IJE  >> Vol. 8 No. 3 (August 2019)

    “活水”應用于富營養化污水凈化的研究
    Study on Application of “Live Water” in Eutrophic Sewage Purification

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作者:  

李榮福:揚州市水產學會,江蘇 揚州;
王守紅,寇祥明,吳雷明:江蘇省里下河地區農業科學研究所,江蘇 揚州;
孫龍生:揚州大學動物科學與技術學院,江蘇 揚州

關鍵詞:
活水富營養化污水凈化研究Live Water Eutrophication Sewage Purification Research

摘要:

本文探討了“活水”在治理富營養化水體中的應用價值,包括:天然“活水”在凈化城鄉污水中的作用,人工“活水”在凈化水產養殖污水中的應用和城市“活水”凈化黑臭水體的實際效用。提出了應用“活水”治理富營養化污水的設計方案,包括清除沉積污泥,為制造“活水”夯實基礎;快速補充氧氣,為恢復“活水”確立前提;采用節能技術,制造廉價“活水”凈化污水;借助微生物運用,提升水體生態“活性”等。從而證明了建立或修復以好氧有益菌為核心的水體生態系統,打造或維持多向循環流動的“活水”狀態和生態與人工結合全方位、全時段持續供給充足溶解氧,形成具有旺盛生命活力和強大凈化能力的“活水”生態系統的方法,是治理城鄉富營養化水體的可持續途徑。

The application value of “living water” in eutrophic water treatment was analyzed, including the role of natural “living water” in urban and rural sewage purification, the application of artificial "living water" in aquaculture sewage purification, and the actual effect of urban “living water” in black and odorous water purification. A systematic scheme for treating eutrophic wastewater by using “living water” was proposed, including removing the silt at the bottom of the water body, consolidating the foundation of “living water”, providing oxygen quickly, establishing the premise of restoring “living water”; using energy-saving technology to produce cheap “living water”; and using aerobic probiotics to enhance the ecological “activity” of the water body. Practice has proved that “living water” is a sustainable way to treat urban and rural eutrophic sewage. That is, to establish or restore aquatic ecosystem with aerobic probiotics as the core, to create or maintain the multi-directional circulating flow state of “living water”, to provide enough dissolved oxygen for the whole water body through the combination of ecology and artificial, thus forming a “living water” ecosystem with strong vitality and purification capacity.

1. 引言

隨著人口的不斷增加和城市化的持續推進,以及農業、畜牧業和水產養殖業集約化程度的不斷提高,城鄉大量生活垃圾和廢水,農田化肥、農藥使用后排放的尾水,畜禽養殖業糞便和廢水,以及水產養殖業尾水的排放,直接增加了自然水體N、P等營養鹽和有機物含量,造成了城鄉水體的富營養化,帶來藍藻爆發,甚至成為黑臭水體,使城鄉居民飲用水源和工農業生產用水面臨直接威脅。預防和控制水體的富營養化,及時治理城鄉黑臭水體,已成為當前生態文明建設最為迫切需要解決的問題。

“活水”能凈化污水,具有復合性生態功能,在古代文獻中早有反映。《呂氏春秋·盡數》有“流水不腐,戶樞不蠹,動也”之說 [1]。宋代理學家朱熹更有詩曰“問渠哪得清如許?為有源頭活水來” [2]。認為“源頭活水”能使“渠清如許”,發現了“活水”具有凈化污水的作用,具有“自動清潔”的生態功能。古籍考證還發現,“活水周流”是一種維持水質與生態系統的水循環方式。五代時期太湖地區塘浦圩田系統,使太湖以東低地與高地的水流呈一體化的“活水周流”狀態,形成全局式的活水周流循環,并認為該地區生物生長,作物灌溉,園林維持,污染治理,皆賴活水周流 [3]。

