（环境科学专业论文）砾石河床对水体中氮的去除效果试验研究.pdf

河海大学硬士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ra s s o c i a t e dw i t hd e m o n s t r a t i o np r o j e c to nt e c h n i q u e sa b o u tw a t e r q u a l i 钞p u r i f i c a t i o no fp l a i nr i v e rn e t w o r ka n dw a t e rb o 咖e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n , w h i c hi s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a mo fc h i n at 8 6 3p r o g r a m ) t h i sp a p e rr e g a r d sg r a v e lc o n t a c to x i d a t i o nm e t h o d a st h eh a r d e n i n gp u r i f i c a t i o n t e c h n i q u e f o r p o l l u t e d r i v e rw a t e rb o d i e s t h e m e c h a n i s mo fw i p p i n go f fn i t r o g e nb yg r a v e lr i v e r b e dc o n s t r u c t e db yg r a v e lc o n t a c t o x i d a t i o nm e t h o di ss t u d i e d w i p p i n go f fn i t r o g e ne f f e c t so fg r a v e lr i v e r b e da n d n o m a ls o i lr i v e r b e da r ec o m p a r e d ，a n dt h ei n f l u e n c et ow i p p i n go f fn i t r o g e nc a u s e db y h y d r a u l i cc o n d i t i o nc h a n g e si sa l s os t u d i e di nt h i sp a p e r t h er e s u l to fr e s e a r c hs h o w st h a t ：( 1 ) b ea b s o r b e db yg r a v e lw a st h em o s t i m p o r t a n tc h a n n e lf o rt h en i t r o g e nb er e m o v e df r o mw a t e r t h ea b s o r b t i v ea m o u n t t o o kp r o p o 雌i o n7 6 8 0 a n d7 8 9 0 t ot h ea l lr e m o v a la m o u n ti nt h ei n i t i a lp h a s e ， a n dt h e s en u m b e rc h a n g e dt o5 0 5 1 a n d5 2 1 1 a t t h ee n do fe x p e r i m e n t o n l y 2 8 7 5 8 8 n i t r o g e nw a sr e m o v e db ya m m o n i a v o l a t i l i z a t i o n d e n i t r i f l c a t i o ne f f e c t o fm i c r o o r g a n i s mt o o kp r o p o r t i o n1 9 2 0 a n d1 8 0 5 t ot h ea l lr e m o v a la m o u n ti n t h ei n i t i a lp h a s e ，a n dt h e s en u m b e rc h a n g e dt o4 6 6 1 a n d4 2 6 0 a tl a s t ；( 2 ) t h e n i t r o g e nr e m o v a le f f e c ti ng r a v e lr i v e r b e dw a se v i d e n t l yh i g h e rt h a nw h i c hi nn o r m a l s o i lr i v e r b e da th i g hv e l o c i t yc o n d i t i o n a tl o wv e l o