城市河流污染治理与nars生态修复技术

中国环境学会  2011年 03月31日


  金元欢 王建宇 马紫霞  浙江大学 杭州思源环境与发展研究院 

       杭州民生路17号310009  0571-87801665(13906513040)


  摘要:在城市形成和发展中,河流作为最关键的资源和环境载体,关系到城市生存,制约着城市发展,是影响城市风格和美化城市环境的重要因素。而2005年统计数据显示,全国城市中90%的河道受到了不同程度的污染,50%以上的河道存在严重的污染。在各地城市建设纷纷提速的情况下,城市河流治理与开发面临着许多的问题。本文在分析国内外河流治理进程的基础上就如何把城市河流治理从过去单纯的水利治理型转向生态型建设进行探讨。
  关键词:城市河流 nars技术 生态修复 综合治理


  水是大地景观的山脉,是生物繁衍的条件。城市河流是城市中自然因素最为密集,自然过程最为丰富的地域,而且这里的人类活动和城市干扰又非常剧烈,可以说这里是人类活动与自然过程共同作用最为强烈的地带之一。同时,水体往往也是城市中最具活力、环境最优美的地段。
  目前,城市水环境问题正逐步成为多学科共同关注的焦点,城市水环境生态修复离不开 河道的整治和重建。河道是一个复杂的生态系统,由不同的栖息生物群落所组成。长期以来,传统的水利建设只强调对水体资源开发和水害防治,而忽视了河道的生态功能。城市河道的治理只会选用直立护岸,这种方法虽然可节约土地、解决防洪和排水问题,但是在这同时也破坏了自然河流的水文循环和生态结构,河岸树木被砍伐,鸟类、两栖类、昆虫类动物失去了生存的场所。所以我们在治理的时候必须遵循生态化的原则,遵循河流的原有自然地貌、生态环境、植物组合,因为这些都是千万年来自然界长期作用的结果,都会有独特的自然形式与之相适应,相平衡,而nars(natural aquascape restoration system)生态修复技术正是一种在多年多学科交叉研究和实践的基础上,提出的一种水体生态修复方法。


  1  国内外河流的治理进程


  1.1 国外河流治理进程
  国外对河流生态环境的研究和实践已有一百多年的历史,取得了显著的效果。通常的做法是基于河流生态系统的管理和维持生物多样性的河流流量研究,通过改善河流水质、重建和恢复生态等内容的实践来改善生态环境,如减少枯水期引水量,大幅度减少地下水开采。
  国外对河流实施单一目标管理的立场是为了避免洪水,以保证居民的安全,即以质量转移动力学为基础,通过建立河流和洪泛平原生境、建设人工大坝等工程措施,降低洪峰流量,使日流量趋于稳定。但这样做存在的问题是河流经长时间的运行,来自上游的沉积物不断积累,冲刷洪水流量减小,水和沉淀物的自然流动受到抑制,水流携带的泥沙沉积在水库和下游地区,河流的生境趋于恶化。河流综合管理研究则弥补了单一目标管理的不足,采用河道内流量增量法、蒙大纳法、流量持续时间曲线法、栖息地排水法、水力学评价法等方法,从河流的研究范围和尺度、河流系统分类和评价、河流恢复、稀释用水及维持生物多样性的河流流量5个方面统筹考虑,以维持河流生态环境的自然平衡。最具代表性的是Ward提出的四维河流生态系统,即河流在纵向、横向、垂向和时间分量上具有连续性、相互性、融合性、延续性特点。在维持生物多样性的河流流量研究中,20世纪90年代以前对生态需水量的研究主要集中在河道自身的物理形态、所关心的鱼类及无脊椎动物等对流量的需求方面, 对整个生态系统的完整性未能加以充分考虑。20世纪90年代后,petts认为在河流管理中,应从纵向的连接、洪泛平原的流量、维持河道的流量3个方面进行考虑,并提出确定生态系统可接受流量的两个步骤:一是制定生态目标和综合目标,提出生境和物种数量可接受的损失度,如在荷兰的自然政策方针中,生态系统可接受的最大损失度为物种的5%;二是参照基流量、考虑当前可接受的平均流量、极低或极高的流量及频率和持续时间,确定可操作的最小单元,并提出相应的具体生态目标。
 

