ESB—生態(tài)演替式水體修復(fù)技術(shù)
前 言
水是一座城市的歷史，是財富，是資源，是文明素質(zhì)和文化底蘊的象征。離開了水，城市就沒有靈氣。樂水親水、近水而棲，是人類的天性，由水形成的環(huán)境美是一種天然美。然而近二十年來，隨著人口及社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，城區(qū)內(nèi)河及相關(guān)水體的環(huán)境 狀況越來越差。有關(guān)部門雖然投入了大量的人力物力，實施了包括引流、截污、清淤等一系列整治措施，但是隨著城市污水排放總量的不斷增加，污水處理率未能同步增長，使城市內(nèi)河接納污染的負荷越來越大， 大多數(shù)河段淤積嚴重，水流不暢，納污容量越來越小，內(nèi)河水質(zhì)普遍處于國家地面水水質(zhì)標準V類及劣V類之間。水體惡臭及由水體富營養(yǎng)化引起的藍藻水華泛濫，給城市水體景觀和居民身體健康帶來了嚴重威脅。
為保障寧波生態(tài)市建設(shè)的順利實施，把寧波建設(shè)成具有比較發(fā)達的生態(tài)經(jīng)濟、優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境、宜人的生態(tài)人居、人與自然和諧相處的可持續(xù)發(fā)展城市，市政府經(jīng)反復(fù)論證，提出了以大力建設(shè)工業(yè)和生活污水處理設(shè)施、市區(qū)內(nèi)河和流域整治為重點的“碧水工程”建設(shè)，其中以營造“流暢、水清、岸綠、景美”水鄉(xiāng)風貌為目標 的“千里清水河道”綜合治理工程，預(yù)計在今后5年投入資金達100億元。為配合寧波生態(tài)市建設(shè)，向“千里清水河道”綜合治理工程提供科學、實用的生態(tài)治水 方案，開展“河道水污染生物——生態(tài)修復(fù)技術(shù)研究與示范”，已成為我市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的迫切需要。
國內(nèi)外同步研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
河道污染是區(qū)域人口、經(jīng)濟、社會發(fā)展到一定階段后造成的，污染治理的根本性措施是污染源的治理。因此，世界各國均把污水截流、廢水達標排放和控制排污總量作為河道整治的首要措施。然而，由于難以根除的面源污染及內(nèi)源污染，即使在污水排放得到有效控制的情況下，河道污染及其富營養(yǎng)化問題仍然十分突出。為此，各地在河道治理中，把污染源治理和強化水體的自凈能力同時作為河道修復(fù)的重要目標。縱觀國內(nèi)外河道治理現(xiàn)狀，以下幾種方法較為引人關(guān)注：
1．引流沖污和綜合調(diào)水。引流沖污實質(zhì)上是對水體污染物和浮游藻類的稀釋擴散，就局部而言常被視為解決水體富營養(yǎng)化相對簡單、易行和代價較低的辦法。如杭州西湖自錢塘江引水后對延緩水體富營養(yǎng)化發(fā)揮了一定的作用。但從整體出發(fā)，這種辦法實為污染轉(zhuǎn)移，有以鄰為壑之嫌；綜合調(diào)水不同于引流沖污，主要解決水 資源的再分配，利用一定的水利設(shè)施合理調(diào)活河網(wǎng)水系，達到“以動制靜、以清稀污、以豐補枯、改善水質(zhì)”的目的，尤其對提高水體的自凈能力能發(fā)揮較好的作用。
2．曝氣復(fù)氧。曝氣復(fù)氧對消除水體黑臭的良好效果已被國內(nèi)一些實驗室試驗及河流曝氣中試所證實。其原理是進入水體的溶解氧與黑臭物質(zhì)（H2S，F(xiàn)eS等還原物質(zhì)）之間發(fā)生了氧化還原反應(yīng)。對于長期處于缺氧狀態(tài)的黑臭河流，要使水生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)一般需要一個長期的過程，水體曝氣復(fù)氧有助于加快這一過程。由于河道曝氣復(fù)氧具有效果好、投資與運行費用相對較低的特點，已成為一些發(fā)達國家如美國、德國、法國、英國及中等發(fā)達國家與地 區(qū)如韓國、香港等在中小型污染河流污染治理經(jīng)常采用的方法。
