湖泊水库水环境污染

第八章污染水环境修复技术 上 8 1概述 水环境污染 1 水环境修复 2 水环境修复技术 3 4 8 1 1水环境污染 水污染是指水体因某种物质的介入 而导致其化学 物理 生物或者放射性等方面特征的改变 从而影响水的有效利用 危害人体健康或者破坏生态环境 造成水质恶化的现象 右上图 黑龙江重大水污染事故右下图 黄河流域水污染 1水污染类型 水污染的主要类型及其污染物质 2水污染源类型 8 1 2水环境修复 概念 目标与原则 基本内容 水环境修复 1水环境修复概念 水环境修复技术是利用物理的 化学的 生物的和生态的方法减少水环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化 使污染了的水环境能部分或完全恢复到原始状态的过程 成都市府南河 右上图 整治前 右下图 整治后 综合整治工程曾先后五次夺得国际大奖 8 1 3水环境修复的目标与原则 水环境修复目标 在保证水环境结构健康的前提下 满足人类可持续发展对水环境功能的要求 图8 1水环境修复目标示意图 水环境修复原则 生态学原则 水体的地域性 最小风险和最大效益原则 8 1 4水环境修复的基本内容 水环境现场调查 外部污染源的范围和类型 内部污染源的变化规律 底泥土壤环境的形态和性质 水动力学特征 水环境修复设计 8 1 5水环境修复技术 8 1 5 1物理修复方法 物理修复法处理程度低 费用高且治标不治本 物理修复法工程实例介绍 苏州河综合调水工程 苏州河综合调水工程通过控制吴淞路桥闸的启闭 涨闭落启 将苏州河由潮汐往复流变为单向流 同时控制苏州河上下游支流水闸的启闭 增加上游清洁水的水量 减少严重污染支流的入流量 从而达到改善下游水质的目的 韩国釜山港湾的曝气设施 比较有意思的是 这项工程是为迎接1986年亚运会和1988年夏季奥运会的 为快艇比赛提供了良好的水质条件 机械除藻 滇池蓝藻水华治理工艺流程图 8 1 5 2化学修复方法 化学法虽然见效快 但容易造成 二次污染 具有一定危险性 只适合对突发性水污染或小范围严重水污染的修复 8 1 5 3生物修复法 概念 生物修复是利用生物 特别是微生物 催化降解有机污染物 从而去处或消除环境污染的过程 即利用培育的植物或培养 接种的微生物的生命活动 对水中污染物进行转移 转化及降解 从而使水体得到净化的技术 生物修复法优点 优点 修复时间较短 污染物可在原地降解 就地处理操作简便 修复经费较少 遗留问题少 不产生二次污染 生物修复具体技术 生物操纵技术 水体中生态系统的结构和功能是 营养盐 浮游植物 浮游动物 鱼类 的 上行效应 和与之相反的 下行效应 共同作用的结果 从生态学角度看 生物多样性的丧失是水环境受损的关键和核心 关键物种的引入 能大量吸收水体中的营养物质 水生高等植物会提高水体溶解氧 摄食浮游藻类 控制藻类密度 增加食鱼性鱼类或减少食浮游动物或食底栖动物鱼类 利用 食藻鱼 浮游动物 放养鱼类 水生植物 植被群落恢复 植被作用 营养泵 库 有效分配水体营养盐 避免单一优势种的过度孳生 保持水体净化能力 对于富营养化的水体 水生植物会与藻类竞争氮 磷等营养物 从而抑制藻类的生长 恢复目的 逐步恢复受损水体的生态系统的结构 在生产者 消费者 分解者等之间建立有效的食物链 促进系统的物质循环 恢复水体的功能 首要目标 水生植物 包括沉水植物 挺水植物 浮游植物 植被群落恢复措施 改善植物生境条件 改善湖底光照 植被人工重建 围隔消浪 促淤 底质改善 降低水位等 通过增加水体透明度 水下补光等措施增加光补偿深度 