环境生态工程

生态工程Ecologicalengineering环境生态工程Source:OSTP人类活动化石燃料燃烧森林砍伐化石燃料燃烧森林砍伐化石燃料燃烧森林砍伐•导致全球变暖的主要原因是人类在近一个世纪以来大量使用矿物燃料（如煤、石油等），排放出大量的二氧化碳等多种温室气体。由于这些温室气体对来自太阳辐射的可见光具有高度的透过性，而对地球反射出来的长波辐射具有高度的吸收性，也就是常说的“温室效应”，导致全球气候变暖。•造成温室效应的温室气体除了二氧化碳外，还有甲烷、氧化亚氮等。燃烧化石燃料、农业和畜牧业、垃圾处理等等都会向大气中排放温室气体。AtmosphericCO21850:280ppm2005:379ppmAtmosphericCH4:715ppb1850-1774ppbin2005AtmosphericN2O:270ppb1850-319ppbin2005Hansenetal.2006.PNAS0.76oCsince18501.8-4.0oCby2100Globalmeantemperaturesarerisingfasterwithtime1000.0740.018500.1280.026Warmest12years:1998,2005,2003,2002,2004,2006,2001,1997,1995,1999,1990,2000PeriodRateYears/decadeRecentObservations:[Formerlyknownas]GlacierNationalPark•Weknowthatclimateiswarm-ing19381981:754海平面上升•经济发达、人口密集的三角洲、海岸带和低地地区淹没损失。•气候带北移•热带多雨地区将面临洪涝多发威胁，沿海城镇将遭受风暴频繁袭击。•极地冻土带下的大量CH4将释放出来，加速全球增温。给许多病菌的繁殖、传播提供更为适宜的温床。世界经济损失•据UNEP报告,如不对温室气体排放采取措施，今后50年内，每年所造成的全球经济损失最多可达3000亿美元。•引发自然灾害，破坏生态系统良性循环，损害生物多样性•使中国农业生产的不稳定性增大•生态问题和环境问题•水资源不均衡•中国南方雪灾与中国北方暖冬干旱Plausiblescenarios•(May‘06“VanityFair”)•+3m•Martha’sVineyard•DistrictofColumbia•FriscoBayPlausiblescenarios•TheHamptons–3msealevelrise–Category3stormNewYorkCityminusanicesheetForestfires•Morefrequent•Moreintense•UntilfuelsaregoneA.L.Westerling,H.G.Hidalgo,D.R.Cayan,T.W.Swetnam第二节环境生态学1环境生态学的概念•环境生态学是研究在人为干扰下生态系统内在的变化机制、规律等，寻求受损生态系统恢复、重建和保护对策的科学。即运用生态学理论，阐明人与环境间的相互作用及解决环境问题的生态途径。2环境生态学的研究内容•人为干扰下生态系统内在变化机制和规律•生态系统受损程度的判断•各类生态系统的功能和保护措施的研究•解决环境问题的生态对策•维护生物圈的正常功能，改善人类生存环境，并使两者得到协调发展，这是环境生态学的根本目的。运用生态学理论，保护和合理利用自然资源，治理被污染和被破坏的生态环境，恢复和重建生态系统，以满足人类生存发展的需要，是环境生态学的主要任务。3环境生态学的应用与发展•干扰和受害生态系统特征的判断•受害生态系统恢复和重建途径•重视生态规划•积极参与区域污染治理•环境生态工程是在生态学原理的指导下，为使受损生态系统恢复，进行重建和保护的生态工程。