（环境工程专业论文）天津空港物流加工区景观水体水质变化及调控研究.pdf

摘要 在水资源短缺、水污染严重以及经济持续高速增长等多重压力下的城市水环 境污染日益严重，影响了人与自然的和谐与可持续发展。 本论文以天津空港物流加工区景观水体为研究对象，结合加工区景观河( 湖) 建设现状、规划方案、水体控制目标以及区域背景情况，主要研究了区域内景观 水体水质和富营养化状态时空分布规律，分析景观水体存在的问题，预测景观水 体变化趋势，并在以上研究基础上，提出了区内景观水体水质的调控措施。 研究发现，2 0 0 5 2 0 0 8 年间，景观水体除个别水质指标呈逐年好转的趋势 外，总氮、总磷等富营养化指标逐年增加，水体分层现象比较明显，水体富营养 化现象日趋严重，部分河段甚至出现黑臭现象直接破坏了水体的景观和生态功 能，水体己成中重度富营养化水平。在认真研究分析水体水质时空分布规律、水 体水质变化主要因素后，预测景观水体将有进一步恶化的趋势。 通过分析加工区景观水体富营养化的主要影响因素，结合景观水体形态、泵 站、区域规划和水质监测现状，分别从改善水体现状、持续保持水体水质两方面 提出一些调控措施。其中改善水体调控措施包括“点源”、“面源等外源以及 内源的治理和控制以及微生物治理、人工复氧曝气等强化治理措施，以期能恢复 地表水环境质量标准；水体持续保持措施则涵盖了水体循环、人工湿地、生物浮 床、河道立体绿化、岸边线设计、水生动物等。通过对太阳能、风能、生物质能 等可再生能源的利用，加强水体自净能力，最大限度地体现景观水体的生态化效 应。 关键词：景观水体；富营养化；调控措施；生态；水体自净 a bs t r a c t u n d e rt h ep r e s s u r e so fw a t e rr e s o u r c e ss h o r t a g e ，s e r i o u sw a t e rp o l l u t i o na n d r a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，u r b a nw a t e re n v i r o n m e n tp o l l u t i o ni sm o r ea n dm o r e s e r i o u s ，w h i c hi n f l u e n c e sa c c o r ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tb e t w e e nh u m a nb e i n ga n d n a t u r e s c e n i cw a t e rb o d yi nt i a n ji na i r p o r ti n d u s t r i a lp a r kw a st h er e s e a r c ht a r g e t c o m b i n a t i o no fc u r r e n tc o n s t r u c t i o ns i t u a t i o n ，p l a n n i n gs c h e m e ，w a t e rb o d yc o n t r o l a i ma n da r e ab a c k g r o u n dc o n d i t i o no fs c e n i cr i v e r ( o rl a k e ) i nt i a n ji na i r p o r r t i n d u s t r i a l p a r k ，s p a c e t i m ed i s t r i b u t i o nl a wo fs c e n i cw a t e rb o d yq u a l i t ya n d e u t r o p h i c a t i o ns t a t u sw a ss t u d i e d ，e x i s t i n gp r o b l e m s o fs c e n i cw a t e rb o d yw a s a n a l y z e d ，a n dc h a n g et r e n do fs c e n i cw a t e rb o d yw a sf o r e c a s t b a s e do nt h ea b o v e ， c o n t r o lm e a s u r e so fs c e n i cw a t e rb o d yq u a l i t yi nt h ea r e aw e r ep u tf o r w a r d i ti sf o u n dt h a te x c e p tf o rs p e c i a li n d e x e sc h a n g e df o rt h eb e t t e rd u r i n g 2 0 0 5 2 0 0 8 ，t o t a ln i t r o g e n ( t n ) ，t o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) a n do t h e re u t r