水环境修复原理与技术ppt课件.ppt

第三章 水环境修复原理与技术,1.物理修复技术2.化学修复技术3.生物修复原理及生物修复技术4.生态修复技术5.综合方法,1.水体修复概念,水环境修复原理与技术,利用物理的、化学的、生物的和生态的方法减少水环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，使污染了的水环境能部分或完全恢复到原始状态的过程,整治前,整治后,成都市府南河综合整治工程,2.水体修复的目标与原则,在保证水环境结构健康的前提下，满足人类可持续发展对水体功能的要求,水环境修复目标示意图,水环境修复原则水体的地域性生态学原则最小风险和最大效益原则,处理对象不同传统的环境工程领域，处理对象能够从环境中分离出来，例如废水或废弃物，需要建造成套的处理设施，在最短的时间内，以最快的速度和低成本，将污染物净化去除；而在水环境修复领域，所修复的水体对象是环境的一部分，不可能建造能将修复对象包容进去的处理系统。如采用传统治理净化技术，即使局部小系统的修复，其运行费用也是天文数字。水环境修复过程中，需要保护周围环境。比传统环境工程学需要的专业面更广，包括环境工程、土木工程、生态工程、化学、生物学、毒理学、地理信息和分析监测，需要将环境因素融入技术中。,水环境修复工程遵循的原则不同于传统环境工程学,3.水环境修复的基本内容,水环境现场调查,确定污染程度、包括污染区域位置、大小、污染区域特征、形成历史、污染变化趋势和程度等,外部污染源的范围和类型；内部污染源的变化规律；底泥土壤环境的形成和性质；水动力学特征,水环境修复设计,水环境修复设计,(续表),水环境污染控制技术和生态恢复技术主要分3类:物理方法，如疏挖底泥、机械除藻、引水冲淤等化学方法，如加入化学药剂杀藻、加入铁盐(铝盐)促进磷沉淀、加入石灰脱氮等。生物生态方法，如放养控藻型生物、构建人工湿地和水生植被。,水环境修复技术概述,地表水污染的修复,3.1 物理修复技术,物理修复是经过简单预处理的污水，在湿地系统中通过物理沉淀、过滤、吸附作用进一步除去可沉淀的固体、胶体、BOD5、氮、磷、重金属、细菌、病毒及难以溶解的有机物质。目前国内外在水环境修复中所采用的主要物理措施:引水冲刷稀释、曝气、机械人工除藻、底泥疏浚等。特点：物理方法操作简单、造价低，但往往治标不治本。,地表水污染的修复,3.1.1 冲刷/稀释 采取引水冲污稀释污染水体，增加流域水资源量，加快污染水体流动，加强水体自净能力。水体流动性的加强对沉积物-水体界面物质交换也有一定影响，增加河流下层溶解氧含量，对底泥污染物释放产生一定的抑制作用，有助于水体生态系统的恢复。,地表水污染的修复,3.1.2 曝气污染水体接纳大量的有机污染物后，有机物大量分解造成水体溶解氧浓度急剧降低，甚至出现厌氧状态，导致溶解盐释放以及臭味气体产生。通过人工曝气，可使水体底层溶解氧得以恢复，水体中溶解铁、锰、硫化氢、二氧化碳、氨氮以及气体还原组分浓度大为降低，改善水生生物的生存环境。同时，可有效限制底层水体中磷的活化和向上扩散，限制浮游藻类的生产力。,地表水污染的修复,3.1.3 机械/人工除藻收获水体中的藻类，可在短时间内快速有效的去除藻类及藻华。在某些特定环境，利用自然动力收货藻类可有效的减轻富营养化的危害。机械除藻在过去人工打捞藻类的基础上发展了臭氧/超声波除藻技术，此技术利用超声波的作用使藻类的细胞破裂，打破藻细胞内的气囊，使其失去浮动能力而沉淀。,地表水污染的修复,屠清瑛等人分别于2001 年9月6-8 日和14-20日在什刹海后海实验区（50m50m）进行了两次超声波/臭氧复合试验，按每天作业7h 计，臭氧/超声波试验证明对藻类有明显的去除作用。当水中臭氧浓度5mg/L 时，1h后藻类的去除率平均在30%-50%左右；充入臭氧2h（浓度约10mg/L)，藻类去除率平均在80%左右。试验结果证明，总磷也有明显的递减趋势，但是对COD 的作用不甚明显.,地表水污染的修复,例：在太湖水环境修复中，利用风力、湖流在水源区域建造富集藻类的专门设施来收集藻类，避免了“水华”阻塞取水口而引起的水质恶化，取得良好的效果。,滇池、太湖、巢湖等设立藻水分离站,地表水污染的修复,3.1.4 底泥疏浚 可降低水体的内源污染负荷量和底泥污染物重新释放的风险。对于沉积物中的重金属和持久性有毒有机污染物而言，只能通过环境疏浚方法从湖泊中去除。