第12章 污染水体的生物修复-1

第12章污染水体的生物修复

第1节污染河流的生物修复第2节污染湖泊的生物修复第3节地下水污染的生物修复第4节污染海洋的生物修复第1节污染河流的生物修复1.自然净化修复与强化自然净化修复自然净化（naturalpurification）:是河流的一个重要特征，指河流受到污染后能够在一定程度上通过自然净化使河流恢复到受污染以前的状态。河流自然净化的关键是有机物的好氧生物降解过程。强化自然净化修复(enhancednaturalpurification):指通过采取措施，向河流输送某种形式的能量或物质，强化河流固有的自我净化过程，加快河流的修复过程，是一类原位修复技术。包括三个途径：河流水体曝气复氧技术多功能河道生态工程修复技术生物试剂添加技术①河流水体曝气复氧技术

aerationofriverwater指向河流中进行人工复氧，可以是空气，也可以是纯氧。比如，我国于1990年8-9月亚运会期间，有关部门在清河的一个河段放置8台11.025kW（15马力）的曝气设备，结果表明溶解氧的含量从0上升到6mg/kg。水体BOD5去除率达到60％，河流臭味基本得到消除。BOD5Thebiochemicaloxygendemandofwastewaterduringdecompositionoccurringovera5-dayperiod.Ameasureoftheorganiccontentofwastewater.

②多功能河道生态工程修复技术

multifunctionalecologicalengineering指将城市河道设计成具有多种自然景观和生物类群，景观于净化功能并存的多功能河道净化系统，是利用多功能河道净化污水的生态工程技术。

采用有效附着或微生物的但体替代混凝土护坡，并将河道的有用空间有效的利用于培植水生生物，以确保河道对污水的有效净化。多功能河道净化系统中既有水生植物、昆虫、鱼类等水生生物，也有鸟类和哺乳类动物，它们共同构成完整的食物链，进一步强化水体的自净功能。③生物试剂添加技术也称投菌法（bioticadditives）,是向被污染的河流中投加人工培养的微生物，强化河流有机物的降解。投菌法过去被认为没有必要

美国有多家公司开展筛选天然菌种和人工培养变异菌种。著名的有Alken-Murry公司开发的Clear-Flo系列菌剂；GES公司所生产的LLMO(liquidlivemicroorganisms)生物活性液。这些菌剂在养殖水体净化、河流修复及污泥去除等方面有许多成功案例。成功案例1999年10－12月，由华东师范大学、美国Probiotic公司共同采用美国Probiotic公司水质净化促生液对上澳塘黑臭水体进行了生物修复试验，试验表明，在水力负荷0.2-0.5m河水/(m3河道容积.天)，水力停留时间2-5天，水温10-20C，经治理后，水体可消除黑臭。CODCr下降50％；BOD5下降70％；水体透明度从20cm增加到70cm；微生物区系由厌氧向好氧转变，生物种群由低等向高等演替，水体中的多样性增加。修复前修复后，微生物处理6周我校微生物湖泊水体修复技术通过大量的分离、筛选工作，从土壤、水体中选育出枯草芽孢杆菌、光合细菌、反硝化芽孢杆菌、贫营养有机矿化芽孢杆菌、低温有机矿化芽孢杆菌、乳酸芽孢杆菌。这些菌株分别具有除氮、降低水体COD、除去水体异臭味、净化水质的作用，建立了较完备的净水微生物体系。

华中农业大学建立的净水微生物体系能快速消除水体黑臭，增加水体透明度，显著消减N、P等物质，其技术可行，效果显著，治理费用经济，是一项值得在湖泊景观水体治理的新成果，具有很好的推广应用前景。

该技术成果此前已在北京大观园景区、广西桂林桃花江地区、武汉市汉口的西北湖以及武昌的东湖风景区的部分景观水体和湖泊进行了实际的推广应用，获得了较好的治理和修复效果。

