流域水污染修复理论与技术
学科：环境工程 学号： 姓名： 指导教师：
摘 要
水资源对于人们生存和发展的重要性是众所周知的，而当代流域水环境被破坏污染已经是不争的事实。流域水环境中河流、湖泊水库、湿地和地下水与人类生产生活密切相关，本文对该4种水环境类型的修复技术分别进行了介绍，并简要分析了每种水环境类型较为有效的技术方法。
1、引言
水生态系统是指自然生态系统中由河流、湖泊等水域及其滨河、滨湖湿地组成的河湖生态子系统其水域空间和水、陆生物群落交错带是水生等生物群落的重要生境。然而，大量的污水排放和水库堤坝建设造成了水生生物生长环境的恶化和重要生境的丧失带来一系列的水生态问题如：江河源头区水源涵养能力降低，水生态功能衰退水资源过度开发河湖生态用水被挤占，严重时造成河道断流、绿洲和湿地萎缩、湖泊干涸与咸化、河口生态恶化等等。实践表明，如果不采取人工辅助措施减少或消除这些问题仅凭水生态系统自身恢复需要相当长的时间，甚至永远也无法恢复原有的生态平衡。
水在其自然边界内循环和汇集，形成流域。水环境是流域内储存、传输和提供水资源的水体，是水生生物生存与繁衍的空间，也是各种污染物的最终归宿。
根据水的地理位置，将流域中的水环境分为地表水环境和地下水环境。地表水环境指河流、湖泊、水库、海洋、沼泽、冰川等以暴露在地面的水为主的水域；地下水环境指泉水、浅层地下水、深层地下水等存在于包气带以下底层空隙的水域。
2、流域水环境修复技术概念
一般而言，水环境修复指的是依靠生态系统的工作机理，运用相关的技术方法，改善水的质量，以求达到修复生态的目的，使其中的各种生物及其系统都能够做到自我修复和调整，最终达到和谐状态。水环境修复的对象不仅包括水体，还有水体相关的生物地理环境。而不同的水域形式，因其物理环境、化学环境以及生物环境的不同，需要不同的修复技术体系。河流、湖泊水库、湿地和地下水是与人类生产生活密切相关的水环境，本文将从这四个方面，介绍其水环境修复技术。
3、运用河流修复技术的重要性
水资源对于人类生存与发展的重要性不言而喻，水为生命提供滋养，同时也洗去生活中产生的脏乱之物，在工业农业等等行业上的运用更是数不胜数。正因为水的妙用无穷，所以过度的开采和使用更是让水资源面临枯竭的窘境。加上现代工业的发展，对水资源的浪费，对各种水体的污染十分严重。流域水环境的治理，正是解决这一问题的良策，它可以在很大程度上拯救面临污染和干涸的水域，这既有利于生态系统的良性发展，更是促进人类社会可持续发展的必然措施。
4、河流修复技术
一般河流生态修复的目标主要包括河岸带稳定，水质改善，栖息地增加，生物多样性的增加，渔业发达及美学和娱乐，以期河流能够更加自然化，这是修复工程的一个最普遍的目标。
河流修复技术多种多样，物理技术：河道引水技术、生态防渗技术、底泥疏浚与物理覆盖技术、人工增氧技术等；化学技术：投加絮凝剂促进污染物沉淀、投加石灰脱氮、投加化学药剂除藻、调节pH值对重金属进行化学固定、原位化学反应技术等；生物生态技术：微生物修复技术、水生动植物修复技术、人工湿地技术以及多自然型河流构建技术等。本文选择较为有效的方法：河道引水技术、原位化学反应技术和水生植物修复技术进行详细分析。
（1）河道引水技术
河道引水技术是指引进外部清洁水源来改善河道水质，在水源允许的情况下，引进外部清洁的水源，增加河水水量，不仅可以人为地缩短水在河道中的停留时间，增加浮游植物的生物量，使污染河水不易黑臭，同时水体复氧量也会增加，提高河道自净能力。利用调水改善河道水质是一种投资少、成本低、见效快的处理工程。
（2）原位化学反应技术
原位化学反应技术是指通过化学反应和生物反应（氧化、还原、吸附、沉淀、有机金属络合等），在受污染的地点，原地使重金属离子固定下来的方法。常用的物质包括石灰[Ca(OH)2]、灰烬(KOH)、硫化钠(Na2S)等。此外，化学氧化可以将有机物转化为无毒或者毒性比较小的化合物，常用的氧化剂为二氧化氯、次氯酸钠或者次氯酸钙和臭氧等。 （3）水生植物修复技术
