黑臭河道的生态治理技术及案例

2016年12月2日黑臭河道的生态治理技术及案例城市水环境工程（治理）技术专业委员会技术论坛——黑臭水体治理报告人：陈开宁中国科学院南京地理与湖泊研究所报告提纲1243河道存在问题—现状治河需了解基本问题黑臭河道治理技术及案例结论与展望一、为什么要治河？—河道污染现状□河道存在的问题！1、城市河道（1）外源污染负荷太大：沿河大量生活污水通过管道（污水、雨水）进入河道，是河道污染的根源。河道存在的问题（2）长期污染过程积累了严重污染的底泥是河水污染的重要污染源，也是河水黑臭诱因。（3）硬质护岸的渠道化河道丧失了水体自净能力。河道存在的问题（4）水体黑臭、缺氧，导致居民怨声载道，举报不断。（5）生活垃圾等固废倾倒现象突出。（需要加强清洁！）（6）环境容量丧失，恶化人居环境。（不能再排污！）河道存在的问题2、农村（城郊）河道（1）外源污染负荷太大：沿河源源不断的农田、养殖、生活污水及工业废水通过各种渠道进入河道，是河道污染的根源。（2）绝大多数河道存在污染底泥。（3）硬质护岸、崩岸、裁弯取直、生态系统退化等问题突出。（4）水质指标严重超标、超富营养化。（5）严重缺乏管护。河道存在的问题二、河流的基本概念和功能□定义河流是流域景观中成线形的自流动水体，与陆地生态系统紧密联系，又相对开放，它是由河床、水体、生物及非生物物质组成的复杂生态系统（Naiman&Bilby,1998）。河流系统由一系列不同级别河流以连续、流动特性形成的完整体系，沿河的物理参数连续变化梯度，形成连贯结构和相应功能，物质能量的输入和水文循环在河流生物系统中产生一系列响应——连续的生物学调整以及沿河有机质、养分、悬浮物等的运动、搬运、利用与储蓄（Vannoteetal,1980）。□功能河流不仅具有提供栖息地、水域连通、气候调节、物质迁移、防洪排涝、引水灌溉、水体净化、物质运输等重要功能，还为人类提供了生态景观、休闲旅游的重要场所。□注意：河流没有排污纳污功能！二、河道整治的内容及目标□任务内容1、消除外源污染：截污（河道外：缓冲区修复、彻底雨污分流、适应性污水处理厂或设施）；导污（沿河生态沟渠、导污槽、导污管道等）。2、消除与控制污染底泥：疏浚（环保疏浚、挖深）；底层曝气；水生植物修复；材料覆盖；微生物菌剂；环境友好型化学药剂。3、修复加固堤防：加高加固；生态护岸；景观构建（生态与非生态型）4、引水冲释：连通清洁水源；污水处理厂尾水深度净化后再利用。5、提升水质（消除黑臭、控制富营养化、提高透明度）：水体曝气、植物浮床（生态浮岛）、微生物菌剂、吸附沉淀（改性矿物质）、飘浮植物净化等。6、生态系统修复（提高自净能力）：形态修复（裁直取弯）、栖息地修复（河漫滩、沿岸带浅滩、鱼槽等；关键是浅滩基底高程与水下坡比设计（与水位变化相适应）、生态护坡构建）、沿岸带湿地植物恢复、逐步恢复全系列水生植物与生物多样性（鱼、大型底栖动物）、生态景观设计等。二、河道整治的内容及目标□目标1、提高防洪标准，增加泄洪能力2、修复、加固堤防，增强安全性3、扩大、疏挖航道（提高航运级别）4、消除黑臭，改善水质（重点河流国控断面水质达标）5、修复河流生态系统结构与功能、水流态，提示自净能力6、美化环境，重建河流自然景观生态、水文化三、黑臭河治理的关键技术□针对外源污染1、截污与导污技术：（1）农村型：沿河构建生态沟塘系统，将无序的面源污水引流至自然湿地、滞留塘（氧化塘）、人工湿地、污水处理设施处集中处理净化。农田河流生态沟循环利用生活污水：三、黑臭河治理的关键技术□针对外源污染1、截污与导污技术：（2）城市型：①沿河构建导污净化槽集中处理、净化5年使用期长期：生态挡墙三、黑臭河治理的关键技术□针对外源污染1、截污与导污技术：（2）城市型：②铺设导污管道长期见效三、黑臭河治理的关键技术清水河段，生机盎然底层微孔曝气+植物浮床挂膜（接触氧化）生物菌剂、改性沸石（选用）清水区域强化净化区域（下游）（1）水冲×（2）原位掩蔽技术（安全）：未污染底泥、沙、砾石或一些复杂的人造地基材料、改性矿物质、处理过的固体废物等覆盖。