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论河流生物-生态修复技术的内涵、外延及其应用


崔树彬 刘俊勇 陈军 朱秋菊
(珠江水利科学研究院河流生态室  广州  510611)

    摘要:本文对生物-生态修复的概念及其内涵和外延进行了有益的区分和探索,对不同工程技术的使用场合和应用现状进行了分析和归类。通过实例,简要介绍了不同受勋水体的修复技术及其效果,以及技术特征和应用前景等。
    关键词:生物 生态 修复技术 内涵 外延 应用
    1 概念、定义及主要特点
    何谓“生物-生态修复”,它的内涵和外延应该如何确定,以及不同技术措施的作用、效果和联系如何,等等。回答这些问题对推进和实施河流生物-生态修复工作具有重要意义。
    1.1 河流生物修复
    生物——系指有生命的物体。一般指动物、植物和微生物。有时专指微生物,如生物制剂、生物制品等等。污水生物处理和河流生物修复中的“生物”,一般专指“微生物”,不包括“植物”和“动物”。广义的生物修复也包括“动物”和“植物”修复。
生物修复——是指利用微生物的生命代谢活动减少存于环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化,使污染了的环境能部分或完全恢复到原始状态的过程。它包括:①污染土壤的生物修复;②污染河流的生物修复;③污染湖泊的生物修复;④污染地下水的生物修复;⑤污染海洋的生物修复;⑥污染大气的生物修复;⑦固体废物污染的生物修复等。
    河流生物修复——是指用微生物或微生物菌群来降解河流水体中的有机物或有毒有害物质,如COD、BOD5、有机氮或氨氮、石油类、挥发酚等,或使这类物质变成无毒的、无害的,如二氧化碳、氮气或水等,从而使河流水质得到改善,河流生态得到恢复或修复。生物修复已成功应用于土壤、地下水、河道和近海洋面的污染治理。
    河流生物修复工程——是指利用生物修复技术在河道内或河道傍侧修建或实施的旨在改善河流水质、治理河流污染的工程或非工程的技术手段。它包括:河道或水库内,以及坝、陂前的增氧曝气工程,用于改善或处理河流水质的河流傍侧工程、河流底部工程,以及直接向河道内投放特种、高效菌种或利用特种、高效菌种直接净化河流水质的工程技术等。
    1.2 河流生态修复
    生态——指生物在一定自然环境下生存和发展的状态,也指生物的生理特性和生活习性。此概念下的“生物”,一般不包含“微生物”。
    生态修复——是指利用生态工程学或生态平衡、物质循环的原理和技术方法或手段,对受污染或受破坏、受胁迫环境下的生物(包括生物群体,下同)生存和发展状态的改善、改良或恢复、重现。其中包含对生物生存物理、化学环境的改善和对生物生存“邻里”、食物链环境的改善等。
    河流生态修复措施主要包含:①工程措施。如:生态河道、生态堤岸、人工湿地和人工产卵场、越冬场、育幼场、回游通道,以及河道内增氧曝气等等;②生物措施。如:植物生态修复措施,动物生态修复措施,生物增殖、放流技术等;③综合措施。如:微生物修复与植物、动物修复的结合,微生物修复与生态河道、生态堤岸的结合,生态、生物修复与保育、管理措施的结合,河道内生态修复与河道外湿地修复的结合,陆地水土保持、生态修复与河流生态修复的结合,等等。
    1.3 河流生物修复与河流生态修复的异同
    目标和对象不同:河流生物修复的对象是水质;目标是改善河流水生生物生存、生活和繁衍、发展的水质条件。河流生态修复的对象是水生生物生存和发展的整个环境,包括水量、水质、水位、流速、水深、水温、水面宽度,涨水、落水时间,以及产卵场、越冬场、育肥场、回游通道的修复或恢复等等;目标是为水生生物或特有的生物种群提供良好的生和发展环境。