水生植物在水环境修复中的作用方式主要包括物理过程、吸收作用、协同作用和化感作用。水生植物修复技术利用水生植物及其共生的微环境去除水体中的污染物质并恢复永生生态系统。水生物修复技术的核心是将植物漂浮种植到水面上，利用植物生长从水体中吸收利用大量污染物，例如凤眼莲、浮莲、水鳖、浮萍等水生植物能够很好地去除河流中的氮磷等营养物质。生物浮床是其典型的技术应用之一。
5、湖泊水库修复技术
湖泊是地球上重要的淡水蓄积库, 地表上可利用的淡水资源 90%都蓄积在湖泊里。因此湖泊与人类的生产、生活密切相关, 具有很重要的社会、生态功能, 如调水防洪, 生产、生活水源地, 水产养殖, 观光旅游等。随着我国社会经济和城市化进程的快速发展, 湖泊水环境污染问题日益突出。根据全国水资源综合规划评价成果, 全国84个代表性湖泊营养状况评价结果表明: 全年有 44 个湖泊呈富营养化状态, 占评价湖泊总数的52.4%, 其余湖泊均为中营养状态。湖泊的主要污染问题有：富营养化、湖泊有毒有机物污染、重金属污染、湖泊酸化等。
湖泊污染源可分为外源和内源。从一开始, 湖泊外源污染的控制和治理就引起人们的重视。经过多年的研究和实践, 外源控制技术已取得了一定实效。但外源控制并没有实质性改变湖泊受污染的状况, 很多研究表明, 这是由于湖泊沉积物中污染物的释放造成的, 特别是内源磷释放造成的湖泊富营养化问题。因此, 内源控制技术逐渐引起人们的重视。
不同污染物内源释放机制不同, 如沉积物中氮释放主要与沉积物中有机氮化合物的分解程度、速率以及随后细菌参与的无机形态氮的相互转化有关; 沉积物中磷、重金属元素与沉积环境的氧化———还原条件有关; 生产力高的富营养化湖泊表层有机质分解的磷释放可能是沉积磷活化更新的主要机制; 而沉积物中的持久性有毒有机污染物则与底栖生物毒性暴露和食物链传递有关。不同类型湖泊中, 污染物的影响方式和程度也不同, 浅水湖泊中风浪引起的悬浮作用是沉积物中污染物释放的主要过程, 而深水湖泊中污染物的释放主要与物质形态、湖泊季节性分层和理化性质有关。因此, 不同类型、主要污染因子不同的湖泊, 其内源控制技术及污染恢复技术也不同。根据近年来的研究和实践, 主要有以下几种污染恢复技术。
（1） 湖泊沉积物疏浚
湖泊沉积物疏浚被认为是降低湖泊污染物负荷最有效、直接的措施。瑞典 Trummen湖通过疏浚工程降低90%总磷负荷,而美国的Lilly湖疏浚后总磷的消减率达到55%。但是，并不是所有的疏浚都能达到理想的效果, 1998年南京玄武湖清淤,采取沿湖污水停止输入、抽干水清淤的方法,清淤后半年内湖水的透明度、COD 和总磷基本不变。疏浚底泥的环境效果与疏浚方法有关,疏浚主要考虑降低沉积物中的污染负荷。因此,要对沉积物中的污染物种类、含量分布、剖面特征、沉积速率、化学及生态效应有详细的调查和分析,确定疏浚的范围和深度。
（2） 沉积物覆盖技术
在污染沉积物表面覆盖一层物质,把沉积物和水体隔开,达到控制污染物释放的目的。覆盖物可以是低污染的沉积物、沙砾,或各种材料组成的复合层。起作用的机制主要是颗粒物对污染物的吸附作用,减少水动力或生物扰动,覆盖层造成的无氧环境利于某些厌氧细菌对有机污染物的降解。覆盖技术相比别的控制技术,花费低,适用于有机、无机处理,对环境潜在的危害小; 但其工作量大,需要大量的清洁泥沙,来源困难。同时覆盖会增加底泥的量,使湖泊库容变小,因而该技术不太适用于湖泊底泥污染的治理。
（3） 湖泊理化性质改善
