（环境工程专业论文）上海梦清园生态净化苏州河水的应用研究.pdf

上海梦清园生态；争化苏州河水的应用研究 摘要 本课题来自国家8 6 3 计划，属于苏州河整治项目一部分。梦清 园工程运用人工湿地、水生植物塘组合生态处理技术，构建一套复 杂的生态系统净化苏州河水。本研究利用实验室和现场试验相结合 的途径，对该系统的应用效果考察、规律揭示以及效益评价。 研究主要包括：( 1 ) 系统去除氮、磷、有机物和悬浮物等主要污 染物的效果与规律，分析p h 、水温、停留时间等对去除效果的影 响。( 2 ) 各种处理单元在不同季节去除污染物的效能。( 3 ) 不同停留 时间主要污染物去除的效果与规律。( 4 ) 污染物去除动力学类型与 速率系数的确定。( 5 ) 系统的溶解氧平衡。( 6 ) 系统的效益评价。 研究结果表明：( 1 ) 系统净化效果明显，主要污染物年平均去除 能力达到设计要求，取得良好的环境生态和社会经济效益。( 2 ) 芦 苇湿地对s s 、t p 等指标去除明显，水生植物塘对n h 3 - n 、t n 、p 0 4 3 一- - p 、c o d c r 、b o d 5 去除明显。( 3 ) 氨氮主要依靠微生物硝化作用 去除，去除率3 5 5 8 9 2 5 6 ，夏秋高于冬春，九月最好；总氮 脱除基于反硝化作用，去除率0 2 9 - - 一4 9 7 5 ，夏春大于秋冬，八 月最好；氮去除率随着温度升高和停留时间延长明显提高。( 4 ) t p 平均去除率为3 6 9 ，与温度和月份无太大关联，与植物的生长状 况有明显的相关性；p 0 4 3 - p 去除依靠植物吸收和微生物同化作用， 平均去除率为2 9 2 ，夏季去除率最高达5 0 6 ，冬季去除率最低 为2 5 。有比较明显的温度差异性。磷的去除随停留时间的延长相 应浓度值变小，但停留时间过长效果反而不好。( 5 ) c o d e r 主要依靠 好氧代谢去除，平均去除率为1 5 7 4 ；去除率随月份不呈规律性变 化；不溶，| 生c o d e r 随着停留时间延长相应减少，溶解一陛c o d c r 随着 停留时间变化不呈现规律性；d o 对c o d e r 去除影响很大。b o d 5 与 c o d e r l ： 5 呈现相似的变化。( 6 ) 悬浮物主要依靠沉淀去除。去除效果 有明显季节性，冬季好于夏季；停留时间加大明显增加悬浮物的去 除率。( 7 ) 实验室试验表明，无植物、浮萍、金鱼藻系统去除n h 3 - n 、 t p 、p 0 4 3 - _ p 、c o d e r 的过程符合一级反应动力学。( 8 ) 水生植物塘 夏秋季氧平衡计算表明氧的消耗以底泥耗氧为主，复氧绝大部分来 自于水生植物的供氧。由氧平衡计算出的水生植物塘的植物净增氧 速率为2 8 0 0m g ( 0 2 ) ( m 3 d ) 。( 9 ) 作为一种低成本、易操作和高效率 的处理方法，生态净化技术具有较好的应用前景。 关键词：梦清园，生态净化，苏州河，人工湿地，水生植物塘 s t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no fs h a n g h a im e n g q i n gg a r d e n e c o l o g i c a lt r e a t m e n ta ts u z h o ur i v e rw a t e r a b s t r a c t t h i ss t u d yc o m e sf r o mt h en a t i o n a l8 6 3p l a n s ，b e l o n g st oo n ep a r to ft h e s uz h o ur i v e rr e n o v a t i o np r o j e c t a na s s e m b l e dt e c h n o l o g yo fm a n - m a d e w e t l a n da n dh y d r o p h y t ep o o li sa p p l i e di nt h ec o n s t r u c t i o no ft h em e n gq i n g g a r - d e n t h ep r o j e c tc o n s t r u c t so n es e to fc o m p l e xe c o s y s t e mi np u r i 移i n gt h e r i v e rw a t e ro ft h es uz h o u r i v e r b yt h ew a y o fe x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r ya n d i ns i t u ，t h ea p p l i c a t i o ne f f e c ti si n s p e c t e da n dt h er u l ei sp r o m u l g a t e da sw e l l a st h eb e n e f i ta p p r a i s e d s t u d i e sm a i n l yi n c l u d