1、清華大學：城市水環境整治水體修復技術的發展與實踐清華大學環境學院 劉翔我國城市河流有90%左右受到污染，出現水體滯流、多處于厭氧狀態、復氧能力差、淤積嚴重、透明度低、甚至發生黑臭等現象。由于城市水體污染負荷遠遠超過城市有限受納水體的環境容量和自凈能力，導致河水中COD、NH3N等污染物嚴重超標，水生生態系統結構破壞，生物多樣性銳減，城市水體的生態功能和使用功能日益衰退，水體修復和水生態功能恢復的難度明顯加大，城市河流水環境生態系統處于失衡狀態。同時，城市污水中氮磷污染物未經有效去除，又成為城市水體發生富營養化的重要誘因，造成水體生態功能的衰退甚至喪失，水生生態環境的破壞已經成為城市生態文明建設

2、的主要障礙。“有水皆污”、“河道黑臭”已經成為許多城市面臨亟待解決的環境頑疾。城市水環境綜合整治和水體修復技術是破解上述難題的有效方法，國家重大水專項城市主題在“十一五”期間重點針對城市水體修復技術開展了研究集成和示范應用，突破了44項關鍵技術，建立了25項示范工程，取得了良好的效果，為我國水體修復積累了技術集成方案和工程實踐經驗。1城市水體修復的科學原理與技術思路城市水體修復技術是指根據生態學和環境學的原理，綜合運用水生生物和微生物的方法，使污染水體得到改善或恢復所采用的技術。其特點是充分發揮現有水環境工程的作用，綜合利用流域內的濕地、灘涂、水塘、堤坡及水生生物等自然資源及人工合成材料，對城

3、市水域自恢復能力和自凈能力進行強化恢復或提升。生態修復是相對于生態破壞而言的，生態破壞就是生態系統結構和功能的破壞，因而生態修復就是恢復生態系統合理的結構、高效的功能和協調的關系，就是重建受損生態系統的功能以及相關的物理、化學和生物特性。其本質是恢復系統的必要功能并使系統達到自我維持的狀態。修復的目的就是要再現一個自然的、能自我調節的生態系統，使它與它所在的生態景觀形成一個完整的統一體。但要將一個受損的生態系統的結構與功能恢復到受損前的水平是一項艱巨、困難和漫長的工作。從一定意義上講，修復又可定義為使受損的生態系統的結構與功能最大限度地接近受損前的水平。就是針對具體受損的生態系統，找出目前環境

4、條件的限制性因素，根據生態工程學原理，對該系統實施種群組建或重建，恢復其原有的生物多樣性，使其達到具備自我維持與自我調節的能力。因此，要從生態、社會需求出發，實現生態修復所期望達到的生態-社會-經濟效益；恢復能夠達到上述效益的生態系統的結構和功能;通過對系統物理、化學、生物甚至社會文化要素的控制，帶動生態系統的恢復，達到自我維持的狀態。基于上述原理，城市水體修復的總體技術思路為：控源為本，調配優先，多元為輔，強化應急，景觀共建。控源為本：城市水體的水質改善應以污染源控制為根本，控源以水環境容量為目標，在此基礎上實現水體收納污染負荷的總量和濃度控制。調控優先：大多數城市水體最主要的問題是由于生態

5、基流不足而引起的水流緩滯，導致水體的自凈能力退化甚至喪失，進而引發一系列的水環境問題。因而水質改善最有效的方法就是通過水系調配或是引入其他水源（例如滿足補水水質要求的再生水和城市雨水徑流），改善水動力流態，實現水體的良性循環。多元輔助：在實現控源和調配目標的基礎上，可以通過多元生態系統構建、河水充氧、底質控制等輔助技術促進和提升水質改善和生態修復的效果。強化應急：人工強化處理方法是針對河水（包括循環和旁路）的人工處理技術，通常投資和成本較高，一般常用于需要緊急應對的場合（例如污染事故，黑臭河道等）。景觀共建：城市水體大多具有一定城市景觀功能，在采用生態處理技術時，可考慮與景觀建設相結合，起到良

