（环境工程专业论文）多种粘土矿物对河道污染水体营养物质的复合脱除研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 多种粘土矿物对河道污染水体营养物质的复合脱除研究 摘要 粘土矿物是一种新型的环境友好材料，其良好的吸附性、离子交 换性和絮凝沉降性不仅能吸附水体的营养组分，降低水体的富营养化 程度，而且可以起到去除水体藻类、抑制藻类生产，预防水体藻类的 爆发的作用；用目前常见的几种沸石、膨润土、活性白土等粘土矿物 在河道污染水体中氮磷营养物质的复合脱除进行了研究。 研究表明：活性白土对t p 、1 6 0 目沸石对n h ；、钠基膨润土对n h ； 的最大平衡吸附量分别为6 8 1 、3 5 8 7 、2 7 8 5m g g ，使用6 种通用拟 合吸附等温式拟合，对比后整体比较看出，r e d l i e h p e t e r s e n 等温吸附 曲线更符合实验数据，且三种粘土矿物的吸附曲线的相关系数r 2 都 大于o 9 6 ，表面规则程度表征系数d 也都大于1 ，表明这三种粘土矿 物都具有众多的吸附活性位及良好的吸附特性。 在进行组合试验时，c a c 0 3 和聚合铝盐一起对t p 的去除效果俱 佳，在磷酸盐的去除过程中主要存在两个主要的阶段：( i ) c a 2 + 和尸四。 的结合，( i i ) 聚合铝盐的絮凝沉降作用。 1 6 0 目沸石或6 0 目沸石或钠基膨润土、聚合铝盐和c a c 0 3 三者 复合对氮磷都起到了很好的去除效果；对t p 起效果的主要是铝盐和 c a c 0 3 的协同作用，且它们不影响粘土矿物对懈：的去除；对n h ；起 作用的是粘土矿物的吸附或离子交换作用，而粘土矿物并不影响t p 的去除；且尤以1 6 0 目沸石、聚合铝盐和c a c 0 3 三者复合效果更佳， 反应前p h = 6 3 0 ，反应后p h = 8 3 3 ，p h 略微升高，属于正常自然水体 范围之内；通过对1 6 0 目沸石、聚合铝盐与c a c 0 3 正交实验可知， 最优组合为1 6 0 目沸石：聚合铝盐：c a c 0 3 = 5 0 ：5 ：1 ，其对t p 去除 率达到9 8 8 3 ，对删：的去除率达到5 2 0 7 。 研究结果寻找出了一种对水体营养物质氮磷同时存在吸附效果 的组合配方，即1 6 0 目沸石、聚合铝盐与c a c 0 3 的比例为5 0 ：5 ：1 ， 为河道水体生态修复的应用提供了一个更生态友好的选择，其不仅可 以作为混凝剂使用，在吸附脱除的同时可以沉积河流底部覆盖底泥； 也可以单独作为浮岛填料及其植物的生长介质，为植物的生长提供良 好的营养环境。 关键词：粘土矿物，r e d l i c h p e t e r s e n 吸附等温式，复合配方，总磷， 氨氮，河道生态修复 浙江工业大学硕士学位论文 c o m p o u n dr e m o v a lo f n u t i u e n t sf r o m r i v e rp o l l u t e d ，a l t e ru s i n gv a i u o u s t y p e so fc l a ym i n e r a l s a b s t r a c t c l a ym i n e r a li s an e w t y p eo fe c o f r i e n d l ym a t e r i a l b e c a u s eo f i t s e x c e l l e n ta b s o r b a b i l i t y , i o ne x c h a n g ea n df l o c c u l a t i n gs e t t i n g ，i tn o to n l y c a nm i t i g a t ee u t r o p h i c a t i o nb ya d s o r p i n gn u t r i t i o n a lc o m p o n e n t sf r o m p o l l u t e dw a t e r , b u ta l s oc a ni n h i b i tt h eg r o w t ho fa l g a ea n dp r e v e n tt h e o u t b r e a ko f a l g a e t h i sp a p e rs t u d y e do nt h ec o m p o u n dr e m o v a lo fa m m o n i u ma n d p h o s p h a t ef r o mp o l l u t e dw a t e rb yc o m m o ne l a ym i n e r a l s ，s u c ha sz e o l i t e ， b e n t o n i t e ，a c t i v a t e dc l a ya n ds oo n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a x i m u me q u i l i b r i u ma d s o r p t i o n c a p a c i t y o fa c t i v a t e d c l a y o