清华大学城市水环境改善的水体修复技术开发与实践

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我国约90%的城市河流受到污染,存在水体停滞、多呈厌氧状态、复氧能力差、淤积严重、透明度低、甚至出现黑臭等现象。 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,河水中COD、NH3-N等污染物严重超标,水生生态系统结构遭到破坏。生物多样性急剧下降,城市水体生态质量受到严重影响。 功能和使用功能日益衰退,水体修复和水生态功能恢复难度明显加大。 城市河流水环境和生态系统处于失衡状态。 同时,城市污水中氮磷污染物缺乏有效去除,已成为城市水体富营养化的重要原因,造成水体生态功能下降甚至丧失。 水生生态环境的破坏已成为城市生态文明建设的重大障碍。 “处处水源被污染”、“河道黑臭”已成为许多城市面临、亟待解决的环境问题。 城市水环境综合整治和水体修复技术是解决上述问题的有效方法。 “十一五”期间,国家重大水专项城市主题重点开展城市水体修复技术研究集成和示范应用,实现了44项关键技术的突破。 建立了25个示范项目,取得了良好成效,为我国水体修复积累了技术集成解决方案和工程实践经验。

 

1.城市水体修复的科学原理和技术思路

城市水体修复技术是指依据生态学和环境科学原理,综合利用水生生物和微生物来改善或修复受污染水体的技术。 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、池塘、堤坝、水生生物等自然资源和合成材料,强化自修复、自净化能力城市水域。 或促销。

生态恢复是相对于生态破坏而言的。 生态破坏是指生态系统的结构和功能遭到破坏。 因此,生态恢复就是恢复生态系统的合理结构、高效功能和协调关系,是重建受损生态系统的功能和功能。 相关的物理、化学和生物特性。 其本质是恢复系统必要的功能,使系统达到自我维持的状态。 恢复的目的是再现一个自然的、自我调节的生态系统,使其与其所在的生态景观形成完整的统​​一体。

但将受损生态系统的结构和功能恢复到受损前的水平是一项艰巨、困难和漫长的任务。 从某种意义上说,恢复可以被定义为使受损生态系统的结构和功能尽可能接近受损前的水平。 它是针对特定受损生态系统识别其当前环境条件的限制因素,并根据生态工程原理实施系统种群建立或重建,以恢复其原有的生物多样性,使其达到自我维持和自我维持的能力。进行自我调节。 因此,必须从生态和社会需求出发,实现生态修复的预期生态效益、社会效益和经济效益; 恢复能够实现上述效益的生态系统的结构和功能; 通过系统的物理、化学、生物甚至社会和文化要素的改进。 控制并推动生态系统恢复至自我维持状态。

基于上述原则,城市水体修复的总体技术思路是:源头治理为基础、配置为主、多样化为辅、强化应急、景观共建。

源头控制是基础:城市水体水质改善应以污染源控制为基础。 源头治理应根据水环境容量而定。 在此基础上,实现水体吸收污染负荷的总量和浓度控制。

重点治理:大部分城市水体的主要问题是生态基流不足导致水流滞缓,导致水体自净能力下降甚至丧失,进而引发一系列水环境问题。 因此,改善水质最有效的途径是通过水系统部署或引入其他水源(如满足水质要求的再生水、城市雨水径流)来改善水动力流态,实现水体的良性循环。 。