o p h i c a t i o n i n d e x e si n c r e a s e dy e a rb yy e a r l a ys e p a r a t i o no fw a t e rb o d yw a sc l e a r , a n d e u t r o p h i c a t i o nw a sm o r ea n dm o r es e r i o u s i nap a r to fr i v e rs e g m e n t a t i o n ，b l a c ka n d o d o ro c c u r r e d ，w h i c hd e s t r o y e ds c e n i ca n de c o l o g i c a lf u n c t i o n so fw a t e rb o d y w a t e r b o d yw a sa tt h em i d d l e h e a v ye u t r o p h i c a t i o nl e v e l a f t e ra n a l y z i n gs p a c e t i m e d i s t r i b u t i o nl a wo fw a t e rb o d ya n dw a t e rq u a l i t yv a r i a t i o n ，i tw a sf o r e c a s tt h a ts c e n i c w a t e rb o d yw o u l db ew o r s e b a s e do nt h ea n a l y s i so fm a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gl a k ee u t r o p h i c a t i o n ，c o m b i n i n g s c e n i cw a t e rb o d ys h a p e ，c u r r e n ts i t u a t i o no fp u m ps t a t i o n s ，l o c a lp l a n n i n ga n dw a t e r q u a li t ym o n i t o r i n g ，s o m ec o n t r o lm e a s u r e so nt w oa s p e c t sw e r ep u tf o r w a r d o n ew a s i m p r o v e m e n to fc u r r e n ts i t u a t i o no fw a t e rb o d y , w h i c hi n c l u d e dc o n t r o lo fp o i n t s o u r c e s ，a r e as o u r c e sa n do t h e ro u t s i d es o u r c e sa n dc o n t r o lo fi n n e rs o u r c e s ， m i c r o o r g a n i s m sc o n t r o la n dm a n u a la e r a t i o nt or e c o v e rs u r f a c ew a t e re n v i r o n m e n t t h eo t h e rw a sm a i n t e n a n c em e a s u r e so fw a t e rb o d y , w h i c hc o v e r e dw a t e rb o d y r e c i r c u l a t i o n ，c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，b i o l o g i c a lf l o a t i n gb e d ，r i v e rt h r e ed i m e n s i o n a l g r e e n i n g ，d e s i g no fb a n kl i n ea n da q u a t i ca n i m a l ，e t c b yt h eu t i l i z a t i o n so fs o l a r e n e r g y , w i n de n e r g ya n db i o m a s se n e r g y , s e l f - p u r i f i c t i o na b i l i t yo fw a t e rb o d yw a s i m p r o v e d ，w h i c hw o u l dr e a l i z ee c o l o g i c a le f f e c to fs c e n i cw a t e rb o d y k e yw o r d s ：s c e n i cw a t e rb o d y ；e u t r o p h i c a t i o n ；c o n t r o lm e a s u r e s ；e c o l o g y ； w a t e rb o d ys e l f - p u r i f i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文版权使用授权书 夕月) 夕日 本学位论文作者完全了解丕壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盎苤鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 水资源匮乏 水是地球上分布最广的物质，是地球环境的重要组成部分，是人类社会赖以 生存和发展的物质基础。