南明河、苏州河的治理均用到此技术。,地表水污染的修复,在湖泊沉积物中，甲烷的产生和营养物的释放可以通过增加石膏（(CaSO42H2O).）来进行控制。进入到沉积物中的石膏可以增加氧化还原电位、减少甲烷的产生和抑制沉积物中磷的释放。,地表水污染的修复,3.1.5 光催化技术基于纳米材料的光催化特性，纳米材料应对水华和赤潮藻具有杀伤能力。纳米材料具有在光照（尤其是紫外光）下可以产生羟基自由基及强还原能力的特性，对藻细胞内的脂类、蛋白等生物大分子产生氧化作用，从而破坏其生物学功能最终导致细胞死亡。因此被认为在消毒杀菌、空气净化、污水处理、海洋原油污染清除、自清洁材料等方面具有很好的应用前景，并已得到广泛的研究。,适合用于养殖水体、景观水体的应急性杀藻,地表水污染的修复,3.2 化学修复技术 化学修复是添加化学药剂和吸附剂改变水体中氧化还原电位、pH，吸附沉淀水体中悬浮物质和有机质，是利用污染物的化学反应来分离、回收污水中的有害物质，或使其转化为无害的物质。化学方法操作简单，用量少，见效快，但利用化学方法治理污染水体需大量投加化学药剂，成本昂贵，同时容易引起二次污染。,地表水污染的修复,3.2.1 化学沉淀法 通过向水体投加铁盐或铝盐，通过吸附或絮凝作用与水体中的无机磷酸盐产生化学沉淀，降低水体磷的浓度，控制水体的富营养化。同时，铝盐能够形成氢氧化铝沉淀，在沉积物表层形成“薄层”，可阻止沉积磷的释放。,地表水污染的修复,3.2.2 改性硅藻土强化混凝法硅藻土是由天然形成的硅藻矿石加工而成，不含有毒化学物质。改性硅藻土处理湖水时，直接吸附、化学沉淀、脱稳絮凝、吸附架桥等作用同时存在，湖水净化的过程是这些过程共同作用的结果。较适用于开放性大型水体的脱磷和除浊。,地表水污染的修复,吴蕾、陈云峰在改性硅藻土用于巢湖水脱磷研究中研究了改性硅藻土除磷最适操作条件，并将改性硅藻土同几种常规混凝剂的处理效果和其经济性进行了对比，与常规混凝剂相比，改性硅藻土出水更为清澈透亮，污泥沉降性能好，污泥量少，在建设成本和运行成本上更为节省。,地表水污染的修复,3.2.3 化学除藻法 采用各种化学除藻剂进行除藻，效果最显著，但也最具有危险性。例如：单一除藻剂有碘伏、水溶性甲壳素碘等 复配除藻剂有碘伏-新洁尔灭、碘伏-异噻 唑啉酮等,地表水污染的修复,3.2.4 酸碱中和法 向水体中添加石灰进行酸碱中和，调整水体酸碱度，以适应水生态系统的物种生长、繁殖的需要。,24120,地表水污染的修复,3.3 生物修复原理及生物修复技术,生物修复概述微生物在环境污染治理中的作用 植物在环境污染治理中的作用水环境污染控制中的生物修复技术,3.3.1.生物修复(Bioremediation),广义的生物修复通常是指利用各种生物（包括微生物，动物和植物）的特性，吸收、降解、转化环境中的污染物，使受污染的环境得到改善的治理技术，一般分为植物修复、动物修复和微生物修复三种类型。狭义的生物修复通常是指在自然或人工控制的条件下，利用特定的微生物降解、清除环境中污染物的技术。,生物修复的概念及其原理,生物修复的基本指导思想,生物修复技术的特点优点：投资费用省，对环境影响小，能有效降低污染物浓度，适用于在其他技术难以应用的场地，而且能同时处理受污染的土壤和地下水。局限性：需对具体地点的状况和污染物进行详细而昂贵的考察，微生物活性受温度和其他环境条件的影响，某些情况下，生物修复不能去除全部的污染物。与生物处理的区别：两者原理一致，但生物修复侧重于受污区域的原位生物处理。,生物修复技术分类按场地划分：原位生物修复和异位生物修复1)原位生物修复：对受污染的介质(土壤、水体)不做搬运或输送而在原位污染地进行的生物修复处理，其修复过程主要依赖于被污染地自身微生物的自然降解能力和人为创造的合适降解条件。2)异位生物修复：植被污染介质(土壤、水体)搬动或输送到他处进行的生物修复处理。,生物修复的生物类型土著微生物：环境中固有的微生物外来微生物：需大量接种的高效菌基因工程菌（Genetically engineered bacteria,GEM）植物及超积累植物,生物修复的影响因素营养盐：需添加氮、磷营养元素电子受体：可通过对土壤鼓气或添加产氧剂的方式来提供DO作为有机物降解的电子受体；此外，硝酸根、硫酸根、铁离子也可作为有机物降解的电子受体。共代谢基质污染现场和土壤特性：土壤特性影响污染物和微生物的相对活性，最终影响生物修复的速度和程度。