nt h e p h o s p h a t e ，1 6 0m e s hz e o l i t eo n a m m o - n i u ma n dn a b e n t o n i t eo na m m o - n i u mw a s6 8 1 ，3 5 8 7a n d2 7 8 5 m g gr e s p e c t i v e l y w e u s es i xk i n do fg r n e r a l - p u r p o s ei s o t h e r m st o c o m p a r et h ee f f e c t ，a n d f o u n dt h a tt h er e d l i c h - p e t e r s e na d s o r p t i o n i s o t h e r mf i t e do ft h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e l l ，a n dt h e 甜v a l u e sa lea l l g r e a t e rt h a no 9 6 ，t h es u r f a c eh e t e r o g e n e i t yf a c t o r spa r ea l s og r e a t e rt h a n 1 0 t h e s ec a nt e l lu st h et h r e et y p e so fc l a ym i n e r a l sh a v en u m e r o u s a d s o r p t i o nc e n t r e sa n de x c e l l e n ta d s o r p t i o np r o p e r t i e s a st h ec o m p o u n dr e m o v a le x p e r i m e n t ，t h ec o m b i n a t i o no fc a c 0 3a n d p a ch a dh i g hr e m o v a le f f i c i e n c yo np h o s p h a t e ，a n dt h i sp r o c e s sh a st w o s t a g e s ：c a 2 + a n dp 0 3 c o m b i n e dt o g e t h e rf i r s ta n dt h e nt h ep a cf l o c c u l a t e t os e r i n g t h ec o m p o u n dr e m o v a lc o m b i n a t i o no f16 0m e s hz e o l i t e ，6 0m e s h i 浙江工业大学硕士学位论文 z e o l i t eo rn a - b e n t o n i t e ，c a c 0 3a n dp a ch a dg o o dr e m o v a le f f i c i e n c yo n a m m o n i u ma n dp h o s p h a t e ；t h er e m o v a lo f p h o s p h a t ew a s t h es y n e r g i e so f c a c o sa n dp a ca n dt h e yn o ta f f e c tt h er e m o v a lo fa m m o n i u m ，t h ec l a y m i n e r a l s a d s o r p t i o nc a p a c i t ya n di t si o ne x c h a n g ec a p a c i t ya c to nt h e r e m o v a lo fa m m o n i u m ，a n dt h e yn o ta f f e c tt h er e m o v a lo fp h o s p h a t e t h e c o m b i n a t i o no f16 0m e s hz e o l i t e ，c a c 0 3a n dp a ch a sn i c er e m o v a l e f f i c i e n c ye s p e c i a l l y b e f o r ea n da f t e rr e a c t i o n ，t h ep hv a l u ew a sr e a c h e d f r o m6 30t 0 8 33 ，t h ep hs l i g h t l yi n c r e a s e d ，t h ep hv a l u ee x c h a n g ew a s a l s oi nt h es c o p eo fn o r m a ln a t u r a lr i v e r f r o mt h eo r t h o g o n a lr e m o v a l e x p e r i m e n t o f16 0m e s hz e o l i t e ，c a c 0 3a n dp a c ，t h e o p t i m a