e s ：( 1 ) t h ee f f e c ta n dr u l eo fm a i np o h u t a n ts u c h a st h en i t r o g e n ，t h ep h o s p h o r u s ，t h eo r g a n i cm a t t e ra n dt h es u s p e n s i o na n ds o o nw e r er e m o v e df r o ms y s t e ma n dt h ei n f l u e n c eo fp h ，t h ew a t e rt e m p e r a t u r e ， t h er e s i d e n tt i m ea n ds oo nt ot h er e m o v a le f f e c tw a sa n a l y z e d ( 2 ) t h ep o t e n c y o fe a c hk i n do fc o n s t r u c t i o nr e m o v e dt h ep o l l u t a n ti n d i f f e r e n ts e a s o n ( 3 ) t h ee f f e c ta n dr u l eo fm a i np o l l u t a n tw e r er e m o v e di n d i f f e r e n tr e s i d e n t t i m e ( 4 ) t h ep o l l u t a n tr e m o v e dd y n a m i c st y p ea n dt h es p e e dc o e f f i c i e n t d e t e r m i n a t i o n ( 5 ) s y s t e md ob a l a n c er e s e a r c h ( 6 ) t h eb e n e f i tt os y s t e m a p p r a i s a l t h ef i n d i n g si n d i c a t e s ：( 1 ) t h es y s t e mp u r i f i c a t i o ne f f e c ti s o b v i o u sa n d t h es y s t e ma n n u a la v e r a g er e m o v a la b i l i t yo fm a i np o l l u t a n ta c h i e v e st h e d e s i g nr e q u e s t , o b t a i n st h eg o o de n v i r o n m e n te c o l o g ya n dt h es o c i a le c o n o m y b e n e f i t ( 2 ) t h er e e dw e tr e m o v e si n d i c a t o ra ss s ，t p a n ds oo no b v i o u s l y a n dt h e h y d r o p h y t ep o n dr e m o v e s i n d i c a t o ra sn h 3 一n 、t n 、p 0 4 j p 、 c o d c r 、b o d so b v i o u s l y o ) t h ea m m o n i an i t r o g e ni sm a i n l yr e m o v e d d e p e n d e n do nm i c r o o r g a n i s mn i t r i f i c a t i o na n dt h er e m o v a lr a t e i sf r o m 3 5 5 8 t o9 2 5 6 t h es u m m e ra n d f a l lw e r e h i g h e rt h a nt h ew i n t e ra n d t h es p r i n g t h es e p t e m b e ri sb e s t t h et o t a ln i t r o g e ni s r e m o v e db a s e do n t h ed e n i t r i f i c a t i o na n dt h er e m o v a lr a t ei sf r o m0 2 9 t o4 9 7 5 t h e s u m m e ra n dt h es p r i n ga r eb i g g e rt h a nt h ef a l la n dt h ew i n t e r t h ea u g u s ti s b e s t n i t r o g e nr e m o v a lr a t e e l e v a t e so b v i o u s l ye n h a n c e sa l o n gw i t h t h e t e m p e r a t u r ew i t ht h er e s i d e n tt i m el e