第三章地表水污染的修复

地表水污染修复工程主要内容1、中国的地表水污染现状2、污染物类型及作用机制3、河流湖泊水库污染修复4、海洋污染修复1.中国的地表水污染现状1.1河流污染现状1.2湖泊污染现状1.3海洋污染现状1.1河流污染现状图片摘自2011年中国环境状况公报2011年十大水系水质类别比例1.2湖泊污染现状图片摘自2011年中国环境状况公报2011年重点湖泊（水库）富营养化状态2011年，监测的26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42.3%、50.0%和7.7%。主要污染指标为总磷和化学需氧量（总氮不参与水质评价）。1.3海洋污染现状图片摘自2011年中国环境状况公报2011年全国近岸海域水质类别比例图片摘自2011年中国环境状况公报2011年重要海湾水质类别比例被污染的河流2007受蓝藻污染的太湖水海洋污染全国环境统计公报(2011年)废水和主要污染物排放量：2011年，全国废水排放总量为652.1亿吨;化学需氧量排放总量为2499.9万吨，比上年下降2.04%；氨氮排放总量为260.4万吨，比上年下降1.52%。全国环境统计公报(2010年)侧面反映地表水污染的严重性及治理的紧迫性2、污染物类型及作用机制2.1污染物类型2.1污染物作用机制2.1污染物类型按污染物性质划分为物理性污染、化学性污染、生物类污染三类。物理：悬浮物质污染、热污染和放射性污染等。化学：无机污染物、无机有毒物质、有机有毒物质、需氧污染物质、植物营养物质和油类污染物质。生物：由病原微生物、病毒、寄生虫等引起大的水体污染。水污染的主要类型及其污染物质类型主要污染物微量元素Fe、Cu、Zn、Ni、V、Co等非金属Se、N、B、C、Br、I、Si、CN－等酸、碱、盐污染物HCl、H2SO4、HCO3－、HS－、SO42－、CO32－、Cl、酸雨等无机无毒物硬度Ca2＋、Mg2＋需氧有机物（有机无毒物）碳水化合物、蛋白质、油脂、氨基酸、木质素等重金属Hg、Cd、Pb等非金属F－、CN－、As有毒物质有机物酚、苯、醛、有机磷农药、多氯苯酚、多环芳烃、芳香烃化学性污染物油类污染物石油等固体污染物溶解性固体、胶体、悬浮物、尘土、漂浮物感官性污染物HS、NH、胺、硫、醇、染料、色素、恶臭、肉眼可见物、泡沫等热污染工业热水等物理性污染物放射性污染物铀、钍、镭、锶、铯、钚营养性污染物有机氮、有机磷化合物（洗涤剂）、砷、NO3－、NO2－、NH4＋等生物性污染物病源微生物细菌、病毒、病虫卵、寄生虫、原生动物、藻类等2.2水环境污染物作用机制物理机制化学机制生物学机制综合机制物理机制：指外界的污染使生态系统中某些因子发生改变，从而影响生态系统的物理环境，进而影响生态系统的生物环境和生态稳定性，产生各种生态效应。化学机制：吸附/解吸过程、固定/释放过程、氧化/还原过程、螯合/解络过程、酸/碱反应过程、挥发/凝结过程、溶解/沉淀过程、水解过程和脱氧过程等。生物学机制：生物体累计、富集机理，生物吸收、代谢、降解与转化机理。综合机制：协同作用、加和效应、拮抗效应、竞争效应、保护效应、抑制效应、独立作用效应。3.河流湖泊水库污染修复3.1物理修复技术3.2化学修复技术3.3生物修复技术3.4生态修复技术3.5其它修复技术3.1物理修复技术物理修复是指在系统中通过物理沉淀、过滤、吸附作用除去可沉淀的固体、胶体、BOD5、氮、磷、重金属、细菌、病毒及难以溶解的有机物质。如疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等。物理方法操作简单，造价低，但往往治标不治本。3.1.1冲刷/稀释采取引水冲污稀释污染水体，增加流域水资源量，加快污染水体流动，加强水体自净能力。水体流动性的加强对沉积物-水体界面物质交换也有一定影响，增加河流下层溶解氧含量，对底泥污染物释放产生一定的抑制作用，有助于水体生态系统的恢复。