3．底泥疏浚。在污染源控制達到一定程度以后，底泥則成為水體污染的主要來源。因此清淤疏浚通常被認為是消除內(nèi)源污染的重要措施。然而，疏浚技術(shù)通常是決定疏浚效果好壞的關(guān)鍵。從最早的人工挖泥到現(xiàn)在的精確水下吸泥，疏浚過程對 環(huán)境的影響正在變得越來越小。疏浚作為水利工程和航道工程措施有重要效用，但作為水質(zhì)治理目前還存在一些難于克服的問題，如一定程度上引起上覆水污染物濃度增加，疏浚后淤泥以其量大、污染物成分復(fù)雜、含水量高而難以處理等等。
4．化學絮凝處理；瘜W絮凝處理技術(shù)是一種通過投加化學藥劑去除水層污染物以達到改善水質(zhì)的污水處理技術(shù)。近年來，化學絮凝處理技術(shù)在強化城市污水一級處理的效果方面得到了越來越廣泛的研究與應(yīng)用，而隨著水體污染形 勢的日趨嚴峻，對嚴重污染的水體如黑臭水體的治理，化學絮凝處理技術(shù)的快速和高效也顯示其一定的優(yōu)越性。但是由于化學絮凝處理的效果容易受水體環(huán)境變化的影響，且必須顧及化學藥物對水生生物的毒性及生態(tài)系統(tǒng)的二次污染，這種技術(shù)的應(yīng)用有很大的局限性，一般作為臨時應(yīng)急措施使用。
5．生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)。生態(tài)—生物方法是近年來發(fā)展起來的一種新型環(huán)境生物技術(shù)。這類技術(shù)主要是利用微生物、植物等生物的生命活動，對水中污染物進行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化及降解作用，從而使水體得到凈化，創(chuàng)造適宜多種生物生息繁衍的環(huán)境，重建并恢復(fù)水生生態(tài)系統(tǒng)。由于這類技術(shù)具有處理效果好、工程造價相對較低、不需耗能或 低耗能、運行成本低廉等優(yōu)點。同時不向水體投放藥劑，不會形成二次污染，還可以與綠化環(huán)境及景觀改善相結(jié)合，創(chuàng)造人與自然相融合的優(yōu)美環(huán)境，因此已成為水體污染及富營養(yǎng)化治理的主要發(fā)展方向。
歐美等發(fā)達國家對生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)高度重視，并已投入了大量資金進行研究與應(yīng)用，如美國在1972年就研究利用生物修復(fù)技術(shù)清除賓夕法尼亞州Ambler管線泄漏的汽油。荷蘭在20世紀80年代就已花費約15億美元進行土壤的生物修復(fù)；1991年3月，在美國圣地亞哥舉行的第一屆原位生物修復(fù)國際研討會使生物修復(fù)技術(shù)的推廣和應(yīng)用走上迅猛發(fā)展的道路。我國科技部和云南省于2000年4月投入5000萬元經(jīng)費，啟動了“滇池水污染治理技術(shù)研究”項目，其中2370萬由中科院水生所專項應(yīng)用于滇池藍藻的生物控制；2002年12月，國家“973”計劃正式啟動了“湖泊富營養(yǎng)化過程與藍藻水華暴發(fā)機理研究”，經(jīng)費額度達2800萬元。中國科學院南京地理與湖泊研究所、同濟大學等科研院所也 分別在太湖、上海蘇州河等污染水體進行了卓有成效的生物-生態(tài)修復(fù)試驗。2000年寧波大學利用生物操縱技術(shù)成功控制了寧波月湖的藍藻水華，該項成果在2001年國際藍藻控制學術(shù)會議上得到了國內(nèi)外同行專家的一致肯定。綜觀國內(nèi)外工作，有關(guān)生物-生態(tài)修復(fù)的研究與應(yīng)用大致可分三個方面。一是以應(yīng)用微生物 為主體的生物修復(fù)技術(shù)，美國、日本及國內(nèi)一些生物工程公司的產(chǎn)品已進入應(yīng)用試驗階段，在局部區(qū)域，特別是城市內(nèi)河治理中不乏有成功的例子；其二是應(yīng)用高等植物為主體的植物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)，適用于大面積、低濃度的污染位點，由于植物修復(fù)是一個自然的過程，易為公眾接受；第三是基于“食物鏈”原理的生物操縱技 術(shù)，應(yīng)用羅非魚、鰱魚及貝類等濾食性動物的放養(yǎng)及水體生物群落結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對控制富營養(yǎng)化水體藍藻水華發(fā)揮了明顯的作用。
