（水力学及河流动力学专业论文）污染水体直接净化技术试验研究及应用.pdf

摘要 水环境污染己成为全球重要的环境问题之一，而城市河流的污染则显得尤为 突出。珠江三角洲地区是我国经济最发达的地区之一，近年来，随着经济发展和 城市人口的增加，水质不断恶化，严重影响了居民生活和城市坏境，制约了城市 生态建设和城市经济可持续发展。本论文针对这些问题进行了研究，结合河涌水 体直接净化试验，在以下几方面取得了进展： ( 1 ) 结合国内外河流水体直接净化技术现状、发展趋势及存在问题，对珠江三 角洲城市河流适宜的直接净化技术进行了探讨。认为该区域城市河流水体交换不 畅，污染十分严重，适合采用高效生物处理技术对河流水体进行直接净化，才能 取得比较好的处理效果。 ( 2 ) 在河道内高效生物处理技术方面，本论文探讨了“沉箱式 和“浮岛式 生物处理技术的结构形式，以及处理效果，认为该两项技术是比较适合的方式。 ( 3 ) “沉箱式 生物处理技术是一种安装在河道底部的水体污染直接净化系统； “浮岛式”生物处理技术是一种安装在河道表面的水体污染直接净化系统。这两 项技术涉及的技术有：集高效生物载体技术、固定化微生物技术、曝气技术，均 是多种技术的优化集成，在河道污染直接净化方面具有相当多的优势。 ( 4 ) 在高效生物载体( 填料) 选择方面，本论文选用聚氨酯填料与其它填料进 行对比试验，通过对比试验得出：聚氨酯填料对c o d 、n h 3 n 和悬浮颗粒物的去 除效率均占优，适合珠江三角洲城市河道污染水体水质特征。 ( 5 ) 在聚氨酯填料挂膜稳定后，系统研究了不同环境条件对水体中的污染物去 除效果的影h 向，得出了生物反应器的最佳性能参数。 ( 6 ) 适量添加高效微生物、填料填充率为有效体积的8 0 、气水比为3 ：l 、h r t 为3 h 的最佳条件下，该处理系统对河涌水体中c o d 、n h 3 n 和悬浮颗粒物的去 除率分别达6 5 、9 7 5 、9 9 ，与其它相关技术相比，具有明显的技术优势。 ( 7 ) 结合实例工程，对“浮岛式”和“沉箱式 生物处理系统进行了初步设计， 并对处理效果和技术的适宜性进行了探讨和分析。 关键词：水污染；直接净化；生物试验；沉箱式生物处理系统；浮岛式生物处理 系统；珠江三角洲 a b s t r a c t w a t e re n v i r o n m e n tp o l l u t i o nh a s b e c o m eo n eo ft h e i m p o r t a n tg l o b a l e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，a n dt h ep o l l u t i o n o fc i t ys t r e a ms e e m sp a r t i c u l a r l y o u t s t a n d i n g p e a r lr i v e rd e l t ar e g i o ni s o n eo ft h em o s td e v e l o p e dr e g i o n si no u r c o u n t r y , a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n d t h ei n c r e a s eofc i t yp o p u l a t i o n ， w a t e rq u a l i t yc o n s t a n t l yd e t e r i o r a t e ，i th a sa f f e c t e dt h er e s i d e n t sl i f ea n dt h ec i t y e n v i r o n m e n ti n s e v e r i t y , a n d r e s t r i c t e dt h ec o n s t r u c t i o no fc i t yz o o l o g ya n d s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa tt h e s ep r o b l e m s ，c a r r i e s t h r o u g hc o r r e l a t i v es t u d y , c o m b i n e sw i t ht h er e s e a r c ho fd i r e c tp u r i f i c a t i o n w a t e r b o d yt r i a l ，a c q u i r ep r o g r e s si nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) c o m b i n ew i t ht h ep r e s e n ts t a t u sa n dt e n d e n c yo fd e v e l o p m e n to fd i r e c t p u r i f i c a t i o nw