美国的AnacostiaRiver分别将活性材料AQUABLOKTM（膨润土,粘土与砂砾）、磷灰石和焦炭作为主体材料应用于该河段受污染底泥的治理。磷灰石主要针对底泥中的重金属；焦炭则针对底泥中的有机污染物如PCB，PAH等。（AQUABLOKTM在加拿大的安大略省治理河流受污染底泥的示范工程中成功应用）薛传东等人（2003）选用富含粘土矿物、铁锰氧化物、氢氧化物等天然矿物的红土适量添加粉煤灰，活化、改性处理后发现一方面可吸附上覆水体中的营养盐，另一方面可阻止水泥界面附近的营养物及有毒有害有机物扩散迁移。有机改性粘土针对有机物；磷灰石去除重金属污染；方解石（CaCO3）处理磷酸盐污染沉积物；沸石针对NH4-N，改性沸石增加除磷效果。□针对内源污染（底泥）2、污染底泥原位修复技术三、黑臭河治理的关键技术2、污染底泥原位修复技术（3）原位化学处理技术（选择）①氧化处理：硝酸钙（Ca(NO3)2）、CaO2、双氧水（H2O2）、Fenton试剂、过硫酸盐（S2O82-）、臭氧（O3）、高锰酸盐（MnO4-）以及硫酸盐（SO42-）等。较为成熟的是采用硝酸钙作氧化剂。向底泥中投加硝酸钙氧化底泥中有机污染物；抑制底泥中磷释放；有效地去除底泥的黑臭。②还原处理：改变氧化还原电位，降低高价重金属的价态以减小其毒性，为微生物营造还原性环境以实现对某些有机污染物的生物降解、促进反硝化脱氮过程。目前使用较多的还原剂主要是零价铁。但是多停留在实验室水平。③磷钝化剂：Al2(SO4)314H2O（1-2mg/L）、氯化铝、聚合铝、FeSO4（3.5-10mg/L）、FeCl3、CaCO3（120mg/L）等。镧改性膨润土(phoslock)是目前应用较多的磷钝化剂。铝盐钝化剂在pH值为6～8时具有最佳的钝化效果；Fe(OH)3在pH值为5～7时具有强吸附性，在高pH值条件下OH－与PO34－交换，导致磷再次释放（Cookeetal，1993）；钙盐用于磷钝化的主要有碳酸钙（方解石）和氢氧化钙，并通过形成羟基磷灰石去除水体磷，pH＞9.5时溶解度很小，磷吸附性较强。成功案例（2）•奥地利城郊湖泊，将Ca(NO3)2注射至沉积物中来氧化表层15-20cm沉积物，通过提高pH和添加FeCl3促使与P结合。•此方法是由Rilp（1976）发明的，因此也被称为“Riplox”方法(Donabaumetal,1999)。种植沉水植物成功案例（1）加拿大Hamilton港受油和其他有机化合物（PAHs）污染，投加硝酸钙和有机调理剂，测试表明：57%的油和48%的PAHs被生物降解。此外，所有游离的H2S均被降解，但酸性挥发性硫化物（AVS）却难以被氧化（洪祖喜等，2002；毕磊等，2010）。2、污染底泥原位修复技术（4）底层曝氧（生态安全）宋英伟等（2008）曝气与生物膜联合作用水体溶氧由4.3提高到7.0mgL-1,水体氮磷显著下降，透明度由20cm提升至120cm。丛海兵等（2006）在厌氧水体DO2mgL-1扬水曝气显著抑制藻类生长，降低底泥有机质及氨氮的释放。嘉兴市5条河道，效果显著。TPNH4-N该技术通常需要与其它技术联合使用。间歇曝气、连续曝气效果不同！2、污染底泥原位修复技术（5）微生物修复（安全，效果不稳定，湖泊难以有效果）利用人工驯化土著微生物、固定化微生物和转基因工程菌。加入TriTonX100等表面活性剂能促进水相POPs的生物降解。利用微生物改变重金属的氧化还原状态,进而降低或消除重金属的毒性；利用重金属能够与微生物体、微生物产物形成稳定螯合物或晶体的特性,使重金属减少或失去毒性。冯奇秀等（2003）在广州市朝阳涌将250kg土著微生物培养液和37.4L由美国普罗公司生产的生物促生剂BE组成的底泥生物氧化复合配方制剂一起，以促进河涌底泥氧化。