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1、? 治理技术 ?收稿日期 :2003208201作者简介:熊万永(1971- , 女, 湖北天门人 ,2004年于福州大学环境与 资源学院环境工程专业毕业 , 硕士, 讲师。 人工曝气生态净化系统治理黑臭河流的原理及应用 熊万永, 李玉林(福州大学环境与资源学院 , 福建 福州 350002 摘要:人工曝气生态净化系统是一种辅以曝气复氧的生态处理工艺。本文 介绍了人工曝气生态净化系统的构造、净化机理及其在治理福州白马支河的成功应用。近一年来的运行结果表明 , 该系统对黑臭 河流的净化效果好 , 同时还可实现污水的资源化 , 适合于城市景观河道的治理。关 键 词:曝气生态净化系统 ; 曝气复氧;
2、 黑臭河流; 应用中图分类号 :X522 文献标识码 :A 文章编号 :100123644(20040220034203Theory and Application of Pollution Control for B lack and Odorous River inE co 2purif ication System with R e 2aerationXION G Wan 2yong , L I Yu 2lin(College of Environment and Resources , Fuz hou U niversity , Fuz hou 350002,ChinaAbstract
3、 :Eco 2purification system with aeration is a kind of ecological treatment technologies with This paper describes theconstruction and purification mechanism of the process and its application in Canal Fuzhou. The operational results during about 12year period demonstrate that the system can achieve
4、odorous river and convert sewage to useful resources. It is suitable for pollution control of for K ey w ords :Eco 2purification system with re 2; river ; application曝气生态净化系统是以水生生物为主体 , 辅以适当的人工曝气 , 建立的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 , 恢复水生态的一种污水处理工艺 , 是人工净化与天然生态净化相结 合的工艺。它是在曝气生物塘和人工湿地基础上发展起来的一种污
5、水净化与资源化 相结合的技术。近年来 , 欧、美、日等国家十分重视采用这处将人工净化与天然生 态净化系统巧妙的揉合在一起的工艺处理城镇、村落的污水。如日本采用此类净化 工艺的系统已达 2万套, 占农村污水处理设施总数的 90%以上1 。事实上 , 国内外 将生态净化系统单独应用于工业废水和生活污水的处理已有相当的规模和丰富的经 验 2, 单独应用通过人工曝气以及投加生物菌种来治理河流污染的研究在国外已经 开展了 20多年, 在水质净化工作中占有重要位置 3。但将人工曝气复氧与生态净 化系统相结合用来治理黑臭河流尚未见报道。下面对这类工艺的构造、净化机理及其在实际工程中的应用作一些介绍。1 曝气
6、生态净化系统的构造这种净化系统构造一般为 :在河道底部设穿孔曝气管进行鼓风曝气或采用 移动式曝器进行间歇曝气 ; 在水面下约 50cm 设置栅板 , 其上中覆一层具有生物活性 的特殊土壤 人工生物土壤 , 再在其表面种植不同类型的水生植物 , 并向系统内 投放适量的水生动物 , 人工生物土壤周围用透水材料围护。城市污水经化粪池预处 理后进入该系统 , 出水方式多为在终端使用溢流堰。2 净化黑臭河流的机理及特点该技术是根据生物和生态学原理 , 将生物降解作用和水生动植物等的综合 生态系统净化作用结合起来应用于污水的处理 , 充分利用各类微生物以及水生生物 之间功能上相辅相成的协同作用达到污水净化
7、的目的 , 利用食物链网关系回收污水 资源, 以获得污水净化和资源化的综合效益。其对黑臭河流的净化机理主要包括以 下三个方面的作用 :43四川环境 2004年第 23卷第 2期211 人工曝气复氧的净化作用曝气生态净化系统中的氧气主要来源有三种途径 :人工曝气复氧 , 水流动时空气中氧气的溶入扩散即大气复氧 , 水生生物通过光合 作用传输部分氧气。对轻度污染的河流而言 , 水体能仅依靠后两种复氧方式 , 在微生物和其它一系列 的物理、化学作用下自净。但受有机污染严重的河流 , 有机物降解过程中的耗氧速 率和底泥中大量还原性无机物的耗氧速率会大于大气复氧与水生生物光合作用复氧 速率之和 , 使水