“活水”是指保持運動狀態或旺盛生命活力的水。“活水”的運動性體現水的流動性,尤其是水體垂直上下的交流狀態,從而與外界環境發生相互作用和影響。在上方,則表現為水體與大氣和陽光等環境的相互作用和影響;在下方及四周,則表現為水與土壤或巖石等周邊環境的相互作用和影響。另一方面,是其內部的運動性,即水體內部的溶解物與溶解物之間、溶解物與生物之間、生物與生物之間的持續處于相互作用與轉化的狀態,持續進行著多樣化的化學反應和生命代謝,使水體便成為多種溶解物和生物體相互作用、相互依存的載體。并且“活水”的物理、化學和生物學過程是相互作用、相互影響的,是理、化、生復合交叉的綜合過程。在“活水”系統中,生產者、消費者和分解者相互作用、相互依賴的生命過程,帶動了水中溶解物(含氧氣)、水體顏色和透明度的物理變化和水體與周邊環境的物質交換,又影響了水體中化學反應的內容、過程、速度和酸堿平衡。同樣在“活水”系統中,物理狀態的水中溶解物(含氧氣)濃度、水體顏色和透明度變化是水體化學反應過程和生物學過程的外在表現,其實質是水中化學反應所引發的化學物質組成與濃度的變化,以及微生物和浮游生物等生物品種構成、數量消長、沉浮和密度的變化。同時,在“活水”系統中,化學反應狀態一方面是由“活水”物理過程所引起的化學物質構成和濃度的變化所決定,另一方面又由不同生物構成和生物的新陳代謝速度所影響。作為物理作用的水流,既可以是雨雪風暴、地形地貌等自然因素引發,也可以裝備機械設備的人工因素推動,影響著“大氣–水體”、“水體–土壤”雙界面的物質交換,使氣體、礦物質和微量元素等持續不斷溶入水中,推動著化學反應進程。同時,流入的水不斷接入新的生物,“活水”中多樣性生物的綜合作用,不斷進行著化合與分解,產能與耗能或貯能,耗氧與增氧等理化反應,實現著水域生態系統物質循環和能量轉換,使水域生態系統保持持續變化的穩定狀態 [4]。

現行城鄉有機物污水(富營養化污水)處理主要借助于微生物參與的氧化還原反應過程。其化學方法主要是曝氣法,生物方法主要是微生物法。曝氣法主要是利用氧氣(空氣)對污水中的有機物氧化還原,可以較為徹底地降解污水中有機物,但速度較慢。微生物法是通過微生物分解的催化酶加速有機物分解,速度較快、效率較高。但如果該過程在氧氣不足的情況下進行,該分解過程便難以徹底,主要以中間狀態——還原態物質存在,這便是養殖水體中“即時氧債” [5],一旦水體垂直對流,便呈現爆炸性的瞬時耗氧,這是水產養殖業最大的風險。借助于“活水”中及時運送的豐富溶氧,并通過人工加入微生態制劑,便能促進污水中有機物與溶解氧和有益微生物在水體中全方位相遇與相聚,這個“相遇與相聚”是實現生化反應過程,需要有機物、溶解氧和有益微生物三者之間充分、完全和頻繁的接觸,并非一蹴而就,而是一個相對緩慢的化學反應過程。即必須有一定的接觸面積和接觸時間來完成此類化學反應過程,并且當一次相遇沒有能完成這個反應時,必須增加接觸頻率,再次或數次推動這三者的重新相逢,保證有機物完全徹底降解,又提高降解速度,避免水體中“氧債”累積,持續為養殖水體中浮游植物和水生植物提供肥源(N、P、K)和碳源(CO2) [6]。因此,“活水”使養殖水體中水生生物的生命過程和化學過程更加活躍,新陳代謝更加旺盛。