Duqueetal将假单胞菌质粒转移至Pseudomonassp.ClongA中，使TNT（三硝基甲苯）完全矿化（闫艳春等，2001）。Schippersetal(2000)证明了生物表面活性剂Sophorolipids对菲的微生物降解的促进作用。采用曝气增氧+底泥生物修复剂（购置-河道筛选分离培养）的方式达到好的底泥修复效果。使水体溶解氧浓度3.0mg/L，水体COD、氨氮、总磷的去除率分别达到72%、41%和21%（刘晓伟等，2011）。2、污染底泥原位修复技术（6）大型植物修复（高效、安全、生态）湖泥进行吹填造滩、疏浚底泥岸边护坡后挺水植物修复；底泥沉水植物修复（关键：物种选择、植物种植顺序）。（7）物理处理与自然修复松土、划耕、翻土处置+植物修复底泥曝露（露滩）+植物修复……技术1—5均存在一定缺陷与不足，效果持久性差。底泥翻耕+挺水植物修复技术修筑植物适生性护岸疏挖、翻耕污染底泥图1.覆沙、翻耕和划耕处理后，不同生长阶段芦苇生物量分配及相对生长速率显著提高芦苇生长速率（2~5倍），生长初期植株生长较快，物理改良的效果更为凸显。划耕(CT)、翻耕(PT)、覆沙（SC）图2.覆沙、翻耕和划耕处理后，芦苇生物量分配及根系活力显著提高芦苇地下部分生物量和细根积累，增强了根系生长活力。划耕(CT)、翻耕(PT)、覆沙（SC）SamplesProfilesWatercontent/%Drybulkdensity/cm3g-1Porosity/%CK+Phragmitesaustralis0~5cm30.42±1.651.65±0.2537.04±2.145~10cm28.48±1.581.67±0.3138.56±1.8710~15cm28.45±2.351.82±0.1439.22±1.5815~20cm26.85±2.411.56±0.2135.49±2.56CK0~5cm33.76±2.541.76±0.2444.05±3.215~10cm28.43±1.561.86±0.3538.75±2.1410~15cm32.25±2.451.87±0.2643.17±2.3615~20cm30.43±1.281.49±0.4539.17±1.28SC+Phragmitesaustralis0~5cm28.15±2.141.92±0.3539.06±1.965~10cm20.77±2.541.67±0.2529.61±2.1310~15cm24.63±1.571.56±0.3632.39±2.4515~20cm31.77±1.681.87±0.4543.05±1.02SC0~5cm29.94±0.681.73±0.3838.39±2.365~10cm31.27±1.251.57±0.5640.00±2.1410~15cm30.71±1.681.76±0.5141.04±1.3815~20cm27.37±1.871.90±0.3739.33±1.46PT+Phragmitesaustralis0~5cm55.23±2.681.35±0.1259.08±2.255~10cm36.73±3.661.65±0.2447.54±2.3910~15cm35.82±2.651.43±0.2644.09±2.1415~20cm44.95±2.581.49±0.3554.38±1.25PT0~5cm53.47±3.121.52±0.1560.53±3.655~10cm44.48±1.981.61±0.2654.81±2.3410~15cm43.36±2.541.53±0.3651.51±1.3615~20cm34.50±2.361.77±0.2245.11±2.16CT+Phragmitesaustralis0~5cm33.95±1.581.65±0.3444.29±3.245~10cm32.48±2.451.65±0.2541.47±1.2910~15cm23.19±2.141.52±0.4132.07±1.0915~