湖泊的理化性质影响着湖泊中各种物理、化学及生物过程, 进而影响各种污染物的内源释放。通过投加一些化学试剂以改善湖泊的理化性质,如酸碱度和溶解氧含量,以达到控制内源释放的目的。向湖泊投加铁盐、铝盐,可以通过吸附或絮凝作用与水体中的无机磷酸盐共沉淀; 但沉淀的铁磷化合物在还原条件下有可能重新活化再次释放。而铝盐与磷酸盐结合相对牢固,可在变化范围较大的水环境中稳定存在,甚至在完全氧化的环境中也较稳定。如果铝的加入量足够大, Al(OH)3可在沉积物表层形成“薄层”,从而阻止磷释放。
（4） 污染湖泊的生态恢复
湖滨带生态恢复。湖滨带是湖泊水域与流域陆地生态系统间的过渡带, 是湖泊重要的天然屏障,不仅可以有效滞留陆源输入的污染物,还有净化湖水水质的功能。湖滨带生态恢复的目的是恢复湖泊的完整性,包括湖滨带物理环境的修复、挺水植被的快速组建和水生群落的优化三大方面。
水生生态恢复。湖泊水生植被是由生长在湖泊浅水区和湖周滩地上的沉水植物群落、浮叶植物群落、漂浮植物群落、挺水植物群落及湿生植物群落共同组成。水生植被的演化随湖泊环境的变迁而演化,同时也能反作用于湖泊环境,在一定程度上影响湖泊环境的演化方向和速度。因此,湖泊水生植被恢复是根据湖泊生态环境条件和需要,在生态系统受损的湖泊环境基础上重构良性的水生生态,包括湖泊环境的工程改造和水生植物恢复两方面内容。
6、湿地修复技术
湿地是处于陆地生态系统和水生生态系统之间的转换区，具有独特水文、土壤、植被与生物特征的生态系统。湿地修复指通过生态技术或生态工程对退化或消失的湿地进行修复或重建再现干扰前的结构和功能，以及相关的物理、化学和生物学过程，使其发挥应有的作用。
湿地修复技术可按照物理、化学和生物技术进行划分。物理技术包括土壤渗滤法、调水冲洗法；化学技术包括混凝法、中和法、氧化还原法、吸附法、离子交换法、电渗析法；生物技术包括湿地植物净化、生物膜吸附等。由于化学方法容易对湿地生态系统造成新的污染，所以相关技术应用不广泛。土壤渗滤法和生物膜吸附法是两项比较新的技术，应用性也较强。
（1）土壤渗滤法
湿地土壤是湿地植物生长发育的基质，在此发生了各种物理化学反应，利用湿地土壤对水环境污染物的滤过特性，可以达到水环境改善的目的。研究表明，湿地土壤在垂直方向上对氮和磷有很强的滤过截留作用。对氮素滤过、截留起主要影响作用的土壤因子是粘土含量、有机质含量和TN含量，对磷素起主要影响作用的土壤因子是粘土含量、有机质含量、p H值和含水量。该技术具有简单易行、费用低的特点，应用性较强。
（2）生物膜吸附法
在一定的酸碱条件下，生物膜对于湿地水环境中的重金属具有一定的吸附作用。根据湿地的理化性质设计生化池，可采用连续水的动态自然挂膜培养方式，微生物在填料上缓慢生长和繁殖，生物膜会逐渐变厚。生物膜上含有丰富的藻类和原生动物，先吸附原水中的有机物、氨氮等污染物，再进一步为膜上的微生物分解、吸收、代谢而得到去除。
7、地下水修复技术
地下水是指存在于地表以下岩（土）层空隙中各种不同形式水的统称。地下水具有多种功能，与人类生活密切相关。近年来,由于大量工农业废弃物不合理地进行填埋,污染物事故性排放以及地下储油设施泄漏,各种有机物、重金属及放射性有害物质进入地下系统,地下水污染状况日益严重。修复已被污染的地下水,加强地下水环境的保护,已成为当前国内外环保研究的热点。目前,较典型的地下水污染修复技术主要有以下3种：
（1） 抽出处理修复技术
P&T技术是最早出现的地下水污染修复技术,也是地下水异位修复的代表性技术。自20世纪80年代开展地下水污染修复至今,地下水污染治理仍以P&T技术为主。传统的P&T技术是把污染的地下水抽出来,然后在地面上进行处理。近年来,随着污染治理研究的不断深入,该技术已有了更广泛的含义,只要在地下水污染治理过程中对地下水实施了抽取或注入的,都归类为P&T技术。P&T技术概 念模型见图1。
