【《城市河流水环境治理措施研究的国内外文献综述》4000字】

城市河流水环境治理措施研究的国内外文献综述城市河流水环境治理措施根据原理的不同，可分生物—生态治理措施、化学治理措施和物理治理措施，根据空间分布的不同，也可以分为原位处理法、旁路处理法和异地处理法，这也是目前国际上最常用的两种河流水质提升的技术方法分类。（1）生物—生态治理措施生物—生态治理措施主要是利用植物、微生物等生命体的生命活动，将水中污染物降解，恢复水体的自净能力，使水质得到净化，使受损害的水生生态系统恢复合理的结构、协调的关系和高效的功能。生物浮岛法指采用无土栽培技术、现代农艺和生态工程措施，将植物种植在水面，同时创造了鸟类、鱼类等生物的栖息空间，通过植物根系的吸收作用、水生动物的摄食及栖息期间的微生物降解作用等去除水体中的氮、磷等营养元素及其他有害物质；通过植物的光合作用增加水体的溶解氧、平衡水体pH值，增强水体的自净能力；通过生态浮岛的遮光作用抑制藻类的生长[7]。生态浮岛在实现水质提升的同时改善了水体景观，并能以收获植物体的形式产生一定的经济效益[8]。生态浮岛法也具有一定的缺陷：①多数高等植物在冬季生长缓慢，使其处理效果不佳，且部分挺水植物在冬季无法生存，其遗体易引发二次污染；②在强风天气生态浮岛极易被破坏，在易发生强风的地区需谨慎设置；③种植的植物可能属于外来入侵物种，若选择不当可能会危害生态系统[9,10]。相对于植物而言，微生物具有培养周期短、转化效率高的特点，在城市河流水环境治理的过程中具有重要作用。微生物提升河道水质的原理主要包括：①微生物的合成代谢作用将水体中的磷元素转化为自身物质，能够降低水体中的总磷浓度；②通过氨化作用、硝化作用及反硝化作用等一系列生物化学过程，实现水体中氮元素的循环，最终使水体中过量的氮元素以气态的形式逸出水面；③微生物分泌的胞外酶能能够去除水体中的有机污染物；④微生物降低水体中营养元素含量的同时，抑制了藻类的生长[11]。利用微生治理城市河流水环境的主要方法包括微生物强化法、生物膜法等。微生物强化法指通过向受污染水体中投加营养盐、微生物激活剂为特定微生物的生长创造有利环境或直接投放具有特定功能的微生物来提高微生物代谢活动，以达到去除污染物的目的[12]。微生物强化法成本经济、应用简单，适宜于城市河流水环境治理。生物膜法指用天然材料或合成材料为载体，为微生物生长提供较大的附着表面，微生物群体附着在载体表面成膜状，实现对受污染水体的截留、吸附和降解，从而提升水质[13]。该方法主要去除水体中溶解性和胶体状的有机污染物，主要处理技术可分为：生物滤池法、接触氧化法、薄层流法等。该方法通过增大微生物与污染物的接触面积促对污染物的降解作用。通过微生物治理城市河流水环境也存在一些的问题：①向水体中投放的微生物菌剂可能带来环境安全问题；②人为投放的微生物与水体中土著微生物的相互作用对其修复效果具有复杂的影响，导致该方法的处理效果不稳定；③微生物活性受温度、pH、养分、流速等条件变化的影响，在城市河流中这些参数的变化较大，也将该方法的处理效果不稳定[14,15]。人工湿地法指利用生态工程方法，模仿自然湿地机制，建立人工地面床体，并在床体表面种植植物，构成人工生态系统，当水体流经床体时，其中的污染物或营养物质将被吸收、分解，进而提升水质[16]。由于人工湿地具有过滤作用，受污染水体中的部分有机物被截留下来，进而通过湿地中微生物、植物及其他生物的生长代谢作用去除[17]。人工湿地通过微生物的氨化、硝化和反硝化功能，对氮元素的去除作用尤为明显，同时能够很好地去除水体中的磷元素[18]。采用人工湿地治理城市河流水环境具有投资经济、应用简单、能源消耗少等优点[19，20]。但该方法见效缓慢，当受污染水体中悬浮物或者有机物含量较大时易堵塞床体基质，导致植物根系腐烂、死亡，反而会影响水质[21]。（2）化学治理措施化学治理措施指采用各种化学药剂，通过化学反应将污染物转化为无毒害物质，从而达到改善水质、控制水污染的目的。目前常采用的化学治理措施主要包括：化学絮凝法、重金属固定法和化学除藻法等[22]。化学絮凝法指通过投放化学絮凝药剂将水体中的污染物凝聚起来，沉降到底泥中，同时通过药剂形成的大分子团凝聚沉降以及一些电化学反应环合底泥中的重金属，激发底泥中的部分微生物发挥作用，恢复河道的生态系统[23]。该方法见效迅速、投资经济、简便易行，但易受水体环境变化的影响，处理效果不稳定，且沉淀物仍存在于水体中，容易造成二次污染。化学除藻法指向受污染水体中投放除藻剂以控制藻类生长[24]。化学除藻法具有操作简单、见效快、可提高水体透明度等优点，在城市河流水环境治理中已有广泛应用[25]。