c i t yc o n d i t i o n ，t h en i t r o g e n r e m o v a le f f e c ti ng r a v e lr i v e r b e dw a sh i g h e rt h a nw h i c hi nn o r m a ls o i lr i v e r b e da t f i r s t3 - - 4d a y s ，a n dt h e ne q u a lt oo rl o w e rt h a nw h i c hi nn o r m a ls o i lr i v e r b e d t h e a p p e a r a n c es h o w e dt h a tt h ee f f e c to fa d s o r b i n ga n de n t r a p p i n gn i t r o g e ni ng r a v e l r i v e r b e dw e r eb e t t e rt h a nw h i c hi nn o r m a ls o i lr i v e r b e d ( 3 ) n i t r o g e nr e m o v a le f f e c t s w e r ei n f l u e n c e de v i d e n t l yb yt h ec h a n g e so fh y d r a u l i cc o n d i t i o n t nr e m o v a le f f e c t w e r eb e s ta t “h i g hv e l o c i t ya n dl o wd e p t h ”h y d r a u l i cc o n d i t i o n n i t r o g e nw a sw i p e d o f fm o r eq u i c k l ya tt h eh i g h e rv e l o c i t yj ft h ed e p t h sw e r es a m ea n dt h er e m o v a lr a t e w e r eh i g h e ra tt h el o w e rd e p t hi ft h ev e l o c i t i e sw e r es a m e i i 河海人学硕上学位论文 k e y w o r d s ：h a r d e n i n gp u r i f i c a t i o n ，g r a v e lr i v e r b e d ，m e c h a n i s mo fw i p p i n go f f n i t r o g e n ，n i t r o g e nr e m o v a le f f e c t ，h y d r a u l i cc o n d i t i o n i l l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 u ， 论文作者( 签名) ：三& ：丞。 。辟c 乡月 ( 注：手写亲笔签名) 、 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) 一兰墨。c 7 莎年莎月 论文作者( 签名) 一毒玉孑氐。c 7 莎年勿月 ( 注：手写亲笔签名) 日 日 河海人学硕【学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及意义 人类的生产活动和生活活动已在大范围地改变着自然环境。当前，由于人口 的迅速增加、资源的过度开发和环境的急剧变化所引起的一系列尖锐的生态问 题，已经给人类的生存环境造成了严重的破坏。例如，河流在支撑人类社会的生 存与发展方面发挥着十分重要的作用。然而，由于人为活动的种种干扰作用加强， 我国江河流域普遍遭到污染，且呈发展趋势。水利部对全国7 0 0 余条河流约1 0 万k m 河长开展的水资源质量评价结果表明：水质污染严重而不能用于灌溉( 即 劣于v 类) 的河段约占l o 6 ，水体己丧失使用价值，受到污染f 相当于、v 类1 的河段约占4 6 5 1 1 。”。城市河流污染情况更为严重，据1 9 9 9 年我国环境状况 公报显示：我国流经城市的河段普遍受到污染，1 4 1 个国控城市河段中有6 3 8 为至劣v 类水质【4 】。在4 7 个环保重点河段中，2 9 8 为劣于v 类水质。这其中， 辽河流域、海河流域、淮河流域的城市地表水水质尤其差1 5 1 。 在造成河流污染的主要污染物有氮、有机物和挥发酚等，其中氮是造成水体 富营养化的重要原因之一。大部分氮以面源污染的形式排入河道。面源污染已成 为水环境的一大污染源或首要污染源。据美国e p a 的调查结果显示，美国6 0 的水体污染起源于面源 6 1 ，总氮的5 2 都是来自于农业径流污染【7 1 。在日本，稻 田是b i s w a 湖的最大污染源。在奥地利的北部地区，进入水环境的面源氮量远比 点源大。