从世界范围来看，我国的水资源总量丰富，居世界第6 位，位于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印度尼西亚之后，约占全球河川径流总 量的5 8 。但是我国人口众多，人均水资源量非常少，是世界人均水量的1 4 ， 人均水资源量约为2 2 0 0 多m 3 。而天津的人均水资源量则更少，不足1 6 0m 3 ，列全 国倒数第一位，仅为全国平均水平的1 1 4 ，远低于国际通行的人均1 7 0 0 m 3 紧张 警戒线，甚至远低于1 0 0 0m 3 紧缺标准和5 0 0m 3 极度紧缺标准，是资源性严重缺 水地区，属重度资源性缺水地区。 除此之外，从资源属性上来看，还有不利天津滨海新区水资源开发利用的制 约因素：一是天津水资源地区分布不均衡，经济相对发达和城市人口集中的大清 河南淀东平原，水资源总量仅为全市水资源总量的3 0 ，比海河北系水资源量明 显偏低；二是年内降水集中在7 - 8 月份，占全年降水量的6 5 左右，洪水高峰过 程短，调蓄利用有一定难度；三是连续枯水年经常发生，干旱导致缺水。例如 1 9 8 0 1 9 8 4 年和1 9 9 7 2 0 0 4 年，遭遇持续干旱，造成水危机，九次引黄克服水荒， 连续枯水年对新区的供水构成威胁；四是入境水量越来越少，海河流域上游地区 随着社会经济的发展，不断兴修水利工程，开发利用水资源，造成流域内水资源 利用失衡，处于流域尾阊的天津的入境水量日趋衰减，自8 0 年代以后，除丰水 年有洪水入境外，一般年份已无资源性入境水量：五是河道径流的丰枯呈同步变 化，使各河之间的来水难以互相调剂利用。水资源短缺已成为影响和制约天津市 经济社会发展的主要因素之一。 而在另一方面，随着经济社会的发展，我们对水的依赖度和要求量则越来越 大，2 0 0 5 年，全国工业增加值为7 6 1 9 0 亿元，万元工业增加值取水量为1 6 9 m 3 ， 总取水量为1 2 8 7 6 11 0 万m 3 ；其中天津市工业增加值为1 8 3 6 3 亿元，万元工业增 加值取水量为2 4m 3 ，工业总取水量为4 4 0 7 1 2 万m 3 。2 0 0 6 年，全国工业增加值 为9 0 3 5 1 亿元，万元工业增加值取水量降为1 5 4 m 3 ，工业总取水量为1 3 9 1 4 9 5 4 万 m 3 ，相比2 0 0 5 年增加1 0 3 8 8 4 4 万m 3 。其中天津市工业增加值为2 2 9 0 8 1 亿元， 万元工业增加值取水量为2 0m 3 ，工业总取水量为4 5 8 1 6 2 万m 3 ，相比2 0 0 5 年增 加1 7 4 5 万m 3 。作为国家发展第三极的天津滨海新区，承担着建设成为中国北方 对外开放的门户、高水平的现代制造业和研发转化基地、北方国际航运中心和国 天津大学硕士学位论文第一章绪论 际物流中心的建设任务以及逐步成为经济繁荣、社会和谐、环境优美的宜居生态 型新城区的发展目标。滨海新区倚水而建、倚水而居、倚水而兴的未来离不开水 资源的开发利用。 滨海新区位于天津市东部的海河下游区，除了同样面临着天津地区共性问题 外，还由于自身的地理环境特点，水资源问题更加复杂，滨海资源型缺水特点十 分突出。 滨海新区城市供水水源主要是外调水，其次是地下水和部分淡化海水。作为 天津市今后经济发展的重点地区，需水量大、供水保证程度要求高是新区的需水 特点。天津市水利局根据滨海地区的供水需求，先后建成了引滦入塘( 1 9 8 5 年， 6 3 0 0 万m 3 年) 、引滦入港( 1 9 9 1 年，3 7 9 3 万m 3 年) 、引滦入开发区( 1 9 9 7 年， 5 5 0 0 万m 3 年) 、引滦入汉( 1 9 9 7 年，3 5 0 0 万m 3 年) 和石化聚酯供水工程( 2 0 0 2 年，3 3 0 0 万m 3 年) 等工程，并正在兴建南水北调二期工程( 预计2 0 1 2 年，天 津分配水量为5 0 0 0 0 万m 3 年) ，形成了以外调水源为主，以地下水、海水、再生 水等为辅的现状多水源格局。 根据天津市滨海新区国民经济和社会发展十一五规划2 0 0 6 - 2 0 1 0 ，到2 0 1 0 年，新区人口1 8 0 万人，其中城市1 6 5 万人，工业增加值2 0 0 0 亿元。预测2 0 1 0 2 0 2 0 年城市需水量6 9 亿m 3 ，加上湿地生态等用水，需水量将在1 0 亿m 3 以上。由于 水资源的短缺，有限的、以外调水为主的地表水资源仅能保障城市生活和工业生 产，农业和生态用水缺乏保障，水资源的供需矛盾十分突出。