3.1.2曝气污染水体接纳大量的有机污染物后，有机物大量分解造成水体溶解氧浓度急剧降低，甚至出现厌氧状态，导致溶解盐释放以及臭味气体产生。通过人工曝气，可使水体底层溶解氧得以恢复，水体中溶解铁、锰、硫化氢、二氧化碳、氨氮以及气体还原组分浓度大为降低，改善水生生物的生存环境。同时，可有效限制底层水体中磷的活化和向上扩散，限制浮游藻类的生产力。3.1.3机械/人工除藻收获水体中的藻类，可在短时间内快速有效的去除藻类。在某些特定环境，利用自然动力收获藻类可有效的减轻富营养化的危害。机械除藻在过去人工打捞藻类的基础上发展了臭氧/超声波除藻技术，此技术利用超声波的作用使藻类的细胞破裂，打破藻细胞内的气囊，使其失去浮动能力而沉淀。屠清瑛等人分别于2001年9月6-8日和14-20日在什刹海后海实验区（50m×50m）进行了两次超声波/臭氧复合试验，按每天作业7h计，臭氧/超声波试验证明对藻类有明显的去除作用。当水中臭氧浓度5mg／L时，1h后藻类的去除率平均在30%-50%左右；充入臭氧2h（浓度约10mg／L)，藻类去除率平均在80%左右。试验结果证明，总磷也有明显的递减趋势，但是对COD的作用不甚明显.例：在太湖水环境修复中，利用风力、湖流在水源区域建造富集藻类的专门设施来收集藻类，避免了“水华”阻塞取水口而引起的水质恶化，取得良好的效果。3.1.4底泥疏浚可降低水体的内源污染负荷量和底泥污染物重新释放的风险。对于沉积物中的重金属和持久性有毒有机污染物而言，只能通过环境疏浚方法从湖泊中去除。南明河、苏州河的治理均用到此技术。环境疏浚与工程疏浚的差异：环境疏浚旨在清除湖泊水体中的污染底泥，并为水生生态系统的恢复创造条件，同时还需要与湖泊综合整治方案相协调。工程疏浚则主要为某种工程的需要如流通航道、增容等而进行。首先应符合一般疏浚的要求:《疏浚工程技术》规范(GIJ319-99)。同时,考虑污染疏浚的要求，对设备进行进一步筛选，包括对常规设备改进和专用环保挖泥船设计。常规设备改进:耙吸挖泥船适于沿海和大江而且污染土分布范围较大地区绞吸挖泥船应用最广泛,可在陆地拼装后下水,距离岸边较近,适于湖泊污染土清理抓斗式船可配以泥驳装载，宜在底泥分布集中且厚度较大地区使用环境疏浚设备的选择原则第一，既要考虑一般疏浚工程的条件，又要考虑污染物与生态等环境保护方面的要求；第二，不同的污染物对疏浚和处置有不同要求，应经济合理地确定控制指标和要求；第三，如果要求不严，应优先选用现有的一般疏浚设备，或者加以改进以达到经济合理的目标;第四，多方案筛选和比较，选取最优化途径。底泥综合利用湖滨绿化带，使堆场所在地形成绿化带。填地造景，将湖泊周围的坑洼废地填平后为开发用地创造了条件，但应避免人为活动加强而引起排污强度提高林地肥料，湖泊底泥富含多种营养元素，还含有普通矿物肥料中所缺少的有机质及多种微量元素制造聚合物及建筑材料3.1.5光催化技术基于纳米材料的光催化特性，纳米材料应对水华和赤潮藻具有杀伤能力。纳米材料具有在光照（尤其是紫外光）下可以产生羟基自由基及强还原能力的特性，对藻细胞内的脂类、蛋白等生物大分子产生氧化作用，从而破坏其生物学功能最终导致细胞死亡。因此被认为在消毒杀菌、空气净化、污水处理、海洋原油污染清除、自清洁材料等方面具有很好的应用前景，并已得到广泛的研究。3.2化学修复技术化学修复是添加化学药剂和吸附剂改变水体中氧化还原电位、pH，吸附沉淀水体中悬浮物质和有机质，是利用污染物的化学反应来分离、回收污水中的有害物质，或使其转化为无害的物质。化学方法操作简单，用量少，见效快，但利用化学方法治理污染水体需大量投加化学药剂，成本昂贵，同时容易引起二次污染。3.2.1化学沉淀法通过向水体投加铁盐或铝盐，通过吸附或絮凝作用与水体中的无机磷酸盐产生化学沉淀，降低水体磷的浓度，控制水体的富营养化。同时，铝盐能够形成氢氧化铝沉淀，在沉积物表层形成“薄层”，可阻止沉积磷的释放。3.2.2改性硅藻土强化混凝法硅藻土是由天然形成的硅藻矿石加工而成，不含有毒化学物质。