对丹麦2 7 0 条河流的调查表明，9 4 的氮负荷由非点源污染引起【8 】。荷 兰农业面源提供的总氮占水环境污染总量的6 0 【9 】o 由于农业生态系统的养分流 失是水体中硝酸盐的主要来源，在美国和欧洲的许多国家，水体中硝态氮超标的 现象十分普遍，己成为主要的环境问题【1 0 1 2 j 之一。我国水体遭受面源污染的情况 也很严重。据统计，1 9 8 5 1 9 9 5 年，我国化肥和农药施用量都翻了一番，至1 9 9 5 年分别达到了3 6 0 0 万t a 年和1 0 0 万t a 。化肥和农药的过量施用造成大量化肥、 农药随降水或灌溉水流入河道中，成为重要的面源污染【1 ”。以巢湖为例，面源 入湖t n 量占全湖输入量的比例超过6 8 1 1 4 l 。晏维金1 1 5 1 等人通过研究长江流域 1 9 6 8 1 9 9 7 年氮的输入、输出、平衡的生物地球化学循环，发现长江流域1 9 9 7 河海人学硕士学位论文 年氮的输入量、输出量和储存量分别为1 0 0 x 1 0 9 、6 7 x 1 0 9 、和3 5 x 1 0 9 k g ，分别 是1 9 6 8 年氮输入量、输出量和储存量的4 、5 和3 倍。在氮的输入中，1 9 7 7 年 以前，长江流域氮输入主要是生物固氮，年均固氮量约1 0 1 0 9 k g ；而在1 9 8 5 年 后，化学氮肥年均输入量约5 0 x 1 0 9 k g ，占总氮输入的5 0 以上。在氮的输出中， 1 9 9 7 年通过长江大通站水体中溶解态无机氮( d i n ) 的浓度和通量分别是 1 6 0 m g l 和1 4 0 x 1 0 9 k g ，与1 9 6 8 年相比约增加了1 0 倍。大约2 5 的氮输入通 过长江输送到东海，3 3 的氮输入通过反硝化和氨挥发进入大气中，剩余的氮输 入储存在流域内。已有的研究结果表明，长江流域的氮输入量，特别是化肥氮的 输入量，是造成长江输送无机氮通量上升的主要因素。 在诸多面源污染中，降雨径流污染也是最主要的营养盐来源之一。大量营养 盐在暴雨的冲刷下，从地表向水体迁移，导致径流中的污染物浓度远远超过非暴 雨期。以滇池为例，滇池流域的大清河，暴雨期n o ：一n 浓度比平时均值高1 6 3 倍1 1 6 】。由于有大量面源污染的存在，自1 9 9 3 年上海市建成苏州河一期污水截流 工程以来，苏州河的污水来源大大减少，但还是由于有大量面源污染的存在而不 能彻底解决苏州河污染问题【l ”。 氮是淡水生态系统初级生产力的控制性生源要素之一，但过量的氮的输入则 会导致以蓝藻为代表的藻类过分生长，消耗大量的氧气，促使其它水生生物消亡， 最终使水体发黑发臭而失去使用价值。此外，蓝藻分泌的藻毒素也严重影响人们 的饮用水安全。大量氨氮( 总氮的主要组成部分) 通过河流，进入湖泊、水库， 加速了湖泊的富营养化。根据对全国2 5 个大中型湖泊进行的调查，已趋富营养 化的湖泊达9 2 。按照国际上总氮( o 2 m g l ) 和总磷( o 0 2 r a g l ) 浓度作为湖 泊富营养化的评价指标，所调查的2 5 个湖泊中，多数湖泊总氮浓度一般高出 5 1 2 5 倍【1 8 , 1 9 】。江苏太湖、云南滇池、武汉东湖等湖水中的t n 、t p 含量的年上 升幅度也十分明显i 驯。大量氮进入水环境，不仅使水体水质功能降低，还会通 过食物链、饮水对水生生物、人体产生短期和长期的影响。1 9 9 0 年夏季，太湖 因富营养化导致水藻爆发，致使无锡市梅园水厂产水量由同产2 0 万吨减少到5 万吨，严重时已无水可取，造成4 6 家企业停产，直接经济损失达1 3 亿元【2 1 】。 目前，我国保护城市水生态系统的思路是：截污一控源一修复【4 j 。截污是整 个过程的首要环节。首先要减少进入河流的污染物质的量，才能遏制河流水质持 河海大学硕士学位论文 续恶化，河流生态系统濒临崩溃的趋势。目前，我国的污水集中处理措施并不完 善，据统计：我国城市污水集中处理率仅为1 5 ，全国超过8 0 的城市污水未 经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体。据清华大学紫光顾问公司调 查：我国污水处理设备运行状况是1 3 运行正常、1 3 不正常、1 3 处于闲置状态， 污水处理厂的实际运转率只能达到5 0 ，已上马的多数城镇污水处理厂都还没有 有效的脱氮工艺设施，造成较多的氮营养盐排入水体【2 2 】。更进一步的，鉴于面 源污染的特点，单靠截污的手段，并不能有效地阻止氮进入水体。美国等发达国 家的研究发现，即使是点源污染全部实现零排放，河流的达标率也仅有6 5 ，湖 库的达标率更是仅有4 2 。此外，由于受气候、水文等因素的影响，面源污染带 有一定的不确定性，监测、管理和控制难度大而复杂。 因此，发展廉价的，便 于控制和管理的，能有效提高河流自净能力的污染河水强化净化技术成为了当务 之急。 本论文以国家8 6 3 重大科技项目“河网区面源污染控制成套技术”中的 子项目“河网水质强化净化与水体修复技术及示范工程”为背景，拟研究污染河 水中氮被人工砾石河床截留、降解的过程，从而为河网水质强化净化技术提供科 学依据。 