l c o m b i n a t i o nw a s16 0m e s h z e o l i t e ：c a c 0 3 ：p a c = 5 0 ：5 ：1 , t h i sc o m b i n a t i o n h a d9 8 8 3 ，5 2 0 7 r e m o v a le f f c i c e n c yo fp h o s p h a t ea n da m m o n i u m ， r e s p e c t i v e l y t h e s t u d y h a sf o u n df l c o m p o u n d f o r m u l ao fs i m u l t a n e o u s a d s o r p t i o no f a m m o n i u ma n dp h o s p h a t e ，t h a ti s16 0m e s h z e o l i t e ：c a c 0 3 ： p a c = 50 ：5 ：1 t h i se x p e r i m e n to f f e r e dam o r ee c o - f r i e n d l yc h o i c ef o rt h e a p p l i c a t i o no fe c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no fr i v e rw a t e r t h i sn o to n l yc a nu s e d a sf lc o a g u l a n ta n dc o v e r i n gt h es e d i m e n t s ，b u ta l s oc a nu s e da saf l o a t i n g i s l a n dm e d i u m ，t op r o v i d eag o o dc o n d i t i o nf o rp l a n tg r o w t h k e yw o r d s ：c l a ym i n e r a l s ，r e d l i c h - p e t e r s e na d s o r p t i o ni s o t h e r m ， c o m p o u n df o r m u l a ，p h o s p h a t e ，a m m o n i u m ，e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o no f r i v e r v 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章文献综述 随着全球城市化和工业化的加速，大量污废水排人河流，对自然河道水体产 生严重的污染【1 】o 据估计，全世界各城市地区每年排入水体的工业废水和生活污 水超过5 0 0 0 亿吨【2 4 1 ，2 1 世纪世界水资源委员会调查报告指出“目前世界上只有 两条河流可以被归入健康河流之列，分别是亚马逊河和刚果河，主要原因是亚马 逊河流量大、流域面积广、沿岸的居民聚集地和工厂少，而刚果河周围地区也没 有大规模的工业中心”。 在我国，由于城市化进程加快，人口聚集，无组织排污入内河现象较为严重， 导致河流自净能力削弱，河流呈严重的富营养化状态，少数时段甚至出现水华黑 臭现象，使河流失去资源功能、使用价值，引起水体周围生态环境破坏，甚至对 人们的呼吸、循环、消化系统产生不良影响，进而危害到居民健康【5 】。一些小企 业忽视环境保护，污染物未经处理直接排入内河；另外河岸的渠道化和硬化，对 水质造成极大的破坏，河道生态系统退化严重【6 】，使河道逐渐失去防御、运输功 能，严重影响自然环境和城市的发展【7 】；7 大江河流域都受到不同程度的污染， 湖泊富营养化问题突出，近岸海域呈现轻度污染，自然水环境污染己成为我国经 济可持续发展中普遍存在的问题【8 】。 1 2 河流水体污染的成因 河道水体污染按其产生的原因可分为自然污染和人为污染【9 】。自然污染是由 自然因素造成的，主要指某些特殊的的环境条件下，某些地区某类化学元素大量 富集，引起水体污染，如入海口地区，海水的侵入使得淡水水源地咸化；某些地 区，地下水中重金属离子锰及砷、氟等含量过高。人为污染是指人类某些活动所 造成的水体污染，导致水的感官性恶化，水体的物理、化学和生物性质发生变化， 主要包括居民生活引起的污染、工业排放污染、农业污染和交通运输型污染等。 河流的人为性污染源按排放特征可分为点源和面源【1 0 】。点源污染往往是沿岸 的居民生活污水和沿岸工厂未经处理或经过初步处理但污染因子仍严重超标的 浙江工业大学硕士学位论文 废水排放引起的污染；面源污染1 1 , 1 2 1 是大量流失和残余的农药、化肥使用过量和 不合理利用、牲畜的粪便、养殖废水等经过农田径流进入自然河流水体，其主要 污染物为有机污染、n 、p 等。与点源污染相比，面源污染因其量大面广更难控 制。而其中营养物质氮磷过高将会对环境中鱼类等水生动物构成危害，并刺激植 物过度生长，出现水体富营养化现象，如何有效地控制进入河道水体的营养物质 浓度成为现今至关重要的环节。 1 3 河流水体污染的特点 河流是人类赖以生存的水体，生活用水、生产用水及水上运输都依赖河流。 