水环境修复湖泊水库水环境修复PPT课件

1 第八章污染水环境修复技术2湖泊水库水环境修复邓欢欢 2 目录湖泊污染概述湖泊环境修复初论 3 湖泊和水库都是流域中主要的汇水体 作为流域中物质的 汇 自然侵蚀过程和人为排放的污染物都将进入湖泊水库 导致水环境污染的现象 主要污染问题 水质污染 富营养化 水质酸化 湖泊水库萎缩 一 湖泊水库水环境污染 4 湖泊水库污染的来源 外源与内源 5 定义 通过人为调控 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 两方面的内容 一是通过一定的修复措施尽可能抵消或减轻一部分已被证明对环境和人类有害活动的负面效应 修复生态系统的服务功能 使湖泊水库能够满足人类的需要 另一方面使受损或受干扰湖泊水库生态系统在结构和生态功能上恢复到破坏前的 完美 状态 二 湖泊水库水环境修复初论 6 1 湖泊水库水环境修复的原则 生态 社会 经济和文化的需求以及恢复技术的有效性Important确定目标 尺度上 规模上 目标上整体性 由诸多物理化学要素和生物要素组成的复杂生态系统 修复应具有整体性概念 全面考虑生态系统结构和功能 修复技术措施包括湖泊水库主要环境要素 大气 水 沉积物等 的改善与生物因素 生态系统的结构和功能 的修复两方面遵守自然法则 生态学的基本理论是生态恢复的理论基础 限制因子理论 生态适应性 生态位 自然演替 集合规则 自我设计和人为设计 生物多样性及恢复阀值理论等 7 2 湖泊水库水环境综合评价 可行性研究内容 调查进入湖泊水库的营养元素 悬浮泥沙 有机物的定量负荷或者速率 调查湖泊水库的状态和周期性变化规律 确定适合湖泊水路的最有效的修复技术以利于湖泊水库的长期保护和修复等 目的 水体的基本用途 历史 存在的问题以及修复技术是否可行 8 2 1基础资料收集 地理地质数据 气温 蒸发量与降水量 汇水面积 土壤与植被 污染状况水文学数据 容积 面积 水量变化 水深剖面 水力停留时间 水流动力学特征 水体温度分层 底泥水体理化参数生物学参数 藻类 植物 动物 底栖生物 微生物等 9 2 2参数计算 水量动态平衡 得到水体交换时间 水深变化等热量衡算 太阳辐射引起的水体水温分布不均 从而引起水体运动及水环境的变化污染物负荷衡算 主要是氮磷的元素输入输出自净速率水生态系统 生态系统结构的变化 其趋势是最大限度吸收外部的能量与物质 能量是驱动生态系统中各种物质转化的动力 物质的转化印象到生态系统的结构组成 10 理化因子及变化生物组分与演替规律 3 湖泊水库的基础知识 11 3 1湖泊水库的重要理化因素 12 光照与温度的变化趋势并不一致 光照较为线性 而温度变化存在跃层现象 表层水 变温层 均温层 13 表层水 变温层 均温层 正常贫营养湖泊 生产力很高的富营养化湖泊 富营养化开始爆发的湖泊 含冷且有富氧水系注入的湖泊 14 二氧化碳有明显的时空变化湖泊底层由于光合作用减弱或完全没有光合作用 加上沉积物的分解 二氧化碳含量较高 相反 溶解氧和pH值则较低 富营养化湖泊这种差异尤其明显 15 营养盐类N P Si Fe Cu Zn Mn Mo等多种生物营养元素N P是植物最主要的营养物质 其含量水平决定水生生物的生产力 16 营养盐类 1 氮水中氮的主要形式有N2 NH4 NO2 NO3 和有机氮氮的主要来源是废污水诽放 地表径流 水生生物的代谢和微生物分解作用水生植物可直接吸收无机氯 NH4 NO3 一部分细菌和蓝藻可固定N2 17 营养盐类 2 磷水中的磷主要以正磷酸盐 缩合磷酸盐和有机磷磷酸形式存在水体中的磷主要来自地表径流 生活污水 工业废水或生物转化 18 N P比值藻类体内C N P原子比为106 16 1 N P质量比为7 2 1水中N P比值影响藻类生长 也是水体营养状况的指标N P 7 1 N成为限制因子 反之 P成为限制因子N P比值随水体营养水平的增加而下降 N P 16 1为贫营养 16 1为富营养 P是水体富营养化的主要影响因素 19 3 2水域生态系统的生物组分 包括生产者 消费者和分解者 金字塔 