河流微污染水体的直接生物强化净化机理与试验研究
河海大学 博士学位论文 河流微污染水体的直接生物强化净化机理与试验研究 姓名：田伟君 申请学位级别：博士 专业：环境工程 指导教师：王超
河蕾魂掌博士掣啦诧?文（擅差，）ｌ＿＿●＿＿＿－＿ｌ－Ｉ●＿ｌ●＿＿＿＿＿＿＿●ｌ＿－＿＿●＿＿＿＿摘要近年来，由于经济快速发展和城市的快速扩张。城市周围中小河流的污 染事故不断发生，河流生态系统严重受损．这使得如何防治河流进一步恶化、 保护水资源，走可持续发展的道路成为人类共同追求的目标。本文以中小污 染河流为研究对象，综合国内外对河流徽污染水体强化净化技术的研究成果 并结合我国河流大多被村砌、水深普遍较浅、河道顺直、水量小、流速慢、 污染重的特点以及经济基础还比较薄弱的现实情况，采用新型生物填科直接 布设在河道内的生物接触氧化法，对河流微污染水体进行直接净化研究。 首先．仿照河流生态系统中的臭轮藻（Ｃｈａｒａ．ｔｏｅｔｉｄａ）设计了新型生物 填料，它具有大的比表面积和很强的弹性、韧性和柔性，不需要支架或框架 就能够直接站立在。河床”上，并能随水流流动而自由摆动，非常适合河流 等具有复杂多变水流条件的微污染水体的生物强化净化。同时新型生物填料 在以河道中原有的天然生物菌群作为种源，水量为河道缓流水体的自然流量 的条件下在天然河流中经过３０天的动态培养，ＣＯＤＭ。的去除率稳定在１０％左右、Ｎｍ＋．Ｎ的去除率稳定在４０％左右，而填科丝上的生物膜的外观也经历了无色透明、淡绿色、黄绿色、褐绿色、黑褐色的交化过程。同时填料丝 上的生物也对应出现从无到以藻类为主，再到出现菌胶团，最后直至出现微 型动物的一系列变化过程，标志着新型生物填料在河流中动态挂膜的成功。 其次，对成功挂膜后的生物填料进行不同时期对污染物质去除艨力的试验发现。由于试验河段进水污染物浓度低（大多数时间属于地表水环境质量标准中的ＩＩＩ类）．这在一定程度上影响舞污染物质的去除效果，使污染物质 的去除率偏低。有机污染物质在半年的试验期问，总的净去除率比较稳定， 但去除率不高，都在１０％以内：氮氮净去除率的范围在５．３５％～３９．９１％之间； 而总磷的净去除率最高为２８．６％。在试验过程中发现异养菌数量与有机质的 去除事具有相同的趋势。Ｎｌ｛．＋．Ｎ的浓度变化曲线与硝化蕾的数量有相同的变化趋势，说明河流中有机物的生物降解主要是由异养苗完成的，而试验河段内的ＮＨ４４＂ｖＮ的去除主要是靠硝化菌的硝化作用来完成的。此外，本文根 据河流好氧推流的特点并应用Ｍｏｎｏｄ动力学方程式，推导出了适于河流微 污染水体的以ＣＯＤＭ。表示的有机物的生物降解模式和氨氮生物降解模式。 从而为该技术的推广和应用提供理论依据。最后?从填料给水流带来酶阻力及对河道泄水能力的影响方面来进行河道内直接布设生物填料对河流水动力条件的影响分析和对生物填料的布设 位置、布设形式、布设长度与布设密度对净化效果的影响分析，确定了．河流Ⅱ河海大学博士掌位论文ｆ擅耍）内生物填料的最佳布局，进一步说明了该技术直接在河流中应用的可行性。关键词：新型生物填料，生物膜，强化净化，异养菌，硝化菌，降解模式 布局ＩＩＪ河海大掌博士掌位论文（Ａｂｓｔｒａｃｔ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｃｏｎｏｍｙａｎｄ ｆａｓｔａｒｅｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｔｙ，ｔｈｅ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｒｉｖｅｒｓｈａｐｐｅｎｉｎｇ ｃｏｎｓｔａｎｔｌｙ，ｒｉｖｅｒ ｅｃｏｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｅｖｅｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅ ｈｏｗ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｒｉｖｅｒ ｓｈｅｄ ｇｅｔｔｉｎｇ ｗｏｒｓｅｎ，ｐｒｏｔｅｃｔ ｔｈｅ ｗａｔｅｒｒｅｓｏｕｒｃｅｆｕｒｔｈｅｒ，ｔａｋｅ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｏｆｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｎｋｉｎｄ ｐｕｒｓｕｅｓ ｔｏｇｅｔｈｅｒ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒｒｅｇａｒｄｓｍｅｄｉｕｍａｎｄｓｍａｌｌｒｉｖｅｒｓａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｂｊ ｅｃｔｓ，ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｓ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｐｏｌｌｕｔｅｄ ｒｉｖｅｒ ｗａｔｅｒ ｂｏｄｉｅｓ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌｉｎｅｄ ｒｉｖｅｒｂｅｄ ｍｏｓｔｌｙ，ｓｈａｌｌｏｗ ｗａｔｅｒ ｄｅｐｔｈ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ，ｌｉｔｔｌｅ ｗａｔｅｒ ｙｉｅｌｄ，ｓｌｏｗ ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ， ｓｅｒｉｏｕｓ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ 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ｏｒｇａｎｉｃ ｍａｔｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｍｍｏｎｉａ ｎｉｔｒｏｇｅｎａｒｅｍａｉｎｌｙ ｆｉｎｉｓｈｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｅｔｅｒｏｔｒｏｐｈｉｃ ｂａｃｔｅｒｉａ ａｎｄ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ ｍｏｄｅ ｗｅｒｅｔｈｅｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇ ｗｉｔｈｂａｃｔｅｒｉａ ＣＯＤＭｎｔｏｉｎｒｉｖｅｒ．Ｉｎｅｘｐｒｅｓｓｅｄ ｄｅｒｉｖｅｄａｎｄａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｂｉｏｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ａｎｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒＭｏｎｏｄ ｄｙｎａｍｉｃｓｅｑｕａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｏｆｆｅｒｓ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｃｋｉｎｇ ｉｎ ｒｉｖｅｒ ｗａｓ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｂｖ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｐａｃｋｉｎｇ ｉｍｐａｃｔｏｎｒｉｖｅｒ ｗａｔｅｒ ｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｎｄｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｅｄ ｄｉｒｅｃｔＩｙ ｔｏ ｐｕｒｌｆｙ ｔｈｅ ｐｏｌｌｕｔｅｄ ｒｉｖｅｒ ｕｌｔｅｒｉｏｒｌｙ．Ｋ。ｙｗｏｒｄｓ：ｎｅｗ－ｔｙｐｅｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｐａｃｋｉｎｇ，ｂｉｏｍｅｍｂｒａｎｅ．ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｈｅｔｅｒｏｔｒｏｐｈｉｃ ｂａｃｔｅｒｉａ，ｎｉｔｒｉｆｙｉｎｇ ｂａｃｔｅｒｉａ，ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｍｏｄｅ，ｌａｙｏｕｔＶ河海大掌博士掌位论二￡（前言）＝＝；：；；；；；＝；＝＝＝＝＝；；＝＝；；；；＝＝＝＝；；＝＝＝＝；前言城市的快速发展，人口的迅速膨胀，使水资源的需求量日益增长，水污染程度也日趋严重。世界上许多国家都面临水资源短缺和水域生态环境恶化 的问题。２ｌ世纪世界水资源委员会的一份报告指出，全世界有一半以上的水 域已被污染，水域生态体系遭到严重破坏。我国水体污染也比较严重，在流 经全国４２个大中城市的４４条河流中有９３％被污染：湖泊和水库的水质也普 遍较差，７５％以上的湖泊、水库富营养化加剧。水资源的功能及作用正在不断地被弱化，已无法满足人们正常生产和生活用水的需要。