有毒有机污染物的物理化学性质,生物修复的影响因素,共代谢的含义 早在20世纪60年代，人们就发现一株能在一氯乙酸上生长的假单胞菌能够使三氯乙酸脱卤，而不能利用后者作为碳源生长。微生物的这种不能利用基质作为能源和组分元素的有机物转化方式称为共代谢（co-metabolism）。共代谢又称为共氧化（co-oxidation）或联合氧化（combined oxidation），辅助代谢（assistant metabolism).因此，微生物不能依靠某种有机物生长并不一定意味着这种污染物能够抵抗微生物的攻击,当存在其他底物时，这种污染物就会通过共代谢作用而生物降解。,生物修复的基本措施接种微生物或引种超积累植物添加营养物提供电子受体提供共代谢底物以诱导共代谢酶产生添加表面活性剂,1.微生物对有机污染物的降解与转化微生物是自然界中的分解者在好氧条件下，它能将有机污染物彻底氧化，分解成CO2、H2O、SO42-、PO43-、NO2-、NO3-等无机物。在厌氧条件下，能将有机物降解，转化成小分子有机酸、CO2、H2、CH4等。因此，微生物是生物修复中污染物降解的主力军。,3.3.2.微生物在环境污染治理中的作用,2.微生物对重金属的转化与固定微生物虽然不能降解重金属，但是可以降低其毒性，并可将其累积在菌体内使之固定。汞的去甲基化及还原 例如：蓝绿色假单胞菌、变形杆菌可使汞离子转化成元素汞，经10小时后挥发掉的汞可达75%。假单胞菌K62能使无机汞和有机汞形成元素汞。累积及固定重金属在微生物累积重金属方面，已阐明同细胞内金属硫蛋白(Metalothioneins简称MT)有关，MT是一种低分子量的细胞质蛋白，同Hg,Zn、Cd、Cu、Ag等重金属有强烈的亲和性，结果使重金属富集并抑制其毒性。,变形杆菌,难降解有机污染物和重金属及其相应的降解转化微生物,适宜的环境条件,营养 微生物的生长需要维持一定量的C:N:P营养物质及某些微量营养元素。电子受体 环境中的有机污染物在微生物的作用下被氧化分解时需耗氧。有毒有害有机污染物的化学性质污染现场和土壤的特性,适宜的环境条件,有毒有害有机污染物的化学性质污染物的溶解度污染物的辛醇-水分配系数非水溶相液体的利用污染物的吸着性重金属的生物有效性,适宜的环境条件,污染现场和土壤的特性 土壤物理特性土壤化学特性,3.3.3.植物在环境污染治理中的作用,植物修复的概念利用绿色植物清除环境中的污染物，使其去除降低或消失称作植物修复(phytoremediation)植物修复的主要对象是有毒重金属和有机污染物,环境中金属污染的去除方案场外修复:先将土壤挖掘、转移，再去除金属离子微生物修复：生物量小，吸收量小，同时生物体过小难以进行后处理植物修复：生物量大，吸收量大，同时易于进行后处理。,植物修复污染物的方式,植物固定(Phytostabilization)指利用植物和其他一些添加物使环境中的金属流动性降低，生物可利用性下降，降低金属对生物的毒性。该法只是暂时将金属固定，并没有彻底去除环境中的金属。植物吸收(Phytoadsorption)指利用能耐受并可过量积累金属的植物吸收环境中的金属离子，将它们输送并贮存在植物体的地上部分。需要选择能耐受并可过量积累金属的植物种类。,植物挥发(Phytovolatilization)指植物将污染物吸收到体内后又将其转化为气态物质，释放到大气中。该法只适用于挥发性污染物。某些易挥发污染物被植物吸收后从植物表面组织空隙中挥发。如桉树降解三氯乙烯(TCE)、甲基叔丁基醚(MTBE)，印度芥菜降解硒化合物；烟草挥发甲基汞。从植物茎叶挥发出的物质可能被空气中的活性羟基分解。如有毒的Hg2+经植物挥发后变成了低毒的Hg，高毒的硒变成了低毒的硒化物气体等。,植物修复污染物的方式,根系降解(Rhizodegradation)植物中超过20%的营养成分如糖分、氨基酸、有机酸等都聚集在根部,因此会生长很多微生物,尤其在根表面向外1-3mm 的地方,这些微生物是没有种植过植物的土壤的3-4 倍。一些微生物可以同植物相结合促进重金属的降解,也可以矿化某些有机污染物如PAHs、PCBs。,植物吸收,环境中的重金属和一些有机物并非是植物生长所需要的，并且达到一定程度后具有毒害作用。对于此类化合物，一些植物也演化出了特定的生理机制使其脱毒。植物通常是通过螯合和区室化等作用，来耐受并吸收富集环境中的重金属，这种机制也存在于许多水生植物中。