促进沉水植物恢复 针对已丧失自动恢复能力湖区或不符合水质改善要求的情况 生物除藻 主要外源菌 酵母菌 放线菌 乳酸菌 光合菌等多种有益微生物 外源菌本身能迅速分解污水中的有机物 并代谢出抗氧化物质 唤醒或激活土著微生物 恢复其自净功能 外源菌与具有净化功能的土著微生物则会与藻类竞争氮 磷等营养物质 8 1 5 4生态修复技术 生态塘 生态塘是一种资源化技术 1 能将进入塘中的有机污染物进行降解和转化 2 将水生作物 水产作为资源回收 3 净化的污水也能作为再生水资源予以回收再用 人工湿地 概念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 如卵石等 混合组成填料床 废水可以在床体的填料缝隙中流动 或在床体的表面流动 在床的表面种植具有处理性能好 成活率高的水生植物 如芦苇等 形成一个独特的生态环境 对污水进行处理 人工湿地净化污水途径 途径 1 填料床 过滤和截留去除颗粒物 2 湿地介质 通过吸附 络合 离子交换等作用去除磷和重金属离子 3 湿地微生物 降解有机污染物 去除水中的氮 4 水生植物 吸收去除水中的氮磷 富集重金属 人工湿地修复技术优点 人工湿地优点 1 对有机污染物有较强的降解能力 出水质量好 人工湿地修复技术优点 2 可结合景观设计 种植观赏植物改善风景区的水质状况 右图 3 造价及运行费远低于常规处理技术 土地修复技术 土地处理技术以土地为处理设施 利用土壤 植物系统的吸附 过滤及净化作用和自我调控功能 达到对水净化的目的 土地处理系统可分为快速渗滤 慢速渗滤 地表漫流 湿地处理和地下渗滤生态处理等几种形式 国外的实践经验表明 土地处理系统对于有机化合物尤其是有机氯和氨氮等有较好的去除效果 8 2湖泊水库水环境修复 湖泊水库水环境污染 1 湖泊水库水环境修复 2 湖泊水库水环境修复技术 3 4 1水质污染 污染源 工业废水和生活污水排放的重金属 有机化合物等有毒有害物质 主要污染物 COD TP NH3 N 挥发酚 汞 矿化度和pH等 城郊湖库和东北地区湖库 有机物污染 西北干旱地区湖库 盐碱化 2富营养化 概念 富营养化是指湖泊水库等水体由于接纳过多的氮 磷等营养性物质 使生产力水平异常提高 破坏水生生态系统的过程 表现 藻类滋生 根生或者浮游生物大量生长 富营养化危害 富营养化危害 藻类在代谢死亡过程中能够释放各种藻毒素 具有比较强的毒理作用 大量浮游植物或者浅水根生植物的生长繁殖 可能导致湖泊水库沼泽化 藻类大量繁殖 水体严重缺氧 水质恶化 鱼 虾等水生生物大量死亡 安徽巢湖蓝藻局部爆发 我国富营养化湖泊水库表现出的共同特征 1 总氮和总磷浓度 2 透明度差 3 多数湖泊水库叶绿素高 2007年6月11日 在巢湖北岸的烟墩至义城沿岸 湖面上聚积了大量蓝藻 沿岸边水域呈翠绿色 粘稠状 非常难闻 3湖泊水库酸化 使用化石燃料产生的SO2 NOx被氧化后产生硫酸和硝酸 通过湿沉降 干沉降进入水体 当湖泊水体的pH值小于5 6时 水体与空气中二氧化碳平衡 水体呈酸化状态 严重地区 欧洲 我国西南 酸化危害 对水生生物造成严重危害 尤其是对鱼类的生长 酸碱度 5 5 生长受阻 酸碱度 5 鱼类生殖功能失调 繁殖停止 酸化危害 酸性条件下沉积物 土壤中有毒重金属元素活化 4湖泊水库萎缩 湖泊水库萎缩导致湖泊水库生态结构受损 岸边带湿地破坏 使湖泊水库失去滞留流域非点源污染物的天然屏障 造成湖泊水库的自净能力大为降低 表8 2长江中下游湖泊水库面积缩小统计 5湖泊水库污染源分类 1 根据污染控制和负荷分类 表8 