（环境工程专业论文）黑臭河道净化试验研究及综合治理工程应用.pdf

从厌氧向好氧状态变化的趋势河道生态系统走向良性恢复。 但由于截污不完全，短时间会造成水体各类污染物浓度显著增加。对工业河 水环境改善和生态恢复产生一定的冲击，有效和及时的排污监管是工业河治理的 根本保障，加强治理系统的监测和管理维护对长效保障黑臭河道的治理效果至关 重要。 关键词。水环境污染；黑臭河流；生物净化槽；填料；徽生物；水生植物；试 验研究 a b s t r a c t c u r r e n t l yw a t e re n v i r o n m e n tp o u u f i o nh a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti s s u e s i nt h ew o r l d ，a n df i v e rp o l l u t i o ni nc i t yi sm o l ef l i n t y t h eu r b a nr i v e ri sp l a y i n ga n i m p o r t a n tr o l ei nt h ec i t yw a t c re n v i r o n m e n t , i sa ne s s e n t i a ls o u l l ei nt h ef o r m a t i o n a n dd e v e l o p m e n to ft h ec i _ 够w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ei n c r e a s eo f p o p u l a t i o n , t h ed i s c h a r g eo fi n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n dd o m e s t i cw a s t e w a t e rh a v e c o n s t a n t l yi n c r e a s e d 1 a r g ea m o u n to fi n e f f e c t i v e l yt r e a t e ds e w a g eh a sd i s c h a r g e d d i r e c t l yi n t oc i t yw a t e ra r e a , e s p e c i a l l yt h em i d d l ea n ds m a l l - s c a l eu r b a nr i v e r s a l l t h a tr e s u l t si nt h eb l a c ka n do d o r o u sw a t e rb o d ya n dh a v eab a de f f e c to nc i t i z e nd a i l y l i f ea n dc n v i r o m e n t ， a n dh a v ea l r e a d yd e e p l ya f f e c t e dt h eu r b a ne c o l o g i c a l c o n s t r u c t i o na n dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc i t ye c o n o m y t h et r c a t n t e n tf o r b l a c ka n do d o r o u sw a t = rb o d yi sa nu r g e n tp r o b l e mt od e l a yi nc i t y o nt h eb a s i so fa p p r a i s e m e n to ft h ef a m i l i a re n g i n e e r i n gm e a s u l l m e n ta th o m e a n da b r o a ds u c ha ss e d i m e n td r e d g i n g ，d i s p o s a la n di n t e g r a t e dl o w f l o wa u g m e n t a t i o n 。 t h i sd i s s e r t a t i o np o i n tt h a tb i o r e m e d i a t i o ni st h ei n d i s p e n s a b l em e a s u r e m e n t a tt h e s a n l et i m e ，t h i sp a p e rc o m p a r e sa n da n a l y z e st h et h e o r ya n dt e c h n i q u eo fv a r i o u s t r e a t m e n t sf o rt h eb l a c ka n do d o r o u sf i v e f si nc i t y , s u m m a r i z e st