原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究

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仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究摘要尽管各城市在水环境建设上已做了大量的工作，但这些措施在消除重点污染源的同时并未使水环境质量达到人们所期望的水平。原因是河流城市段仍然受纳初雨水等带来的污染负荷以及闸控滞流使河流生态退化，水质保持能力差。本课题基于对城市河道水体污染现状的深入调查，以扬州市杨庄河水体水质改善为研究对象，采用原位生物生态组合技术来改善景观水体水质。通过原位曝气．生物氧化等生物生态技术原位削减景观水体污染物和输入河道初雨水污染物，同时研究景观水体DO与水体感官指标和水质指标的关系。主要研究结论如下：l、原位曝气．生物氧化工艺能够有效改善景观水体水质，提升景观水体水生态功能。装置在稳态运行期间，COD的平均去除率达到45％。NH3．N、TN、TP的平均去除率为33％、28％、32％，且去除效果稳定。2、针对景观水体受暴雨带来的水质恶化影响，原位曝气．生物氧化工艺能够使水体较快地恢复水质至正常水平。通过对三场暴雨后的水质分析，一般3天后就可以恢复到雨前水平，而一般河流水质恢复在15天以上。同时还发现，夏季比冬季的恢复需时短，体现了温度是装置性能的重要影响因子。3、针对初雨水污染物的输入，创新设计的雨水口末端原位污染物生态削减装置能够高效去除初雨水污染物。监测结果表明，雨水口末端原位污染物生物削减装置能够截留50％左右的COD，同时对NH3-N、TN、TP也能实现不同程度的削减，减轻了初雨水对景观河道水体水质的冲击。4、研究还发现，通过曝气使水体保持一定的DO是水体感官指标和水质指标趋好的重要措旌。通过调节曝气装置使水体保持不同的DO水平，可以看出，当装置出水DO维持在1．8mg／L时，河流后段水体水质能够得到维持，透明度大大提高。当DO仅达到0．8mg／L时，后段水质下降，透明度降低。通过对杨庄河原位曝气．生物氧化水质改善装置近1年的跟踪研究表明，原位 扬州大学硕士学位论文曝气．生物氧化工艺能够有效去除景观水体污染物且效果稳定，能够有效去除初雨水污染物。装置在运行过程中具有水质改善效果稳定，维护费用低的特点，可广泛推广应用于城市景观水体水质改善与生态恢复中。关键字：原位生物生态技术景观水体初雨水溶解氧 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究3AbstractDespitealotofworkhadbeendoneinthewaterenvironmentconstruction，thesemeasuresfocusedoneliminatingsourcesofpollution，butthewaterqualitydidn’tmeetthelevelpeopleexpected．Thatwasbecausethecitysectionofthecreekstillhadtoreceivethepollutioncausedbytheinitialrain，theecologicaldeterioratedforthegatingstagnationandthewaterretentioncapacityWaspoor．Theissuebasedonthein-depthinvestigationoffiverpollutioninurbanstatus，tookYangzhuangcreekwaterqualityimprovementastheresearchobject,usedthecombinationofin-·situbio·-ecologicaltechnologytoimprovethelandscapewaterquality．Bybio-ecologicaltechnologysuchasin-situaeration—biologicaloxidationprocesscouldremovethepollutantsofthelandscapewaterandcardedbytheinitialrain．Atthesametime，IstudiedtherelationsbetweenlandscapewaterDOandwaterqualityandsensoryindicators．砀emainconclusionswereasfollows：First，in—situaeration-biologicaloxidationprocesscouldeffectivelyimprovethequalityandenhancetheecologicalfunctionoflandscapewater．Duringsteady-stateoperation，theaverageremovalrateofCODWas45％，theaverageremovalrateofNH3-N，TN，TPwas33％，28％，32％，andtheremovalefficiencywasstability．Duringsteady—stateoperation,theaverageremovalrateofCODWas45％，theaverageremovalrateofNH3-N，TN，11PWas33％，28％，32％，andtheremovalefficiencywasstability．Second，inallusiontolandscapewaterdeteriorationcausedbyheavyrain，theequipmentcouldquicklyrestorethewaterqualitytothenormal．Bythreetimesexperimentsweknew,therecoverytookaboutthreedayswhilegenerallytheriverwaterqualityrestoredin15days．Wealsofoundthattherecoverytimeshorterinsummerthaninwinter,temperaturewasaimportantinfluencefactor．Third，inallusiontothepollutioncarriedbytheinitial曲，theinnovativedesignattheendofgullyWasin—situbio-reduction，itcouldtakeaobviouseffectonthereduceof 4扬州大学硕士学位论文thepollutioncarriedbytheinitialrain．Monitoringresultsshowedthatdevicecouldretain50％oftheCOD，whileNH3-N，TN，TPcouldachievedifferentlevelsofreduction，reducedtheimpactoftheinitialrain．Finally,wefoundthataerationtomaintainlandscapewaterDOatsomelevelwasaimportantmeasuretokeepwaterqualityandsensoryindicatorsmaintained．Bychangedtheaerationdevice．wemadetheDOinwatermaintainedatdifferentlevels．WecouldseethatwhenthewaterwasDOmaintainedat1．8mg／L，thewaterqualityafterthesectioncouldbemaintained，andthetransparencywasgreatlyincreased．WhenthewaterDOWasmaintainedjustat0．8mg／L，thewaterqualityafterthesectiondecreased，thetransparencyreducedandattheendofthecreekexistsnoticeabledifferencesolfactory．Throughthetrialrunabout1yearwecouldsee，in—sirebio—ecologicaltechnologyWaseffectivelyandstablelyinpracticalprocess，tookaobviouseffectonthereduceofthepollutioncarriedbytheinitialrain．In—situbiologicandecologictechnologyeffectsintheapplicationprocesswasstable，adaptable，withlowmaintenancecost，couldbewidelyappliedtourbanlandscapewaterqualityimprovementandecologicalrestoration．Keywords：in-situbiologicandecologictechnology；landscapewater；initialrainwater；DO(dissolvedoxygen)． 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书学位论文原创性声明本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：局呋丽娟签字日期：知Io年S月引日学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到‘中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。一学位论文作者签名：石屯荫婚签字日期：厶l口年j月专lEt导师签名：／卜卜嗖、迄签字日期：砂lt，年3--月歹fEl(本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究1综述1．1景观水体的污染现状与成因1．1．1景观水体的污染现状景观水体是指有景观功能需求的水体，是具有景观功能的水生态系统【11。所谓城市景观水体，是指以水体为中心的具有结构和功能整体性的生态学单位构成的自然系统【21。城市景观水体大致有以下四种类型【3】：(1)小型的天然湖泊，如无锡的太湖等；(2)人造湖泊，如各大中城市公园内的湖泊；(3)与房地产开发相配套的人造景观湖；(4)各种景观用的河道。随着经济的发展和生活水平的不断提高，人们对居住环境的要求也越来越高，碧波荡漾、鱼翔浅底的自然水景成了人们的追求。为满足人类亲水的需求，许多城市及其近郊建设了各种具有观赏、娱乐等功能的湖泊、水库、河道、景观水池、小区水景等景观水体【l】。城市景观水体多为静止或流动性差的封闭缓流水体，一般具有水域面积小、易污染、水环境容量小、水体自净能力低等特点。因此小区水景很容易成为居民生活污水、雨水及垃圾的受纳体，而天然湖泊则可能成为工业废水的排放地，从而导致不同程度的污染，甚至发生水体富营养化严重影响周围的自然环境和居民的生活环境。