筆者自2009年起積10年時間,將活水機應用于水產養殖的過程中,深入研究活水形成及其改善水質、增產增效的機理,初步完成了“活水基本理論”。水產養殖水體實質是達到中度以上富營養化程度的污染水體 [4]。“活水”凈化調控水產養殖水質的原理,與治理城鄉富營養化水體的原理是一致的,其方法經合理改造完全可以應用于城鄉大量被有機物污染的富營養化水體的治理。在現代城市污水治理中也有成功應用“活水”的范例。本文便是應用“活水”處理富營養化污水的初步研究和探索。

2. “活水”治理富營養化水體的應用價值

2.1. 天然“活水”在凈化城鄉污水中的作用

從“流水不腐”的成語和“問渠哪得清如許?為有源頭活水來”的詩句證明古人早已發現了源源“活水(流水)”清潔水質的作用。長江和珠江流域均為我國經濟發達地區,超大、特大城市多,城市污染物排放品種多,數量大,成分復雜。同時,上述兩地區農業水平高,化肥、農藥用量大,面源污染嚴重。但兩大水系水量大,四季長流,保持了波濤洶涌的“活水”狀態,加上多樣化生物群落,造就了“活水”生態系統,使兩大水系,雖有海量污染匯入,但因其恒久“活水”形成的強勁凈化能力而“萬古流芳”,直到入海仍為“一江春水”。國家環保總局檢測結果證明,長江水系整體水質良好,I-III類水質占水系總斷面的86.3%;珠江水系也保持了良好水質,I-III類水質斷面占水系總斷面的75.8%,上述兩大水系成為“活水”有效凈化城鄉污水的“活化石”。而遼河、海河、淮河、松花江、黃河等水系或因流域內降雨量小,或因閘壩阻斷,而常斷流,枯水期便處于“死水”狀態,匯入這些江河的污水因不能及時凈化而水質下降。國家環保總局檢測表明,海河水系達重度污染,IV-V類水質河段占25.0%;劣V類水質河段占48.2%,兩類污水河段相加,污染河段占河段總長的73.2%;淮河水系也達中度污染,IV-V類水質河段占43.5%,劣V類水質河段占31.8%,兩類污水河段相加,污染河段占河段總長的75.3% [7]。兩大水系沿岸居民失去了可靠的飲用水源。

2.2. 人工“活水”在凈化水產養殖污水中的應用

高產養殖池塘本質是高度富營養化水體。未被利用的殘餌、水產動物排泄物以及生物尸體轉化為水體有機物,并沉積成淤泥。并且隨著水產動物成長,投餌量增加,在生產后期(90天以后)逐步達到最大值,帶來水體高度富營養化。采用“活水”養殖水產動物,一方面將氧氣和有益微生物帶到水底,將底層水或底泥中有機物氧化還原,另一方面,將底層水和底泥中有機物運送到水體上層或表層,加速降解(氧化還原)成無機養分供給植物吸收,實現物質循環。筆者聯合揚州綠保生物科技有限公司和揚州大學,采取增氧活水機與枯草芽胞桿菌、乳酸菌等配合制造生態“活水”,應用于養殖羅氏沼蝦、鱖魚、黃顙魚等名優水產品,對養殖水體化學耗氧、氨氮和亞硝酸鹽等富營養化污染物取得了明顯的凈化效果(見表1),對化學需氧量(COD)降解率比使用葉輪增氧機高出25.7%,最多高出46.5%;對氨氮( NH 4 + )降解率比使用葉輪增氧機高出46.2%,最多高出69.3%;對亞硝酸鹽( NO 2 ? )降解率比使用葉輪增氧機高出48.8%,最多高出49.7%。

Table 1. Test results of aquaculture water quality by aerobic water machine and micro-ecological preparations