1 2 国内外河流水质强化净化技术研究现状 河流水质强化净化技术种类繁多，各种技术对于不同类型的河流以及不同的 污染物类型，其净化效果也是不同的。为了更好的发挥各种净化技术的效能，特 总结主要净化技术的适用范围，如表1 1 所示： 河海大学硕士学位论文 表1 1 河流水质强化净化技术分类及适用范围 技术分类 技术名称 适用污染类型 适用河流类型 主要机理 1 2 1 物理方法 物理方法主要是指疏浚底泥、机械除藻和引水稀释等。 1 2 1 1 底泥疏浚法 河床的底泥中含有许多氮磷营养盐和有机物，它们在一定条件下会从底泥中 溶出，使水质恶化，并造成恶臭【”。疏浚污染底泥就是将污染物从河道系统中 清除，可以较大程度地削减由底泥造成的上覆水体污染，从而达到改善河流生态 系统健康水平，净化水质的目的。但是，并不是所有的疏浚底泥的措施都能取得 预期的效果，李文红【冽等的研究发现，若疏浚深度不足以疏浚掉大部分受污底 泥，则疏浚对于抑制底泥向上覆水体释放有机污染物的作用是微乎其微甚至是相 反的。 1 2 1 2 机械除藻法1 2 6 】 机械除藻措施主要应用于湖泊和缓流水体的水质改善。以上海市曹杨环浜河 道水环境整治为例，为消除积聚于水面的水华蓝藻对环境的污染，设置便移式浮 性藻类水华清除装置其主要原理是借助风力或造流水流使浮性藻华积聚于设 置在河床横断面上的“v ”形拦藻浮栏内，然后用安装在“v ”形浮栏尖端处的 吸藻器，将积聚的藻华泵吸至过滤斜筛的“富藻水”分配槽内，并过滤去除藻华。 4 河海大学硕士学位论文 1 2 1 3 引水稀释法 引水稀释的原理是通过闸门、泵站等水利设施的调控，引入污染河道上游或 附近的清洁水源以改善下游河道水质。它的作用不只是增加水量、稀释污水，更 重要的是增大水体的自净系数，从而增强水体的自净能力。其原理是：引入的清 洁水源在增加流速，激活水流的同时，使水体中溶解氧的浓度增加，水生微生物、 植物的数量和种类也相应增加。由于水生生物活性增强，水质通过多种生物的新 陈代谢作用朝着净化的方向发展p7 1 。引水稀释净化污染水体可达到立竿见影的 效果，投资也相对较少，因此被许多国家用来改善水环境。美国芝加哥曾花了 3 3 年的时间，建造了3 条总长1 1 3 k m 的人工运河，将密执安湖的水引入芝加哥 河，增加了该河的径流量并改善了水质。在国内，同样取得成功的还有上海 苏州河的综合调水工程和福州内河的引水冲污工程【3 0 】。但是此类方法往往治 标不治本，且容易造成下游水体的污染。 1 2 2 化学方法 化学净化法主要是指向污染水体中投加化学药剂，通过药剂与污染物质发生 化学反应，使水体中的污染物得以去除的一种方法。化学方法包括混凝沉淀、药 剂杀藻、铁盐除磷、石灰脱氮等方法。近来还出现了一些新技术，如光催化技术， 用于降低c o d 和色度。化学净化法由于投加化学药剂，所以治理费用较高，而 且还易造成二次污染。固该法一般不单独使用。 1 2 2 1 化学混凝技术 王曙光等人1 3 1 】利用化学强化一级处理技术( c e p t ) ，对深圳市4 条污染河流 的水样进行了处理实验。采用聚合氯化铁( p f c ) 做混凝剂，实验结果表明，在c a o 投加量为9 0 m g l 、p f c 投加量为5 0 m 【g l 条件下，p f c 对浊度、c o d 、s s 、t p 有显著的去除效果，对t n 、重金属也有一定的去除效果，处理后河水的水质指 标均达到或接近国家地表水水质标准，证明其技术上是可行的。 2 0 0 3 年孙从军1 3 2 l 等人又以改性硅藻土为混凝剂，对具有不同污染特征的苏 州河各支流污染水体进行了化学强化一级处理试验研究。结果表明：硅藻土对 c o d o 和p 具有较高的去除效率，而对n h 3 n 的去除率不高，混凝剂的最佳投 药量随原水水质的不同而不同，不同污染河水水质对硅藻土的混凝效果有比较显 河海大学硕士学位论文 著的影响，表现为在混凝剂的最佳投药量条件下，c o d o 去除量与原水c o d c ， 之间存在着显著的线性关系。 1 2 2 2 光催化技术 该技术是利用光催化剂中内光辐射所形成的电子和空穴的强氧化性和强还 原性，将溶解在水中的各种有害物质分解成无害化合物【”】。 2 0 0 3 年崔玉民报道了用光催化剂t i 0 2 对西清河废水进行了废水处理研 究。实验结果表明：随着催化剂用量的增加，c o d 、色度的去除率逐渐增大， 但当其用量超过0 5 9 时，c o d 、色度的去除率增加缓慢，超过0 6 9 时开始一f 降； 当p h 6 5 时，随着p h 值升高，c o d 、色度 去除率均降低，随着光照时间延长，c o d 、色度去除率逐渐升高，但当光照时 间超过1 0 h 后，c o d 、色度去除率升高幅度非常缓慢。当催化剂用量为o 6 9 、 p h = 6 5 、光照1 2 h 时，西清河废水的c o d 、色度去除率分别达到7 5 o 和7 8 5 。 