近10年来，我国700多条河流(总长10万余km)q丁，70．6％的河流受到污染，36％的城市河段丧失服务功能【4，习；全国有93％的公园水体遭到不同程度污染，水体黑臭及富营养化现象比较严型卅。上海市污染河道占87％．92％(河长比)，江苏省污染河道占80％．87％(河长比)，浙江省污染河道72％．79％(河长比)，环太湖出入湖河流92％受到污染，特别是太湖西北部入湖河道水质基本为V类、劣V类[71。由此可见我国水体受到污染的比例比较大，特别是包括景观水体在内的城市水环境污染较为严重18,91，景观功能降低。因此改善城市水环境质量、恢复水体的景观功能是城市水环境治理的重要任务。 2扬州大学硕士学位论文1．I．2景观水体的污染成因景观水体是一个由物理环境、化学物质和水生生物共同组成的复杂体系，景观水体生态系统的结构和功能受到诸多因素相互作用、相互影响、相互制约【101。引起景观水体生境恶化和生态退化的原因是多方面的，有自然原因，也有人为原因，其中自然原因的影响较慢长，而人为因素表现的更强烈，特别是近年来人类活动增强，加速了景观水体环境质量恶化和生态系统退化过程。受高密度人口及其高强度活动的影响，城市景观水体更易发生富营养化乃至黑臭。因为它除了流入水质较差，还有城市其他特殊的污染源，归纳起来城市景观水体的污染原因有以下几个方面：l、大气沉降大气沉降包括大气干沉降和大气湿沉降，其中大气湿沉降对水体的水质有很大的影响，因为工业生产过程中向大气排放多种、大量的污染物，通过降水(雨、雪、冰雹等)和径流携带进入城市河湖，包括颗粒态和溶解态的污染物质，如烟尘和气态污染物(如氨气、氮氧化物、硫化氢等)。有研究报道【ll】，城市河湖纳污负荷中大气湿沉降约占5‰10％。2、城市面源污染城市尤其是中心城区不透水下垫面(屋面、路面等)的污染物比例都很高，人类活动产生的大量污染物集聚在这些下垫面上，经大气降水及其径流冲刷并快速进入景观水体。有研究报道f12,131，城市(特别是中心城区的商业区)初雨水径流中的COD、NH3-N和TP浓度均超过了地表水V类水质标准。其中，主要机动车道的初雨水径流中COD浓度最高可达200mg／L[141。。赵剑强、车武等人【15,16]分别调查分析了路面径流和屋面径流，发现路面径流主要污染物平均浓度和典型生活污水污染物浓度相当，屋面初期径流的污染也比较严重，主要污染物为COD和SS；通过北京地面径流化学污染指标和城市市政污水比较发现，除磷外，其它与城市污水基本相近，而总悬浮物及COD则远大于城市污水【171。 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究3、其他污染源景观水体岸边植物落叶、花絮等进入水体后，不仅影响水体景观，也会恶化水体水质。景观水体是游人观光游览的地方，但部分不文明的游客随意向景观水体中丢弃垃圾和杂物，或随意投放鱼饵，某些小型餐饮机构产生废水暗排水体等，也会对水质有一定的影响。4、设计不合理许多景观水体(如人工湖泊、池塘、河流等)没有按自然生态理念进行设计和构建，水体及其护岸硬化(钢筋混凝土或浆砌块石结构)，自净能力弱，加上外来污染物的过多输入，随着时间的推移最终导致水体产生富营养化，导致水体发黑、变臭，最终水体变得浑浊不堪，严重恶化了景观水体的水景观赏效果。现有的景观水体在设计和构建中，过于突出水体的景观手法和表现效果(重点在岸边)，而很少考虑水体净化的问题，为水质恶化埋下了隐患。出于节省用地和水利安全的需要，许多城市景观水体的驳岸被改造成高耸、直立、硬化的防汛墙，影响了水体的亲水性并破坏了水岸的自然生态结构和功能。1．2景观水体治理技术的研究和进展目前，国际上修复和重建受损水体生态系统的重要性已越来越被人们所认识并形成研究重点【18,19】。本文就景观河道水体修复技术研究进行系统的总结和分析，旨在为景观水体治理和修复提供科学依据。改善受污染城市景观水体水质有多种途径，例如源头减量、源头治理、提高人们的水消费观念、将污水收集后在城市污水厂进行处理等。’但是，对于城市内已污染的河段、沟渠、湖塘等就有必要采取一定的措施对其进行处理，加速改善其水质，使受污染景观水体还清，例如成都府南河治理工程【20】和上海苏州河治理工程f2l】。和给水水源水相比，城市受污染景观水体水质与城市污水属于污染水体或重度污染水体。在污水处理技术日益发展的今天，处理此类污染水体的工艺很多。目前国内外常见的城市景观水体水质改善技术主要有：物理法、化学法、生 4扬州大学硕士学位论文物．生态法等。1．2．1物理法(1)外源控制南京玄武湖是一个富营养化严重的小型浅水湖泊，从1990年开始实行外源控制，进行工程截污，但截污后，湖区水质改善进程十分缓慢，死鱼事故依旧频频发生，富营养化藻类生物量和种类组成亦未见明显变化【221。一些国家和地区还采取了“禁用或限用’’含磷洗涤用品的措施，美国、加拿大、日本及西欧的一些国家根据各国水体富营养化程度，分别提出了地区性的“禁用或限用"含磷洗涤用品的政策、法规，在一些地区己经有效地控制了地表水中的磷浓度‘23,241。我国太湖流域1999年1月起全面禁用含磷洗涤剂，禁磷后的第一年(1999年)与禁磷前(1998年)相比较，入湖河道的总磷浓度有所下降，由0．149mg／L下降到O．124mg／L，但2000年的监测数据却表明，入湖河道的磷浓度又上升至O．175mg／L。与1998相比，太湖湖水中磷浓度和富营养化指数均值1：999年分别下降了16．07％和3．29％，但2000年却分别上升了18．75％和6．75％；湖心区的总磷浓度2000年较1998年上升45％。看来禁磷既不是主导入湖河水磷浓度变化的主要因子，对太湖入湖河道磷浓度的影响并不明显，也不是影响湖体水域磷浓度和富营养化程度的主要因子。因此，只有从根本上控制了外源性污染，才能为内源性污染的治理提供可靠保证。(2)底泥疏浚污染水体的内源污染处理主要采用异位处理和原位处理两种技术【25】。如底泥疏浚是沿用最早，应用最广泛的一种异位处理技术，其目的是通过底泥疏浚去沉积物中所含的污染物，减少底泥污染物向水体的释放，国内外均有采用该项措施的成功范例。如瑞典的Trummen湖，清除表层lIIl厚的底泥后，水深增加1．1．1．7m，湖水的 ●仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究5磷含量减少了90％，平均生物量从75mg／L减少至10mg／L[26-281；我国滇池草海疏浚一期工程已经成功完成，疏浚污染底泥3．77X106m3，工程实施后共去除总氮39600t，总磷7900t，清除大量潜在的内污染源，每年削弱氮、磷污染物分别是外源治理工程的5．9倍和7．0倍；疏浚水体不再黑臭，水质明显好转，水体透明度由原来小于0．37m提高到0．8mt291。安徽巢湖底泥疏浚工程预期将去除有机质1．3×105t，总氮13200t，总磷6600t，届时将使巢湖水质得到明显改善【30】。杭州西湖的底泥淤积问题比较突出，其中富含N、P营养物质。通过底泥疏浚去除了大量氮、磷等污染内源负荷，使得水质在疏挖后的一段时间内一定程度上减少了西湖N、P内负荷，使湖水得到很大的改善【3¨。范成新【321等人对城郊污染湖泊五里湖和玄武湖底泥疏浚前后内源负荷模拟研究和现场样品采集分析的结果表明，疏浚可在短期内使内源污染负荷得到一定程度的抑制，但由疏浚方法所造成的疏浚质量差异将对底泥内源控制效果产生影响【33J。随着颗粒沉降、生物转化和动力扰动等生物地球化学过程的持续作用，内源污染回复现象将有可能逐步出现，沉积物本底中高的营养物和有机物含量对底泥界面过程和营养物再生起促进作用【34】，疏挖底泥的厚度也缺乏科学的依据。因此许多学者认为，疏浚底泥的治理工程与实施生态工程相结合是治理富营养化水体的有效途径。由于底泥厚度、密度和污染物浓度分布差别很大，故在施工前，应确定挖泥量和挖泥深度。需要特别注意的是，底泥清除后，会对水底生态系统造成一定破坏，必须对底部生态系统进行修复，包括水生植物修复、微生物修复、水生动物修复等。(3)引水换水当水体中的悬浮物(如泥、沙)增多，水体浑浊透明度下降，可以通过引水、换水的方式稀释水中的杂质，以此来降低杂质的浓度。水体稀释也是一种改善水环境的快速有效途径。太湖的梅梁湖泵站经过6．8天时间的引水，五里湖水质可达到稳定，各项水质指标明显的改善，COD，TN，TP分别下降38．5％，27．7％；49．4％t351。惠州西湖从2000年开始每年补水5×106m3，加之底泥疏浚和外源控制大大降低了西湖的污染负荷，TP从0．268mg／L下降到O．12mg／L，TN从4．936mg／L下降到 6扬州大学硕上学位论文0．92mg／L，COD从11．64mg／L下降到5．13mg／Lt36】。当然，此法存在污染物向下游转移的问题，所换水的受纳水体须具有足够的环境容量方可采用该方法。该方法只适用于小型的景观水体，但由于水价的提高、保护水资源和解决问题的角度，引水换水法不是一个经济可行的方法。(4)水动力循环20世纪60年代后期，水体动力循环技术开始逐步用于水体富营氧化的控制和水体水质的改善。它可以通过泵、射流或者曝气实现。通过水体循环，可增加水中溶解氧，使污染物质氧化速度加快。根据需曝气水体水质改善的要求f如消除黑臭、改善水质、恢复生态等)、水力条件(包括水深、流速、河道断面形状、周边环境条件等)、水体功能要求(如航运功能、景观功能等)、污染源特征(如长期污染负荷、冲击污染负荷等)的不同，人工曝气一般采用固定式充氧站和移动式充氧平台两种形式。常见的人工曝气技术有：曝气船、深水充氧曝气、悬挂链曝气、射流振荡曝气、微气泡纯氧曝气等。德国在Saar河、英国在Thames河口、澳大利亚在Swan河的治理中均采用曝气复氧船，取得了良好的效果【371。德国在Emseher河、Fulda河、Teltow河的治理中分别建立的曝气设施采用纯氧曝气形式，通过管道式布气扩散系统对河道进行人工充氧，有效地满足了水体的需氧要求【38】。孙从军、张明旭等例对苏州河进行的实验室人工曝气复氧研究和动力学分析结果表明：即使严重黑臭的水体，在有氧条件下20h后臭味基本消除，水体颜色明显改观，CODc，、BOD5都有大幅度(30％--一50％)降低。通过复氧，可以使天然水体逐步恢复自然的生态功能，最终达到消除黑臭污染的目的。上海苏州河道治理采用曝气船对河道进行曝气复氧140]，仅用了45d就基本上消除了黑臭，并在一年时间内保持了张家洪的水质达到景观用水的目标，即符合国家《地面水环境质量标准》中V类水体的标准。1．2．2化学法(1)混凝沉淀 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究7混凝沉淀法的处理对象是水中的悬浮物和胶体杂质。沉淀或澄清构筑物的类型很多，但是除藻率却不相同。例如用静沉池处理泰晤士河水时1411，平均除藻率为590／'0，可是用它处理衣阿华河水时除藻率为37％(硫酸铝混凝H7％(石灰软化)；应用澄清池处理波兰河水时【421，平均除藻率为85～86％(无预氯化)和95％,--97％(预氯化)，并且浮游生物量也分别相应下降了93％,--96％和99％。水中的内源性磷对水体富营养化具有很重要的作用，磷的沉淀可以延缓内源性磷从底泥中的释放。常用药剂有CaC03、A12(S04)3、明矾等。