,植物吸收,芦苇,凤眼莲,植物吸收,浮萍,植物吸收,Page 48,狐尾藻,植物吸收,地表水污染的修复,3.3.4.水环境生物修复技术按污染物的主要特点划分：生物操纵法植被群落恢复生物除藻等,优点可在原地被降解；修复时间较短；就地处理操作简便，对周围环境干扰少；较少的修复经费；人类直接暴露在污染物下的机会减少；不产生二次污染，遗留问题少等。,例：在湖泊管理中，通过放养凶猛鱼类来控制食浮游动物鱼类，减少食藻动物的牧食压力，增大浮游植物的牧食压力，从而控制藻类的异常繁殖，改善富营养化状况。,放养,生物量减少,浮游动物,生物量减少,凶猛鱼类,浮游植物,食浮游生物鱼类,生物量增加,蚕食,导致,导致,控制水体富营养化,达到,1.生物操纵利用生物操纵调整营养结构，促进水质恢复。,在1975 年，Shapiro 等提出了生物操纵理论生物操纵概念指应用湖泊生态系统内营养级之间的关系，通过对生物群落及其生境的一系列凋整，从而减少藻类生物量，改善水质。主要原理是调整种群结构，保护和发展大型牧食性浮游动物，从而限制藻类的过量生长。调整方法是在湖泊中投放、发展某些鱼种，而抑制或消除另外一些鱼种，使整个食物网适合于浮游动物或鱼类自身对藻类的牧食和消耗,庇护机制是指浮游动物赖以逃避鱼类捕食的行为机制或环境条件可能的庇护机制包括：低光照庇护.水质混浊或藻类密集使光线减弱，可能降低鱼类的视觉，从而减少捕食率；低温庇护.前者对温度适应范围较宽，能通过变温层，而鱼类则较窄；厌氧庇护.前者耐低氧能力较一般鱼类强；对肉食性鱼类的回避行为；大型水生植物庇护.水生植物的屏蔽作用，提供了良好的庇护场所。这是在实践中首先被考虑利用的庇护机制。,在生物操纵理论基础上，研究者提出了经典生物操纵法和非经典生物操纵法。1）经典生物操纵法指通过化学方法毒杀、捕捞或放养肉食性鱼的方法，调节浮游动物群落结构和种群数量，促进食藻浮游动物的增长，特别是枝角类种群的发展，通过它们对藻类的摄食降低藻类生物量。经典生物操纵法适合富营养化程度较轻、以小型藻类为主的水域。,2）非经典生物操纵法依靠提高大型滤食性鱼类的密度来控制藻类，如直接放养滤食性鱼类白鲢、鳙等直接摄食藻类。在藻类水华暴发的富营养湖泊中，必须放养密度合理的滤食性鱼，才能收到较好的控制效果。,鳜鱼,鲤鱼,草鱼,人为去除鱼类先将湖泊小的鱼类全部捕出或用药剂毒杀后，重新投放以肉食性鱼类为主的鱼类群落，控制浮游生物食性鱼类，保护浮游动物我国浅水湖泊中应用密网、密箔的捕捞方法鱼藤酮毒性很大，在沿岸投放浓度达0.25m/L的鱼藤酮可杀死小鱼，也能毒杀溞类，产生负效应,投放肉食性鱼类控制浮游生物食性鱼类，进而促进大型浮游动物发展，是生物操纵的主要途径之一。许多实验表明这种方法对改善水质有明显效果。但在实践中,该方法常使肉食性鱼类不能长久维持其密度,地表水污染的修复,例如：刘建康等在武汉东湖做了3 次原地围隔实验，发现放养4650 gm-3 以浮游生物为食的鲢和鳙，能有效地遏制微囊藻水华的爆发。郎宇鹏等通过野外模拟试验也发现，投放密度为50 gm-3 的鲢鱼，对蓝藻有明显的抑制效果。刘建康，谢平.用鲍缩直接控制微囊藻水华的围隔试验和湖泊实践J.生态科学，2003,22（3）:193-196.郎宇鹏,朱琳,刘春光等.鲢鱼对淡水浮游植物的抑制作用研究J.农业环境科学学报，2006,25(增刊):683-686.,地表水污染的修复,2.植被群落恢复 通过水环境的生境调控和植被的人工重建促进水生植被的自然恢复，逐步恢复受损水体的生态系统的结构，包括生产者（主要是水生植物）、消费者（鱼类）、分解者（细菌）等，在生产者、消费者、分解者之间建立有效的食物链，促进系统的物质恢复，恢复水体的功能，达到水体生态系统恢复的目的。,水生植被修复包括人工强化自然修复人工重建水生植被前者是通过对湖泊环境的调控来促进湖泊水生植被的自然恢复。后者则是对已经失去自动恢复能力的湖泊，通过生态工程途径重建水生植被。重建水生植被要依据系统生念学和群落生态学理论，重新设计和建设全新的能够稳定生存的水生植被和以水生植被为核心的湖泊良性生态。,水生植被修复的优化设计,水生植被修复的优化设计设计基础:由湖盆形态、底质条件和水文条件决定水生植被面积、类型和分布格局强烈的风浪扰功能决定水生植被的分布格局和面积水质和湖水透明度是决定水生植物分布深度和面积的重要因素,沉水植物的最大分布水深约是湖水透明度的25倍,人类需求是决定水生植被类型、面积和分布格局的主导因素(1)调蓄型湖泊：以蓄洪、泄 洪、灌溉为主要功能，吞吐量大，要求水流通畅。