h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s ，a n ds t u d i e st h ek e yt e c h n i q u eo fb i o r e m e d i a t i o n t h i ss u b j e c ta i m e da td e v e l o p i n ga ne f f e c t i v ea n dc o m b i n e dw i mc i t yn a t u r a l e c o s y s t e mw a t e re n v i r o n m e n tt r e a t m e n tt e c h n o l o g yf o rt h eb l a c ka n do d o r o u sr i v e r s i nc i t y t h er e s e a r c hw a sa b o u tb i o l o g i c a lt r o u g hs y s t e mt r e a t i n gt h eb l a c ka n d o d o r o u sw a t e ti ng o n g y ef i v e r r e s u l t ss h o w e d ： 1 b i o l o g i c a lt r o u g hs y s t e mh a db e t t e rp u r i f y i n ge f f e c tt ol a n d s c a p ew a t c t p o l l u t e dw h i l et e s t i n g ，c o u l di m p r o v ei t s w a t e rq u a l i t ya tl i t t l e t h ep u r i f i c a t i o n e f f i c i e n c yv a r i e di nl i n ew i t ht e m p e r a t u r ea n ds e a s o n sh y d r a u l i cl o a d i n gv a l u e sa n d t h eg r o w t ho fp l a n ta n dm i c r o o r g a n i s m s t h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to ft h ec o m b i n a t i o n 仃o u 曲o ff i l l i n ga n da q u a t i cp l a n tw e r eb e t t e rt h a nt h ef i l l i n gt r o u g h t h ef o r m e r s r e m o v a lr a t e so fb o d 5 ，c o d c r j n i - 1 3 - n a n dt pa r e3 7 o 、3 4 8 、3 4 7 、2 6 7 a t t h es a m ec o n d i t i o n ，t h ep l a n t sa b s o r p t i o nt ot h es o l u b l ep o l l u t a n ta n dt h er k i z o s p h e r e m i c r o o r g a n i s m sm e t a b o l i s mf u n c t i o ns t r e n g t h e n e dt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to ft h e s y s t e mi n t h ec e r t a i nd e g r e e 一 2 w h e t h e ra d d i n gm i c r o o r g a n i s m so rn o t , t h ec h a n g e s ，h o w e v f f f , w a sn o t o b v i o u s n oa d d i n gm i c r o o r g a n i s m sw e r es u g g e s t e di nt h es 锄es i t u a t i o nt od e c r e a s e t h ec o s to fo p e r a t i o n , r e g a r d i n gt ot h es i m i l a rw a t e rq u a l i t yc o n d i t i o n m o r e o v e r , t h e e x p e r i m e n ts y s t e m 黜i n f l u e n c e db ye x t e r n a le n v i r o n m e n t , b e c a u s et h ep o l l u t i o n l o a d i n gc h a n g e db yt h er a i nf a l lw i l lc 舢i s ct h ei m p a c tt ot