6、好的感官效果。2水體修復技術的研究進展城市水體修復技術按照治理對象可以分為河道底質改善、河道生態修復、河流水動力調控和河水強化處理等4類技術，整體技術體系構成如圖1所示。2.1城市河流水動力調控技術自然狀況下，河流具有一定的自凈能力，水體中的溶解氧足以滿足自凈過程中微生物分解有機物需要的氧量。但是當水體受到嚴重污染或超負荷污染時，過量的有機物排入水中，大氣復氧不能及時補充消耗的溶解氧，溶解氧含量大幅降低，出現缺氧或無氧的河段，從而威脅好氧生物的生存。另外，水體中溶解氧過低，導致厭氧細菌繁殖，形成厭氧分解，產生甲烷、硫化氫等氣體，發生黑臭問題。此時，必須采取必要的措施以改善水質。該類技術包括水量

7、水質調配和曝氣復氧，見圖2。在污染嚴重的水體中，單靠自然復氧作用，河水的自凈過程非常緩慢。故需要采用人工曝氣彌補自然復氧的不足。河道人工曝氣技術作為一種投資少、見效快、無二次污染的河流污染治理技術在很多場合被優先采用。河道人工曝氣技術能在較短的時間內提高水體的溶解氧水平，增強水體的凈化功能，消除黑臭，減少水體污染負荷，促進河流生態系統的恢復；另外，河道曝氣技術因地制宜，占地面積相對較小，投資省、運行成本低，對周圍環境無不良影響，如果與綜合利用相結合，還可實現環境效益與經濟效益的統一，有利于工程的長效管理。但是要真正發揮河流水體人工曝氣復氧技術的實際效益，還必須制訂應用該技術的具體方案，得出可行

8、的增氧量、曝氣方式、季節最優化組合，并充分考慮城市景觀和經濟性原則。常用曝氣技術特點見表1。2.2城市河道底質改善技術在城市河道中，底泥是陸源性入河污染物（營養物、重金屬、有機毒物等）的主要蓄積場所。在不同的環境影響（溫度、風浪和溶氧等）條件下，底泥既可以凈化湖泊水體，也可以因富含污染物而成為潛在的內源性污染源污染水體，增加上層水體污染負荷。底質改善技術則是有效遏制這類內源污染物釋放的有效手段，常用的有底質清淤及原位修復技術、景觀河道生態修復型底泥疏竣與處理處置技術等。（1）底質清淤及原位修復技術。底泥生態清淤采用生態清淤工程將污染最重、釋放量最大的上層污染底泥依據環保要求移出水體，避免因河流

9、、湖泊內的底泥釋放和動力作用下的再懸浮和溶出后可能造成的河水富營養化和藻類產生和發展問題，從而達到控制底泥釋放二次污染的目的。它是控制內源污染效果較為明顯的工程技術措施之一。在采用原位修復技術，利用研發的環境友好型雙固定化功能載體及篩選的具有高效凈化性能的功能生物，通過河道底質良性生境的構建、定向強化凈化及底質基質促進劑的使用，進行污染底質原位生態固化覆蓋聯合修復。（2）景觀河道生態修復型底泥疏竣與處理處置技術。底泥也是水生態系統重要的環境要素之一，其理化特性直接影響水生態系統的結構與功能；可以考慮河湖底泥疏浚與底棲生態重建的優化協同，避免過量疏浚造成的河湖底泥生態支持力下降、疏浚底泥易地處理

10、的環境和經濟成本問題，發展可實施精準疏浚的河湖底泥生態修復型疏浚技術。（3）底質基改造與污染生態修復技術。從單一的清淤、硬底化、引水沖污、曝氣增氧等治理技術研究轉為對多項治理技術的集成應用研究，以降低河道治理的投資、運行成本和保證持續穩定的治理效果。對底泥治理技術的研究和應用表明，相對于物理、化學修復，對目前以有機物含量高、Eh 偏低的重污染為特點的城市河道底泥，在改善基底理化環境基礎上，采用生物修復，特別是植物修復方法可能更加適宜。（4）疏浚底泥與處理處置技術。根據疏浚底泥自然沉降速率設計水力疏浚底泥排泥場，避免水力清淤污泥隨自然澄清液回流再次排入水體。針對清淤污泥，開發了高效脫水以及制建材