1 2 3 生物生态技术 1 2 3 1 曝气法 河道曝气技术主要应用于尚未实现污水截留的河道以及应对突发性污染事 件，例如夏季长时间高强度降雨之后，城市雨一污排水系统溢流的情况。在河流 水质变化的不同时期应用河道曝气技术，可以分别达到消除黑臭，减少水体污染 负荷，促进河流生态系统的恢复等目的。因此，河道曝气作为一种投资少、见效 快的污染治理技术在我国河流，湖泊一污染的综合治理中具有广阔的应用前景。 河道曝气复氧一般采用固定式充氧站和移动式充氧平台两种形式。曝气设备 有叶轮式曝气机、水车式曝气机、射流式曝气机以及曝气复氧船等。根据需曝气 河道水质改善的要求、河道条件、河段功能要求、污染源特征的不同，应采用不 同的复氧方式及设备。例如，当河水较深，需要长期曝气复氧，且曝气河段有航 运功能要求或有景观功能要求时，一般宜采用固定式充氧站，即在河岸上设置一 个固定的鼓风机房或液氧站，通过管道将空气或氧气引入设置在河道底部的曝气 扩散系统，达到增加水中溶解氧的目的【3 5 1 。德国梅塞尔( m e s s e r ) 集团开发的b i o x 工艺，应用微孔软管曝气垫，可使水深5 m 时氧利用率高达8 0 。通过上海苏州 河新径港下游的应用实例和中试，结果表明，该工艺具有设备简单、运行安全可 6 河海大学硕士学位论文 靠、维修极少、不产生任何噪声、对河水流态不产生扰动等突出优点，尤其适用 于航运繁忙的具旅游景观功能的市区河道治理1 3 6 】。徐颖【3 7 】等人的研究表明，当 底泥受扰动时，水中溶解氧的下降主要由底泥中还原性物质的耗氧造成，因此， 对于底泥较厚的浅水河道，其水处理宜采用不易扰动底泥的曝气，或建立局部深 水区后实施曝气等方式。当需要曝气增氧的河段上有河道航运功能时，移动式充 氧平台因其可以自由移动而比固定式充氧站受到更多的青睐。在各种移动充氧设 备中，国外报道较多的是曝气船。这种曝气形式的突出优点是可以根据曝气河道 水质改善的程度，机动灵活地调整曝气船的运行，从而达到经济、高效的目的。 f o x l n 多功能水质净化船在上海浦东张家浜的中试试验表明，该工艺可以迅速 消除河水黑臭，恢复景观水的功能l 心。德国b e r l i n 河上1 9 9 4 年运行的曝气复氧 船，充氧能力5 t d ，极大地保持了河流水体的水质和净化功能。英国泰晤士河1 9 7 7 年运行的充氧能力1 0 t d 和1 9 8 5 年运行的3 0 t d 的曝气复氧船，极大地改善了暴 雨期间地面径流、污水处理厂排水和混合污水溢流等冲击负荷污染【3 9 】。 李开明【4 0 j 等研究了不同增氧方式对黑臭河道水体增氧效率的差异。利用叶 轮式曝气机、水车式曝气机、射流式曝气机等3 种不同曝气方式的曝气设备进行 了黑臭河涌曝气试验。在功率和增氧能力一致的前提下，无论是河道水体增氧效 果、c o d c r 、n h 3 n 去除效果，还是河道菌一藻生态系统的建立、自净能力的 启动，水车式增氧机均优于其它两种增氧机，而且存在投资少、安装维护方便、 运行费用低等优点。适应于河道窄、水流缓、截污难度大的城郊中小型黑臭河道 的治理。 熊万永【4 1 】等在传统河道曝气工艺的基础上，发展了人工曝气生态净化系统 治理黑臭河流的技术。曝气生态净化系统是以水生生物为主体，辅以适当的人工 曝气，建立的人工模拟生态处理系统，以高效降解水体中的污染负荷、改善或净 化水质，恢复水生态的一种污水处理工艺，是人工净化与天然生态净化相结合的 工艺。它是在曝气生物塘和人工湿地基础上发展起来的一种污水净化与资源化相 结合的技术。曝气生态净化系统的原理是：通过人工曝气，保证水体的好氧环境， 提高水体中好氧微生物的活性。人工曝气能在河底沉积物表层形成一个以兼性菌 为主的环境，并使沉积物表层具备了好氧菌群生长刺激的潜能。事实上，在采用曝 气生态净化系统的黑臭河道内形成了一种多种微生物和水生动植物共存的复杂 河海大学硕士学位论文 生态系统，有细菌、真菌、霉菌、藻类、原生动物、后生动物、底栖动物、水生 动植物等的存在。它们通过物理吸附、生物吸收和生物降解等作用以及各类微生 物和水生生物之间功能上相辅相成的协同作用去除污染物，并形成食物链网，达 以去除污染物目的。同时人工曝气还能及时将氧气输送到根区附近，保证水生根 区周围的好氧环境，以发挥生态净化系统的最大净化功能。 国外应用人工曝气生态净化系统处理城镇、农村污水已较为广泛，如日本采 用此类净化工艺的系统已达2 万套，占农村污水处理设施总数的9 0 以上1 4 创。在 我国，福州市白马支河在应用该系统一个月后，由原来的黑臭，变为达到景观用 水要求。 1 2 3 2 生物直投法净化技术 生物直投法净水新技术是一种污水治理新模式，它是利用现代生物技术，通 过选育和培养高效的去污菌，制成微生态制剂，高密度直接投放到受污染的水体 中，利用多种微生物的协同降解作用将污染物去除，从而达到净水的目的【4 3 】。 为去除河道中多余的氮，常采用加入固定化氮循环细菌技术。该技术将氮循 环细菌固定在应用了低温辐射技术诱导玻璃态单体聚合制各成的载体上。