P&T技术的修复过程一般可分为两大部分:地下水动力控制过程和地上污染物处理过程。该技术根据地下水污染范围,在污染场地布设一定数量的抽水井,通过水泵和水井将污染了的地下水抽取上来,然后利用地面净化设备进行地下水污染治理。在抽取过程中,水井水位下降,在水井周围形成地下水降落漏斗,使周围地下水不断流向水井,减少了污染扩散。最后根据污染场地的实际情况,对处理过的地下水进行排放,可以排入地表径流、回灌到地下或用于当地供水等。 P&T技术适用范围广,对于污染范围大、污染晕埋藏深的污染场地也适用。但其自身也存在一些局限性:①当非水相溶液出现时,由于毛细张力而滞留的非水相溶液几乎不太可能通过泵抽的办法清除;②该技术开挖处理工程费用昂贵,而且涉及地下水的抽提或回灌,对修复区干扰大;③如果不封闭污染源,当停止抽水时,拖尾和反弹现象严重;④需要持续的能量供给,以确保地下水的抽出和水处理系统的运行,同时还要求对系统进行定期的维护与监测。
（2） 监测天然衰减修复技术
MNA技术出现的时间较晚,于20世纪90年代才开始正式用于地下水污染治理。该技术基于污染场地自身理化条件和污染物自然衰减能力进行污染修复,从而达到降低污染物浓度、毒性及迁移性等目的。另外,MNA技术还必须根据污染区域的治理目标,采用相应的监测控制技术,对地下水的自然修复过程进行监测评价。实施监测的目的主要有以下几方面:①证明污染物的自然衰减与预测相符合;②能够监测影响自然衰减能力的环境变化因素(如:水文地质条件、地球化学条件、微生物等);③能够监测出所有潜在的有毒或易迁移转换的污染产物;④证实污染晕在纵、横、垂向上没有进一步扩展;⑤确定该修复过程对下游不会造成不良影响;⑥验证该修复是否达到修复目标。
采用MNA技术进行地下水污染修复,一般不会产生次生污染物,对生态环境的干扰程度较小;并且该技术工程设施简单,修复费用远远低于其他修复技术。但该技术适用范围较窄,对区域环境和污染物自然衰减能力要求较高,一般仅适用污染程度较低、污染物自然衰减能力较强的区域。
（3） 空气注入修复技术
AS技术是在土壤气相抽提Soil Vapor Extraction技术(简称SVE技术)的基础上发展起来的,20世纪80年代中期最早应用在德国,随后迅速发展至美国以及欧洲的其他国家。近年来,AS技术已成为地下水原位处理技术的首选。其概念模型见图2。
该技术通常用来治理地下饱和带(饱水带及毛细饱和带)的有机污染,一般与SVE技术联合使用,其修复原理为:通过向地下注入空气,在污染晕下方形成气流屏障,防止污染晕进一步向下扩散和迁移,在气压梯度作用下,收集地下可挥发性污染物,并以供氧作为主要手段,促进地下污染物的生物降解。修复过程中发生的质量迁移转化机制较复杂,在不同的修复阶段,控制修复速率和效率的机理也不同。另外,随着场所地质条件的变化,各种机理对AS技术修复作用的贡献也不同。
AS技术具有如下特点:①设备简单,安装方便,易操作;②修复效率高,治理时间短,一般情况下修复期为1～ 4 a;③更适于消除地下水中难移动处理的污染物(如Dense Non-aqueous Phase Liquid,简称DNAPL,密度大于1的非水相溶液);④现场原位修复,对修复点干扰小。该技术的局限性主要有以下几点:①对于非挥发性的污染物不适用;②受地质条件限制,不适合在低渗透率或高黏土含量的地区使用;③不能应用于承压含水层及土壤分层情况下的污染物治理。
8、结语
河流、湖泊水库、湿地和地下水的修复技术繁多，主要均围绕着物理方法、化学方法和生物-生态方法这3 类展开，方法有所重叠。有的技术方法对于某一种水环境类型的修复适用，但对另一种水环境类型并不一定是最佳选择，例如底泥疏浚对于河流的修复存在一定的风险，但对湖泊水库修复却是一种很好的方法。在对流域水环境进行治理和管理时，应综合分析水环境的类型和状况，优先选择最合适的技术进行修复，以最小成本、最快速度达到水环境结构和功能恢复的目的。
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