因此，对受污染 的河流进行人工强化净化技术研究，开发出符合我国国情的水体净化技术，已是当前社会发展和生态环境建设的迫切需要。国外对河流强化净化技术的研究与应用始于二十世纪五、六十年代的日 本、美国及欧洲一些发达国家。这些国家经济实力雄厚、技术先进，所研究 和应用的技术不受资金和技术条件的限制。而我国由于经济和技术条件的限 制，对河流强化净化技术的研究还处于起步阶段，实际应用的技术只有引水 稀释、清淤等机械物理的方法，河道曝气也只是在北京、重庆和上海等地的 小河道治理中使用过；而利用生物（包括水生植物和微生物等）对污染河流 进行强化净化的研究还只处于试验阶段。因此，本文综合国内外对河流微污 染水体强化净化技术的研究成果并结合我国污染河流大多被衬砌、水深普遍 较浅、河道顺直、水量小、流速慢、污染重的特点，采用自行研制的适于河 流复杂多变水流条件的生物填料直接布设在河道内的生物接触氧化法，对河 流微污染水体进行直接净化的现场试验研究，目的在于开发出符合我国河流 特征的水体强化净化技术，使其在应用过程中能够保持水体的原有使用功 能，从而使污染水体的强化净化技术得到更广泛的应用。这在当前我国经济 和技术条件有限，在短时期内从根本上解决河流的污染问题，即点源控制、面源截留及水体修复的综合应用不可能的情况下，具有重要的理论意义与实 用价值。本论文的独创之处在于：（１）研制出适于复杂多变水流条件的新型生物填料及其在河流中的动态挂膜历程；（２）揭示利用新型生物填料接触氧化技术去除河流微污染水体中有机 物、氮和磷的规律与机理； （３）确定既满足河流微污染水体净化目的又不影响河流原有使用功能的生物接触氧化技术的最佳技术参数。学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我～同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者（签名）：！蛰？圭盘２万年‘月岁日学位论文使用授权说明河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布（包括刊登）授权河海大学研究生院办理。论文作者（签名）：３塑受盔础，年莎月ｆ｝ｊ３卜－Ｊｌｆｒ绪论 第一章１．１研究背景和意义从吉至今，河流就与人类有着密不司分的关系，几乎所有在世界历史 上写下光辉一页的古文明…，大多起源于河流江畔，如中华文明的摇篮是黄河，印度文明和埃及文明则分别是在恒河与尼罗河，灿烂的古代巴比伦 文明则是在幼发拉底河和底格里斯河的养育下兴起并达到极盛的。我们的 祖先们傍水而居，沿河开垦农田，建立了自己的家园。在全世界范围内有 一半以上的城市是依河而筑的，在城市形成和发展中，河流作为重要的资源绪论和环境载体，关系到城市的生存，制约着城市的发展，是影响城市形态和美 化城市环境的重要因素。尤其进入近代，河流更成了社会经济发展必不可少的前提条件，河流具有供应水源、提供绿地、保护环境、调节气候、交通运输、文化娱乐等各项生态功能，在城市生态建设、拓展城市发展空间方面显示出不可替代的作用【２ Ｊ。可以说，是河流孕育了人类，是河流给人类带来巨 大的物质财富和精神财富。 水也是五大自然资源之一，它主宰着生命的生长和生存、社会经济发展 与文明进步，是无可替代的～种重要资源。一位未来学家预言：“水资源紧 缺是未来世界战争和争端的主要根源，２１世纪将是水战的世纪”。当前，水资源问题已成为举世瞩目的重要问题之一。现在，地球总水量为１３８．５Ｘ１０ｓ亿ｍ３，其中淡水储量仅为３．５×ｉ０８亿ｍ３，占总水量的２．５３％。淡水中，冰 雪固态淡水、深层地下水等还很少能被直接利用，与人类生活和生产关系最 为密切及比较容易开发剥用的水资源，仍是河流、湖泊、水库狃浅层地下淡水，但这些仅占淡水总储量的０．３４％，还不到全球总储水量的万分之一。但随着工业化和城市化的迅猛发展以及人口的快速增长，一方面对水资源的需 求量日益增长，据联合国教科文组织报道，２０世纪，淡水消费的速度是世界人口增长的两倍，工业用水也比上个世纪增加了３０倍；另一方面由于人类 活动也使水污染程度曰趋严重，据估计（３，“，全世界各城市地区每年排入水 体的工业废水和生活污水达５０００亿ｔ以上，许多河流已成了排污专道及污水的长期滞留地‘５１。美国的主要河流总长４２万ｋｍ，约有１２万ｋｍ遭到污染，兰兰尘兰兰耋兰竺兰查ｉ兰兰兰茎兰兰兰窒苎兰量丝兰兰兰兰型兰竺！：竺――占２９％，有名的密西西比河，水中杀虫剂、酚、砷、汞及氯化物的含量远远 超过应用的标准，河水混浊不堪，臭气熏天，诲多水生生物已近绝迹。日本 有４７条主要河流，其中一半已遭到严重污染，其特产的鲈鱼和樱虾因水质 污染已几乎绝种。原苏联的伏尔加河、乌拉尔河也遭到严重污染。据２ｌ世 纪世界水资源委员会的一份报告指出，全世界有一半以上的大河已被污染， 水域生态体系遭到严重破坏。目前，世界上只有南美亚马逊河和非洲的刚果 河可归入健康河流之列。 我国河流污染也十分严重，且呈发展趋势。水利部在２００３年对全国１３００ 余条河流约１３万ｋｍ河长开展了水资源质量评价【６】，结果表明：因水质污染 严重而不能用于灌溉（即劣于Ｖ类）的河段约占１７．４％；永体已丧失使用价 值（相当于ＩＶ、Ｖ类及劣Ｖ类）的河段约占３８．２％。尤其是城市河流由于 受城市发展的影响较大，河流的水污染从污染类型到污染强度都在加大。我 国８０％以上的城市河流受到污染，许多大江大河的城市段己达不到要求的水 质标准，出现水质下降、水中溶解氧含量减少、营养物质增多、水生生物群 落结构简单化、水温变幅加大、环境容量减小等河流生态系统退化的症状， 河流水体的颜色、气味也均出现不同程度的恶化，部分江河甚至成为污水的 专用通道，有机物分解率极低，许多有毒物质通过生物累积和生物放大作用 进而影响到人类健康。同时，城市景观也由于水质受到污染而景观质量下降， 严重影响了河流两岸居民的生活质量。水质污染也导致河流及其两岸的生物 多样性下降，特别是一些对人类有益或有潜在价值的物种消失。河流的生态 功能在很大程度上依赖于河流水质的清洁，河流如果成为城市排污场所，就 意味着河流生态功能的消失，河流只剩下排污的功能，对城市的生态建设将 是致命的威胁。据近年来全国水域的水环境质量调查统计【７１，在流经全国４２ 个大中城市的４４条河流中有９３％被污染，其中重污染和中度污染占７９％， ６４％的城市河段为Ⅳ类或Ｖ类水质１８１，５０％的重点水源地不符合饮用水标准， 水资源的功能及作用正在不断地被弱化，已严重影响到人们正常的生产和生 活一ｊ（如图１．１所示）。 总之，全球性河流污染问题己对人类生存和社会经济发展构成越来越严 重的威胁。因此，必须要采取有效措施，防治河流进～步恶化、保护水资源。２一；；＝＝；；；；；；；＝；＝＝＝＝‘＝≈＝＝＃＝＝＝＝；；；一饮用水质下降第一章绪论水源卜―斗―一增加给水净化费用影响工业产品质量水生态环境破坏 水生生物水产品污染河流污染对人类及社会的主要影响万］＾圣美学价值三兰卜―一兰！尘兰竺竺图１．１河流污染对人类及社会的影响分析目前，许多国家已经开始研究如何使退化的水域生态系统恢复到健康水 平。对于河流生态系统的修复方法的研究大体可归纳为以下三种：一是重建 河流周围的浅滩，增加河流的婉蜒度，从而增加河流的生境多样性和抗逆性： 二是充分利用河滨或河岸水分和营养充分的特点，先在此区恢复植被以吸引 各种动物在此栖息，进而以此为植物源向周围传播和扩展；三是要从整个生态区或大的景观层次上进行治理，因为人类对自然界的影响是大尺度的，而 且导致水体退化的原因主要不是在水体中形成的，而多是在与其相连的其它 生态系统中形成然后通过水流等排入引起的。但无论是采用哪种修复方法， 水质的恢复都是最重要的，因为河流生态系统的许多物种都对水质有严格的 要求，如河流内的沉水植物（金鱼藻、狐尾藻等）只有在清洁的水中才能生 存，可见河流水质的改善是其它修复方法使用的前提。因此，利用人工强化净化技术快速有效地直接改善河流水质就显得尤为重要了。！！兰查兰堡兰兰兰！兰二；；兰耋兰茎兰兰竺竺苎茎圭兰兰兰兰兰兰兰量兰兰：兰耋一本项目拟开展的河流微污染水体的直接生物强化净化机理与试验研究就是以环境工程学、河流水动力学、河流生态学等学科为基础，讨论新型生 物填料接触氧化技术直接应用于天然河道强化净化污染河流的机理、净化效 果及其在河道的布置方式。这在当前我国经济和技术条件有限，在短时期内 从根本上解决河流的污染问题，即点源控制、面源截留及水体修复的综合应 用不可能的情况下，开发出符合我国河流污染特征的水体强化净化技术，就具有重要的理论意义与实用价值。１．２国内外对河流微污染水体强化净化的研究现状分析水体强化净化技术是近三、四十年来国内外为解决水域污染而研究开发的重点技术，其突出特点是充分发挥现有水利工程的作用，综合利用水域内 外的湿地、滩涂、水塘、堤坡等自然资源及人工台成材料，对天然水域自恢复能力和自净能力进行强化。１．２．１国内外对河流微污染水体强化净化的研究特点分析国外对河流强化净化技术的研究与应用始于二十世纪五、六十年代的日 本、美国及欧洲一些发达国家。当时这些国家正处于经济高速发展时期，每天都有大量未经处理的工业废水和生活污水排入就近河流，结果导致河流迅 速变得污浊不堪，水质极度恶化，有些河流的溶解氧含量几乎为零，严重影响了水资源的使用功能［１０】，如英国的泰晤士河、欧洲的莱茵河、美国的Ｈｏｍｅｗｏｏｄ运河和密西西比河、日本的江户川和多摩川等等‘“州Ｊ。