表1. 增氧活水機與微生態制劑凈化水產養殖水質的檢測結果

浙江省海洋水產研究所等單位“耕水機在日本囊對蝦高位池養殖中的應用”表明,“活水”養殖塘無機磷含量波動在0.011~0.075 mg/L區間,水車式增氧機對照塘無機磷含量波動在0.006~0.238 mg/L區間,活水塘比對照塘低64.8%。試驗塘和對照塘氨氮含量最高值分別為0.059和0.203 mg/L,活水塘比對照塘低64.8%。試驗還發現,試驗塘沉積淤泥(有機物積累層)厚度為10.6 cm,比對照塘15.2 cm減少4.6 cm。“活水”使有機物徹底氧化還原,淤泥顏色清淡無臭味;對照塘淤泥顏色深黑,腥臭味重 [8]。海南省水產技術推廣站“耕水機在花鰻池塘養殖中的應用試驗”證明,利用“活水”養殖花鰻,水中COD (化學需氧量)下降到20 mg/L以下,BOD (生化需氧量)下降到6 mg/L以下,有效改善了水質 [9]。該站“耕水機在羅非魚精養池塘的應用”結果表明,“活水”養殖降低了水體懸浮物、氨氮和亞硝酸鹽含量:試驗塘懸浮物含量40.78 mg/L,比對照下降了24.30 g/L,下降37.3%;試驗塘氨氮含量0.3722 mg/L,比對照下降了0.2418 mg/L,下降39.4%;試驗塘亞硝酸鹽含量0.0340 mg/L,比對照下降了0.0718 mg/L,下降67.9% [10]。另外,遼寧、安徽、云南和江蘇等地開展的“活水”養殖試驗水質檢測結果也得出了同樣的結論 [11] [12] [13] [14]。

2.3. 城市“活水”凈化黑臭水體的實踐

城市污染物排放量大,水體富營養化嚴重,甚至嚴重黑臭,直接影響周圍居民生活。目前解決這個問題多是將污水集中到污水處理廠處理,這種途徑投資大、成本高、效果欠佳。北京市、廣東中山市和廣州市海珠區采用“活水”方法治理城市黑臭污水取得了成功的經驗。北京市通過在北海–中南海–筒子河、奧運湖、龍潭公園、動物園等9處建成約150公里水循環工程,使城市河道由“死水”變為“活水”,輔以增氧措施治理城市污水,實現了“流暢、水清、岸綠” [15]。又如,廣東省中山市以“雨污分流、補水循環”的“活水”治理城市污水,通過建設循環泵站、壓力連通管道、補充水源等方式,建成六個水循環工程,有效增加了城區主要內河涌的水體流動性,讓整個城市內河流動起來成為“活水”,并通過補充水源置換與微生態制劑活化水體結合,基本消除了長期困擾市民的河道黑臭現象 [16]。再如,廣州市海珠區城市河道屬感潮河網區。針對區內斷頭涌多及水質差的問題,該區通過分析河涌水量水位、潮位、引排水等資料,科學安排引水、排水調控時間,新建6座閘站、6座水閘、4條補水管線,打通3處河涌連接,在滿足排澇的同時,利用河網潮汐動力、群閘聯控、優化調度,建成了調水補水工程,形成了河涌“活水”環境。“活水”前后水質監測結果表明,BOD5、CODCr和NH3-N等指標日均下降量分別達0.11 mg/L、0.55 mg/L和0.08 mg/L,并隨調水補水的持續,水質得到較大改善 [17]。以上在城市(區)治理黑臭水體的成功實踐,證明了只要在城市水體中造就持續“活水”,可以提高水體自我凈化能力。如能適度“補水”、“增氧”和“加菌”,則能進一步提升“活水”凈化污水功能。

另外,畜禽養殖企業排放的尾水和農作物種植田間排水,本質上也是有機污水或富營養化的廢水,完全可以通過采用物理、化學和生物措施制造“活水”的方法進行治理,改善水質環境,實現清水、綠水、好水。