    所采用的技术和手段不同:生物修复的技术核心是微生物及微生物使用和利用等。生态修复的核心技术是生态工程学和生物、生命科学等。
    两者的共同点和不同点:生态修复可以包含生物修复,生物修复可以是生态修复的一个部分或一项主要内容;两者的共同点或共同目标都是改善或改良生物的生存和发展环境。不同点是:生物修复是针对水体污染的修复,生态修复是针对水生生物及其生存环境的整体修复。
    对于污染严重,并有产卵场、育幼场、越冬场或回游通道损伤及破坏的河流,一般应首先采取生物修复技术恢复河流水质,然后采取生态修复措施恢复河流生物栖息地和回游通道等。
    1.4 河流生物修复工程与城镇污水处理厂的异同
    相同点和不同点:河流生物修复是利用微生物净化污水的特点和规律,对受污染水体(河流)进行净化处理的技术;城镇污水处理厂是利用微生物净化污水的特点和规律,对用管道收集到的社区污水进行净化处理的技术。城镇污水处理厂的出水可排入河流,也可用作市政回用、冲厕、农灌等等;河流生物修复工程处理过的河水一般必须重新流入河道。两者的相同点是技术内涵完全一致,不同点是工作对象的来源和工作成果的服务对象。
    由于污水处理厂工程和生物修复工程所处理或针对的水源不同和处理后的水量所服务对象不同,从而导致了污水处理厂工程与河流生态修复工程在建设地点、规模、工艺流程、产品形态、表现形式等诸多方面的差别。一般情况下,城市污水处理厂的进水污染物浓度高、变化小,河流生物修复工程所针对的河水浓度相对较低、变幅很大;在水量方面,河流生物修复工程面临的变化更大。因而,在工艺设计中,一般要求河流生物修复工程具有更强的耐冲击能力和防堵塞能力等。
    1.5 河流生物修复与河湖污染直接净化和“就地生物处理”的异同
    除了河流生物-生态修复之外,河湖污染直接净化、“就地生物处理”等词语也经常被有关专家推崇和一些学者“炒作”。笔者认为:河湖污染生物修复工程技术与河湖污染生物直接净化工程技术、河湖污染“就地生物处理”工程技术,在内涵和外延方面没有明显的区别,其实质都是利用生物处理技术就地治理河湖水质污染,其表现形式也是相互包含或完全一致的。
    1.6 河流生态修复与传统河流整治工程的异同
    河流生态修复工程的目标是:修复或恢复受到污染、破坏或工程胁迫的水生生物的生存和繁衍的物理、化学和水文环境,及其“邻里”依存和食物链的关系。传统河流整治工程的目标是:防治洪水决堤、漫溢和确保人类社会、经济和生命财产安全;或者是保证河流的航运能力等经济功能。两者的直接目的和目标虽然相差甚远,但其工作的对象却完全一致,即都是将工程的措施作用于河流或河道。因而两者的设计和实施过程,必然会存在着诸多的不同、对立和矛盾。这种对立和矛盾必须通过目标分析和不同学科人员之间的沟通、协调和共同努力进行解决。因为两者的最终目标都是为了人类自己。
    为此,从20世纪70年代开始,发达国家科技界和工程界针对水利工程对河流生态系统的负面影响,开发研究了河流生态恢复的理论和技术。从而,确立了解决这种矛盾和对立的基本方法和规则。河流生态工程在德国称为“河流生态自然工程”,日本称为“多自然型建设工法”,美国称为“自然河道设计技术”。与之相应,一些发达国家在河道整治工程和堤防工程设计、施工规范中增加了河流生态建设的内容,或者颁布了专门的河流生态工程设计导则。依据这些导则和方法,河道水利工程在满足防洪、防灾和经济目标的同时,可以兼顾河流生态修复和恢复需求。