河流又是工业废水、城市生活污水的通道以及垃圾的堆场，也可以说河流是区域 污染物的“汇”。 1 3 1 水体污染的时空分布 ( 1 ) 河流污染的区域分布。我国幅员辽阔，不平衡的水资源空间分布、各 地气候差异及经济发展水平不同，因而，水体污染具有明显的区域性差异。据 ( ( 2 0 1 0 中国环境状况公报公布8 1 ，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和 辽河七大水系总体为轻度污染。2 0 4 条河流4 0 9 个地表水国控监测断面中，i i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 9 9 、2 3 7 和1 6 4 。其中， 长江、珠江水质良好，松花江、淮河为轻度污染，黄河、辽河为中度污染，海河 为重度污染。 ( 2 ) 河流污染的时间变化。从1 9 4 9 年到1 9 7 8 年中国城市化率仅为1 7 9 ， 该时段我国河流水质良好，基本无污染；改革开放后，经济高速发展，城市化加 快，生活污水、工业废水大量排放，我国大部分城市河流遭受严重污染，己成为 我国亟待解决的问题。 1 3 2 水体污染的种类 ( 1 ) 水体富营养化：水体富营养化是指人类活动的影响下，氮、磷等营养 物质大量进入湖泊、河i s 、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖， 水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象1 3 】。富营养化是 湖泊河道等自然水体面临的最严峻的环境问题，经过一系列的物理、化学、生物 变化，水体水质恶化、溶解氧量降低、有毒有害物质滋生，影响水体的利用，进 而危害到人体健康14 1 。 2 浙江工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 有毒有害物质的污染：主要包括重金属离子( 如汞、镉、铅、锌、铜 等) 和有机污染物( 如有机氯、d d t 、六六六、p o p s 等) 两类。重金属离子通 过迁移转化参与环境中物质循环，最终存留于环境中，造成永久性的污染i l5 1 ，当 重金属积累到一定量时，使动物生理受阻，影响发育，甚至死亡1 1 6 ，植物光合作 用减弱，酶活性降低，细胞体积变小抑制生长【1 7 】。 ( 3 ) 热污染：许多工业企业生产过程中的余热及高温冷却水的排放，如石 油、造纸、化工等企业排出含大量余热的废水，以及火力发电厂、钢铁厂和核电 站冷却系统排出的热水1 8 】。温度升高，水体的物理化学性质发生变化，溶解氧降 低【1 9 1 ，影响生物群落结构，改变生物多样性【2 0 1 ，病菌大量滋生等。 1 3 3 水体污染水质特点 ( 1 ) 污染点源大量分布河流两岸，甚至形成了污染带【2 1 1 。 ( 2 ) 污染的影响范围广，污染从支流开始蔓延，逐渐向中游和下游转移， 且存在的跨国界的污染 2 2 1 。 ( 3 ) 水径流量及降雨量变化影响着河流的污染程度矧。在污染物排放量同 等的条件下，水体径流量及降雨量越大，河流对污染的稀释能力就越强。例如， 长江的流量大及南方降雨量多，因而其能接纳的污染总量也很大，所以其水质相 对较好。 ( 4 ) 河流的自净能力较强。河流水体的流动对污染物具有稀释和扩散作用， 如河流形态学指数高的河段其水体自净系数也高，同时其自净能力也强【2 4 ，2 5 1 。 ( 5 ) 城市内河是水体污染最严重的区域【2 6 。城市内河是人类活动接触最密 切的河段，且其整体流动性差、自净能力差、生态系统脆弱。城市大量水污染物 进入内河、固体废物堆积倾倒、大气沉降以及运输船只污染的排放等，使得内河 污染日益加剧，水环境逐渐恶化，并呈现严重的水生态退化。 1 4 河流水体污染的危害性 水是城市的命脉，是城市赖以生存和发展的基本条件之一。水污染是一种认 为造成的灾害，受污染的水通过多种方式作用于水体和环境，所造成的危害具有 直接性、范围大、历史长的特点。 1 4 1 健康危害性 水是维持生命和身体健康的必要条件，但也是污染物的载体和许多疾病的传 播媒介。水体污染会严重危害人体健康，联合国环境规划署( u n e p ) 发布的全 浙江工业大学硕士学位论文 球环境展望四( g e o 4 ) 综合报告指出，从全球范围而言，污染的水源是人类 致病、致死的最大单一原因。据联合国调查，全球河流稳定流量的4 0 左右已受 到污染，其中尤以城市河流污染为重。 ( 1 ) 水污染对环境卫生影响很大。生活污水中含有许多病原体，排入水体 后，可传播疾病，严重时使流行病蔓延，危及人类生命安全：都某些工业废水进 入水域后，使水体感官( 透明度、颜色、气味等) 恶化，严重影响周围环境；污 水和垃圾直接沉淀或间接转化后积累与河底，不仅淤塞河槽，而且成为蚊蝇滋生 的场所，加剧了环境恶化和疾病传播。所有这些，已在不少地区造成危害，成为 当地市民投诉的重点。 ( 2 ) 水体污染降低了饮用水的安全性。据世界卫生组织( w h o ) 调查表明， 8 0 的疾病和5 0 的儿童死亡都与饮用水水质不良有关。饮用水的安全性与人体 健康直接相关。