水资源短缺己成为 制约滨海新区社会、经济可持续发展和生态环境改善的首要瓶颈因素。 1 1 2 水环境污染 由于水资源匮乏以及过度开发利用，发达国家近百年工业史分阶段出现的水 环境污染问题，在我国发达地区短短二、三十年间集中体现和爆发。城市已经成 为我国当前水环境污染的主要来源，2 0 0 6 年全国城市与工业污水排放总量为 5 3 6 8 亿3 ，比2 0 0 5 年增加2 3 ，其中c o d ( 化学需氧量) 排放总量为1 4 2 8 2 万t ，比2 0 0 5 年增加1 o n 】。 目前，流经我国城市的河段9 0 左右受到污染，城市地下水也普遍受到不同 程度的污染。全国城市范围4 0 左右的地表水和5 0 左右的地下水因污染而不能 饮用，有6 4 的人正在使用不合格的水源。2 0 0 6 年，全国地表水总体水质属中度 污染。在国家环境监测网( 简称国控网) 实际监测的7 4 5 个地表水监测断面中( 其 中，河流断面5 9 3 个，湖库点位1 5 2 个) ，i 类，、v 类，劣v 类水质的 断面比例分别为4 0 、3 2 和2 8 。主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮和石油类 等倥3 。 2 * 律太学# 位论立 第一章绪论 2 0 0 6 f e 日& m 目i m 目# w 自 女v * h“苎 ：礤。譬。，譬吾萄。譬 1 0 j v 口】女 i i # o i # 口* v # 图卜1 全国地表水断面监测断面水质类别比例 其中，自上世纪8 0 年代以来，海河一直位于全国七大水系污染之酋，海河 水系总体为重度污染，土要污染指标为五日生化需氧量、高锰酸盐指数和氨氯。 i i n 类水体仅占监删断面1 44 3 03 ( 位于水源地和上游生态保护区) 的比 例，类水体占监洲断面的比例在l9 8o ，v 类水体占监测断面的比例在 4 5 1 23 劣v 类水体占监测断面的比例却高达j 39 7 12 ( 主要位于流经 城市的监测断而) 1 。 2 0 0 0 0 6 年海目m 表女* “ 口劣v 粪 口v 茭 # 圈卜22 0 0 0 _ 2 0 0 6 年海河地表永监测断面水质类别 “九五”至“十一五”初期，国家投入了巨大的资金治理水污染问题，只是 取得了局部水环境好转、局部水环境恶化、大部水环境并未明显改善的结果。“十 一五”期间，为实现社会经济和自然环境的可持续发展，国家在继续投入大量资 金治理水污染的同时，也将“污染减排”这约束性指标列为政绩考核的重要指 标采取各种综台性手段来控制污染物的产生和排放。虽然2 0 0 7 年全国c o d 排 放总量实现了下降31 4 的可喜成绩，但短期内全国水环境质量污染状况不会取 得明显改善；并且伴随着重化工工业的发展水环境污染事故风险以及城市水污 染负荷也将逐渐增加。 城市水污染负荷的提高，增加了城市永环境的污染事故风险。最近几年，我 国城市承环境的污染事故频繁发生，从2 0 0 1 年到2 0 0 4 年，全国水污染突发性事 贼 帆艘帆帏姚 天# 大学碗学位论文第一章绪论 故3 9 8 8 起。每年近1 0 0 0 起；2 0 0 5 年水污染事故6 9 3 起，占环境污染事故的5 0 ； 2 0 0 6 年全国发生重大环境污染事件1 6 起，其中6 0 与水体污染有关。据统计， 我国2 0 0 4 年因水污染而造成的经济损失达2 8 6 28 亿元。占当年g d p 的l7 1 。 城市水环境污染事故的发生严重影响了城市正常的生产和生活。 城市水环境污染_ i 丕严重成胁到城市饮用水安全。进而危及人体健康。城市污 水中除常规污染物外些对人体健康具有更大危害的优先控制污染物在城市水 环境中急剧增加，这些特殊污染物的危害正逐步显现，对城市水生态健康和人体 健康存在着更大的风险和更久远、更难以预料的潜在影响。 由于城市水污染负荷远远超过城市有限受纳水体的环境容量和自净能力，导 致相当部分流经城市的河流变黑发臭，水生生态系统结构破坏，生物多样性锐减， 城市水体的生态功能和使用功能日益衰退，水体修复和永生态功能的恢复难度明 显加大。用水环境生态系统健康的标准衡量，找国城市河流水环境生态系统多处 于紊乱状态。同时，城市污水中氮磷污染物未经有效去除，又成为城市湖泊( 水 库) 发生富营养化的重要诱因造成湖( 库) 生态功能的衰退甚至丧失。在某些 城市，水生生态环境的破坏已经造成对城前生态文明的现实威胁。 实际上，世界各国的湖泊( 水库) 和封闭性水体都面临着富营养化问题。在 全球范围内，3 0 4 0 的湖泊和水库遭受不同程度富营养化影响”1 ，在我国有9 3 的公园水体遭到不同程度污染，水体黑臭及富营养化现象严重“。根据2 0 0 3 2 0 0 6 年中国环境状m 公报，太湖、巢湖、滇池等三大湖泊以及北京昆明湖、武汉 东湖、杭州西湖，南京玄武湖、济南大明湖等城市内湖水体氨磷超标严重，都呈 现不同程度的富营养化问题，严重的甚至影响到城市供水，成为重大的环境污染 事件( 2 0 0 7 年“太湖蓝藻”爆发影响无锡等城市供水) 。 