a t e rb o d yt e c h n i q u ea th o m ea n da b r o a d ，a n dc o m b i n ew i t ht h ee x i s t e d p r o b l e m s ，d i s c u s st h ep r o p e rd i r e c tp u r i f i c a t i o nt e c h n i q u eo fp e a r lr i v e rd e l t ar e g i o n t h ew a t e rb o d yi nt h i sr e g i o nd o e sn o te x c h a n g es m o o t h l y , t h ew a t e rp o l l u t i o ni sv e r y s e r i o u s ，a n di ti ss u i t a b l ef o ru s eh i g he f f i c i e n c yb i o l o g i c a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u et o d i r e c t l yp u r i f yt h ew a t e rb o d y t of e t c hab e t t e re f f e c t ( 2 ) i nt h ea s p e c to fh i g he f f i c i e n c yb i ol o g i c a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei nr i v e r ，t h i s d i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ef r a m e ，p a t t e r na n de f f e c t o ft h e “c a i s s o n s e t ”a n d “f l o a t i n g s e t ”b i ol o g i c a lp r o c e s s i n gs y s t e m b o t ht h et e c h n i q u e sa r e s u i t a b l e ( 3 ) “c a i s s o n s e t ”b i o l o g i c a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e i sad i r e c tp u r i f i c a t i o nw a t e r b o d ys y s t e mw h i c hi n s t a l l e d a tt h eb o t t o mo fr i v e r ；a n d “f l o a t i n g - s e t ”b i o l o g i c a l p r o c e s s i n gt e c h n i q u ei sad i r e c tp u r i f i c a t i o nw a t e rb o d ys y s t e mw h i c h i n s t a l l e do nt h e s u r f a c eo fr i v e r t h et w ot e c h n i q u e sr e f e rt os o m et e c h n i q u e ss u c ha sh i g he f f i c i e n c y v e c t o rt e c h n i q u e i m m o b i l i z a t i o nm i c r o b et e c h n i q u ea n da e r a t i o nt e c h n i q u e ，b o t ha r e t h eo p t i m i z a t i o ni n t e g r a t i o no fv a r i e t yk i n d so ft e c h n i q u e s ( 4 ) i nt h ea s p e c to fs e l e c to fh i g he f f i c i e n c yv e c t o r ( p a c k i n g ) ，w ec o m p a r et h e p o l y u r e t h a n ep a c k i n g w i t ho t h e r p a c k i n g a c c o r d i n g t ot h ec o n t r a s tt r i a l ， p o l y u r e t h a n ep a c k i n gh a sa d v a n t a g e si nr e m o v a l o fc o d 、n h 3 一na n ds s ，i ti ss u i t a b l e f o r t h ep o l l u t e dw a t e rq