由于內(nèi)河治理的最終目的是河道生態(tài)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，并促使系統(tǒng)的自我維護和自我發(fā)展。因此，生物—生態(tài)修復(fù)技術(shù)被認為是21世紀我國生態(tài)環(huán)境保護領(lǐng)域最有價值和最具生命力的生物處理技術(shù)。
ESB－生態(tài)演替式水體修復(fù)技術(shù)簡介
ESB水體修復(fù)技術(shù)（生態(tài)演替式水體修復(fù)技術(shù)）是一項目前世界上正在興起的突破性的一種水體修復(fù)技術(shù)。
ESB水體修復(fù)技術(shù)是利用培育的植物、動物或培養(yǎng) 接種的微生物的生命活動。對水體污染物進行轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化及降解作用，從而使水體得到凈化的技術(shù)，還可以綠化環(huán)境及景觀改善結(jié)合起來，在治理區(qū)建設(shè)休閑和娛樂設(shè)施，創(chuàng)造人與自然融合的優(yōu)美環(huán)境。ESB水體修復(fù)技術(shù)思路是，消除爭氧物質(zhì)，穩(wěn)定水體的高溶氧狀態(tài)，快速培植優(yōu)勢好氧微生物，打造生態(tài)基礎(chǔ)，并通過水生動、植物定向培養(yǎng)、建立起人工生態(tài)，通過人工生態(tài)向自然生態(tài)演替，恢復(fù)水體生物多樣性，并充分利用自然系統(tǒng)的循環(huán)再生、自我修復(fù)等特點，實現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的 良性循環(huán)。
ESB水體修復(fù)技術(shù)包括：微生物修復(fù)技術(shù)、人工濕地技術(shù)、浮島技術(shù)、植物操控技術(shù)，生態(tài)護提技術(shù)，生態(tài)復(fù)氧技術(shù)、生態(tài)清淤技術(shù)、水生動物恢復(fù)和重建技術(shù)等。在實際工程應(yīng)用中，可按照水體污染程度，水體環(huán)境資源現(xiàn)狀及業(yè)主要求等考慮選用不同的技術(shù)組合，以呈現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟效益的雙贏。
ESB水體修復(fù)技術(shù)的原理和應(yīng)用
1、ESB－生態(tài)清淤技術(shù)（微生物降低內(nèi)源污染）
微生物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，它們能將自然界中的動、植物的尸體及殘骸分解，將一些有害的污染物質(zhì)加以吸收和轉(zhuǎn)化，成為無毒害或毒害較小的物質(zhì)。微生物能分解河床底質(zhì)中有機碳源及其它營養(yǎng)物質(zhì)并轉(zhuǎn)化為菌體，促使底泥硝化（減少底泥體積，穩(wěn)定底泥物理、化學性質(zhì)，阻隔減少內(nèi)源污染對水體的影響）。脫氮微生 物通過硝化和反硝化作用能分解氨氮，分解后的硝態(tài)氮被植物吸收，使部分氮退出水體循環(huán)，進而能凈化水質(zhì)。
2、ESB－生物膜對水體的凈化作用
生物膜是一種為參與污染物凈化的微生物、原生動物、小型浮游動物等提供附著生長條件的設(shè)施。它是在固定支架上設(shè)置生物填料，使大量參與污染物凈化的生物在此生長，由于其固著生長而不易被大型水生動物和魚類吞食，使單位體積的水體中生物數(shù)量成幾何級數(shù)增加，可強化河湖水體的凈化能力。生物膜表面積大，可為 微生物提供較大的附著表面，有利于加強對污染物的降解作用。
生物膜其反應(yīng)過程是：
①基質(zhì)向生物膜表面擴散，
②在生物膜內(nèi)部擴散，
③微生物分泌的酵素與催化劑發(fā)生化學反應(yīng)，