多重辅助:在实现源头控制和配置目标的基础上,通过多重生态系统建设、河水充氧、底物控制等辅助技术,促进和增强水质改善和生态修复的效果。

强化应急处理:人工强化处理法是对河水(包括循环和旁路)进行人工处理的技术。 通常投资和成本较高,一般用于需要应急响应的情况(如污染事故、黑臭河道等)。

景观共建:大多数城市水体都具有一定的城市景观功能。 采用生态处理技术时,可考虑与景观建设相结合,以达到良好的感官效果。

2 水体修复技术研究进展

城市水体修复技术按处理对象可分为河流底质改善、河流生态修复、河流水动力调节和河流水体强化处理四大类。 整体技术系统组成如图1所示。

生态环境修复技术_生态修复环境技术方案_生态环境修复技术是干什么的/

2.1. 城市河流水动力控制技术

自然条件下,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所需的氧气。 但当水体严重污染或超载时,过多的有机物排入水中,大气复氧无法及时补充消耗的溶解氧。 溶解氧含量大大降低,出现缺氧或缺氧河段,从而威胁好氧条件。 生物的生存。 另外,水体溶解氧过低,导致厌氧菌大量繁殖,引起厌氧分解,产生甲烷、硫化氢等气体,造成黑臭问题。 这时就必须采取必要的措施来改善水质。 此类技术包括水量和水质调节以及曝气和复氧,见图2。

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在污染严重的水体中,仅靠自然复氧,河水的自净过程非常缓慢。 因此,需要人工曝气来弥补自然复氧的不足。 河流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,在很多场合得到优先使用。 河流人工曝气技术可以在短时间内提高水体的溶氧水平,增强水体的净化功能,消除黑臭,减轻水体的污染负荷,促进河流的恢复生态系统; 另外,河道曝气技术因地制宜,占土地面积较小,投资少,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,还可以实现环境效益和经济效益的统一,有利于项目的长期管理。 但要真正发挥人工曝气和河水复氧的实际效益,需要制定该技术应用的具体方案,获得可行的增氧量、曝气方式、季节等。优化组合,充分考虑城市景观和经济。 性原则。 常用曝气技术的特点如表1所示。

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我国约90%的城市河流受到污染,存在水体停滞、多呈厌氧状态、复氧能力差、淤积严重、透明度低、甚至出现黑臭等现象。 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,河水中COD、NH3-N等污染物严重超标,水生生态系统结构遭到破坏。生物多样性急剧下降,城市水体生态质量受到严重影响。 功能和使用功能日益衰退,水体修复和水生态功能恢复难度明显加大。 城市河流水环境和生态系统处于失衡状态。 同时,城市污水中氮磷污染物缺乏有效去除,已成为城市水体富营养化的重要原因,造成水体生态功能下降甚至丧失。 水生生态环境的破坏已成为城市生态文明建设的重大障碍。 “处处水源被污染”、“河道黑臭”已成为许多城市面临、亟待解决的环境问题。 城市水环境综合整治和水体修复技术是解决上述问题的有效方法。 “十一五”期间,国家重大水专项城市主题重点开展城市水体修复技术研究集成和示范应用,实现了44项关键技术的突破。 建立了25个示范项目,取得了良好成效,为我国水体修复积累了技术集成解决方案和工程实践经验。

1.城市水体修复的科学原理和技术思路

城市水体修复技术是指依据生态学和环境科学原理,综合利用水生生物和微生物来改善或修复受污染水体的技术。 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、池塘、堤坝、水生生物等自然资源和合成材料,强化自修复、自净化能力城市水域。 或促销。

生态恢复是相对于生态破坏而言的。 生态破坏是指生态系统的结构和功能遭到破坏。 因此,生态恢复就是恢复生态系统的合理结构、高效功能和协调关系,是重建受损生态系统的功能和功能。 相关的物理、化学和生物特性。 其本质是恢复系统必要的功能,使系统达到自我维持的状态。 恢复的目的是再现一个自然的、自我调节的生态系统,使其与其所在的生态景观形成完整的统​​一体。

但将受损生态系统的结构和功能恢复到受损前的水平是一项艰巨、困难和漫长的任务。 从某种意义上说,恢复可以被定义为使受损生态系统的结构和功能尽可能接近受损前的水平。 它是针对特定受损生态系统识别其当前环境条件的限制因素,并根据生态工程原理实施系统种群建立或重建,以恢复其原有的生物多样性,使其达到自我维持和自我维持的能力。进行自我调节。 因此,必须从生态和社会需求出发,实现生态修复的预期生态效益、社会效益和经济效益; 恢复能够实现上述效益的生态系统的结构和功能; 通过系统的物理、化学、生物甚至社会和文化要素的改进。 控制并推动生态系统恢复至自我维持状态。