  1.2 国内河流治理进程
  与国外相比,由于国内缺少对河流生态环境的正确认识,只注重经济建设,忽视对生态环境的维持,出现了城市和工业用水挤占农业用水,农业用水挤占生态用水的现象,导致生态环境恶化,进而对经济的可持续发展构成极大威胁,具体表现如20世纪90年代以来黄河频繁断流、北方地区沙尘暴肆虐、江河湖泊水体污染严重。
  近几年,随着人们对河流认识的深入及工程的实施,对河流的生态环境治理从原来仅对河流水环境污染进行治理和改善水环境质量逐步向河流生态用水、河流生态恢复及湿地、流域生态建设等方面扩展,如成都的府南河、太原的汾河、济南的小清河等河流水环境改善工程。但从流域及河流两侧的社会发展、产业调整、土地及规划控制、生态景观建设等方面进行综合研究的成果甚少,基本上没有工程实践。


  2  nars生态修复技术


  2.1 技术原理-----师法造化,综合治理
  Nars生态修复技术坚持师法造化,综合治理的原理,是综合了各种方法的一种综合设计和治理技术。主要由几个子系统组成:nars底质综合治理、nars水质综合治理、nars微生物菌群、nars水生动植物系统和其它措施(如突变事件而导致的水质变化等)。


  2.1.1 底质综合治理系统
  底泥是水生态系统中物质交换和能流循环的中枢,在水环境发生变化时,底泥中的营养盐和污染物会通过泥-水界面向上覆水体扩散,尤其是湖泊和河道,长期累积于沉积物中的氮磷、污染物的量往往很大,这些物质在其外来源全部切断后,会逐渐释放出来对水环境发生作用。因此,一般而言,底泥治理意味着将污染物从水域系统中清除出去,可以较大程度地削减底泥对上覆水体的污染贡献率,从而起到改善水环境质量的作用。


  2.1.2 水质综合治理系统
  由于一般景观水体(如人工湖)大多没按自然水理设计,基本上是一个几无自净能力的封闭系统,且其内部组构不合理,加上外来物质输入,随着时间的推移必将产生富营养化,最终水体变得浑浊不堪,后果严重者会导致水体发黑、变臭,影响景观水体的美观。大量的科研成果证明,藻类一旦爆发,要控制它是很难的,传统的过滤并不能完全过滤干净,且成本太大;采用化学除藻剂或杀菌剂等,效果不佳,且藻类又会马上生长,成本大且污染底质。而nars系统更注重前期治本,破坏藻类爆发的条件,使得藻类不再爆发。


  2.1.3 微生物菌群系统
  微生物在自然界大量而广泛的存在,是生态系统的重要组成之一。它们能将自然界中的动、植物的尸体及残骸分解,将一些有害的污染物质加以吸收和转化,成为无毒害或毒害较小的物质。
  微生物处理一般采用生物接触氧化法,这种处理方法能够有效的去除污水中有机污染物,降低污染物总量,使水体得到净化。生物接触氧化对微污染水体的COD、NH3-N的去除率可分别达到20~30%和80~90%。


  2.1.4 水生动植物系统
  自然系统中水与动物、植物、微生物共生共存,水为生物群落提供生命之源,反过来,生物群落又净化了水,形成了水体自然净化的机制。天然水体的自净能力主要是靠水体中的各种生物作用的结果。在一个封闭的水生态系统中,当外界物质进入的速度超过生物圈自身食物链循环的速度时,会造成食物链中某些环节种群的失衡,此时若不采取措施调整种群数量或结构,就会使水体生态平衡遭到破坏,水质恶化。恢复一个失衡水系统的生态最彻底的方法是采用生物修复方法,既利用培育的植物、动物或培养、接种的微生物的生命活动,对水中污染物进行转移、转化及降解,从而使水体得到净化。


  2.2 系统主要研究内容
  2.2.1 nars生态修复技术改造对营养盐的分布、迁移转化规律、浮游生物种群结构、藻类生物量、水华藻类生长潜力的影响
  按照国家标准方法对系统中总磷、总氮、溶解性总磷、硝氮、亚硝氮、氨氮、CODMn、BOD5等指标进行监测。方法详见下表1:

项目

分析方法

检出限(mg/L

方法来源

水温

温度计法

 

GB1319591

pH

玻璃电极法

 

GB692086

溶解氧

电化学探头法

 

GB1191389

高锰酸盐指数

水浴加热法

0.5

GB1189289

化学需氧量

重铬酸盐法

10

GB1191489

总氮

紫外分光光度法

0.05

GB1189489

总磷

分光光度法

0.01

GB1189389

铵氮

纳氏试剂比色法

0.05

GB747987

硝氮

分二磺酸比色法

0.05

GB748087

亚硝氮

分光光度法

0.05

BG749387

叶绿素a

丙酮萃取法

 