n g t h e n s ( 4 ) t pa v e r a g er e m o v e d r a t ei s 3 6 9 ，d o e sn o tc o n n e c tw i t ht h et e m p e r a t u r ea n dt h em o n t ht o og r e a t l y , h a s t h eo b v i o u sr e l e v a n c ew i t hp l a n t sg r o w t hc o n d i t i o n p 0 4 3 - pr e m o v a ld e p e n d s o np l a n ta b s o r p t i o na n dt h em i c r o o r g a n i s ma s s i m i l a t i o n ，r e m o v i n gr a t ei s 2 9 2 e q u a l l y , s u m m e rr e m o v a lr a t eh i g hr e a c h e s5 0 6 ，w i n t e rr e m o v i n g r a t ei sm o s tl o wa s2 5 p h o s p h o r u sr e m o v a lh a st h eq u i t eo b v i o u s t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo p p o s i t ec h a r a c t e r ，a n dp h o s p h o r u sd e n s i t yv a l u e c h a n g e ss l i g h t l yc o r r e s p o n d i n ga l o n gw i t ht h er e s i d e n tt i m el e n g t h e n i n g ，b u t t h er e s i d e n tt i m ee x c e s s i v e l yl o n g ，e f f e c ti sn o ti n s t e a dg o o d ( 5 ) c o d c r r e m o v a lm a i n l yd e p e n d su p o nt h eg o o do x y g e nm e t a b o l i s ma n di t sa v e r a g e r e m o v e dr a t ei s1 5 7 4 r e m o v e dr a t ed o e s n ta s s u m et h e r e g u l a rc h a n g e a l o n gw i t ht h em o n t h i n s o l u b l ec o d c rr e d u c e sc o r r e s p o n d i n ga l o n gw r h t h er e s i d e n tt i m el e n g t h e n i n ga n ds o l u b l ec o d c rd o e sn o tp r e s e n tt h e r e g u l a r i t ya l o n gw i t ht h er e s i d e n tt i m ec h a n g e t h ei n f l u e n c eo fd ot o c o d c rr e m o v a li sv e r yb i g b o d sp r e s e n t st h es i m i l a rc h a n g ea sc o d c r ( 6 ) t h es u s p e n s i o nr e m o v a lm a i n l yd e p e n d e n so ns e d i m e n t a t i o n r e m o v a l e f f e c th a st h eo b v i o u ss e a s o n a lc h a r a c t e r i s t i c t h ew i n t e ri sg o o dt h a nt h e s u m m e r t h er e s i d e n tt i m el e n g t h e n i n g o b v i o u s l y i n c r e a s e s s u s p e n s i o n r e m o v e dr a t e ( 7 ) t h el a b o r a t o r yt e s ti n d i c a t e st h a tn h 3 - n 、t p 、p 0 4 j - p 、 c o d c rr e m o v e d p r o c e s sb yn o n - p l a n t 、t h ed u c k w e e d 、t h ec e r a t o p h y l l u m d e m e r s u ms y s t e mc o n f o r m st of i r s t - o