h es y s t e m , w h i c hw i l la f f e c t d i r e c t l yt h es y s t e m ss t a b i l i t ya n dt h ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yt oa l lk i n d so fp o l h t a m t h ep l a n t sc o n t r i b u t e dl e s sf o r t h er e m o v a lo fn i t r o g e np o l l u t a n t s ( 8 9 2 ) ，b u tp l a y e d a l l i m p o r t a n tr o l e ( 2 5 2 4 1 f o rt h er e m o v a lo fp h o s p h o r u sp o l l u t a n t s t h e c o n c e n t r a t i o no fd oe x p e r i e n c e dac h a n g e dp r o c e s s ，w h i c hi n c r e a s e df h s ta n dt h e n d e c l i n e d , a n da r r i v e da tt h em a x i m u mv a l u ef r o m l 4 ：0 01 0 1 6 ：0 0 3 t h eh y d r a u l i c sr e s i d e n tt i m ec a ni n f l u e n c eo b v i o u s l yt h er e m o v a lr a t e so f b o d sa n dt pa n dt h ec o m b i n a t i o nt r o u g hw e r eb e t t e rt h a nt h a to ft h ef i l l i n gt r o u g h t h et r e a t m e n tp e r f o r m a n c eo f2 4 h ( 珏w a sb e t t e rt h a nt h a to f8 h ( h r t ) b u tt h e i n f l u e n c eo ft h eh y d r a u f i c sr e s i d e n tt i m et or e m o v et h ea m m o n i aw a gn o to b v i o u sf o r t h ef i l l i n gg r o u p ，h o w e v e r ，i sr e m a r k a b l ef o rt h ec o m b i n a t i o ng r o u p a e r a t i o nc a n e n h a n c eo b v i o u s l yt h er e m o v a lr a t e so ft h ea m m o n i ai nt h es y s t e m i nt h es a m et y p e t r o u 曲，t h ee f f e c to fa e r a t i o nw a sb e t t e rt h a nt h a to f n oa e r a t i o n a tt h es a m ea e r a t i o n c o n d i t i o n ，t h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to ft h ec o m b i n a t i o nt r o u g ho ff i l l i n ga n da q u a t i cp l a n t w e r eb e t t e rt h a nt h a to ft h ef a l l i n gt r o u g he x c e p tt h er e m o v a lt ot p 4 s o m em e a s u r e ss u c ha ss e w a g et r u n c a t i o n , s e d i m e n td r e d g i n g ，d i s p o s a la n d a e r a t i o nc o u l di m p r o v ei t sw a t e rq u a l i t y t h ec o n c e n t r a t i o no fo x y g e ni n c r e a s e e v i d e n t l y , a n dt h eo r g a n i cc o n t e n t , n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n t e n to ft h es e d i m e n t h a sr e d u c e d , w h i c hs u g g e s tt h a tt h e r ei sac h a n g ew