清华大学城市水环境整治水体修复技术的发展与实践

1清华大学：城市水环境整治水体修复技术的发展与实践清华大学环境学院刘翔我国城市河流有90%左右受到污染，出现水体滞流、多处于厌氧状态、复氧能力差、淤积严重、透明度低、甚至发生黑臭等现象。由于城市水体污染负荷远远超过城市有限受纳水体的环境容量和自净能力，导致河水中COD、NH3—N等污染物严重超标，水生生态系统结构破坏，生物多样性锐减，城市水体的生态功能和使用功能日益衰退，水体修复和水生态功能恢复的难度明显加大，城市河流水环境生态系统处于失衡状态。同时，城市污水中氮磷污染物未经有效去除，又成为城市水体发生富营养化的重要诱因，造成水体生态功能的衰退甚至丧失，水生生态环境的破坏已经成为城市生态文明建设的主要障碍。“有水皆污”、“河道黑臭”已经成为许多城市面临亟待解决的环境顽疾。城市水环境综合整治和水体修复技术是破解上述难题的有效方法，国家重大水专项城市主题在“十一五”期间重点针对城市水体修复技术开展了研究集成和示范应用，突破了44项关键技术，建立了25项示范工程，取得了良好的效果，为我国水体修复积累了技术集成方案和工程实践经验。1城市水体修复的科学原理与技术思路城市水体修复技术是指根据生态学和环境学的原理，综合运用水生生物和微生物的方法，使污染水体得到改善或恢复所采用的技术。其特点是充分发挥现有水环境工程的作用，综合利用流域内的湿地、滩涂、水塘、堤坡及水生生物等自然资源及人工合成材料，对城市水域自恢复能力和自净能力进行强化恢复或提升。生态修复是相对于生态破坏而言的，生态破坏就是生态系统结构和功能的破坏，因而生态修复就是恢复生态系统合理的结构、高效的功能和协调的关系，就是重建受损生态系统的功能以及相关的物理、化学和生物特性。其本质是恢复系统的必要功能并使系统达到自我维持的状态。修复的目的就是要再现一个自然的、能自我调节的生态系统，使它与它所在的生态景观形成一个完整的统一体。但要将一个受损的生态系统的结构与功能恢复到受损前的水平是一项艰巨、困难和漫长的工作。从一定意义上讲，修复又可定义为使受损的生态系统的结构与功能最大限度地接近受损前的水平。就是针对具体受损的生态系统，找出目前环境条件的限制性因素，根据生态工程学原理，对该系统实施种群组建或重建，恢复其原有的生物2多样性，使其达到具备自我维持与自我调节的能力。因此，要从生态、社会需求出发，实现生态修复所期望达到的生态-社会-经济效益；恢复能够达到上述效益的生态系统的结构和功能;通过对系统物理、化学、生物甚至社会文化要素的控制，带动生态系统的恢复，达到自我维持的状态。基于上述原理，城市水体修复的总体技术思路为：控源为本，调配优先，多元为辅，强化应急，景观共建。控源为本：城市水体的水质改善应以污染源控制为根本，控源以水环境容量为目标，在此基础上实现水体收纳污染负荷的总量和浓度控制。调控优先：大多数城市水体最主要的问题是由于生态基流不足而引起的水流缓滞，导致水体的自净能力退化甚至丧失，进而引发一系列的水环境问题。因而水质改善最有效的方法就是通过水系调配或是引入其他水源（例如满足补水水质要求的再生水和城市雨水径流），改善水动力流态，实现水体的良性循环。多元辅助：在实现控源和调配目标的基础上，可以通过多元生态系统构建、河水充氧、底质控制等辅助技术促进和提升水质改善和生态修复的效果。强化应急：人工强化处理方法是针对河水（包括循环和旁路）的人工处理技术，通常投资和成本较高，一般常用于需要紧急应对的场合（例如污染事故，黑臭河道等）。景观共建：城市水体大多具有一定城市景观功能，在采用生态处理技术时，可考虑与景观建设相结合，起到良好的感官效果。2水体修复技术的研究进展城市水体修复技术按照治理对象可以分为河道底质改善、河道生态修复、河流水动力调控和河水强化处理等4类技术，整体技术体系构成如图1所示。32.1城市河流水动力调控技术自然状况下，河流具有一定的自净能力，水体中的溶解氧足以满足自净过程中微生物分解有机物需要的氧量。