研究表明阳删，升高温度、厌氧状态、酸性或碱性条件能促进底泥磷的释放。因此这种技术最大缺点是易受pH影响，一般控制在中性条件下进行。混凝沉淀法具有投资少、操作和维修方便、效果好等特点，可用于含大量悬浮物、藻类水的处理。(2)化学杀藻用化学药品(如硫酸铜和其他除藻剂)控制藻类可能是最古老原始的方法，化学药品可快速杀死藻类，但死亡藻类所产生的二次污染及化学药品的生物富集和生物放大效应对整个生态系统的负面影响较大，而且长期使用低浓度的化学药物会使藻类产生抗药性，因此，除非应急和健康安全许可，化学杀藻目前一般不宜采用【4孓471。1999年昆明世博会期间，采用了生化、微生物和化学的“综合抑藻法"，在滇池草海进行了大面积开放性生产试验，湖水透明度明显提高，藻类数量显著降低，水质感观和景观等均好于往年【4引。此次应急除藻试验，为我国攻克湖泊藻类泛滥难题积累了宝贵经验。(3)加药气浮按照微细气泡产生的方式，可将气浮净水工艺分为分散空气气浮法、电解凝聚气浮法、生物及化学气浮法和溶气气浮法(真空式气浮法和压力溶气气浮法)。目前，应用较多的是部分回流式压力溶气气浮法，其处理效果显著而又稳定，并能大大降低能耗。上海盛大花园人工湖(水域面积为8000m2)的补水为雨水和自来水，该人工湖没有别的污染源，水质、水量较稳定[491。它通过对水进行不断地流动循环曝气、喷泉曝气充氧以及采用化学加药气浮工艺来去除水中滋生的藻类、其他固体杂质 8扬州人学硕上学位论文和磷酸盐，从而使整个水体保持良好的状态。运行结果表明，该工艺具有如下主要优点：①可有效去除水中的细小悬浮颗粒、藻类、固体杂质和磷酸盐等污染物；②气浮使水中的溶解氧含量得到了较大幅度的增加，有效地改善了水环境的质量；③易操作和维护，可实现全自动控制；④抗冲击负荷能力强，对水质、水量的变化适应性好。但是基建费用高，只适用于小面积污染的景观水体。1．2．3生物一生态法生物．生态修复是一项投资少，效益高，发展潜力大的新兴技术f50。52】。从1989年美国阿拉斯加原油溢油事故治理开始，生物修复只有几十年历史。它是一种利用特定生物(特别是微生物)对水体污染物的吸收、转化或降解，达到减少或消除水体污染，恢复水体生态功能的生物措施。由于自然生物修复是完全依靠自然的修复过程，这对多数生态遭到破坏的受污染水体来说，是远远不够的，必须采用人工的生物修复技术。人工的生物修复技术包括原位生物修复技术和异位生物修复技术。对于受污染的公园水体来说，适宜于采用原位生物修复技术。这里主要介绍水生植物修复技术、微生物技术、微生物．生态技术、人工绿地系统。(1)水生植物的修复水生植物和藻类是湖泊生态系统的两大初级生产者。它与藻类竞争营养、光照和生态位，具有较大的竞争优势，还能分泌出某些尚不知的它感物质，直接干扰藻类的生长。水生植物的修复对富营养化水体来说具有极其重大的意义，它具有低投资，低能耗，有助于重建和恢复良好水生态系统等优点，日益受到专家和学者们的关注。童昌华、吴振斌等防56】对水生植物净化受污染水体的机理及净化效果进行了研究，取得了相应的成果。(2)微生物净化微生物净化是水体生态系统平衡的一个重要特征。在未受污染的天然水体中，存在着大量依靠有机物生存的微生物群体，它们或悬浮在水体中，或附着在河床及其他载体上，或沉积于淤泥中。它们在与水中有机物接触的过程中，利用自身 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究9的新陈代谢功能，在有溶解氧的条件下，使在水体中呈溶解和胶体状态的有机污染物被降解并转化为无机物，如水、二氧化碳和硝酸盐等，从而使水体得到净化。投加微生物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净化作用。目前国内外常用的有集中式生物系统(CBS)、高效复合微生物菌群(EM)及固定化细菌等技术。(gcBsCBS技术是由美国CBS公司开发研制的一种高科技生物修复技术。它能唤醒水体中原有益微生物或激活被抑制的微生物，并使其大量繁殖，进而分解水中有机污染物。它主要包括了光合菌、乳酸菌、放线菌、酵母菌等构成的功能强大的菌团，利用向水体河道喷洒生物菌团使淤泥脱水，让水与淤泥分离，然后消除有机污染物，达到消化底泥，净化水体的目的。重庆桃花溪在2000年3．4月间曾使用CBS技术净化河水【57】。结果显示，BOD5的去除率为83．1％．86．6％，COD的去除率为74．3％．80．9％，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。②EMEM技术是日本琉球大学教授比嘉照夫先生于20世纪80年代开发成功的一项生物技术。EM为高效复合微生物菌群的总称。它是一种由酵母菌、放线菌、乳酸菌、光合菌等多种有益微生物经特殊方法培养而成的，在生长过程中，能迅速分解污水中有机物，同时依靠相互间共生繁殖及协同作用，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。通过这些生物的结合效应，从而达到净化与恢复水体的目的。王琴、李捍东等158,59]利用EM对污水进行处理，向水面定期投放EM菌液，BOD5的去除率达70．7％，COD的去除率在60％以上。③固定化细菌 10扬州大学硕士学位论文固定化细菌技术是选用某些有机物，按照一定的比例混合，在适当的温度和适当剂量射线的辐照下，聚合成固定化载体。然后，采集、驯化形成具有某种净化能力的优势菌群，再使之固定在载体。由于固定化载体提供的是具有良好微孔结构的材料，构成了一种适宜于菌种生长、增殖的“微生态”环境，从而使菌种对外界条件的变化具有很强的适应性。李正魁等【60】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，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。④光合细菌(PSB)光合细菌是一种在水系中生长的微生物，纯光合细菌菌体含有60％(质量分数)的蛋白质，含量相当于酵母蛋白与鱼粉蛋白，同时还含有丰富的维生素和叶酸等。由于光合细菌能利用光能和氧将微污染水或废水中的无机和有机碳源及其它营养物质转化为菌体，从而能起到净化水质的作用。投加PSB是一种新颖的处理方法，具有工艺简单，无需单独建处理构筑物，一次性投资省等特点。但投加菌种所需费用较高，处理费用相应会增加。同时由于光合细菌属光能自养菌，不含有硝化及反硝化菌种，因此，光合细菌对微污染水或废水中的有机污染物的去除率较高，但对氮、磷等植物营养物只能以COD：N：P=100：5：1的比例去除，去除率相对较低。曹式芳洲等使用光合细菌和硝化细菌净化湖水，使其有机物降低了60％。但是导致湖泊、塘水等缓流水体发生富营养化的根本原因是由于氮、磷等植物性营养物的大量流入，而光合细菌不具有脱氮除磷的特性，因此对于微污染水采用投加光合细菌的处理方法，不能从根本上解决水体富营养化的发生。(3)微生物．生态微生物．生态技术主要是通过调节污染物场所微生物的生存状况，从而提高土著微生物降解有机污染物的能力。与微生物技术相比，采用无毒且不含外来菌种的制剂已成为目前生物修复研究的一个发展方向。①生态护岸 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究ll护岸是水体和陆地的景观边界，是在特定时空尺度下，水、陆相对均质的景观之间所存在的异质景观【62】。在自然条件下，生态的动态系统多种功能主要表现在：①通道和廊道作用。护岸是水陆生态系统或水陆景观单元内部及相互之间生态流流动的通道。②过滤和障碍作用。在水陆景观单元之间生态流的流动中，护岸犹如细胞膜，起着过滤作用【631。护岸的障碍作用主要体现在植物树冠降低空气中的悬浮土壤颗粒和有害物质，地被植物吸收和拦阻地表径流及其中的杂质，并沉积来自高地的侵蚀物，使吸附在沉积物上的N、P、Ca和Mg等被有效截留。护岸带的泥土、生物及植物根系等可降解、吸收和截留来自高地地下水中携带的大量营养物质和农药。研究表明，16m宽的河岸带可使硝酸盐浓度降低50％，50m宽的河岸带则能有效截留来自农田的泥沙和养分【641。生态护岸坡面的多孔隙结构形成不同流速带和紊流区，有利于氧从空气中传入水中，增加溶解氧，帮助好氧微生物、鱼类等水生生物的生长，促进水体自净。③环境作用。护岸把水体、水畔植被连在了一起，具有自己特有的生物和环境特征，是水生、陆生、水陆共生等各种生态位物种的栖息地。洪水和干旱在时间和空间上交替地出现，沿水岸带创造了许多丰富多彩的小环境，为大量的植物、无脊椎动物和脊椎动物提供了生存和繁衍的空间、场所，同时也是许多水生、陆生生物某个生活阶段的停留处【651。滇池、太湖也正在着手生态护岸工程建设。②人工湿地湿地通常处于陆地生态系统和水生生态系统之间的过渡区域，它一般由湿生、沼生和水生植物、动物、微生物等生物因子以及与其紧密相关的阳光、水分、土壤等非生物因子所构成。处理水污染物的基本原理：人工湿地系统运行稳定后，基质表面和植物根系生长了大量的微生物并形成了生物膜，污水流经湿地时，大量的污染物被基质和植物根部截留，有机物则通过生物膜的吸附、吸收、同化及异化作用而得到去除。同时，通过植物的收割，也将部分污染物从水中去除。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放，使其周围的环境依次呈现好氧、缺氧和厌氧状态，通过硝化和反硝化可有效地提高湿地系统的脱氮能力。人工湿地融合了自然净化和生物膜法优点，将污水净化、污水资源化及美化 12扬州大学硕士学位论文环境有机结合起来，因而被受到广泛关注。人工湿地自20世纪70年代作为一种新型的污水处理工艺蓬勃兴起以来，在欧洲得到推广应用，在美国和加拿大等国得到迅速发展f66-691。我国于“七五”期间才正式开始较大规模的人工湿地研究，我国第一座规模最大的人工湿地为深圳白泥坑人工湿地，处理规模达3100m3／d，之后北京的昌平、天津、深圳、武汉和成都等陆续建立了人工湿地试验基地[70,71】，湿地的生态服务价值较高。田刚等人对北京市人工草地与人工林木、人工景观水面与人工湿地的生态服务价值进行了估算和对比分析，结果显示北京地区的人工草地和人工景观水面的生态服务价值皆为负值，而人工林木和人工湿地的生态服务价值较高，所以种草不如种树，造水面不如建湿地【72】。且人工湿地其对污水的净化效果也已得到证实：已有研究结果显示，对BOD5、COD、SS、TN和TP的去除率分别为85％．95％、>80％、>90％、>60％和>90％，对污水中的藻毒素和酚酸酷的去除率分别达90％和99．95％，对苯二甲酸二丁酪(DBP)亦有较好的去除效果。各种修复技术的优势与特点如表1．1所示。表1．1不同修复技术的优势与特点名称分类优点缺点存在问题物理外源控制短期效果好投资大，治标不治(1)底泥疏浚较难确定法底泥疏浚本挖泥量和挖泥深度：(2)引水换水曝气方式的选择与景观水动力循环效应的协调化学混凝沉淀短期效果好治标不治本，费用(1)难以确定化学药剂法化学杀藻高，不已长期使的适当投加量；(2)使用加药气浮用，知识一种应急不当会引起二次污染技术生物水生植物修复(1)费用少，人(1)周期比较长，(1)由于大多数水生植一生微生物净化为管理控制少；受自身水环境的物冬季代谢活动减弱，如态法生态护岸(2)环境影响小，制约；(2)净化效何保证低温下生物修复人工湿地副作用少；(3)能果受季节变化影效果；(2)微生物技术易持续发挥和强化响；(3)微生物不受低温影响，并且对原生净化作用；(4)与能讲解所有进入态系统构成威胁；(3)采水经管功能相结水环境的污染物用湿地技术需占用一定合，更加亲近自然的土地资源，其净化效果受多种因素影响，如温度、pH、流态、水力负荷 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究13当前，受污染景观水体的修复技术主要有截污、减污和除污技术。