河湖水污染治理生态修复关键技术

发布者：北京市水处理环保材料工程技术研究中心发布时间：2017-10-09浏览次数：18

一、河湖污染现状及其治理

1.1 河湖水污染成因及现象

河流、湖泊等地表水体是排放各种污水的汇集地，由于人类活动的加剧，污水排入增多，河湖的稀释净化作用已大为削弱，超出了河湖的自净界限，因而使污染物沉积在水中，河湖污染主要包括氮、磷等营养物和有机物污染两方面。目前，造成我国河湖污染的主要成因有以下六方面：

（1）人口增长与工业化和城市化加速，污水排放量大幅增加随着工业化、城市化进程的加速以及人口的不断增长，我国污水排放总量持续上升，2010年污水排放总量达617亿吨。其中，工业污水237亿吨、生活污水380亿吨，生活污水排放量占污水排放总量的61.6%。2000~2010年，我国工业污水排放量总体上稳中有降。但随着人口的增长，生活污水排放量仍在逐年增加。巨大的污水排放不但加剧了水资源的短缺，也严重的破坏了河流湖泊的水环境。
（2）偷排漏排现象严重，多数企业未严格执行达标排放我国企业环境道德严重缺失，一些企业（主要是中小企业）受经济利益的驱动，为了省下运行费，闲置污水处理设施而违法偷排；一些正在建设污水处理设施的企业，基本未停止生产，超标污水直接排入水体；还有一些在建的污水处理设施处理能力不能达到治理要求，治污设施常常处于超标排放状态。这些超标排放和偷排的污水，是导致河湖水质严重恶化的又一主要原因。
（3）河道雨污混流污水直排问题严重，截污治污措施滞后河湖排污口截污治污措施滞后，我国城市分流制排水系统中雨水管网的雨污混接情况严重，这是造成城区河道水质污染的主要原因之一；此外，城郊生活污水、家禽养殖污水直排附近河道现象普遍，河湖两岸居民往往把垃圾直接倾倒入水体中，对河湖水体造成严重污染；农用化肥、农药所造成的面源污染也直接影响着河湖的水质。
（4）各种污染物侵入河湖，水体自净能力逐渐丧失由于城市经济发展迅速，城市车辆废气、垃圾、大气降物形成的污染物也较多，这些污染物被暴雨径流冲刷进入河道；加之来自城市生活污水的排放及道边第三产业污水的排放，各种点源面源污染物侵入河道后，造成河水溶解氧过低，缺少水生动、植物生存的环境，使水体逐渐失去自净能力，外源污染成为了导致河道水质恶化的根本原因。
（5）河湖底泥逐渐富集，二次污染严重城市的快速发展和工业化进程中,大量废水排入城市的河道与湖泊,对其水体产生严重的污染。大量污染物沉积在河湖底泥中,在水体环境变化后, 底泥中累积的有毒有害污染物通过一定的交换作用重新释放,是影响和制约上覆水质的主要二次污染源,对河湖水体的水质和周围环境造成了严重的影响。
（6）现有工程投入不足，环境监管能力薄弱随着近年工业减排，农业节水等一系列措施的实施，污染排放得到了一定控制，但是和城市的经济社会发展相比，河湖污水的综合治理设施仍较滞后，投资严重缺乏，环境治理力度不足。此外，在环境管理中难以完全达到依法行政的要求，对企业环境违法行为的监督管理难以收到实效，偷排、漏排、超标排放污染物的现象时有发生，减排难以达标。
在这六种主要成因的作用下，河湖水体污染日渐严重，呈现出了以下三个主要特点：（1）污染程度随径流量而变化。在排污量相同的情况下，河湖径流量愈大，污染程度愈低；径流量的季节性变化，带来污染程度的时间上的差异。（2）污染物扩散快。河湖的流动性，使污染的影响范围不限于污染发生区，上游遭受污染会很快影响到下游，甚至一段河湖的污染，可以波及整个河湖流域的生态环境。（3）污染危害大。河湖水是主要的饮用水源，污染物通过饮水可直接毒害人体，也可通过食物链和灌溉农田间接危及人身健康。
现阶段，河湖污染主要表现在以下两个方面：一是水体黑臭，二是水体富营养化。
黑臭水体形成的原因：（1）水体有机污染负荷过大。主要有点源污染和面源污染，如工业废水，生活污水和暴雨径流；（2）底层污泥以及底质的再悬浮作用。城市河流污染的特点就是不仅其水质受到严重污染，其底泥的污染也非常严重。水体中的大量污染物沉淀并累积在河流底泥中，可以说，底泥是排入河流中各种污染的主要归属之一。但污染了的底泥还会对河流造成二次污染；（3）水体热污染。城市河流热污染指河流两岸工厂向水体排放的高温废水，在25℃左右时放线菌的繁殖达到最高，河流的黑臭也达到最大；（4）重金属污染。重金属污染也是城市河流污染类型的一种，它对河流黑臭的贡献主要在于水体中铁锰的含量。悬浮物中的铁锰是重要的致黑因子之一。