随着河流自然水体污染的加剧，我国饮用水水源地大都遭受到污 染，几乎有一半主要城市的饮用水水源地水质不符合相应的水质标准，污染源当 中最主要的是生活污水及畜禽粪便污水，其次为工业和农业化学污染。一些城市 水源中能检测出百余种有机物，其中含有多种“三致”物质。 ( 3 ) 水体污染影响渔业产品和农产品质量安全。近年来，由于河流污染严 重，水产品质量显著下降。水体污染能直接引起水生生物体内有害物质的积累， 尤其是重金属可通过不同途径进入水生生物体，并被高度富集在机体内，对水生 生物生产、发育造成潜在性危害，并通过食物链间接对人体造成严重的危害。世 界上第一例环境污染而诱发的先天畸形病- 2 0 世纪5 0 年代震惊世界的日本 “水俣病”，就因为有数十万人食用了被甲基汞污染的鱼虾而造成的。而水体富营 养化还会导致藻类大量繁殖，并产生一类对水生生物和人体健康有毒害作用的藻 毒素。1 9 9 6 年，福建东山岛有1 3 6 人食用被藻毒素污染的水产品而中毒。2 0 0 5 年3 月，香港市民食用被藻毒素污染的海产品而出现晕眩、四肢麻痹、视力模糊 及抽筋等症状。2 0 0 9 年1 0 月，宁夏固原市也发生了藻毒素致鱼类中毒的疫情。 此外，水体污染对食品加工也有影响。例如，水中微生物污染可造成食品的 腐败变质；无机污染物特别是重金属污染物使食品出现金属异味如铁锈味，也可 影响加工品质量；另外，许多重金属都能加速油脂腐败而是食品发生腐败变质。 1 4 2 环境生态危害性 城市内河是城市生态系统的重要组成部分，内河生态系统与周围环境不断进 4 浙江工业大学硕士学位论文 行物质能量交换，系统内部的任何变化都会对自身及周围环境带来影响。河流的 生态结构和功能在很大程度上都依赖于清洁的水质，水体污染以后，不但水质变 坏，水环境容量降低，水中的生物种类和生物群落也将发生变化。内河一旦发生 污染，将对城市生态建设造成重大危害。 ( 1 ) 水环境功能退化。城市废物种类多、密度高，经过长期沉积会造成河 道淤积，使得河流本来所具备的泄洪功能，加剧洪涝灾害。而且，河床的增高还 会导致河床比降减小、流速减缓，加之河道的人为填塞，导致枯水期水脉切断。 一些河床因淤积变浅，漂浮物和大量繁殖的藻类覆盖水面，与河底淤泥几乎连成 一体，致使河流不畅、污染物滞留量增时、水体稀释自净能力下降、水环境容量 降低、部分河流的水功能消失。而积存了大量有机污染的底泥，会在一定的水力 和生物的扰动情况下，释放出高浓度污染物，进一步加剧水质的恶化。 ( 2 ) 水生态平衡遭到破坏。健康的水体内，各类水生生物之间及水生生物 与其生存环境之间保持既要相互依存又相互制约的密切关系，处于良好的生态平 衡状态，如图1 1 所示。水体受到污染后，由于不同生物对环境的要求和适应能 力不同，导致种群发生变化，破坏水环境的生态平衡。 细菌藻类 原生动物 眵 水生动物 图1 1 河流的正常生态平衡示意图 f i g1 1t h en o r m a le c o l o g i c a lb a l a n c es c h e m a t i co f t h er i v e r ( 3 ) 社会经济危害性。我国人均水资源量十分贫乏，加上水资源的时空分 布很不均匀，缺水困扰着许多地区和城市的可持续发展，特别是降雨量不足的西 北和华北。水污染加剧了我国水资源危机，形成“缺水污染再缺水”的恶性循环 局面，已成为我国许多地区经济和社会发展的最大障碍。对经济造成直接的影 响。水污染对对人体健康、渔业、工农业生产以及生态环境的负面影响，都会表 现为经济损失。世界银行根据2 0 0 3 年的数字估算，因水体污染造成的中国渔业 浙江工业大学硕士学位论文 经济损失约为4 0 亿，而农业方面，仅污水灌溉一项，就直接导致每年约7 0 亿元 的经济损失。很多工业( 如食品、纺织、造纸、电镀、火力发电等) 需要利用水 作为原料、洗涤产品、参加产品的加工、冷却设备，水质的恶化将直接影响产品 的质量、加速设备腐蚀。为了对受污染的水源进行有效处理，就必须研究和应用 微量有机物的去除、色度的降低、安全消毒等新技术，这些都必然使水厂的建设 和运行费用大大增加，间接提高了企业的生产成本。影响国家安定，制约社会 和谐发展。严重的水污染造成一些地区水污染事件频发。由于城市对水资源的高 度依赖性，这些事件会影响经济生产的正常秩序，并可能造成抢水、谣言等严重 的社会稳定问题，导致城市公众的心理恐慌，对社会稳定形成重大威胁。 此外，水污染还会造成航道阻塞、景观破坏，影响市民娱乐、休闲和健体等 活动，也影响对外贸易和旅游业的发展。城市内河水体污染不仅仅是简单的环境 问题，而且已上升为不容忽视的社会问题和经济问题。 1 5 河道水体修复的方法 1 5 1 行政管理手段 ( 1 ) 健全的管理体系，即水资源的可持续利用及管理理论。 ( 2 ) 人与自然的和谐相处。合理的调节人与水的关系，从单纯的治水转向 治水与治人相结合，对人类行为进行约束，树立人与水和谐相处的理念，才是治 本之策。 ( 3 ) 用水与排水相协调。任何一个区域的水资源都是有限的，在有限的水 资源基础上要实现水资源的可持续利用就要做好水资源的宏观调控控制。 ( 4 ) 构建城市水资源可持续管理指标体系与评价方法。建立城市水资源可 持续管理评价指标体系是实现生态城市建设的必要条件，也是实现城市水资源可 持续利用的先决条件。建立一套全面而使用的反应城市水资源与可持续发展关系 的水资源管理指标体系和科学的评价方法，是城市水资源可持续利用战略的实施 的重要环节。 