u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c so fp e a r lr i v e rd e l t ar e g i o n ( 5 ) a f t e rt h es t a b i l i t yo fp o l y u r e t h a n ep a c k i n gl i n k e d t of i l m ，i n v e s t i g a t et h e e f f e c to fd i f f e r e n te n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so nt h er e m o v a lo fp o l l u t a n t si nw a t e r b o d y , a c q u i r et h eb e s tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r o fb i o l o g i c a lr e a c t o r ( 6 ) u n d e rt h eb e s tc o n d i t i o n s ：p r o p e ra d d i t i o no fh i g he f f i c i e n c ym i c r o b e s ， p a c k i n gf i l le f f i c i e n c yi s8 0 o fe f f e c t i v ev o l u m e ，r a t i oo fg a sa n dw a t e ri s3 ：1 ，h r t i s3 h ，t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fc o d 、n h 3 - na n ds so ft h i sp r o c e s s i n gs y s t e ma r e 6 5 、9 7 5 a n d9 9 i th a sc l e a ra d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t ho t h e rr e l a t e dt e c h n i q u e s ( 7 ) c o m b i n ew i t ht h ea c t u a le x a m p l e so fp r o j e c t s ，d e s i g nt h e “f l o a t i n g - s e t ”a n d “c a i s s o n s e t ”b i ol o g i c a lp r o c e s s i n gs y s t e m ，d i s c u s sa n da n a l y z et h es u i t a b i l i t ya n dt h e p r o c e s s i n ge f f e c t k e yw o r d s ：w a t e rp o l l u t i o n ；d i r e c tp u r i f i c a t i o n ；b i o l o g i c a lt r i a l ；c a i s s o n b i o l o g i c a lp r o c e s s i n gs y s t e m ；p e a r lr i v e rd e l t a 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：沙秘年r 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 日期：肼年，月，乙日 日期：堋年厂月, - 砂e t 1 1研究背景 1 1 1 水环境现状 第一章绪论 水是地球上分布最广的物质，是地球生态系统的重要组成部分，也是生态系 统的命脉。自2 0 世纪中叶以来，我国经济高速增长，科技的进步和城市化进程 的加快、经济飞跃和人口增长带给水系生态环境沉重的压力，江河、溪流、湖泊 等淡水体系在其所处地区经济快速发展的时期，都受到不同程度的污染并经历生 态退化的过程。水环境污染问题特别是水体富营养化早己成为当今世界性难题， 也是我国水环境重大问题之一，且呈发展趋势1 2j 。2 0 0 5 年，全国人大常委会水污 染防治法执法检查组检查发现，中国七大水系中劣v 类水体占三成左右，水体已 经失去使用功能【3 】。主要河流、河段已有近1 4 因污染而不能满足灌溉用水要求， 全国湖泊约有7 5 的水域受到显著污染【4 】。据近年来全国水域的水环境质量调查 统计，在流经全国4 2 个大中城市的4 4 条河流中有9 3 被污染，其中重污染和中 度污染的占7 9 ，6 4 的城市河段为i v 类或v 类水质，多处水源地不符合饮用 水标准，水资源的功能及作用正在不断弱化，己严重影响到人们正常的生产和生 活【5 1 。 珠江三角洲地区是我国经济最发达的地区之一，近年来，生产总值一直占广 东省的8 0 以上【6 】。