本上世纪50年代以来，河湖富营养化现象已成为世界上重要的水环境污染问题。水体富营养化基本过程：河湖富营养化过程的初始阶段：水体中营养盐比较少，溶解氧丰富，生物生产力水平低，水体呈现负贫营养型特征。随着时间的推移，自外部进入水体中的营养盐逐渐积聚，水体中营养物质增多，河湖生物生产能力提高，生物量增加，水中溶解氧含量下降，水色发暗，透明度降低，水生生物种群组成逐步由适合富营养状态下的种群所代替，河湖相应由贫营养型发展为中营养型，进而演变为富营养型。富营养化现象发展到一定阶段，表现为浮游藻类的异常增殖。以蓝绿藻类为主的水藻泛浮水面，严重时形成"水华"或"湖靛"。在迎风湖岸或湖湾处，糜集水面的藻类可成糊状薄膜，水体呈暗绿色，透明度极低，可散发出腥臭味。而且还会分泌出大量藻类毒素，抑制鱼类和其他生物的生长，对人畜造成危害，并严重污染环境。

1.2 河湖污染现状

(1).河流污染现状

目前我国十大流域都已经受到不同程度的污染。2012年长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河、浙闽片河流、西北诸河和西南诸河等十大流域的国控断面中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为68.9%、20.9%和10.2%，如图1.1所示。主要污染指标为化学需氧量、五日生化需氧量和高锰酸盐指数。

（2）湖泊（水库）库污染现状

2012年，62个国控重点湖泊（水库）中，Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的湖泊（水库）比例分别为61.3%、27.4%和11.3%，如表1.1所示。主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。

除密云水库和班公错外，其他60个湖泊（水库）开展了营养状态监测。其中，4个为中度富营养状态，占6.7%；11个为轻度富营养状态，占18.3%；37个为中营养状态，占61.7%；8个为贫营养状态，占13.3%，如下图所示。

随着经济社会的快速发展，水污染的不断加剧已成为制约我国社会经济可持续发展的重大“瓶颈”问题。因此，对受污染的江河湖库水体进行治理修复，是社会经济发展及生态环境建设的迫切需要。

1.3我国河湖水污染治理

多年来，我国通过“水专项”及各种立项项目，实施了大量河湖治理工程，并相继制定了全面开展河湖深度治理的计划。已实施的河湖治理工程采用了多种技术方法：（1）采用截污、岸线整治、驳岸修筑、清淤、换水等市政（水利）工程方法的治理；（2）采用浅滩湿地、浮岛湿地、沉水植被修复，漂浮植物抑藻等生态工程方法进行治理；（3）采用生态工程和环境工程组合方法进行综合治理；（4）采用生化-物化药剂、臭氧、超声波、纳米微气泡、生化过滤箱、高强磁场、沉水生物带（人工水草）、竹炭滤床、太阳能生物反应仓、等离子体反应器等新技术方法进行综合治理。然而，对污染较重的河湖，能达到好的治理效果，又能取得较好技术经济指标的工程很少。

二、河湖水污染生态修复技术

生态-生物法是国外近年来发展很快的一种新技术，它是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、转化及降解作用，从而使水体得到净化的技术，具有处理效果好、工程造价相对较低、不需耗能或低耗能、运行成本低廉等优点。另外，这种处理技术不向水体投放药剂，不会形成二次污染，并且还可以与绿化环境及景观改善相结合，在治理区建设体闲和体育设施，创造人与自然相融合的优美环境。目前，国内已广泛使用的河湖污染水体生态治理技术主要有五项：生物膜修复技术、人工湿地技术、生态浮岛技术、固定化生物酶技术以及曝气增氧技术。

