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    生物技术在河道修复中的应用
    作者:admin 发布日期:2020-03-02 15:45

      

    城市河道黑臭主要是过量纳污导致水体供氧和耗氧失衡的结果,水体缺氧乃至厌氧条件下污染物转化并产生氨氮、硫化氢、挥发性有机酸等臭恶臭物质以及铁、锰硫化物等黑色物质。生活污水是导致城市河道黑臭的最普遍和最主要的污染源。其他污染源还有:生活垃圾、有机工业废水、合流制管网溢流污水、污水厂尾水、畜禽养殖场粪便污水等。消除城市河道黑臭、改善城市水环境质量,对保障城市人居健康、促进社会和谐与经济持续发展具有极其重要的现实意义。

      生物修复是指利用特定的生物吸收、转化、清除或降解环境污染物,从而使受污染环境能够部分或完全地恢复到原初状态的生物措施。目前,污染水体的修复技术主要物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术等,而生物修复技术具有环境友好、生态节能的优点,是最具发展前景的主体修复技术。

      1水生生物基础性修复技术

      1.1微生物强化净化

      用于黑臭水体治理的微生物修复主要有三类:一是直接向污染河道水体投加经过培养筛选的一种或多种微生物菌种;二是向污染河道水体投加微生物促生剂(营养物质),促进“土著”微生物的生长;三是生物膜技术。生物强化技术实际上是外源微生物投放技术,已广泛应用于水产养殖、农业等领域,向水体中添加一定量的微生物制剂,能够加速水体中污染物降解,增强水体的自净功能,在我国城市水环境治理中,应用的微生物制剂主要包括美国的Clear-Flo系列贝博手机登陆入口、LLMO(Liquidlivemicroorganisms)生物活性液、日本的有效微生物菌群(Effectivemicroorganism,EM)、中国的光合细菌(Photo-synthesisbacteria,PSB)、硝化细菌等,并取得了一定的治理效果。上海市水务部门应用水底曝氧和投放微生物相结合的办法治理西双泾河道,实现全面消除黑臭。上海玉垒环境生物技术有限公司使用“东江放线菌”对苏州河底泥进行了修复,效果明显,此外放线菌对皂河黑臭水体也有较好的处理效果。用生物复合酶污水净化剂对黑臭水体进行修复实验,其对水体致黑臭污染物等有较高的去除率,并能提高水体的复氧功能,消除水体黑臭。生物促生技术是通过对自然界中污染物降解者-土著微生物的促生作用,为之创造一个能顺利完成自然降解功能的环境,强化污染环境的自净能力,加速对有机污染物的分解。

      利用生物促生技术已取得上海上澳塘、随塘河、绥宁河、广州市朝阳涌、古廖涌和上海静安公园、南京总统府公园等多项城市河湖治理成功案例。生物膜技术是指使微生物群体附着于某些载体的表面上呈膜状,通过与污水接触,生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为营养吸收并加以同化,从而使污水得到净化。综合国内外的具体工程实例来看,生物膜技术在中小河流净化方面具有净化效果好、便于管理等优点。针对我国目前环保设施建设资金短缺、技术落后,废水处理率低,大部分城市地区的污废水还是由散流、漫流、渗入或汇入周围水体的现状,生物膜技术在我国中小河流黑臭的综合整治中具有广阔的应用前景。

      1.2水生植物净化

      水生植物净化法是利用水生植物的自然净化原理达到净化污水降低污染负荷之目的。利用水生植物来净化水质就是利用其具有的消化吸收污染物质、承受一定的环境胁迫的能力来实现的,而水生植物有着其自身的承受极限,水质过度恶化超过极限则水生植物不能生存,因此在黑臭河道治理中,因为水质条件极为恶劣,在选择植物种类时要进行一定的预培养试验,一般大型水生植物分为挺水植物、沉水植物、漂浮植物和浮叶植物,其中水葫芦、香蒲、水芹菜、大薸、水葱和薸草等水生植物对河道黑臭具有明显的净化作用。以水生植物为主要操纵对象的修复技术,目前应用比较多的主要是生态浮床或生态浮岛、人工湿地和水生植物氧化塘。