3湖泊水库污染物的来源 2 根据输入途径 湖泊水库污染源分为直接和间接污染 主要内容 8 2 2湖泊水库水环境修复 概念 湖泊水库水环境修复是指通过人为的调控 使受污染损害的生态系统恢复到受干扰前的自然状态 恢复其合理的内部结构 高效的系统功能和协调的内在关系 8 2 2湖泊水库水环境修复 我国湖泊水库恢复实践开始于90年代国家重点治理的 三湖 太湖 滇池 巢湖云南省政府近日公布 10多年来各级部门共投入47 62亿元治理滇池 但水质未获根本好转 日本的霞浦湖与滇池面积相当 从70年代开始 先后投资约合人民币1300多亿元 相当于每平方公里水面投资5 8亿元人民币 目前仅恢复到相当于我国四类水体的水平 8 2 2 1湖泊水库水环境修复的原则 原则 1 生态 社会 经济和文化的需求以及恢复技术的有效性污染受损湖泊水库生态恢复的首要任务是确定恢复目标 只有确立明确的目标 才可能制定合适的恢复方案 建立评价生态恢复成功与否的评价标准体系 8 2 2 1湖泊水库水环境修复的原则 2 整体性湖泊水库生态系统作为一个由诸多物理化学要素和生物要素组成的复杂统一体 强调生态系统结构和功能的整体性 3 遵守自然法则湖泊水库生态系统是具有生命特征的动态体系 所有湖泊水库都有形成 发展 衰老和消亡的自然演化过程 人类活动 污染 破坏 治理 修复等 可以加速或延缓湖泊水库的自然过程 甚至使其偏离原有演化方向或发生逆转 8 2 2 2湖泊水库水环境综合评价 综合评价 1 基础资料收集 2 参数计算 3 综合模型 8 2 2 2湖泊水库水环境综合评价 1 基础资料收集 地理地质数据气温 蒸发量和降水量 汇水面积 土壤及其流失情况 流域植被 人口 农林牧业和工业 周围污水排放情况等 水文学数据容积 水面面积 深度 降水量 水力停留时间 水体温度分层情况等 水体理化参数水温 水色 pH 溶解氧 磷浓度 氮浓度 金属离子 SS BOD COD TOC等 生物学参数藻类 浮游植物 浮游动物 鱼类 底栖动物 细菌等 8 2 2 2湖泊水库水环境综合评价 2 参数计算 水量动态平衡 热量衡算I 太阳辐射 R1 从水面反射部分 G 大气辐射 R2 G中被水面反射的部分 S 从水面所发出的长波辐射 8 2 2 2湖泊水库水环境综合评价 污染物负荷衡算氮和磷是导致湖泊水库富营养化的主要因子 自净速率水体消耗溶解氧的过程 有机物好氧分解 硝化作用 污泥好氧呼吸 藻类和其他生物呼吸 溶解氧恢复过程 大气复氧 藻类光合作用释放氧气 水生态系统水生态系统主要包括水体生态结构的组成 能量流动 物质转化和循环 8 2 2 2湖泊水库水环境综合评价 3 综合模型结合湖泊水库具体条件 恰当地选择相适应的物理过程模型和逻辑动力学模型 借助数学模型定量表达湖泊水库生态系统中的各种因子和过程之间的相互作用关系 掌握水体内部的物理 化学和生物过程 预测不同条件下水体变化的趋势以及各种管理和工程技术措施对水体的影响 8 2 3湖泊水库水环境修复技术 1外源污染控制技术 2湖泊水库的内源控制技术 3水动力学修复技术 4藻类控制与去除技术 5污染湖泊水库的生态恢复技术 8 2 3 1外源污染控制技术 概念 外源污染控制技术主要通过改变生产和消费方式减少污染物的产生 建设相关处理设施 减少污染物质的浓度和总量 8 2 3 1外源污染控制技术 分类 1 点源污染控制 生活污水处理技术 工业废水处理技术 2 非点源 面源 污染控制前置库技术 8 2 3 1外源污染控制技术 生活污水处理技术a 集中处理技术通过建立污水厂有效去除氮 磷 BOD5和SS等污染物 b 分散处理技术通过修建小型污水处理厂 