生产者藻类和维管束植物 吸收水中碳 氮 磷等生物营养物质 在阳光的作用下合成复杂的有机物 把太阳能转化为化学能淡水藻类 蓝藻门 隐藻门 甲藻门 金藻门 黄藻门 硅藻门 裸藻门 绿藻门 轮藻门 20 水生植物漂浮植物 凤眼莲 水浮莲 浮萍 紫萍等浮叶植物 眼子菜 睡莲 莼菜和菱 睡莲 子午莲 21 沉水植物 狐尾藻 苦草 黑藻 茨藻 苴藻 金鱼藻要求水体较清 有较高的透明度 使光线能透射进水层以供进行光合作用 苦草 马来眼子菜 伊乐藻 22 挺水植物 菖蒲 香蒲 芦苇等耐有机污染能力强 香蒲 水菖蒲 23 消费者自身不能合成营养物质 靠捕食其他生物或其碎屑维持生命活动原生动物 轮虫 浮游甲壳动物 底栖动物 鱼类及其他脊椎动物 24 分解者包括各种水生细菌和真菌 能将死亡有机体 有机碎片等分解成碳 氮 磷 硫等简单无机物 使物质得以循环往复细菌 小球菌 链球菌 杆菌 螺旋菌 球衣菌 贝氏硫细菌及菌胶团等真菌 枝水霉菌 25 群落概念特定空间或特定生境下生物种群有规律的组合特征具有一定的物种组成不同物种之间的相互影响具有形成群落环境的功能具有一定的外貌和结构一定的动态特征一定的分布范围群落的边缘特征 26 群落演替季节演替藻类的季节演替 27 底栖动物的季节演替蜉蝣目 双翅目 毛翅目 膜翅目幼虫等都有这种现象 不同种类的羽化季节不同 有的在夏季 也有的在秋季鱼类种群与水温的关系鱼类对环境温度有不同的适应范围 随水温的改变 种类组成发生变化 28 水平演替河流生物的纵向演替由于海拔高度 流速 底质 水温 透明度等因素的差异 河流上 下游生物种类 数量有很大不同河流中鱼类也有明显的分带现象 上游多为冷水性种类 如鲑 鳟鱼等 下游种类则较多 如鲤鱼 鲫鱼等 29 湖泊生物群落的水平与垂直演替按水平分 可分为沿岸带和湖心带 前者包括沉水植物和挺水植物生长的浅水区 后者为湖中央无水草部分的开阔水面按垂直分 湖泊可分为湖上层或营养层和湖下层 以光照补偿层为界 湖上层光线充足 藻类主要分布在湖上层 湖下层光线微弱或没有光线 绿色藻类不能生存 但湖上层沉降下来的碎屑为厌氧微生物分解活动提供了物质条件 30 31 概叙植物修复 4 湖泊水库的生态恢复技术 32 我国水体污染的主要特征 由人类生产 生活活动引起的水体有机污染和富营养化现象 关键 削减水体和底泥的有机物 N P的负荷对策 1 消除点源 截污及雨污分流 2 控制面源 农业面源污染防治 3 直接工程技术 清淤 调水 生物修复技术生物修复技术 植物技术 微生物技术 综合处理技术等 针对国情的对策及技术途径 33 4 1生态恢复与植物修复 恢复湖泊水生植物 1 概念 植物的构成 沉水植物 浮叶植物 漂浮植物 挺水植物及湿生植物湖泊富营养化治理必须建好植物群落 34 水生植物修复包括 人工强化自然修复与人工重建水生植被两条途径 目标 重新设计和建设全新的能够稳定生存的水生植被和以水生植被为核心的湖泊良性生态系统 35 2 水生植被优化设计基础 由湖盆形态 底质条件和水文条件决定的水生植被面积 类型和分布格局湿生植物 季节性显露的滩地挺水植物 注意上下限浮叶植物 3m沉水植物 10m强烈的风浪扰动决定水生植被的分布格局和面积水质和透明度决定分布深度和面积定期收割有助于植物旺盛生长 36 人类的使用需求 按照生态功能划分调蓄型湖泊 沿岸带的护坡护岸功能 挺水植物和湿生植物 水源型湖泊 保护水质 沉水植物 注意收割和管理 运动娱乐型湖泊 沿岸带 注意湖面开敞 沉水植物太多不好观光游览型湖泊 注重景观性 各种均可水质保障的营养平衡和生态平衡原则 37 3 优化设计 先锋物种的选择 首先建立植物生态群落物种选择原则 适应性 本土性 强净化能力 可操作性选择植物种类 根据选择原则选择适当物种 最好能做一些围栏试验做一些尝试再推广应用 38 优化设计 群落配置 通过人为设计 将欲恢复重建的水生植物群落根据环境条件和植物特征按一定比例在空间 时间分布方面进行安排布置 水平空间配置 生态型和经济型垂直空间配置 根据水深从湖岸 浅水区 深水区分别配置 湿生植物 挺水植物 浮叶植物 沉水植物 39 4 