   2 不同技术措施的适应性评价及其合理使用
    2.1 对受污染河流的适应性
    河流污染治理一般应从源头做起。但源头治理能力也是有限的。以深圳河(含深圳湾,下同)的污染治理为例,截止2003年底,该流域已建污水处理厂四座,设计污水处理能力为142万m3/d,比当年实际污水排放量125万m3/d高 16.6%。然而,深圳河水质依然黑臭,常年处于劣Ⅴ类的状态。通过分析认为:污水截流不彻底和深圳河纳污能力过小是主要原因,除此之外,还有城市面源和部分城区尚未截流等原因。一般认为,对于类似深圳市自然环境和社区经济布局的城市,污水截流管网健全,城市污水截流率可以达到90%,最高很难超过95%。深圳市河流枯水期的污水量远远大于径流水量,有10%的未截流污水,加上面源污染等因素,河流依然黑臭,应该是在情理之中的。除此之外,还有城市污水管网收集不到的边缘村镇污水,以及城市污水处理厂对氨氮、总氮、总磷的去处能力十分有限等,也是需要实施河流污染生物-生态修复的主要原因。
    河流污染生物-生态修复与城市污水处理厂相比,主要优点在于:①不需要占用城区土地或优质耕地;②不需要高于城市污水厂投资数倍的管道网络及其维护;③距城市居民区一般相对较远,不扰民或者较少扰民等。然而,河流污染生物-生态修复在治理污染方面,仅仅是对城市污水处理厂的补充,而不能代替城市污水处理厂。因为大量、高浓度城市污水采用污水处理厂治理比采用河流生物-生态修复治理经济的多。
    在河流生物-生态修复措施中,对于污染相对严重的河流,使用生物(微生物)修复比生态修复工程措施要优越得多。在生物修复工程中,河底工程和河道傍侧工程一般有微生物固定化的措施,比采用没有微生物固定化措施的河中曝气或直接投加微生物的效果好得多。在使用的微生物菌种方面,使用有针对性的高科技微生物菌种,比使用自然微生物菌种的效果好得多。
    2.2 对富营养化水体的适应性
    湖泊、水库和河口、海湾、近海的富营养化,是人类社会的一个难题。城市污水处理厂和河流生物修复的办法,对有机污染物的治理效果十分显著,但当有机物被氧化、分解和挥发、无害化之后,总是仍有相当部分已经无机化的氮、磷营养物质不能得到去除。对于无机磷污染物,采用化学的办法基本可以得到有效;对于无机氮污染物,目前还没有比较好的处理方法。这些营养物质进入湖泊、水库、河口、海湾、近海等缓流水体后,在适宜的环境条件下,会使水体中某些藻类或植物疯长,产生水华、赤潮和富营养化,从而导致严重的生态灾难和水生生物死亡,以及造成湖泊水面萎缩、甚至消失等。
     氮、磷元素是植物生长必需的营养物质。因而,治理氮、磷最好办法是植物生态处理或植物生态修复。对于城市而言,土地是制约植物生态处理和修复的重要因素。充分利用河滩、湖滩、海滩、海湾及其它湿地,以及荒地、林地、草地等治理氮、磷污染是重要的。对专门用于治理氮、磷污染的湿地而言,在海滩、海湾、河口和浅海,以红树林和海带植物比较好;对陆域湿地,以芦苇、茭草、蒲草、茭白等植物比较好。对河、湖、水库、海湾、海岸进行生态修复,必须满足防洪、防潮和景观等要求。
    2.3 对水利工程胁迫的适应性
    水利工程对河流生态的胁迫主要表现在两方面:一是河道、航道整治使自然河流渠道化,从而破坏水生生物的产卵场、栖息地和河流形态的多样化,以及减弱河流的自然净化能力和破坏岸边生态系统;二是水坝建设使自然河流非连续化,从而淹没生物产卵场、栖息地和阻断鱼类的回游通道,以及降低河流的自然净化能力和破坏河流形态的多样性等等。对此,可采用河道、河型多样化的生态修复措施,设置人工产卵床,建设人工产卵场、栖息地和回游通道,以及人工放流等措施缓解。水利工程对河流生态的胁迫主要是生物生境和生态条件的改变,因而,修复的措施以河流生态水工学和水生生物增殖、放流措施为主。