研究表 明利用氮循环细菌能有效去除水体中的t n 和n h 4 一n ，以太湖污染较严重的五里 湖为例，应用氮循环净化装置，实验第4 天，t n 和n t - 1 4 n 出水的浓度比进水的 浓度分别下降5 6 和7 2 ，第6 天，t n 和n h 4 n 分别下降7 4 和8 9 7 。此外， 将人工培养的高密度光合细菌，投人水体，也能加速水体物质循环，改善水体环 境【“。 1 2 3 - 3 河水全量集中净化法 该方法的实质是在原有河道中建设处理装置，或将污染河水引入紧靠河流的 处理装置，处理全量的河水，河水经全量处理后再放回河流的下游。这种方法适 用于河流水污染非常严重，且河流水排入富营养化现象非常明显的湖泊中的状 况。这种方法对去除河水中的s s 、t p 、t n 、b o d 等非常有效。 该处理方法的优点是对于水体污染严重、靠自净能力已积重难返的河流，该 方法可以在短期内取得相当好的净化效果。缺点是实旆时需要大量的投资，并且 在同后的运行管理时也要求有一定的管理技术及经费m 】。 以该方法为原理的污染河流治理技术有：类污水处理厂净化技术、地面廊道 l 】j 海上学硕 ：学位论文 处理技术、薄层流净化技术、伏层流净化技术以及砾间接触氧化净化技术等。 类污水处理厂净化技术 此技术的实质是将污染河水引入类似于城市污水处理厂的净化装置中，其中 的污染物质经过微生物的降解以及水生动植物的吸收转化将净化后，再将其重新 排入下游河道。 赵生成【4 6 】等将该处理方法应用于温榆河污染治理。其流程是，首先在原有 河道一侧开辟一个生化处理区，并在其进水端设置一道挡水墙，其上堆放大小不 同的卵石格栅。同时在原有河道上设置一座截水坝，根据水位要求使河道上的截 水坝高于一定量的挡水墙，使河水自流通过布有卵石格栅的挡水墙，先去除较大 颗粒的固体漂浮物后流入前端的沉淀池，沉淀池中布有自然山石景观，污水经过 在此循环沉淀后进入生化处理区前端的进水池，最后污水通过设置在生化处理区 前端拦水墙底部的洞口，从进水池的池底均匀地自下而上进入生化处理区。生化 处理区的上、下各设置一层j w 型拦截网，在上下网之间投放j h e 型高效微生物 载体，同时在下网底部设置j a d s 曝气系统。生化处理区顶部两侧的出水端分设 三角形溢流堰，调节出水的均匀性。这样使河水从生化处理区的底部自下而上均 匀地穿过载体层后通过三角堰进入两侧的流水槽，流入原河道的下端，达到净化 水质的目的。 该技术采用生物方法和化学方法将游离细胞和生物酶固定在生物载体上，使 其保持活性并可反复利用，具有生物密度高、反应迅速、生物流失量少、反应控 制容易的特点，c o d c ，、t n 、氨氮和t p 的去除率分别达到6 3 9 5 、5 5 9 2 、 7 4 2 9 和7 5 7 8 。 地面廊道处理技术 地面廊道是一种类似于人工湿地技术的污染河水处理系统，其主要优点是： ( 1 ) 种植植物的湿地周围由不透水的墙体包围形成廊道，因存在坡度，廊道内水 位由浅至深逐渐加大，廊道的末端因蓄水较深，在一定程度上起着厌氧塘的作用。 ( 2 ) 该系统对地形适应性很强，系统沿程可以笔直亦可有急弯。适于应用在地形 复杂，河床高程沿线变化较大的山区河流。地面廊道处理系统成功运行的典型当 属荷兰m e i j i e 河旁一个廊道处理系统。此廊道全长36 0 0 m ，宽约9 m ，廊道内长 有各种水生植物，水流流速常年平均约2 4 m d 。1 9 9 0 年全年实验资料表明，该系 洲海人学硕j j 学位论文 统对水体中t n 、t p 等水质指标有很好的去除效果i 4 7 _ 5 “。 薄层流净化技术【4 卅 该技术的处理装置比较简单，只需增加河面的宽度使水深变成数厘米深的薄 层流通过河床，增大河水与河床的接触面积。其原理是：河流自净能力主要通过 附着在河床及水生植物上的生物膜降解污染物来实现，单位面积微生物膜处理的 水量越少，则处理的效果越好。薄层流净化技术正是着眼于此，该技术采用增大 生物膜的附着面积，以减少单位生物膜的处理水量而提高河床的自净能力。河床 变宽后，可使河流的净化能力达到原来的数倍到十数倍。在应用此技术时应注意 如下几点：( 1 ) 本技术需进行大规模的工程建设并由此涉及用地问题，因此需要 对地形进行现场踏勘；( 2 ) 要作充分的环境影响评价，确保工程后变浅的水深不 使河流的景观及生态系统受到不良影响。 伏流净化技术【4 5 j 2 】 所谓伏流即从河床向地下渗入沿地下水脉流动的地下水流。该方法可被看作 是一种缓速过滤法( 微生物膜过滤) ，整个河床是一个大的过滤池，由河床上附着 的生物膜构成缓速过滤池的过滤膜，污染的河水经过滤膜的过滤作用缓慢地向地 下扩散，成为清洁的地下水。经泥沙过滤后的伏流水相对水质良好，再用水泵抽 出并送回河流。其流程如图所示 考虑采用伏流净化法时，对能否保证必要的取水量、河床过滤可能的伏流量 等必须进行充分的调查和论证。论证的主要方法是，把用于取水的集水管埋设于 河床底下，因为集水量与河床构造、地下水水位和流向、集水管的管径及埋设深 度等条件有关，因此，在经过、必要的试验集水以后，确定取水量和伏流水量基 本保持均衡时的各种设计条件，然后进行实际施工。 