修复水生植物植被基本条件的创建 蓝藻水华的控制 全湖性控制和局部湖区控制 风浪的控制 消浪带的建立 沿岸带浅滩环境的创建 人工工程 退耕还湖 底泥的清除 水深的调控 水质改善 透明度 有机物浓度 pH 40 5 修复水生植物植被的技术途径 挺水植物 直接种植和移栽浮叶植物 直接抛投沉水植物 低水位时候选择从水浅地带开始 41 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 42 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 43 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 44 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 45 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 46 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 47 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 48 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 49 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 50 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 51 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 52 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 53 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 54 6 水生植被的收割利用 收割的重要性 控制植物生长 避免消极影响手工收割机械收割 机拖收割 机械收割 先进专用收割设备 55 二 其它植物技术简介 小型水塘 种植植物或藻类 处理受污染水缺点 季节性 植物必须人工控制 1 水生植物塘 水葫芦塘或浮萍等使用人工浮床强化 2 水生漂浮植物种植P156 3 富营养化海域栽培大型海藻 56 湖泊水库水环境修复技术 控制营养物质来源控制藻类和植物水动力学和消除内源污染 湖泊水库环境修复2 57 一 控制营养物质来源 点源污染控制 明确的 相对固定的污染来源 一般采取 末端处理技术 和执行严格的排放标准来进行控制 如污水处理厂站及环境管理 非点源 面源 控制 面源是湖泊水库污染物的重要来源 国外研究占全部污染50 以上 农村非点源问题尤其突出 如滇池 90 以上的入湖泥沙来自农村面源 其中N P可能占总污染的40 80 1 外源污染控制技术 58 4阶段理论 非点源负荷量及特征调查计算水体非点源允许入湖负荷量确定污染控制最佳方案涉及湖泊水库非点源污染控制的最佳总体方案 59 非点源控制技术难以采取点源污染控制的集中处理方式根据湖泊水库流域不同生态位和污染物性质 设计各类污染控制工程 环境治理工程 水质净化工程和生态修复工程 总的来说分为工程技术和管理技术两大类 60 61 62 前置库技术定义 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 广义上讲 湖泊水库汇水区内的水库和坝塘都可以看作是湖泊水库的前置库 对入湖径流有不同程度的净化作用 国外针对N P的入湖前置库截留研究应用较多 日本琵琶湖 国内滇池也开始应用人工湿地与植物塘开展类似研究 63 64 水生植物带 芦苇 无雨水时的去除率 1994年 COD 10 30 T N 10 40 T P 10 60 初期雨水滞留净化池 沉淀作用 去除率 1994年 COD 5 30 T N 5 40 