3 河流生物修复的技术类型及其应用
    3.1 河道底部生物处理修复工程
    以深圳市大沙河河底式生物处理工程为例。该工程坐落在深圳市南山区大沙河大学城河段,设计污水处理能为4000m3/d,设计水流停留时间4.8h。采用的处理技术为日本 “自然循环方式水处理系统技术”。该技术的创新特点是利用自然土壤和水田对污水净化的原理,不使用任何化学药品,通过使用石头、木炭、塑料球以及经过特殊加工的木炭(生物炭),作为净化过滤材料达到综合净化污水的目的。
    该工程的主要设施由6个单元组成,分别为污泥储存单元、水量分流单元、接触沉淀单元、接触曝气单元1、接触曝气单元2和出水整理脱色脱臭单元等。通过这几个单元的组合,可以高度去除污水中的BOD、COD、SS和LAS(阴离子界面活性物质),同时,也能有效去除氨态氮。处理效果见表1。
3.2 河道傍侧生物处理修复工程
    北京二道河傍侧生物处理与修复工程。该工程坐落在北京市顺义区首都机场附近,设计日处理污水量1.7万m3/d,采用的处理技术为固定化高效微生物—曝气生物滤池(简称I-BAF)。该工程属实验工程,仅有一个长100m、宽6m、有效水深5.5m的长条形曝气生物滤池,有效池容3300m3,停留时间4.7h。滤池内填装网状悬浮大孔载体,载体高度3.2m。工程的前处理部分仅有一个格栅和一个用堆石坝拦截污水形成的回水区,依次起到稳定取水和沉淀泥沙的目的。处理效果见表2。
    另外,日本江户川支流坂川古崎净化场,韩国汉江支流良才川水质净化厂等河道傍侧工程的处理效果也很好。
    3.3 河道内曝气和高效微生物处理修复工程
    河道水体人工曝气复氧是一种有效的河流生物-生态修复技术。20世纪60年代起,国外已有不少国家应用人工曝气复氧改善河流水质和生态环境。如,德国的鲁尔河、莱茵河,英国的泰晤士河、特伦物河,美国的福克斯河、佛博河及威斯康星河等,均有成功的工程范例。在国内,上海环境科学研究院对苏州河水体进行了实验室研究,结果表明,即使黑臭程度高的河水,在有氧条件下20小时后臭味也可基本去除,水体颜色明显改观,COD、BOD浓度大幅下降。
微生物作为河流生物修复技术的核心,国外的开发研究很多。美国、英国、加拿大、日本、巴西等国家,已有上百种商品化的微生物制剂可供选用。根据实验结果,在处理特种废水方面,高效微生物比普通微生物高几倍到十几倍,而且还能够处理普通生物法不能处理的废水。在城市污水方面,使用高效微生物除具有良好的COD、BOD5去除效果外,还具有良好的脱氮除鳞效果。将高效微生物直接用于河流水质修复,成本较高,容易造成流失和浪费,目前国内使用的不多。但通过微生物固定化技术或生物滤池技术,使用高效为生物的实例国内已有许多。
    4 河流生态修复的技术类型及其应用
    4.1 山区河流的生态修复
    山区河流比降大、水流急,宽深比小,来沙量远远小于挟沙量,河床往往有大石块和不均匀的麻砂组成。经过自然发育后,往往形成阶梯—深潭结构的河道形态。阶梯-深潭结构稳定了河床,从而稳定了岸坡,在一定的温度和降雨条件下两岸有发育良好的植被,河流底栖动物密度比邻近的具有同样气候水文条件但不发育阶梯-深潭结构的河流高出1000多倍,生物多样性指数也大得多。这是由于阶梯-深潭创造了多样性的生物栖息地的缘故。
目前,德国、日本和我国的台湾等,都在模拟使用阶梯-深潭结构治理山区河流和修复河流生态。