截污技术主要为了控制外源性污染，从而为控制内源性污染创造了有利条件。减污技术是指底泥疏浚技术、水动力循环技术和一些化学修复技术，但这些在某种程度上只能作为辅助性的措施，治标不治本。而生物．生态修复技术才是具有广阔发展空间的技术，尽管它存在一定局限性，却具有投资少，对环境影响小，永久性消除污染物等其他技术无法比拟的优点。由于景观水体是小水域系统，对于一些河流、湖泊的污染治理方法只能吸收借鉴。各种修复技术都有自身优点和缺点。依靠单一技术处理受污染水体，往往效果不佳。虽然我国各景观水体污染情况不同，但是根据具体条件，扬长避短，采取以生物一生态为核心多种技术的优化组合方法将成为今后景观水体污染治理的一个较好发展方向【3l】。1．3课题研究的意义近年来，经济社会飞速发展，城市化进程加快，大量城市污水直排河道水体，加上大量污染物的倾倒，造成水体污染不断加剧，水质恶化，水体恶臭。城市水环境质量的下降，由此引发了一系列的环境问题，不但危害人体健康，而且造成一定的经济损失，制约了城市的发展【73，741。其危害可概括为：(1)景观水体水质恶化严重影响了游人和周围居民的身体健康。扬州市区内大小景观河道和湖塘水体遍布，景点分布与住宅小区依水布设。由于人与景观水体近距离接触甚至直接接触，景观水体水质好坏势必直接影响到人的身体状况，作为周围居民，更是直接受其长期影响。(2)景观水体水质恶化严重影响了旅游资源的开发和利用，从而制约城市的经济发展。旅游业以其低投入、高效益、安全环保的优势成为各地争相开发的经济产业。作为旅游资源的重要环节，景观水体将会直接影响景区的旅游价值。因此需要不断提高水体水质，来满足人的需求。(3)景观水体水质影响着城市的环境质量和城市的吸引力。扬州城外有京杭大运河流经，外环护城河，内部河网密布，是构成城市环境的重要因素。优美清 14扬州大学硕士学位论文澈的景观水体对城市环境是完美的点缀，能大幅提升城市的环境质量，增加城市的吸引力。城市景观水体的水质改善迫在眉睫，景观河道在扬州城所起的作用不容小觑。随着人们对环境的日益重视和对生境要求的日益提高，对城市景观河道水体处理的重要性和必要性必将有更深入的认识。景观河道水体处理也将成为继生活用水、工业用水处理后的又一水处理的新领域，其市场前景和发展空间巨大。因此，本课题基于对城市河道水体污染现状的深入调查，以扬州市杨庄河水体为研究对象，借助杨庄河水质改善工程的契机，借鉴国内外先进景观水体水质净化和功能恢复的经验，探索适合南方河网地区的城市景观河道水体水质净化处理技术。1．4研究内容和论文创新点1．4．1研究内容在深入研究国内外受污染景观水体水质恢复技术成果的基础上，以扬州市杨庄河水体为研究对象，借鉴国内外景观水体水质改善条件方面的经验，采用原位生物生态组合技术来改善景观水体。本论文研究的内容主要包括以下四个方面：(1)原位去除景观河道水体主要污染物研究。以杨庄河水体为研究对象，通过原位曝气．生物氧化装置对水体中的污染物进行削减，通过水体自然流动动态培养挂膜，监测稳态运行一段时间对污染物的去除效果和稳定性，并通过闲置后的重启动观察装置的恢复性能。(2)原位恢复受暴雨污染河道水质研究。由于试验装置在室外，降雨会一定程度降低装置的去除效果。以杨庄河水体水质为研究对象，选择不同的季节，监测降雨后装置对污染物去除性能的恢复情况，考察装置受降雨影响的大小以及削减性能的恢复能力。(3)原位削减输入河道初雨水污染物研究。由于初雨水携带的污染浓度比较高，。直接排入河道会对水质产生很大的冲击。以杨庄河的雨水口为研究对象，在 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究l5雨水口设置初雨水削减装置，监测该装置对初雨水污染物的削减情况，为今后初雨水污染物削减的进一步研究提供参考。(4)景观水体DO水平与水体指标关系研究。本章通过调节曝气装置使水体中的DO维持在不同的水平条件下，研究水体感官指标的变化情况以及水质的变化情况，探讨DO对水体指标关系的影响，探讨水体的最佳DO水平。1．4．2论文创新点(1)首次采用原位转盘曝气．生物接触氧化．生态砖．生物浮床组合技术对受污染河道水体进行水质改善和生态修复，具有效果稳定、无二次污染、运行管理方便等特点，对受污染地表水、城市景观水体的修复都具有很好的应用效果。(2)采用原位生态装置削减输入河道初雨水，在初雨水污染物削减方面具有开创性的意义。该装置成本低，在应用过程中，具有无需管理，无动力消耗、无二次污染等优势，具有研究价值和应用前景。 16／扬州人学硕士学位论文2原位去除景观河道水体主要污染物研究以杨庄河水质改善为背景，通过原位曝气．生物氧化装置对景观水体中的主要污染物进行去除。本章主要研究该装置在稳态运行时，水体中污染物的去除情况，同时研究了该装置的重启动性能。2．1材料与方法2．1．1试验景观水体的选取杨庄河是江苏省扬州市市区景观河道，总长约1075米，沿河两侧有数个居民小区，服务人口达1．5万余人。该河道在水环境生态整治前，存在水体黑臭、生态效果差两方面的问题。杨庄河来水水质差，底泥污染释放严重，而水体生物物种单一，自净能力差，使水体处于黑臭状态，严重影响了两岸的商业和居住环境。杨庄河水质改善工程从水质净化和水质保持两个方面来实施水质改善。水质净化作用通过原位曝气．接触氧化工艺来实现，水质保持通过生物浮床等其他生态措施来实现。本章主要研究原位曝气．接触氧化工艺对水体中污染物的去除能力。该试验的景观水体取白杨庄河上游的蒿草河，装置运行期间水质状况见表2．1。表2．1运行阶段进水水质状况统计表项目水温pHDoNH3-NTNTPCOD℃值(rag／L)(mg／L)(rag／L)最小值2．37．360．24。536．78O．5834最大值23．48．427．47．8917．041．360平均值14．97．731．775．969-320．7945．4注：DO水质为曝气后水体中的DO，其余均为进水水质。 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究172．1．2装置的布置方案为了促进水体流动，根据水流方向，在杨庄河起端设置潜水泵抽引蒿草河水。引水水体中溶解氧比较低，为了提供原位生物接触氧化需氧量，并保证向后输送的水体维持一定的溶解氧水平，使通过转盘曝气装置向引水中曝气增氧。原位生物接触氧化装置为水质净化的核心部分，采用生物接触氧化法，用多面空心球填料(巾38mm)作为生物载体，其理化性质见表2．2。在两端河横断面设格栅，围护生物填料，河面设顶格栅，防止填料上浮。河中心设8根支撑柱，支撑顶格栅。原位生物接触氧化装置现场布置见图2．1、图2．2。表2．2填料理化性质表规格实际尺寸比表面积孔隙率(m3／堆积系数(个堆积重(kg／(mm)(m2／m3)m3)／m3)m3)中38由38300O．862500100技术特点：在球中部沿整个周长有一道加固环，环的上下各有十二片球瓣。图2．1水质净化区布置平面图 18扬州大学硕士学位论文10．3×42×2m图2．2水质净化区布置剖面图2．1．3试验方案(1)启动期间(08年9月20日．10月21日)a．采样频率：从08年lO月1日开始，每周监测2次；b．采样断面以及采样点的设置：试验河段的进水口、曝气装置后、原位生物氧化装置后端，相对进水口0m、15m、70m处，每个断面距右岸1．0m处设1个取样点；C．分析监测的项目：水温、pH值、DO、NH3-N、TN、TP和COD。(2)运行期间(08年10月21日．09年6月11日)a．采样频率：冬季1．2周／次；春夏季1次／周：b．采样断面以及采样点的设置：试验河段的进水口、曝气装置后、原位生物氧化装置后端，相对进水口0rn、15m、70m处，每个断面距右岸1．0m处设1个取样点；C．分析监测的项目：水温、pH值、DO、NH3-N、TN、TP和COD。2．1．4水质分析方法监测方法参照《水和废水分析监测方法(第四版)》。(1)水温、pH值；仪器法(型号)(2)DO：仪器法(型号)(3)NH3-N：纳氏试剂光度法(GB7479．87)(4)TN：碱性过硫酸钾消解．紫外分光光度法(GBll894．89) 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究19(5)TP：钼锑抗分光光度法(GNl1893-89)(6)COD：用重铬酸钾标准法(GBll914-89)2．2结果与讨论2．2．1原位曝气一生物氧化装置的启动装置的启动是以水体中原有的天然生物菌群作为种源，采用水体自然流动的动态自然培养挂膜。试验从08年9月20日开始，当装置对COD的去除率达到稳定状态时，即认为装置启动成功。浓度(mg／L)6050403020100+进水—卜出水+去除率l481115182l24图2．3启动期间水体COD的变化分析去除率60．00％50．00％40．00％30．OO％20．00％10．00％装置启动期间COD的去除效果见图2．3。在启动初期，装置对COD的去除率不高，特别是在刚开始的10天，COD的去除率很小。主要是由于悬浮填料上生物膜尚未形成，故推断出有机物主要依靠填料的机械筛滤和物理吸附作用去除，这段时期，生物膜处于形成阶段，微生物作用微弱，有机物的去除主要依靠填料的过滤作用，因此可推断出去除的主要为粘附于悬浮填料上的有机物或大分子不溶性有机颗粒。30天后即21日时COD的去除率达到稳定，维持在50％左右，标志本装置已经启动完成，可以进入运行阶段。 扬州大学硕士学位论文2．2．2稳态运行下河道水体COD的变化为了考察该装置在实际运行中的效果，对水体中的主要污染物指标进行监测。图2．4为装置运行时水体中COD的变化情况。从图2．4可以看出，在08年10月到12月装置刚启动完成后，对水体中COD的去除率较高，此时生物膜活性最高，而且有巨大的比表面积，故有较高的去除率。在09年1月到3月去除率降低，一方面因为水温比较低，影响微生物活性，另一方面，填料床脱落的生物膜在填料床堵塞，影响接触面积，从而去除率有所下降。在3月份之后，去除率上升且逐步稳定。可见温度升高，微生物活性增加，装置的去除能力上升，同时生物膜脱落和降解实现平衡，从而去除率上升并稳定在新的水平。COD(mg／L)80．0060．0040．0020．000．00+进水+出水十去除率去除率80．00％60．00％40．00％20．00％0．00％H甘HoN∞oo‘ot．OH。ot,ONo∞o卜卜∞“NoHoHnHNoHNo__NoH●■●■●oHNH∞∞甘寸甘寸甘t．O1．t9∞∞co‘oHH_do∞∞∞o。∞。。∞∞ooo∞ooa'西oo日期oH月】图2．4装置运行时水体COD变化情况从图2．4还可以看出，COD的浓度变化与水温变化有一定的对应关系。