 

透明度

塞氏盘

 

 

色度

目视法

 

ISO 78871994E

浑浊度

扩散放射法

 

ISO 70271999E

臭和味

嗅觉法

 

 

总硬度

EDTA2Na

 

GB/T 6909-2008

分光光度法

0.01

GB747487

原子分光光度法

0.05

GB747587

原子分光光度法

0.003

GB/T155051995

分光光度法

0.007

GB748587

原子分光光度法

0.00005

GB746887

铬(六价)

分光光度法

0.004

GB746787

螯合萃取法

0.01

GB747587

  
  表1:水质监测方法及标准


  2.2.2 nars蓝藻水华应急处理技术
  随着工业化进程的不断推进,人类活动对自然环境的负面影响越来越严重。由人类活动导致的河流水体富营养化已成为一个世界性的环境问题。在富营养化河流中,有害藻类水华频繁发生,导致原本已遭受严重污染的水体表面形成一层由浮游植物组成的薄或厚的漂浮物,影响水体的透明度。某些种类的蓝藻水华甚至会发出阵阵恶臭并向水体中释放毒素,严重破坏了城市河流的生态环境,而且可能会引起人畜饮用水安全危机,因此必须对富营养化水体有害藻类水华进行预防与控制。目前已有的富营养化整治和恢复措施主要包括:(1)降低外源性磷输入;(2)建造人工湿地;(3)饲养或捕获水生生物,进行生物操纵;(4)种植水生高等植物。虽然治理水体富营养化的方法有许多,但是一般都能将其分为物理、化学和生态三类。其中物理方法有切断污染源、滞留地、稀释、提高水位、河水人工循环、清淤等,这些方法都有一个共同的缺点,就是成本偏高;化学方法有添加固磷剂等,其缺点是效果不太显著,且对环境影响较大,容易造成新的污染;采用生态方法修复富营养化水体是近年来国际上研究最多,且较理想的水体富营养化治理技术。其中,水生高等植物的恢复是提高水体自净能力,改善水环境质量的关键,是水体富营养化治理的重点。但是,水生植物,尤其是沉水植物恢复的必要前提条件是水体要有足够的透明度,以满足水生植物生长所需的光照条件。对于天然水体,透明度是富营养化程度的指标之一,水体透明度为0.73m~1.30m时属富营养化,0.40m~0.73m属重富营养化,0.40m以下则为严重富营养化。所以在富营养化水体中,恢复大型水生植物的首要前提是恢复水体透明度。
  然而,若想在已发生水华的水体中恢复透明度从而恢复大型水生植物,单靠某一种或某几种技术手段是难以成功的。在国内外曾经使用过的各种方法中,有向水体中投加氧化杀藻剂除藻的方法,有采用大型浮游动物控制藻类的方法,有实用超声波除藻的方法等,但这些方法耗时较长、处理费用较高、操作费时费力,均不能满足水体富营养化治理的要求。
  nars快速控藻抑藻技术在结合分析和大量实践的基础上形成的,一种安全、有效、快速、经济的复合治理技术,已越来越多地应用于各种水体的藻类抑制、富营养化控制以及生态恢复等各种领域。


  3  nars生态修复技术与城市河流污染治理相结合


  随着对nars生态修复技术研究的深入和工艺的改进,nars系统独特的净化效果不断为人们所认识,应用范围也逐步从城市景观水处理扩展到城市河道污染治理与景观营造、面源污染治理、湖泊富营养化水体修复、城市景观水体建设等方面。
  nars生态修复技术系统设计上将文化融入自然景观当中,运用现代的科学技术的创新,在喧嚣都市中实现人与自然的和谐相处。在型态设计上,注重按原自然系统的形状和生物系统的分布格局进行设计;以外在观赏性、内部功能性、环境整体性、技术可靠性和运行经济性为准则;以符合美学法则中的统一和谐、自然均衡原则,做到设计形式与内部结构的和谐,与环境功能的和谐,以实现生态与美学的统一来达到整体和谐。


  主要参考文献:
  [1] 金元欢 等著.城市水景的生态设计与综合治理.中国水利水电出版社,北京 2006
  [2] 王建宇,金元欢.快速除藻控藻技术研究,全国水体污染控制与治理高层研讨会,杭州2009
  [3] 金元欢,王建宇,马紫霞.城市河道原生态设计和改造治理.建设科技,北京 2010
  
  

 
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