砾间接触氧化技术【4 5 j 3 】 该技术通过在河流中放置一定量的砾石做充填层，使河流断面上微生物的附 着膜变为多层，水中污染物在砾间流动过程中与砾石上附着的生物膜接触、沉淀， 进而被生物膜作为营养物质而吸附、氧化、分解，从而使水质得到改善。该技术 的实质是采用人工的方法使单位河床面积上附着的生物膜面积增大以提高河流 的净化能力。采用该方法时需对砾石自j 空隙内的污泥进行定期清理。若河流水的 b o d 浓度高于3 0m g l ，有必要在砾石层下部设置曝气装置，以增加下部河水 河海大学硕士学位论文 的溶解氧浓度，提高净化效率。 1 2 3 4 植物净化技术 植物修复技术是以水生植物( 沉水植物、浮水植物和挺水植物) 忍耐和超量 积累某种或某些化学物质的理论为基础，利用植物及其共生生物体系清除水体中 污染物的环境污染治理技术【5 4 - 6 0 1 。王超1 6 1 j 等人运用数值模拟和参数优化估算技 术，确定氨氮在河道两岸有、无芦苇等植物条件下的衰减系数和削减量：氨氮通 过河道两岸的芦苇带时，浓度显著降低，模拟模型的衰减系数是无芦苇生长的混 凝土护坡河段的3 倍左右，氨氮的削减量也达无芦苇生长河段的2 倍左右。也有 学者认为植物修复营养化水体的作用不仅局限于水生植物利用发达的根系吸收 水中的营养盐物质，还可能与植物及其共生菌的分泌物有关【6 2 】，李科德1 6 3 l 等认 为，含氮有机化合物分解所产生的氨氮一部分通过植物吸收和挥发作用而去除， 但大部分是通过硝化作用和反硝化作用的连续反应而去除。 常见的河道植物净化技术有人工湿地技术、生物浮床技术等。 人工湿地技术 作为2 0 世纪7 0 年代发展起来的污水处理技术，人工湿地技术从2 0 世纪8 0 年代起逐渐在河流污染治理和生态修复中发挥重要作用。该技术主要是利用土壤 微生物植物生态系统的自我调控机制和对污染物的综合净化功能，使河流水质 得到不同程度的改善。污水中的氮、磷一部分可被植物直接吸收，一部分可通过 微生物的作用降解去除；大部分的颗粒物可在人工湿地的缓流环境中通过过滤、 沉降而去除。国内外2 0 0 余座人工湿地系统的运行统计数据显示：n 平均去除率 在潜流型人工湿地中为3 0 4 0 之间，在表面流人工湿地中大多高于5 0 ；t p 在通过人工湿地后的出水浓度一般高于l m g l 6 4 1 。 生态浮床技术【删 生物浮床技术是按照自然界自身规律，人工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，通过植物根部的吸收、吸附作用和物种竞争相到 净化水质的效果，同时又可营造水上景观。目前，在世界范围内生物浮床技术尚 处于试验阶段。将什刹海作为试验区进行试验，试验区封闭水体的透明度好于湖 中天然水体，t p ，t n 含量呈逐渐下降趋势，说明生物浮床技术用于河湖水体修 复效果良好。在有效改善水质情况下，也较好地改善了水系环境。水系周围空气 河海大学硕士学位论文 清新，在绿叶丛中红花、黄花争相斗艳，观花赏景的人也络绎不绝，营造出了一 幅水上人文风景画卷。 1 2 4 混合技术 随着人们的对河道处理的不断深入研究和实践，国内外出现了不少新工艺， 这些方法有个共同点就是朝着组合工艺的方向发展。组合工艺即利用两种或两种 以上的优点相结合，改良成的多功能工艺。 1 2 4 1 混凝技术+ 生物膜技术 对于可生化性较差且c o d c r 浓度较低的河水，可以采用先生化去除氨氮再 混凝去除难降解c o d c r 的修复办法，或者采用先混凝去除胶体态c o d c r 再生化 去除溶解性c o d c r 和氨氮的修复方法；对于可生化性较好的河水可以采用先生 化去除可降解性c o d c r 再用混凝的方法进一步提高水质。若要同时去除氨氮， 可采用多级生物修复的办法。采用先生化后混凝的方法，可以使生化过程产生的 絮体在混凝过程一并去除，避免了在生化后再次进行沉淀的工序【。研究表明， 颗粒态有机物的存在会影响生物膜的厚度、介质有限表面以及溶解氧的扩散，进 而阻碍溶解态有机物的去除和硝化反应 6 刀，因此，水中的颗粒物被絮凝后再进 行生化，可以减小生物处理过程的负荷，提高生物处理过程的速率1 6 8 1 。可见， 在对污染河水进行修复时，先混凝后生化的修复工艺，亦有其优越性。 1 2 4 2 悬浮填料移动床 悬浮填料移动床是以比重接近于水的悬浮填料直接投加到曝气池中作为微 生物的活动载体，依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用处于流化状态，它悬浮 生长的活性污泥法与附着生长的生物膜法相结合的一种工艺【6 9 1 。试验结果表明， 在适宜的水温条件下，进水氨氮一 3 5 时， 即可认为碳源充足，能够保证反硝化反应的顺利进行。 本试验中，各项环境指标均在上述要求范围之内，可以推断适合硝化菌及反 硝化菌生长繁殖，其具体数值见表2 7 ： 表2 7 第一次试验环境指标表 日期d o p h tc o d m 。