i t ht e n d e n c yf r o ma n a e r o b i c c o n d i t i o nt oa e r o b i cc o n d i t i o ni ns e d i m e n t b e c a u s eo ft h em m c a t i o nd i r ti n c o m p l e t e l y t h e r ew e r ea l lk i n d so fp o l l u t a n t s d u m l ) e d i n t ot h er i v e r , w h i c hc o u l dc r e a t ear e m a r k a b l ei n c r e a s i n gi nt h e c o n c e n t r a t i o no ft h ep o l l u t a n tf o rt h es h o r tt i m e ，a n dc a u s e dc e r t a i ui m p a c to f p o l l u t a n tl o a d w es h o u l ds t r e n g t h e nt h ec o n t r o lo ft h ee x t r a n e o u ss o u r c 七p o l l u t a n t i n p u ta n de a r l yo ne f f e c t i v es u p e r v i s a la n dm a n a g e m e n tf o ral o n gt i m e k e yw o r d s ：w a t e re n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , b l a c ka n do d o r o u sr i v e r s ，b i o l o g i c a l t r o u g h f i l f i n g , a q u a t i cp l a n t s , m i c r o o r g a n i s m , p i l o t - 翻姚e x p e r i m e n t a ls t u d y i v - 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发 表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 作了明确说明并表示谢意。 作者签名：装擅拯日期：毛竺翌：! ：? 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：关柞材、 日期：生啤一生、暑 黑臭河道净化试验研究及综合治理工程应用 第一章绪论 1 1 城市河流水环境 城市河流作为城市生态系统重要的组成部分，具有供应水源、提供绿地、改 善环境、交通运输、文化教育和旅游娱乐等功能，对城市的生态建设具有重要意 义。可为城市的生活和生产就近提供水源，减弱城市热岛效应和洪涝灾害，为城 市绿地建设提供基地，丰富城市景观多样性和物种多样性，为市民提供文体娱乐 与亲近自然的空间。 1 1 1 城市河流水环境的概念 水环境一般是指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川和海洋等地表储水 体中的水本身及水体中的悬浮物、溶解物质、底泥，甚至还包括水生生物等。从 自然地理的角度看，水环境系指地表水覆盖地段的自然综合体。 在远古时代为城市提供了稳定的水源和肥沃的土壤，发展到后来，城市河流 除提供水源以外，随着水上交通工具的发展，成为城市物资运输的重要通道；在 近代工业化阶段，城市河流对城市的作用更加重要，成为水源地、动力源、交通 通道和污染物净化的场所；在现代，城市生态化成为城市建设的主流，在其生态 建设过程中，城市河流显示出不可替代的意义。城市河流对城市的繁荣与衰落， 对城市社会、经济、环境协调发展有至关重要的意义l l , 2 1 。 1 1 2 城市河流水环境在城市建设中的意义 城市生态建设就是城市模拟自然生态系统，创建一个物质循环畅通、能量流 动高效、系统过程稳定、结构和功能协调的生态系统，为城市人口提供一个与社 会和自然发展相匹配的持续稳定的物质环境。城市河流本身所具备的物质静态和 动态特性，为城市生态建设提供了一定的基础。 1 1 2 1 城市生活和生产的水源 水在人类生活中是必不可少的物质之一，许多城市人均生活用水量已达到 l o o l d 人以上，如此庞大的用水量从就近河流中引取，具有投资少，稳定性高 等诸多优势。城市生产中所必需的大量的各类工业用水从就近的城市河流中解 决，也具有明显低成本、高稳定的优势。地下水可以作为城市的水源，但是地下 水安全性、稳定性、经济高效性等方面都无法与地表河流相比，且城市地下水在 很多情况下，大部分补给量仍来源于城市河流，城市河流水量的减少、水质的恶 化均会影响到地下水量的时空分布和水质的时空分布，且大量使用地下水，将不 可避免地引起地面沉降而加剧地质与洪涝灾害。可以预见，城市河流在未来仍是 黑臭河道净化试验研究及综合治理工程应用 城市生产和生活用水的重要水源。 