运用生态控制论原理去促进资源的综合利用、环境的综合整治及人类社会的综合发展是环境生态工程的核心。第三节污染生态工程1污水土地处理技术1.1污水土地处理技术概念及组成•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功能处理城市污水及某些类型的工业废水，使水质得到根本的改善。•完整的土地处理系统由预处理、水量调节与贮存、配水与布水、土地处理田间工程、植物、排水及监测等七部分组成。•土地处理田间工程是土地处理技术系统的核心部分，处理污水的主要过程在这里发生，可分为慢速渗滤、快速渗滤、地表漫流、湿地系统与地下渗滤等不同类型。1.2土地处理系统对污水的净化作用机制•物理过滤土壤颗粒间的孔隙具有截留、滤除水中悬浮颗粒的性能。污水流经土壤，悬浮物被截留，污水得到净化。•物理化学吸附金属离子与土壤中的无机胶体和有机胶体颗粒，由于螯合作用而形成螯合化合物；有机物与无机物的复合化而生成复合物；重金属离子与土壤颗粒之间进行阳离子交换而被置换吸附；某些有机物与土壤中重金属生成螯合物而固定在土壤矿物的晶格中。•化学反应与化学沉淀重金属离子与土壤的某些组分进行化学反应生成难溶性化合物而沉淀；如果调整、改变土壤的氧化还原电位，能够生成难溶性硫化物；改变pH，能够生成金属氢氧化物；某些化学反应还能够生成金属磷酸盐等物质，而沉积于土壤中。•微生物代谢作用下的有机物分解在土壤中生存着种类繁多、数量巨大的土壤微生物，它们对土壤颗粒中的有机团体和溶解性有机物具有强大的降解与转化能力，这也是土壤具有强大的自净能力的原因。1.3污水土地处理系统基本工艺•慢速渗滤处理系统将污水投配到种有作物的土地表面，污水缓慢地在土地表面流动并向土壤中渗滤，一部分污水直接为作物所吸收，一部分则渗入土壤中，从而使污水得到净化的一种土地处理工艺。•本工艺适用于渗水性能良好的土壤如砂质土壤和蒸发量小、气候湿润的地区。•快速渗滤处理系统将污水有控制地投配到具有良好渗滤性能的土地表面，在污水向下渗滤的过程中，在过滤、沉淀、氧化、还原以及生物氧化、硝化、反硝化等一系列物理、化学及生物的作用下，得到净化处理的一种污水土地处理工艺。•回收处理水是本工艺的特征，可用地下排水管或井群回收经过净化的处理水或将净化水补给地下水。•地表漫流系统本系统是将污水有控制地投配到种植有多年生牧草、坡度和缓、土壤渗透性差的土地上，污水以薄层方式沿土地缓慢流动，在流动的过程中得到净化。净化出水大部分以地面径流汇集、排放或利用。•这种工艺对地下水的污染较轻。污水在地表漫流的过程中，只有少部分水量蒸发和渗入地下，大部分汇入建于低处的集水沟。本系统适用于渗透性较低的黏土、亚黏土，最佳坡度为2％～8％。2污水稳定塘处理技术2.1稳定塘系统概述•稳定塘，我国曾长期习称氧化塘。稳定塘是经过人工适当修整的土地，设围堤和防渗层的污水池塘，主要依靠自然生物净化功能使污水得到净化的一种污水生物处理技术。•传统的塘处理系统大都为菌藻共生系统塘。其中细菌将进入塘中污水的有机污染物氧化降解为二氧化碳和水、氨氮、硝酸盐和磷酸盐，藻类摄取上述物质进行光合作用，使藻类增殖，同时释放氧供好氧菌氧化降解有机物质。2.2稳定塘对污水的净化机制•在太阳能(日光辐射提供能量)作为初始能源的推动下，通过稳定塘中多条食物链的物质迁移、转化和能量的逐级传递、转化，将进入塘中污水的有机污染物进行降解和转化，最后不仅去除了污染物，而且以水生植物和水产，水禽的形式作为资源回收，净化的污水也可作为再生水资源予以回收再用，使污水处理与利用结合起来，实现污水处理资源化。稳定塘中的生物作用•好氧微生物的代谢作用•厌氧微生物的代谢作用•浮游生物的作用•水生维管束植物的作用物理稀释作用物理化学的沉淀和絮凝作用2.3稳定塘系统组成•用于处理污水的稳定塘系统包括预处理系统，厌氧塘、兼性塘、曝气塘、好氧塘、生物塘、水生植物塘、养鱼塘、控制排放塘和储留塘，通过上述这些塘的不同组合从而形成了多种多样的塘系统。