1 5 2 污染源的控制与治理 ( 1 ) 城市污水的污染控制与治理。城市污水一般指生活污水与工业废水( 或 经企业局部处理后的工业废水) 以及两者的混合污水，由城市排水管网收集经污 水处理厂处理后的水体。城市是人类活动最聚集的场所，污水排放量大且集中， 6 浙江工业大学硕士学位论文 在许多城镇都没有形成好的污水收集及处理系统，而且许多地方还汆子偷排乱排 现象，严重污染河流水体；因而需加快建立雨污分流官网、污水收集官网、城镇 污水处理厂的建设，同时需提高污水处理厂的处理效率，培训相关技术人员，使 污水的源头能够得到有效的控制。 ( 2 ) 固体废物的污染控制与治理。河流中的许多固体废物都来源于人类的 生活垃圾、建筑垃圾、工业垃圾等，同时也有污水处理厂的污泥，河岸两侧的枯 枝树叶，这些固体废物的存在不仅影响堵塞河流正常的水流、漕运，而且影响河 流景观效果，应该通过有效的管理和方法使得河道达到漕运景观的原位生态场 景。 ( 3 ) 地表径流的污染控制与治理。地表径流污染是指大气中的颗粒物质在 降雨过程中进入水体造成的污染，且涉及范围广，不仅城市之间且国家之间大气 污染物的飘散都能相互影响，因而做好城市保洁和控制大气污染物的超标排放甚 至零排放尤为重要。 ( 4 ) 加强河流污染监督与管理。监管是控制水体污染的一个行政方法，同 时也是每个公民都应该时刻关注的方面，它是河流污染治理的重要手段。建立健 全相关法律法规，监管部门严格按照标准来控制污染物的排放，加强宣传教育， 提高管理，以及公民加强周边点源排放的监督，做到人人参与，以身作则。 1 5 3 河流水体生态修复技术 ( 1 ) 河槽修复技术。河槽是河流的重要组成部分，同时也是河流生态系统 存在的基础，河槽修复技术主要是通过物理的方法，改变河流的形态，包括两岸 河滩、河道浅滩、部分深潭等自然形态的恢复，以及恢复后梯形、复合型等各种 自然断面形态的存在【2 7 】；修复技术主要是利用自然的材料和方法进行的，目的为 创造良好的动植物生长环境，以利于各种生物的生存和繁衍2 8 1 。 ( 2 ) 水体调控技术。水利提高是指利用水利工程的方法来控制水体污染， 以达到冲稀水质，改善水生态环境，增强河流自净能力水利调控，如通过引入清 洁水源改善污染河水水质或在河流上游建立一系列的水库，春冬季蓄水夏秋季节 放水降低河水中污染物的浓度【2 9 ，3 0 1 。 ( 3 ) 环保疏浚技术。环保疏浚指利用物理的方法减少河流底泥中内源污染， 底泥的疏浚方式主要分为干水疏浚和原位有水疏浚两种基本类型，底泥通过机械 清挖、水力冲挖、人力清挖等方式清除【3 1 】。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 曝气增氧技术。曝气充氧是河流修复中最有效最必须的方法和技术， 氧作为大部分物质赖以生存的物质，提高水体溶氧是水处理中最重要的环节，因 而如何快速简单的恢复溶氧含量是如今水体修复的热点；水体充氧有不同方法， 如水力自然落差增氧、沉水植物光合作用增氧、化学药剂投加反应增氧和人工机 械增氧等【3 2 3 3 】；i 面a - r 机械曝气能快速有效的增加水体溶氧含量、还兼具景观( 喷 泉) 、造流、底泥修复和抑藻作用，是水体增氧的最常用的方法【3 4 1 。 ( 5 ) 菌剂投加和加药技术。菌剂投加和加药技术是水体修复中重要且快捷 的方法，能够快速去除污染物，在应急情况和污染严重的情况下使用较多；主要 有以下几种：混凝剂、絮凝剂、微生物菌剂、酶制剂、氧化剂、杀藻剂、解毒剂、 促生剂等 3 5 - 3 7 】。 ( 6 ) 生物膜技术。生物膜技术主要是利用微生物在载体上的负载生长形成 生物茵胶团，通过微生物的同化降解作用去除水体中污染物质的方法【3 o 】；生物 膜通过过滤、吸附、截留、降解能有效的强化水体污染物的去除；通常生物膜主 要生长在水生植物凸、软性填料【4 l 】、弹性填料4 2 1 、粘土矿物d 等表面。 ( 7 ) 人工浮岛技术。人工浮岛又称生态浮岛、人工浮床、漂浮植物堆、漂 浮湿地、生态浮床或浮床植物技术，是一种针对富营养化的水质，利用生态工学 原理，降解水中的c o d 、氮、磷且兼具景观美化和生态净化的功能性技术；一 般由基质、固定装置、浮岛植物组成，构建水上生态循环系统以恢复水质和修复 生态体系；人工浮岛可用于以下几类生态修复【4 3 】：具有大水位波动及陡岸深水环 境的水域；具有猛浪、高浊度和富营养化状况的湖区：有景观功能需求的池塘和 湿地水域。 已有的研究和实践经验表明：人工生态浮岛在水体污染净化、生境改善和生 态修复中具有多种功能和作用。植物根系和人工载体及其附着的生物膜对水质 的净化作用。浮岛上植物根系和人工载体拥有巨大的表面积，可以负载大量生物 膜，它们通过吸附、沉淀、过滤和转化等作用，对水体中悬浮态和溶解态污染物 具有强大的净化功能，能够提高水体透明度，有效降低有机物、营养盐和重金属 等污染物浓度。植物对水质的净化作用。浮岛上植物可以直接或间接地吸收利 用水体中的溶解性氮、磷等营养物质，将其同化作用为植物体的组成部分，也可 以通过挥发、代谢或矿化作用使其转化成二氧化碳和水，或转发成无毒性作用的 中间代谢物并贮存在植物细胞中，达到去除污染物的目的。植物与微生物共生 浙江工业大学硕士学位论文 对水质的净化作用。