3. “活水”治理富營養化污水的應用設計

3.1. 清除沉積污泥,為制造“活水”夯實基礎

大量沉積在水底的污泥是水體黑臭的重要特征和主要原因。污泥中有機物降解需要大量耗氧,成為水體積壓的“氧債”而大量存在,并使水體生態系統崩潰。據調查,我國城市水體中普遍存在大量底泥,而存在黑臭水體問題的城市水體底泥沉積更為嚴重。因此,清淤也成為治理黑臭水體的重要前提和首要措施。對于水面較窄、淤泥較淺的水體,可以在冬春旱季,分區、分段排干河水,通過人工、機械清挖的方式,清除淤泥,并經深層耕翻后再曝曬,讓其“風吹日曬夜凍”,使底層淤泥中有機物充分氧化還原。對于水面較寬、淤泥較深的地區,可以通過駁船,利用超聲等技術實施水下挖掘,清除水底淤泥 [18]。專用清淤設備有螺旋式挖泥設備和封閉旋轉挖泥設備等。如環保絞吸式清淤船,配備有專用環保絞刀頭,具有防止淤泥泄漏和擴散的功能,可以疏浚稀爛污染底泥,且對底泥擾動小,底泥清除率可達到95%以上;清淤濃度高,清淤泥漿質量分數達70%以上,一次可挖泥厚度為20~110 cm [19]。還可以使用氧化消毒劑。如使用生石灰、漂白粉、強氯精、二氧化氯等具有強氧化作用的消毒劑,使底泥中的有機物迅速氧化,避免在養殖過程中耗氧,而減少“總氧債” [5],為制造“活水”,治理污水,恢復生態系統打下基礎。

3.2. 快速補充氧氣,為恢復“活水”確立前提

“活水”的本質是生態循環,是生態系統中相互聯接的生物營養鏈(網)。“活水”的關鍵是溶解氧持續足量供應,這是有益菌及其他水生生物生存并充分發揮凈化功能的關鍵因子,溶解氧在水體恢復自凈能力并提高凈化效率過程中發揮著極其關鍵的作用。溶解氧最廉價的來源是以浮游植物為主體的光合作用產氧。黑臭水體淤泥厚、“氧債”多,黑臭水體主要“氧債”積存在淤泥中 [5]。缺氧既是黑臭水體主要特征,也是黑臭水體形成的主要原因。正是缺氧造成水體生態系統崩潰,失去了污染凈化能力,致使水體黑臭。恢復產氧功能是實現水體自我凈化、解決黑臭水體的根本途徑。恢復產氧功能的前提是恢復水體生態系統,這必須在償還了水體積壓的大量“氧債”后才能實現。治理黑臭水體,除清淤外,通過人工快速增氧,帶動有機物遷移、擴散、降解,是清理積壓“氧債”的主要途徑 [20]。水體復氧后,激活了由微生物、水生植物(浮游植物)、浮游動物、底棲動物和魚類等構成的水體生態系統,恢復系統生產(供氧)功能和凈化(氧化還原)功能,帶動富營養化水體向潔凈好氧的生態系統轉化,實現污染物資源化利用和生態系統良性循環 [21]。研究還表明,復氧提高了水體好氧菌活性,加速氨氮(NH3)、硫化氫(H2S)等有毒有害物質轉化,并抑制底泥中N、P釋放,而控制藻類過度繁殖 [22]。