1 1 2 2 减弱城市热岛效应和洪涝灾害 城市下垫面性质的变化以及人为因素造成热量的大量排放使得城市热岛效 应强度正变得越来越大。城市河流水的高热容性、良好流动性以及河道风的流畅 性，对减缓城市热岛效应具有明显的作用。 许多城市河流的河道越来越窄，河床越来越高，河网越来越被破碎，河流正 常的自然地理过程被打乱，严重影响了城市河流本来所具备的防洪功能，加剧了 洪涝灾害。而城市化过程中，城市区域水文特征的变化，如缩短成洪时间，更需 要城市河流有较强的排洪能力。因此，加强对城市河流的防洪功能的重视可以减 轻城市的洪涝灾害。 1 1 2 3 增加城市绿地的建设空问 城市绿地诸多生态功能的发挥，受到城市绿地绿量微小的制约而不甚明显， 城市绿化土地的成本高，使得城市绿地建设也受到用地的限制，且城市环境的变 化也使得城市绿地建设和管理难度加大，而城市河流两岸、河心沙洲为城市绿地 建设提供了有利的自然条件。 1 1 2 4 城市物种多样性的不可缺少的部分 城市物种多样性的保护已成为全球生物多样性保护的组成部分之一，城市河 流是城市中特殊的生物生境，其生物多样性较高；较多种类的植物可以在城市河 流两岸生存和繁衍，对维持城市生态系统的持续、稳定和发展有支持作用。 1 1 2 5 城市文体娱乐、亲近自然的场所 城市中文体娱乐场所的稀少、自然区域的逐渐减少，已经影响了城市人口的 生活质量。城市河流可为缓解这种局面起到一定的作用。水上各种运动的开展可 提供新的文体娱乐形式，河流两岸、河心沙洲的自然景观提供了亲近自然的场所， 在城市单调的生活环境增添了不少亮色。 1 1 2 6 城市环境教育的基地 城市河流所具备的自然地理特性和生物特性可以为学校环境教育提供天然 的场所。环境教育己成为整个公民教育的组成部分，城市河流所具有的环境教育 功能经过适当的开发和组织后，可作为提高城市公民环境保护意识的辅助渠道。 总之，城市河流作为城市系统中的种自然地理要素，其生态建设意义正越 来越被城市建设者所关注，河流生态功能的应用也逐渐被引入到生态城市的建设 中1 3 , 4 , 5 1 。 、 黑臭河道净化试验研究及综合治理工程应用 1 2 我国城市水污染现状 1 2 1 我国城市水资源及其污染现状 我国是一个水资源短缺的国家，淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿m 3 ，人均约2 3 0 0 一，仅相当世界人均水资源占有量的1 ，4 ：若扣除难以利用的洪水径流和散布在 偏远地区的地下水资源后，现实可利用的淡水资源量更少，淡水资源总量仅为 1 1 0 0 0 亿岔左右，人均可利用水资源量约为9 0 0 1 1 1 3 ，且其分布极不均衡。在全国 6 0 0 多个城市中，4 0 0 多个城市存在供水不足的问题，其中缺水比较严重的城市 有1 1 0 个，全国城市缺水年总量达6 0 亿矗。专家预测，中国在2 0 3 0 年人口将 达到1 6 亿的高峰，届时人均水资源量仅有1 7 5 0 m 3 ，中国将成为严重缺水的国家 嘲。 目前全国水污染现象日趋严重，水体水质日益恶化，其污染现状是“局部有 所改善，整体仍在恶化”1 6 l 。全国有监测的1 2 0 0 多条河流有8 5 0 条受到不同程 度的污染，并且有不断加重的趋势。七大水系中，不适合做饮用水水源的河段达 4 0 ，工业较发达的城镇河段污染突出，城市河段中7 8 的不适合做饮用水源。 2 0 0 5 年，国家环境保护总局监测结果显示：长江、黄河、珠江、松花江、淮河、 海河和辽河等七大水系总体水质与上年基本持平。七大水系的4 1 1 个地表水监测 断面中( 如图1 所示) ，i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 1 、3 2 和2 7 。其中，珠江、长江水质较好，辽河、淮河、黄河、松花江水 质较差，海河污染严重。主要污染指标为氨氮、五日生化需氧量、高锰酸盐指数 和石油类：在2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足类水质的湖( 库) 2 个，占7 ；类水质的湖( 库) 6 个，占2 1 ；i v 水质的湖( 库) 3 个，占1 1 ：v 类 水质的湖( 库) 5 个，占1 8 ；劣v 类水质湖( 库) 1 2 个，占4 3 。其中，太 湖、滇池和巢湖水质均为劣v 类【_ ”。主要污染指标为总氮和总磷。相关资料表明： 生活污水、工业废水是水质污染的主要来源。淮河、海河、辽河、太湖、巢湖、 滇池、南水北调( 东线) 、三峡库区及其上游水污染防治“十五”计划要求的 4 5 3 个水质监测考核断面中，2 7 0 个断面达标，占6 0 。以高锰酸盐指数考核， 淮河、海河、辽河、南水北调( 东线) 、三峡库区及其上游水质监测断面达标率 分别为8 4 、5 7 、5 0 、4 5 和7 3 。以高锰酸盐指数和总磷考核，太湖、巢 湖和滇池水质监测断面达标率分别为3 6 、5 0 和5 0 。 黑臭河道净化试验研究及综合治理工程应用 图1 12 0 0 5 年中国七大水系水质类别比例比较 1 2 2 我国污染河流的基本特征 河流是地球生态环境的重要组成部分，为人类的生存和发展提供水资源保障 1 8 9 l 。