基于上述原则,城市水体修复的总体技术思路是:源头治理为基础、配置为主、多样化为辅、强化应急、景观共建。

源头控制是基础:城市水体水质改善应以污染源控制为基础。 源头治理应根据水环境容量而定。 在此基础上,实现水体吸收污染负荷的总量和浓度控制。

重点治理:大部分城市水体的主要问题是生态基流不足导致水流滞缓,导致水体自净能力下降甚至丧失,进而引发一系列水环境问题。 因此,改善水质最有效的途径是通过水系统部署或引入其他水源(如满足水质要求的再生水、城市雨水径流)来改善水动力流态,实现水体的良性循环。 。

多重辅助:在实现源头控制和配置目标的基础上,通过多重生态系统建设、河水充氧、底物控制等辅助技术,促进和增强水质改善和生态修复的效果。

强化应急处理:人工强化处理法是对河水(包括循环和旁路)进行人工处理的技术。 通常投资和成本较高,一般用于需要应急响应的情况(如污染事故、黑臭河道等)。

景观共建:大多数城市水体都具有一定的城市景观功能。 采用生态处理技术时,可考虑与景观建设相结合,以达到良好的感官效果。

2 水体修复技术研究进展

城市水体修复技术按处理对象可分为河流底质改善、河流生态修复、河流水动力调节和河流水体强化处理四大类。 整体技术系统组成如图1所示。

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2.1. 城市河流水动力控制技术

自然条件下,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所需的氧气。 但当水体严重污染或超载时,过多的有机物排入水中,大气复氧无法及时补充消耗的溶解氧。 溶解氧含量大大降低,出现缺氧或缺氧河段,从而威胁好氧条件。 生物的生存。 另外,水体溶解氧过低,导致厌氧菌大量繁殖,引起厌氧分解,产生甲烷、硫化氢等气体,造成黑臭问题。 这时就必须采取必要的措施来改善水质。 此类技术包括水量和水质调节以及曝气和复氧,见图2。

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在污染严重的水体中,仅靠自然复氧,河水的自净过程非常缓慢。 因此,需要人工曝气来弥补自然复氧的不足。 河流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,在很多场合得到优先使用。 河流人工曝气技术可以在短时间内提高水体的溶氧水平,增强水体的净化功能,消除黑臭,减轻水体的污染负荷,促进河流的恢复生态系统; 另外,河道曝气技术因地制宜,占土地面积较小,投资少,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,还可以实现环境效益和经济效益的统一,有利于项目的长期管理。 但要真正发挥人工曝气和河水复氧的实际效益,需要制定该技术应用的具体方案,获得可行的增氧量、曝气方式、季节等。优化组合,充分考虑城市景观和经济。 性原则。 常用曝气技术的特点如表1所示。

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2.2. 城市河道底质改善技术

在城市河流中,底泥是进入河流的陆地污染物(营养盐、重金属、有机毒物等)的主要积累场所。 在不同的环境影响下(温度、风、波浪、溶解氧等),沉积物不仅能净化湖泊水体,而且由于污染物含量丰富,成为污染水体的潜在内源污染源,增加污染负荷的上部水体。 底泥改良技术是有效遏制此类内源污染物排放的有效手段。 常用的技术有底泥清淤及原位修复技术、景观河道生态修复底泥清淤及处理处置技术等。

(1)底质疏浚及原位修复技术。

生态底泥疏浚是利用生态疏浚工程,将污染最严重、释放量最大的上层污染底泥按照环保要求移出水体,避免因释放和溶解而可能产生的再悬浮和溶解。河流和湖泊沉积物的动力效应。 由此产生的河水富营养化和藻类的产生和发展等问题,从而达到控制底沙排放二次污染的目的。 是控制内源污染最有效的工程技术措施之一。