水温升高，COD浓度变大，造成这种现象的原因可以解释为：水体携带污染物的能力与水温有密切的关系，水温越高，携带能力越强，水温越低，携带能力越弱；当水温升高时，来自外界和底部的有机物质悬浮于水中，难以沉降，污染物浓度达到最大，当水温降低，水体携带能力变弱，从而水中的有机物又越来越多的地沉降于底部。由于扬州处于亚热带季风区，在夏季雨水充沛，春天存在梅雨，秋天降雨频率也比较较高，所以一定程度上削弱了温度对水体的影响。从图2．4中的出水和去除率可以发现该装置COD去除效果稳定。从08年11 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究21月到09年6月，COD的去除率为35％,-,56％，平均COD去除率为45％。装置出水COD的浓度变化比进水的浓度变化小，出水水质更稳定。由此可见，装置在对污染物去除的同时能够调节水体水质，使水质变化变缓，水质更稳定。而且装置对COD的去除效果没有随着时间的推迟而下降，去除率相对比较稳定，可见原位生物氧化工艺在实际应用中具有很好的应用前景。上述结果表明，原位曝气．生物氧化装置能够有效改善景观水体水质。在稳态运行过程中，COD的平均去除率达到45％，且去除效果稳定。2．2．3稳态运行下河道水体NH3-N及TN的变化河流中的氮主要是以有机氮和氨氮的形式存在。有机氮主要包括蛋白质氮、氨基酸、尿素、胺类、氰化物、硝基化合物等。可生物降解的有机氮在异养菌的作用下转化为氨氮，因此本试验以氨氮(NH3)作为景观水体中氮去除效果的主要考察对象。为了充分说明NH3-N的去除机理以及与总氮(TN)之间的关系，本试验还对水体的TN进行了监测。水体NH3-N中的主要来自于生活污水中含氮有机物的分解。春夏季节，NH3-N浓度值衰减较快，水温最高时达到一个低谷，NH3-N浓度与水温有相反的关系，水温升高，氨氮会加快分解和溢出，浓度变低。但是，进入夏季之后，生活污水的排放增加，排放水体的面源污染也会通过降雨等形式增加，水体中NH3-N浓度也会相应增加，从而削弱了温度因子的影响。所以，总体上看，NH3-N的浓度存在冬夏季高，春秋季低的现象。NH3-N的变化情况如图2．5所示，该装置对NHa-N的去除率维持在17-44％，平均去除率为33％。从图2．5可以看出，在冬季低温下装置对NH3-N的去除效果没有在春夏季节时的去除效果好。说明了温度是影响生物处理的重要因子，且与处理效果呈正相关性。另外，随着装置运行时间的推移，NH3-N的去除率在稳定的基础上有所上升，可见，装置在长期运行过程中，效果没有随着时间的推移降低，相对比较稳定。 扬州人学硕上学位论文在监测时段内，进水NH3-N的浓度变化范围为4．56-7．89mg／L，平均值为5．96mg／L，为地表水超V类水(GB3838．2002)。出水NH3-N的浓度变化范围为2．75．5．78mg／L，平均值为4．02me,／L，仍然为地表水超V类水(GB3838．2002)，但是与原水相比，超标倍数从3倍下降到2倍，可见该装置对景观水体中的NH3-N有明显的净化作用。而且在该装置之后，水中的微生物在有溶解氧充足的条件下，水体NH3-N浓度进一步下降；同时岸边和水体表面的植物根系也会对水体中的NH3．N有后续去除作用。9．008．007．006．OO5．004．003．002．001．000．00TN(mg／L)20．0015．00lO．OO5．000．00∞o∞Ho。o卜．Nr--．4∞HNod“o．HodNH∞呻甘∞．dHoOO．oOO∞o。o⑦o图2．5装置运行时水体NH3一N变化情况高器g=22品苫2箸器g蓦22===鐾鹫gg兽昌苫苫兽答兽兽兽兽蓦88图2．6装置运行时水体TN变化情况去除率40．00％32．00％24．00％16．00％8．00％0．00％日期％％％％％％§O0O％璋0O0O目缸．．O其鸺00O0．日基65432lO0 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究图2．6为运行期间水体TN的变化情况。进水的TN浓度值范围为6．78．17．04mg／L，平均值为9．59mg／L，出水的TN浓度值范围为4．13-12．47mg／L，平均值为7．00mg／L，去除率为15．39％，平均去除率为28％。景观水体的污染一方面来自补水带来的新的污染物，另一方面由于底泥污染物的释放。补水污染主要是由于地表径流对水体的污染，与降雨的频度正相关。底泥污染物释放的主要影响因素是水体的溶解氧和温度。该水体DO充足，可以抑制底泥中N的释放。水温高时，底泥中TN的释放快，水温低时，底泥中TN的释放变缓。另外，自然水体的DO与水温呈负相关，即温度高，水体中DO低；水温低，水体中DO高，可见温度为最主要的影响因子。春季水温低，降雨少，底泥释放的TN量也少，水体携带能力也低，故水体春季TN浓度最低。从该装置对TN的去除效果来看，12月和1月份的平均去除率为23．4％，3月和4月份的平均去除率为32％，5月和6月份的平均去除率为31％，可见在低温状态下，装置中微生物的活性受到一定程度的抑制，温度到达15℃时，温度对装置影响较小，装置运行效果稳定。总的来说，在运行过程中装置对NH3-N和TN有良好的去除效果，平均去除率达到33％和31％。温度是影响水体NH3-N和TN的重要因子。2．3．4稳态运行下河道水体TP的变化磷是生物圈中重要的元素之一，它不仅是生物细胞的重要组分，而且在遗传物质的组成和能量的贮存中起到很重要的作用【_75】。城市河道水体中的磷主要来自生活污水，然后排放进入水体。进入河流后磷主要被吸附在悬浮颗粒的表面，在河流流动过程中部分磷通过沉降作用沉入河底，也有一部分被河流生态系统内的微生物和生物利用来合成自身细胞。因此河流本身对磷有一定的自净能力，本试验所采用的装置可以增强这种能力。水体中TP的变化如图2．7所示。TP的去除率在25％．44％之间，平均去除率为35％。冬季水温低，平均去除率为23％，4月份水温上升，平均去除率上升到为 扬州大学硕士学位论文32％。装置中TP的去除通过被用于微生物的合成和聚磷菌的过量吸收来完成，都与微生物的活性有关。装置在09年4月份开始，装置中生物膜的更新加快，微生物的活性增强，装置的去除能力增加，对TP的消耗和降解也呈现与NH3．N～致的变化趋势。TP(rag／L)+进水+出水+去除率4020008060402000去除率40．00％30．00％20．00％10．00％0．00％高器葛=2鐾兽昌苫2暑器g答譬村瓮兽2=高兽=6do一一““式一一d一寻寻ooo一一埔埔G占HHHHHHd,---iooooooooooooooo蓉蓉蓉蓉蓉蓉。oS。0d。oq蓉蓉蓉蓉。o-；蓉。oq。c,；。oq蓉。o-；蓉蓉蓉日期图2．7装置运行时水体TP变化情况图2．7为装置运行时TP的变化情况。由图2．7中的原水变化可以看出，TP季节变化的总体趋势表现为秋冬季节高，春夏季节低的显著特点。水中的磷主要有内源性磷和外源性磷，内源性磷主要来自于底泥，外源性磷主要来自于水体外部的汇入。由于总磷难以分解和挥发，因此它的表现特点与总氮截然不同。对于一个相对稳定水体来讲，总磷更容易富集化，这也是导致水体富营养化的主要原因。城市景观水体一般而言，流速缓慢，流动性差，相对封闭，较容易产生富营养化。该变化可以解释为：作为相对稳定的水体，原水总磷的含量相对稳定。春夏季节温度升高，悬浮填料床的生物活性增强，对磷的消耗量增加。故消耗的磷多于释放的磷，水体TP下降。秋冬季节，悬浮填料床的生物活性减弱，对磷的消耗量减少，体现为秋冬季节高。从而可以看出，温度是影响水体中TP变化的重要影响因素。从图2．7中出水TP的变化可以看出，出水TP浓度很稳定，与温度也有相对应的关系，表现为秋冬季节高，春夏季节低，但变化幅度没有进水变化大，可见经过原位生物生态技术处理之后，景观河道的水体水质更稳定。从去除率看，TP的去除率比较稳定，受温度影响不大。 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究由此可见，装置对TP有一定的去除效果，平均去除率达到35％。温度是影响该装置除磷的重要因素。2．2．5装置闲置后的重启动装置检修维护停止运行后的重启动，选择在2009年7月11日．8月18日期间进行。7月11日装置停止运行，河道两端排水，使悬浮填料床上方用于固定的塑料网露出水面，重新用铁丝网固定填料床，为期10天。于7月25日启进水泵和曝气装置，装置重新运行。以COD的去除率作为判断启动是否完成的标志。图2．8显示了装置重启动过程中水体COD的变化情况。605040J瓷30目20100图2．8重启动过程中水体COD的变化情况生物填料床经过10天的闲置，刚开始进水时，出水有刺鼻的腥臭味，且有褐色生物膜漂浮于水体表面，可见填料上的生物膜部分已经死亡。从进水第一天COD的去除效果可以看出，装置的去除效果很低，微生物存活量较少。装置连续运行，运行到第10天左右，水体对COD的去除率有所上升但仍比较低，仅仅维持在18％左右，第11天与第一天相比，去除率仅上升了8％，可见装置性能恢复较慢。到第15天时，COD的去除能力恢复加快，其后上升速度逐步降低，于第25天稳定在51％，说明装置启动完成。试验期间水温较高，有利于微生物的生长和生物膜的形成，而且进水水质相对比较稳定，对生物膜形成有利，也提高了COD的去除效果。在实际工程中，长 扬州大学硕士学位论文时间闲置生物填料床还是有可能的，但是如果闲置时间过长，带来的后果就是悬浮填料上的生物膜大量死亡，再重新启动就需要很长的时间来恢复。装置闲置后重启动需时较长，在实际应用过程中，为避免启动占用时间过长，可以考虑采用低流量连续运行来维持悬浮填料床的生物活性。2．3本章小结1．原位曝气．生物氧化装置在08年9月20日．10月21日，通过自然水体动态流动挂膜，30天即完成启动。在装置启动完成时，COD的去除率达到53％。2．在稳态运行期间，该装置对景观水体中的污染物去除效果较好。水体中COD的平均去除率达到45％，NH3-N的平均去除率达到33％，TN的平均去除率达到28％，TP的平均去除率达到32％。3．该装置运行期间效果好且稳定，去除率的变化范围不大。温度是影响装置去除效果的重要影响因子，两者呈正向关性。4．装置闲置lO天后重启动约需25天，耗时较长。在实际应用过程中，可以考虑采用低流量连续运行来维持悬浮填料床的生物活性。 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究3原位恢复受暴雨影响河道水质研究原位曝气．生物氧化装置在非降雨情况下运行已表现出较好的净化效果。本章研究受暴雨影响的装置恢复对污染物去除效果的性能。3．1材料和方法3．1．1试验条件的选择天然雨水中污染物含量比较低。雨滴在降落过程中虽受大气中杂质的污染，但据历年监测数据得知天然雨水的COD为20．60mg／L，因此天然雨水落地之前仅受轻微污染【76J。但由于地表垃圾和尘埃物质等的存在，汇入城市河道的雨水往往污染物浓度比较高，从而污染了河道水体。原位曝气．生物氧化装置稳态运行过程中，对景观河道水体中的主要污染物表现出较好的去除效果。为了研究该装置受降雨影响后去除能力的恢复情况，试验选取了三次降雨后的有关监测数据对比加以分析。3．1．2试验方案以及监测方法选取了不同季节的降雨条件下进行试验，监测装置运行时水质的恢复情况。