但是当水体受到严重污染或超负荷污染时，过量的有机物排入水中，大气复氧不能及时补充消耗的溶解氧，溶解氧含量大幅降低，出现缺氧或无氧的河段，从而威胁好氧生物的生存。另外，水体中溶解氧过低，导致厌氧细菌繁殖，形成厌氧分解，产生甲烷、硫化氢等气体，发生黑臭问题。此时，必须采取必要的措施以改善水质。该类技术包括水量水质调配和曝气复氧，见图2。在污染严重的水体中，单靠自然复氧作用，河水的自净过程非常缓慢。故需要采用人工曝气弥补自然复氧的不足。河道人工曝气技术作为一种投资少、见效快、无二次污染的河流污染治理技术在很多场合被优先采用。河道人工曝气技术能在较短的时间内提高水体的溶解氧水平，增强水体的净化功能，消除黑臭，减少水体污染负荷，促进河流生态系统的恢复；另外，河道曝气技术因地制宜，占地面积相对较小，投资省、运行成本低，对周围环境无不良影响，如果与综合利用相结合，还可实现环境效益与经济效益的统一，有利于工程的长效管理。但是要真正发挥河流水体人工曝气复氧技术的实际效益，还必须制订应用该技术的具体方案，得出可行的增氧量、曝气方式、季节最优化组合，并充分考虑城市景观和经济性原则。常用曝气技术特点见表1。42.2城市河道底质改善技术在城市河道中，底泥是陆源性入河污染物（营养物、重金属、有机毒物等）的主要蓄积场所。在不同的环境影响（温度、风浪和溶氧等）条件下，底泥既可以净化湖泊水体，也可以因富含污染物而成为潜在的内源性污染源污染水体，增加上层水体污染负荷。底质改善技术则是有效遏制这类内源污染物释放的有效手段，常用的有底质清淤及原位修复技术、景观河道生态修复型底泥疏竣与处理处置技术等。（1）底质清淤及原位修复技术。底泥生态清淤采用生态清淤工程将污染最重、释放量最大的上层污染底泥依据环保要求移出水体，避免因河流、湖泊内的底泥释放和动力作用下的再悬浮和溶出后可能造成的河水富营养化和藻类产生和发展问题，从而达到控制底泥释放二次污染的目的。它是控制内源污染效果较为明显的工程技术措施之一。在采用原位修复技术，利用研发的环境友好型双固定化功能载体及筛选的具有高效净化性能的功能生物，通过河道底质良性生境的构建、定向强化净化及底质基质促进剂的使用，进行污染底质原位生态固化－覆盖联合修复。（2）景观河道生态修复型底泥疏竣与处理处置技术。5底泥也是水生态系统重要的环境要素之一，其理化特性直接影响水生态系统的结构与功能；可以考虑河湖底泥疏浚与底栖生态重建的优化协同，避免过量疏浚造成的河湖底泥生态支持力下降、疏浚底泥易地处理的环境和经济成本问题，发展可实施精准疏浚的河湖底泥生态修复型疏浚技术。（3）底质基改造与污染生态修复技术。从单一的清淤、硬底化、引水冲污、曝气增氧等治理技术研究转为对多项治理技术的集成应用研究，以降低河道治理的投资、运行成本和保证持续稳定的治理效果。对底泥治理技术的研究和应用表明，相对于物理、化学修复，对目前以有机物含量高、Eh偏低的重污染为特点的城市河道底泥，在改善基底理化环境基础上，采用生物修复，特别是植物修复方法可能更加适宜。（4）疏浚底泥与处理处置技术。根据疏浚底泥自然沉降速率设计水力疏浚底泥排泥场，避免水力清淤污泥随自然澄清液回流再次排入水体。针对清淤污泥，开发了高效脱水以及制建材、制陶粒等资源化利用技术，实现了疏浚底泥的可持续管理。（5）底泥污染抑制剂技术。针对底泥在厌氧条件下释放污染物导致水体水质恶化的问题，开发出具有强氧化作用、高效释氧作用、物理阻隔作用和化学固化作用等的底质抑制剂（材料），对抑制黑臭、应对突发污染事故等具有显著、快速的控制效果。2.3城市河道生态修复技术（1）复合型生态浮岛水质改善技术。以水生植物的优选和可修复水体生物多样性的生态草植入为主要组成部分，对氮、磷营养物和有机物等均有一定的去除效果，可改善水体水质，提高水体透明度，控制水体富营养化（减缓藻类的增长速率、减弱藻类暴发程度），减少以再生水为补给水源的景观水体换水6频率。无外部水源补充条件下，夏季可延缓藻类暴发时间1~2d，暴发峰值也可降低约30％。