(上图为典型的山区河流阶梯-深潭结构)

4.2 生态护岸工程
    生态护岸的目的在于为野生动物提供栖息地和隐蔽场所,保障自然环境和人居环境的和谐统一,对河岸进行加固,防治河道淤积、侵蚀和下切等。生态护岸材料主要有:石头、木材、多孔混凝土构件和自然材质制成的柔性结构等等。在设计新材料护岸时,应确保水流作用下的结构安全,选择能够适应河流长期演变的结构形式,与河滩地和丁坝组合在一起保护护岸稳定。

(上图为美国某河流上的活木桩及植物纤维垫护岸效果)

    4.3 湿地生态工程
    日本渡良濑蓄水池位于栃木县,是一座人工挖掘的平原水库,总库容2640万m3,水面面积4.5km2 ,水深6.5m左右。这座蓄水池平时为茨城县等六县市64万人口供水,日供水量21.6万m3。蓄水池周围是渡良濑川的滞洪区,汛期时洪水由溢流堤流入蓄水池,此时蓄水池用于调洪,提供调洪库容1000万m3。
    由于上游用水造成生活污水以及含氮、磷的水流入,致使渡良濑蓄水池出现霉臭等水质问题。自1993年起在蓄水池一侧滞洪洼地上建人工湿地,将蓄水池的水引到具有芦苇荡的湿地内,通过吸附、沉淀及吸收作用,去除水中的氮、磷及浮游植物,达到对水体进行自然净化的目的。芦苇具有十分好的净化功能,污染物与其茎部接触产生沉淀作用,芦苇的根部与茎部可吸收某些污染物。另外,附着在茎部上的微生物可对污染物产生吸附分解作用。

(上图为日本渡良濑蓄水池滞洪洼人工湿地)

     我国深圳市已建人工湿地生态修复与处理工程数座,对COD的去除率一般可达70%~80%,对氨氮的去除率一般可达50%~60%。每1m3/d处理能力的占地面积大约为3m2。
    4.4 人工产卵场、栖息地和回游通道工程
     过鱼设施的基本原理是利用鱼类的向流(逆流)行为,人工创造更大的流速,将鱼诱入进口,让鱼类自行溯游过坝,或运用各种手段运送过坝,主要有鱼道、鱼闸、升鱼机、集运鱼船等。
     人工模拟产卵场、栖息地是指在坝下附近的支流或人工渠道内,模拟产卵场、栖息地要求的环境,让鱼类自行进入产卵场或栖息地(右图为某河流上的鱼类洄游通道)。

4.5 人工增殖站和生物放流工程
人工繁殖放流是指建立人工产卵场,收集和培育亲鱼,人工催青,人工孵化育苗,培育鱼种,将一定规格的幼鱼放入坝下河流,让其下海生长。目前国内外都十分重视设置人工增殖站,开展人工增殖、放流工作,用于解决水坝对水生生物的阻隔。
水库修建后,营养物质在库内富集,浮游生物迅速生长,如果不能很好利用,将会自然死亡,恶性循环,从而造成富营养化和水质污染等。按照生态平衡原理,合理投放食用不同浮游生物的鱼种进库,进行生态修复,用产品的形式让富营养物质出库,既能清洁水库,又能收获鱼产,可以做到一举两得。所有这些,都需要有生命科学和生物、生态技术作为支撑。

主要参考文献
1 上海辞书编辑委员会,辞海,上海辞书出版社,1979年;
2 中国大百科全书编辑部,中国大百科全书(环境卷),1980年;
3 董哲仁等,受污染水体的生态修复技术,水利水电技术,2002,(2);
4 董哲仁,生态水工学的理论框架.水利学报.2003,(1);
5 Loftin KA,Toth LA.Kissimmee River Restoration:Alternative Plan Evaluation andPreliminary Design Report[R]. South Florida Watermanagement District,West Palm Beach,Fla.1990;
6  National Research Council,    Restoration of Aquatic  Ecosystems[M]. National Academy Press,Washington D.C  1992;
7 王琳 王宝贞,分散式污水处理与回用,化学工业出版社,2003年5月。


崔树彬,男,1956年11月,珠江水利科学研究院,教授级高工。

2005-08-19
 
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