浮岛上植物根区的菌根真菌与植物形成共生作用，有其独特 的酶途径，用以降解不能被细菌单独转化的污染物。抑藻和供养作用。浮岛能 够有效遮蔽阳光，浮床植物能够分泌克藻化学物质，控制浮游藻类的生长繁殖。 浮床植物光合作用过程中通过茎叶和根系向水体中释放大量氧气，能够提高水体 溶解氧含量、促进污染物的净化。改变流场的作用。水体中设置浮岛后，能有 效缓减风浪的冲击、减少水流短路，促进水质净化和生态恢复。提供栖息地的 作用。生态浮岛能为高等水生植物及鸟类提供良好的栖息地，有利于增加水体生 物多样性，促进水体的圣经改善和生态恢复。景观建设的作用。由于生态浮岛 上栽种和生长了大量植物，所以被称为“水上花园”，具有良好的景观美化效果。 美国生态学家g u m e y 发表了加拿大雁的水上漂浮式人工巢论文，成为人工浮岛 研究的先锋；随后许多学者研究了浮岛整体对t n 、t p 、c o d 的去除m j ，以及 浮岛种植植物的筛选4 5 4 6 】；现在人工浮岛已经广泛应用于湖泊、水坝、池塘、河 道的水体修复【4 7 1 ，不但效果显著，而且能为水生生物的自然恢复、生存和繁衍营 造良好的水环境条件【4 引。 ( 8 ) 人工湿地技术。人工湿地是高效低耗的深度污水处理系统，其应用前 景广泛，而且生态环保，比较适用于乡村生活污水的处理，同时应用于河流水体 的截留处理；有潜流和垂直流两种类型，主要由基质、植物和微生物组成的复合 系统，依靠系统的物理、化学、生物作用对污染物质进行截留、吸附、过滤、降 解、植物吸收等实现污染物的高效净化。植物的作用：植物的光合作用提供氧 气、发达的根系是微生物的有效负载载体，同时能够吸收营养物质氮磷富集重金 属【4 9 】。基质的作用：基质是植物生长和微生物附着的载体，也是湿地污染物净 化最有效的模块，基质可以截留、吸附、过滤污染物质【5 0 】。微生物的作用：微 生物在基质的不同层次可以形成对氮的硝化反硝化作用，同时能够降解有机污 染物，且对磷的转化和循环过程中发挥重要作用【5 1 】。 ( 9 ) 水生植物恢复技术。植物修复技术是指利用植物及根系微生物的共同 作用净化水体的生态修复技术，而水生植物主要包括湿生植物、挺水植物、浮也 植物、浮水植物和沉水植物5 种类型。国内外许多学者【4 5 4 6 1 对水生植物净化、修 复污染水体方面都做了研究，通过实验模拟水生植物对污染物的吸收降解作用， 并在消除污染、改善水质、恢复水体生态功能、提高经济效益等方面取得了较多 的成果。植物修复的主要机理有植物萃取( 即利用植物的超积累作用从水体中去 9 浙江工业大学硕士学位论文 除金属离子，并集中于植物的可收割部分) 、植物固定( 即利用植物降低或阻止 环境中金属离子的移动从而减少污染物的扩散) 、根际过滤( 即利用植物根系的 吸收和吸附净化水体) 和植物蒸发( 即通过植物的吸收然后挥发到大气中的转换 过程) 【5 2 j ；主要的作用有：能够为水体提供大量的氧气。植物的光合作用光合 作用能够产生大量的氧气，然后通过植物根系和茎叶的传递作用有效的改善水体 中溶解氧的含量。提高水体透明度和抑藻作用【5 3 】。水生植物的挡风及消波作用 能够使水面上的风速降低，可以促进水体中悬浊物的沉降，同时其根系和沉水的 茎叶对水体中悬浮物具有吸附作用；大型挺水植物的遮阴可以抑制藻类的繁殖； 从而起到抑藻作用。对营养物质及重金属的吸收净化作用。水生植物用于河流 生态修复，不仅能富集吸收水体中氮磷、重金属，还可吸收降解有机物，用以满 足自身生长的需要；有研究通过转基因培养植物形成超富集金属吸附植物【5 4 】；通 过对吸附氮磷机理的研究找到了适合不同气候不同地理的水生植物；通过调查野 生植物资源找寻到适用于各不同特色区域的水生植物【5 孓7 】；通过良种培育等方式 可提高水生植物的生存率、扩大其适用区域、适应各种水质情况；通过对残余农 药、多环芳烃、硝基芳香化合物的吸附研究找寻到适应性强的水生植物 5 8 1 。提 高河流的生物多样性。水生植物通过廊道效应、干扰效应和边缘效应影响河流的 生物多样性。 ( 1 0 ) 生物操纵技术。生物操纵技术主要是利用水生动物( 水生脊椎动物、 底栖动物和浮游动物等) 净化水体，分为经典生物操纵与非经典生物操纵。经典 生物操纵是由s h a p r i o 5 9 】在1 9 7 5 年提出的，主要是通过增加肉食性鱼类于减少滤 食性鱼类来控制和减少浮游生物类食性鱼的数量，从而降低藻类生量，但其也存 在局限性，在富营养化程度高的水体中，高浓度和大型藻类会抑制浮游动物的摄 食【删；非经典生物操纵理论是指通过放养凶猛性鱼类( 如鲢鱼、鳙鱼等) 及食浮 游生物的滤食性鱼类控制蓝藻水华，能够有效的控制和缓解水体富营养化；依据 生物学特性，滤食性鱼类具有特殊的滤食性器官【6 1 】，且消化道结构的肠管细长而 盘曲，能够有效的摄浮游生物6 2 】；1 9 8 6 年，m c q u e e n 等【6 3 】提出了上行下行理论， 主要利用营养物质、浮游植物到浮游动物的上行作用及滤食性捕食者的下行作 用。研究认为，最大生物量来源于营养物质，实际上取决于上行下行作用，系 统中鱼类对藻类的滤食作用不是主要作用，其关键性作用的是上行作用1 6 3 1 。