分别为冬季：08年12月29日，春季：09年4月8日，夏季：09年7月7日。采样频率为降雨后开始每天1次，直至水质恢复到正常的水平。采样断面设置在引水口和装置后5m，采样点设置、分析监测的项目和方法与上一章一致。 扬州人学硕上学位论文3．2结果与讨论3．2．1受影Plan道水体COD变化目前降雨带来的污染主要呈现为有机污染，因此研究有机污染物的去除规律与机理就有了重要的理论和现实意义。在此以地表水环境水质指标COD作为研究河流中有机物去除效果恢复情况的指标。图3．1．图3．3显示了不同季节时，受初雨水影响后装置运行过程中水体COD的变化情况。图中08年12月29日、09年4月7日、09年7月6日为未下雨时装置运行时的COD去除情况，作为装置雨后恢复的参考值。降雨后，初雨水携带较高浓度污染物进入河道水体，水体中有机物浓度升高。装置进水有机物污染负荷升高，影响了装置正常运行的去除效果。从图3．1可以看出，降雨后，水体中的COD升高了10mg／L，去除率下降了8％，污染物排入降低了装置的去除效果。该装置对污染物的去除过程包括吸附阶段和降解阶段。有初雨水汇入的水体颗粒性污染物增加，流经装置被截留的污染物总量增加，同时被截留的颗粒性污染物增加装置对后来污染物的拦截能力，从而装置的吸附量增加，该过程时间较短。进入降解阶段，拦截下来的固体颗粒物为微生物的吸附提供了载体，从而增加了装置中微生物的量，从而装置可以降解过量的有机物，出水污染物浓度下降，去除率上升。水体基本恢复后，随着颗粒性污染物的降解，原来吸附在其上的微生物重新悬浮到水体，从而装置去除能力恢复到雨前的状态。随着时间的推移，装置出水中污染物浓度逐渐降低，COD的去除率上升，到雨后第三天即1月2日时，COD的去除率达到48％，即恢复到雨前水平，装置的去除性能已经恢复。降雨使单位时间内流经装置的水量增加，水体的流速变快，有利于装置上生物膜的更新，即微生物活性增加，有利于装置的维持较高的去除效果。从图3．1．图3．3都可以看出，恢复后装置COD的去除率都略有增加。 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究皿进水区图出水+去除率12．2912．312．31．1．01．01．02图3．1冬季降雨后装置运行时水体COD变化情况50．OO％45．OO％40．Oa％35．00％30：OO％25．OO％20．OO％日期4．74．84．9．4．104．11图3．2春季降雨后装置运行时水体COD变化情况807060一50窨403020100皿衄进水圆出水+去除率7．67．77．87．9．7．10图3．3夏季雨后装置运行时水体COD变化情况55．00％50．OO％45．OO％40．OO％35．OO％30．00％25．00％20．OO％日期55．Oa％50．Oa％45．00％40．o嘶35．00％30．00％25．00％20．00％日期此外比较不同季节装置的恢复情况可以发现，在春夏季节降雨后污染物的增加量比冬季多。这是因为春夏季降雨强度比较大，雨水对地面的冲刷力度增大，从而使得水体中污染物浓度上升，可见降雨强度对径流中污染物的变化有很重要的影响。同时冬季COD的去除率需要3天才能恢复到雨前水平，而夏季仅需要2天即可恢复到雨前水平，说明温度是影响装置恢复能力的重要因素。∞加m0j齑暑O加∞∞勘‰加mo 扬州大学硕十学位论文可见，针对景观水体受暴雨带来的水质恶化影响，原位曝气．生物氧化工艺能够使水体较快地恢复水质至正常水平，冬季需要3天，夏季仅需要2天，且恢复后去除效果与雨前相比，略有增加。3．2．2受影响河道水体NH3．N及TN的变化河道水体中的氮主要是以有机态氮和氨氮的形式存在。有机态氮包括蛋白质、氨基酸、尿素、胺类等。可生物降解的有机氮在异养菌的作用下转化为氨氮，因此本试验以氨氮(NH3-N)作为河流中总氮去除效果的主要考察对象。图3．4．图3．6反映了不同季节受初雨水影响后水体NH3-N的变化情况。图中08年12月29日、09年4月7日、09年7月6日为未下雨装置运行时的NH3-hi去除情况，作为装置雨后恢复的参考值。初雨水携带的污染物浓度较高，进入水体后，水中和TN的浓度与有机物变化一致，都有明显的升高。实验期间通过原位生物氧化装置的水体溶解氧比较充足，河道水体中NH3-N发生硝化反应，转化为硝态氮和亚硝态氮，从而水体中NH3-N浓度得以降低，NH3-N实现去除。在有过量污染物排入的情况下，固体有机物被拦截在填料表面，原来的水流路线被改变，填料上生物膜与水体中污染物的吸附交换能力降低，从而去除效果下降。但是很快颗粒性有机物上富集微生物，形成新的生物膜，从而提高装置硝化能力，NH3-N去除率上升，逐步恢复到正常运行时的水平。水体中氮的去除通过硝化反应和反硝化反应共同实现，NH3-N浓度的降低仅仅反映了硝化过程的正常运行，结合水体中TN的变化则可以反映水体中反硝化的运行情况。反硝化是在缺氧条件下，利用水体中的N03"和N02"为呼吸作用的最终电子受体，把N03‘和N02。还原成N2，这个过程通过反硝化菌来实现。TN的去除证明了装置中反硝化的进行。TN去除的量超过反硝化中氮的去除量，说明装置存在缺氧区，有反硝化菌的存在，装置在硝化反应的同时实现了反硝化。 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究30．Oa％25．OO％20．OO％15．Oa％10．OO％5．00％0．OO％12．29．12．3012．3l·01．01．01．02日期图3．4冬季降雨后装置运行时水体NH3-N变化情况35．OO％30．00％25．00％20．OO％15．OO％10．OO％5．OO％0．00％4·74·84·9·4·104·11日期图3．5春季降雨后装置运行时水体NH3-N变化情况衄进水圆出水+去除率35．OO％30．00％25．00％20．00％15．00％10．OO％5．00％O．00％09·7·609·7·709·7·809·7·909·7·10日期图3．6夏季降雨后装置运行时水体NH3-N变化情况98765432lO率．f魍除一0lI』摭一0j』一一m凰一／Ejjii』；；K㈠圆堋川水k悯蚪皿＼虮．．．Ⅷ圳m8642O1／暑昌O8642O—，暑暑 32扬州大学硕士学位论文141210患8g6420141210吉8量642030．00％25．00％20．00％15．OO％10．00％5．OO％0．00％12·29·12·3012·31·01·01·01·02日期图3．7冬季降雨后装置运行时水体TN变化情况Ⅲ叨进水匿图出水+去除率40．OO％35．00％30．00％25．OO％20．OO％15．00％lO．OO％5．00％O．00％4·74·84·9·4·104·11日期图3．8春季降雨后装置运行时水体TN变化情况皿进水瞬图出水+去除率40．Oo％35．00％30．OO％25．00％20．00％15．OO％10．00％5．0096O．Oo％图3．7墙夏季降7．雨7后装7置．8运行时7．9水体TN．7．变109日期图3．夏季降雨后装置运行时水体TN变口删化情况NH3-N和TN的去除率的恢复也相对较快。冬季NH3-N和TN需要3天才能恢复到降雨前的水平，而随着温度的升高，夏天经过2天已经能完全恢复，在第3天效果优于雨前水平。可见，与温度对COD去除率的影响一致，温度也是影响装置NH3-N和TN去除效果的重要因子，而且呈正相关性。42O8642O●●●1，89 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究333．2．3受影响河道水体TP的变化从上一章可以看出，原位生物氧化装置在脱氮的同时也可以除磷。从图3．10．图3．12可以看出，装置对水体中TP的去除效果也受到影响。初雨水中的磷主要为吸附在颗粒性有机物上的磷，水中溶解性的磷很少，因此，对初雨水中磷的去除效果主要通过对有机物的降解来实现。初雨水携带较多颗粒性有机污染物进入河道，该装置通过填料床截留其中的大部分颗粒，初雨水中携带的磷随着颗粒的截留而被截留在填料床上。随着颗粒有机物的降解，释放的磷一部分微生物用于合成新的微生物，一部分者进入水体，从而使水体中磷浓度几乎不变。但是随着微生物降解的进一步进行，水体中TP浓度下降。一般系统除磷是通过聚磷菌来完成。聚磷菌在好氧状态下不仅能大量吸收水体中的磷酸盐合成自身核酸和ATP，而且能逆浓度梯度过量吸磷合成贮能的异染颗粒于体内，供其内源呼吸用。在厌氧时，聚磷菌又能释放磷酸盐于体外。通过厌氧和好氧环境的交替，使磷存储在微生物中，随着微生物的合成和生物膜脱落从而实现磷的去除。从图3．10．图3．12可以看出，装置对TP也有一定的去除效果。随着温度的升高，装置对TP的去除率恢复逐步加快，即温度也是影响装置TP去除的重要因子，且呈正相关性。1．O0．8却．6鲁0．40．2O．OtmTrm进水圆出水+去除率12．2912．312．31．01．01．01．02图3．10冬季降雨后装置运行时水／t,日k-Tp变化情况咻姒噼懈瞄帆慨m曩吼豇仉mm期32150j 扬州大学硕士学位论文患暑0．O．0．J0．和．0．O．0．3．3本章小结4·74·84·9·4·104·11日期图3．1l春季降雨后装置运行时水体TP变化情况皿进水圆出水+去除率35．00％30．00％25．OO％20．00I；615．00％10．OO％5．OO％O．OO％7·67·77·87·9·7·10日期图3．12夏季降雨后装置运行时水体TP变化情况1、景观水体受暴雨带来的水质恶化影响，原位曝气．生物氧化工艺能够使水体较快地恢复水质至正常水平。通过COD、NH3-N、TN和TP的去除率可以看出，三天后水质已经基本恢复，而一般河流水质恢复在15天以上。并比与雨前的净化效果效果相比，装置的去除率略有增加。2．温度是装置的去除性能恢复的重要影响因子，去除能力的恢复速度与温度呈正相关性。3．该装置具有一定的缓冲能力。在实际推广应用中，能够削弱冲击负荷的影响，且具有较强的恢复能力。帆％嘶嗍讹帆％％涨啷懈涨咣慨傩∞眠弧纸舱坻m驯㈣妾唧爝除一m川川川⋯川皿竺町川』十f阑蚪一／们川川川川仙／＼脉一对斟圆㈣水哪圳圳屯＼一一扩坶 仇咂娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究354原位削减输入河道初雨水污染物研究随着城市地面污染的加剧，雨水径流污染愈加严重，尤其是初期雨水。国内外调查资料表明，降雨形成的初期径流含有大量污染物，有些污染物的浓度与城市污水厂的进水水质相近【77,78】。这些污染物主要来源于大气沉降、地面垃圾堆积、车辆排放以及地面冲刷侵蚀。降雨径流中所携带污染物几乎都集中在初期几毫米雨水中，其污染负荷远高于中后期雨水，若这部分径流直接排放，则会给城市景观河造成巨大污染，对城市水体环境质量造成冲击性影响，生物生态技术对景观水体污染物去除效果显著，而且具有一定的缓冲能力。针对初雨水污染物的输入，本试验创新设计了雨水口末端原位污染物生物削减装置，本章主要研究该装置对初雨水污染物的削减效果和机理。4．1材料和方法4．1．1试验装置构建方式本实验在在常规雨水口两侧设置雨水滞留小室和雨水溢流堰，滞留小室内设置不锈钢丝笼框，内部放置悬浮生物填料球。降雨初期，初期雨水流入滞留小室，初期雨水中颗粒有机物被截留于悬浮生物填料球内。随着雨量加大，较洁净的后期雨水通过溢流堰直接进入水体。具体实施情况见图4．