      生态浮床或生态浮岛是以水生植物为主体,运用无土栽培技术原理,使用可漂浮与水面的材料为载体和基质,采用现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术。它是应用物种间共生关系和充分利用水体空间生态位和营养生态位的原则,建立高效的人工生态系统,以削减水体中的污染负荷。目前,在国内已有多处利用生态浮床技术的示范性工程。在福州市白马支河运用生态浮床修复技术进行治理,在河道内安装面积达2352m2的浮岛,浮岛上栽培的植物有近40种,还栖息着多种昆虫、两栖类和鸟类等动物,该实验河道每天排入的污水约5000吨,进水水质BOD5为80~120mg·L-1,经处理后的BOD5小于11mg·L-1,昔日的恶臭已基本消失。

      人工湿地进行污水净化的研究始于20世纪70年代末。在人工湿地技术的应用中,其选择使用的水生植物的耐污和净化性能是这一技术能否正常发挥污染治理效能的关键所在。其净化原理主要为:接触沉淀作用、水生植物的根部对氮、磷的吸收作用、土壤的脱氮作用和土壤中的矿物质的吸附与离子交换作用。蒋跃平将人工湿地用于水体富营养化,发现植物对氮磷的去除贡献分别为46.8%和51%。德国利用水平流和垂直流湿地芦苇床系统处理富营养化水体中营养物质(N、P等),并进行比较,结果表明,超过90%的有机污染和N、P等污染被去除。加拿大潜流芦苇床湿地系统在植物生长旺季中的TN平均去除率为60%,TKN为53%,TP为73%,磷酸盐平均去除率为94%。英国芦苇床垂直流中试系统用于处理高氨氮污水,平均去除率可达93.4%。日本为渡良濑蓄水池修建的人工芦苇湿地不仅使得蓄水池水质得到明显改善,而且水体生物多样性也有所恢复。深圳石岩河人工湿地显著降低了污水污染物含量。它们不仅用于处理生活污水,也开始用于处理工业废水、硫化合物和重金属.

      2生态工程综合性修复技术

      2.1河道曝气生态净化

      河道曝气生态净化系统以水生生物为主体,辅以适当地人工曝气,建立人工模拟生态处理系统,以高效降解水体中的污染负荷,改善或净化水质,是人工净化与生态净化相结合的工艺。河道曝气生态净化系统中的氧气主要来源有人工曝气复氧,大气复氧和水生生物通过光合作用传输部分氧气等三种途径。在采用曝气生态净化系统的黑臭河道内形成了一种有多种微生物和水生动物共存的复杂生态系统,有细菌、真菌、霉菌、藻类、原生动物、后生动物、地栖动物和生水动物等.通过物理吸附、生物吸收和生物降解等作用以及各类微生物和水生生物之间功能上的协同作用去除污染物,并形成食物链,达到去除污染物的目的。该技术自20世纪60年代在一些国家得到应用。例如,英国的泰晤士,德国的Berlin,美国的Hamewood河等都安装了曝气复氧装置,水质得到明显改善。上海市环境科学研究院对苏州支流新经港进行水体曝气复氧生物修复试验后,水体黑臭基本消除。

      2.2污水稳定塘(氧化塘)处理技术

      稳定塘(氧化塘)处理技术是利用重力沉淀、微生物分解转化和水生动植物的吸收作用对污染河水进行净化,在美国称为稳定塘,在我国习惯上称氧化塘。稳定塘在国内外已有多年的研究和实践。目前,在原有稳定塘技术的基础发展了很多新型塘和组合稳定塘工艺,例如美国的高级综合稳定塘,我国的串联结构的综合生物塘等。生物氧化塘对黑臭水体具有较高的处理效率,在黑臭水体预处理基础上,通过底泥生物氧化、水体增氧、水体生态恢复等技术手段,对河道进行生物修复,能有效地消除水体黑臭、提高河涌水体自净能力。

      2.3生物珊修复技术

      生物栅是按照生态学原理、根据水质强化净化要求构建而成的一种近自然型水环境治理与生态修复装置。生物栅技术是生态修复技术中的一种,它利用植物、微生物、水生动物和底栖动物等生态要素的协同作用来实现生态修复功能,在有限的空问内富集巨大的生物量,以达到快速、高效的处理效果。生物栅系统具有巨大的由植物根系和组合填料形成的表面积,对固体物质、胶体物质及NH3-N等有一定的沉降、拦截和吸附作用。黄民生等在上海市黑臭及富营养化中小河道治理中应用2种型式的生物栅开展了试验与实践研究,取得了良好效果。