生物 操纵理论的应用过程中还存在一些问题，肉食性鱼类的控制及捕杀，在上行下 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 行理论中的上行作用明显强于下行作用【6 4 1 ，且完全性的去除浮游生物滤性鱼不一 定利于生态恢复1 6 5 1 ：因而因地制宜地采用经典、非经典等生物操纵技术是防治水 体富营养化的可行方法，但在使用操纵技术前必须经过科学理论的可行性分析后 才能实施。 ( 1 1 ) 生态护坡技术。生态护坡是指模仿自然岸线具有的“可渗透性”特点， 有一定的抗干扰和自我修复的能力，能够满足生物生活习性的自然型护坡形式 【鲫；主要类型有：植被型护岸。植物护岸是将植物直接种植于堤岸上，通过植 物根茎叶的吸收、过滤、吸附等作用净化河流水体，且良好的植被和绿化也能够 固土保水，还可以为其他生物提供生境和调节周边气候。植被的选择和搭配是植 被护岸中最重要的环节，一般根据植物的喜阳程度和乔木、灌木等的层次栽种， 而植物的使用和栽种有多种方法，如水体喷播、人工栽种、草皮卷法等。石材 型护岸：石材型护岸指利用自然石块匀整用于河岸崩塌的地方，以加固河岸并恢 复自然生态形态。抛石护岸在现今的河岸护坡技术中应用较广，也是治理河岸崩 塌的一种常用且方便有效的生态护坡技术。抛石工艺石材的选择一般为当地常见 的、易于搬运、形状均匀、抗冲击能力强的石料；如果大小不一，则在施工过程 中在外层用大石掩护里层抛小石，将石材按粒径大小合理搭配，形成一个自然生 态的效果；抛石工艺技术设计的难度不大，但施工的难度相对较大，因而在施工 的过程中应协调好各区域、各施工单位，使各个环节都能有序有效的运行，建立 健全管理，保证工程质量1 6 7 。改良型重力式生态护岸：改良型重力式生态护岸 是在传统重力混凝土式护岸的基础上添加各种生态景观设施，用于减少河道自然 生态功能的损失，改善河道景观。采用复式断面，尽可能避免垂直式的护岸形式， 可根据河流防洪要求控制断面形式；常在水位以上设置平台，布置濒水景观，平 台以下采用常蔓藤植物等攀援台阶进行垂直绿化，形成自然景观。自然型护岸： 自然型护岸主要用植株、植物切枝、或利用枯枝及其他材料相结合，如在坡脚采 用石笼、木桩或浆砌石块( 设有鱼巢) 等护底，其上筑有一定坡度的土堤，斜坡 种植植被实行乔灌草相结合，固堤护岸。主要有树桩法、柴笼法、树枝压条法、 枝条捆包法、植被格法、木笼墙法、树枝沉床法、树木铺面法、原木与根系填料 铺面法、休眠树干法等【6 引。 1 6 粘土矿物在河道水体修复中的应用 浙江工业大学硕士学位论文 1 6 1 粘土矿物结构特征 粘土矿物是一类由s i 0 四面体( 图1 2 ，单晶结构) 和a 1 o ( 图1 3 ，单晶 结构) 八面体彼此连结组成含水层状硅酸盐；以尺寸在1 1 0 0 n m 为主体的粒子组 成的二维纳米材料。矿物的层间类质同象置换产生永久性负电荷、表面的化学变 化产生可变的表面电荷、二维纳米材料大的比表面积等特点，决定了粘土矿物具 有良好的物理吸附、化学吸附、离子交换吸附的性能以及凝聚性、可塑性等理化 性质f 6 9 1 。 图1 2 硅氧四面体 f i g1 2s i l i c o n - o x y g e nt e t r a h e d r o n 1 6 2 粘土矿物作用机制 图1 3 铝氧八面体 f i g1 3a l u m i n u m - o x y g e no c t a h e d r a l 粘土矿物对水体中氨氮的去除是源于吸附和离子交换的共同作用，对磷酸盐 的去除主要是吸附作用【7 0 1 。根据电荷的等量交换性可知其离子交换容量是恒定 的，吸附作用则存在膨胀伸缩性。吸附主要有物理吸附和化学吸附：物理吸附是 一种动态的可逆吸附，粘土矿物由于其粒子分散度高、比表面积大，物理吸附作 用明显；化学吸附的主要动力是矿物分子与表面的排斥作用力。 1 6 3 粘土矿物应用于底泥原位覆盖 底泥原位覆盖技术通过在污染底泥表面铺放一层或多层清洁的覆盖物，使污 染底泥与上层水体隔离，从而阻止底泥中污染物向水体的迁移。底泥覆盖系统常 见的覆盖物为清洁的沉积物、沙子、砾石和粘土矿物等，而天然粘土矿物底泥覆 盖研究尤为常见，如碳酸钙、石灰粉、天然红土、黄沙、粉煤灰、硅藻土等作为 覆盖物能够有效的控制底泥营养盐的释放【7 1 1 ，说明天然粘土矿物在底泥覆盖中有 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 较大的应用前景。 有地下水排放的条件下金属离子的释放会引起底泥覆盖效率呈现降低的趋 势【7 2 】；利用可以吸附或共沉淀污染物的沸石材料构造底泥活性覆盖系统，可大大 提高底泥覆盖系统控制营养物质释放的效率，但影响了底泥对重金属离子的释放 的控制【7 3 】；改性粘土构造覆盖系统，可有效地控制营养盐的释放，并大大提高对 重金属离子释放的控制效率，如h c l 改性沸石和方解石复合覆盖层显著提高了 抑制氮磷的释放速率，且效果随覆盖系统厚度增加、温度降低、沸石粒径减小及 表面人工曝气而增加【7 4 】；工程应用中，m o h a n ar k 指出水力学、化学以及土工 等工程原理，可为底泥覆盖系统的设计提供理论参考【7 5 1 。现今欧美等发达国家已 经开始利用炉渣、石膏、石灰、铝酸钠等运用底泥覆盖技术成功抑制河流、湖泊 和近海海湾底泥磷释放口6 刁羽。 1 6 4 粘土矿物作为人工浮岛基质 人工浮岛是一种长有水生植物或陆生植物、可为野生生物提供生境的飘浮