1和图4．2，雨水从管径为800mm的雨水排放口排出，进入初期雨水污染物原位削减装置的分配井，分配井尺寸为1500mmX1500mmX3500Innl。随后，初期雨水通过溢流分配井两侧的管径500nli／1过水管进入两侧净化池，在此初期雨水夹带的有机颗粒等沉降在净化池内悬浮填料表面。单侧净化池尺寸为2000mmX1500mmX4000mm，内装悬浮填料球(咖38塑料空心球)，填装高度1500mm(与水体常水位平)，填料床顶部和进出水部分，均采用不锈钢压网(网眼20minx20mm)，防止悬浮填料球流失。初期雨水夹带的污染物通过 扬州大学硕士学位论文填料床的截流净化作用后，排放到受纳水体。随着降雨历时的延长，雨水管收集雨水量不断增大，多余的雨水通过溢流分配井的溢流堰溢流排放，堰口高度与管径800mm雨水管管中心齐。———————E]_————一小图4．1雨水口污染物削减装置平面图尸厂＼]广／_''＼生物填料丁Lr生物填料／’‘：。·j．．．’．．。|o‘，?‘j‘一．。．．’。．i?i0‘。o．：，。‘．。：?‘：．：’．一．·’．’．-i’．7．．j．_：．j一，⋯：_l图4．2雨水口污染物削减装置侧面图4．1．2试验方案和监测方法装置在09年6月份构建完成。扬州处于亚热带季风气候区，夏季降雨强度大且降雨频繁，因此该试验选取在夏季进行。联系扬州市降雨的实际情况，最终监测了四次降雨的雨水来测试该装置的运行效果。具体日期：7月7日，7月13日，7月25日和8月4日。每次在刚下雨时取雨水口出口水为原水，经过该装置后的水为出水，分析原水和出水的水质指标，包括CODc，、NH3-N、TN和TP，分析该装置对初期雨水污染物的削减效果。水质监测方法与前面一致，具体参照《水和废水分析监测方法(第四版)》。 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究374．2结果和讨论4．2．1运行过程中水体COD的变化图4．3反映了运行时水体COD的变化情况。从图4．3可以看出，该装置在脱氮除磷的同时，对水体中的COD也有一定的去除效果，平均去除率约为50％。所测数据表明，初期雨水COD值较高，水体中所含的有机物浓度也比较高，水体受污染比较严重。装置中对COD的去除主要通过物理吸附和生物降解来实现。物理吸附只与水体流速，方向以及填料内部的结构有关，而与温度无关，生物降解则是利用微生物的好氧氧化来实现。在微生物发生好氧反应时，水体中的有机物为反应提供碳源，用于合成新的微生物细胞和提供能量，水体中的COD降低。在所测的四次降水中，7月13日的水质相对最差，装置对COD的去除率也相对较低，但是从去除净值来看，7日降雨的去除净值为36．8mg／L，13日降雨的去除净值为35．2mg／L，相比并没有明显差异。同时，在初雨水水质有较大幅度变化的情况下，出水相对稳定，该装置对初期雨水水质的变化具有缓冲能力。原位削减装置可以较快削减水体中的污染物，对COD的去除率可以达到50％，从而降低初雨水对景观河道水体的影响。。12010080一瓷60目402007月7日7,q13日7月25日8月4日图4．3运行时水体COD变化情况70966096500,640％3006209610％0％ 38扬州人学硕士学位论文4．2．2运行过程中水体NH3-N及TN的变化图4．4所示的是运行时水体NH3．N的变化情况。图4．5描述的是运行时水体TN的变化情况，图4．6描述的是运行时水体中NH3-N与"IN变化情况相对应的数据。从图4．4可以看出，从7月份三次降水的NH3-N的去除率效果看，装置是对NH3-N的去除率是逐步上升的，从最初的6．4％上升到42．7％。在8月4日去除率有所下降，为36．1％。说明在7月25日时，该装置的生物膜的吸附和截留能力达到最大。可见，该装置对初期雨水的NH3．N的去除效果已达到预设效果。在7月7日降雨取水的时候，生物填料上层基本为白色，因为不下雨时，生物填料虽然处于淹没状态，但是水体不流动，营养相对贫乏，不利于生物挂膜。装置对NH3-N的去除主要为物理截留。到7月25目的时候，在填料表面覆盖了一层的狄褐色的膜，意味着生物膜挂膜完成，在物理截留附着颗粒物上的NH3-N的同时，还可以对水体中的溶解的NH3-N通过膜表面的物质交换进行吸附。目原水囫出水口去除率盥∽垮7月7日7月13日7月25日8月4日图4．4运行时水pqkNH3-N变化情况填料装置对水体的净化效果可以分为两个方面：一方面，该装置可以迅速截留和降解初期雨水中的溶解性有机物；另一方面，该装置可以缓慢降解被截留的颗粒性有机物。考虑到初雨水水体流速较快，在装置上的停留时间较短，故可推测装置对污染物质的短期去除是通过填料床对颗粒性有机物的截留以及对水体中溶解性有机物的吸附来实现。初雨水SS比较大，主要的污染为颗粒性有机物，故装置对初雨水的污染物削减效果明显。—．．．．．。．．．．．．．．—．．．．．．．．．．．．．．—．．．．．．．．。．．．．．—．．．．LO50502lO营 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究39被截留的颗粒性有机物在微生物的作用下，从颗粒性大分子有机物逐步分解成可以被微生物利用的小分子有机物，．从而在没有营养物质输入，即非降雨的条件下，能够维持填料床上微生物的生长。这不仅实现了颗粒性有机污染物的去除，同时也保证了生物膜上微生物的正常生长，使微生物维持较高的生物活性，从而使生物膜维持较高的对污染物的去除能力。2怼甑050％40％30％20％10％O％7月7日7月13日7月25日8月4日图4．5运行时水体TN变化情况从图4．5可以看出，该装置对TN也具有去除作用。在7月25日达到了46．7％，平均去除率约为38％。图4．6中的去除量为通过该装置后的去除净值，去除比例为TN中NH3．N所占的比例。从图4．6可以看出，初期雨水中的"IN主要为NH3-N，但是受降雨强度以及污染量变化的影响，NH3-N所占的比例变化很大。经过该装置后，NH3．N占TN的比例升高，最高达到90％。但是与进水相比，比例的变化范围缩小，说明了该装置出水的效果相对稳定。另外，’去除前后NH3-N与TN的比例没有对应关系。1．0--l》0．5匕0．0田NH3一N去除量囫去除前比例圈TN去除量口去除后比例}扇．困．国．扇]7月7日7月13日7月25日8月4日图4．6运行时水体NH3-N、TN变化情况对应100％50％0％从图4．6中的去除量还可以看出，装置对NH3-N和TN的去除量逐步增加，稳定后有所下降。再次验证对NH3-N和TN的去除主要为物理吸附。填料床运行水切场亘熊虱薛戢 扬州大学硕士学位论文初期，填料减空隙比较大，可以拦截较多的污染物，随着空隙率下降，可以拦截的颗粒性有机物下降，但是装置上的生物膜可以吸附和交换水体中溶解性的污染物，所以装置仍然能够很好的削减初雨水污染物。从图4．3．图4．6可以看出，原位削减装置对NH3-N和TN的去除率可以达到30％和40％，能够实现较快去除，降低初雨水对景观河道的影响。4．2．3运行过程中水体TP的变化图4．7反应了运行时水体TP的变化情况。从图4．7可以看出，装置在对NHs-N有一定去除效果的同时，对TP也具有一定的去除效果，但是与脱氮效果之间没有对应关系，体现了系统对磷去除的复杂性。水体中的磷分为有机磷和无机磷，一般有机磷呈胶体和颗粒状，可溶性有机磷只占30％左右。考虑流经装置的水体流量大，流速快，所以装置对TP的去除也是通过物理作用来实现。当初雨水携带污染物流经装置时，装置内的填料以及其上的微生物可以截留和吸附胶体和颗粒状的有机磷，从而实现对污染物中的P去除。与有机物的去除机理一样，装置对TP在非降雨期为生物膜上微生物的合成提供磷，同时，生物膜上的聚磷菌通过在好氧状态和厌氧状态交替下实现磷的去除。经过一个月的运行，装置对TP的去除率维持在40％左右，达到预期效果。O。20．15J备0。1目0．05O日原水雾囱出才0口去除率E刍一重|三刍．=_三刍：j．刍重卜霈；翥．i7,q7日7fl13日7f125日8月4日图4．7运行时水体TP变化情况70％60％50％40％30％20％lO％0％日期 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究4l4．3本章小结l、针对初雨水污染物的输入，创新设计的雨水口末端原位污染物生物削减装置能够高效去除初雨水污染物。COD的去除率达到50％，NH3-N的去除率为30％，TN的去除率为40％，TP的去除率可以达到40％。2、装置可以有效截留初雨水污染物，在降雨时主要通过物理截留和胶体吸附来实现。在非降雨期，装置上的生物膜对截留的污染物进行降解，去除污染物的同时，维持了装置上生物膜的活性。3、该装置运行时无机电设备，结构简单，效果可靠，维护方便，在降低初雨水对城市景观水体以及对一般水体水质污染的影响方面，具有很好应用前景。 42扬州大学硕士学位论文5景观水体D0水平与水体指标关系研究从可持续发展的角度，水体的生态修复不仅仅在于水质的修复，更重要的是提高水体的自净能力，实现水质恢复的可持续。本实验通过调节曝气装置，使水体中的DO处于不同水平，在此条件下，研究水体的感官指标和水质指标的变化情况。5．1材料和方法5．1．1研究思路水中有机物的降解和有机物质排入河流后，可被水中微生物氧化分解，同时消耗水中的溶解氧(DO)。所以，受有机物污染的河流，水中溶解氧的含量受有机物的降解过程控制。溶解氧含量是使河流生态系统保持平衡的主要因素之一。溶解氧的急剧降低甚至消失，会影响水体生态系统平衡和渔业资源，当DO28cm，DO仅维持在O．8mg／L时，水体透明度严重下降。5．2．1．2不同DO水平水体嗅和昧变化研究凡通过嗅觉和嗅昧能感觉出的嗅味水，都称为异嗅水。在饮用水评价中，嗅和味是人类评价饮用水质量最早的参数，因为它能被饮用者最直接的判断。在《饮用水水质标准(GB5749．85)》中规定生活饮用水不得有异嗅和异味。在《地下水水质标准(GB／T14848．93)》中同样也作出规定Ⅳ类及以上水不得有嗅和味，在《海水水质标准(GB3097．1997)))中规定第三类水不得有异色、异嗅和异味，但是在几∞∞∞∞∞∞∞m65432lO 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究45《地表水环境质量标准(GB3838．2002)))中没有对嗅和昧作出要求。在《景观水水质标准》中规定，A、B类水中不得含有任何异嗅，C类水必须无明显异嗅。景观水体的最终用途是最为观赏用水或者作为娱乐用水，该区的水体用途为一般景观用水，执行C类标准。表5．4不同采样点的异嗅情况点1撑2撑3捍4群5撑甜A无B无C无无+有表5．4反映了该景观河道在不同的DO水平时，水体中嗅和昧的情况。从表5．4可以看出，在前面的反应装置水体DO为5．02mg／L和1．80mg／L的情况下，后续水体中的DO在2群点有所下降后迅速上升，使水体中的DO能够满足水体自净时好氧以及水体中微生物消耗的需要，水体中的DO维持在合适的水平，从而水体中不存在异嗅。在DO水平为0．Smg／L时，不能够满足后面水体中对DO的需求，不能使水体中的有机物氧化，还会造成微生物和藻类的死亡，从而使到达5群点时，水体产生异嗅。虽然不超过C类标准，但是从水体健康的角度，为抑制水体异嗅的产生，必须使水体维持一定的DO水平。