修复重点：忌讳淤积，不易大规模发展水生植被。(2)水源型湖泊：以城镇供水为主要功能，保护水质是恢复水生植被的主要目标。修复重点：应该尽可能地扩大水生植被的面积，并以沉水植被为主。,(3)运动娱乐型湖泊：以水上运动、娱乐为主要功能，水生植被主要起美化环境的点缀作用。修复重点：水生植被恢复主要在沿岸带，应以观赏性湿生植物和挺水植物为主，辅以少量浮叶植物。(4)观光游览型湖泊：以观光游览为主要功 能，要求湖水清澈，自然景色优美。修复重点：水生植被选择既应满足水质保持的需求，也应考虑植物的景观效果。,营养平衡和生态平衡原则 营养平衡原则,VRP=植被面积初级生产力磷含量(收获率+水产品增产效率+沉积效应),VRP:水生植被在湖泊磷平衡中的综合效应,不同湖泊初级生产力会有所差异,水产品增产效率和沉积效应变化更大,优化设计:先锋物种的选择物种选择原则:适应性、本土性、强净化可操作确定植物种类,群落配置通过人为设计，将欲恢复重建的水生植物群落，根据环境条件和群落特性按一定的比例在空间分布、时间分布方面进行安排。一般来说，配置应以湖泊历史上存在过的某营养水平阶段下的植物群落的结构为模板，适当引入外来物种。,水平空间配置 生态型植物群落经济型植物群落生态型群落，以水体污染治理、促进生态系统恢复为目标。建群物种选择：建群物种一般为耐污、生长快、繁殖能力强、环境效益好的物种。经济型群落，以推动流域经济发展，顺应地方需求为目的。建群物种选择：建群物种一般为经济价值较高、具一定社会经济效益的物种。配置时，污染严重时应以生态恢复为目标，污染较轻湖区，应同时考虑经济效益。,垂直空间配置 考虑不同生活型植物群落与不同沉水植物群落对水深的要求群落配置时从湖岸边至湖心，随水深的加深，分别选用不同生活型或同一 生活型不同生长型的水生植物，分别占据不同的生态空间,水生植被修复的技术途径基本条件创建蓝绿藻风浪浅滩创建清除淤泥水深，控制在1m以内水质，透明度,恢复水生植被的途径a)挺水植物可直接种植,深水区必须有1/3露出水面，茭草最大水深可达1米，但需要有两个以上叶片浮出常见有：芦、蒲草、荸荠、莲、水芹、茭白荀、荷花、香蒲,芦苇,b)浮叶植物生于浅水中，叶浮于水面，根长在水底土中的植物；浮叶植物仅在叶外表面有气孔，叶的蒸腾非常大，根一般因为缺乏氧气。可采取营养体移栽、种子播撒或繁殖芽、扦插根状茎等方式常见有：菱、睡莲、眼子菜,王莲,c)沉水植物植物体全部位于水层下面营固着生活的大形水生植物。它们的根有时不发达或退化，植物体的各部分都可吸收水分和养料，通气组织特别发达，有利于在水中缺乏空气的情况下进行气体交换。这类植物的叶子大多为带状或丝状，如苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻等对水深和光照条件的要求高，是水生植被恢复的重点和难点。在沉水植被几乎绝迹、光效应差的次生裸地上，应选择光补偿点低、耐污的种类建立先锋群落。在光效应较好，可选择具中等耐污和较高光补偿点的种类为先锋种。沉水植物恢复时，应从水浅的岸边开始，并在低水位季节进行。,沉水植物,归纳：大型水生植物的四种生活型,大型水生植物的生态功能,污染物的去除机制,微生物降解,微生物是净化污水的主要“执行者”，它们把有机质作为丰富的能源，将其转化为营养物质和能量。,水生植物的根系常形成一个网络状的结构，并在植物根系附近形成好氧、缺氧和厌氧的不同环境，为各种不同微生物的吸附和代谢提供了良好的生存环境，也为人工湿地污水处理系统提供了足够的分解者。,植物的根系还可分泌一些有机物从而促进微生物的代谢,这样就为好氧微生物群落提供了一个适宜的生长环境,而根区以外则适于厌氧微生物群落的生存。,物理化学作用,水生植物修复技术,通过实验，国内外的研究人员已相继筛选出了一大批能够高效地去除水中各种污染物的植物，结合各种生态环境，构成不同的生态处理系统。其中，有些成熟的技术已成功地应用在许多湖泊、河流的生态修复、生态整治工程中。,国内外应用较多的水生植物修复技术,生态浮床技术氧化塘技术人工湿地处理技术,定义：按照自然规律，运用无土栽培技术，以高分子材料为载体和基质，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。采用该技术可将原来只能在陆地种植的草本陆生植物种植到自然水域水面,并能取得与陆地种植相仿甚至更高的收获量与景观效果。