④代謝生成物排出生物膜。
生物膜法處理的機理是使工程菌和原生動物、后生動物一類的微型動物附著在填料或某些載體上生長繁育，形成膜狀生物污泥，污水與生物膜接觸時，污水中的有機污染物、藻類、氮、磷等營養(yǎng)物，被生物膜上的微生物所攝取，使微污染水得到凈化，微生物自身也得到繁殖。這種處理方法能夠有效的去除污水中有機污染物，降低污染物總量，使水體得到凈化，在污水及微污染水的處理中得到了應(yīng)用。
3、ESB－浮島的凈化作用
“浮島” 原本是指由于湖岸的植物附著泥碳層向上浮起，漂浮在水面上的一種自然現(xiàn)象。本工程的浮島是一種象筏子的人工浮體，在上邊栽培一些蘆葦之類的水生植物，漂浮在水面。人工浮島的水質(zhì)凈化針對富營養(yǎng)化的水質(zhì)，利用生態(tài)工程學原理，降解、吸收水中的COD、氮、磷等。
專家普遍認為植物的遮蔽效果在抑制浮游植物繁殖方面起了很大作用。它的主要機能可以歸納為三個方面：水質(zhì)凈化；創(chuàng)造生物（鳥類、魚類）的生息空間；改善景觀。
根據(jù)有關(guān)研究資料，人工浮島植物的水質(zhì)凈化要素有以下6個：
① 植物根莖等表面對藻類的吸附、分解。
② 植物根系的營養(yǎng)吸收作用。
③ 為原生動物、輪蟲、橈足類、枝角類、甲殼類等的攝食、繁衍等提供場所。
④ 為濾食性魚類的攝餌、捕食、產(chǎn)卵繁殖、棲息等活動提供場所。
⑤ 去除懸浮性物質(zhì)。
⑥ 日光的遮蔽效果，抑制藻類生長，平衡水溫。
4、ESB－人工濕地（岸邊涉水植物種植）
河流沿岸水生植物帶（人工濕地）的水質(zhì)凈化要素有以下8個：
1.植物根莖等表面生物膜對有機物，特別是對藻類的吸附去除；
2.植物根系的營養(yǎng)吸收；
3.昆蟲的攝餌、羽化等；
4.魚類的攝餌、捕食；
5.防止已沉淀的懸浮性物質(zhì)再次上；
6.日光的遮蔽效果；
7.在污泥表面的除磷脫氮；
8.保護河岸作用。
5、ESB－水生植物操控技術(shù)
控制去污能力強，生長速度快的植物的生長范圍。同時有利于對該植物物種的管理，避免造成生態(tài)災(zāi)難，擴散到相鄰水域。通過此種方法可以證明，一些所謂的害草是可以進行環(huán)境利用的。
6、ESB－水生植物凈化景觀化應(yīng)用
水生植物技術(shù)以生態(tài)學原理為指導，將生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能應(yīng)用于水質(zhì)凈化，充分利用自然凈化與水生植物系統(tǒng)中各類水生生物間功能上相輔相成的協(xié)同作用來凈化水質(zhì)，在水體中適當布置既有觀賞價值又有凈化功能的浮水植物和挺水植物，使水體不僅具有自然風貌的景觀，而且增強城市水體的生物凈化功能。
根據(jù)水面的大小不同布置植物網(wǎng)箱，以控制水生植物的生長范圍，滿足景觀空間形態(tài)的需求，并留出維護行船的通道。
水面景觀綜合岸線景觀和倒影、水面植物進行適當?shù)木坝^組織，形成水面畫卷；植物以防污抗污、具凈化水質(zhì)功能的水生植物為主，并具有較高的觀賞價值，接合植物季節(jié)生長特點；其中水面浮水植物以睡蓮、風眼蓮為主，岸邊挺水植物以蘆葦、香蒲、茭白、荷花等，配合四季常青植物美華景觀。既有水景綠化的作用，也起 到凈化水質(zhì)、保護魚類生長環(huán)境、保護河流生物多樣性的目的。
7、ESB－水生動物凈化水體
水體中投放適當?shù)乃鷦游?可以有效的去除水體中富余營養(yǎng)物質(zhì)，控制藻類生長，底棲動物螺螄主要攝食固著藻類，同時分泌促絮凝物質(zhì)，使湖水中懸浮物質(zhì)絮凝，促使水變清。濾食性魚類，如鯽、鳙魚等可以有效的去除水體中藻類物質(zhì)使水體的透明度增加。課題水域面積大，會成為許多有害昆蟲如蚊、蠅的滋生場所，在水中投魚，它可攝食蚊子的幼蟲 及其它昆蟲的幼蟲，避免了水域?qū)χ車h(huán)境造成的危害。
魚是水生食物鏈的最高級，在水體內(nèi)藻類為浮游生物的食物，浮游生物又供作魚類的餌料，使之成為：
菌→藻類→浮游生物→魚類的食物鏈。利用食物鏈關(guān)系進行有效的回收和利用資源，取得水質(zhì)凈化和資源化、生態(tài)效果等綜合效益。
8、ESB－新生態(tài)鏈建立恢復(fù)