采用原位修复技术,利用开发的环保型双固定化功能载体和筛选出的具有高效净化性能的功能生物,通过河底良性栖息地的构建、定向强化净化以及使用底部基质加速器等手段。 对污染基质进行原位生态固化覆盖联合修复。

(2)景观河道生态恢复底泥疏浚及处理技术。

沉积物也是水生生态系统的重要环境要素之一,其物理化学性质直接影响水生生态系统的结构和功能。 可考虑优化协调河湖底泥疏浚与底栖生态重建,避免过度疏浚对河湖底泥生态造成破坏。 针对疏浚底泥支撑能力下降以及搬迁的环境和经济成本,需要发展可实现精准疏浚的河湖底泥生态恢复疏浚技术。

(3)底质基础改造及污染生态修复技术。

从疏浚、硬化、引水、曝气、充氧等单一处理技术研究转向多种处理技术的综合应用研究,以降低河流管理的投资和运行成本,确保处理效果持续稳定。 沉积物处理技术的研究和应用表明,针对目前有机质含量高、Eh低的城市河流沉积物,与物理化学修复相比,应在改善基础物理化学环境的基础上采用生物修复。 ,特别是植物修复方法可能更合适。

(4)疏浚底泥及处理处置技术。

根据疏浚泥沙的自然沉降速度设计水力疏浚泥沙排放场,防止水力疏浚污泥随着自然澄清液回流再次排入水体。 针对疏浚污泥,我们开发了建筑材料、陶瓷颗粒等高效脱水和资源化技术,实现疏浚泥沙的可持续管理。

(5)泥沙污染抑制剂技术。

为解决厌氧条件下底泥释放污染物而导致水质恶化的问题,开发了具有强氧化性、高效释氧性、物理阻隔性和化学固化性的沉积抑制剂(材料),在抑制沉积物方面非常有效。抑制黑色物质。 对恶臭和突发污染事故具有显着、快速的治理效果。

2.3. 城市河流生态修复技术

(1)复合生态浮岛水质改善技术。

主要内容是选择水生植物和种植可以恢复水体生物多样性的生态草。 对氮、磷养分和有机物有一定的去除作用。 可以改善水质,增加水体的透明度,控制水体的丰富度。 营养化(减缓藻类生长速度,减弱藻类爆发程度),减少以再生水为补给水源的景观水体换水频率。 在没有外部水源补充的情况下,夏季藻类爆发时间可推迟1~2天,爆发高峰也可降低30%左右。 该技术特别适用于以再生水为主要供水来源的北方地区滞水/缓流景观水体的水质维持和改善。

(2)多级复合流人工湿地异位恢复技术。

通过多级复合流人工湿地的建设,解决了传统人工湿地运行效果不稳定、反硝化效果一般、填料易堵塞、冬季处理效果差等诸多问题,使得人工湿地的主要水质指标出水稳定达到地表水IV类标准。 该技术对COD、总氮、总磷有良好的去除效果。 在进水水质波动较大、水质较差的情况下,出水水质仍能稳定满足地表水IV类要求。 多级潜流湿地示范工程处于稳定运行阶段,COD、TN、TP去除率可达70%~90%。 该技术主要用于改善和长期维持景观水体水质,适用于征地方便的地区。

(3)城市黑臭河道原位生态净化综合技术。

包括底泥污染控制释放与底泥生境改善、黑臭河道水体生物屏障净化与藻类治理、黑臭河道水体生态接触氧化等。城市黑臭河道原位生态净化综合技术体系已形成形成以浮船式曝气机为动力设备,进行混凝剂的添加、溶解、搅拌、反应,实现曝气与混凝的有效结合; 科学控制增氧机与生态浮床的距离,消除增氧机对生态浮床植物生长和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促进化学混凝加速和稳定水体的澄清,防止因曝气机的运行和水流的搅动而引起的絮体的再悬浮,并确保项目的长期有效性。 根据该方法设计的技术系统具有集成度高、投资和能耗低、操作简单、管理维护方便、见效快、见效快等优点。