r d e rk i n e t i c s ( 8 ) t h es u m m e ra n dt h e a u t u m nd ob a l a n c eo ft h eh y d r o p h y t ep o o lc o m p u t a t i o ni n d i c a t e st h eo x y g e n c o n s u m p t i o n t a k et h es u b s t r a t u ms l u d g ea st h ef o c u s ，t h em a j o rp a r to f r e a e r a t i o nc o m e sf r o mt h ea q u a t i cp l a n ts u p p l y i n g t h ea q u a t i cp l a n tp o n d p l a n ti n c r e a s e st h eo x y g e ns p e e di s2 8 0 0m g ( 0 2 ) ( m 3 d ) f i g u r e do u tb yd o b a l a n c e ( 9 ) a so n ek i n do fl o wc o s t 、e a s yt oo p e r a t ea n dh i g h l ye f f e c t i v e t r e a t m e n tm e t h o d ，t h ee c o l o g yp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g yh a st h ee x t r e m e l y b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c l l j i b i n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yz h a n gm i n g x u k e yw o r d ：m e n gq i n g g a r d e n ，s u z h o u r i v e r , e c o l o g i c a l p u r i f i c a t i o n ，m a n m a d ew e t l a n d ，h y d r o p h y t ep o o l 上海梦清园生态净化募州河水盼应用研究 1 1 课题提出与来源 第一章绪论 水是人类生命之源，生存之本。地表水污染和水资源缺乏已成为我国社 会经济发展的主要制约因素之一。调查表明【l 】，全国9 0 以上的水域受到严 重污染，约5 0 重点城市的水源不符合饮用水水源标准。常规的水处理法【2 】 分为物理法、化学法、生物法以及物理化学法。其在解决水环境污染、缓解 水资源紧张方面起了巨大的作用。但随着人们对环境问题及其规律认识的深 化，环境问题不再局限于排放污染物引起的健康问题，而且包括自然环境的 保护、生态平衡、生物多样化等问题。本质上看，环境保护是以减少或避免 生态系统的破坏为终极目标。常规方法运用只注重理化指标的改善，并没有 考虑到生命体的适应度、舒适度，存在很大的局限性。况且，传统工艺投资 高，耗能大，运行管理要求高。然而由于我国经济发展水平不高，能源短缺， 许多地方缺乏高水平操作管理人员【3 j ，往往有些地方只将污水进行一级物理处 理，或者二级生物处理后，氮、磷等依然很高就排放。早在2 0 世纪6 0 年代， 不少专家就指出【4 】：即使全部普及二级处理，承接污水中的氮、磷等引起富营 养化的物质与生物难以降解的有机物、重金属将继续增加，使水污染防治举 步维艰，以物化法为主的三级处理因基建和运行费用太高，即便是发达国家， 应用亦有限。因此，要寻求污水治理革新与替代技术，在这过程中，介于生 态学、环境学两学科交叉的生态净化技术被予以高度重视。其是一个全新的 概念，更着眼于整体综合。其经济、节能、安全有效的特质被许多国家所青 睐。特别在城市景观水域，将水质改善、水体富营养化防治与城市景观、园 林设计有机结合更是处于技术的前沿。集污水处理并回用、观赏娱乐于一体 的上海梦清园便为一例。 本论文选题来自国家科技部和上海市科委确立的国家高科技研究发展 8 6 3 计划的水污染控制技术与治理工程重大专项“上海城市水环境质量改善技 术与综合示范”的第二项研究专题。梦清园工程属于上海苏州河环境综合整治 二期工程项目的一部分。 上海梦清园生态净化，曩州河, g , - t 6 应用研究 1 2 污水生态净化技术综述 1 2 1 概念、特征与分类 污水生态净化与水生生态系统密切相关，可以定义为水生生态系统中各 种生命体、非生命物质包括进入这个系统的污染物质通过富集与扩散、合成 与分解、拮抗与协同等多种过程达到对污染物消除，这些过程通常发生在系 统内部且与系统的物质循环和能量流动紧密联系。 