原理：利用植物根系吸收水体中污染物质，同时植物根系附着的微生物降解水体中污染物，从而有效进行水体修复的技术。,生态浮床技术,地表水污染的修复,生态浮床又称人工浮岛、人工浮床、生态浮岛。利用表面积很大的植物根系在水中形成浓密的网，吸附水体中大量的悬浮物，并通过光合作用使其转化为植物的细胞成分，促进植物生长，最后通过收割浮岛植物和捕捞鱼虾减少水中的营养盐；另外通过遮挡阳光抑制藻类的光合作用，减少浮游植物的生长量，有效防止水华的产生，提高水体的透明度。,地表水污染的修复,典型实例：2004年8月至2005年1月格凌国际水研公司在昆明滇池进行了植物浮床净化试验，短短6 个月时间，大大削减了水中N、P和COD、BOD 浓度，有效改善了水质。,地表水污染的修复,北京北海人工浮岛实景,地表水污染的修复,日本的人工浮岛,87,生态浮床技术,典型的湿式有框浮床组成包括4个部分：浮床框体、浮床床体、浮床基质、浮床植物。,1、浮床框体,2、浮床床体,3、浮床基质,4、浮床植物,地表水污染的修复,浮床单元及植物栽种示意,吴建强，王敏，吴健等.4 种浮床植物吸收水体氮磷能力试验研究J.环境科学，2011,32（4）：995-999.,生态浮床技术的特点,生态浮床技术,可移动式运行、无维护、使用寿命长、以低廉高效的太阳能为能源。,地表水污染的修复,包括植物修复和植物-微生物修复两方面。该技术以其治理富营养化水体的独特优点，既美化保护生态环境，又带来了一定的社会效益，且成本低，是一种极具发展潜力的技术。具有风动曝气、接触氧化、抑藻和提高水底光照强度等功能。,浮床技术设计原则:,生态浮床技术,生态浮床技术展望,1、生态浮床和削减波浪设备的组合：在风浪较大的区域，如广阔的湖面，可以结合削减波浪的技术如消浪栅、消浪排等，营造局部平静的环境，缓解水流、风浪对浮床的冲击，保证浮床的稳定性。2、生态浮床和填料、曝气等技术的组合：微生物逐渐在填料上形成数量可观的生物膜，可以明显提高水体污染的去除率。浮床增加曝气过程，能提高水体溶解氧的含量，降解水体中耗氧物质。,氧化塘技术,氧化塘是利用塘库等水生生态系统对水体的净化作用，进行污水原位处理的工程措施。通过在池塘内种植对重金属、有机物有富集和吸收作用的植物，如水葫芦、水芹菜、香蒲等，然后定期收割，达到净化水质的目的。,人工湿地技术,湿地是介于陆地和水生环境之间的过渡带。,潜流人工湿地构造图,水生植物生态修复优缺点,水生植物生态修复优缺点,地表水污染的修复,4.生物除藻根本上解决富营养化问题，灭藻、祛味，降解含大量氮磷营养积累的底泥，彻底消除藻类产生的根源，达到修复水环境的目的。生物除藻剂是目前世界上最先进的生物修复除藻产品，包含活性微生物和相应的酶，对水生生物及人类等不产生危害及副作用，微生物迅速激活，与水中藻类竞争营养源，从而使藻类缺乏营养死亡，沉入水底，越来越多的微生物继续降解死亡藻类，直至消灭，使水体变清。,地表水污染的修复,5.生物膜法处理技术 用天然材料（如卵石）、合成材料（如纤维）为载体，在其表面形成一种特殊的生物膜，生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。,地表水污染的修复,6.微生物强化修复技术指用微生物或微生物菌群来降解水体中的有机物或有毒有害物质，如COD、BOD、有机氮或氨氮、石油类、挥发酚等，或使这些物质变成无毒的、无害的，如二氧化碳、氮气或水等，从而使水质得到改善，生态得到恢复或修复。另外，向污染水体投加水体净化促进液（即生物促生剂）也是一种生物修复技术，对于消除水体黑臭、增加水体溶解氧作用明显且迅速。,地表水污染的修复,生物促生剂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。该技术作为微生物修复的一个分支，与以往的微生物制剂法不同，它不引进外来微生物，而是利用其中含有的多种酶和促进微生物生长的营养物质，微量元素等成分，刺激污染场所土著微生物的生长繁殖，迅速降解有机污染物，从而达到消除水体黑臭的目的。,3.4 生态修复技术,生态修复的概念,生物修复（Bioremediation）是上世纪80年代发展起来的一项低投资，高效益环境治污技术，就是利用特定的生物（主要是微生物，包括土著或外源微生物）在一定的条件下进行消除或富集环境污染物，从而达到对污染环境进行治理的生物过过程。