n 12 0 0 3 _ 0 6 f = ；白自# # # m 自$ # n 8 & 圈卜32 0 0 3 2 0 0 6 年全国三大湖泊及五个城市内期富营养化趋势图 三大湖泊中巢湖水质较好，为v 类水体，属于中度富营养化程度；太湖和滇 池为劣v 类，其中太湖属于中度富营养化、滇池为重度富营养化。监测的五大内 天津大学硕士学位论文第一章绪论 湖中，北京昆明湖水质较好，为v 类水体，属于中营养、轻度富营养化；其 余四个城市湖泊水质为v 类劣v 类水体，属于轻度中度富营养化。 反过来，城市水环境污染又加剧了我国城市水资源紧缺的矛盾。长期以来， 我国城市的水资源开发利用率一直居高不下，导致城市所在流域，特别是北方流 域开发利用强度整体过高，淮河、辽河水资源开发利用率超过6 0 ，海河接近 1 0 0 ，明显超出国际上3 0 , - - , 4 0 的水生态警戒线。与此同时，我国城市污水再 生利用率和非传统水资源的利用率过低，城市再生水利用率不足1 ，非传统水 资源的利用率几乎为零。 同时，随着城镇化发展的加快、和谐社会的构建，有限的水资源不仅要满足 工业、生活以及农业的基本要求，而且还要满足人们对水环境越来越高的要求， 清澈美丽的景观水体已经成为美化人们生活和工作环境不可忽视的重要部分。近 年来，在区域建设、公园绿地建设和居住小区的建设中，好多采用“水景”元素， 人工湖泊、池塘、河道等景观水体不断涌现。然而大多景观水体属于静止或流动 性差的封闭水体，自净能力较弱，再加上生态补水不足以及外来污染物质的输入， 致使随着时间的推移，水体由于富营养化而变得混浊不堪，甚至出现发黑、发臭 的现象，不但使景观水体失去其应有的景观作用，而且带来了严重的负面影响。 受水资源稀缺性的限制，景观水体的持续稳定达标又不能以牺牲工业、生活以及 农业用水为代价，必须从寻求非传统水资源以及水环境综合修复两方面来解决景 观水体质量问题，继而促进城市水环境整体改善。 1 1 3 研究意义 水资源短缺和水环境污染的根源在于水资源量、生态环境容量不足于支撑当 前的人口和城市规模，比例严重失调，利用现行的污染防治技术体系难以解决特 大缺水城市水环境污染和资源的有效利用，更谈不上“宜居”的建设目标，必须 寻求新的用水模式和水污染治理体系。应对城市景观河道补水和水质问题，应积 极开展城市水系统功能调控技术研究，逐步恢复和改善城市及周边区域水生态环 境，研究地表径流污染形成机制和控制技术以及管理规范，开发滞缓流水体生 态构建技术和富营养化控制技术，形成城市景观水体富营养化控制的技术体系， 研究城市已污染河流生态化改造技术等支撑城市水环境系统改善的技术与技术 集成。 天津空港物流加工区在区域规划建设过程中，依据先进的环境建设理念，优 先建设先进的水污染防治工程，并从水资源综合开发利用、水环境持续改善以及 人与自然和谐相处的角度，充分利用区域原有植被、坑塘和沟渠，通过进一步的 优化植物配置、水体连通和水生生态环境重建，改善水生态环境，形成了环绕区 域、人水和谐的生态廊道，展现“水系相连、水绕城转”的区域水景风貌。并结 天津大学硕士学位论文第一章绪论 合非传统水资源开发利用，利用雨水再生水作为补充生态用水，初步构建形成 雨水再生水补充景观水体水环境安全保障技术，为滨海新区建设成为经济繁荣、 社会和谐、环境优美的宜居生态型城区提供了良好的水环境保障。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 城市雨水污染控制与综合利用技术方面 美国、英国、荷兰等发达国家在2 0 世纪7 0 年代就对城市地表径流开展了大 量的测试及研究工作，其内容包括地表径流雨水的水质测试及特性研究、城市地 表径流对地表水体的影响、描述地表径流污染排放规律的数学模型以及污染控制 措施等，经过3 0 多年的研究，已经取得了一些进展。很多国家对城市排水系统 的完善、雨水资源的合理利用、雨水径流及合流管系溢流( c s o ) 污染控制的投 入加大并取得了显著成果。 美国在上世纪7 0 、8 0 年代，基本上成功地控制了点源污染，并开始重视对 非点源如雨水径流污染的控制。1 9 8 1 1 9 8 3 年，美国环保局( e p a ) 主持的“全 美城市雨水径流项目 投入1 5 亿美元，第一次大范围、大规模地对城市雨水径 流的污染及控制进行了研究。在美国2 2 个城市、8 1 个现场，共收集分析了2 3 0 0 场降雨的数据资料。研究开发出各种控制雨水径流污染的技术和措施，如：城市 雨水污染的评价与监测、科学管理城市雨水资源和控制雨水径流污染的b m p ( b e s t m a n a g ep r o j e c t ) 模式、水土流失的控制、雨水渗透和合流管系溢流及雨水处理 技术等。并于1 9 8 6 年修正了水质法来控制非点源污染，使e p a 开始有效地依法 参与城市雨水径流的管理。 2 0 世纪8 0 年代末，德国将城市雨水污染列为9 0 年代水污染控制的三大目 标之一，并投巨资修建大量的雨水池来控制包括c s o 在内的城市雨水径流污染， 目前对城市雨水径流管理与污染控制已形成较完整的技术体系和相应的法规体 系。瑞典在8 0 年代初认识到分流制耗资巨大，合流制改造为分流制影响范围大， 耗时长，经济上不合理，技术上又不足以有效地防止城市雨水径流对水体的继续 污染，放弃将现有雨污合流改造为分流的思想。