针对这种情况，这些国家的政府一方面加大城市污水处理厂的建设力度，减少进入河流的污染物质的量，目前，日本、美国及欧洲～些发达国家的污水处理率已达到９０％以上。另一方面就是根据本国河流的特点开始采取人工强化净化措施直接治理污染的河流，加速河流水质的恢复。 日本工业发达，人口众多，河流污染比较严重，其中ＢＯＤ５在２０ｍｇ／Ｌ 以上的河流就占全国河流的８０％以上。因此，日本是河流强化净化技术研究和应用最多的国家，常用的净化技术包括引水稀释、底泥疏浚、河道的直接 曝气、投菌、生物膜净化及水生生物净化等等‘１ ５础】。日本经济、技术实力雄厚，所研究和应用的技术不受资金和工艺条件的限制，但该国地少人多，河第一章绪F流用地大多难以保障，再加上日本的河流具有坡度大、流程短、洪水流量大、 水位陡长陡落、洪水暴发频繁，所以该国研究开发的河流强化净化技术大多是对河流的间接净化，即将净化设施建在河流的一侧，然后利用河道落差将 水引到净化设施内进行净化后再放流。此外，净化设施也多采用地下式，以节约用地。欧美等发达国家经济基础好，人少地多，河流用地可以保障，因此这些 国家在河流强化净化方面多倾向于河道的直接曝气、河道清淤、恢复河流两 岸湿地和恢复蛇形河道等的自然净化方式［２９－４２１。直接曝气耗资大、但可以达到立竿见影的效果；河道清淤工程大、投资较多；修复湿地占地面积大，但有利于河流自净能力的恢复。我国河流污染情势也越来越严峻，尤其是中小河流［４３，４４１，由于它们大多 数环绕居民区、农田，临近禽畜养殖场，又受精养鱼塘、中小型工业等的影 响，其水质受污程度相当严重。而中小河流、毛细管河流组成的水网，也是 居民用水、农业灌溉和渔业用水的主要水源。水资源的污染，不仅影响作物和鱼类的产量和品质，还会蓄积毒素，生产出有害人类身体健康的农产品。同时，众多被污河水还会通过水网最终汇入大江大河，从而直接影响大江大河的水质。但由于经济和技术条件的限制，我国对河流强化净化技术的研究 还处于起步阶段，实际应用的技术只有引水稀释、清淤等机械物理的方法，河道曝气也只是在北京、重庆和上海等地的小河道治理中使用过：而利用生 物（包括水生植物和微生物等）对污染河流进行强化净化的研究还只处于试验阶段［４５－５０１。１．２．２国内外常用的微污染水体强化净化技术综述目前，国内外用于净化微污染水体的工程技术根据处理原理的不同可分 为物理净化法、化学净化法、生物净化法及自然净化法四大类（如图ｉ．２所示）。兰兰奎兰兰耋兰兰兰查；耋鎏兰兰兰尘竺竺苎兰圭兰兰兰兰些兰兰兰羹兰兰兰―一物酣雠｛慧化学净化法｛蓑鬈差药剂ｆＣＢＳ技术投菌法｛ＥＭ技术ｌ固定化细菌技术污染河流的强化净化技术生物净化法接触氧化法ｆ芰呈篓嚣雾篓蓑氧化法生物膜法薄层流法伏流净化法 生物活性炭净化法 曝气充氧法 植物修复技术人工湿地净化技术 自然净化法 多水塘技术土地处理技术人工生态（浮）岛图１．２污染河流的强化净化技术１．２．２．１物理净化法物理净化法是采用物理的、机械的方法对污染河流进行人工净化，目前常用的方法包括引水稀释和底泥疏浚等。该类方法的突出特点是工艺设备简 单、易于操作，处理效果十分明显，但往往治标不治本。（１）引水稀释引水稀释是通过工程调水对污染的水体进行稀释，使水体在短时间内达到相应的水质标准。它的作用是以水治水，不只是增加水量、稀释污水，更重要的是能使水体的自净系数增大、水体的自净能力增强。引水稀释能激活 水流，增加流速。使水体中氧的浓度增加，水生微生物、植物的数量和种类 也相应增加，水生生物活性增强，通过多种生物的新陈代谢作用达到净化水 质的目的。引水稀释净化污染水体可达到立竿见影的效果，投资也相对较少，因此被许多国家用来改善水环境。１９６４年，日本东京为改善隅田川的水质，从利根川和荒川以１６．６ｍ ３／ｓ的流量引入清洁水进行冲污，工程完工，ＢＯＤ由原来的４０ｍｇｌＬ降到了１０ｍｇ／Ｌ，改变了隅田川的黑臭现象。美国芝加哥曾花了３ ３年的时间，建造了３条总长ｌｌ ３ｋｉｎ的人工运河，将密执安湖的水引入芝加哥河ｒ增加了该河的径流量并改善了水质【５¨。德国的鲁尔河、俄罗斯第一章FF的莫斯科河【５引、我国的黄浦江也曾使用过该方法，效果良好。但引水稀释对引水水域和引入水水域又有一定的负面影响，会导致两水域生态体系的改 变。因此，引水稀释只能是一种救急方法或水体污染治理的辅助手段。 （２）底泥疏浚技术 河流河床的底泥中含有许多有机物和氮磷营养盐，它们在一定条件下会从底泥中溶出，有机物及营养盐的溶出会使水质恶化，同时也是恶臭的主要发生源【５ ３１。而泥沙和污染物沉积严重的河流，还会影响交通和泄洪。因此，在枯水季节，要对整条或局部沉积严重的河段进行疏浚、清淤，恢复河流和湖泊的正常功能。因此，要对整条或局部沉积严重的河段进行疏浚、清淤， 恢复河流的正常功能。由于该方法技术简单，因此是目前世界各国改善水环 境使用最多方法。我国许多河流都使用过该技术，如上海的苏州河、南京的 秦淮河等。但从治理效果来看，许多河流的水质未见大的改善，有的还出现 继续恶化现象。如太湖流域于１９９９年底完成了对１４４０６ｋｍ河道的清淤，同 时实行“禁磷”，但２０条主要入湖河道的年平均总磷浓度不但没有降，反而由１９９８年的Ｏ．０６９ｍｇ／Ｌ上升到２０００年的０．１７５ｍｇ／Ｌ［５”。１．２．２．２化学净化法 化学净化法主要是指向污染的水体中投加化学药剂，通过药剂与污染物 质发生化学反应，使水体中的污染物得以去除的一种方法。如治理湖泊酸化 可投加生石灰；抑制藻类大量繁生可投加杀藻剂；除磷可投加铁盐等。化学净化法由于投加化学药剂，所以治理费用较高，而且还易造成二次污染。固 该法一般不单独使用，常与其它方法配合使用。目前该方法主要用于酸化湖 泊的治理，而在河流净化中的应用还未见有报导。１．２．２．３生物净化法在天然河流中，存在着大量依靠有机物生活的微生物，它们具有氧化分解有机物并将其转化为无机物的能力。生物净化法就是利用微生物的这～功 能，采用人工措施来创造更有利于微生物生长和繁殖的环境，培育出大量净 化能力强的微生物，以提高对污染水体中有机物氧化降解效率的一种净化方 法。该方法具有处理效果好，投资省，不需耗能或低耗能等特点，最重要的是，该法能使污染水体的自净能力逐渐恢复。目前国内外使用最多的生物净河海大掌博士掌位论文：河流微菏染水谁的直接生物强化净化机理与试验研冤化技术是投菌技术、生物膜技术与曝气技术。 （１）投菌技术 投菌技术是直接向污染水体中接入外源的污染降解菌，然后利用投加的 微生物唤醒或激活水体中原本存在的可以自净的但被抑制而不能发挥其功 效的微生物，并通过它们的迅速增殖，强有力地钳制有害微生物的生长和活动，从而消除水域中的有机污染及水体的富营养化，消除水体的黑臭，而且还能对底泥起到一定的硝化作用【５“。但由于投菌技术是直接向河流中投入菌 种，容易受水流条件影响，所以有关的科学家们正在研究菌群的固定化技术，据李正魁等应用固定化氮循环细菌技术对富营养化湖泊修复的研究显示 ［５６，５７］，固定化氮循环细菌技术能在被修复水体中人为营造一种具有良好水气通道和硝化一反硝化微孔立体结构界面的微环境，从而大大增加了水体的硝化一反硝化能力，使水体中过量的氮污染物被不断地去除。但目前应用菌种 的固定化技术进行河道治理的研究还未见。 目前国内外用于河道净化的主要有ＣＢＳ（集中式生物系统）和ＥＭ（高效复合微生物菌群）等技术。ＣＢＳ技术是由美国ＣＢＳ公司的科学家开发研制的，是一种高科技的生物修复技术。它利用向河道喷洒生物菌团使淤泥脱水，让水和淤泥分离，然后再消灭有机污染物，达到硝化底泥、净化水资源 的目的。重庆桃花溪在２０００年３月一２００１年４月间使用ＣＢＳ技术净化河水【５８Ｊ。结果显示，ＢＯＤ５的去除率为８３．１％～８６．６％，氮的去除率为５３％～６８．２％，磷的去除率为７４．３～８０．９％，净化效果十分明显。ＥＭ技术是由日本琉球大学教授比嘉照夫先生开发成功的一项微生物技术【５ ９１。ＥＭ菌群是由５科１０属 ８０多种对人类有益的微生物复合培养而成的，它在生长过程中能迅速分解污 水中的有机物，同时依靠相互间共生增殖及协同作用，代谢出抗氧化物质， 生成稳定而复杂的生态系统，抑制有害微生物的生长繁殖，激活水中具有净 化功能的水生生物，通过这些生物的综合效应从而达到净化与修复水体的目 的。据李捍东利用ＥＭ对污水处理的报道‘６０１，向水面定期投放ＥＭ菌液，ＢＯＤ ｓ的去除率达７０．７％，ＣＯＤ的去除率在６０％以上，ＥＭ还能将造成水体富营养 的氮转化成亚硝酸盐或硝酸盐，ＥＭ对磷的去除效果也很不错，去除率可达７５％。（２）生物膜技术生物膜技术是指以天然材料（如卵石、砾石及天然河床等）或人工合成第一霉蜡F接触材（如塑料、纤维等）为载体，利用在其表面形成的粘液状的生物膜对 污染水体进行净化【６卜６”。由于载体比表面积大，可附着大量微生物，因此对 污染物的降解能力很强。其降解过程可分为三个阶段：１）接触沉淀２）吸附 ３）生物降解。生物膜技术具有较高的处理效率，它的有机负荷较高，接触 停留时间短，占地面积小，投资少。因此，非常适合于城市中小河流的直接、 净化。可采用的方法主要有：人工合成填料接触氧化法、薄层流法、伏流净 化法、砾间接触氧化法、生物活性炭净化法、生物廊道等［６４－８４１。＼ 、＼＼。＼＼＼一一＼．＼＼、＼＼ｊ＿、、＼＼。＼。＼、＼ｊ＼、――一 多摩川本川――一。进水堰０进水井。进水管④进水支昔。净化砾楷＠卵石。集水井＠集水管＠集水支管０放流口＠橡胶坝图１．３日本野ＪＩＩ净化场平面布置图日本、韩国及一些欧美国家都有使用生物膜技术处理河道的工程实例。 