的实施使得流域内的 生物群落有了明显的改善；同时，被治理河流的自净能力得到显著的提高，水 质明显好转。19 8 7 年，利用生态系统修复技术对莱茵河进行治理，也为河流的 4 生态工程技术的发展起到了一定的推动作用。早在2 0 世纪9 0 年代，英国就利 用生态修复技术对一些河段进行了修复，并获得了较好了反映。在美国，关于 河流生态修复的发展也取得了一定成效，他们于19 9 2 年出版了水域生态系统 的修复，于19 9 8 年出版了河流廊道修复，并投入实践。在日本，澳大利亚 等国家，也分别进行了大量的研究。在0 6 年代的中期，日本政府在河流治理上 采取了河床的清淤疏浚和引入清洁水体稀释等防治污染措施，治理后其水质有 所改善，但很多水系仍未达到水质环境标准，于是从0 7 年代中期开始，在各地 连续开展了多种流域的直接净化试验l l 引。在人工水草技术方面，美国早在19 9 5 年就将阿科蔓生态基推广到了世界各地的水生态环境修复和水污染防治领域。 1 2 2 国内的研究现状 在国内，对生态修复技术也进行了很多研究。l9 8 8 19 9 0 年，在北京昌平 地区首次采用了人工湿地在自由水面流人工湿地研究中对污水进行处理； 19 8 9 - - ，19 9 0 年，为了便于芦苇湿地对城市污水的处理能力进行研究，天津环境 科学研究所建立了1 1 个实验单元，其中在研究过程中对与污水中主要的污染物 规律相关的有机负荷、停留时间和水力负荷等问题也进行深入探索；19 9 0 年， 国家环保局华南环科所携手深圳东深供水局在深圳白泥坑建立了湿地处理系统 实验基地，主要用于处理城镇的综合污水；此外，深圳市环境科学研究所也曾 经参与欧盟与中国合作的一项国际合作的研究，该研究课题的主题思路是利用 人工湿地系统的耗能低、费用低的特性，运用生态学方法对污染水体进行净化， 该人工湿地研究的试验点建立在深圳市的洪湖公园，并且还建成了小试、中试 的试验工程；现今已建成的人工湿地污水处理工程有深圳石岩的人工湿地工程 以及上海嘉定的娄塘人工湿地污水处理工程等。此外，一些研究人员对河流生 态修复技术的发展做了许多研究。陈荷生等人【l7 j 运用人工浮床技术对杭州市南 部的应加河进行了近5 个月的治理，使得此河的水体感官性状及水质均得了较 大改善，同时异臭味也得到了有效控制，周围区域的水质发生根本性的好转。 江栋等人i l 酬在进行治理受污染河流的过程中，对于一些暂时无法进行截污处理 的河流，采用了将废弃鱼塘改造成氧化塘，借此对河流上游的污染水体进行预 处理。王寿兵等人1 1 9 通过水生植物技术对遭到污染的城市河流中的进行了研 究，并取得了一定的成效。在福州，曾采用曝气生态净化系统对白马支河进行 治理，经过一个月的运行阶段，河道内的黑臭就基本得到了消除，运行一年后， 其净化后平均水质为：溶解氧维持在4m g l 左右、c o d 为2 2 6m g l 、b o d 5 为6 5m g l 、n h 3 n 为1 0m g l 、t n 为1 6m g l 、t p 为0 12m g l ，净化后 的水质已达到景观用水的水质指标川。在人工水草技术方面，河海大学王超、 田伟君等人仿照了水生臭轮藻的外观特点设计了一种新型人工水草，该人工水 草也具有一定的净化污水的能力。 总的来说，我国在河流生态修复方面仍处于一个起步和探索阶段，河流整 治工作基本处于水质改善和景观建设阶段，还存在很大的缺陷；因此，生态修 复技术的进一步完善将是城市河流发展的一个重要环节。 1 3 人工水草技术的发展趋势 近年来，随着河流污染的日益加剧，水环境的治理也逐渐引起了人类的关 注。在城市河流的治理过程中，生态修复技术凭借其耐污性、耐腐蚀性、无二 次污染等特性被人们所接受，并逐渐取代了物理修复技术和化学修复技术，人 工水草技术就是生态修复技术的一种修复形式。该技术旨在重建健康的河流生 态系统，它主要是由一些具有弹性和柔韧性的材料所制成的一种仿生水草填料， 该填料是仿照河流中水草的作用设计而成的。人工水草填料是以河流内的生物 菌群作为微生物种源，然后通过自然富集的作用在其表面形成一层膜，即“生物 膜”，生物膜通过其微生物的生命活动对水中有机污染和氮、磷等污染物质进行 降解作用，同时它对水体中悬浮物也有一定的去除效果。 ( 1