基于同样的理由，美国等国家在 很大程度上也放弃了靠新建分流制管网取代旧合流制管网作为水污染控制措施 的做法。日本在8 0 年代也开展了对城市雨水利用与管理的研究，提出“雨水抑 制型下水道”，并纳入国家下水道推进计划，同时，还制定了相应的政策，并已 有大量的雨水利用工程实例。 最佳管理措施( b m p ) 是实现城市降水径流非点源污染控制的最为重要的技 术与管理体系。b m p 已在美国、新西兰、德国等发达国家和南非的城市化地区成 功应用。美国不仅提出全国性的雨水管理措施，许多州也提出了适合本州的雨水 天津大学硕士学位论文第一章绪论 管理设计指南。在德国，b m p 也广泛应用于城市排水发展计划，于1 9 9 5 - 1 9 9 8 年 开发了城区降雨径流模型，包括雨水池贮存能力、集中和分散式的渗透系统、塘、 土壤渗滤和雨水利用等多种技术措施和管理决策方法。2 0 世纪9 0 年代末，德国 已基本实现对城市雨水的污染控制。 利用自然生态过程净化雨水的生态处理技术，不但能够降低能源和资源的消 耗，减少人为工程对自然系统的破坏，而且可以维持城市的自然生态性，创造良 好的城市自然景观，将成为控制城市雨水径流污染的主导技术。人工湿地技术综 合了物理、化学和生物三种作用净化雨水，通过更换填料、收割栽种植物将污染 物彻底去除。 雨水径流污染控制的过程中应该尽可能地将处理系统与城市水景、绿地等景 观相结合建设。绿地是一种天然的渗透设施，具有良好的透水性。可以将城市公 园、草坪、公路绿化带等现有绿地改造成良好的入渗场地来接纳居民区和道路上 的雨水径流。另外，还可以在绿地与土壤之间增设贮水层和透水层，既可提高绿 地贮水和渗水能力，增加城市土壤相对含水量，又能起到浇洒绿地的作用，节省 了人工喷洒用水。绿地还能够起到净化雨水的作用，这是因为草类植物能够减小 径流流速，提高沉淀效率，过滤悬浮物，提高土壤渗透性。雨水中所含污染物在 吸附、沉淀、过滤及生物吸收的共同作用下得到有效去除，尤其是铅、锌等重金 属离子通过绿地时去除率较高。 城市河道、湖泊等水景不仅可以起到调蓄、贮存雨水的作用，而且水体本身 的自然净化功能可以消减雨水中污染物含量。再加上生态浮岛、岸边植物等生态 处理设施的强化处理，不仅可以有效控制地表径流污染，而且为城市水体增添了 景致。此外，水面蒸发和水底渗透作用使水景的水量不断减少，需定期补水以确 保水量平衡，利用水景调蓄、贮存雨水还可以省去一部分补水费用。 随着城市化规模的不断加大以及水资源短缺问题的日益严重，城市地表径流 污染控制技术已经开始由削减污染物含量向雨水资源化利用方向发展。雨水资源 化利用是一项多目标综合性系统工程，它融合了环境学、生态学、工程学等多学 科的技术。雨水资源化利用包括雨水的收集、处理和回用三个环节。目前，常见 的雨水利用方式为：分散住宅的雨水收集利用中水系统、小区集中的雨水收集利 用中水系统、分散式雨水渗透系统、集中式雨水渗透系统、生态小区雨水综合利 用系统。 1 2 2 城市污水处理与再生回用技术方面 国外在水污染治理和水环境保护方面大致经历了三个阶段，在第一个阶段， 即在上世纪初，水污染产生的流行疾病问题使欧美有些国家很早就关注水环境的 污染治理，由于城市污水是水环境的重要污染源，国外发达国家自2 0 世纪5 0 天津大学硕士学位论文第一苹绪论 6 0 年代就开始大规模处理城市污水。许多国家都花大力气建设城市污水处理设 施，不少国家如美国、英国、德国等，城市污水收集( 管网) 和处理设施已趋完 善，城市污水处理率已超过9 0 。2 0 世纪7 0 年代以前建设的城市污水处理厂大 部分采用普通曝气法或其他类型的不同负荷活性污泥法、生物滤池工艺等。这些 工艺以去除生化需氧量( b o d ) 和悬浮物( s s ) 为主要目标，对氮磷的去除率非 常低。工业污水的处理也开始起步。国外以传统的生物为核心的工艺技术趋于成 熟和可靠。 第二阶段主要是在有机污染负荷解决后凸现出的营养盐控制问题。在有机污 染物得到有效控制后，由于氮磷等营养盐未得到有效去除，城市河流和湖泊从黑 臭逐渐变清的过程出现了富营养化，导致了水环境的污染与河流水体恶化。城市 污水氮磷去除和城市初期雨水中的污染物去除的问题同时提出来，为了适应水环 境及排放要求，在氮磷去除机理和技术突破的基础上，国外脱氮除磷的工艺得到 研发和应用。在此需求下带动了传统的活性污泥技术的发展，由此开发的a 2 0 系列工艺、回流污泥反硝化生物除磷脱氮工艺在实际工程中大量应用。氧化沟工 艺也是脱氮工艺中采用较多的技术之一，如卡罗塞尔氧化沟工艺、奥贝尔氧化沟 工艺、d e 型氧化沟和三沟式氧化沟在城市污水处理中得到较广泛的应用。同时 多种类型的s b r 工艺，如属第二代s b r 工艺的i c e a s 工艺，属第三代的c a s t 工 艺等的在中小型污水处理工程中得到采纳。国外以现代微生物为核心的工艺为解 决水污染控制问题起到了重要的作用。生物与化学结合的处理技术也得到很大的 发展。在这一阶段，欧美等发达国家开始反思经济高速发展对环境带来的危害， 大规模进行技术综合，以流域为系统综合的治理解决区域污染问题得到重视并开 始实施。