但该法清除水体中的营养物质，不能从根本上解决水体富营养化，而且除藻剂通过食物链在水生生物中富集将对水生生态系统产生负面影响，若长期使用低浓度的除藻剂还会使藻类产生抗药性，导致处理效果不佳。利用化学治理措施容易对水体的生态环境造成pH失调、水体温度增高等负面影响[26]。但是，由于化学治理措施应用简单、投资经济且见效迅速，可作为应急措施，控制突发的水体污染。（3）物理治理措施物理治理措施主要包括截污工程、底泥疏浚法、底泥覆盖法、曝气增氧法、引水冲污法等。截污工程指截断污染物排放，并将污染物集中送入污水处理厂进行处理，是防治城市河流水环境恶化的有效方法，治污必先截污[27]。城市河流中大量的污染物沉淀积累在底泥中，底泥中的有机物极易被微生物分解，该过程不仅降低了水体的溶解氧浓度，也将产生甲院、硫化氧等气体，使水体发黑变臭，造成内源污染[28]。而且，在生长环境不适宜时，部分蓝藻会以孢子的形式蛰伏于底泥中，一旦外部环境改善，将快速生长，这也是多数河流水华频发的主要原因。底泥疏浚法指将底泥挖掘出并运移到其他地方进行处理，可以有效去除水体内源污染，在改善河流底质环境的同时也在一定程度上改善了水动力条件，是目前国内中小河道水环境治理中较为常用的措施之一[29]。但是，河流底泥中通常还生长一些水生动植物，底泥疏浚对生态系统有一定影响，若对底泥做彻底的疏浚，将破坏水生生态系统，而且，大规模的底泥疏浚需要充足的资金来支持[30]。疏浚施工期间可能影响该水域其他产业的发展，也会造成一定的大气污染，底泥堆积场地若受到降雨冲刷，可能导致污染物随径流影响周围环境。底泥覆盖法指使用阻隔性较强的材料将底泥覆盖，使底泥中的污染物与上覆水体隔离，防止底泥悬浮或迁移，降低底泥中污染物向水体释放的能力[31]。相关研究表明，底泥覆盖对水质有明显的改善作用[32]。但是，向河流中投加覆盖材料将减小河流水深、改变河道底坡，在浅水河流或对水深有一定要求的水域不宜采用该方法[33]。水体流动较快的河流中，覆盖材料易受水流冲蚀，影响处理效果，同时覆盖材料改变了河道的粗糙系数，对水体的流动性有一定影响。曝气增氧法指对受污染河道进行人工充氧以增强河道的自净能力，改善水质、恢复河道的生态环境[34]。曝气增加了水体中的溶解氧浓度，有利于污染物的氧化分解，提供好氧微生物代谢所必需的氧气，抑制厌氧微生物的厌氧分解，恢复水体的自净能力，且造成水体紊动，抑制藻类的生长，有助于黑臭水体加快恢复正常[35]。曝气增氧法具有占地面积小、设备投资少、见效快等优点，成功应用于许多地区的水环境治理[36]。曝气装置也存在着能耗较高、运行管理不便等缺点，同时，由于制氧费用昂贵，复氧效果较好的纯氧曝气并未得到大规模应用[37]。引水冲污法指通过向河流引调清水，提高水体流动性、改善水质，其原理是引水增大了河道水量，促进污染物的稀释，加速河水流动、减少死水区、提高水体交换速度、加快水体循环，使河流的水力停留时间缩短，污染河水不易在河道中滞留而变黑变臭[38]。引水冲污法的主要优点是：见效快、能提高水体自净能力。在河网密布的地区，可以充分利用现有的水利工程，通过充沛的过境清水和感潮河网的潮汐水动力特性，发挥己建水利工程改善水环境的作用。但是采用引水冲污法必须考虑当地的经济承受能力，使经济、生态环境、社会效益相结合，发展与环境相协调，在北方缺水地区引水工程耗资大，且难以有持续的水源供给，使得该方法的使用受到了限制。缓蓄快放系统是一种城市水环境治理新技术，能够解决在缺水地区无法使用引水冲污的问题。在河道某断面处修建闸门，通过闸门将上游小流量缓慢输入的来水积蓄起来，达到一定水量和水头时全开闸门，快速泄放，增大水流流速，置换缓流水体，冲刷底泥、污染物，达到保持水质的效果。由于河底的粗糙系数和河道的调蓄作用，快速泄放的水流将沿流程坦化，传播至某一断面时水流流速过小而无法冲刷污染物，则在此处修建第二级闸门蓄水并重复第一级闸门的工作。如图1-1所示，缓蓄快放系统即在河道上修建多级闸门，通过缓慢蓄水与快速泄放来改善河道水动力条件，冲刷污染物，达到防治水质恶化的目标。图1-1缓蓄快放系统Fig.1-1Slowstoringandquickdrainingsystem相比于引水冲污法，缓蓄快放系统可以在不增加水源水量的基础上实现对水动力条件和水质的改善，可以应用在水资源较少的城市。同时，缓蓄快放系统能够实现自动化控制，节省维护管理费用；能够灵活应用于大面积水体和小面积水体；不易带来二次污染；不受气候、风速等自然条件的影响。与上述其他方法相比，具有一定的优势。胡晖等论证了缓蓄快放系统的可行性，并以概化的西安市护城河为例进行物理模型试验，同时利用溃坝水流理论进行模拟计算，结果表明缓蓄快放系统能够增大下游瞬时流量，提高断面流速，使水体达到不滞留的目的[39]。张