8、中的溶解氧迅速下降 , 甚至消耗殆尽而出现无氧状态 , 有机物的分解 便从有氧分解转为厌氧分解。细菌厌氧分解产生的二价硫(S 2-和铁(Fe 2+会形成硫化亚铁(FeS，硫化亚铁的沉淀造成黑色沉积，并生产H 2S臭味,导至黑臭现象，并 使水生生态系统遭到严重破坏 , 无法自行恢复。对黑臭河流进行人工曝气 , 可加速水 体的复氧过程，迅速氧化有机物厌氧降解时产生的 H 2S及FeS等致黑臭物质，有效 地改善或缓解黑臭现象。能使河道的上层底泥中还原性物质得到氧化或好氧生物降 解, 不会形成 H 2S , 没有臭味; 并且它会形成 Fe (OH 3沉降, 在底泥表层形成一个密 实的“沉积层”,可防止
9、上层的底泥上浮 , 泥中的化学物质进入到水体中 ,4。枯萎, , 进一步加重了水体的缺氧程度 , 同时厌氧环境还会抑制水生根区周围微 生物的吸咐和降解污染物的能力 , 将最终导致生态净化能力的丧失。曝气生态净化 系统能保证水体的好氧环境 , 提高水体中好氧微生物的活性。人工曝气能在河底沉 积物表层形成一个以兼性菌为主的环境 , 并使沉积物表层具备了好氧菌群生长刺激 的潜能。事实上 , 在采用曝气生态净化系统的黑臭河道内形成了一种多种微生物和 水生动植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、底栖动物、水生动植物等的存在。它们通过物理吸附、生物吸收和生物降解等 作
10、用以及各类微生物和水生生物之间功能上相辅相成的协同作用去除污染物 , 并形 成食物链网 , 达以去除污染物目的。同时人工曝气还能及时将氧气输送到根区附近 保证水生根区周围的好氧环境 , 以发挥生态净化系统的最大净化功能。总之, 在曝气生态净化系统中通过人工曝气复氧 , 可达到消除黑臭 , 减少污染负 荷, 维持生态净化系统的结构稳定和最大净化功能 , 促进水生态系统的恢复等目的。212 水生生物的净化机理曝气生态净化系统中水生生物 （包括水生植物和水生动物 是主体, 它们对净化 水质的重要作用是通过以下机理来实现的。 21211 水生植物的净化机理水生植物对黑臭河流的净化作用主要通过以下几种途
11、径:首先, 水生植物的根区为微生物提供了附着生长表面和借以进行生命活动的中间媒介 , 同时由于人工生物 土壤可以保证有较高的渗透速度和微生物存在的良好条件 , 在生物土壤中通常可形 成一定厚度的生物膜 , 并含有大量的有机质和微生物 , 对吸附和降解污水中的污染物 起重要作用 , 使污水能够达到较高的处理程度。这是该系统中水生植物净化污水的 最主要作用 ; 其次, 水生植物能通过吸收和代谢部分氮、磷等无机营养物质、被微 生物氧化分解出来的部分小分子有机物以及重金属等有毒有害物质 , 并最终随着。 据介绍,水生植物能吸收10%20%5,6;最后,维持水生,有利于有机物的降解和 有害细菌和病毒由于
12、不适应环境而自然死亡 7 。此外 , 水生植物的繁茂枝叶为水面 遮挡阳光的照射 , 避免了因藻类大量生长而影响出水水质 , 有利于 SS 的去除和防止 底泥上浮。 21212 水生动物的净化作用在生态净化系统内引种水生植物的同时 , 需要投放部分水生动物。投放的水生 动物品种以滤食性动物如鲢鱼等鱼类为主 , 配有底栖软体动物 , 如蜗牛、螺蛳、河蚌 等。水生动物一方面使生态系统趋于完整化与多样化 , 维护生态净化系统不同营养 级水平的生物对营养需求的平衡 , 同时水生动物对水体也有一定的净化作用 , 可增加 整个生态净化系统的净化效果。在生态净化系统中 , 藻类等水生植物被浮游动物和 鱼类捕食
13、 , 鱼类还能有效地滤食某些浮游动物 , 减少它们的种群数量 , 能够明显限制 浮游动物的现存生物量 , 同时能降低水体中的 COD 、TP 、SS 等, 说明水生动物对 水质有净化作用 , 这就是所谓的 “下行效应 ”。通过合理的生物操纵 , 生态净化系统可 通过自身调节使得各种水生动物在种类、密度、配比处于适当的状态 , 维护生态净 化系统的稳定性 , 达到改善水质的作用。一些底栖动物水生动物还能捕食净化过程 中产生的污泥。极大地延长了系统清淤的周期。综上所述, 整个净化过程及机理可简单地概括为污水进入这种净化系统后 , 在人 工曝气的作用下 , 大53四川环境 2004年第 23卷第 2