但随着经济的快速发展和人口急剧增加，河流所接纳的污水和废水量成倍 增长，已严重超过了河流白净能力所能承受的范围。因此，河流污染事件不断发 生，河流生态系统严重受损，河流的使用功能和生态功能逐渐丧失，尤其是城市 河流。与非城市化地区相比，城市河流因靠近城市，不断接纳城市废物( 如图2 所示) 使污染更加严重。 图1 - 2 河流的主要污染源示意图 ( 1 ) 中小河流污染极为严重 近几十年来，我国中小河流河道污染严重，尤其是靠近城市、城乡结合区域、 乡镇的中小河流由于受到多种人为因素的污染和破坏，生态环境正处于人为破坏 之中“o 1 l l 。这些人为因素主要包括：固体废弃物入河，尤其是面广量大的生活 垃圾，随意倾倒。城区河道与城区建筑物距离较近，有些已建成或在建的项目 就在河道沿岸，很多生活垃圾和建筑垃圾直接倾倾倒入河。河道沿线的许多中 小型企业就近将厂内工业废水和厂区生活污水直接排放于河道中。大量禽畜 黑臭河道净化试验研究及综合治理工程应用 粪、尿直接入河。这种污染河道的方式在城乡结合区域和农村地区表现尤其明显。 农村地区不少的中小河道，常年长满了原为猪饲料的水花生等水生植物，水生 植物的大量繁殖造成河道堵塞。由于经济的发展和农作方式的改变，长江以南 地区农民弃用河泥作为有机肥料，大量施用化肥，不再利用河泥，一方面部分未 被作物利用的化肥随雨水径流入河，加速河道污染；另一方面河泥日积月累，河 床也自然抬高。我国水利采取分级管理，面广量大的乡、村级中小河流、池塘、 断头浜，名义上划入乡( 镇) 村管理，实际上这些水域处于无人管理的状态。由 于发展经济的客观需要，大量中小河流被填平作为扩大工业、商业和居住用地， 使中小河流数量急剧缩减。 以上这些因素直接导致中小河流的水质越来越差，河床底泥越来越厚，底部 污泥呈厌氧状态，最后致使河流从清洁转变为黑臭。 ( 2 ) 河流的自然生态系统严重退化 河流通常不是孤立的，是整个流域水系的一部分，参与整体的自然水文循环 过程1 1 2 , 1 3 1 。在城市化初级阶段，自然生态系统在河流系统中占主要地位，其污染 较少、水质良好。但随着城市规模的不断扩大，人口的不断增多以及经济的快速 发展，人类对水资源的利用强度在不断的加大，城市河流的水污染从污染类型到 污染强度都随着城市化的进程在加大。城市的发展与水资源的不协调、水源的紧 张，造成了城市水资源短缺，河流甚至连基本的生态需水量都无法保证。同时人 类对水环境的破坏力度也在不断加强，许多河岸带被挤占、河道溪沟被填埋，河 流与市街的缓冲区也被压缩。为了美观和便于管理，大多数河流还被“渠化”和 “硬化”1 1 4 , 1 5 1 致使自然河流的生态系统严重退化，成为人工生态系统与自然生态 系统交互作用的特殊生态系统。在这种特殊生态系统的作用下，水生生物的栖息 场所减少，水体的自净能力下降，水质不断恶化。 ( 3 ) 污染物数量大、种类多 国家环保总局在发布的( 2 0 0 5 年中国环境统计公报中指出：2 0 0 5 年全国废 水排放总量为5 2 4 5 亿吨( 其中，工业废水排放量为2 4 3 1 亿吨，生活污水排放量 为2 8 1 4 亿吨) ，化学需氧量排放量为1 4 1 4 2 万吨，氨氮排放量为1 4 9 8 万吨【1 7 j 。大 量未经处理的工业废水和生活污水直接排入河流，导致河流严重污染，并且这种 污染情况已经呈现出从支流向千流延伸、从地表向地下深入、从城市向农村蔓延、 从区域性向流域性发展的趋势。此外，农业生产上大量使用的化肥、农药以及畜 禽养殖过程中产生的粪便，也会随地表径流进入河流水体，使河流水体的水质进 一步恶化。河流因接纳工业废水、生活污水和面源污染物而使水体污染物种类十 分复杂，主要包括有机污染物、植物营养盐、酚类物质、重金属、病菌和病毒以 及热污染等。但目前江河湖泊水体主要呈现为有机污染，主要超标项目是氨氮、 黑臭河道净化试验研究及综合治理工程应用 高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量和挥发酚等。 ( 4 ) 非点源污染的影响越来越突出 河流的非点源污染主要来自地表径流、大气的千沉降和湿沉降、城市的水土 流失以及河流内部的底泥层。虽然当前我国河流的污染源仍以点污染源为主，但 随着对工业污染和城市生活污染的控制水平的不断提高，非点源污染对河流污染 的影响表现越来越突出1 1 7 培】。 ( 5 ) 污染河流普遍被衬砌，河道越来越顺直 蛇形河槽是水流冲刷和侵蚀的结果，是自然河流的基本特征之一。但在我国 的许多地方，由于用地紧张以及景观和防洪的需要，往往被“衬砌”和“裁弯取 直” 1 3 1 7 , 1 8 , 1 9 2 0 1 。河道的衬砌和人工裁弯导致河道变得比较顺直，一方面，导致 河势不稳，过水能力增强，减少了周围地区可利用的水资源的量；另一方面，河 槽被衬砌和裁弯取直后，水体中原有的不同流速带消失，导致部分水生生物消失。 ( 6 ) 平原河网流速慢、水动力不足 平原地区的污染河流，来水量较小、流速缓慢，因此又被称作缓流水体。缓 流水体因流动性小，自净能力弱，形成了一个具有内在动力学的密闭系统，通过 此系统控制物质转化的各种活动f 2 “。季节的变化使水体的动力学特征明显不同： 夏季水体表面在风力的作用下，迅速吸收氧气，处干好氧状态；同时，水体下层 与有氧气的变温水层分离而处于厌氧状态。