2.1生物膜修复技术

生物膜修复技术是以天然材料（如卵石、砾石及天然河床等）或人工合成接触材料（如碳纤维、纤维等）为载体，使微生物群体呈膜状附着于载体表面上，通过与污水接触，生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为营养并加以同化，从而使污水得到净化。由于载体比表面积大，可附着大量微生物，因此对污染物的降解能力很强。生物膜接触氧化法是生物—生态联合修复技术的一种主要工艺，其核心构件是生物填料，生物填料的材质和外型直接关系到生物膜量和处理性能。
用于微污染水体修复的生物膜技术是近年来国内外为解决水域污染而研究开发的重点技术。许多发达国家，如日本、韩国等已经用于工程实践，我国则刚刚起步，还只是处于工程试验阶段，但发展较快。目前用于净化河流的生物膜修复技术主要有人工填料接触氧化法、砾间接触氧化法、薄层流法和伏流净化法等。
生物膜修复的关键在于选好微生物群体呈膜状附着的生境载体材料，其考虑一下几点：① 生境载体材料比表面积大，可附着大量微生物，其污水净化效果（尤其是氨氮去除率）高；② 微生物挂膜快，老化生物膜易脱落；③ 单位用量少，价格便宜；④ 生物亲和性与水亲性，充氧效率高；⑤ 吸附、分离、转化作用强；⑥ 稳定性，要求填料能抗酸、抗碱、耐氧化，不易老化等；⑦ 质轻、机械强度大和寿命长；⑧ 安装维修方便。对于性能好的亲水填料及生物亲和(活性)填料，目前市场上常见的生物填料主要以聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或聚酯等为原材料而制成的碳纤维，开发的侧重点在填料的比表面积、填料结构与布水、布气性能及生物膜更新等方面。

2.2 人工湿地技术

人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。
人工湿地是一个综合的生态系统，它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理，结构与功能协调原则，在促进废水中污染物质良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境的再污染，获得污水处理与资源化的最佳效益。人工湿地去除的污染物范围广泛，包括N、P 、SS 、有机物、微量元素、病原体等。有关研究结果表明，在进水浓度较低的条件下，人工湿地对BOD₅的去除率可达85％-95％，COD去除率可达80％以上，处理出水中BOD₅的浓度在10mg/l左右，SS小于20mg/l。废水中大部分有机物作为异样微生物的有机养分，最终被转化为微生物体及CO₂ , H₂O。
自然湿地的恢复和人工湿地的建造是目前入湖河口污染控制的重要工程措施，是一种经济、有效、可行且具有良好生态功能的方法。目前人工湿地的应用还是比较广泛的，尤其是对于水质不是很差，又有景观建设需求的地区，可以通过人工湿地的建设，在提高水质指标的同时，改善水体景观。

2.3 生态浮岛技术

生态浮岛技术是以可漂浮材料为基质或载体，将高等水生植物或陆生植物栽植到富营养化水域中，通过植物的根系吸收或吸附作用，削减水体中的氮、磷及有机污染物质，从而净化水质的生物防治法，同时通过收获植物的方法将水体中的富营养物质搬离水体，改善水质，创造良好的水环境。
与其他水处理工艺相比，生态浮岛技术更接近自然，具有更好的经济效益。浮床上栽种的植物美化了环境，和周围环境融为一体，成为新的景观亮点。还可以利用浮床种植一些经济作物，在净化水体的同时带来一定的经济效益。国内外的实践证明，生态浮床的建设、运行成本较低。建成后运行和维护方便、简易，运行费用低。
我国自1991年引进了生态浮岛技术以来，已将其广泛应用于湖泊、水库、城市河道等不同水体的治理中。在北京市为迎接奥运会进行的河湖污染综合整治中，该技术被列为优先采用的技术措施。实践证明，人工生态浮床技术是一种非常有效的水体氮磷净化技术，已在国内外得到大量的应用。