近十几年来，我国通过技术引进消化和城市污水处理厂的建设和运行， 目前在工艺设计上已经接近国外的水平，初步解决了污水处理领域中缺乏技术支 撑的问题，但在切合我国国情和实际水质情况方面仍然比较薄弱。 由于污水处理投资成本较大，人们开始重视适宜技术的研发，寻求在达到处 理目标的基础上减少成本，特别是运行成本。对于小型和分散的居住区，往往由 于污水收集管道无法达到，利用自然和人工强化的湿地生态系统作为一种处理工 艺得到了重视。人工湿地技术兴起于2 0 世纪7 0 年代的西德、美国、澳大利亚、 荷兰、丹麦、英国等发达国家，因其建造及运转费用低、维护简单、适用面广、 对负荷变化的适应能力强等特点，过去1 0 年人工湿地得到极为迅速发展，在发 展中国家，经适当的预处理，该技术可以直接处理小水量的生活污水，有时也用 于工业废水处理。在发达国家，主要用于污水的深度处理。 第三阶段是发达国家的水环境污染理念得到全面发展的时期。在这一阶段， 发达国家开始关注区域尺度上的生态安全问题，虽然国外城市污水处理率在当时 已达到一个较高的水平，但在城市污水处理技术研究方面还在发展，其趋势是积 天津大学硕士学位论文第一章绪论 极倡导发展可持续污水处理系统，减少污水处理过程中能量消耗，加强资源和能 源的回收，采用先进的控制系统优化污水处理厂的运行等。在分散点源处理方面， 发展小型污水处理成套化装置，在水资源紧缺地区，开展污水资源化回用技术研 究，解决了水污染和水资源短缺问题等，是这一阶段的特征。近几年，由于高浓 度废水和难生物降解污水不断出现，生物法与物化法相结合。在生物法中，厌氧 工艺与好氧工艺相结合，是工业废水处理技术的发展趋势。另外，由于污水再生 利用的要求，污水深度净化处理技术亦成为水处理技术领域比较活跃的研究内 容。膜技术在生物反应器中的应用使得水处理过程向集成高效和直接水回用的方 向发展。这些年来，通过水污染控制与治理科技工作者的努力，众多的化学和生 物药剂、新工艺、新材料、新设备、新仪表开发出来，它们为水处理领域带来了 更多技术选择。也为第三代污染物的控制提供了技术支撑。 我国城市水污染控制设施的建设和运行效率整体上严重滞后于国外发达国 家。我国由于经济高速发展带来的环境污染问题没有得到有效控制，水污染控制 基础设施欠帐甚多，有机污染物控制还没有得到有效解决的同时，氮磷营养盐的 问题也凸现出来，近年随着经济的发展又出现了第三代污染物对水环境影响的问 题。国家对城市污水治理非常重视，近年来城市污水处理设施的建设步伐大大加 快。2 0 0 6 年全国城市污水平均处理率达5 5 6 7 。城市污水处理技术经过2 0 多年 的不懈努力，取得了长足进步。在引进消化国外新工艺技术的同时，也在不断研 发适合国情的城市污水处理工艺。目前在大型城市污水处理中，应用广泛的工艺 有传统活性污泥法、s b r 、氧化沟、a 2 0 除磷脱氮工艺等，污泥处理与处置也有 很大的进展。在城市面源污染控制、河流和湖泊污染控制和生态修复、水环境安 全保障技术等方面也有了很大的进步。由于我国的城市污水水质特性、气候条件 以及经济水平和管理水平与发达国家相比有显著的差异，一些已被欧美等发达国 家证明实行有效的处理工艺在我国水土不服的情况也时有发生。 我国的污水回用事业大致可以分为三个阶段，1 9 8 5 前的“六五”期间是起 步阶段，1 9 8 6 - 2 0 0 0 年的“七五 “八五”“九五 ，这十五年时间是技术储备、 示范工程引导阶段，2 0 0 1 年“十五”纲要明确提出污水回用，再生水利用进入 到全面启动的阶段。污水回用的关键工序膜分离技术在短短不到十年的时间里， 先后出现了超过滤( u f ) 、微孔过滤( m f ) 、反渗透( r 0 ) 、纳滤( n f ) 。未来低压膜技 术将占据污水再生处理领域的大部分份额，而膜生物反应器( m b r ) 则是其关键 技术之一。m b r 是将微生物处理技术和膜过滤过程相结合的一种水处理技术，其 处理效率高，占地面积小，出水水质优良。目前已有很多大规模的工程应用在再 生水处理领域。 2 0 0 0 年，纪庄子污水处理厂出水作为连续微滤( c 师) 再生水源建设工程被 列为全国5 个污水回用重点示范工程之一，2 0 0 2 年底正式运行。同时，天津经 天律大学硕士学位论文 第一章绪论 济技术开发区建成3 万吨日c m f 再生水回用和1 万吨日反渗透( r o ) 再生水深 度处理工程，其中c m f 出水、反冲洗水以及r o 排浓水作为唯一的生态补充水用 于泰达再生水景观水体，并采用综合的生态修复技术很好地改善了景观水体的水 质。金威啤酒( 天津) 有限公司已建成4 0 0 0 吨日u a s b + m b r 污水和再生水回用 工程，处理达标的再生水回用于厂区绿化、水体以及天津空港物流加工区景观河 道水体生态补水。天津空港物流加工区在建的3 万吨日m b r 污水再生利用工程 也即将投入生产，所产生的再生水回用于区域绿化、生活杂用水、部分工业用水 以及景观水体补水。 1 2 3 污染水体的生物修复及水体保持技术方面 在水生态安全方面，国外在水环境治理领域已经全面进入了受污染水环境的 修复阶段，在大规模技术研究和综合应用的基础上，各国耗巨资对主要湖泊和城 市河道进行大范围的治理和对受污染水环境的修复，也为进一步控制水环境污染 和水环境治理改善进行了大量研究与工程实践。