日本野川净化场是采用砾间接触氧化法净化河水的典型工程【６５】，它设立在野 川一侧的河滩地带，为地下构造式（如图１．３所示），其各项设计指标见表 Ｉ．１。砾间接触氧化法是以卵石为填料，在其表面形成生物膜，再利用生物膜 对河水进行净化。野川净化场自建成投入使用后，大约经过６年的运行结果 观测，进入净化槽的ＢＯＤ和ＳＳ的平均值为１２．７ｍｇ／Ｌ和９．０ ｍｇ／Ｌ，经净化 槽净化后出水ＢＯＤ和ＳＳ的平均值为５．２ｍｇ／Ｌ和３．３ｍｇ／Ｌ，其去除率分别为 ７２ｔ３％和８４．９％，与计划去除率大体相同。经净化槽的河水水质明显改善，注入多摩川后，使多摩川得到稀释，大约５％～１０％的多摩川河水得到改善。此外，该净化场所需的主要原料卵石（２１４００ｍ３）是现场取自多摩川的高水９河海查兰！主兰兰竺查！ 一；；；＝；；；＝；＝＝；；；；；―――――――――一兰兰兰茎竺尘竺竺些圭丝兰兰兰堡竺兰兰兰竺竺耋；一位河床，省工省钱：取水位也是利用野川的自然水位差设计，不需动力：净化场由于采用地下构造式，上覆土砂，还可做为居民游憩的公园或广场。表Ｌ１野川净化场的各项设计指标净化方式砾间接触氧化法１．１ ５ ｍ３／ｓ１地Ｐ嗣造虱野川的低流量河流总流量 净化流量 鱼道流量 进水ＢＯＤ 进水ｓＳ出水ＢＯＤ 出水ＳＳ０ ＳＳＯＳ１ ｍ■３ ｍ耐耐班野低瀛星时的水质１６ｍｇｌＬ３．２５ ｍｇ／Ｌ２．４０ ｍｇ／ＬＢＯＤ的去除率 ＳＳ的去除率 取水方式７５％ ８５％所要滞留时间为１ ２５小时所要流下距离为１７．５ＩＴｔ设置取水堰，采用自然流下方式净化槽有效水深槽长 槽数 全槽面积卵石直径 空隙率１Ｓｉｎ（砾槽厚１．６ｍ）１８ ５ｍ８个１３６００ｍ２ ２０ｍｒｎ～ｌ ２０ｒａｍ大约３５％２１４００ｍ３２．４５ｍ卵石客量 取水堰堰高我国也在利用生物膜技术净化河流方面作了大量的试验研究，如唐玉斌等‘８５】乖０用针状球形填料的生物膜工艺对上海市区的北新泾港、漕河泾港、张家塘及华东理工大学校内的青春河进行了试验性研究。 （３）曝气技术 直接曝气技术是充分利用天然河道和河道已有建筑就地处理河流污水的一种方法。它是根据河流受到污染后缺氧的特点，采取人工措施向河道中充入空气（或氧气），加速水体复氧过程，以提高水体的溶氧水平，恢复水 体中好氧微生物的活力，使水体的自净能力增强，从而改善河流的水质状况。 该法综合了曝气氧化塘和氧化沟的原理，结合推流和完全混合的特点，有利 于克服短流和提高缓冲能力，同时也有利于氧的传递、液体混合和污泥絮凝，Ｏ第一章绪F能有效去除河流的黑臭现象［１，８６－８９］。该技术由于设备简单、易于操作而被许多国家优先选用净化河流。１９７７年，英国在泰晤士河上使用１０ｔ０２／ｄ能力的曝气复氧船‘９叭，１９８５年又使用了高达３０ｔ０２／ｄ的曝气复氧船，显著提高了水体的溶解氧，提高了水体的自净能力。１９８９年，美国为了改善Ｈｏｍｅｗｏｏｄ 运河的水质，在Ｈｏｍｅｗｏｏｄ河口安装了曝气设备［９Ｕ。结果证明，水体溶解氧显著增加，河道生物量也变得丰富起来。为进一步改善泰晤士河的水质状况，英国伦敦也在泰晤士河中安装了大型充气设备，从而增加了河中的溶解氧含量。我国部分城市的河道净化也使用了该技术，如北京清河的曝气试验工程【９“。清河是穿越北京海淀区的一条河流，由于沿河各种工厂和养殖场大量排污，清河受到严重污染。１９９０年，为确保亚运会的顺利进行，北京市在清河一个长约４ｋｉｎ的河段中利用原有水工建筑物进行河道曝气。工程运行４７天， 清河水质明显好转，ＢＯＤ５去除率达７４．７％～８８．２％，ＣＯＤｃ，的去除率为 ７９．９％～８４．４％，ＳＳ的去除率达７６．７％～８１．９％，ＮＨｊ―Ｎ去除率达４５％。曝气区 的ＤＯ从０上升到５－７ｍｇ／Ｌ，邻近水域的ＤＯ也上升到了４～５ｍｇ／Ｌ。人工曝气复氧需要的技术含量较高，投入的资金也较大。因此，从经济、环境的角度出发，应当充分利用天然落差、水坝的跌水、水闸泄流、活水喷 池和人工水上娱乐设施进行增氧。 １．２．２。４自然净化法自然净化法是根据仿生学的基本原理，按照天然水体自身规律去恢复水体的本来面貌，进而通过恢复水体的自净功能去降解污染物质的。该类方法 强调人与自然的和谐统一及亲密相处，是当前国内外研究开发的重点。目前 在国外已达到工程实用化程度。其主要方法有：植物修复技术、人工湿地净 化技术、多水塘技术、土地处理技术与人工生态（浮）岛等。 （１）植物修复技术植物修复技术是以水生植物（沉水植物、浮水植物和挺水植物）忍耐和 超量积累某种或某些化学物质的理论为基础，利用植物及其共生生物体系清除水体中污染物的环境污染治理技术‘４８，４９，９３。９”。其作用机理包括１）植物的 萃取、富集ａ ２）根际过滤。３）植物固化等。该技术是目前各国研究的重点，它对于控制水域富营养化问题有着非常重要的作用。如南京莫愁湖种植的莲藕，年产莲藕２５万ｔ，可从湖中带出的Ｎ大约有６０多ｔ，Ｐ有Ｉｔ多。有效羔兰奎兰竺兰！璧至：地控制了湖泊富营养问题，还带来了一定的经济收入。目前，该技术也开始 被净化河流，据王超等ｆ９８１现场观测试验研究分析证明，河道沿岸的挺水植物 （芦苇等）对氨氮具有很强的削减作用，氨氮通过河道两岸的芦苇带时，浓度显著降低，模拟模型的衰减系数是无芦苇生长的混凝土护坡河段的３倍左右， 氨氮的削减量也为无芦苇生长河段的２倍左右。兰些兰兰兰兰竺些圭竺兰兰兰兰兰苎耋兰竺竺兰一但利用水生植物净化水体，需注意对水生植物要定期收割，防止其死亡 后沉积水底，造成二次污染。同时在具体运用上需注意针对不同污染状况的 水体采用不同的生态植物。如对以有机污染为主的混合型污染水体常采用水葫芦、浮萍、紫背浮萍、睡莲、水葱、水花生、宽叶香蒲、菹草等植物【９９】。 （２）人工湿地净化技术人工湿地处置技术主要是利用土壤一微生物一植物生态系统的自我调 控机制和对污染物的综合净化功能，使河流水质得到不同程度的改善。湿地系统处于陆地生态系统与水域生态系统的交接地带，以生长沼泽植物为主要 特征。繁茂的水生植物为微生物提供栖息场所，使湿地的净化能力增强。同时，还可减缓水流速度，有利于Ｓｓ的去除和防止底泥上浮１１００‘１１”。如目本渡良濑蓄水池的人工湿地系统。渡良濑水池是一座人工挖掘的平原水库，由于近年来上游用水造成生活污水及含氮、磷的水流入，造成渡良濑蓄水池内 水体污染。为保护蓄水池的水质，日本于１９９３年在蓄水池一侧滞洪洼地上建人工湿地生态系统，湿地内主要种植芦苇。将蓄水池的水引到芦苇荡，通 过湿地系统的吸附、沉淀及吸收作用，去除水中的有机物及营养盐。自１９９３年开始建设人工湿地以来，不仅蓄水池水质得到改善，动植物的生态系统也 得到了极大的改善，生物多样性也有所恢复。在北美，政府计划人工恢复４０５００ｋｍ２的湿地和４００ｋｍ长的河岸生态系统，以增强河流的自净能力，恢 复河流生态系统。 （３）多水塘技术 多水塘技术是利用河道两岸多个天然水塘或３．Ｉ水塘以及河道内的水 利工程设旅，采用生态工程设计对污染水体进行净化。我国新沂河的污水专 道净化工程就是利用三座污水地涵…引，连同沭河口以上的两个闸门，将污 水专线自然的分隔成形状狭长的五级河段稳定塘。通过闸、坝的拦蓄功能以 及合理调度，延长污水停留时间，增加污水自然降解能力。结果显示，污水 在正常情况下经五级稳定塘净化后，ＣＯＤＭ。的去除率达到８２．３％。（４）人工生态（浮）岛 河道中的天然岛屿是许多水生生物的主要栖息场所，在天然岛屿上形成 了植物一微生物～动物共生体，它们对河流的净化起着非常重要的作用。但 由于河道的开发、渠化、硬化工程，以及底泥疏浚等，使许多天然生态岛消 失，河流的自净能力下降，河流生态系统遭到破坏‘¨９１。人工生态（浮）岛的建 立就是对河流生态系统的恢复。日本为进一步净化渡良濑蓠水池的水体，曾 在蓄水池中部建了一批人工生态浮岛，在岛上种植芦苇等植物，其根系附着 微生物。浮岛还设置了鱼类产卵用的产卵床，也为小鱼及底栖动物设有栖息 地。芦苇、微生物、小鱼及底栖动物等就形成形成稳定的植物一微生物一动 物净化系统。需注意的是，生态（浮）岛净化能力的大小受底栖生物数量的左 右，尤其是多毛类底栖生物能使生态岛的净化能力有很大提高。１．２．３当前国内外强化净化技术在应用中存在的问题微污染水体人工强化净化技术的研究虽然取得了很大的成功，但仍存在 一一些尚需解决的问题。（１）物理净化法工艺简单，但治标不治本物理净化法尽管工艺简单、处理效果好，但工程量比较大，而且如不采取其他措施，净化后的水体不久又会恢复到原来的污染状态，即治标不治本。 同时也有转嫁污染的嫌疑。因此，只能作为对付突发性水体污染的应急措旖。（２）化学净化法花费大，并易造成二次污染若干化学药剂有絮凝、杀藻和除臭等功能，因此可以被用来净化污染的水体，即化学净化法。化学净化法需投入化学药剂，投资大，在时效和大水域或水体流动性大处也有一定的局限性。此外，还易造成二次污染。如加入铁盐促进磷的沉淀，沉淀后存在于底泥中的磷在一定条件下还会溶出，继续 污染水体。因而，不是一种理想的净化技术。（３）生物净化法目前应用范围较窄，有时还会对水域生态系统带来负面影响生物净化技术是目前国内外研究的热点。它投资省，净化效果好，同时 还能促进水域生态系统的自然恢复。但目前该类技术的实际应用范围较窄， 大都是在小河中进行的，长度在５ｋｉｎ以内，只是水域的一小部分，不是对整个水域系统自我恢复能力的强化。此外，该类净化技术在应用过程中，还会翌兰查竺兰耋兰兰兰耋：兰兰兰茎兰兰兰竺苎竺量兰耋兰兰兰妻：竺耋兰兰兰量对水域生态系统的结构和使用功能造成一定的影响。如向污染水体投加优良净化菌种，可能会引入非土著菌种，破坏水域原有的结构：生物膜技术应用时的拦坝及在污染水体中使用的载体会影响到水域的航运和泄洪等使用功能。