秋季水层水温变冷，水体的循环可发 生到水底，氧气可进入底部，底层沉积物可溶解并输送到变温层的表层。冬季和 春季情况分别与夏季和秋季类似。上述停滞分层水体变为完全循环水体的连续交 替现象对水体的各种生物代谢作用非常重要。浅层水体虽然没有热的分层现象， 但四季都可循环，促进了氧的输送，同时也使得藻类的繁殖加快。此外，缓流水 体在枯水期进水量少，水体置换速度慢，淤积严重，也减弱了其自净功能。 1 2 3 上海市水资源数量的构成及其基本特征 上海市水资源分为本地水资源和过境水资源，本地水资源量为2 5 5 7 x l o s 一， 其中地表径流为2 4 1 5 x 1 0 8 矗，承压地下水1 4 2 x l o s m 3 ；过境水资源 9 4 4 1 6 x l o s 一，其中太湖流域来水量为1 0 6 6 x l o s m 3 ，长江干流过境水量为 9 3 3 5 x l o s m 3 。上述水资源的构成形成了一种以客水为主体的水资源特征：过境 水量在水资源总量中占有举足轻重的比重，导致本市水资源的年际变化相对较为 稳定，丰水年与特枯年之比为1 5 ：1 ；过境水量比重大，占9 9 7 ，导致本市 水资源的水量和水质易受流域来水的影响，而广大河网的水量补给较少。据粗略 统计，在自然引排水条件下，除了地面径流外，进入内河的水资源量不会超过总 量的2 5 。因此，严格控制和治理广大河网的内部污染，最大限度地控制由 黑臭河道净化试验研究及综合治理工程应用 地表径流引起的非点源污染，调活市区内河网水体，对缓和河道黑臭状态，改善 近期河道水环境质量，提高河道的水环境容量，促进河网水质的良性循环具有十 分重要的意义嬲。 1 2 4 上海城市河道水环境概况 上海位于长江三角洲东缘，为典型的平原感潮河网地区，属太湖流域。其东 临东海，北靠长江，南倚杭州湾，处于太湖流域下游，地势平坦，河网交错，水 系纵横。上海的水系既受上游来水影响，又受到来自东海的潮汐作用，水流特性 为往复流。河道对于上海地区的防洪排涝、引水灌溉、水运通航、水环境改善、 气候调节以及生态平衡具有十分重要的作用1 2 2 j 。 上海市境内大小河道纵横，水资源丰富。除长江口外，全市水面积6 8 7 7 k i n 2 ， 占全市总面积的1 1 1 ，河网水系约有各类河道2 3 8 万条，总长度2 2 3 x1 0 4 h n ， 其中，包括黄浦江、苏州河、太浦河、斜塘泖河拦路港、圆泄泾大蒸塘、 大泖港掘石泾胥浦塘、蕴藻浜、淀浦河、金汇港、大治河、川杨河、油墩港、 叶榭塘、浦南运河、浦东运河和南横引河1 6 条骨干河道，河长共计6 1 2 9 0 公里。 各水系河道间以船闸及各类闸坝相互沟通，形成不同水文特征的复杂系统。各类 湖泊2 1 个，总面积9 1 k i n 2 。河网密度3 4 1 k i n k i n 2 。与2 0 世纪8 0 年代相比，河 道( 湖泊) 面积率下降了约2 7 个百分点，若不包括黄浦江、苏州河等外河，各 区( 县) 河道面积率一般在5 7 ，尤以市区最低，不到2 5 。水面积下降 加剧了城市热岛效应和暴雨积水灾害1 2 3 , 2 4 1 。 2 0 0 5 年采用地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 的水质评价标准对上述 河道进行评价，评价结果显示瞵】：水质污染以有机污染为主。主要超标项目为 氨氮、化学需氧量、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、溶解氧。水质类别在优于 类( 含类) 劣于v 类之间。其中，优于类( 含类) 水河长8 5 6 0 公里，占评 价河长的1 4 o ：i v 类水河长1 0 8 5 0 公里，占评价河长的1 7 7 ；v 类水河长 1 3 6 3 0 公里，占评价河长的2 2 2 ；劣于v 类水河长2 8 2 6 0 公里，占河道总河长 的4 6 1 ( 见图3 ) 。 图1 32 0 0 5 年上海市骨干河道水质状况分类图 黑臭河道净化试验研究及综合治理工程应用 为此，上海市已被列为全国3 6 个水质型缺水城市之一。同时其水质污染特 征还表现为：以有机污染为主，其中因各种有机物降解过程中产生的n l l 3 - n 是上海地区最具有代表性的污染指标物；以污水回荡以及上溯为表征的水质污 染物的迁移和积累，尤以黄浦江中下游和苏州河下游污染带最为典型；上海水 质污染形成以夏季( 汛期) 为峰值的特点：污染源逐步由点源向非点源转移， 使广大的内河河网水体的改善难度增大，水环境恶化。 1 3 我国城市河流黑臭原理、成因及其影响因素 1 3 1 水体黑臭的原理 水体黑臭是因为水体受到污染，溶解氧被污染物消耗，自然复氧的速率不足 以补充污染物降解的耗氧速率，而致使水体中溶解氧趋近于0 ，于是水体就产生 发黑发臭的现象。 一般来说，水体溶解氧大于2 m g l 时1 2 6 1 ，水体中的好氧微生物活性趋强， 水体在好氧环境下发生着以好氧微生物为主导作用的污染物降解作用，这是一种 健康的降解水体污染的方式，有机物中的碳、氮、硫便被分解成二氧化碳、硝酸 盐及硫酸盐等。