人工輔助增氧早在污水處理中應用。20世紀50年代,發達國家通過曝氣復氧解決了河道嚴重污染問題,如英國泰晤士河、韓國釜山港灣等 [23]。在1990年亞運會期間,北京市在一段長約4 km的河道通過人工充氧,基本消除了河道黑臭,BOD5去除率約50%,DO (溶解氧)濃度由0 mg/L上升至5~7 mg/L,鄰近區域DO (溶解氧)濃度上升到4~5 mg/L [24]。水體增氧有深層曝氣、水動力循環、機械增氧和施用化學增氧劑等方式。曝氣復氧有固定式充氧站和移動式充氧平臺兩種。固定式充氧站有鼓風曝氣或純氧曝氣兩種。如英國泰晤士河、澳洲帕斯港和我國清河、桃花溪治理都采用了固定式充氧站。在重污染或突發性污染水體常用液氧為氧源,如德國Etascher河、Teltow河、Fulda河治理采用了純氧充氧站,有效治理了污染。移動式充氧平臺適用于治理輕度污染且有航運功能的河道,主要是移動曝氣船,如德國Saar河,澳洲Swan河等治理采用了曝氣船 [25]。科技發展帶動了曝氣設備更新,傳統曝氣出氣端為砂頭或塑料管打孔,氣泡直徑大,增氧效率差。如直徑0.1 cm的氣泡轉換成100 nm氣泡,其與水接觸表面積擴大了10,000倍。而且氣泡越小,與水接觸時間越長,可提高氧氣溶解率。微孔氣泡直徑約0.5~5 mm,在水中可維持幾十秒或幾分鐘;微納米氣泡直徑為數十到幾個微米之間,在水中可存留數月。因此,曝氣由微米氣泡改為納米氣泡,水氣接觸面積增大,時間延長,增氧效率提高。據試驗,納米曝氣增氧效率達60%~70%,是常規微孔增氧的4倍。而且納米氣泡表面由帶負電荷的雙極性分子構成,與帶正電荷的水分子產生靜電效應,具有高度穩定性,有利于氧氣利用 [26]。

常用增氧機械包括葉輪、水車、噴水、射流等類型。武漢大學等單位“黑臭河道生物修復中3種不同增氧方式比較研究”表明,葉輪、水車和射流式三種增氧機治理黑臭河道效果差異很大,在增氧效果、CODGr和NH3-N去除、菌–藻生態系統建立和水體自凈能力恢復等方面,以水車式增氧機為最好,明顯好于葉輪和射流式增氧機,而且投資少、安裝維護方便、運行費用低。結果表明,水車式增氧機使用第3天下游河段開始變綠,形成較長的潔凈好氧綠色河段,第8天綠色河段長達最高值,為15.7 m;葉輪式增氧機比水車式稍差,第4天開始變綠,至第6天綠色河段達最高值,為6.3 m;射流式增氧機基本沒有變綠河段。這說明,在黑臭水體中安裝水車式增氧機,能迅速恢復水體菌-藻生態系統,形成污染物凈化能力。值得注意的是,菌–藻生態系統建立,使水體復氧機制由單純人工曝氣復氧轉變為藻類光合放氧為主的內生型復氧機制,建立了潔凈好氧的水體生態系統,形成了自凈功能 [27]。