種植水生高等植物群落為原生動物提供場所，原生動物以微生物為食，消耗水中有機物總量完成養(yǎng)分傳遞。提高河流生產(chǎn)力，建立水體中的食物鏈：
浮游植物→浮游類（含原生動物）→ 浮游動物（輪蟲、橈足類、枝角類、甲殼類等）→濾食性魚類。
食物鏈的建立是在生態(tài)循環(huán)的基礎(chǔ)上，它標志河流生態(tài)的恢復(fù)，水體生產(chǎn)力的提高，水域環(huán)境改善。
9、ESB－生態(tài)護堤技術(shù)（綠化混凝土）
綠化混凝土是能夠適應(yīng)植物生長，可進行植被作業(yè)，具有恢復(fù)和保護自然環(huán)境、改善生態(tài)條件、保持原有防護作用功能的混凝土及其制品。即能長草、長花的混凝土，或稱混凝土草坪。綠化混凝土是一種較理想的近自然河川防護工程材料，實現(xiàn)了河川安全防護與環(huán)境的恢復(fù)和保護的有機結(jié)合。
目前國內(nèi)已經(jīng)有10余個省市采用了綠化混凝土技術(shù)，累計設(shè)計、施工面積已超過60萬平方米。其中包括北京奧運會配套工程、江蘇淮河入海水道工程等重點工程。
10、ESB－復(fù)氧技術(shù)
1、機械增氧：微孔曝氣機、水下射流機、水景噴泉等設(shè)備，對水體進行曝氣復(fù)氧及造流。復(fù)氧曝氣和水體造流主要是為了增加水體的溶解氧，提高水體好氧微生物的活性，加快污染有機質(zhì)的分解。
2、生態(tài)增氧劑；選用無殘留、無二次污染，符合生態(tài)環(huán)保要求的增氧產(chǎn)品。
ESB水體修復(fù)技術(shù)效益展望
1、經(jīng)濟分析
ESB－生態(tài)演替式水體修復(fù)技術(shù)污水的消納成本低。ESB－生態(tài)演替式水體修復(fù)技術(shù)如果生態(tài)修復(fù)的技術(shù)能進行全面推廣的話，其工程成本和維護費用可以大大降低，其投資效益非常明顯。
隨著河道水體生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)和城市水體生態(tài)景觀的形成，可進行休閑垂釣、河流水體旅游等商業(yè)用途的開發(fā)，以提河流水體自身經(jīng)濟效益的產(chǎn)出，來籌集部分維護資金，減少長期支出河道維護費用的壓力，拓寬了水體治理的資金來源，使河道治理進入市場化和社會化。
2、社會效益
人類的所有活動都必須依托于所棲息的生態(tài)環(huán)境，生態(tài)系統(tǒng)為人類提供了生存維護系統(tǒng)，提供了從事各種活動所需的最基本的物質(zhì)資源。通過生物修復(fù)可緩解因水污染給周邊商業(yè)、居住區(qū)域帶來的負面影響和環(huán)境壓力，還美化了環(huán)境，產(chǎn)生了良好的景觀效應(yīng)。采用浮島種植的水生花卉清翠碧綠、色彩繽紛、鮮艷奪目，呈現(xiàn)一 片欣欣向榮的景象，構(gòu)成一幅美麗的人工自然生態(tài)景觀，提升了城市的環(huán)境生態(tài)水平，普及河流生態(tài)知識、提高環(huán)保意識，具有極高的社會效益和環(huán)保效益。
3、應(yīng)用意義
ESB——生態(tài)演替式水體修復(fù)技術(shù)實施，具體為采用耐污性強的活性微生物制劑，結(jié)合各種功能性水生植物的生物性能，運用陸生植物的水培技術(shù)和生物浮島技術(shù)、生物膜技術(shù)、復(fù)氧技術(shù)等綜合技術(shù)來分解、吸收水體的污染物質(zhì)，利用濾食性水生動物的介入來轉(zhuǎn)移水體的污染物質(zhì)，達到人工重建水生生態(tài)系統(tǒng)的目的，同時在治理過程中還可以營造一個城市水體生態(tài)景觀。
在還沒有建造污水處理廠或已有污水處理廠而無法短時間進行截污納管的城市和地區(qū)，利用ESB——生態(tài)演替式水體修復(fù)技術(shù)可有效降低水體原有的污染指數(shù)，提高河道水體的自凈能力和環(huán)境容量。提高自凈能力后的河道，納污能力增加，可以有效的分解和吸收連續(xù)流入的營養(yǎng)鹽，其流出的水達到污水處理廠的一級排放標準，可以減少對河段造成的污染壓力，有利于河道整體水質(zhì)的長期保持。
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