改性硅藻土处理湖水时，直接吸附、化学沉淀、脱稳絮凝、吸附架桥等作用同时存在，湖水净化的过程是这些过程共同作用的结果。较适用于开放性大型水体的脱磷和除浊。吴蕾、陈云峰在《改性硅藻土用于巢湖水脱磷研究》中研究了改性硅藻土除磷最适操作条件，并将改性硅藻土同几种常规混凝剂的处理效果和其经济性进行了对比，与常规混凝剂相比，改性硅藻土出水更为清澈透亮，污泥沉降性能好，污泥量少，在建设成本和运行成本上更为节省。3.2.3化学除藻法采用各种化学除藻剂进行除藻，效果最显著，但也最具有危险性。例如：单一除藻剂有：碘伏、水溶性甲壳素碘等复配除藻剂有：碘伏-新洁尔灭、碘伏-异噻唑啉酮等3.2.4酸碱中和法向水体中添加石灰进行酸碱中和，调整水体酸碱度，以适应水生态系统的物种生长、繁殖的需要。3.3生物修复技术狭义定义为：利用生物特别是微生物催化降解有机污染物，从而修复被污染环境或消除环境中的污染物的一个受控或自发进行的过程。国外学者认为强化的生物修复是一种加快自然降解土壤或水体有害物质的过程。而我国学者认为生物修复是利用特定的微生物（包括土著或外援微生物以及植物等）在一定的条件下进行消除或富集转化固定化环境污染物，从而达到被污染的环境进行恢复的生物过程。生物修复技术分类：按场地划分：原位生物修复和异位生物修复按污染物的主要特点划分：生物操纵法、植被群落恢复、生物除藻、生态浮床等例：在湖泊管理中，通过放养凶猛鱼类来控制食浮游动物鱼类，减少食藻动物的牧食压力，从而控制藻类的异常繁殖，改善富营养化状况。放养生物量减少浮游动物生物量减少凶猛鱼类浮游植物食浮游生物鱼类生物量增加蚕食导致导致控制水体富营养化达到3.3.1生物操纵利用生物操纵调整营养结构，促进水质恢复。在1975年，Shapiro等提出了生物操纵理论后，在该理论的基础上，研究者又提出了经典生物操纵法和非经典生物操纵法。经典生物操纵法是指通过化学方法毒杀、捕捞或者放养肉食性鱼的方法，调节浮游动物群落结构和种群数量，促进食藻浮游动物的增长，特别是枝角类种群的发展，通过它们对藻类的摄食降低藻类生物量。经典生物操纵法适合富营养化程度较轻、以小型藻类为主的水域。非经典生物操纵法依靠提高大型滤食性鱼类的密度来控制藻类，如直接放养滤食性鱼类白鲢、鳙等直接摄食藻类。在藻类水华暴发的富营养湖泊中，必须放养密度合理的滤食性鱼，才能收到较好的控制效果。例如：刘建康等在武汉东湖做了3次原地围隔实验，发现放养46～50g·m-3以浮游生物为食的鲢和鳙，能有效地遏制微囊藻水华的爆发。郎宇鹏等通过野外模拟试验也发现，投放密度为50g·m-3的鲢鱼，对蓝藻有明显的抑制效果。3.3.2植被群落恢复通过水环境的生境调控和植被的人工重建促进水生植被的自然恢复，逐步恢复受损水体的生态系统的结构，包括生产者（主要是水生植物）、消费者（鱼类）、分解者（细菌）等，在生产者、消费者、分解者之间建立有效的食物链，促进系统的物质恢复，恢复水体的功能，达到水体生态系统恢复的目的。水生维管束植物高等藻类大型水生植物大型水生植物的分类大型水生植物是一个生态学范畴上的类群，是不同分类群植物通过长期适应水环境而形成的趋同性适应类型。有发达的机械组织植物个体比较高大光合作用利用水中微生物分解有机物产生的CO2和NH4+、PO43-等营养物质，并释放出O2大型水生植物的四种生活型：生活型生长特点代表种类挺水植物根茎生于底泥中,植物体上部挺出水面芦苇、香蒲漂浮植物植物体完全漂浮于水面,具有特化的适应漂浮生活的组织结构凤眼莲、浮萍浮叶植物根茎生于底泥,叶漂浮于水面睡莲、荇菜沉水植物植物体完全沉于水气界面以下,根扎于底泥或漂浮于水中狐尾藻、金鱼藻大型水生植物的生态功能净化所需的能源由光合作用提供具有美学价值，能改善景观生态环境植物可被收割和利用，创造新的价值能固定土壤或底泥中的水分，防止污染源进一步扩散为降解微生物提供了良好的栖息场所污染物的去除机制去除机制植物吸收微生物降解物理化学作用富集吸附沉降植物吸收环境中的重金属和一些有机物并非是植物生长所需