珠江三角洲河网区水系发达，相互贯通，以泄洪、航运功能 为主，兼顾生态、供水、灌溉、纳潮等功能，与上游西、北、东江干流与八大入 海口门相连通的“外江水道”( 相对于联围内部的河涌而言) 。其中西、北两江水 道相互贯通，形成西、北江三角洲，集水面积8 3 7 0 k m 2 ，占三角洲河网区面积的 8 5 8 ，主要水道近百条，总长度约1 6 0 0 k m ；东江河网在狮子洋汇入，基本上自 成体系，集水面积13 8 0 k m 2 ，仅占三角洲河网区面积的1 4 2 ，主要水道有5 条， 总长度1 3 8 k m 。随着社会经济的快速发展，大量未经处理的工业废水、生活污水 就近排入河涌，造成大多数城市的河涌水体水质污染十分严重，据2 0 0 6 年广东省 环境质量公报显示：珠江水系中只有5 2 2 的江段达标，流经城市的江段有7 2 8 受到较重污染，3 6 4 劣于v 类；主要污染指标为c o d 、n h 3 n 和悬浮颗粒物， 具有明显的面源污染特征。因n h 3 n 浓度上升，许多河流由轻度污染上升为重度 污染。其中有很多河道地处感潮河段，双向水流复杂多变，污染物在河道内来回 振荡难以降解和迁移，水体很容易丧失资源功能和使用价值，导致高等水生植物 消亡，鱼类绝迹，严重破坏周围的生态景观；还有一些饮水人工渠，担负主要生 活用水供应，但是受上游保护不够或自然污染，枯水期或咸潮上溯期与外江隔断 等因素，加之内河污染问题，部分地区已经出现饮水困难，水体污染严重危害到 人们的身体健康。因此，寻找更先进实用、造价低廉的技术，对污染水体进行净 化修复迫在眉睫。 1 1 2课题来源 珠江水利科学研究院的粤港关键领域科技计划“感潮河道水体污染综合修复 技术及工程示范”( n o ：2 0 0 6 a 3 5 1 0 2 0 0 1 ) ，“珠江三角洲城市河涌治理与生物、 生态修复技术导则”( n o ：2 0 0 6 8 3 6 7 0 3 0 0 4 ) 项目。 1 1 3论文研究目的 珠江三角洲城市地区湖泊、河流众多，近年来，随着经济腾飞，都受不同程 度的污染【| 7 1 。对于任何一种技术，其先进性和经济性之间都存在着一定的矛盾， 其推广应用价值决定于在经济上的合理性。建设污水处理厂应用活性污泥法在2 0 世纪初开始以来，依然是世界各国应用最广泛的污水处理工艺之一。但是，大规 模污水处理厂治理河流污染的技术工程建设上耗资巨大。随着现代工业迅速发展， 城市和工业废水量加大，水质水量的稳定性同益加剧，废水中难降解有机物种类 和数量不断增加，传统活性污泥法的不足日益暴露出来，主要表现在以下几个方 面1 8 j ：( 1 ) 占地面积大，基建投资费用高；( 2 ) 耐水质、耐冲击负荷能力差，运行不 够稳定；( 3 ) 固液分离依靠二沉池，因此污泥浓度不能太高，出水常带有悬浮固体， 污染容易复发，且不利于污水处理后的回用及资源化；( 4 ) 污泥量大且易产生污泥 膨胀，容易产生二次污染；( 5 ) 脱氮效率低，尤其是氨氮等。为适应废水处理的发 展要求，人们不断改进传统的活性污泥法，开发了许多新的工艺流程，如氧化沟 工艺，s b r 、a b 法、o 法、a 2 0 法等工艺，力求在原有的活性污泥基础上提 高曝气池内的生物量，增强废水处理能力，克服污泥膨胀，提高脱氮能力等。这 些工艺在脱氮方面起到了一定的作用，但仍然存在以下问题【9 】：( 1 ) 硝化细菌增殖 慢，必须增加水力停留时间；( 2 ) 为维持较高的生物浓度，则一般需要同时设置污 泥回流和硝化回流，增加了动力消耗及运行费用；( 3 ) 抗冲击负荷能力较弱，高浓 度氨氮和硝氮进水会抑制硝化菌的生长。到了2 0 世纪五六十年代，韩国和日本偏 重研究生物接触氧化技术，它是依靠微生物的自然附着力，在某些固形物的表面 形成附着形生物膜，如固定床，生物流化床、生物接触氧化工艺等，但是填料材 料技术发展滞后，处理效率一直不理想，填料更新周期短，要达到处理目标，必 须增大处理规模，基建投资费用相对污水处理厂大大降低，但还是需要比较高的 投入；欧美国家投入大量资金，致力于河道底泥的修复和疏浚等，但此类技术处 理后，污染很容易复发，依然是典型的资金推动型治理措施。 近年来，受生物膜技术启发，出现了一些超出人们传统认识的新型复合集成 2 技术。其中，复合生物技术引起了人们的注意，尤其j 下在兴起的水体直接净化技 术是当前水环境技术的研究热点 1 0 - 1 2 】。针对河道直接净化技术，国内外学者提出 了许多研究方法，并进行了许多的试验研究，该技术对于那些低污染负荷的河流， 力求不修污水处理厂集中处理，而是直接在原河道和湖泊内净化处理，即实现水 环境的好转和变清：对某些污染负荷较高的河流，一般在河道内或其旁侧附近修 建工程设施就地治理。生物处理技术主要是利用载体的截留和大量生物附着，通 过固定在载体上的微生物对水体污染物进行生化降解而得以去除。载体上固定化 高效微生物对有机污染具有强大的氧化分解能力，但载体的寿命和成本是决定其 经济可行性的关键，其性能直接决定了其处理效果的好坏，净化性能也间接受到 环境条件的影响，因此，寻找开发适合于河道直接净化的填料，研究由其组成的 固定化生物反应器及最优化环境条件，需要进一步研究探讨。 