(4)景观河道生态拦截及旁路滤床技术。

生态滤床是根据自然湿地的结构和功能,利用系统中基质、水生植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用,人工设计的污水处理生态工程技术,实现污水处理的目的。污染物高效处理。 降解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、景观生态兼容性好、自然效益和社会效益好的优点。 已广泛用于处理各类污水。

生态滤床一般以支流形式将河水引入滤床。 该系统填充有较强反硝化除磷功能和较大比表面积的多孔介质,使其具有良好的水力性能,能更好地拦截河水中的颗粒物。 通过植物选择、碳源调节、溶解氧调节、前后强化除磷等,可以提高脱氮除磷效率。

(5)生态护坡技术。

生态护坡工程是以可靠土工程为基础的生物工程。 它是实现稳定边坡、减少水土流失、改善生境生态等功能的综合工程技术。 目的是重建受损的河岸生态系统,恢复固坡、截污等生态功能。

2.4. 强化城市河道水处理技术

(一)城市河湖原位强化治理关键技术。

发展缓流水体强化循环流和生物接触氧化技术,强化水体流动,降低水中污染物和营养物质含量,改善水质。 提出了不同流量对普通藻华和混合藻的影响,并提出了水华控制流量; 对不同填料进行接触氧化试验,筛选最佳填料,并研究对主要污染物的去除效果。 污染物去除率为叶绿素40%、COD 50%、TN 20%、TP 40%、NH3_N 60%。

(二)综合技术加强河流水体边沟管理。

针对生活污水、工业废水含有量大、难生物降解成分含量高、底泥污染严重、河水黑臭、油类物质浓度显着高等特点,边沟化学絮凝(即一-建议水平增强治疗)。 将其与接触氧化修复相结合处理黑臭水体,可有效抑制黑臭现象。

(3)景观水化学-微生物-水生植物复合强化净化及藻类生长控制技术。

针对景观河道水体自净能力差、富营养化严重、藻类过度生长等问题,通过微生物、化学等复合强化集成技术,开展水质净化与控制的原位修复技术研究。和水生植物。 我们研发的《改善景观水体》《水质药剂投加方法及设备》《富营养化水体治理方法及设备》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。

该技术包括工艺创新、碳源补充、填料选择、防堵塞等方面的研究。 为了保证反硝化反应的顺利进行,必须提供充足的碳源。 添加PHA聚羟基脂肪酸酯、PBS聚丁二酸丁二醇酯等。 以5种有机物为碳源,研究各种碳源的反硝化率及硝态氮的去除效果。 结果发现,添加麦秆、PBS、PHA后的出水符合A级标准; 城市污水处理厂尾水达到A级标准时,出水水质可达到:COD为18~32mg/L,氨氮小于0.5mg/L,总氮为1.5~3.5mg/L ,总磷为0.1~0.3mg/L,除总氮偶尔较高外,符合地表水体V类标准。

(5)污水处理厂尾水多点排放生态拦截技术。

选择最佳的填料组合,通过生态截流填料的截流吸附,降低尾水中的污染负荷。 尾水长时间流经填料后,填料表面的生物膜可以进一步降解尾水中的污染物。 污水处理厂尾水排放后,大阻力配水系统将尾水均匀分配至一级生态填土区,再通过底部配水廊道上升至二级生态填土区。 经过二级填料的尾水最终采用生态透水砖,实现污水处理厂尾水深度净化后分散排放。 该方法可有效减少污水处理厂尾水排放对河道水质的不利影响。