生态修复（Ecological Restoration）是利用生态工学原理、技术，通过河道水污染控制、水量和水流态的调节，河道河底和岸坡的形态结构的生态改造，恢复河道生物多样性，重建河道生态系统的结构和功能，使之达到良性的自然生态平衡。,生物修复与生态修复比较,地表水污染的修复,生态修复技术包括:具有复合生态系统的生态塘处理技术以植物和微生物为主要处理功能体的湿地处理技术和土地处理技术,地表水污染的修复,稳定塘处理技术 稳定塘旧称氧化塘或生物塘，是一种利用天然净化能力对污水进行处理的构筑物的总称。通常是将土地进行适当的人工修整，建成池塘，并设置围堤和防渗层，依靠塘内生长的微生物来处理污水。主要利用菌藻的共同作用处理废水中的有机污染物。,地表水污染的修复,稳定塘图示,地表水污染的修复,稳定塘运行原理：以太阳能为初始能量，通过在塘中种植水生植物，进行水产和水禽养殖，形成人工生态系统，在太阳能的推动下，通过稳定塘中多条食物链的物质迁移、转化和能量的逐级传递、转化，将进入塘中污水的有机污染物进行降解和转化，最后不仅去除了污染物，而且以水生植物和水产、水禽的形式作为资源回收，净化的污水也可作为再生资源予以回收再用，使污水处理与利用结合起来，实现污水处理资源化。,地表水污染的修复,稳定塘污水处理系统具有基建投资和运转费用低、维护和维修简单、便于操作、能有效去除污水中的有机物和病原体、无需污泥处理等优点。,类型：好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘、深度 处理塘、水生植物塘、生态系统塘等。,地表水污染的修复,人工湿地处理技术利用基质-微生物-植物这个复合生态系统，通过物理、化学和生物的三重共同作用来实现对污水的净化，这种湿地系统是在一定长宽比及底面有坡度的洼地中，由土壤和填料（如卵石等）混合组成填料床，污染水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动，或在床体表面流动。在床体的表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物（如芦苇等），形成一个独特的动植物生态环境，对污染水进行处理。,地表水污染的修复,人工湿地模拟装置示意,地表水污染的修复,水平潜流人工湿地系统结构示意图,地表水污染的修复,波式流人工湿地结构示意图,地表水污染的修复,人工湿地处理技术的显著特点：对有机污染物有较强的降解能力，出水质量好，可以结合景观设计，种植观赏植物改善风景区的水质状况。其造价和运行费远低于常规处理技术。1996年9月在奥地利维也纳召开的第四次国际研讨会,标志着人工湿地系统作为一种独具特色的新型废水处理技术正式进入水污染控制领域。,2011年11月,116120,地表水污染的修复,人工湿地,地表水污染的修复,复合人工湿地 复合垂直流人工湿地工艺包括复合垂直下行流、复合垂直上行流、垂直下行流与垂直上行流复合系统以及垂直上行流与垂直下行流复合系统4种。复合人工湿地技术比传统单一的人工湿地技术有更高效的污染物去除性能，其中以复合垂直流人工湿地更为突出。,地表水污染的修复,土地处理技术以土地为处理设施，利用土壤-植物系统的吸附、过滤及净化作用和自我调控功能，达到对水净化的目的。可分为快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流、湿地处理和地下渗滤生态处理等几种形式。经验表明，对于有机化合物尤其是有机氯和氨氮等有较好的去除效果。,地表水污染的修复,稳定塘技术可以延长河水滞留时间、截留、降解污染物，减少河流污染物总量和浓度。稳定塘分为微生物稳定塘和水生生物塘两大类。微生物稳定塘分为：好氧塘、厌氧塘、兼性塘、曝气塘水生生物稳定塘分为：水生植物塘和养殖塘。,地表水污染的修复,人工沉床技术 人工沉床装置利用载体和沉水基质营造适宜水生植物生长的环境条件，并在基质上种植水生植物，达到修复受损水体生境，进而恢复水生生态系统的目的。该装置利用浮力调节系统人为调控制植物在水下的深度，解决了水深变化大、透明度低、夏季藻类及浮萍泛滥等不利因素对植物生长的制约。