14、期部分污染物特别是有机物被好氧细菌和真菌降解 , 也有一小部分被水生动植物 吸收和代谢加以利用 , 生物降解的最终产物及一些无机化合物作为碳源、氮源、磷 源和其它矿质元素 , 在太阳能供应的最初能量下 , 在食物链网生态系统中参与新陈代 谢过程, 并从低营养级往高营养级逐级转化 , 最后变成水生植物、鱼、底栖动物等必 需的基础营养物 , 达到污水净化与资源相结合的目的。3 工程实例311 白马支河水环境现状福州白马支河位于福州市西二环上海新村内 , 全长 550m , 河床断面平均宽约 8m , 水深约 4m , 是附近居住小区近 2万居民每日约 3000吨城市污水的直接受纳 体。由于小区内及
15、附近道路原有污水管的建设互不连通 , 污水管没有出路 , 淤积严 重。在当前财力、物力不足 , 城市排水系统等基础设施落后的情况下 , 未经处理的污 水只能先暂时排入就近的白马支河。此外 , 福州市于 1999 年启动并实施的内河引水 冲污工程 , 虽然全面消除了市区主要内河的黑臭现象 , 改善了内河水环境和市容市貌 但由于白马支河是断头河 , 汐影响, 换水率低 , 改善。长年黑臭 , 蚊蝇孳生境和身体健 康。 312 曝气生态净化系统在白马支河的实践针对白马支河水质的黑臭现象 , 福州市城市管理执法局于 2001年通过公开招标 最后选定加拿大 Asienvironment 公司提出的 Li
16、ving Machine 治理方案。其实质是一 种就地的曝气生态净化系统 , 下面对该工艺作一些介绍 :31211 工艺参数该净化系统设计日处理能力为 3000m 3/d , 设计净化周期为 6d , 污水投配时间为18h/d ,投配频率为7d倜。2001年310月福州市环境监测中心站对白马支河水质的监测结果为 COD 50120mg/L , BOD 53090mg/L , N H 32N 17 42mg/L , TN 4677mg/L , TP 110316mg/L 。设计净化后水质满足景观用水的目标 , 即符合国 家地表水环境质量标准 (G B3838-2002 中 V 类水体的标准。 3
17、1212 净化系统 的实施首先是黑臭河流的底泥疏浚 , 然后在河底设穿孔曝气管 , 氧气由鼓风机提供 , 在 河流未端设溢流堰出水 , 再沿河流在 1/43/4河道横断面距水面下约 015m 处设高 密度耐腐蚀的栅板 , 上覆棕榈树皮丝加工制成的人工生物土壤 , 在人工生物土壤种植 高等的挺水植物, 主要有维管束植物芦苇、香蒲、茭白、菖蒲、水竹、竹芯草、水葱等 , 中央为水上走廊。净化系统开始运行时 , 向其中投放适量的包括当合细菌在内的混 合生物菌种和金鱼、链鱼等鱼类以及蜗牛、螺蛳、河蚌等软体动物以增加生态净化 系统物种的多样性 , 强化净化效果和总体污染物的去除率 , 从而保持系统长期运行
18、的 稳定性。 31213 净化效果系统经一个月的运行后 , 白马支河就基本消除了黑臭。近一年运行监测结果表明, 该系统净化效果好 , 出水水质高。净化后平均水质为 :溶解氧维持在 4mg/L 左右、COD 2216mg/L、BOD 5615mg/L、N H 32N 110mg/L、TN 116mg/L、TP0112mg/L , 净化后的水质可达到景观用水的水质目标。4 讨论与建议411 实践证明, 曝气生态净化系统对消除河道水质的黑臭效果良好 , , 促进黑臭 河。4, 为国内受污染。如目前上海正在考虑选取苏州河的一些支流河段进行类似 的就地净化工程以综合整治苏州河。 413 曝气生态净化系统
19、一方面能将黑臭水体 中的污染物迅速降解或转化为可被水生生物吸收的营养物而使水体得到净化 , 另一 方面可提供具有很强观赏价值的大面积绿带和水上花园。此外 , 定期收割的部分植 物和鱼类还可产生一定的经济效益。可见 , 科学合理地使用 , 必将带来可观的社会 环境经济效益 , 最终实现污水资源化。参考文献 :1 高拯民, 李宪法. 城市污水土地处理利用设计手册 M . 北京:中国标准出版社 ,19911257.2 尤一安.生态氧化塘系统工程原理及应用J电力环境保护，1995,11(2 :46250.3 周 杰，章永泰,杨贤智.人工曝气复氧治理黑臭河流J中国给水排水,2001,17(4 :47249.4 陈 伟，徐左正，叶舜涛，等.苏州河支流综合整治工程J.给水排水,2002,28(2 :31234.5 王国祥， 濮培民， 张圣照， 等. 人工复合生态净化系统对太湖局部水域水质的净化作用J.中国环境科学，1998,18(5 :4102414.6 李万庆 ， 乔玉清 ， 于秀玲 ， 等. 污水湿地处理工艺优化组织设计 J.城市环境与城市生态 ,2000,13(6 :425.7 田淑媛, 王景峰, 朗铁柱, 等, 水生维管束植物处理污水及综合利用J.城市环境与城市生态，2002,13(6 :54256.63四川环境 2004年第 23卷第 2期