或因地制宜建立生物塘和污水净化槽等进行处理 8 2 3 1外源污染控制技术 8 2 3 1外源污染控制技术 8 2 3 1外源污染控制技术 8 2 3 1外源污染控制技术 日本Gappei shori小型污水净化槽 8 2 3 1外源污染控制技术 脱氮脱磷工艺a 生物处理工艺厌氧 缺氧 好氧法 A2 O 氧化沟b 生物与化学法结合c 生物塘处理系统 8 2 3 1外源污染控制技术 8 2 3 1外源污染控制技术 8 2 3 1外源污染控制技术 工业废水处理技术根据处理的原理 废水处理方法可分为物理法 化学法和生物法三个大类根据处理的程度 废水处理可以分为一级 二级和三级处理 表8 5废水处理的基本方法 8 2 3 1外源污染控制技术 表8 6废水的分级处理 8 2 3 1外源污染控制技术 应用最优化原理确定最佳方案 a 废水特性b 对出水水质的要求c 有关的环境因素d 详细的处理费用分析 8 2 3 1外源污染控制技术 非点源 面源 污染特点 湖泊水库修复中控制难度最大的污染物来源主要包括 城镇地表径流 农村等地表径流 大气沉降 湖区养殖等 其中农村非点源问题尤其突出 非点源治理总体设计程序 a 非点源负荷量及特征调查b 计算允许入湖负荷量c 确定最佳方案d 设计最佳总体方案 图8 2非点源治理总体设计程序 8 2 3 1外源污染控制技术 非点源污染控制采用的工程技术包括 污染物源头控制污染迁移转化的控制污染物净化工程 表8 7非点源技术一览表 表8 7非点源技术一览表 续表 8 2 3 1外源污染控制技术 拦沙坝 8 2 3 1外源污染控制技术 人工湿地 8 2 3 1外源污染控制技术 农业生态工程 8 2 3 1外源污染控制技术 图8 3湖泊水库及流域污染控制工程 8 2 3 1外源污染控制技术 3 前置库技术前置库是指在受保护的湖泊水库水体上游支流 利用天然或人工库 塘 拦截暴雨径流 通过物理 化学以及生物过程使径流中污染物得到净化的工程措施 8 2 3 1外源污染控制技术 前置库工艺流程 8 2 3 1外源污染控制技术 前置库工程剖面图 8 2 3 2湖泊水库的内源控制技术 概念 湖泊水库内源污染是指湖内污染底泥中的污染物重新排入水体的过程 1 湖泊水库沉积物疏浚 2 湖泊水库沉积物原位处理技术 8 2 3 2湖泊水库的内源控制技术 a 机械式疏挖 图8 5长臂泥斗疏挖施工示意图 8 2 3 2湖泊水库的内源控制技术 图8 6铣轮式挖泥机结构及工作示意图 b 水力疏挖 8 2 3 2湖泊水库的内源控制技术 图8 7污染底泥环境疏浚的工艺流程 8 2 3 2湖泊水库的内源控制技术 优点 有效降低湖泊水库的污染负荷 特别是重金属 持久性有毒有机污染物等难降解污染物 缺点 沉积物疏浚过程中的扰动 造成短时期内水体中污染物浓度升高 造成二次污染 对底栖生态环境造成影响 疏浚后新生表层界面暴露 可能出现污染内源回复现象 投入高 8 2 3 2湖泊水库的内源控制技术 沉积物原位处理技术 原位覆盖 原位封闭 原位钝化 原位生物 原位化学 8 2 3 2湖泊水库的内源控制技术 原位覆盖技术 在污染沉积物表面覆盖一层物质 如沙子 卵石和粘土等 依次隔离污染沉积物和水体 将污染封闭在沉积物中 达到控制沉积污染内源的目的 图8 8湖泊水库污染沉积物原位覆盖示意图 8 2 3 2湖泊水库的内源控制技术 原位封闭技术对严重污染沉积物采取的强化处理措施 采用物理措施将污染沉积物完全与水体分隔 原位化学处理技术添加化学试剂使沉积物发生化学反应 限制沉积污染物的释放 8 2 3 2湖泊水库的内源控制技术 