3.3. 采用節能技術,制造廉價“活水”凈化污水

實踐證明,補水活水是治理城鄉河道污水的有效途徑。據研究,在維持河道流速0.4~1.0 m3/S的情況下,可以打破溶氧躍變層形成的理化條件,使“水–土”界面溶氧維持在3 mg/L以上,改善了河道水生態條件,轉變“水–土”界面缺氧狀況,有效控制水體底質污染 [17]。并且,這種流速必須持續維持,并有垂直方向的多向流動,最好是微速循環流動。補水活水根據水體規模大小、生態環境條件和工程難易等,分為水系連通、活水循環、清水補給三類措施。一是清水補給。即向水體中補充外來清潔水,提升河道流動性和水體容量,這是改善城市水體水質的常用方法 [17]。在水利條件較差的水體,可采用人工引水方式改善水質,重點是保證河道生態基流量、維持河道水面線,借助清潔水源稀釋污染物濃度,并增強水體流動性,加速污染物擴散、凈化和輸出,調節水體水力停留時間,提高水資源利用價值和水環境承載力。并減緩水體藻類生長,補充河流中DO含量,從而改善水質,恢復水體自凈能力。對于納污負荷高、水動力不足、環境容量低的城市黑臭水體治理效果明顯,補水活水可以快速緩解水體黑臭現象 [23]。例如杭州引錢塘江水入西湖,每天引水量相當于西湖貯水量的1/30左右,一定程度上改善了西湖水質 [28]。清水補給應開發利用清潔地表水,并盡量采用非常規水源,如利用再生水、雨水、洪澇等 [20],避免水資源浪費。但是,清水補給只能暫時緩解污染,治標不治本,在水資源短缺地區不適宜采用。二是活水循環。活水循環就是通過人為措施改造原有水體,構建水體循環機制,使水“動起來”的一種措施。重點是改善水動力、增加水的流動性、維持一定流速。活水循環的核心是“循環”,關鍵是“水系連通”。水系連通是通過設置提升泵站、采取疏導、溝通、引排、調度等涵閘工程和非工程措施實現水系合理連通。一般是以原有河道為基礎。添加連通工程、輸水工程、配套工程為手段,建立或改善有關水體之間的水力聯系,實現上下游水體流動與交換。在活水循環河道中還可以建設溢流壩,增加水流的紊動,帶動了水體上下水層之間的交換。此法雖降低了水流速度,但延長了水體微生物和溶解氧凈化污水的時間,有利于提升凈化效果。為了實現水體上下游之間的持續循環,必須在河堤中埋設回流涵管或建設輸水渠,并設置推流泵或建設泵站將下游水泵回上游繼續循環,保證內河涌聯動性,促進污染水體水質的改善,預防或抑制水體富營養化 [29]。如蘇州拙政園治理采用人工水循環措施,在中、西池塘之間設置水循環管線系統,并布置采樣點測定水質,與東池塘對照。實驗表明,試驗塘濁度平均下降4.5 NTU,DO (溶解氧)平均提高39.1%,CODMn平均下降25%,水質穩定性增強 [30]。活水循環結合人工曝氣能增添水體上下垂直交流動力,可取得更好的凈化效果。實踐證明,如果活水循環長期內循環,水質凈化效果會逐漸降低,需要適時適量補給新鮮好水,促進水體微生物和浮游植物群落的品種更新和數量補充,增強水體自凈能力。活水循環應盡量使用再生水,通過深度凈化措施,使再生水滿足補水水質要求,并鋪設補水管道將再生水輸入黑臭水體中參加循環 [17]。再生水還可用于城市園林綠化等領域,以提高水資源利用率 [31]。許多研究顯示,位于水域和陸地間的生態交錯帶(Ecotone) (即濕地生態系統),具有過濾、緩沖、凈化功能。濕地不僅吸收或吸附轉移水中營養物或污染物,改善水質;而且截留水中固體顆粒物,減少水體顆粒物沉積。同時,濕地還提供生物棲息地,對保護生物多樣性、減輕洪澇災害和保持水土等具有重要意義 [32]。因此,在改造建設“活水”凈水循環工程,應盡可能保留水域自然原始形態(包括縱橫斷面),減少截灣取直和截灘取土,保持或恢復水體形態多樣性,包括河灣、急流和淺灘,積極恢復濕地,以水體形態多樣化,促進生物多樣性和生態多樣性恢復,避免堤岸單一水泥石砌化和形態均一化 [33]。