•预处理系统。稳定塘系统的预处理系统主要是通过物理的方法分离、去除对后续塘处理单元有害和产生影响的大块污染物、砂粒等无机固体颗粒，减小这些无机物质在稳定塘内的淤积，减轻后续塘处理的负荷，延长其使用寿命，保证稳定塘的正常运行和处理效果。•厌氧稳定塘。厌氧稳定塘即在无氧状态下净化污水的塘。塘水深度一般在2.0m以上，有机负荷率高，其功能旨在充分用厌氧反应高效低耗的特点去除有机负荷，改善原污水的可生化降解性，保障后续塘的有效运行。•兼性稳定塘。简称兼性塘，塘水较深，一般在1.0m以上，从塘面到一定深度(0.5m左右)，阳光能够透入，藻类光合作用旺盛，溶解氧比较充足，呈好氧状态；中层呈缺氧(兼性)状态，介于好氧与厌氧之间为兼性区，存活大量的兼性微生物；塘底为沉淀污泥，处于厌氧状态，进行厌氧发酵。兼性塘的污水净化是由好氧、兼性、厌氧微生物协同完成的。•好氧稳定塘。简称好氧塘，深度较浅，一般不超过0.5m，阳光能够透入塘底，主要由藻类供氧，全部塘水都呈好氧状态，由好氧微生物起降解有机污染物与净化污水的作用。•曝气稳定塘。简称曝气塘，塘深在2.0m以上，曝气塘是设有曝气充氧设备的好氧塘和兼性塘，其有机物和营养物的容积负荷比普通兼性塘或好氧塘大得多。适于土地面积有限，不足以建设成靠风力自然复氧为特征的塘系统。•生物塘。生物塘是具有菌藻共生系统、人工种植水生植物或养殖水生动物(水产)的塘，在生物塘中菌类、藻类、水生植物以及水生动物形成许多条食物链，并由此构成食物网，使污水中的有机污染物和营养物质被生物塘中的生物摄取，在食物链中逐级传递、迁移和转化，最终得到去除，同时实现资源化。•水生植物塘。种植水生维管束植物和高等水生植物的塘称为水生植物塘。塘中的水生植物主要起如下作用：水生植物通过光合作用吸收氮、磷等营养物质用于自身的合成和增殖，提高塘中有机物和氮磷的去除功能；水生植物根部具有富集金属的功能，可提高金属的去除效率；拥有较大的表面生长区的大型水生植物物种已被证明对于那些不被溶解的金属氢氧化物沉淀的截留作用也十分有效。•养鱼塘。养鱼塘是利用养殖鱼类来摄食水中藻类和各类水生植物达到水体净化，实现资源回用，获得经济效益的塘。在用于污水处理和利用的稳定塘系统中，适宜于放养的鱼类有杂食性鱼类(如鲤鱼、鲫鱼)，它们捕食水中的食物残屑和浮游动物；鲢、鳙等滤食性鱼类；以及草食性鱼类如草鱼、鳊鱼等，它们能够控制藻类和水草的过度增殖。在北部干旱地区应用的稳定塘•污水：预处理—兼性塘—储存塘或储留塘(在温暖季节中运行的养鱼塘或水禽养殖塘)—农田灌溉—出水补充地下水或地表水体。•高浓度有机废水：预处理—厌氧塘—兼性塘—储存塘(温暖季节进行养鱼和/或水禽养殖)—农田灌溉—出水补充地下水或地表水体。在南部地区应用的稳定塘•污水：预处理(格栅—沉砂池)—生长有水生植物的兼性塘—稻田养鱼—出水。•有机废水：预处理(格栅—沉砂池)—生长有浮水植物的兼性塘—养鱼塘—水禽养殖塘—荷塘或芦苇塘—出水。3受损水体生态修复工程•水体富营养化•水体生态修复技术原理就是利用培养的生物或培育、接种的微生物的生命活动，对水中营养盐进行转移、转化及降解，从而使水体得到恢复。这种技术是对自然界自我恢复能力、自净能力的一种强化，工程造价低、运行成本低、治污效果好，应用前景广阔。3.1改变水动力要素，改善水体交换•污染源的控制是保护水环境的先决条件，从源头控制污水排入河网应该是解决水质污染问题的最根本措施。•目前，我国大型的湖泊治理工程都基本上采用这一措施。从一些湖泊的引水经验来看，从外流域引水对降低湖泊的富营养化水平有较好的效果，如引江济太(湖)工程，引水入滇(池)工程等。3.2底泥生态疏浚•湖泊底泥中累积了大量的营养物质，当湖泊底层氧化还原环境发生变化时，底泥中的营养物质和污染物质会重新释放加入水体，成为水体