2陆生生态恢复陆生生态恢复（terrestrialeco-remediation）,也称土地处理技术（landtreatment）,它是利用土壤－植物系统的自我调控机制和对污染物的综合净化能力对被污染的河水进行易位处理的技术。具体是将污染的河水施于地表，使之在植物－土壤－水分复合系统中经历自然的物理过程、化学过程和生物学过程，达到处理标准。2.1河水土地渗虑修复系统/2.2河水土地渗虑修复类型2.1河水土地渗虑修复系统

（工程组成）污染河水的土地渗虑技术属于陆生生态工程范畴，可以划分为若干子系统，每一子系统均具有相对独立的结构和功能。完整的土地渗虑修复技术系统由预处理、水量调节与储存、配水与布水、土壤－植物田间工程、排水及监测等6部分组成。（1）预处理系统目的：防止泥沙在布水系统中的沉淀和机械磨损，避免因悬浮固体含量过高而引起土壤堵塞。预处理系统工艺：一级处理或强化一级处理、混凝－沉淀工艺。（2）水量调节与储存土地渗虑技术受气候影响，不可能完全终年运行（快速和地下渗滤除外），特别是在在寒冷季节和暴雨季节，需要降低负荷或者停止运行，因此，需要储存部分河水。（3）配水和布水包括泵站、集水池、输水管道（或明渠），其作用是将河水按工艺要求投配到土壤－植物系统。布水方式有表面布水、低压布水、高压喷洒、亚表面注射等。（4）土壤－植物系统是土地渗虑技术的核心部分，修复河水的主要过程在这里发生，田间表层的颗粒是限制水迁移过程的主要因素。在设计中要考虑场地的适宜性和植物的适宜性。场地的适宜性包括：地形、地表坡度、土壤性质（质地、结构、渗透性、土层厚度、化学性质）、地质因素植物的适应性（5）排水系统明沟、暗管与竖井方式，其作用是保持土地渗虑系统的修复效果与水流畅通，保护地下水。（6）监测系统是监测土地的渗虑效果是否达到规定和是否需要采取相应措施来改善修复效果。其内容包括:进水监测、出水监测、地下水监测、土壤监测、植物监测。2.2河水土地渗虑修复类型根据布水方式、水力负荷的大小、水力流动方向、处理水以及回收方式，土地渗虑方式可分为慢速渗虑、快速渗虑、地表慢流、地下渗虑等不同类型（1）慢速渗虑修复Slowratesystem,SR:将河水投配到覆盖植物的土壤表面，河水在流经地表土壤－植物系统事得到充分净化的一种土地处理工艺类型。工艺目标：修复被污染的河水；利用水资源及营养物质生产商品性农作物；开发荒地，发展草地和林地