该技术尤其适合北方地区以再生水为主要补给水源的滞流/缓流景观水体水质的保持与改善。（2）多级复合流人工湿地异位修复技术。通过多级复合流人工湿地的构建，解决了传统人工湿地的运行效果不稳定、脱氮效果一般、填料易堵及冬季处理效果差等多项难题，使其出水主要水质指标稳定达到地表水Ⅳ类标准。该技术对COD、总氮、总磷具有较好去除效果，在进水水质波动较大，水质较差的条件下，出水水质仍可稳定达到地表水Ⅳ类要求，多级潜流湿地示范工程在稳定运行阶段对COD、TN和TP的去除率可达到70%~90%。该技术主要用于景观水体的水质改善及长期保持，适用于征地方便的地区。（3）城市黑臭河道原位生态净化集成技术。包括底泥污染控释与底质生境改善、黑臭河水生物栅净化与控藻、黑臭河水生态接触氧化等。形成了城市黑臭河道原位生态净化集成技术体系，将浮船式增氧机作为混凝药剂的投加、溶解、搅拌、反应的动力设备，从而把增氧和混凝有效地结合起来；科学控制增氧机与生态浮床之间的距离，消除增氧机对生态浮床上植物生长及其净化污染物的负面影响；利用生态浮床水下部分的接触沉淀和物理吸附作用，促进化学混凝后水体的加速和稳定澄清，防止增氧机工作及水流搅动引起的絮体再悬浮，保障工程效果的长效性。按该方法设计的技术系统具有集成化程度高、投资和能耗低、易于操作、便于管护、快速长效等优点。（4）景观河道生态拦截与旁道滤床技术。生态滤床是在自然湿地结构与功能的基础上通过人工设计的污水处理生态工程技术，利用系统中的基质、水生植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，来实现对污染物的高效降解，以达到净化水质的目的，具有投资少、运行维护费用低、管理简单、景观生态相容性好、自然社会效益好等优点，已被广泛应用于处理各类型污水。生态滤床一般通过旁河的形式，将河水引入滤床中，系统内填充具有脱氮除磷功能较强，且比表面积大的多孔介质，使其具备了良好的水力学性能，能较好地截留河水中的颗粒物。通过植物选择、碳源调控、溶解氧调控、前置或后置强化除磷等手段，提高其脱氮除磷效率。7（5）生态护坡技术。生态护坡工程是一项建立在可靠的土壤工程基础上的生物工程，是实现稳定边坡、减少水土流失和改善栖息地生态等功能的集成工程技术。其目的是为了重建受破坏的河岸生态系统，恢复固坡、截污等生态功能。2.4城市河水强化处理技术（1）城市河湖水系原位强化处理关键技术。开发缓流水体强化循环流动和生物接触氧化技术，强化水体流动，削减水中污染物和营养盐含量，改善水质。提出了不同流速对常见水华藻类和混合藻类的影响，并提出了水华控制流速；对不同填料进行了接触氧化试验，筛选了最佳填料，对主要污染物的去除效果进行了研究，主要污染物去除率为叶绿素40%、COD50%、TN20%、TP40%、NH3_N60%。（2）河道水体侧沟强化治理集成技术。针对生活污水、含有大量的工业废水、难以生物降解成分含量高、底泥污染严重、河道水体黑臭、油类物质浓度偏高现象显著等，提出以侧沟化学絮凝（即一级强化处理）和接触氧化修复相结合的方式，对黑臭水体进行处理，可有效抑制黑臭现象。（3）景观水体化学-微生物-水生植物复合强化净化与藻类过度生长控制技术。针对景观河道水体自净能力差、富营养化现象严重、藻类过度生长等现状，通过微生物、化学、水生植物复合强化集成技术进行水质净化及控制的原位修复技术研究，已研发出“改善景观水体水质的药剂投加方法及设备”和“富营养化水体治理的方法和设备”，可有效改善水体富营养化状态。（4）污水处理厂尾水人工湿地深度处理技术。技术从工艺创新、碳源补充、填料选择、防堵塞等研究，保证反硝化反应的顺利进行必须有充足的碳源提供，添加PHA聚羟基脂肪酸酯、PBS聚丁二酸丁二醇酯等五种有机物作为8碳源，研究了各种碳源的反硝化速率以及硝酸盐氮的去除情况，得到麦秆、PBS和PHA添加后出水符合一级A的标准；在城市污水处理厂尾水达到一级A标准时，出水水质可达到：COD为18~32mg/L，氨氮低于0.5mg/L，总氮为1.5