11、、制陶粒等資源化利用技術，實現了疏浚底泥的可持續管理。（5）底泥污染抑制劑技術。針對底泥在厭氧條件下釋放污染物導致水體水質惡化的問題，開發出具有強氧化作用、高效釋氧作用、物理阻隔作用和化學固化作用等的底質抑制劑（材料），對抑制黑臭、應對突發污染事故等具有顯著、快速的控制效果。2.3城市河道生態修復技術（1）復合型生態浮島水質改善技術。以水生植物的優選和可修復水體生物多樣性的生態草植入為主要組成部分，對氮、磷營養物和有機物等均有一定的去除效果，可改善水體水質，提高水體透明度，控制水體富營養化（減緩藻類的增長速率、減弱藻類暴發程度），減少以再生水為補給水源的景觀水體換水頻率。無外部水源補充條件下，

12、夏季可延緩藻類暴發時間12 d，暴發峰值也可降低約30。該技術尤其適合北方地區以再生水為主要補給水源的滯流/緩流景觀水體水質的保持與改善。（2）多級復合流人工濕地異位修復技術。通過多級復合流人工濕地的構建，解決了傳統人工濕地的運行效果不穩定、脫氮效果一般、填料易堵及冬季處理效果差等多項難題，使其出水主要水質指標穩定達到地表水類標準。該技術對COD、總氮、總磷具有較好去除效果，在進水水質波動較大，水質較差的條件下，出水水質仍可穩定達到地表水類要求，多級潛流濕地示范工程在穩定運行階段對COD、TN和TP的去除率可達到70%90%。該技術主要用于景觀水體的水質改善及長期保持，適用于征地方便的地區。（

13、3）城市黑臭河道原位生態凈化集成技術。包括底泥污染控釋與底質生境改善、黑臭河水生物柵凈化與控藻、黑臭河水生態接觸氧化等。形成了城市黑臭河道原位生態凈化集成技術體系，將浮船式增氧機作為混凝藥劑的投加、溶解、攪拌、反應的動力設備，從而把增氧和混凝有效地結合起來；科學控制增氧機與生態浮床之間的距離，消除增氧機對生態浮床上植物生長及其凈化污染物的負面影響；利用生態浮床水下部分的接觸沉淀和物理吸附作用，促進化學混凝后水體的加速和穩定澄清，防止增氧機工作及水流攪動引起的絮體再懸浮，保障工程效果的長效性。按該方法設計的技術系統具有集成化程度高、投資和能耗低、易于操作、便于管護、快速長效等優點。（4）景觀河道

14、生態攔截與旁道濾床技術。生態濾床是在自然濕地結構與功能的基礎上通過人工設計的污水處理生態工程技術，利用系統中的基質、水生植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用，來實現對污染物的高效降解，以達到凈化水質的目的，具有投資少、運行維護費用低、管理簡單、景觀生態相容性好、自然社會效益好等優點，已被廣泛應用于處理各類型污水。生態濾床一般通過旁河的形式，將河水引入濾床中，系統內填充具有脫氮除磷功能較強，且比表面積大的多孔介質，使其具備了良好的水力學性能，能較好地截留河水中的顆粒物。通過植物選擇、碳源調控、溶解氧調控、前置或后置強化除磷等手段，提高其脫氮除磷效率。（5） 生態護坡技術。生態護坡工程是一項

15、建立在可靠的土壤工程基礎上的生物工程，是實現穩定邊坡、減少水土流失和改善棲息地生態等功能的集成工程技術。其目的是為了重建受破壞的河岸生態系統，恢復固坡、截污等生態功能。2.4城市河水強化處理技術（1）城市河湖水系原位強化處理關鍵技術。開發緩流水體強化循環流動和生物接觸氧化技術，強化水體流動，削減水中污染物和營養鹽含量，改善水質。提出了不同流速對常見水華藻類和混合藻類的影響，并提出了水華控制流速；對不同填料進行了接觸氧化試驗，篩選了最佳填料，對主要污染物的去除效果進行了研究，主要污染物去除率為葉綠素40%、COD 50%、TN 20%、TP 40%、NH3_N 60%。（2）河道水體側溝強化治理