当以污水处理为目标时，常选择多年生牧草作为覆盖作物。牧草生长期长，对氮的利用率高，可耐受较高的水力负荷。森林型的SR可与污泥利用相结合。（2）快速渗滤修复Rapidinfiltrationsystem，RI：将污染的河水有控制的投配到砂滤型土壤表面，污水向下渗虑过程中通过生物氧化、硝化、反硝化、过滤、沉淀、还原等一系列作用得到净化。RI具有很高的处理效率，其再生水可以回收利用。系统的设计分为污水处理和再生水回收两个部分。Landbiotreatmentoperation（3）地表慢流修复Overandflowsystem，OF：将污水有控制地投配到多年生牧草、坡度和缓、土地渗透性能低的坡面上，使污水在地表沿坡面缓慢流动过程中得到净化的土地处理工艺类型。Soilandgrassfiltrationforpurificationofwastewater:Soilfiltrationreliesonfiltrationbysoilparticlesandbacteriagrowingonthesurfacesofthesoilparticlesandplants(usuallygrasses)whichtakeupwaterandnutrients(nitrogenandphosphorus),reducingtheconcentrationofthesenutrients.Soilfiltrationisusedduringthedryseason.Grassfiltrationisusedintherainyseasonwhenthesoilissaturatedbywater.Grassescanbegrazedbylivestock.（4）地下渗滤修复Subsurfaceinfiltrationsystem，SI：将污染的河水投配到具有一定构造和良好扩散性能的地下土层中，污水经毛管浸润和在土壤渗滤作用下向周围运动达到修复之目的。目标：处理污水；在处理污水的同时，为地表绿地提供水分和营养；产生优质再生水供回收利用土地渗滤修复设计考虑因素：1）污染河水的详尽调查和检测，了解组分与排放量，确定优先污染物。2）对场地进行适宜性评价；3）制定土地渗虑的水质要求，确定预处理的程度和修复范围4）完善的，有效的管理和监测系统法规要求经济因素水质要求场地特性污水特性作物管理作物选择预处理水同化容量污染物同化容量作物需水水力负荷场地面积出水回用土地面积缓冲带调节系统布水系统选择第一步设计一次布水深度布水频率布水周期布水面积布水时间布水速度布水系统设计系统流量第二步设计地表水排水与径流控制系统监测地下水排水系统第三步设计3水生生态修复Aquaticeco-remediation,俗称氧化塘技术（oxidationpond）或稳定塘（stabilizationspond）或生物塘技术（organismpond）,它是利用天然水体的净化能力，将被污染的河水在一种类似于池塘的处理设备内经长时间的缓慢流动和停留，通过生物的代谢活动降解有机污染物的修复技术。Symbioticactivitybetweenalgaeandbacteriainawastewaterlagoontopurifysewage:Aswastewaterflowsthroughalagoon,bacteriaconsumetheorganiccarboninthewaste.Inassimilatingtheorganiccarbon,bacterialrespirationproducescarbondioxide(CO2)andtakesupoxygen(O2).Algaeutilizethecarbondioxideforphotosynthesisandinturnproduceoxygenrequiredbythebacteria,hencethesymbioticactivity.Solidssettletothebottomofthelagoon,andpathogenicbacteriadie-offincompetitionwithotherbacteriainthelagoon.Severallagoonsinseriesaremoreeffectiveandthelastlagooncanbeusedforaquaculture.菌藻共生系统3.1水生生态修复类型生物稳定塘微生物稳定塘水生生物塘好氧塘aerobicpond厌氧塘anaerobicpond曝气塘aeratedpond兼性塘facultativepond水生植物塘aquaticplantpond养殖塘culturedpond微生物稳定塘修复好氧塘aerobicpond:是完全依靠藻类光合作用供氧的稳定塘，其水深应保证阳光投射到水底，以保证藻类在每个深度均能进行光合作用，而为净化有机污染物提供足够氧气。好氧塘在实际应用时，一般均须形成一个塘系统或其它修复技术结合形成复合系统。好氧塘由一系列的塘组成。在前部的塘称前置塘（水深0.2-0.3m），接纳重度污染水；设置在后的称最后净化塘或熟化塘(水深0.5-1m)，接受污染较轻的水。微生物稳定塘修复兼性塘（facultativepond）,一般水深0.9-2.4m，由上层好氧区，中层兼氧区和底部厌氧区组成。上层好氧区主要由好氧菌和藻类构成菌藻共生系统兼性塘水力停留5－30天，常用作曝气塘后作为二级处理塘使用。微生物稳定塘修复曝气塘（aeratedpond）,是采用机械曝气装置补氧的人工塘，其塘深度一般为1.8-4.5m，水力停留时间3－6天。主要优点是所需土地少。曝气塘实际上是没有污泥回流装置的活性污泥污水处理，因而有机污染负荷及去除率都很高，且易于操作维护。缺点是运行成本高于其它系统，且出水重悬浮物质过高，实际使用时，后面还要连接兼性塘以改善水质。TheAdvancedFacultativePond(AFP)TheAdvancedFacultativePond(AFP)isdeeptopromotesedimentationofwastewatersolidsandanaerobicdecompositiontomethane.Howeverthepondisdesignedsothatitssurfaceremainsaerobic,thusreducingpotentialodourproblems.Biogasmaybecollectedusingasubmergedgascanopyandpotentiallyusedforenergyproduction.EffluentfromtheAFPflowsbygravitytotheHighRatePondandthesubsequentponds.TheHighRatePond(HRP)TheHighRatePond(HRP)isashallow,continuousracewayaroundwhichthewastewateriscirculatedusingapaddlewheel.HRPspromoteaerobicdecompositionofremainingdissolvedorganicmatterfromthewastewater.Incontrasttomechanicalaeration,whichisveryenergyintensive,HRPsusemicroalgaetoharnesssolarenergyforphotosyntheticoxygenproduction.ThepowerrequirementforaHRPpaddlewheelistypicallyonlyonetenthofthatrequiredforapondaerator.