污水生态净化技术与常规技术相比有如下几个特点：( 1 ) 在消除污染物 时一般存在一个特定的生态系统；( 2 ) 污染物参加生态系统的物质循环；( 3 ) 根据生态系统中能量流动与物质循环再生原理，在消除污染的同时实现系统 本身废物产生与能源消耗达到最小；( 4 ) 对生态质量的改善及评价的综合性 极强；( 5 ) 达到环境效益同时可获得社会经济效益；( 6 ) 投资低、操作简单、 维护和运行费用低，建设投资仅为常规处理技术的1 2 - 1 3 ，运行费用仅为常 规处理技术的1 5 - - - , 1 1 0 ；( 7 ) 不投放药剂，不会形成二次污染；( 8 ) 能持续 性利用。 污水生态净化技术主要分为【2 叼人工湿地、稳定塘、土地处理、水生养殖 技术等。特别人工湿地技术近几年来被广为运用，成为污水生态净化的先锋技 术【3 】。 人工湿地技术 人工湿地是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料( 如卵 石、砂等) 混合组成填料床，在床体的表面种植处理性能好、成活率高的植 物如芦苇，污水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动( 潜流式) 或在床体表 面流动( 表面流式) ，形成一个独特的生态环境。经过系统内各环节的“新陈 代谢”对水中污染物转化分解。不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可 以很快地截留被微生物利用；可溶性有机物则通过植物茎、根系生物膜的吸 附、生物代谢而去除。这种技术处理效果好，造价及运行费远低于常规技术， 已经成为提高大型污水水质的有效方法。 土地处理技术 土地处理是一种古老、但行之有效的生态净化技术。它是以土地为处理 2 上海梦清园生态净化苏州河水的应用研究 设施，利用土壤一植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能，达到 对污水净化的目的。土地处理可分为快速渗滤( ) 、慢速渗滤( s r ) 、地表漫 流( o f ) 、湿地系统( w l ) 、地下渗滤( v g ) 、人工土快滤等形式。一些研究成果 【5 】还提出了冰下快速渗滤、土地处理复合系统( 快渗+ 慢渗、快渗+ 慢渗+ 漫流、 湿地+ 稳定塘等) 等改良型技术。土地处理对于有机氯和氨氮等有较好的去除。 其工艺条件和工程参数如表1 1 。 表1 - - if 6 l 、土地处理系统的工艺条件和工程参数 稳定塘技术 - 稳定塘是通过菌藻共生系统对污水进行处理的工程设施【2 】。人类应用稳定 塘来处理污水已有3 0 0 0 多年的历史【7 1 。按净化作用机理分为嗍好氧塘、厌氧 塘、兼性塘、曝气塘和综合生物塘。不同类型的塘串联组成塘系统，往往具 有更好的处理能力。在中小城市和农村，经常会有一些不宜耕作的低价土地 或废弃坑洼池塘，在这种情况下，稳定塘就成为最具优势的处理方案。稳定 塘特征参数见表1 2 。 一j 表1 2稳定塘特征参数【8 】 3 上海梦睛园生态净化募州河水曲应用研究 水生养殖技术 水生养殖是是以太阳能为初始能源，通过种植水生作物，形成人工生态 系统进行水产和水禽养殖。在太阳能的推动下，通过系统中多条食物链的物 质和能量的逐级迁移传递，将进入该系统污水中的污染物进行降解和转化， 最后不仅去除了污染物，而且以水生作物和净化水的形式作为资源回收，实 现污水资源化。 1 2 2 依据原理 污水生态净化技术主要运用生态位原理、食物链原理、生物与环境相互适 应性原理、生物环境协同进化原理、效益协调统一原理【4 ，9 ，1 们。 夺生态位原理 生态位( 小生境) 通常是指生物种群所占据的基本生活单位、对于生物 个体与其种群来说，生态位是指其生存所必须的或可被其利用的各种生态因， 子或关系的集合。每一种生物在多维的生态空间中都有其理想的生态位，而 每一种环境因素都给生物提供了现实的生态位。这种理想生态位与现实生态 位之差一方面迫使生物去寻求、占领和竞争良好的生态位。另一方面也迫使 生物不断地适应环境，调节自己的理想生态位，并通过自然选择，实现生物 与环境的世代平衡。在污水中，往往物种比较稀少，有较多的空白生态位。因 此在把适宜而又适应性强的物种如芦苇引入污水处理系统中，填充空白的生 态位而阻止污染物的占领，就可以形成一个具有多样化物种及种群稳定的生 态系统。 夺食物链原理 在自然生态系统中，由生产者、消费者、分解者所构成的食物链，从生 态学原理看，它是一条能量转化链，物质传递链，也是一条价值增值链。太 阳光能是地球上一切能量的来源，同光能被固定形成化学潜能，并沿着食物 链的各个营养级传递，由于能量在转化过程中不可避免地消耗与损失，没有 任何能量能够l o o u 的有效转化为下一营养级的生物潜能。污染物在这种传递 中被消耗。林德曼的十分之一定律说明，能量从一个营养级向下一个营养级 转化的比率只有十分之一，因此自然界的食物链很少有长达4 个营养级之上。 4 上海梦清园生态净化象州河水的应用研究 因此在污水中引入多种物种，通过加环与相应的生物进行转化，延长食物链的 长度，并提高生物能的利用率，有利于提高能量的有效转化和物质的有效利 用，同时还增强生态系统的稳定性，抵御污染因子的破坏。通过重建水生生 态系统，形成了一种网络状食物链，大大有利于污染物质的降解。在一个健 康、良性循环的水生生态系统中，通常由完整的水植物群落，与水体中的浮 游、底栖生物、微生物和鱼类组成一个相互依存的生物链，参与食物链能量 和物质的转化，之间的关系可以用图1 1 表示。 