因此，该技术还需进一步研究与完善。 （４）自然净化法的净化效果略差，其所需治理的时间略长自然净化法是对水域自恢复能力和自净能力的一种强化技术，是今后开发的重点。目前国内外都有该类技术的应用实例。但它的应用有一个比较重要的前提，那就是水体污染不是很严重，已能适于水生生物的生长和繁殖。 在净化效果方面，该类方法要劣于生物净化技术。因此，它一般作为水质改善后的完善措施。此外，由于河流自身条件的不确定性、环境条件复杂性，因此许多研究 都是在室内或沟渠中进行的，这使人们在研究时对河流的各种结构和功能估 计不足，从而导致技术应用时出现净化条件不允许、净化效果不理想的现象。 因而，有必要对河流微污染水体的强化净化技术作进一步的研究，将试验场 地由室内模拟改为真正的河道，探索适应各神变化条件的净化技术，同时使其符合我国污染河流的特点，并在应用过程中能够保持水体的原有使用功能，从而使微污染水体的强化净化技术得到更广泛的应用。１．３我国污染河流的基本特征河流是地球生态环境的重要组成部分，为人类的生存和发展提供水资源 保障‘１２０，川１。但随着经济的快速发展和人口急剧增加，河流所接纳的污废水 成倍增长，已严重超过了河流自净能力所能承受的范围，因此，河流污染事 件不断发生，河流生态系统严重受损，河流的使用功能丧失，尤其是城市河流。与非城市化地区相比，城市河流因靠近城市，不断接纳城市废物（如图 Ｉ．４所示），因此污染更加严重。４＝＝ｊ＿；；＝＝＝；＝；；；；；；目＿；＝＝；；；＝；＝；；；＝一第一章绪论图１．４河流的主要污染源示意图（１）中小河流污染极为严重 近几十年来，我国中小河流、毛细管河道污染严重，尤其是靠近城市、 乡村的中小河流由于受到多种人为因素的侵蚀和破坏，正处于人为破坏的灭 绝之中［１２２Ａ２３］。这些人为因素主要包括：１）固体废弃物入河，尤其是面广量 大的生活垃圾，随意倾倒。２）禽畜粪尿直接入河。３）随经济发展，基建全 线铺开，大量建筑渣土，随意倾倒入河。４）原来江南水乡，每年冬春，农 民把河泥作为有机肥料的习惯。由于耕作体制的改变，农民光用化肥，不再 利用河泥，日积月累，河床自然抬高。５）不少农村的中小河道，长满了原 为猪饲料的水花生等水生植物，如今养猪不再使用，日积月累，河道堵塞。 ６）每年收获季节的麦杆、油菜秸、稻草，农民不再用作柴薪，无处消化， 丢弃河中，长年积累。７）我国水利采取分级管理，面广量大的乡、村级中 小河流及星罗棋布的毛细管河道、池塘、湖泊、断头滨，名义上划入乡（镇） 村管理，实际上这些水域处于无人过问、无人管理的状态。８）填平中小河 流作为扩大工业、居住用地，牺牲环境、忘却了生态平衡，中小河流人为缩 减。以上这些因素导致中小河流的水质从量变到质变，从清流到黑臭，最后起到河流的消失。兰耋垒兰兰耋差竺竺圭ｉ翌兰竺兰丝竺竺苎兰兰竺兰兰兰些竺兰量兰竺至兰―；―；（２）河流的自然生态系统严重退化 河流通常不是孤立的，往往是整条河流的一部分，参与整体的自然水文循环过程［１２叫”１。在城市化初级阶段，河流系统中主要是自然生态系统占主要地位，污染较少、水质良好。但随着城市规模的不断扩大，人口的不断增 多以及经济的快速发展，人类对水资源的利用强度在不断的加大。城市的发展与水资源的不协调、水源的紧张，造成了城市水资源短缺，甚至连基本的 生态需水量都无法保证。同时人类对水环境的破坏力度也在不断加强，许多 河浜带被挤占、河叉溪沟被填埋，河流与市街的缓冲区也被压缩。为了美观和便于管理，大多数河流还被“渠化”和“硬化”Ｄ２６Ａ２７｜，致使天然河流被深深烙上人工的印记，自然生态系统严重退化，成为人工生态系统与自然生 态系统交互作用的复杂生态系统。在这种复杂生态系统的作用下，水生生物 的栖息场所减少，水体的自净能力下降，水质不断恶化。 （３）污染物数量大、种类多 河流因其具有天然的纳污能力而成为排放污染物的最佳场所。国家环保局发布的《２００２年中国环境统计公报》中指出：全国工业废水和城市生活污 水的排放总量为４３９．５亿ｔ。而全国建成转运的污水处理厂只有４００余座，污水处理率仅为３４％［１２８，１２９］。大量未经处理的工业废水和生活污水直接排入河流，导致河流严重污染，并且这种污染情况己呈现出从支流向干流延伸、从地表向地下深入、从城市向农村蔓延、从区域性向流域性发展的趋势。此外，农业生产上大量使用的化肥、农药，以及畜禽养殖过程中产生的粪便，也会随地表径流进入河流水体，使河流水体的水质进一步恶化。河流因接纳工业废水、生活污水和面源污染物而使水体污染物种类十分 齐全，主要包括：有机污染物、植物营养盐、酚类物质、重金属、病菌和病 毒以及热污染等。但目前江河水体主要呈现为有机污染，主要超标项目是氨氮、高锰酸盐指数、化学需氧量、五日生化需氧量和挥发酚等。（４）非点源污染的影响越来越突出 河流的非点源污染主要来自地表径流、大气的干沉降和湿沉降、城市的水土流失以及河流内部的底泥层。虽然当前我国河流的污染源仍以点污染源为主ｒ但随着对工业污染和城市生活污染的控制水平的不断提高，非点源污染对河流污染的影响表现越来越突出【１３０：１ ３１１。 （５）污染河流普遍被衬砌，河道比较顺直第一霉绪F蛇形河槽是水流冲刷和淘蚀的结果是自然河流的基本特征之一，但在 我国的许多地方，由于用地紧张以及景观和防洪的需要，往往被“衬砌” 和“裁弯取直”［１２ ５，１３２－１３４１。河道的衬砌和人工裁弯导致河道变得比较顺直，结果一方面导致河势不稳，过水能力增强，入海路径被人为缩短，减少了 周围地区可利用的水资源的量。另一方面，河槽被衬砌和裁弯取直后，水 体中原有的不同流速带消失，导致部分水生生物灭绝。此外，河床的人为 缩短，也使附着在其上的微生物的数量减少，大大减弱了水体的自净能力。 （６）水量小、流速慢 污染河流大多属于平原河流，来水量较小、流速缓慢，因此又被称作缓 流水体。缓流水体因流动性小，白净能力弱，形成了一个具有内在动力学的密闭系统，通过此系统控制物质转化的各种活动［１３５】。季节的变化使水体的 动力学特征明显不同：夏季水体表面在风力的作用下，迅速吸收新鲜氧气，处于好氧状态；同时，水体下层与有氧气的变温水层分离而处干厌氧状态。 秋季水层水温变冷，水体的循环可发生到水底，氧气可进入底部，底层沉积物可溶解并输送到变温层的表层。冬季和春季情况分别与夏季和秋季类似。 上述停滞分层水体变为完全循环水体的连续交替现象对水体的各种生物代谢作用非常重要。浅层水体虽然没有热的分层现象，但四季都可循环，促进 了氧的输送，同时也使得藻类的繁殖加快。此外，缓流水体在枯水期进水量少，水体置换速度慢，淤积严重，也减弱了其自净功能。综合国内外对河流微污染水体强化净化技术的研究成果并结合我国河 流污染重且大多被衬砌，已不适合水生植物的生长与繁殖（尤其是沉水植物）的特点，生物膜强化净化技术是目前适合我国污染河流净化的最佳技术。１．４生物膜强化净化技术生物膜技术是人们长期以来根据自然界中水体自净的现象，农田灌溉时 土壤对污染物的净化作用以及有机物的腐败过程，总结、模拟而发展起来的一种污水处理技术Ⅲ６’１”】。它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并加以同 化，从而使污水得到净化。该方法自１ ８９３年第一个生物膜处理设施ｆ生物滤 池）试验成功以来，因其降解能力强、接触时间短、占地面积小以及投资少河海大掌博士掌位论文：河流微污染水依的直接生物强化净化机理与试验研究等特点而得到了长足的发展与应用。目前，生物膜法已成为污水处理中最常用的方法之一。近年来，由于城市周围中小河流污染事故的不断发生，生物 膜技术又有了新的应用领域。当前国外特别是日本，在利用生物膜技术净化河流方面发展较快，已达到了工程化程度。我国对该法在河流治理中的应用研究还处于起步阶段。１．４．１生物膜法净化河流的基本原理通过充填填料来强化净化污染的河流，其实质是对自然河流自净能力的 一＋种强化。即自然河床的砂砾表面本身就附着着一层微生物膜，当流水通过 其表面时，流水中的有机物就会被生物膜吸附，进而氧化分解。填充填料， 是利用填辩比表面积大，附着微生物种类多、数量大的特点，人为加大河流 中可降解污染物质的微生物的种类和数量，从而使河流的自净能力成倍增长 ｆ１３８－１４１】。附着在填料上生物膜降解污染物质的过程一般可分为四个阶段。（１）污染物质向生物膜表面扩散；（２）污染物在生物膜内部扩散；（３）微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应；（４）代谢生成物排出生物膜。生物膜由于固着在填料上，因此能在其中生长世代时间较长的微生物，如硝化菌等，如 图１～所示。另外，在生物膜上还可能大量出现丝状菌、轮虫、线虫等，使生物膜净化能力增强的同时还有脱氮除磷的作用。该方法由于没有引入外来菌种，所以没有改变河流原有的生态系统，有利于污染河流的自我恢复。Ｈ＝Ｏ，Ｃ０２．Ｎ２ Ｈ２０．Ｃ０２有机物．０２Ａ―Ａ环案状填料～――――――――――二―二＿――――――～――――二―Ｊ。Ｌ Ａ’图１．５生物接触氧化机理图第一掌绪诧１．４．２国内外常用的净化河流的生物膜技术用于河流净化的生物膜技术是目前国外研究的重点技术，尤其是日本， 已经在工程实践中运用了多种生物膜技术对污染严重的中小河流进行净化， 并获得了良好的净化效果和大量工艺参数。我国在利用生物膜技术净化河流 微污染水体方面还只是处于试验阶段，没有真正的工程实践。