      2.4多功能河道生态工程修复

      多功能河道生态工程修复是将城市河道设计成具有多种自然景观和生物类群,景观与净化功能并存的河道净化系统,是一项利用多功能河道净化水中污染物质的生态工程技术。近年来,生态河道的理念已逐步开始为人所接受。生态护岸工程是生态河道建设中的关键。自然原型护岸主要采用种植植被保护河堤,增强城市的自然景观,为人们休闲娱乐、亲近自然提供了良好的场所。多功能河道生态工程修复技术最早在20世纪80年代末在瑞士、德国等国兴起,后来90年代在日本得到迅速发展。这种生态工程污水净化技术多采用有效附着或固定微生物的载体替代混凝土护坡,并在河道可用的空间有效地利用于培植水生生物,以确保河道对水中的污染物质的有效净化。

      2.5底泥生物氧化技术

      底泥生物修复是通过土著微生物定向扩增,就地大量繁殖土著微生物,利用土著微生物、各种电子受体、共代谢底物等生物氧化组合技术生产出药物,通过靶向给药技术直接将药物注射到河道底泥表面,对河道黑臭底泥进行生物氧化,可有效降低底泥有机物含量和耗氧速率,提高底泥对上覆水体的生物降解能力,促进底泥微量营养释放和藻类生长。如在广州市朝阳涌治理中,通过底泥生物修复有效减少河道污染负荷,强化河道自净能力。冯奇秀利用河道底泥接种专业培养基,研制的底泥生物氧化高效配方制成复合制剂能显著促进河涌底泥氧化层的形成,强化底泥对有机污染物分解能力,底泥对上覆水体生物氧化能力也逐步增强。

      3 生物-生态组合性修复技术

      由于黑臭水体受污染情况复杂,单用一种修复方法往往不能达到理想的效果。雷恒毅采用底泥曝气、底泥稳定化、土著微生物激活三种技术组合,通过氧化底泥硫化物,稳定底泥重金属及磷、底泥及水体微生物修复等手段消除河道黑臭。金承翔将曝气充氧技术、微生物净水技术、植物净化技术及生物促生技术进行组合并用于上海市中心城区黑臭水体污染治理与生态修复,对黑臭水体的COD净化率可达80%左右,对BOD5和NH3-N可达90%以上,能够实现黑臭水体生态系统的快速恢复。熊万永采用曝气生物塘和人工湿地相结合的组合生物-生态技术基本消除了福州白马支河黑臭,近一年运行监测结果表明,该系统净化效果好,可达到景观用水的水质目标。在苏州河支流-绥宁河的治理中,通过曝气复氧、投加高效微生物贝博手机登陆入口及生物促生液、放养水生植物等技术的组合应用,使得河水消除了黑臭,河道分区监测结果证实了单一工程措施的治理效果不及组合技术。利用生物氧化塘进行预处理后,通过底泥生物氧化、水体生物修复和河道生态恢复等技术,有效治理了广州市古廖涌水体黑臭。厌氧生物膜床结合水生植物塘工艺对温州北山河COD高1550mg·L-1的黑臭河水进行治理,不但黑臭完全消除,而且河水具有一定的自净能力。采用人工曝气、稳定塘、模拟自然河流道、渗滤坝净化、湿地、水生植物等物理-生物-生态技术相结合的组合工艺,对清河下游河道污染水体进行处理,有效地去除水中的有机物污染和黑臭。采用底泥曝气、底泥稳定化及激活土著微生物等集成技术基本消除了重污染感潮河道黑臭现象。针对清河口水污染现状,利用河道附近低洼坑塘,采用人工曝气和生态湿地相结合的工艺,有效去除了水体有机物和黑臭。

      4展望

      生物修复技术在城市黑臭河道的治理中得到广泛的使用,但其本身是一个极为复杂的系统工程,加之我国目前城镇小河流水体的污染状况均较为严重,在借鉴国外成功治理经验的基础上,笔者认为今后生物修复技术在城市河道黑臭治理过程中的应用还需要关注以下几个问题。

      1)黑臭水体的修复首先应因地制宜,根据水体受污的实际情况,结合一定的物理、化学修复技术,才能有效的实施生物修复措施。同时应加强原位生物修复与异位生物修复相结合的生物修复技术试验,探索治理城市河流黑臭的有效共性修复技术。

      2)城市黑臭水体属于重污染型水体,其生物修复中选取的微生物、植物或水生动物种类特性是决定其污染治理的关键。因此加强高效生物物种的筛选和开发是该领域中的一项重要任务。

      目前,还缺乏生物修复技术在城市河流黑臭治理使用过程中对整个区域环境的影响以及风险评估。在今后的工作开展中应对生物修复技术使用的区域环境生态风险评估方法、评价标准和评价体系加强研究。

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