水生植物具有一定的生物净化性能和景观生态效益，随着水生态环境越来越 受到重视，河流的生态组合修复技术成为人们密切关注的问题，也是人类社会和 谐发展的必然趋势。目前，对水生植物生物生态功能研究，大多还停留在防洪护 岸或单一对其生物吸收能力的试验研究，很少从更广泛的角度进行综合研究。水 生生物对污染水体进行治理，其对污染水体的净化能力还是相对有限，较高污染 的水体将可能超过其负荷能力，使其净化处理的能力丧失。因而，采用水生植物 复合其他处理系统组合工艺，提高其净化能力的组合工艺，对引起人们的注意。 组合工艺目前f 处于一个试验研究阶段，迄今为止，很少见到对整个天然河道进 行实地量测的研究，尚未有成功修复污染水体的成熟工艺技术可直接予以应用 i l 引。然而，通过试验研究得出的结论，对于现场河道应用具有一定的参考价值， 但是实际河涌废水是一个复杂的混合体系，且不同环境条件下存在诸多影响因子， 因而直接推广到野外实地应用还存在一定的局限性，需要进一步探讨。由此可以 看出，对河流、湖泊水体净化技术的发展正向具有投资少、装置简单、运行费用 低、无二次污染等优点的直接净化技术发展。那么，如何将二者有机组合，进一 步互补集成其优越性，既达到净化污水的目的，又能满足水生态修复，是一项的 重要的系统手段，也是水污染直接净化控制中迈出实用化的第一步。 针对珠江三角洲城市地区水体污染问题，应用传统方法对污染水体进行治理， 多数处理工艺的投资巨大，管理运行费用高，且出水不稳定。像欧美发达国家那 样花大量资金用于疏浚和污泥处理来修复底泥，在多数地区也还不现实。本文系 统分析国内外关于受损河流生态系统在生物生态修复方面的研究现状，以国内外 新理论为暴础，技术改进、研发与集成为核心，在基本掌握有关理论和技术的基 础上，探讨以生物处理系统为核心的“沉箱式”和“浮岛式 生物处理技术的结 构和形式，通过考察对比不同载体的去污效率，选出适于珠江三角洲城市河道的 高效载体，确定系统发挥最大功效的性能参数，并验证最佳工况下系统连动去污 净化效率。选择珠江三角洲城市地区污染典型区域特性，参考试验得出的结论， 对“浮岛式”和“沉箱式”生物处理系统进行了初步设计，探讨和分析其处理效果和 技术的适宜性，为水生态系统的恢复提供理论和实践依据。 1 1 4 论文研究意义 综合治理河流和开发水土资源、综合治理水体污染和改善城市生态居住环境 质量，是国家中长期科学和技术发展规划纲要( 以下简称纲要) 中“水和 矿产资源开发 、“环境”和“城镇化与城市发展”领域中的优先主题；河流的综 合整治和河道生态系统恢复与修复，以及水体污染治理和改善城市生态居住环境 质量之间存在着必然的联系和关系，开展综合研究和技术交叉研究，符合纲要 的一贯精神和科学技术发展趋势。 河流是水循环中重要的一环，被誉为大地的血脉。在珠江三角洲城市地区， 人口密度大，城市化发展迅速，城市河流既要担负严峻的防洪、防潮和排涝任务， 又要担负城市居住环境质量改善和克服水体污染与改善自然生态环境质量的重 任。城市经济的快速发展和人口的增加直接对城市河流造成了剧烈影响。因此， 寻找有效的污水净化技术，综合解决珠江三角洲河网污染问题，使其恢复河道生 态、景观、文化与休闲和娱乐功能，是珠江三角洲地区经济可持续发展的迫切需 要。 水体直接净化技术研究是一项跨地区、跨行业的综合性系统工程。原河道或 湖泊通过常规截污工程处理后，借助富集微生物及其他微生物群体的新陈代谢活 动，强化自然生态效应，对水体中的氨氮、小分子量的有机物以及其他无机污染 物进行不同程度的去除，对强化提高水体自净能力，改善水体水质，恢复水体水 生态具有重要的作用。本文结合珠江三角洲城市地区河流污染的水流水质特性， 在综合现有国内外水体直接净化技术特点和应用现状的基础上，集成现有技术各 优点，开发高效、简单、实用的生物处理工艺，并针对典型区域进行示范工程设 计，可以给珠江三角洲城市河流水环境问题提供比较合理的技术支持，从而为改 善城市重污染河道水质开辟一条现实可行的新路，并为后续高等水生动植物的恢 复以及整个水生态环境的修复创造条件。因此，本论文的研究具有重大的现实意 义和广阔应用前景。 1 2国内外水体直接；争化技术研究现状 1 2 1物理法 物理净化法是采用物理的、机械的方法对污染河流进行人工净化，目前常用 的方法包括人工增氧、底泥疏浚、引水冲污换水稀释等。该类方法的突出特点是 4 工艺设备简单、易于操作，处理效果十分明显，但往往治标不治本。 1 2 1 1 人工增氧 有机污染严重的河流由于污染物分解耗氧，引起河流水质恶化，自净能力下 降，水生生态系统遭到严重破坏。因此，向处于缺氧( 或厌氧) 状态的河流进行 曝气，可以及时补充水体中的溶解氧，加快水生微生物对污染物的分解，帮助河 流生态系统恢复到正常状态【l4 1 。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。从技术上看，河道曝气法综合了曝气氧化塘和氧化沟的原理， 即采用推流式和利用曝气充氧的方式实现液气的完全混合，有利于提高缓冲能力， 也有利于氧的传递和污泥的絮凝【i 引。