16、集成技術。針對生活污水、含有大量的工業廢水、難以生物降解成分含量高、底泥污染嚴重、河道水體黑臭、油類物質濃度偏高現象顯著等，提出以側溝化學絮凝（即一級強化處理）和接觸氧化修復相結合的方式，對黑臭水體進行處理，可有效抑制黑臭現象。（3）景觀水體化學-微生物-水生植物復合強化凈化與藻類過度生長控制技術。針對景觀河道水體自凈能力差、富營養化現象嚴重、藻類過度生長等現狀，通過微生物、化學、水生植物復合強化集成技術進行水質凈化及控制的原位修復技術研究，已研發出“改善景觀水體水質的藥劑投加方法及設備”和“富營養化水體治理的方法和設備”，可有效改善水體富營養化狀態。（4）污水處理廠尾水人工濕地深度處理技術。

17、技術從工藝創新、碳源補充、填料選擇、防堵塞等研究，保證反硝化反應的順利進行必須有充足的碳源提供，添加PHA聚羥基脂肪酸酯、PBS聚丁二酸丁二醇酯等五種有機物作為碳源，研究了各種碳源的反硝化速率以及硝酸鹽氮的去除情況，得到麥稈、PBS和PHA添加后出水符合一級A的標準；在城市污水處理廠尾水達到一級A標準時，出水水質可達到：COD為1832mg/L，氨氮低于0.5 mg/L，總氮為1.53.5mg/L，總磷為0.10.3 mg/L，除總氮偶爾較高外，達到地表水體V類標準。（5）污水處理廠尾水多點放流生態攔截技術。選取最優填料組合，通過生態攔截填料的攔截吸附降低尾水中的污染負荷，尾水長期流過填料后填

18、料表面的生物膜可以進一步降解尾水中的污染物質。污水處理廠尾水排放后由大阻力配水系統將尾水均勻分布到第一級生態填料區上，經過底部布水廊道升流至第二級生態填料區，通過二級填料的尾水最終通過生態透水磚實現污水處理廠尾水深度凈化后的分散排放。該方法可有效降低污水處理廠尾水排放對河流水質產生的不利影響。3城市水體修復技術的實踐與成效3.1城市水體修復技術的應用水專項城市主題“十一五”期間建立了示范工程25項，修復城市河流超過50 km，水體總面積超過7 km2，所涉及的流域分布以及所應用的關鍵技術類型分布如圖3所示。3.2城市水體修復技術應用效果（1）太湖流域示范區主要水質指標提高一個等級，滿足V類水標

19、準。水體黑臭現象消除，水質好轉，COD、氨氮、總氮、總磷均有明顯降低，溶解氧有所提高。生態修復時氮、磷的年去除能力分別達到0.1 kg/m2和0.02 kg/m2。水生生物中浮游植物多樣性及清潔水體指示種增加，浮游動物由原生動物為主轉為輪蟲為主,魚類、底棲生物數量明顯增多。黑臭河道治理效果：溶解氧由0.5 mg/L提高至6 mg/L(平均)，濁度下降80%，總磷下降60%，COD和氨氮去除50%60%，氧化還原電位、透明度大幅提高，黑臭得以遏制，原本爆發性生長的藻類得到有效控制。（2）海河流域示范區水質均滿足IV類水體標準，水體臭味消失、透明度明顯改善，河道浮萍及藻類生長得到有效抑制，沉水植物

20、開始自我恢復，示范段河道內水生動物（如魚類、底棲動物）數量也明顯增多。示范工程中集成了噴泉曝氣、潛流濕地及其他幾項關鍵技術，實現了各單項技術的優勢互補。經過實際運行，對COD、TN、TP年均去除率分別可達80%、90%和75%左右，出水水質達到了地表水類要求，優勢顯著。（3）三峽庫區示范區污染物減排量（COD）約占2010年三峽庫區重慶段城鎮污染物排放量的15.1%。庫區內城市水體水質提升了一個等級，基本達到了水體功能水質要求，水系基本暢通，流速提高近一倍，消除黑臭，與修復前水體表面較臟亂現象對比，修復后，水體清澈，表面無污物。（4）巢湖流域示范區水質達地表V類標準，水生濕生植物種類由14種增加到60種，浮游藻類多樣性增加，原生動物的生物量和密度都明顯高于恢復前，底棲動物種類數量也有較大提升，水生態系統結構和功能逐漸得到恢復。水體COD、TN和TP分別下降了49.4%、7.5%和66.8%，經過生態工程凈化，COD、TN和TP的去