3.城市水体修复技术实践与成效

3.1 城市水体修复技术应用

“十一五”期间,城市水主题专项建设示范工程25个,整治城市河道50多公里,水体总面积超过7平方公里。 涉及流域分布及应用关键技术类型分布如图3所示。

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3.2 城市水体修复技术应用效果

(一)太湖流域示范区主要水质指标提高一级,达到Ⅴ类水标准。 水体黑臭现象消除,水质改善,COD、氨氮、总氮、总磷均明显降低,溶解氧增加。 生态修复期间,氮、磷年去除量分别达到0.1kg/m2和0.02kg/m2。 清洁水体水生生物中浮游植物和指示物种多样性增加,浮游动物由原生动物转变为以轮虫为主,鱼类和底栖生物数量显着增加。

黑臭河道治理效果:溶解氧由0.5mg/L提高到6mg/L(平均),浊度下降80%,总磷下降60%,COD、氨氮去除50%~60%,氧化还原电位和透明度显着提高,黑臭味得到遏制,藻类爆发性生长得到有效控制。

(二)海河流域示范区水质达到IV类水体标准。 水体臭味消失,透明度明显提高,河道浮萍、藻类生长得到有效抑制,沉水植物开始自我恢复,示范段水生动物(如鱼类)河道物种(底栖动物)数量也显着增加。

该示范工程集成了喷泉曝气、潜流湿地等多项关键技术,实现了各项技术的优势互补。 实际运行后,COD、TN、TP年均去除率分别可达80%、90%、75%左右。 出水水质已达到地表水IV类要求,优势显着。

(3)三峡库区示范区污染物减排(COD)约占三峡库区重庆段2010年城市污染物排放量的15.1%。库区提升一级,基本满足水体功能水质要求。 水系基本畅通,流量增加近一倍,黑臭已消除。 与修复前脏乱差的水面相比,修复后的水体清澈了。 表面无污垢。

(四)巢湖流域示范区水质达到地表IV~V类标准。 水生湿生植物种类由14种增加到60种。浮游植物多样性增加。 原生动物的生物量和密度均较恢复前显着升高。 底层栖息地物种数量也显着增加,水生生态系统的结构和功能逐渐恢复。

水体COD、TN、TP分别下降49.4%、7.5%和66.8%。 经过生态工程净化后,COD、TN、TP去除率分别为22.4%、50.4%和39.1%,水质改善一级。

(五)温州九山外河、温州山峡河、南宁科利河航道、南宁新卫河航道、昆明盘龙河示范河段全面消除黑臭,主要指标达到Ⅴ类水标准要求; 扬州宏泰支河、曲江湖、南京江心洲、内秦淮河中段等轻度污染景观水体已得到恢复。 主要水质指标达到IV类,常规污染物削减率平均达到30%。

4、展望

发达国家城市河流管理已完成从污染控制到水体修复的过程,水环境得到改善。 莱茵河和泰晤士河的治理就是成功的案例。 近年来,在河流水污染治理技术方面,先进国家已从单纯的“污染治理”技术发展到“水生态修复与修复”,实现了“水污染治理”向“流域水生态系统”的目标。 生态河床、生态堤坝等生态修复技术研究工作相继开展,如日本玉木川、淀川等多条河流的生态修复,取得了良好的效果。在技​​术体系方面,河流水质改善技术总体呈现多元化、集成化、系统化发展趋势,主要从流域污染特征出发,构建水污染治理技术体系以流域为尺度进行水环境整治,最终达到改善流域水环境质量的目的。

我国城市水体修复技术在“十一五”期间得到全面开发应用,取得了良好的治理效果,但尚未从根本上解决城市水体​​污染问题。 在后续的集成应用和工程实践中,应遵循“源头控制为主、配置优先、多元化为辅、强化应急、景观共建”的技术思路,进一步加强水体的综合集成和组合应用。修复技术,强调协同控制作用,注重水体修复工程的运行管理和长效机制,必将推动我国城市水环境改善和水生态文明建设进入良性循环。

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