铁盐除磷 Fe3 PO43 FePO4 3Fe2 2PO43 Fe3 PO4 2 Fe3 3HCO3 Fe OH 3 3CO2氧化铝除磷 Al2O3 3H2O 2Al OH 3Al OH 3 H2PO4 AlPO4 OH 2H2O 8 2 3 2湖泊水库的内源控制技术 原位生物处理技术通过植物直接吸收 根系微生物降解等作用 使沉积物中污染物分解或转化 原位沉积物钝化技术通过改变沉积物的物理化学性质 降低沉积物中污染物向周围环境释放的可能 8 2 3 3水动力学修复技术 概念 通过人工措施 防止水体分层或者破坏已经形成的分层 提高湖泊水库水体溶解氧的浓度 控制内源性污染 降低湖泊水库水体污染物的浓度 改善水体环境 达到污染湖泊水库水环境修复的目的 1 引水稀释 冲刷 2 人工曝气 3 人工循环 8 2 3 3水动力学修复技术 引水稀释 冲刷 加快了水体的交换频率 缩短了污染物在湖泊水库中的滞留时间 从而降低污染物浓度水平 水体流动性的加强 增加湖泊水库下层水体的溶解氧含量 从而抑制沉积物中污染物的活化释放 工程实例 引江济太 从长江调水改善太湖水质 8 2 3 3水动力学修复技术 定量描述稀释冲刷效果的经验公式 Ct 在时间t时的污染物浓度Cin 进水浓度C0 初始浓度 水体交换或者冲刷速率 短期效果预测 长期效果预测 L 磷元素的面积负荷Z 平均深度 冲刷速率 8 2 3 3水动力学修复技术 2 人工曝气 图8 9分层湖泊水库人工暴气 人工环流改善水质 8 2 3 3水动力学修复技术 人工曝气设备设计公式 O2 溶解氧的消耗速率 mg m2 d DOt1 水体分层开始时溶解氧的浓度 mg LDOt2 水体溶解氧降低至1mg L前某时间的浓度 mg Lh 深层水的平均深度 m Q 空气需要量 m3 dAh 深水层的面积 m2ts 水体分层时间 d0 2 空气中氧气的比例10 6 单位转换系数 kg mg1 205 空气在1个大气压和20 下的相对密度 kg m3 8 2 3 3水动力学修复技术 3 人工循环通过向湖底泵送压缩空气 产生水体环流 凭借水体交换消除或防止湖泊水库的水体温度分层 进而改善水质 其原理类似于 人工曝气 优点 破坏分层 提高溶解氧浓度 缺点 底泥上浮 可能加速污染物释放 8 2 3 4藻类控制与去除技术 造成富营养化的因素 a 营养盐N Pb 溶解氧c 光照 温度d 水动力e 场所 8 2 3 4藻类控制与去除技术 物理法 化学法 生物法 8 2 3 4藻类控制与去除技术 人工解层人为地使各水层混合 消除热分层 使透光区的平均温度降低 抑制藻类生长 混凝沉淀向水中投加泥 粘土 在水中分散形成大量的悬浮颗粒 颗粒之间及颗粒与藻细胞之间碰撞聚集 最后在重力作用下沉降于水底 从而消除湖面水华 机械打捞费时费力的办法 适用于流入水体养分数量不大的情况 通常作为应急措施 1 物理法 8 2 3 4藻类控制与去除技术 2 化学法化学药剂法是利用杀藻剂 algicide 杀死藻类 从而消除湖面水华现象 优点 操作简便 一次性使用成本低缺点 不能长期投用一种药 可能对环境产生二次污染 8 2 3 4藻类控制与去除技术 3 生物法生物学控制技术是利用水生动 植物 藻类病原菌 病毒来控制 抑制和杀死藻类的方法 利用藻类病原菌 细菌 真菌 抑制藻类生长 利用病毒控制藻类的生长 通过竞争作用抑制藻类生长 酶处理技术 8 2 3 4藻类控制与去除技术 北京环水联合体采用的生化综合抑藻法 将一种具有多功能的复合成分的生化混合物 环水 355号生化复合抑藻剂 喷洒在水体中 该制剂包括杀藻部分 絮凝