1 9 7 7 年和1 9 8 5 年英国泰晤士河上分别运行 了充氧能力为1 0t d 和3 0t 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【l6 1 。德国在e m s c h e r 河、t e l t o w 河、 f u l d a 河的治理中采用的就是固定式纯氧曝气形式【1 7 】。德国在s a a r 河和柏林河、 英国在t h a m e s 河口【1 8 】、澳大利亚在s w a n 河的治理中，均采用了移动式曝气方 式，对保持河流水质和净化功能起到重要作用。该工艺具有设备简单、机动灵活、 安全可靠、投资省、见效快、操作便利、适应性广、对水生生态不产生任何危害 等优点，非常适合于城市景观河道和微污染源水的治理。 我国近年来在上海的绥宁河【1 7 , 1 9 、北京的清河【2 0 】都采用了曝气复氧船进行黑 臭河流的治理，取得显著效果，且无二次污染。2 0 0 1 年福州白马支河在完成底泥 疏浚工程后，在河底设穿孔曝气管，由鼓风机供气，为河流中投放、培育和养殖 的各生物物种提供氧气，系统运行一个月后，该河流即消除了黑臭，运行一年的 监测数据表明水质可达到景观用水的水质标准【2 。河流机械曝气是直接将曝气机 固定安装在需要曝气的河段上，适用于水深较小，没有航运或景观要求的河流。 美国为了改善c h e s a p e a k e 海湾的h a m e w o o d 运河的水质，l9 8 9 年在河口安装了 曝气设备，使底层水温和溶解氧得以增加，并使河道内的生物量增加【l 引。1 9 9 0 年北京清河曾在3 5 k m 的严重污染河段安装曝气机进行人工复氧试验，处理河水 b o d 5 去除7 4 7 8 8 2 ，c o d c r 去除7 9 9 8 4 4 ，n h 3 一n 去除1 5 8 4 5 0 【1 5 j 。 2 0 0 3 年在广州朝阳涌采用了功率相同的三种不同曝气法对黑臭河段进行复氧，发 现水车式增氧机在复氧效果、污染去除、河道微生态恢复等方面均优于叶轮式曝 气机和射流式曝气机1 1 7 j 。目前，国内陈伟等人采用曝气法常与投菌法配合使用， 2 0 0 1 年在上海苏州河【1 6 , 2 2 】支流绥宁河和张家浜2 3 1 的治理中，在水车式增氧机的曝 气辅助下，向河道中投加的高效菌种( 包括光合细菌和玉垒菌) 和b e 促生液( 即 b i o e n e r g i z e r ) 使黑臭现象迅速被消除，并与放养凤眼莲协同作用，促进河道生 态系统逐渐恢复【2 4 1 。 1 2 1 2 底泥疏浚 底泥疏浚被认为是减少内源污染的一个重要方法，能有效的去除底泥中的营 养物质，因此被认为是治理富营养化水体的一种有效方法【25 。但是底泥疏浚耗资 巨大，如滇池在1 9 9 8 1 9 9 9 年期间完成的滇池草海疏浚工程，该工程涉及草海水 域面积2 s s k m 2 ，疏挖底泥量达2 9 7 0 万m 3 ，总投资高达1 4 1 亿元1 26 1 。1 9 9 8 年曾 对南京玄武湖也大规模清淤，水体透明度，c o d 和t p 基本不变，略有改善，离 控制富营养化相差很远。韩伟洲27 】研究了清淤挖泥对杭州湖水质的影响，指出目 前每年疏浚底泥对改善西湖水质效果不明显，湖水中的e h l a 依然呈上升趋势。 但湖中原有的水生植被及底栖生物群落被彻底破坏，水体自净能力急剧下降，湖 水逐年递增，富营养化更加严重。可见，单纯的清淤泥对控制富营养化藻类种群 暴发尚未见明显的效果，即使在无底泥情况下，藻类依然会爆发。就底泥对湖水 营养盐浓度的影响，存在着争议【2 引。一些学者认为湖泊底泥有明显的磷释放现象 【2 虬3 1 】，但根据实际检测结果及质量平衡原理，目前一些湖泊的底泥是磷的沉积汇， 而不是释放源。实验室模拟研究发现底泥中的氮存在着明显的“负释放 现象【3 2 1 ， 挖泥对t n 的影响有时甚至可能呈相反的情况。因此，清除底泥是否能降低湖水 中氮、磷浓度还需要进行深入的研究。 1 2 1 3调水换水 调水换水是一种工艺较为简单的净化技术，对于稀释富营养化严重河流的营 养盐的确作用明显，能够降低营养盐的浓度，但只是暂时的把污染转嫁到其它地 区，侵占下游水体的环境容量，最终没有能去除这些营养物质，是治标不治本的 权宜之计。而且由于稀释作用同时也减缓了藻类生长的密度制约压力，调水冲污 后藻类生长往往呈现加剧趋势。1 9 6 4 年，同本东京为改善隅田川的水质，从利根 川和荒川以l6 6 m 3 s 的流量引入清洁水进行冲污，工程完工，b o d 由原来的 4 0 m g l 降到了l0 m g l ，改变了隅田j j l 的黑臭现象。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【3 3 1 。我国南京玄武湖和黄浦江也曾使用过该方法，进 行调水冲污后，水体中氮磷浓度，叶绿素a 等都有所下降，缓解了该湖严重的富 营养化状况，水中t n 及t p 有所下降，但湖区内叶绿素a 较引水前有所上升。但 停止引水l0 天后，湖水t p 几乎又恢复到原来水平【3 4 , 3 5 j 。由此可见，单纯用调水 冲污的办法控制富营养化藻类的过度生长繁殖，往往难以奏效，同时，引水稀释 对引水水域和引入水水域还有一定的负面影响，会导致两水域生态体系的改变。 