当前，日本用 于净化河流的生物膜技术主要有砾间接触氧化法、细线状软性填料接触氧化 法、薄层流法和伏流净化法１１４“。 （１）砾间接触氧化法 该方法是根据河床生物膜净化河水的原理设计而成，通过人工填充的砾 石，使水与生物膜的接触面积增大数十倍，甚至上百倍。水中污染物在砾间 流动过程中与砾石上附着的生物膜接触、沉淀。进而被生物膜作为营养物质 而吸附、氧化分解，从而使水质得到改善。例如以直径为５ｅｒａ的砾石填充河 床面积为１ｉｎ２、高为ｌｍ的河流，这时河床的生物膜面积就变成了原来的１００ 倍，河流的净化能力也就增强了１００倍（如图１．６所示）。该方法使用天然材 料为接触材，花费少，净化效果好，因此得到了最广泛的应用。 采用该方法时需对砾石间空隙内的污泥进行定期清理。一般是在砾石的 下部设置逆洗用的散气管，定期进行充气以洗去沉积的污泥。若河流水的 ＢＯＤ浓度高于３０ｍｇ／Ｌ，有必要在砾石层下部设置曝气装置，以增加下部河 水的溶解氧浓度，提高净化效率。――霉一――一――＇－―――――卜――’―――――－．＼ 、 、 ＼ ＼ ＼ｇ垡匕＆虽曼￡叁盘Ｌ一广＿―――――］可可百――――――叫 （ａ）一般的河流 （ｂ）填充砾石的河流图１．６填充砾石的河流与一般河流自净能力的比较（２）绳状生物填料接触氧化法 该方法是利用细绳状生物填料比表面积大、空隙率大、微生物易于附着 和生长繁殖、进而净化效果好的特点而研究开发的一种水体净化技术。它在９河海大掌博士学位论文：河流撇污染水体的直接生物强化净化机理与试驻研究污染河流净化过程中，其处理设备的主要构造为：采用人工堰坝切断河流， 然后利用河水的自然落差或采用水泵将水引入建设在河岸边的河水处理设 施中，采用与污水处理厂相类似的处理方法，把河流水全量处理后再放回河流的下游。日本于１９９３年利用细绳状生物填料净化广岛县福山市排水渠，其设置方式如图１．７所示［１ ４３］。该排水渠宽３．５ｍ，水深 约６５ｃｍ；进水的ＢＯＤ值为２．８～８．１ｍｇ／Ｌ，ＣＯＤ值为７．５～１０．８ｍｇ／Ｌ，ＳＳ为ｒｏ＿３／ｄ。７．Ｏ～１９，０ｍｇ／Ｌ：流量为２３２８～１０３６８图１．７架台式生物接触氧化技术采用６段式设置，共延长３２ｍ。该技术经４年的运仃，兵ＢＯＤ的去除翠为１１～４６％；ＣＯＤ的去除率为２～３２％；ＳＳ有 去除率为１６～５３％，进一步提高了排水渠的水质。该处理方法实施时需要大量的投资，并且在目后的运行管理时也要求有一定的管理技术及经费。但是，对于水体污杂严重、靠自净能力己积重难返的河流来说，该方法可以在短期内取得相当好的净化效果。（３）生物活性炭填充柱净化法生物活性炭填充柱净化法是一种以活性炭为填料的生物膜净化法【７ ０１。它 主要是利用活性炭表面附着的微生物，特别是细菌分解水中有机物的“生物 膜效应”和微生物吸着在活性炭上分解有机物的“生物再生效应”以及活性 炭微孔隙捕捉有机物的“吸着效应”去除河水中的污染物质，使水质得到改善。该方法充分发挥了活性炭比表面积大、空隙大、吸附性能好的特性，使附着在其表面的微生物种类多、数量大、活性强、增殖速度快，进一步提高了生物膜的净化能力。 但采用该方法的净化设备投入较大，而且实施时也需要大量的资金，并且在日后的运行管理时也要求有一定的管理技术及经费。（４）薄层流法河流自净主要逶过附着在河床及水生植物上的生物膜以达到净化有机 污染物的目的ｅ薄层流净化法着眼于此，采用增大生物膜的附着面积，以减少单位生物膜的处理水量而提高河床的自净能力。具体方法是增加河面的宽度使水深变浅，增大河水与河床的接触面积，工程建设可使河流的净化能力￥一ｌF∞达到原来的数倍到十数倍，如图１．８所示。例如，河宽为原河流的２倍，水深为原河流的１／２，河流的净化能力就为原来的２倍；如河宽为原河流的４ 倍，水深为原河流的１／４，河流的净化能力就变成原来的４倍。该方法的缺点是需进行大规模的工程建设并涉及用地问题，同时还要确 保以前的水流量并不使河流的景现及生态系统受不良影响等，因此确定使用本法时，有必要作充分的地形调查和环境评估等工作。 （５）伏流净化法伏流净化法主要是利用河床向地下的渗透作用和伏流水的稀释作用来净化河流的。所谓伏流即从河床向地下渗入沿地下水脉流动的地下水流［Ｉ ４４］。经泥沙过滤后的伏流水相对水质良好。伏流净化法是将伏流水用水泵抽出并送回河流，以降低地下水位来促使地下水加速渗透，该方法可被看作是一种 缓速过滤法（微生物膜过滤），整个河床是一个大的过滤池，由河床上附着的生物膜构成缓速过滤池的过滤膜，污染的河水经过滤膜的过滤作用缓慢地向地下扩散，成为清洁的地下水。用于稀释的伏流水就是渗入地下的清洁水，人为用泵提升到地面来稀释河流，使河流的自净作用进一步增强（如图１．９所示）。但采用该方法时，对能否保证必要的取水量、河床过滤可能的伏流量等 必须进行充分的调查和论证。论证的主要方法是，把用于取水的集水管埋设于河床底下，因为集水量与河床构造、地下水水位和流向、集水管的管径及 埋设深度等条件有关，因此，在经过必要的试验集水以后，确定取水量和伏流水量基本保持均衡时的各种设计条件，然后才能进行实际施工。．１苗『广―、拂释改修后河床ｊ’『，――一一｜ ：ｆｒ一中改修前河床ｒ一――十Ｌ＇、、’河流～ ／―――――――’；―～～一ｒ―－－一―――～ｉ【ｒ’一一ｆ。ｆ ｉ｛／＼＋，７――ｒ一一――――――――――――――｛――――ｒ―一ｒ＿――――――――――＝――１＋河床过滤―。ｖ。一―――――＿－一―――●―Ｊ‘＿ｈ一一一。。ｆ｜＝＝±＝地下永位｜，ｒ＿’．图１．８薄层流法示意图图１．９伏流净化法示意图一翌竺查竺兰主兰兰兰查ｉ ：＝＿；＝＝＝＝＝＿；；；＝；；；口ｊｉ；；―ｉｊ―――――――――――――――――一羔兰兰兰圣耋兰竺兰兰圭丝竺兰兰：！笠竺兰兰竺兰兰一；１．Ｓ研究内容、方法及技术路线１．ｓ．１研究内容本文以中小河流为研究对象，综合国内外对河流微污染水体强化净化技 术的研究成果并结合我国河流大多被衬砌、水深普遍较浅、河道顺直、水量 小、流速慢、污染重的特点以及经济基础还比较薄弱现实情况，拟采用新型 生物填料直接布设在河道内的生物接触氧化法，对河流微污染水体进行直接 净化，具体研究内容如下； （１）新型生物填料的研制与自然条件下的挂膜试验研究 填料是接触氧化法工艺的核心部分，它直接影响着处理效果。本文通过 分析河流生态系统基本结构和功能以及对现有生物填料的调查研究，研制适 合于河流、并且能够不影响河流原有使用功能的新型生物填料，使其能够自 己直接站立在“河床”上，并能随水流流动而前后摆动，一方面可减弱水流 对生物膜的冲击负荷，另一方面也可减弱填料对水流流动的阻力，从而达到理想的净化效果。本文对生物填料的挂膜采用非人工控制条件下的自然培养挂膜，以河道 中原有的天然生物菌群作为种源，水量为河道缓流水体的自然流量，以 ＣＯＤ№及ＮＨ４＋．Ｎ的去除效果变化来表征生物附着的历程和填料上生物附着 的程度，同时也对挂膜期间ＴＮ、Ｎ０２’．Ｎ和Ｎ０３’．Ｎ、ＴＰ的变化情况进行考察。（２）生物接触氧化法直接净化河流微污染水体的机理研究 河流微污染水体的生物接触氧化净化不同于一般的污水处理和给水处 理，它有自身的特殊性：水质与生活污水相比，属于微污染水，而和给水水 源水相比，则属于稍重污染水，同时又由于河流的季节性变化，因此参与污 染物降解的生物种群与两者有很大差别。本文通过对粘附于生物填料上的生 物膜的特征分析和生物相的变化观察、对水质净化效果的分析、对不同环境 条件对水质净化的影响分析，揭示利用新型生物填料接触氧化技术去除河流 微污染水体中有机物、氮和磷的机理并导出有机物和氨氮的降解模式，从而 为该技术的推广和应用提供理论依据。第一罩绪F（３）填料对河流水动力条件的影响研究 在河流中开辟生化反应区、直接布设生物填料净化河流微污染水体可以 达到减少投资、降低能源消耗的目的。但在河道内直接布设填料势必会对河 流的水动力条件及其使用功能造成一定的影响。本文从填料给水流带来的阻 力及对河道泄水能力的影响方面来进行河道内直接布设生物填料对河流水 动力条件的影响分析，以确定该技术的可行性。 （４）生物填料在河道内布设形式的研究 生物填料在河道内的布设方式一方面会影响到对污染物质的净化效果， 同时也会影响河流原有的使用功能，如行洪和行航等。本文通过生物填料对 水动力条件的影响及生物填料的布设位置、布设方式、布设长度与布设密度 对净化效果的影响分析，寻求既能达到净化河流微污染水体的目的，又不影 响河流原有使用功能的生物填料的最佳布设方式。从而为该填料净化污染河 流提供技术指导。１．５．２研究方法本论文拟采用国内外相关资料收集、现场调查观测、理论分析、试验区 确定、试验研究和数值模拟计算的方法进行综合研究。具体的研究方法如下：（１）国内外相关资料的收集、分析； （２）试验河段的现场调查与监测； （３）河流生态系统的整体分析； （４）试验测定与分析； （５）数值模拟计算。１．５．３技术路线研究首先从国内外已用于工程实践的水体强化净化技术入手，综合分析 各种方法的优缺点，并结合我国河流的水力特征及污染现状，确定适合我国 污染河流的强化净化技术：然后综合河流动力学、环境工程学、河流生态学 的有关理论，制定污染河流的直接处理工艺，并根据河流扩散模式制定填料 的布设位嚣，同时通过试验河段的现场试验，确定填料的最佳布设密度、长 度与形式：最后分析变化的河流水动力条件对净化效果的影响以及填料的设 置对河流功能的影响。从而为我国城市河流的强化净化提供科学依据，其研兰兰奎竺圭兰竺兰查；究的技术路线如图１．１０所示。