图l l水生生态系统图 令生物与环境相互适应性原理 生物的生存、繁衍不断从环境中摄取能量、物质和信息，生物的生长发 育依赖于环境，并受环境的强烈影响，外界环境中影响生物生命活动的各种 能量、物质和信息因素称为生态因子，生态因子既有对生物和生命活动所需 的利导因子，也有限制生物生存和生命活动的限制因子。利导因子促进生物 的生长发育，而限制因子贝j i n 效生物生长与生产的发展，因而在各种污水生 态净化工程设计中必须充分分析当地利导因子及限制因子的数量和质量，以选 择适宜的物种和模式。不同的物种或同一物种在不同的环境中的净化效率都 会有较大差异。由于处理系统是全年连续运行的，故要求选择物种即使在恶 劣的环境下也能基本正常生长，而那些对自然条件适应性较差或不能适应的 都将直接影响净化效果。 上海梦清园生态净化苏州河水的应用研究 生物环境协同进化原理 生态系统作为生物与环境的统一体，既要求生物要适应其生存环境，又 同时伴有生物对生存环境的改造作用，这就是所谓的协同进化原理。协同进 化原理认为生物与环境应看作相互依存的整体，生物不只是被动地受环境作 用和限制，而在生物生命活动过程中，充分利用环境各种因子，包括排放的污 染物给予的营养因子，通过生物体的吸收、转化、排泄等将污染物质进行降解。 夺效益协调统一原理 水生生态系统构建必然加入人的活动因素，不再是一个单纯的自然系统， 而是一个自然一社会的复合系统，是由自然再生产和经济再生产交织的复合 运作过程，具有多种功能与效益，既有自然的生态效益，又有社会的经济效 益，只有生态与经济效益相互协调，才能发挥系统的综合效益。生态净化的 应用都是最终以追求综合效益为目标的。在其建设与调控中需全面分析当地 环境优势，突出优势物种进入系统，在取得环境效益同时产生经济效益，比 如水产养殖，就是将所追求的经济效益、生态效益融为一体。 1 2 3 净化主体 污水生态净化系统中净化主体是水生植物、微生物、水生动物和基质等。 水生植物 现有大部分研究【1 2 , 1 3 】都证实了水生植物是污水生态净化系统中的重要组 分。水生植物可以分为】挺水、漂浮、浮叶和沉水植物j 挺水植物以芦苇属 ( p h r a g m i t e s ) 、香蒲属( t y p h a ) 和b u l r u s hn ( s c i r p u s ) 的使用频率最高 1 2 1 。漂浮 植物使用多的有浮萍等，浮叶植物使用多的有凤眼莲等，沉水植物使用多的 有伊乐藻、苦草等。经试验证明，多种高等水生植物对氮、磷和各种重金属 以及酚、氰、农药等有机物都有吸收、积累、分解和转化的能力。其中，水 葫芦、水花生、水葱、浮萍、紫萍、狐尾藻、宽叶香蒲、水浮莲等都能有效 地吸收、积累、分解废水中的营养盐类和多种有机污染物。有资料显示，在 6 上海梦清园哇态净化募州河水的应用研究 最适宜的生长条件下，一公顷水葫芦能将8 0 0 人排放的氮、磷元素当天吸收 掉。 通过试验进一步证明，在自然界中的多种水生植物能净化废水中的多种 有机污染物。可见很多水生植物都具有净化污水的能力。我国水生植物资源 十分丰富，对进一步研究、开发利用新的种类净化污水，还有很大潜力。又 由于水生植物具有生长繁殖快、蛋白质含量高等特点，除在重金属污水中培 养的植物体外，所收获的植物体又能用作鱼类、禽畜饵料，也可用作肥料以 及沼气的生物能源。水生植物重要净化机理之一就是将氧气从上部输送至根 部，在根区或根际形成好氧环境，这一环境能促进有机物质的分解和硝化细 菌的生长，在远离根区，形成缺氧和厌氧环境，有利于反硝化细菌生长。植 物对氮磷等营养物质吸收并不占重要地位。通过水生植物收割试验表明磷在 植物干重中只占很小的比例【l3 1 ，不同的植物种类以及植物体不同部位的吸收 能力都不相刚1 4 ，。在通过吸收移走养分的能力方面，挺水植物被普遍认为不 如风眼莲这类浮叶植物，因为后者具有极快的繁殖速度，且根系直接从污水 中吸收养分，并对悬浮物产生过滤与吸附效果1 1 2 1 。以n 和p 为例，挺水植物 能吸收2 0 0 - - 2 5 0 0 k g ( n ) h a 1 一和30 - - 5 0 0k g ( p ) h a a - 1 ；漂浮植物则具有较 大的吸收量，约2 0 0 0k g ( n ) h a - 1 矿1 和3 5 0k g ( p ) h a 。a 1 ，而沉水植物较低，仅为 7 0 0 k g ( n ) h a 1 a 和1 0 0k g ( p ) h a q 一1 3 1 。缪绅裕等研究发现秋茄植物各器官 含磷量各不相同，依次为叶 根 茎 胚轴。除了去除氮磷外，水生植物及其枯 枝落叶层形成一自然生物滤器。有助于控制嗅味；还能阻碍杂草生长，昆虫 繁殖；植物根系促进悬浮物过滤，可防止系统的堵塞；在冬季形成一个绝热 层，有助于使基质免受霜冻【i7 1 。 由于水生植物在净化过程中起到十分重要的作用，因此选择合适的十分 重要。一般选择遵循以下原则：净化能力强，具有抗逆性、抗冻、抗热、抗病 虫害能力，易管理，对周围环境的适应能力，综合利用价值高，能美化环境。 如水葫芦，它须根发达，有利于吸收水中营养盐分、有机物和重金属等污染 物；同时，水葫芦生长迅速，繁殖快；而且又是漂浮植物，有利于水面采收。 