因此，引水换水稀释通常只能是一种救急方法或水体污染治理的辅助手段。 1 2 2化学法 化学方法，即用化学的手段最大限度的控制水体中的主要营养盐类的浓度， 6 加入铁盐、石灰等化学试剂，进行离子混凝沉淀；加入化学药剂杀藻降低水体生 产力。 1 2 2 1 化学絮凝 化学絮凝的作用原理是利用物质的胶体化学性质，通过双电层的压缩，多种 阳离子被水体中的胶体粒子聚集后沉淀出来，其中多采用价格比较便宜的铁、铝 和钙系无机絮凝剂、表面活性剂和各种高分子有机絮凝剂，使污染盐类凝聚并沉 淀到水体底部或加以回收1 3 引。其应用方式主要有以下几种：( 1 ) 直接将药剂投加到 水体中。王曙光等利用化学强化一级处理( c e p t ) 技术对深圳市受污染的龙岗河、 观兰河、燕川河、大茅河河水进行处理试验研究。结果表明，该工艺对浊度、 c o d c r 、s s 、t n 去除效果较好，对t p 、重金属等也有一定的去除效果，且药剂 用量少1 37 。( 2 ) 设置岸边的永久( 或临时) 构筑物，投加药剂使之发生絮凝沉淀， 出水回流至河道，从而达到净化水体的目的，适用于中小河流水体的净化。美国 华盛顿州西部的长湖是一个富营养水体，1 9 8 0 年1 0 月间采用向湖中投加铝盐的办 法来沉淀湖中的磷酸盐。在投加铝盐后的第四年夏天，湖水中的磷浓度则由原来 的6 5 “g l 降到3 0 9 9 l 3 8 j ，湖泊水质有较明显的改善。但杀藻剂将藻杀死后，水 藻腐烂分解仍释放出营养物质，很容易造成环境的二次污染，应尽量避免在饮用 水源地或人类活动频繁的地区使用 3 9 , 4 0 】。另外，在絮凝沉淀治理水体方面，相关 文献报道不多见，也缺乏实际的工程应用经验。由于河道是一个开放式水体，水 量难以精确估算，使用化学絮方法时，混凝的搅拌强度难以控制，很难起到像污 水处理中那样均匀加药，因而，尚有很多问题有待解决。 1 2 1 1 化学杀藻 化学除藻是控制藻类生长的快速有效的方法，在治理湖泊河流富营养化中已 有应用1 4 ，也可作为严重富营养化河流的应急除藻措施。常用化学除藻剂有 c u s 0 4 、含有铜的有机鳌合物、氯气、二氧化氯、西玛三嗪等。例如，硫酸铜可 破坏藻细胞，但细胞内的毒素释放到水体中，造成二次污染，而且会导致水体铜 离子浓度上升，铜离子易在生物体内累积，危害水生生物及人体的健康。还有研 究表明【4 2 1 ，使用的除藻效果较好，投加l m g l 的c 1 0 2 可使藻类去除率达7 5 ， 但在使用过程中也会产生一些对人体有害的三卤甲烷和氯酸盐，这些物质都是致 癌物。另外，大量藻类死亡以后沉降到水底进行分解，结果使水底变成厌氧环境， 引起底泥中铁和锰的释放。铁和锰含量超过一定阈值，对人的身体有害。日本饮 水水质标准中就有铁锰相关标准f 4 3 1 。另外，应该将被杀死的藻类及时的捞出，因 为藻类腐烂会分解产生二甲苯类有机物，放出不良气体。 综上所述，化学方法操作简单，可在短时间内取得明显的除藻效果，提高水 体透明度。但该方法不能将氮、磷等营养物质清除出水体，不能从根本上解决水 体富营养化，容易再次爆发“水华 现象，造成水体的二次污染。另外，除藻剂 的生物富集和生物放大作用对水生生态系统可能产生负面影响，长期使用低浓度 的除藻剂还会使藻类产生抗药性，随着投放试剂量的加大使用成本增加。因此， 这也是一种治标不治本的方法，使用药剂杀藻需要科学评估其风险，除非应急和 健康安全许可，一般不宜采用，常常作为一种辅助技术或应急控制技术。 1 2 3生物修复 按照处理位置不同，生物修复技术分为原位生物修复和异位生物修复。原位 水生生物修复是指对受污染的介质( 土壤、水体) 不作搬运或输送而在原位污染 地进行的生物修复处理，其修复过程主要依赖于被污染地自身微生物的自然降解 能力和人为创造的合适降解条件。异位生物修复是植被污染介质( 土壤、水体) 搬动或输送到它处进行的生物修复处理，因此更强调人为控制和创造更加优化的 降解环境。按照种类来分，生物修复技术主要包括生物膜技术和水生植物修复技 术两大类。 1 2 3 1 生物膜技术 河水净化的生物膜法是人们长期以来根据自然界中水体自净的现象，例如农 田灌溉时土壤对污染物的净化作用以及有机物的腐败过程，总结、模拟而发展起 来的一种污水处理技术。生物膜技术可以分为两类，一类是生物强化技术( 投菌 法) ，另一类是载体固定化微生物膜技术。 ( 1 ) 生物强化技术。向污染源直接投入高浓缩外源微生物菌种，同时提供这些 微生物生长所需条件，如供氧等。k e n n e d y 4 4 j 用生物强化技术使氯酚的去除率在 9 h 内达到9 6 ，而非生物强化系统的去除率在5 8 h 后才达到5 7 。c h i n 4 5 】在附着 生物床中加入对降解b t x ( 苯、甲苯、二甲苯) 的混合优势菌，在降解1 9 9 时， 去除1 0 m g l b t x ，而对照体系仅为3 2 m g l ，而h a n g 4 6 】等人实验研究发现生物强 化技术可使有机物去除率比普通活性污泥法提高2 0 ，污泥产量减少3 4 。 ( 2 ) 固定化微生物膜技术。