兰兰竺茎兰当竺兰兰兰圭竺兰兰兰些兰兰皇兰兰兰竺一污染河流现场调查与研究国内外瓷料的收集与分析』上确定新型生物填科接触氧化技术』上』』 ［理论分析】 ｌ ｛｝ （模拟试验１ ｌ』Ｌ』Ｊ ［现场试验］ ｌ 』ｌ｜｜布设长度』ｉ ［数值计算］ Ｉ 』｝』』净化机理』ｌＩｌ布设位置』｝ｆ｜布设形状』ｌＩ ｌ水动力影响净化规律与］ｆ填料的最佳１ｆ填料的最佳１ｆ填料的最佳１ｆ填料的最佳１ｆ填料对河流ｌｌ布设密度ｆＩ｝ｉｌ｝』土直接净化污染河流的最佳工艺图１．１０研究技术路线示意图第＝章新型生物填料的研制及挂膜试验研究第二章新型生物填料的研制及挂膜试验研究填料是生物膜赖以栖息的场所，是生物膜的载体，同时它还具有截留悬 浮物的作用０ ４５］，其性质的好坏直接影响着工艺的效能。本章以国内外现有的、适用于生物接触氧化工艺的填料为基础，通过分析河流生态系统的基本结构和功能，研制适合于河流、并且能够不影响河流原有使用功能的新型生 物填料，并对其在河流中的挂膜（生物附着）历程进行分析和研究，从而为 生物接触氧化工艺提供新的应用领域。２．１生物填料的现状分析１９世纪，德国开始使用生物接触氧化工艺处理污水，但由予没有适当的 生物填料，使得这一工艺没能得到广泛应用。直到２０纪７０年代，随着合成 塑料工业的发展，轻质蜂窝填料的问世，才使得生物接触氧化工艺得以研究 与应用［１４６］。可见，生物填料是生物接触氧化工艺的核心部分，它作为微生 物的载体影响着生物的生长、繁殖和脱落的整个过程，它的性能直接影响和 制约着处理的效果。 当前随着塑料工业的不断完善，生物填料的种类和用途不断增加。在种 类方面，填料可根据形状、性状及材质等方面进行区分，如以形状区分，可 分为蜂窝状、束状、简状、列管状、波纹状、板状、网状、盾状、圆环状、 不规则粒状及球状等等；如按性状分有硬性、软性、半软性、组合性等等。 表２．１列出了国内外常用的、具有代表性的一些生物填料【１４７Ⅲ５１。 在生物填料釉类不断增加的同时，其应用领域也在不断增多。目前，生 物填料不仅在生活污水和工业废水处理方面有了长足的进步，在水源水预处 理方面也有了一定的发展。日本于１９７１年就开始将生物接触氧化工艺应用 于饮用水源水的预处理，目前国外已有较多生产应用的实例。我国微污染源 水生物接触氧化预处理技术是从９０年代开始进入生产性试验和实际工程应 用，如清华大学环境工程系和蚌埠市自来水公司合作于１９９３年建成了处理２Ｓ兰兰垒兰兰圭兰兰兰至ｉ兰兰竺茎兰兰兰竺兰兰圭兰苎竺兰兰竺登兰兰兰兰兰一４．２―１２．７ｍｇ／Ｌ、ＮＨ４＋Ｎ ０．１―４ ０ ｍｇ／Ｌ、能力为１万ｍ３／ｄ的饮用水生物接触氧化预处理试验工程，处理对象为淮河 水，采用４座生物陶粒滤池。结果表明：在气水比１：１、水温Ｉ．５～３０℃、滤速３，６～６ Ｏｍ／ｈ条件下，进水ＯＣ浊度１ ８―１２０ＮＴＵ、色度３５～１２０时，去除效率分别为１ ８．５～３５．６％、７００～９０．０％、１９．２～６３％和Ｉ Ｉ．１～４１．６％ｍ鲫。在微污染源水处理上应用最多的生物填料主要有立体弹性填料、生物陶粒和卵石填料等等【啪小８１。表２．１国内外常用的生物填料类型 代表填料材质形状应用范围优缺点蜂窝填料玻璃钢、塑 料髑蕊菇霉鞫霉掉｝“ 蔷；｛；髻ｊ：ｌ＃莓；，。ｔ优点：比表面积大、空隙 主要用于 率高、质轻且强度高、衰 污水处理 老生物膜易于脱落等； 领域。 缺点：填料易于堵塞、蜂 窝管内的流速难于均一。 优点：孔径大、不易堵塞， 主要用于 结构简单、便于运输和安 污水处理 装，质轻高强，防腐性好： 领域。 缺点：难以得到均一的流 速。 优点：表面粗糙、易于挂 膜、截留悬浮物的能力强、 易于就地取材； 缺点：水流阻力大，易于 产生堵塞现象。 优点：比表面积大、重量 主要用于 轻、高强，物理、化学性 污水处理 能稳定，运输、安装方便： 领域。 缺点：易于结块，并易于 在结块中心形成厌氧区。 优点：良好的布气、布水硬性填 料立体波纹 硬聚氯乙烯 填料蓐ＨＨ。＃搿嚣＃硝砂粒、碎石、 粒状填料 无烟煤、焦 炭、矿渣、 陶粒、卵石可用于污 水处理也 可用于给 水处理。软 性尼龙、维纶、 涤纶、腈纶填 料半 软豢鏊 镄舔 舔舔性 填料变性聚乙烯 塑料豢萄聚唰豁性质，克服了软性填料的 主要用于 结团现象； 污水处理 缺点：比表面积小，实际 领域。 运行过程中生物膜总量不 足，表面光靖挂膜难，生 物膜易脱落。 优点：避免了软挂填料的 主要用于 中心结团，布水布气作用 好，与污水接触及传质条 污水处理 件良好； 领域。 缺点：需要安装支架或托 架。组 合尼龙、维纶、 盾式填料 涤纶、腈纶、 聚乙烯塑料泽第嘲艇铺☆孽磁钸ｚ硫ｉ填料：Ｉｔ－新型生物填料的研制及挂膜试验研究悬 浮聚乙烯、聚 ＳＮＰ悬浮 丙烯、聚氨 生物填料 酯等特制塑 料或树脂囤嗡优点：挂膜后的比重接近 于水，自由悬浮于水体中， 悬浮填料 这样便能使微生物和污染 较多地应 物质有更多的接触机会， 用于污水 使水体中氧分布均匀；缺 厂的改造 点：因需笼状物收集，所 以不能直接用于大型水体 的生物修复。 优点：比表面积大、孔隙 率高、充氧性能好、微生 可用于污 物新陈代谢快、不结团、 水处理也 不堵塞、运行管理简便、 可用于给 使用寿命长；缺点：填料 水处理。 中心容易积泥，需要安装 固定支架，工程施工较复 杂。 优点：不需支架和托架， 除可用于 生物膜更新代谢快，膜薄、 污水处理 活性强、微生物种类多： 外，还可以 缺点：浮筒浮在水面，会 净化微污 造成浮游植物的大量繁 染水体。 生，同时还会影响河流的 航运功能。 比较适用 优点：传质性能稳定、耐 腐蚀性强、同时具有较高 的抗压强度和较小的堆积填 料痢立体弹性 聚烯烃塑 填料 料、乙纶’辜◇其它新型ＴＢ／ＴＡ填 泡沫塑料、 料 聚烯烃塑料填 料扁环系列 填料聚乙烯＠于清洁、腐 蚀性气液比重，是一种较好的散堆 传质与分 填料；缺点：也需要有笼 离过程。 状物收集。近二十年来，由于地表水体污染的不断加重，生物接触氧化工艺又有了新的应用领域。日本于上个世纪９０年代就开始将生物接触氧化工艺应用于河流微污染水体的强化净化，其采用的填料主要有细绳状生物填料、卵石填料、生物活性炭等。但这些填料中大多数只能用于河流微污染水体的间接净 化，不能直接用于大型水体中。目前只有ＴＡ／ＴＢ生物填料（日本称其为细绳 状生物填料的大叶藻式设置）能直接布置在河流等大型水体中，对河流微污 染水体进行强化净化‘¨１１，但该填料由于上有浮简连接，浮简浮在水面，会造成浮游植物的大量繁生，同时还会影响河流的航运功能。因此，急需研制新型生物填料，以满足河流微污染水体直接强化净化的需要。兰耋查兰兰耋兰竺兰量ｉ兰兰竺霎竺竺竺兰兰圭兰兰兰兰兰竺兰皇兰兰兰兰―一２．２河流生态系统河流是流水作用形成的主要地貌类型，汇集和接纳地面径流和地下径 流，沟通内陆和大海，是自然界物质循环和能量流动的一个重要通途，人们常常把河流看作地球动脉【晡引。天然河流是一个复杂的生态系统，是河流生物群落及非生物条件共同作用的产物，其形成和演变是经过漫长的岁月才比 较稳定的，水生生态伴随着湿地生态并极大地影响到两岸的陆地生态。从横 断面看，河道的河床可分为三个区：水生物区、水交换区（或称为两栖区）和受水影响的河岸区。三个区有不同的水文特征，它们直接或间接地制约着生物群落。健康河流生态系统的生物圈由不同的栖息生物群落组成，主要包括浮游生物群、附着生物群、水陆交错带生物群和底栖生物群四大类。浮游生物群是指与河流的水生物区中流动的水有关联的游动或浮游的生物。河流的浮游 植物只有当其生长速度达到在水流滞留时群体量能成倍增长的程度，才能保 持它的群体。鱼类群体对河流的水文条件如流速、水温和河床侵蚀等变化十分敏感，对注入河流的有毒物质尤其敏感。水中附着植物是一种显微型植物，通常出现在岩石、砂粒和淤泥的表面。此表层藻类附着在高等植物的茎、枝、叶表面生长，不易脱离附着的物体，它们的营养得到不断补充。水中的附着生物还包括许多菌类和微型动物，它们附着在岩石、砂粒、淤泥和水生植物 的表面，不断净化水中的污染物质。水陆交错带中生存的生物主要有挺水植 物、两栖类动物等。河流中的挺水植物的成分和茂密程度通常比较稳定，但 是存在季节和年际变化。挺水植物从河流中汲取营养盐供其生长繁殖，也可为细小的无脊椎动物和鱼卵提供了庇护场所。底栖生物群主要包括底栖动物 和底栖植物。底栖动物主要由无脊椎动物组成，它们生活在河床或临近河床 的地方，不同种类的底栖生物分别适应于不同的水环境条件。底栖植物主要指沉水植物，它们的生长需要一定的光的透入和良好的水质条件。正是生物 群落与非生物条件的共同作用才使河流具有较大的环境容量，其中任何一个 环节出现问题都必将影响河流的净化能力［１７０－１７５１。兰三兰 兰兰兰兰羹兰竺型兰苎竺兰竺兰塞 ；；；；；＝；＝＝＝＝；＝＝＝；＝；＝；；＝；；＝＝；；；；；；＝；；；―ｉ；；―――――――――――――――――一一，一、、ｌ一――一图２．１健康河流生态系统示意图Ｉ、太阳光，生产者：２、浮游植物，３、浮水植物，４、挺水植物，５、沉水植物； 消费者：６、浮游动物，７、底栖动物，８、鱼类：分解者：９、细菌和真菌河流不仅是水的载体和通道，而且还通过水位涨落变化、补充地下水、 滋润两岸土地等形式提供各种生态服务，如为人类提供种类繁多的生活资 料、美化环境及提供娱乐场地等等。但随着人类改造自然能力的不断增强和人口数量的不断增加，使得人与河流争地现象严重，如现在较普遍的河湖围垦、修筑各种水利构筑物及其他河网改造、岸边工程等，使季节性淹没区减少，天然湿地大量丧失，泅游通道不畅，各种水生生物的生境、栖息地被大 量压缩，有的甚至食物链被中断。