7 上海梦清园生态净化募州河水的应用研究 微生物 微生物在污水净化中往往起核心作用，主要包括细菌、真菌、放线菌、 原生动物、藻类等，它们是各类污水中最先出现并对污染物吸收与降解的生 物群体，而且还能捕获溶解成分给它们的动物或植物共生体利用【l 引。微生物 生物量可作为系统中底泥物理化学特征，养分含量变化以及有机质积累与分 解有效反映指标。细菌中起主要作用的是硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌和 硫细菌。氮在自然界中循环包括七种价态。污水中的氮主要以有机氮和氨氮 形式存在。通常有机氮被细菌分解成氨氮。污水中无机氮被植物直接吸收只 占很少的一部分，主要是通过细菌的硝化、反硝化来去除。如前所述，植物 可以使系统溶解氧呈区域性变化，连续呈现好氧、缺氧状态，先在好氧条件 下将氨氮氧化成硝酸盐，再在缺氧条件下将硝酸盐还原成气态氮从水中逸出。 这种系统比传统生物处理具有更强的氮处理能力，比a l a 2 o 系统能源则节 省很多。微生物对磷的去除通过正常同化吸收和聚磷菌对磷的过量积累。微 生物对磷的同化吸收一般占去除总量的4 5 1 9 【1 3 1 ，因而，主要是通过聚 磷菌的过量摄磷而实现的。由于植物的光合及呼吸作用的交替进行，致使系 统中交替地出现好氧和厌氧而利于聚磷菌的过量摄磷。对硫的去除主要靠硫 细菌的分解。有机硫化物首先经矿质化被分解成硫化氢，部分硫化氢挥发逸 出湿地，部分则通过硫磺细菌和硫化细菌的硫化作用形成硫磺、硫酸，它们与 土壤中的各种离子形成无机硫化物。 真菌主要在植物根表形成菌根吸收养分【四】。其是参与基质中有机质分解过 程的主要成员，具有强大的酶系统，能促进纤维素、木质素、果胶等的分解， 并能将蛋白质最终分解释放氨。放线菌是分解不含氮和含氮有机化合物的积 极参与者，能比真菌更好的分解氨基酸等蛋白物质，还能形成抗生物质维持 系统生物群落的动态平衡。原生动物摄食一些微生物和碎屑，起着调节微生 物群落的动态平衡和清洁污水的作用【2 0 】。 虽然藻类体内的元素组成含量不是很高，但它们在贮藏和转移养分方面 有时也能起着举足轻重的作用。藻类有较快的周转速率，因此当污水有较高 养分时可起到短期吸收固定再随后缓慢释放与循环的作用 2 。丝状藻控制着 上海梦清园生态净化苏州河水的应用研究 污水的d o 与c 0 2 浓度及其日变化，它能使污水p h 值在白天比在晚上要高出 2 - - 3 个p h 单位。很显然污水中这种d o ，c 0 2 幂i p h 的剧烈日变化不仅影响污水 的化学变化，还会影响植物的生长及对污染物的作用。 水生动物 荷兰【2 2 】在对w o r l d w i j d 浅水湖泊实施治理发现纵然通过人工手段削减5 0 以上磷量，亦难自动使湖实现生态恢复，但通过对湖内鱼类群体数量和种类 组成的调控，成功实现转化为草型湖泊。， 日本学者解释水生动物净化机理认为【2 3 ，2 4 1 通过改变鱼类的群落结构，如 提高食鱼性鱼类生物量，降低以浮游动物为食的滤食性鱼类生物量，进而引 起浮游动物生物量上升，浮游动物通过摄食浮游植物、细菌和悬浮有机碎屑， 达到改善水质的目的。浮游动物起着重要的调控作用，体现为对初级生产力 如浮游植物的控制，对高级捕食者如食鱼性鱼类的控制，在营养级间生态转 换效率的控制。 底栖软体动物也对富营养水体具有明显的净化效应。在中一富营养型湖 泊内，软体动物在生物量上占主要地位：而在重富营养型湖泊内则无软体动 物，底栖动物以寡毛类或摇蚊幼虫为主。软体动物中的螺蛳、蚌类主要摄食 固着藻类、有机碎屑同时分泌促絮凝物质，使水中悬浮物质絮凝，促使水变 清。所以通过增加螺蛳、河蚌，补充底栖动物资源数量，可以促进物质循环、 增强系统稳定性。水生动物选择基于不会大量的繁殖，甚至失控；不会对污 水形成强烈的搅动甚至影响污水景观；能与水生植物形成合理的生物链循环 等原则。 基质 ，j ： 基质( 即填料) 是人为设计的、由不同大小颗粒的砾、沙、土等按一定的厚 度铺成的供植物生长、微生物附着的床体，具有过滤、沉淀、吸附和絮凝等作 用。填料的选择对于生态净化系统特别是人工湿地的运行效果有重要意义。 在床体内部填充多孔的、有较大比表面积的填料可改善人工湿地的水力学性 能，为微生物提供更大的附着面积，增强系统对污染物尤其是氮、磷的去除 能力。填料的任何性状发生改变都可能影响到生物的生长发育，从而影响污 9 j i ；? 霪 上海梦清园生态净化苏州河水的应用研究 水净化效果。其去污通过离子交换、专性与非专性吸附、整合、沉降等作用。 广为使用的填料土壤与磷、重盒属等的反应产物最终吸附或沉降在土体内， 从而使土体内这些元素的含量急剧升高，几年之后即可高达入水浓度的1 0 - - 1 0 0 0 0 倍以上【2 5 1 。土壤最重要的影响因子为氧化还原电位e h 。湿地的一个重要 特征是存在好氧与厌氧界面，从而使土体内的e h 变幅高达1 0 0 0 m v ( - - 3 0 0 7 0 0 m y ) ，而旱地土壤的e h 通常只在4 0 0 - 7 0 0m v 范围内变化【2 6 1 。这意味着湿 地能发生比旱地多得多的氧化还原反应。土壤中无机磷等元素有效性与溶解 状态也明显受e h 高低的影响。此外，微生物的生物量一般随着土壤e h 的降低 而降低。 