T P 20 60 植物带 植物浮岛 滞留塘 入湖河口水质净化系统 案例 琵琶湖河口 65 设计原则 将来水合理分配到人工湿地中 沟渠来水以重力流进入湿地 不得妨碍沟渠泄洪 不改变沟渠原有功能 湿地建成后具有较好的景观效果 并方便农民出入农田 滇池前置库控制工程 人工湿地应用 66 67 昆明滇池人工湿地处理暴雨径流试验系统 68 沉砂池 格栅 湿地1 泄洪沟 泻洪闸 人工湿地处理暴雨示范工程 昆明滇池人工湿地处理暴雨径流示范工程 69 70 湖泊水库内源污染 湖内污染底泥中的污染物重新排入水体的过程 沉积物是与水 大气和土壤并列的环境污染物迁移 转化和蓄积的 第四环境介质 定时炸弹 沉积物是流域污染物质循环的主要蓄积库 一定环境条件下 沉积物中长期累积的大量有害物质会突然释放 底泥中污染物的释放过程与湖泊水库水环境状况以及底泥特性密切相关 在点源与非点源得到有效控制后 这一释放过程一般都会加快 即底泥污染物释放速率明显增加 2 湖泊内源控制技术 71 例如 国外研究表明 湖泊沉积物的NP释放就足以维持湖泊在富营养化水平达十年之久我国一些研究也发现 沉积物中有毒物质 特别是重金属 的季节性释放可能对水环境安全造成重大影响 比如温瑞塘河河段就有报道出现突发性黑臭事件 而且春夏多发 这种不明来源的突发黑臭事件多与沉积物被扰动产生污染释放有关 72 主要的控制技术 沉积物疏浚工程 沉积物表面覆盖 曝气氧化和化学钝化四种技术 对于污染或淤积严重的浅水湖泊水库 疏浚工程运用最为普遍 效果也最为明显 湖泊水库水体内源控制技术 沉积物疏浚技术降低湖泊水库内源污染负荷最有效的措施 74 75 常见的底泥疏浚机械设备 76 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 77 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 78 太湖五里湖区开展的水生植被生态重建项目 79 沉积物原位处理技术不疏挖沉积物的情况下 通过物理 化学 生物的方法处理污染沉积物 降低沉积物中污染物的迁移活性 以控制沉积物内源污染 方法简单 成本低 包括 原位物理技术 原位化学技术和原位生物技术 80 1 沉积物原位覆盖技术在沉积物表面覆盖一层物质 如沙子 卵石和黏土等 依次隔离污染沉积物和水体 将污染封闭在沉积物中 适用于湖底平坦 有足够深度 水动力扰动小的湖区 可与疏浚结合 在疏浚后新界面形成一个阻隔层 控制释放 81 2 沉积物原位封闭技术在出现严重污染 采取的强化物理处理措施将污染沉积物完全与水体隔离 分隔手段包括隔离膜 围堰 土 石堤坝等 可与疏浚结合 在疏浚后新界面形成一个阻隔层 控制释放 例如世界上最大的施工实例 日本熊本水俣湾 由于大面积的汞污染无法根本治理 从1974年开始建设到1989年完工 在海湾里建成58hm2的围隔容纳汞污染沉积物 使用火山灰 沙等覆盖 82 至今日每年126 31亿日元的损害金额 当时的环保费用折算今日只需要1 23亿日元 83 3 原位化学处理技术添加化学药剂限制沉积污染物的释放主要应对沉积物P的释放 以铝 铁 钙盐多见多为临时措施 4 原位生物处理技术以植物技术为基础 5 原位沉积物钝化技术改变沉积物的物理化学性质 降低向周围环境释放的可能固定剂多使用水泥 火山灰及塑化剂 84 二 水动力学修复技术 原理 通过人工措施 防止水体分层或者破坏已经形成的分层 提高溶氧浓度 控制内源污染 降低水体污染浓度 改善水体环境 从而达到水体修复的目的 主要技术类型 稀释或冲刷 人工曝气 底层水取出 人工环流等 85 原理 引水加快水体交换频率 降低水力停留时间 从而降低污染物浓度水平 在国内外均有较多应用 且效果较好 但如果稀释速率选择不当 污染物浓度反而增加 此外这终究是一种污染转移 是利用小环境外大环境更大的环境容量 1 引水稀释 冲刷 86 引江济太工程 太湖流域北临长江 南抵杭州湾 西接天目山 东濒东海 流域有江苏的苏 锡 常 浙江的杭 嘉 湖等重要地区以及上海市 地跨苏浙沪皖三省一市 