当水体中的溶解氧小于0 2 m g l 时1 6 l ，水体中厌氧微生物活性趋 强，水体便在厌氧环境下发生着厌氧微生物为主导的厌氧发酵降解污染物的方 式，在这种情况下，有机物中碳、氮、硫成分便按照缺氧方式分解成c 1 4 、n i l 3 - n 、 b 2 s 等物质2 s 2 9 1 。 在水体厌氧环境下，有机物分解出的h 2 s 便会在水体中电离h s 、s ，并与 水体中原先存在的f e “、一等产生如下的反应： h 2 s 车令h + + h s h s 亡亭i - 1 + + s f 矿+ s 令f e s 由于h 2 s 的溶解度及f e s 溶度积极小，因此很容易从水体中离析出来。于 是，水体中产生的h 2 s 及n h 3 、c i - h 等物质逸出到空气中便形成了臭味发源，而 以不溶于水的f e s 为主的微小颗粒悬浮在水中形成水发黑的根源1 2 9 1 ，于是便形 成水体的黑臭。 1 3 2 水体黑臭成因及其影响因素 1 3 2 1 水体黑臭的成因 水体黑臭直接的原因是由于溶解氧不足造成的，而污染物的排放是造成水体 黑臭的根源。当水体中的有机污染物大量存在时，污染物便在微生物作用下分解， 当水体中溶解氧小于0 2 时，水体便转化为厌氧环境，水体只能进行缓慢的按照 厌氧发酵的方式来降解污染物的反应。 黑臭河道净化试验研究及综合治理工程应用 1 3 2 2 水体黑臭的影响因素 ( 1 ) 溶解氧在天然水体中，好氧的水体中大量存在着溶解氧和少量的 h 2 s ，而厌氧的水体环境中有着少量的溶解氧和大量的s 2 ，溶解氧与s 。处于在 水体特定含氧条件下的化学平衡状态当含氧量高时，溶解氧浓度升高，s 。浓 度降低，反之则s 2 - 浓度升高，而溶解氧浓度降低。当s 玉浓度升高时，水体便会 产生黑臭的现象了。而水体中的含氧量与水体中易降解的有机污染物成反比，自 然条件下水体的空气复氧具有一定的速率1 2 8 1 ，当有机污染物大量存在时，水体 中的溶解氧便会被微生物大量消耗而降低，而污染物很少时，水体中的溶解氧便 会接近于水体的饱和溶解氧浓度。以下为三者间的关系： 有机污染物浓度台今d o 浓度车夸s 2 - 浓度 ( 2 ) 污染物黑臭水体中的污染物来源可分成三部分，一为水体中的污染， 二为外源污染，三为内源污染( 即底泥污染) ，这三者是相互关联且存在平衡关 系的因素。水体的外来污染主要来源于沿岸的点源污染排放及地表径流，或者上 游的过境污染输入。而水体中的污染物则与底泥中的污染物存在动态的平衡关 系，水体中的悬浮有机颗粒沉降于底泥表面。而底泥中释放的有机污染物则向水 体中释放，当水体中的有机污染物降低时，则污染物动态平衡遭到破坏，底泥污 染物加速向水体中释放，直至达到新的动态平衡3 叩1 0 甜。 1 3 3 水体黑臭的可操控因素 影响水体黑臭的因素主要包括s 2 。浓度、溶解氧、污染物浓度、外源污染、 内源污染、水体水质等多种因素。在这些因素中人工可直接操控的有溶解氧、水 体水质污染、外源污染和底泥污染，在水体黑臭治理上需要对以上这些因素进行 调控，以达到治理的目标。其中溶解氧和水体水质污染适合作为快速治理控制因 素，而外源污染和底泥污染适合作为长期治理的控制因素。 1 4 城市污染河流净化与修复原理 1 4 1 河流水体自净机理 水体在接纳一定量的污染物后，通过物理、化学和水生生物( 微生物、动植 物) 等因素的综合作用后，使污染物的总量减少或浓度降低，受污染的水体水质 部分地或完全地恢复到受污染前的水平和状态，这种现象称为水体自净【3 ”。 黑臭河道净化试验研究及综合治理工程应用 污水进口 水$ 唠向 溶解氧 藻类 细菌 有机物 原生动物 图1 4 河流自狰过程中水体中所起的变化 水体自净机理包括沉淀、稀释、混合、挥发等物理过程，氧化还原、分解化 合、吸附、凝聚、离子交换等化学和物理化学过程，以及厌氧和好氧的生物代谢 过程。各种过程可同时或持续发生，并互相影响和交织进行1 3 3 , 3 4 , 3 5 1 。 ( 一) 物理净化过程 废水或污染物排于水体之后，可沉淀的固体逐渐沉至水底形成底泥。悬浮体、 胶体和溶解性污染物的浓度则在混合稀释的作用下逐渐降低。废水排入河流后需 流经一定的距离或时间，才能达到与全部河水完全混合。影响河流物理净化过程 的主要因素包括：稀释比、河流水文条件、废水排放口的位置( 岸边或河中) 以及 排放形式( 单点或多点) 等。 ( 二) 化学净化过程 水体中通过多种化学或物理化学过程能去除水中的污染物，取决于废水和水 体的具体情况。例如，在一定的条件下，通过氧化作用可使一些难溶性的硫化物 形成溶解的硫酸盐；可溶的二价铁和二价锰可氧化成几乎不溶的三价铁和四价锰 的氢氧化物或水合氧化物而沉淀河底；水体中含有硅铝氧化物的胶体或蒙脱土、 伊利土、高岭土等胶体能吸附各种阳、阴离子，还能吸附油类等其它污染物并发 生化学凝聚而沉淀；随污水进入水体的洗涤剂、肥皂等表面活性剂，不仅其自身 能形成泡沫浮至水面上而从水中去除，而且它们还能通过离子浮选作用捕集和挟 带其它污染物，如重金属、放射性物质等从水中除去，泡沫的这种富集污染物的 作用，对水中放射性和重金属的富集倍数有时可达3 4 个数量级。 ( 三) 生物净化作用 河流中呈悬浮胶体和溶解状态的有机污染物，在水体中溶解氧的参与下，被 好氧微生物氧化降解为简单的和稳定的