目前应用较多填料有土壤、卵石、塑料、炉渣、陶瓷、活性炭、自然岩 石与矿物材料等。应根据原水水质和经济分析进行选择，以充分发挥填料的 作用，选择原则为：质轻，有足够的机械强度；比表面积大，孔隙率高；不 含有害物质，化学稳定性良好；水头损失小，形状系数好，吸附能力强。 1 2 4 国内外应用进展 目前国内外污水生态净化技术应用一般采用两种形式：( 1 ) 用于污水处理： 采用一级处理或一级强化处理后接生态净化系统，可达到总体投资省，运行 费用小，出水水质好的效果。( 2 ) 用于生态建设：采用二级处理后接生态净化 系统。结合生态建设的需要进行设计，使其成为循环利用系统。 美国【2 7 1 在北卡罗来纳州的赫林马什河上，率先尝试了基于人工湿地的生 态净化技术。进入湿地前，河水中n 0 3 - n 浓度为7 m g l ，流出湿地后，浓度 降为2 m g l 以下，每公顷湿地日去除n 0 3 - - n 达3 k g 以上。美国的俄亥俄州f 2 列 应用蒲草为主的湿地系统处理煤矿所排含有f e s 酸性废水。英国水公司在服 务区内构建了1 0 0 多座人工湿地处理系统。德国一养猪场用芦苇湿地日处理 高浓度废水1 0 0 吨。古巴则采用凤眼莲塘处理城市和工业废水，发达的根系 可吸收废水中的重金属、酚、杀虫剂，降低9 1 的氮，9 5 的有机物【2 9 】。位 于日本江户川支流坂川古崎净化场【3 0 】采用该技术对河道进行修复，观测结果 表明河道的水质有了明显改善。韩国良才川是汉江的一条支流，1 9 9 5 年起采 用卵石接触氧化法，即强化自然状态下河流中的沉淀、吸附及氧化分解现象， l o 上海梦清园生态净化苏州河水的应用研究 利用微生物的活动将污染物转化为二氧化碳和水，几乎不耗能，运行成本很 低，治污效果显著。在荷兰、奥地利等国结合当地情况建立了各式各样的污 水生态净化工程。 应用于我国城市污水的净化始于2 0 世纪7 0 年代。一些城市利用郊区的 坑塘洼地、废河道、沼泽地等稍加整修或围堤筑坝，建成稳定塘，对城市污 水进行处理。这个时期在全国已建成各种类型的稳定塘有3 8 座，日处理城市 污水约1 7 3 万m 3 。其中生活污水量占一半，其余包括石油、化工等多种工业 废水【3 1 1 。武汉鸭儿湖是我国最早建成处理以有机磷为主的多种农药废水的稳 定塘 3 2 】。1 9 9 0 年国家环保局在深圳白泥坑建造了第一个规模较大的人工湿地 作为城市污水处理试验场，9 9 年在小试和中试的基础上设计和修建了“洪湖人 工湿地系统”来进行湖水净化。沈阳市于2 0 0 3 年采用人工湿地治理城市污水 3 3 】。云南玉溪市河口村使用塘系统处理生活污水【3 4 1 ，已全面达标并通过验收， 成为云南省农村第一个无生活污水排放村。上海【3 5 】应用人工湿地于大中型集 约化畜牧场污染治理，解决常规经过沉淀、酸化水解等一级处理后，出水中 c o d 和s s 含量仍然较高，尚需进行二级处理方可达到排放标准这一问题。 上海梦清园【3 6 】、成都活水公剐3 7 】等将该技术用于景观水处理，取得显著的环 境效益与经济效益。 1 3 研究背景 苏州河是黄浦江较大的支流，东起江苏省东太湖瓜泾口，横贯上海市区， 上海市内长度为5 3 1 公里，是上海重要的自然水体【3 8 】。在现代运输方式发展之 前，苏州河作为天然水道，承担着上海与苏州等地的商业交通运输功能。苏 州河在上海城市发展以至中国工业发展过程中起了重要作用，可以看作是上 海近代手工业及商业发展的一个标志。相当长的一段时期，苏州河两岸基本 为码头、仓库和工厂，苏州河主要承担工厂的原材料和产品的运输。随同上 海的开埠和经济的不断发展，从2 0 世纪2 0 年代苏州河开始受到污染，沿岸居 民以及各类工厂、作坊、码头、仓库、商业店铺迅速密集，并不断向两岸腹 地扩展，她在孕育上海经济发展的同时，也接纳了两岸大量未经处理的工业 上海梦睛园生态净化券州河水的应用研究 废水和生活污水的排放，积淀了大量的污染底泥，所接纳的污染负荷远远超 过其自净能力，各种水体功能严重损害，环境质量恶劣。1 9 2 0 年，苏州河部 分河段出现了黑臭，1 9 4 9 年建国前夕，从外白渡桥到曹家渡河段已终年黑臭， 苏州河沿线地区成为环境较差的区域。新中国成立后至改革开放前，上海承 担了我国恢复和发展经济的重任，把工业生产放到了重要位置。在上海发展 成为功能单一的中国最大的工业城市这个时期，尽管对苏州河进行过些治 理，但由于种种原因，河水的黑臭状况并没有改变，而且逐渐d i l l 并向上游 发展。苏州河沿线的发展日益落后，两岸陆域环境越来越差。黑臭的苏州河 和两岸杂乱简陋的建筑不仅严重制约了沿河的经济发展，严重影响沿岸居民 生活，同时也损害了上海市成为国际大都市的形象。 改革开放以后，上海也迸人新的发展时期，把上海建设成为2 1 世纪的世 界经济、金融、贸易、航运中心成为城市发展的目标。上海的社会经济迅速 发展，产业结构得到全面调整，已部分地进人到以信息和服务业为主导的后 工业化社会阶段。同时，新的发展思想，如生态思想和可持续发展思想等越 来越被人们所认同和运用，人们终于重新审视苏州河的作用，认识到通过改 善苏州河的环境、发挥苏州河的综合功能，进而促使苏州河沿线地区的复兴， 可以实现城市的健康协调发展。于是，苏州河水环境综合整治拉开帷幕。 1 9 9