年太湖流域以占全国 的面积 的人口 创造了占全国 的 占全国 的财政收入 城市化率达 是我国经济最发达 城市化程度最高的地区之一 87 引江济太工程水量运动示意图 引江济太效益分析 按一般水情年份考虑 经测算 计划全年从常熟枢纽引长江水25亿立方米 通过潮汐影响分析 计划从常熟枢纽自引14亿立方米 抽引11亿立方米进望虞河 经望亭水利枢纽入太湖10 15亿立方米 其中3 5亿立方米增加江苏滨湖地区用水 同时由太浦闸向上海 浙江等下游地区增加供水5 7亿立方米 其余10 15亿立方米水量主要增加望虞河两岸供水 改善苏州 无锡地区水环境和满足地区用水 经分析论证 引10亿立方米长江水入太湖 可使太湖主要污染指标高锰酸盐指数及总磷浓度有不同程度的下降 有利于改善太湖局部湖区和黄浦江上游水质 通过长期引水 可缩短太湖换水周期 将进一步改善太湖水质和流域水环境 据测算 引江济太调水试验每立方米水量运行成本约人民币1分钱 89 调水使太湖大部分时间保持在 米至 米的适宜水位 太湖水体的置换周期从原来的 天缩短至 天 受益地区河网水流速度由调水前的 米 秒增至 米 秒 河网水体基本完成一次置换 与此同时 太湖及河网水质明显改善 类水质的水面面积增加了 富营养化面积下降 浮游植物 如蓝藻 生长受到明显抑制 贡湖等湖湾标志水质好转的沉水植物开始出现 调水向太湖流域补充了水资源 太湖流域是我国经济最发达 城市化程度最高的地区之一 水资源总量供需缺口较大 常年用水量超过 亿立方米 但多年平均水资源量为 亿立方米 90 原理 具有一定水生的湖泊水库通常具有季节性温度分层 导致下层水的厌氧环境 有利于污染物活化 例如沉积物P的释放 人工曝气使得湖泊水库底层溶氧恢复 污染物浓度降低 改善水生生物生存环境 限制浮游藻类的生产力 2 人工曝气 91 实例 1999年 贵州红枫湖 大型曝气示范工程 消除水体有氧 无氧分层结构 控制住了湖底污染物释放 瑞典研究 湖泊厌氧层曝气处理 使得湖泊水体TP负荷减少91 92 93 人工曝气 类型 机械搅拌 注入纯氧和注入空气三种 设计 1 通过溶氧曲线测得氧气消耗速率 2 计算空气需要量 94 面积小 水深浅的滞流水体河段 可以采用基于一级反应的箱式模型 95 参考实例 设计水温 25 设计曝气水域长3 5km 平均水深1 21m 平均水宽21m BOD5反应速率常数 K1 0 1d 1 复氧系数K2与风力 水温 流速 水深等因素有关 一般来说 在流速u 0 5m s时 可取K2 0 2d 1 经测定 初始BOD5浓度L0 20 0mg L 设水体改善后的BOD5浓度满足地表水 类标准 L 6 0mg L 水体的饱和溶解氧 Cs 8 5mg L Cm 3mg L 计算结果 根据箱式模型对河段曝气段需氧量进行初步估算 为了确保DO达到3mg L的预期目标 理论上该段水体的总需氧量约为777 6kgO2 d 此值为无冲击负荷时的需氧量 考虑到雨水等突发状况的冲击负荷 应将需氧量留有余地 将需氧量加倍此值为1500kgO2 d即62 5kgO2 h 96 供气量供气量的计算公式为 Ea 氧转移速率 20 则该河段曝气复氧所需空气量约为1116m3 h 97 原理 产生水体环流 凭借水体交换消除或者防止湖泊水库的水体分层 进而改善水质 原理类似曝气 可以通过水泵 射流或者曝气实现 3 人工循环 98 人工造流技术 涡流循环技术 涡流循环增氧技术 东亚建设 99 三 藻类控制与去除技术 水华不仅使得水质下降 还会影响水体自净 恶化湖泊水库的生态功能 因此采取藻类控制与去除技术十分必要 主要的方法有物理法 化学法和生物法物理法 人工解层 混凝沉淀 机械打捞化学发 化学杀藻药剂生物法 生物操纵技术 100 卫星遥感反演叶绿素a含量分布 资料来自 中国科学院上海技术物理所 101 湖泊富营养化的生物控制 生物操纵基本概念生物操纵是指应用湖泊生态系统内营养级之间的关系 通过对生物群落及其生境的一系列调整 从而减少藻类生物量改善水质 鱼群结构调整的方法是在湖泊中投放 发展某些鱼种 而抑制或消除另外一些鱼种 使整个食物网适合于浮游动物或