即在污染河道中放置或填充能附着大量微生物生长 的填料，生物膜技术以天然材料( 如卵石、砾石及天然河床等) 或人工合成接触 材料为载体，增大了微生物的附着表面，利用在其表面形成的黏液状的生物膜中 微生物的氧化分解作用，滤料及生物膜的吸附截流作用、沿水流方向形成的食物 链的分级捕食作用，以及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用对污染水体进 行净化【4 7 , 4 8 j 。由于附着生物种类多、数量大，强化了水体去污能力，使河流的自 净能力成倍增长，通过生物膜中的微生物对污染物的降解进而达到净化河水的效 单【4 9 ，5 0 】 o 8 应用固定化微生物膜技术净化污染河流水体目前处于起步阶段，也是国内外 的研究热点。我国也有一些这方面的试验研究报道。1 9 9 8 年，南开大学环境科学 与工程学院肖羽堂、赵美姿等人采用弹性立体填料、微孔曝气富氧生物接触氧化 法修复上海市受污染的川杨河水，生物填料在进水n h 3 一n 浓度2 6 3 1 m g l 和水 温2 0 2 2 下，7 d 自然挂膜培养成功，n h 3 n 去除率达9 0 以上。在原水污染 物n h 3 n 浓度较低，曝气充足，水中溶解氧浓度高条件下，好氧生物膜传质阻力 小、速度快，污染物氨氮的生物降解速率很快，只需较短的水力停留时间，就能 达到很高的n h 3 n 去除率。微孔曝气气液传质充分，水中溶解氧充足，膜内无厌 氧层存在，好氧生物膜内处于完全的好氧状态，硝化反应比较完全。污染的去除 主要是填料上的好氧生物膜在起作用【5 。2 0 0 1 年，王学江【5 2 】等人采用悬浮填料 移动床对苏州河支流进行了治理，将河水的氨氮从3 0 m g l 降低到1 0 m g l 左右。 清华大学环境科学与工程系，环境模拟与污染控制国家重点联合试验室王荣昌、 文湘华、钱易等人利用自行开发的悬浮载体生物膜反应器( s c b r ) 进行了修复受污 染河水的试验，考察了水力停留时间对c o d 和n h 3 n 去除效率的影响。试验结 果表明，在水温为1 5 2 0 ，进水c o d 为7 0 1 0 0 m g l ，进水n h 3 n 为8 - 2 0 m g l 的条件下，反应器水力停留时间采用l h 时，s c b r 反应器可以有效去除河水中的 c o d 和n h 3 n ，其中对c o d 的平均去除率可以达到5 6 9 ，对n h 3 n 的平均去 除率可以达到7 6 0 。悬浮载体生物膜反应器用于修复有机污染比较严重的中小 型河流时，具有对c o d 和n h 3 n 的处理效率高、可连续运行、无堵塞问题而不 需反冲洗、操作管理方便等优点，因此可推测该反应器具有良好的应用前景l l0 。 利用固定化技术【5 3 , 5 4 1 有目的的筛选一些优势菌种，将其固定在载体上以提高反应 器内原微生物浓度，有利于反应后的固液分离，缩短了处理时间。北京水利科学 研究院廖日红等人采用固定化微生物一曝气生物滤池( i b a f ) 系统对北京市马草 河微污染水体进行了试验研究。通过对进水与出水c o d 、n h 3 n 和总磷的监测， 研究了i b a f 系统对河湖微污染水体的处理性能，研究结果表明应用固定化微生 物的方法处理微污染河道具有积极意义【55 1 。 生物飘带法则是将生物飘带固定于河底，利用其特殊微观结构扩大接触氧化 面积，以降解污染物的一项新技术。2 0 0 4 年，在深圳市新洲河采用生物飘带进行 治理，经过对比检测结果，可知其中有机物去除率5 0 6 0 ，悬浮物去除率9 5 左右，总氮去除率5 0 左右，总磷去除率7 5 左右1 5 6 , 5 7 】。 国外也开展了许多利用生物膜处理污水的试验研究，并加以应用【5 引。2 0 0 0 年，v i k o v a 等利用固定化放射土壤杆菌降解除草剂、s a r a v a n a n e 等1 59 j 将生物强化 剂附着在载体( 砂砾、颗粒污泥) 上，采用生物流化床、升流式厌氧污泥床的方 式，对污染水体进行了净化试验研究，发现该类处理系统稳定，减少了菌体的流 失，降解速率比游离细菌明显快。据日本建设省2 0 0 6 年统计，在日本全国已有 9 8 0 应用浸渍型接触氧化法，即在单一排水功能的河道内填充各种材质、形状和 大小的接触材料，如卵石、木炭、沸石、废砖块、废陶、石灰石以及波板、纤维 或塑料材质的填料等提高生物膜面积，对河道水体进行直接净化【60 1 。绳状生物填 料接触氧化法是利用细绳状生物填料比表面积大、空隙率大、微生物易于附着和 生长繁殖、进而净化效果好的特点而研究开发的一种水体净化技术。它在污染河 流净化过程中，其处理设备的主要构造为：采用人工堰坝切断河流，然后利用河 水的自然落差或采用水泵将水引入建设在河岸边的河水处理设施中，采用与污水 处理厂相类似的处理方法，把河流水全量处理后再放回河流的下游。日本于19 9 3 年利用细绳状生物填料净化广岛县福山市排水渠，该排水渠宽3 5 m ，水深约6 5 c m ； 进水的b o d 值为2 8 8 i m g l ，c o d 值为7 5 1 0 8 m g l ，s s 为7 o 1 9