Daytimealgalphotosynthesiscancausesupersaturationofoxygen(typically20gm-3)comparedtomechanicalaeration,whichoperatesmostefficientlyataconcentrationof~2gm-3.HRPshavetheadditionaladvantageofremovingnutrients(ammoniacal-Nandphosphate)thatmightotherwisecauseeutrophicationofreceivingwaters.

AlgalphotosynthesisalsoraisesthepHoftheHRP.This,incombinationwiththeshallowdepthenhancestherateofsunlightinactivationoffaecalmicrobes,andpromotesphoto-oxidationoforganiccontaminants.ThehighpHfurthercontributestonutrientremovalthroughpromotingvolatilisationofammoniaandprecipitationofphosphates.AlgalrichHRPwaterisrecirculatedtothesurfaceoftheAFPtoprovideanoxygen-richlayerthateliminatesanymajorodourproblems.TheAlgaeSettlingPonds(ASPs)TheAlgaeSettlingPonds(ASPs)promotenaturalsettlingofthealgaebiomassandprovidestorageforperiodicrecovery.GentlemixingintheHRPpromotesthegrowthoflargecolonialmicroalgalspecies,whichtendtoflocculateandcanbeeasilysettledintheASP.Thisdifferssubstantiallyfromconventionalpondsystems,whichtendtobedominatedbymotilealgaespeciesthataredifficulttosettleout.Settledalgalbiomassdoesnotreadilydecomposeandisanon-noxiousmaterialunlike(malodorous)sewagesludge.

Thealgalbiomasscanberecoveredforfertilizersinceitisrichinnitrogen,phosphorusandpotassium.AlgaeDryingBedscanbeincludedinthedesignforon-siteprocessingofthealgalsolidsanduseinlandscaping.Alternatively,thealgalsolidsmayberemovedandmanagedoff-site(forexample,iftheyareusedasaliquidfertiliserorprocessedintofertiliserpellets).TheMaturationPond(MP)promotesfurthersolar-UVdisinfectionandpolishingofthewastewater,andenableseffluentstoragebeforedischargeorsubsequentreuse.AlgalgrowthintheMPisminimisedbyzooplanktongrazinganddividingthepondintoshortresidencetime‘cells’.FarmDairyoxidationpond3.2水生生态修复流程水生植物塘Aquaticplantpond通常是由一种或几种维管束植物种植于塘中组成，植物的作用维同化和储存污染物，向根区输送氧气，为微生物存活提供条件。浮水植物净化塘是当前研究和应用最广泛的植物净化系统，最常用的是浮水植物水葫芦，其次是水浮莲。

水葫芦塘的深度应保证其须根分布在大部分水体中，水深控制在0.9m。水力停留5－7天，一般以串连方式设计，串连数不超过3个。需经常打捞老株体。缺点：冬天不能运行。水生生态修复系统南北有差异4湿地生态修复Wetlandeco-remediation，俗称湿地处理系统，它介于陆生生态与水生生态之间，将被污染的河水有控制地投配到生长有芦苇、香蒲等沼泽植物地湿地上，使之经常处于饱和状态，污水在沿一定方向流动过程中，经耐水植物和土壤地作用得到净化。