,地表水污染的修复,人工沉床结构示意,地表水污染的修复,人工沉床主要由基质(填料)、大型水生植物和附着在基质与植物体表面的微生物三大部分组成 床体结构由以下4 部分组成:受力载体构件;植物种植箱体及填充基质;高等水生植物;浮力调节构件,地表水污染的修复,人工沉床作用机理包括:直接吸收营养物质和富集重金属；通过物理吸附去除悬浮物和高分子有机物，提高水体透明度;释放氧气，提高水体DO含量；通过植物化感作用抑制藻类和细菌生长；为微生物活动提供附着载体和氧源，形成植 物-微生物的协同净化。,地表水污染的修复,湖滨陡坎沿岸水域基底修复技术 采用人工方法在需要进行大型水生植物群落恢复的湖滨陡坎沿岸的水域实施基底修复工程措施，在目标水域边界构筑水下围埝，采用绞吸式挖泥船将疏浚的湖泥按设计高程要求吹填至基底修复工程区内，形成缓坡浅滩，改善湖泊沿岸带自然条件，为湖泊沿岸带生态修复创造良好的生境条件。,地表水污染的修复,该技术在国内湖泊富营养化生态修复工程中首次成功应用并已申请专利。该技术具有结构简单、体积小、抗风浪能力强、维护方便、投资及运行费用低等特点，其有利于人工筑堤湖泊天然湿地的恢复，实现湖滨带诸多生态功能的发挥，包括净化水体、抑制湖泊兰藻水华、提高生物多样性及景观美学价值等。,地表水污染的修复,清洁底泥吹填技术工艺流程：1、对工程区周边进行勘察，确定泥源；2、选用合适的疏挖设备按工程区基底修复设计的要 求进行吹填施工；3、在基底修复满足设计要求的前提下实施水生植被 种植等工程。作用：减少水深、改善底质性状、创造多样性地 形，为水生植被恢复创造有利的生境条件。,地表水污染的修复,清洁底泥吹填技术工艺流程,地表水污染的修复,复合生态滤床 是垂直流人工湿地的改进工艺，成功应用于城市河道、湖泊等水环境治理。滤床设置于景观水池一端，依池而建，其上种植菖蒲、风车草等景观植物。在滤床内填充具有吸氮聚磷等功能的填料，将水体中的氮、磷等营养物质吸附在多孔介质附近，被种植在多孔介质上的水生植物吸收利用，将氮、磷等营养物质去除。底部布设集水系统，水体从上向下通过滤料进入集水支管和主管，最后自流进入集水池。,复合生态滤床的工作原理：先由滤床基质吸附水中的污染物质，再利用植物和微生物吸收基质上的污染物质，从而使基质长期保持良好的吸附能力。同时，通过植物的根系复氧能力，使基质得到再生，最终实现生态修复污染地表水体的目的。,地表水污染的修复,复合沸石滤床修复北方景观水体的实验研究 以天然矿物质沸石、细砂及煤渣取代传统滤料构建复合基质生态床,表面种植景观植物,采用下向流-上向流运行方式修复景观水体。,复合基质生态床结构示意图,地表水污染的修复,复合生态滤床用于重金属污染地表水体修复 以蛭石为滤床基质，植物根系可以有效地吸收蛭石吸附的重金属，从而有效提高蛭石的再吸附能力，延长滤床工作周期。,132120,地表水污染的修复,3.5 综合方法3.5.1 超声波和改性粘土集成技术超声波作用：将藻类细胞壁和气囊破碎或破坏其生理功能使其死亡。集成技术：在去除藻类气囊而又不影响细胞活性的情况下进行絮凝，在提高除藻率的同时防止大量藻类突然性死亡，以减少二次污染。,133120,地表水污染的修复,3.5.2 生化综合抑藻法利用自动检测投放系统,将一种具有多功能的复合成分的生化混合物“环水-355 号生化复合抑藻剂”喷洒在水体中。该制剂包括杀藻部分、抑藻部分和絮凝部分，有以下三大功能:(1)杀死藻类并除氮脱磷；(2)絮凝沉降和挥发；(3)持续抑制其再生。其中每一种功能的强弱优化，取决于其复合成分比例的准确调配。被杀死的藻类沉到湖底，部分被分解成氮气和氨气，从水中释放出来；其余被固化到湖底。该制剂的突出优点是持续抑藻性极强。投放后能调节水体的组分，增强水体的抑藻性能，有效控制其异常繁殖。经数天后可使大型水生植物明显增加，致使水体的抑藻性能更加增强。,典型实例：1999年昆明世博会期间，北京环水联合体采用了一种生物生化的、微生物的和化学的综合抑藻法，在滇池草海进行了相对独立的大面积开放性生产试验，经治理过的草海水质、水生生物恢复和景观等均一直明显好于喷洒前,且好于往年。即透明度明显提高，藻量明显降低，取得了十分可贵的成果。,地表水污染的修复,3.5.3 复合生态滤床和光催化技术 光催化技术中藻细胞裂解后释放出内溶物又可加重水体的富营养化，与其它除氮除磷方法如复合生态滤床一同使用，则可以显著改善应用效果。,景观水,复合生态滤床,光催化设备,水景,自流,自流,泵,工艺流程,1、重水体生物修复而忽视底泥生物修复,目前我国城市水环境生物修复存在的问题,2、重外源微生物投放而忽视土著微生物激活,3、重单一措施而忽视综合处理,4、重污染源控制而忽视水环境生态恢复,