日期d o p h t c o d m 。 4 2 7 4 2 8 4 2 9 4 3 0 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 5 6 0 6 0 3 0 2 0 2 0 2 0 4 0 6 0 4 o 5 0 5 0 4 0 ，3 0 8 0 7 o 5 1 0 1 0 1 0 1 7 1 9 2 1 2 2 2 0 1 9 2 2 2 1 1 9 2 0 2 1 2 1 7 82 2 22 2 ，1 95 7 7 82 3 92 0 6 l5 ，8 7 8 2 5 21 7 1 75 9 7 82 3 91 2 9 15 1 0 7 82 3 58 6 75 1 1 7 82 0 37 2 75 1 2 7 82 0 56 8 05 1 4 7 82 1 27 2 25 1 6 7 32 2 1 9 0 8 5 1 8 7 32 1 o8 9 65 2 0 3 1 3 1 3 _ 2 1 4 1 4 1 6 2 2 2 1 2 1 3 7 3 9 3 7 6 2 6 6 6 6 4 6 4 9 5 0 2 6 3 5 4 2 5 6 5 7 5 9 6 7 6 6 6 6 6 3 6 2 6 o 7 32 0 36 8 3 7 62 1 67 1 7 7 62 1 97 7 7 7 32 0 66 4 1 7 42 2 94 8 9 7 32 2 74 9 6 7 52 1 0 2 1 9 7 32 0 52 0 6 7 32 1 13 1 3 7 32 0 43 1 7 河海人学硕上学位论文 5 2 4 5 2 5 5 2 6 5 2 7 5 2 8 5 3 0 6 1 0 2 o 3 o 2 o 3 0 6 o 2 0 3 0 6 0 - 3 o - 3 0 1 0 1 0 1 0 0 o o o 7 0 5 0 4 o 1 o 1 0 2 0 9 o 7 0 6 1 , 5 1 6 1 7 8 32 3 14 1 6 36 7 8 32 1 63 3 0 8 6 1 0 8 3 2 2 1 3 0 6 0 6 1 3 8 02 2 33 3 5 86 1 6 7 82 1 93 4 4 56 1 9 7 32 2 91 5 3 8 6 2 2 7 32 5 11 0 - 3 36 2 5 7 1 2 5 99 1 96 2 8 7 12 6 77 2 27 1 1 9 2 0 2 2 1 3 1 2 1 1 1 5 2 3 1 6 1 6 3 4 3 8 5 0 5 4 5 2 2 0 2 4 2 9 2 7 2 8 2 6 4 5 4 t 3 4 8 4 2 4 4 4 2 7 12 3 87 1 1 7 02 5 o8 2 9 7 3 2 5 77 5 1 7 32 6 46 4 5 7 3 2 8 56 0 1 7 32 8 55 7 6 7 - 32 9 65 9 2 7 32 8 - 34 5 3 7 _ 33 0 84 4 6 注：1 d h 、t 以及c o d 值均为三个断面实测值的平均值。 2 由于水流等因素的影响，d o 值在全河段范围内相差较大，因此将 三个断面值分别列上。 从上表可以看出，p h 和温度值在试验的全过程中都非常适合硝化菌和反 硝化菌的生长。水中d o 浓度在试验前期( 第一次试验的前4 天，第二次试验 的前7 天) 低于o 5 r n g m ，适宜反硝化细菌生长，但由于此阶段水中t n 主要 以氨氮形式存在，而较低d o 值不适合硝化细菌生长，抑制了氨氮向n o x n 的转化，因此，这一阶段反硝化作用并不明显。随着原水逐渐得到净化，d o 浓度逐渐升高，环境适合硝化细菌生长，更多的n h 4 n 被转化为n o x n ，随 着电子供体的增多，反硝化细菌利用砾间的兼性厌氧环境将n o x n 反硝化为 3 7 河海大学硕l 学位论文 n 2 和n 2 0 从水体中去除。 利用电子显微镜拍摄的砾石上的微生物膜照片，如图2 1 6 所示： 图2 1 6 砾石上的微生物膜 2 3 4 2 藻类作用 尽管p a n o 和m i d d l e b r o o k s i8 5 】可以较精确的拟合出n h 4 + 的去除仅与温度和 p h 有关，但是有研究表明，其更与p h 和藻类的生长密切相关。藻类因为可以 吸收氨氮，继而腐烂、沉淀，而将氨氮从水中带入沉积层而被看作是氮去除的重 要途径，同时藻类的存在还为氧气与硝化菌接触提供了良好的场所。本次试验期 间，也观察到大量藻类存在，如图2 1 7 所示。 碎石上小球藻属( c h l r e l l ab e i j l静裸藻属( e u g l e n ad e s e se h r e n b e r g ) 河海大学顶i j 学位论文 尾裸藻( e u g l e n ac a u d a t e ) 小球藻属( c h l r e l l ab e i j ) 及舟形藻属( n a v i c u l ab o r y ) 圈2 1 7 附着在砾石表面的藻类 2 3 5