事实证明，水环境污染是可以治 理的，但这种治理常常投资大、费时长。例证表明，对污染的水环境进行有效治 理的前提是控制污染源，只有外源得到了有效控制，作为末端治理技术的水环境 污染治理才能见效，否则只能起到事倍功半的效果，甚至徒劳。通过大量研究与 实践，已明确水环境污染实际上是典型的生态问题，因此，在对污染水域进行治 理时，用生态学方法使生态问题得到最终解决的方案得到了重视和发展。 发达国家河流治理已经过了污染治理的过程，在河流水污染治理技术方面， 已由单纯的“污染控制 技术发展为“水生态的修复与恢复”，实现由“水污染 控制”为目标向“流域水生态系统健康保护 为目标的转变。2 0 世纪7 0 年代， 以水生植物为核心的生物生态处理技术在城市河道治理中的应用开始受到人们 的关注，多种以大型水生植物为核心的污水处理和水体修复生态工程技术被开 发，陆续开展了生态河床、生态堤岸等生态恢复技术研究工作，水质得到较好的 改善，莱茵河、泰晤士河的治理就是成功的案例。如德国、瑞士在8 0 年代末提 出了“亲近自然河流”概念和“自然型护岸”技术；日本9 0 年代初开展了“创 造多自然型河川计划，多木川、淀川、坂川等多条河流的生态修复，韩国良才川 采用湿地技术进行生态修复，取得了成功。这些构建自然型河流思路的共同特点 是通过河流生态系统的修复，恢复提高河流的自净能力。 与发达国家相比，国内对于城市河流的治理与生态修复相对较晚，随着城市 经济和社会的快速发展，城市水环境在城市经济社会建设及城市生态系统中的重 要意义逐渐显露出来，城市开始探索城市发展过程中同步改善水环境质量和建设 生态的道路。“九五 期间，针对城市水环境质量改善，开发了植物净化、湿地 净化、土地处理和多塘处理等多种技术，取得了一些示范性应用经验。“十五 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 期间，全国许多单位开展了河流生态修复研究工作，并结合河流整治完成了一些 工程，但是实施的工程规模较小，没有从流域生态系统出发实施污水处理厂建设、 引水增流工程、非点源污染治理、河道清淤等整治工程。 国家重大科技专项“水污染控制技术与治理工程”设立了“城市水环境质量 改善与示范工程”专题，先后在武汉、镇江等1 1 座城市分别开展了城市污染源 控制、城市水质改善、生态修复关键技术和集成技术研究，将水质改善和景观建 设相融合的人工湿地技术，并开展工程规模的技术研究和工程示范，促使流域整 体水生态环境向良性循环方向发展。如永定河引水渠罗道庄河段生物浮床水体修 复示范工程、上海市在普陀区曹杨环浜河道治理工程、天津泰达再生水景观河道 生态修复中试工程、苏州河整治工程等，均取得了一些经验。 按照水体污染控制和修复技术承载主体的不同，水环境污染控制和修复技术 大体分为如下几种： ( 1 ) 物理化学方法 换水一补充新水、排除旧水。国内长江流域地区的鄱阳湖、洞庭湖、太湖、 洪泽湖、巢湖的置换天数分别为5 7 天、2 0 天、3 0 9 天、3 5 天和1 6 8 天，太湖和 巢湖富营养化程度比较严重，而其他则只有局部海湾有富营养化现象发生h 川。通 过引清调水，短期内改善湖泊水质，加快湖泊水生植物恢复进程，如荷兰的 v e l u w e m e e t e r 湖的引水工程，国内的杭州西湖、南京玄武湖、引江济太、天津 津河等引水工程都取得了一定的成效。循环流动一“户枢不蠹、流水不腐”。 通过水体循环破坏水体分层，增加水体溶解氧、抑制藻类生长、减轻嗅味色度。 但如何科学地确定循环周期值得研究，目前的数据有2 - 4 天的，也有1 5 - 3 0 天的， 变化幅度很大，且都是经验数据n 引。生态疏浚，控制内源污染。采取底泥疏浚、 营养盐钝化、底泥氧化等，其中底泥疏浚是治理湖泊富营养化的方法之一，但一 定要慎重而行，- - 贝, j 是费用较高，二则是很可能破坏原有生态平衡。物理除藻。 对藻类泛滥、水质恶化、水体功能下降、水生生物死亡的城市湖泊宜采用除藻措 施，包括机械除藻( 固定式、移动式) 、臭氧超声波除藻、固载型t i o 。光催化反 应口朝等。化学药剂法。可用于含大量悬浮物、藻类水的处理，对受污染的水体 可取得较好的效果，但基建费用和药剂成本较高，沉淀的污泥会伴生二次污染， 通常协同其他工艺作为景观水的预处理措施，常用药剂有硫酸铜、漂白粉、石灰、 明矾、聚铝、硫酸亚铁等。充氧曝气。根据受污染水体缺氧的特点，通过人工 方法实现水域曝气，使水体由死水变为富含溶解氧的活水，以恢复和增强好氧微 生物的活力，使水体污染物质得以净化，从而改善水体水质。水体曝气复氧一般 采用固定式和移动式两种。如1 9 7 7 年、1 9 8 5 年英国泰晤士河上分别使用充氧能 力为l o t d 和3 0 t d 的曝气复氧船，显著提高了水体的d o ，提高了水体的自净 能力，减少了暴雨期间地面径流排水和污水溢流等负荷的冲击影响，减少了鱼类 天津大学硕士学位论文第一章绪论 因缺氧而窒息死亡的现象。新经港是苏州河的一条支流，水体受有机物严重污染 并呈黑臭。上海市环境科学研究院于1 9 9 8 年1 1 1 2 月在河道内三个断面各设一 个曝气点进行水体曝气复氧生物修复试验，结果表明人工曝气复氧可大大提高原 先呈厌氧水体的溶解氧(