目前，许多河流已由生物多样性及其丰富 的健康的生态系统渐渐变为不适于水生生物生存的地方。再加上大量污染物质的直接汇入，河流水质下降，使得对水质要求较高的水生生物灭绝，这进一步加速了河流生态系统的退化，河流生态系统的结构趋于单一化，其生态 功能也在逐渐减弱。２．３新型生物填料研制的影响因素生物接触氧化工艺真接应用于污染河流是指在河道开辟一处生化反应＇ｑ！兰垒兰兰圭兰些兰圭！兰兰兰兰兰耋芝竺兰兰兰兰兰竺兰竺：圣耋竺至兰一区作为接触氧化池，直接将生物填料布置在河道内，利用河流内原有的生物 群落进行填料的生物附着，然后利用河流的单向流动性，使微污染水体缓缓 流过填料，水体中的污染物质通过与生物膜的接触，进行物质和能量的转换， 从而实现对河流微污染水体的强化净化。因此，新型生物填料是生物接触氧 化工艺直接应用于河流微污染水体强化净化的关键，它既要满足净化效果 好、净化速度快的特点、适合于河流复杂多变的水流条件，还不能影响到河 流原有的各种使用功能。２．３．１不能影响河流的航运和泄洪功能国内外现有的生物填料大多必需要有支架或框架支撑才能在河流中使 用，这势必影响河流的航运功能和泄洪功能，而航运和泄洪是任何一条河流 的最基本的功能。因此新型生物填料不能采用支架或框架作支撑，以免影响 河流的航运和行洪功能，对社会经济和人民生命财产安全造成不利后果。２．３．２不破坏河流生态系统污染河流原有的、健康的水生态系统己被破坏，许多水生生物因不适应 污染的水环境而灭绝，导致河流生态系统结构和功能的改变，河流水质的改 善是恢复河流健康生态系统的基础，而新型生物填料的应用是以改善河流水 质为主要目标。因此，新型生物填料的研制应仿照健康河流生态系统的基本 结构，以实现对水质改善的同时，能逐渐恢复健康的河流生态系统。２．３．３适合河流复杂多变的水流条件河流的水流条件是非人力所能控制的，因此处理工艺和填料应适合变化 的河流水动力条件。这样，填料的柔性和韧性必须加强，一方面可减弱水流 对生物膜的冲击负荷，另一方面也可减弱填料对水流流动的阻力，从而达到理解的净化效果。；；兰耋坠耋型兰竺些兰竺竺苎竺墼筌――一；；―一 ；；；；＝＝；；；＝；；＝；；；；；；；目ｊ；；；ｊ日；ｊ；；；；；；；ｉ；；ｊ――日＿－―――’――――――――――一一一２．３．４比表面积大、空隙率高河流污染水体的水质属于微污染水平，有机污染浓度低，因此河流中微 生物的量较少。这就要求新型生物填料的比表面积要大，填料的表面要比较 粗糙，这样才易于生物附着，同时有助于微生物栖息增殖，从而保证生物膜 上的生物相较丰富，除细菌和多种种属的原生动物和后生动物外，还能够生 长氧化能力较强的球衣菌属和丝状菌。２－３．ｓ化学与生物稳定性强、不溶出有害物质当前，生物填料的生产原料大多是合成塑料，与某些物质发生反应会放出有毒物质。因此，新型生物填料的化学与生物稳定性要强，经久耐用，不溶出有害物质，以免对河流造成二次污染。２．３．６价格便宜、便于安装填料的价格是实现其应用程度的关键，因此新型生物填料在选材和加工时要考虑经济因素，使填料物美价廉，并且便于运输和安装，以实现该填料 在污染河流净化中的广泛应用。２．４新型生物填料基本构造及主要技术参数水生植物是水域生态系统的重要组成部分和主要的初级生产者之一，对 水域生态系统中物质和能量的循环和传递起调控作用。水生植物可以直接从 水层和底泥中吸收氮和磷，同时其茎、叶上附着着的大量微生物对水中的污染物质也有一定的降解作用。以臭轮藻为例，臭轮藻（Ｃｈａｒａ ｆｏｅｔｉｄａ）是天然河流中比较常见的～种藻类，沉水生长，其高可达６０ｃｍ，有美丽的外形， 常生长在静水或慢流的水中。它的存在可减少水层和底泥中的营养物质，同 量也是整个水生动植物群落多样性的基础。一方面，它直接或间接为水生生物提供丰富的食料；另一方面，也为水生生物提供良好的栖息和繁殖：场所。如软体动物的腹足类与它的关系就十分密切，这些微型动物不仅以臭轮藻表面着生的微型藻类为食，而且把卵囊产在植物的茎和叶片上，或用臭轮藻丛｛１河海大掌博士掌位论支：河流微污染水俸的直接生物强化净化机理与试验研究生的地方作为生活或隐蔽的场所。许多细菌和真菌类也大多粘附在臭轮藻等 大型藻类的茎和叶上。还有鱼类，臭轮藻是许多鱼种的良好食物，同时其舒 展的茎、叶也是产粘性卵鱼类卵粒附着的基质，如鲤、鲫、乌鳢、鳜、团头 鲂等，它们将卵直接产在其上。此外，臭轮藻在河流中技叶舒展，形态优美， 其茎也极具柔性和韧性，能随水流流动而来回摆动，对水流的阻力较小。但 水生植物对水体净化的前提是水体中要有复杂的食物链存在，这样就不会出 现因水生植物的过量繁殖而导致其在水体中产生二次污染，而复杂食物链的 存在对水质有一定的要求，这在我国水体污染严重的情况下是满足不了的， 再加上我国河流大多被衬砌，这就进一步剥夺了水生植物生存的空间，使利 用水生植物净化水体的可能性减少，在这种情况下就需要寻求水生植物的代替品，使其既能在水体污染较重的条件下发挥较强的净化作用，为重建健康水域生态系统作准备，又不会对水体造成二次污染。 新型生物填科就是以重建健康的河流生态系统为基础，仿照河流生态系 统中的臭轮藻（Ｃｈａｒａｆｏｅｔｉｄａ）设计而成的（如图２．２所示），它主要强调臭 轮藻的茎的柔性和韧性，枝和叶的可附着性，以填料的支杆仿照臭轮藻的茎， 中心扣环仿照臭轮藻的节，填料丝仿照轮藻的叶。叶（ａ）臭轮藻（ｂ）新型生物填料图２．２填料“仿生”示意图第＝章新型生物填料的研制及挂用‘试驺！研究（ａ）（ｂ）图２．３新型生物填料２．４．１新型生物填料的基本构造如图２．２（ｂ）和图２．３所示，新型生物填料单体是由若干填料片通过支 杆连接而成，每个填料片中的填料丝由中心向四周呈放射状分布。３４．支杆支杆采用优质ＡＢＳ材料制成，特点是具有很强的弹性、韧性和柔性， 能支撑填料片，使其不需要支架或框架就能够直接站立在“河床”上，并能 随水流流动而自由摆动。 （２）填料片 填料片主要由中心扣环和填料丝两部分组成。其中，填料丝是由聚烯烃 类中耐腐耐酸耐老化的优质塑料经特殊拉丝和丝条制毛工艺制成，特点是表面粗糙，比表面积大，微生物易于附着。中心扣环也是由聚烯烃类中的优质塑料加工而成，它的作用是压固填料丝，使其呈均匀辐射状展开。 （３）底部支架 河流底部可采用木制或竹制的网格作底架，每隔一定距离钻一小孔，用 于将填料固定在河床上，使填料不会因自身浮力而随水流漂走。图２．４网格底架示意图３３河海大兰兰主兰竺竺查ｉ 兰兰兰茎兰尘竺竺兰兰兰兰矍兰：塞兰竺兰量兰矍兰圣―一 ；＝；＝＝｛；＝＝＝＝＝＝；；；――――――――――――一一２．４．２新型生物填料的主要技术参数新型生物填料的成品是由南京亨达环保有限公司加工，填料的各种构件所用材料均为优质合成塑料，其材料性能如表２．２所示。成品填料经室内河 流模拟试验研究，得到如表２．３所示的技术参数。表２，２各构件所用材料性能表构件名称 支杆主要断裂强力（Ｎ） ２８２密度（ｇ／ｏｒｅ ３）１．０５６老化前断裂强力（Ｎ）２８２老化后断裂强力（Ｎ）２５３．８断裂强力保留率（％）８９．０材料ＡＢＳ阻狮踮Ｏ誊ｉｍ踮＂０８８，０桃摒槲缒胂Ｏ卿Ｍ ２８９．６表２．３新型生物填料处理河流微污染水体的主要技术参数支杆直径 填料片直径（ｒａｍ）ｌ ５０ １ ５０扣环直径（ｍｍ）２０ ２０２０填料丝直径（ｒａｍ）０．３ ５河流类型（ｒａｍ） 水深１．２ｍ以下 水深１ ２～２．Ｏｍ４ ６ ８０．３５ ０ ３５水深２ｍ以上 河流类型１ ５０丝条密度 （ｆ＆／每片填料片）成品重量（ｋｇ／ｍ）４７．２６６１，３５填料片间距【ｍｍ）６０～８０ ６０～８０ ６０～８０挂膜量 （ｇ／每片填料片）０．５３９ ０ ５３９水深１ ２ｍ以下 水深１．２～２．０ｍ 水深２ｍ以上２６０～３００ ２６０～３００ ２６０～３００８１．０７０．５３９比表面积河流类型（ｍ一／ｍ） 水深ｌ ２ｍ以下 水深１ ２～２．Ｏｍ０．０７ ０．０７ ０ ０７曝气情况可不进行曝气 视河流的混浊情况，确定是否曝气需要曝气水深２ｍ以上３４第；章新型生物填料的研制ａ眭膜试验研究２．５新型生物填料净化河流微污染水体的试验设计本研究采用现场试验，以分析新型生物填料对河流微污染水体的直接净化效果，并揭示其净化机理及应用条件。２．５．１试验河段的选取本研究试验河段的选取依托于“８６３”项目中的专题五“河网水质强化 净化与水体修复技术及示范工程”，试验河段主要是考虑居民区密集、污染 较重、河段建有混凝土护岸及河道内水草较少等因素进行选择的，具体位置在宜兴市大浦镇林庄港（如图２．５所示）。林庄港是太湖众多入湖河道中的一条典型小河道，经往年监测数据可知，其水质长期属于地表水环境质量标准（ＧＢ３８３８―２００２）中的劣Ⅳ类。和其它入湖河道一样，其水质的好坏直接影响到太湖的水质状况，因此本研究将其作为试验河道，而设置填料的试验河 段则位于林庄港的上游段。试验河段总长１２０ｍ，水面宽８，６ｍ，水深Ｏ，７～１．５ｍ， 河床及岸坡因“８６３”项目的清淤及护岸建设，情况基本一致；水流流速为Ｏ～２０ｃｍ／ｓ；ＣＯＤＭｎ为３～１２ｍｇ／Ｌ，ＴＮ为２～７ｍｇ／Ｌ，ＴＰ为Ｏ．０５～１，２０ｍｇ／Ｌ；左岸为斜坡，坡比为１：Ｉ．７５，右岸为浆砌石垂直护岸，具体形式如图２．６所示。图２．５试验河段平面位置图３５翌耋奎兰兰耋兰竺兰查！兰兰兰兰竺尘窒竺苎塞兰竺兰兰兰兰銎兰兰兰兰窒量；―一图２．６试验河段剖面图２．５．２填料的布置方案本试验将试验河段分为两部分，其中前６０ｍ为对照河段（无填料布设的自然河段），即考查该河段污染物质的自然降解能