2.4 固定化酶技术

固定化微生物技术是将特选的微生物固定在选证的载体上，使其高度密集并保持生物活性，在适宜条件下能够快速、大量增殖的生物技术。这种技术应用于废水处理，有利于提高生物反应器内微生物（尤其是特殊功能的微生物）的浓度，有利于微生物抵抗不利环境的影响，有利于反应后的固液分离，缩短处理所需的时间。
利用固定化微生物技术提高废水处理效率的工艺方法也被称作"生物增效"，其适用的领域非常广泛，例如：化粪池、隔油槽、排水管、河湖水体、城市污水处理厂以及工业废水等。一般而言，针对特殊污染源，来自天然环境的微生物消耗很快、效率低下，即使有快速的繁殖能力仍不足以负荷。因此，生物增效的作业过程还是依循自然的方式，向目标添加定制的、具有已知降解能力的微生物制剂（固定化微生物），处理效果则有明显的提升。

2.5曝气增氧技术

曝气增氧是一种增加水中含氧量的方法，是河湖污染治理中普遍采用的一种提高溶解氧含量、使COD降至达标的技术。目前通常采用的机械增氧方法有两种方式，一种是水面搅拌如水车扬水；一种是在水中装置增氧机。
河湖曝气增氧技术是根据河湖受到污染后缺氧的特点，利用自然跌水（瀑布、喷泉、假山等）或人工曝气对水体复氧，促进上下层水体的混合，使水体保持好氧状态，以提高水中的溶解氧含量，加速水体复氧过程，抑制底泥N、P的释放，防止水体黑臭现象的发生。从而恢复和增强水体中好氧微生物的活力，使水体中的污染物质得以净化，从而改善河湖的水质。
曝气充氧技术综合了曝气氧化塘和氧化渠的原理，在河湖污染治理中的作用主要体现在以下几个方面：① 加速水体复氧过程，使水体的自净过程始终处于好氧状态，提高好氧微生物的活力；② 充入的溶解氧可以迅速氧化有机物厌氧降解时产生的2S、CH4S及FeS等致黑致臭物质，有效改善水体的黑臭状况；③ 增强河湖水体的紊动，有利于氧的传递、扩散以及液体的混合；④ 减缓底泥释放P的速度。

三、河湖水污染生态修复解决方案

3.1 河湖水污染生态治理研究方案

本中心对近年来我国河湖水系治理历程中所取得的成就进行了回顾，分析其存在的主要问题，结合发达国家对河湖水系治理的一些经验，对我国河湖水系的治理提出自己的观点，以期为彻底治理河湖水系的污染提供新的思路，也可供其他城市在治理城市水系污染时参考。

3.2 河湖水污染生态治理工程方案

北京市水处理环保材料工程技术研究中心在总结多年的科学研究和工程经验的基础之上提出了河湖水污染综合生态治理思路。它主要包括源头强制性达标排放、河道排污口截污、河湖水生态修复、河湖断面水质净化四级处理。

源头强制性达标排放是针对排污源头企业废水、农村污水进行物化与生化处理，实现达标排放；要求COD和氨氮去除率为10-20% 。相关的工程运用有企业污水处理厂稳定达标和水质提标、市政污水处理厂水质提标工程。
排污口截污针对入河生活排污口、工业排污口、养殖排污口和混合排污口不同水质特性采用生物滤池、人工湿地、碳纤维泛氧化塘、碳纤维一体化膜反应器等技术，实现清水入河，要求COD和氨氮去除率为20-30% 。
河湖水生态修复通过底泥清理、投放微生物制剂、水生植被栽植与引入螺、贝、鱼、虾类等高级水生动物，实现河湖水生态系统恢复，要求COD和氨氮去除率为10-20% 。典型工程有吉林四平人工湿地强化、辽宁锦州人工湿地强化、南京幸福河水生态修复，幸福河修复主要包括河流底质改造、沉水植物投放和水生动物投放，通过动物、植物和微生物的共同作用来重现清流。
河湖断面水质净化采用碳纤维浮岛进行原位-移动修复，实现河道水质达标回用和景观效益，要求COD和氨氮去除率40-60%以上。

四、关键技术与相关科研成果

在总结国内外河湖治理经验的同时，北京市水处理环保材料工程技术研究中心经过多年的技术研发和工程实践，形成了一套河湖治理与生态修复关键技术，内容见表4.1。