由此可见，为了保证末端水体不产生异嗅，DO最低需要维持在1．8mg／L。 扬州大学硕士学位论文5．2．2不同DO水平水体水质指标变化研究5．2．2．1不同DO水平水体COD变化研究mg／L40．035．O30．025．020．O15．O10．O1#2#3#4#5#6#图5。2不同DO水平水体下游COD变化情况图5．2反映了出水DO维持在不同水平时，下游水体COD的变化情况。在DO充足的A情况和B情况下，沿程水体中的COD也有所降低，但是在DO不足的C情况下，水体的COD不断升高，而且与TN、TP相比，上升的幅度比较大，可见DO对水体中有机物的浓度影响更大。这是因为水体中有机物的消耗和氮的降解都需要在好氧条件下进行，当水体中的DO不足时，水体中的污染物不能有效去除，同时底泥中的污染物加快释放，水质恶化，需要更多的DO来满足降解需要，从而形成恶性循环，不利于景观水体水质的净化和保持。由此可见，水体维持一定的DO水平，即DO≥1．Smg／L时才能满足水体净化和保持的需要。5．2．2．2不同DO水平水体NH3．N及TN变化研究 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究47mg／L4．003．503．002．502．001．50+A+B十C图5．3不同DO水平水体下游NI-h．N变化情况图5．3反映了出水DO维持在不同水平时，下游水体NH3-N的变化情况。从图5．3可以看出，在08年12月16日，原位生物氧化装置的出水DO为5．02mg／L时，下游水体NH3-N在2拌点继续降低，并且在3拌点以后，在基本稳定的基础上存在有持续优化的趋势，体现了水体具有自净能力。在09年4月8日，原位生物氧化装置的出水DO为1．80mg／L时，从1群位点到2撑位点，水体NH，-N也有明显的降低，并且在其后也有一定的净化能力。在09年5月6日，原位生物氧化装置的出水DO为0．8mg／L时，从2j5}点开始，水体一直低于0．2mg／L，水体处于厌氧状态，并且水体中NH3．N浓度不断升高，水质不断恶化，削弱了原位生物氧化装置的去除效果。在09年5月6日下游在缺氧装填下水质不断恶化，这种现象可以从两个方面来解释：一方面，水体处于缺氧状态，悬浮的好氧微生物必将死亡，使水体污染物浓度提高；另一个方面，充足的DO可以抑制底泥中污染物的释放，缺氧状态下，底泥加快释放N、P和有机物，从而使水体中污染物浓度提高。 扬州人学硕士学位论文mg／L6．005．505．004．504．001#2#3#4#5#6#图5．4不同DO水平水体下游TN变化情况图5．4反映了不同DO水平条件下，下游水体TN的变化情况。与图5．3相对应，在在08年12月16日，下，后续水体中的TN维持在出水水平且还有一定程度的下降，在在09年4月8日，后续水体中的TN也维持在出水水平，下降的幅度与DO充足情况相比要小，但是差距不大，在09年5月6日，出水DO为0．8mg／L时，从2撑点开始，水体一直低于0．2mg／L，后续水体中的TN呈上升趋势。图5．4的A、B两种情况对比可以发现，在水体DO充足的情况下，DO对水质的影响不是很大，但是在DO水平比较低的时候，影响比较明显。景观水体河道的底泥污染物质的释放一方面需要消耗更多的DO来降解污染物，另一方面污染物的存在有抑制了水体复氧的速度，从而形成恶性循环，从而导致水体状况越来越差。由此可见，与COD的变化相一致，当水体中DO≥1．8mg／L时，景观水体中NH3-N和TN能够维持，当DO=0．8mg／L时，后段景观水体水质恶化，原位生物生态组合工艺效果不能得到维持。5．2．2．3不同DO水平水体TP变化研究图5．5反映了出水DO维持在不同水平时，下游水体TP的变化情况。从图5．5可以看出，在08年12月16日，原位生物氧化装置的出水DO为5．02mg／L时，下游水体TP在2撑点继续降低，并且3{6}点以后，在基本稳定的基础上存在有持续优化的趋势，可见水体具有一定的自净能力。在09年4月8日，原位生物氧化装置 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究49的出水DO为1．80mg／L时，从1撑位点到2群位点，水体TP也有明显的降低，并且在其后也有一定的净化能力。随着位点的推移，在6撑点A情况下，TP下降的净值比B情况大。在09年5月6日，原位生物氧化装置的出水TP浓度与09年4月8日出水浓度相同，但是从2拌点开始，水体中TP浓度不断上升，到6撑点时，水体中TP的浓度比与4月8日高了0．2mg／L，可见维持一定的DO水平对水体自净能力的维持具有重要意义。mg／L0．80O．600．400．20O．001#2#3#4#5抖6#图5．5不同DO水平水体下游TP变化情况DO水平不同时，景观水体TP的变化与有机物变化一致。当水体中DO≥1．Smg／L时，景观水体中TP浓度能够维持，当DO=0．8mg／L时，水质恶化，景观水体净化效果不能维持。5．3本章小结l、通过曝气使水体保持一定的DO是使水体感官指标趋好的重要措施。当装置出水的DO维持在5．02mg／L和1．80mg／L时，后段的景观水体末端透明度仍能>28cm，且不存在异嗅；当DO维持在O．8mg／L时，后段景观水体末端透明度仅为19．5cm，且在5撑、酣点开始存在异嗅，可见要使景观水体的感官指标不下降，必须维持一定的DO水平，即水体DO浓度不小于1．Smg／L。2、通过曝气使水体保持一定的DO是使水质指标趋好的重要措施。当装置出水的DO维持在5．02mg／L时，后段的景观水体水质得以保持并会继续优化；当装置出水的DO维持在1．80mg／L时，后段的景观水体水质得以保持略有优化；当装置出水的DO维持在O．80mg／L时，后段的景观水体水质不断恶化。可见为了维持景观 50扬州大学硕上学位论文水体水质，必须使水体维持一定的DO水平。3、通过试验可以看出，DO是维持水体感官指标和水质指标的重要影响因素。当DO能够维持在一定水平时，不仅可以维持景观水体的感官标准和水质标准，而且可以加快恢复水体的自净能力，使原位生物生态组合工艺的效果得以维持和优化。 仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究516、结论和建议6．1结论1、原位曝气．生物氧化工艺能够有效改善景观水体水质，提升景观水体水生态功能。装置在稳态运行期间，COD的平均去除率达到45％。NH3-N、TN、TP的平均去除率为33％、28％、32％，且去除效果稳定。2、针对景观水体受暴雨带来的水质恶化影响，原位曝气．生物氧化工艺能够使水体较快地恢复水质至正常水平。通过对三场暴雨后的水质分析，一般3天后就可以恢复到雨前水平，而一般河流水质恢复在15天以上。同时还发现，夏季比冬季的恢复需时短，体现了温度是装置性能的重要影响因子。3、针对初雨水污染物的输入，创新设计的雨水口末端原位污染物生态削减装置能够高效去除初雨水污染物。监测结果表明，雨水口末端原位污染物生物削减装置能够截留50％左右的COD，同时对NH3-N、TN、TP也能实现不同程度的削减，减轻了初雨水对景观河道水体水质的冲击。4、研究还发现，通过曝气使水体保持一定的DO是水体感官指标和水质指标趋好的重要措施。通过调节曝气装置使水体保持不同的DO水平，可以看出，当装置出水DO维持在1．8mg／L时，河流后段水体水质能够得到维持，透明度大大提高。当DO仅达到0．8mg／L时，后段水质下降，透明度降低。通过对杨庄河原位曝气．生物氧化水质改善装置近1年的跟踪研究表明，原位曝气．生物氧化工艺能够有效去除景观水体污染物且效果稳定，能够有效去除初雨水污染物。装置在运行过程中具有水质改善效果稳定，维护费用低的特点，可广泛推广应用于城市景观水体水质改善与生态恢复中。6．2建议本试验由于时间、条件等限制和所研究问题的复杂性，还有一些问题研究不 扬州大学硕上学位论文深或尚未涉及，今后可深入研究：1、原位曝气生物装置在运行过程中，随出水流出的老化生物膜量很少，可以研究该装置运行过程中老化生物膜的降解过程和机理。2、创新设计的雨水口末端原位污染物生物削减装置能够高效去除初雨水污染物，可以观察随着时间的推移，该装置的运行情况。 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仇丽娟原位生物生态组合技术改善景观水体水质研究57程，2005．23(5)：21-24．[58】刘琴，李捍东等，用高效优势菌强化升流式厌氧污泥床的废水处理性能【J】，化工环保．2006，26(2)：95—98．【59】李正魅，蹼培民，胡维平．固定化细菌技术及其在物理生态工程中的应用一固定化氮循环细菌对水生生态系统的修复[J】．江苏农业学报．2001，17(4)：248-252．[60】曹式芳，庞金钊等．生物技术治理富营养化景观水体的研究[J】，天津轻工业学院学报，2002．12，4：I-4．【61】常禹，布仁仓，胡远满．景观边界研究概况[J】．生态学杂志，2002，(5)：49—53．【62】伊澄清．内陆水一陆地交错带的生态功能及其保护与开发前景[J】，生态学报，1995，(9)：331．335．【63】王庆锁．生态交错带与生态河流【J】．生态学杂志，1997，(6)：52-58．【64】刘滨宜，周江．论景观水体整治中的护岸规划设计[M】．规划设计．2004．【65】Heritage，EPistillo，K．P．Sharmaeta1．TreatmentofPrimary—settledurbansewageinPilot--scaleverticalflowwetlandfilters：Comparisonoffouremergentmacrophytespecisesover12monthpefiod[J】．WaterScienceandTechnology．1995，32(3)：295-304．【66】VanVeenH．W．，AbeeT．，andKortsteeGJ．J．CharacterizationoftwophosphatetransportsystemsinAcinetobacterJohnsonii210A．Bactirial，1993，175：200-206【67】Kerrn-Jespersen,J．P，M．Henze．Biologicalphosphorusremovalunderanoxicandaerobicconditions忉．WaterResearch，1993，27(4)：617—624．【68】Bonomo．L，Pastorell．GZambon．N．Advantagesandlimitationofduck-water-basedwaste撇她rtreatmentsystems【J】．WaterScienceandTechnology．1997，35(5)：239-246．[69】梁威，吴振斌．人工湿地对污水中氮磷的去除机制研究进展【J】，环境科学动态，2000，(3)：32-37．【70】李寒娥．人工湿地系统在我国污水处理中的应用叨．环境污染治理技术与设备，2004，5(7)9-12．【71】田刚，蔡博峰_匕京地区人工景观生态服务价值估算川．环境科学，2004，25(5)：5-9． 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