高投入、高成本治理污染不符合中國國情。人工“活水”治理污水只有在低耗能、低成本情況下,才能廣泛推廣應用。如何造就低耗能、低成本“活水”,是“活水”能否應用于治理富營養化水體的基本前提。這必須深入研究水的流體力學特征,選擇合適的機械方法制造活水。水作為典型液體(流體),具有以下物理特征。一是慣性大。水的密度是空氣密度的772倍,水一旦處于運動狀態便蘊藏著豐富的動能,具有巨大的慣性,所以,洪水好似猛獸,海嘯摧古拉朽。二是摩擦力小。運動中的水不會像固體那樣因為摩擦而大量耗能。航行于大海中的巨輪,撤去動力仍可航行數公里或數十公里。三是可塑性強。流水遇到障礙物,并不會象固體那樣立即靜止,而在改變方向后繼續流動。四是慢速流動的水能量不易衰減。液體流動只有當超過一定速度時,才會產生“湍流”,造成額外能量損耗。所以,盡管當今世界科技日新月異,由于水的上述流體力學特征,決定了河運、海運等水上運輸仍是當今最為經濟的運輸方式。新型活水機(也稱耕水機)通過控制劃水速度,加大劃水量,以極低的能耗(100瓦以內),制造了全時段(24小時)持續“活水(微速循環流水)”,帶動了水體中持續的其他物理和化學、生物過程,使其成為保持運動狀態和旺盛生命力的“活水”。這種“活水”能充分利用原水體生物造氧能力及其對N、P等及有機污染物的凈化能力 [6]。因此,在寬敞性水體(寬度20 m以上,水深1.5米以上)應用活水機(也稱耕水機)能以極低的能耗解決一般富營養化水體污染治理問題。即便是污染嚴重的黑臭水體,也可以選用增氧活水機,在制造“活水”的同時,應用配備的微孔增氧設備在夜晚光合作用停止時或陰雨天光合作用較弱時補充水中溶解氧不足,以維持和提升污染水體持續凈化能力。

3.4. 借助微生物運用,提升水體生態“活力”

盡管可以通過清淤、換水、增氧等措施快速解決水體黑臭問題。但上述方法或工程量大,實施難度大,或治理成本高,只能用于應急處置。如黑臭水體清淤前的排水會污染其他水體,污泥的轉移和存放也需空間,還會造成二次污染。所以,富營養化水體治理的根本途徑是應用現代微生物技術和生態修復技術,通過投放人工培育的土著微生物種群或其他高活力微生物種群,在富營養化水體中恢復或建立以微生物為核心、多樣化生物組成的高效穩定生態系統,恢復和提高水體自我凈化能力。由于高度富營養化水體污染物種類多、濃度高,對土著微生物可能存在抑制或毒害作用,或某些復雜污染物,難以為土著微生物所降解。此時應該向污染水體中投放具有特定功能的微生物;或改善水體生態條件,使特定微生物能夠在其中生長繁衍,以達到降解特定污染物,并提高污染物降解效率,這便是微生物強化修復技術 [34]。該技術是一種經濟型環保技術,通過特定微生物建立微生態系統,加快水中物質循環和能量轉換,提升其對污染物的高效吸收和降解作用,最終達到對水體富營養化的控制。

微生物強化修復通常有利用土著微生物、接種高活力微生物(外來微生物和基因工程菌等)及投放微生物促生劑等途徑。該技術常用的有效微生物菌群(EM),是從自然界篩選出多種有益微生物,用特定方法混合培養所形成的微生物復合體系,即專用于富營養化水體修復的微生物,包括光合細菌、乳酸菌、酵母菌、放線菌和發酵型絲狀菌等菌群的復合培養。也有種屬相對單一的微生物修復菌群,如諾卡氏菌(Nocardia)、光合細菌(PSB)、Clear-Flo系列菌等。該技術與傳統污水處理工藝對比,具有操作簡便、處理費用低、處理效果好、二次污染小、綜合效益高等優點 [35]。采用微生物強化修復技術通常是水體中缺乏污染物降解菌或其數量很少,并且在原水體培養、富集降解菌存在困難的情況下采用。此時向污染水體投放經專門培養和篩選的好氧、兼氧和厭氧微生物菌群,利用其呼吸發酵,將有機污染物迅速分解轉化成CO2、H2O或其他無害物質,使污染水體加速凈化。中山大學研究表明:將一定量有益微生物群液體菌劑和有效微生物群固體泥球投入人工湖后,水體透明度、葉綠素a含量明顯改善,且在一定時期抑制藻類生長,防止水華發生 [29]。天津大學試驗表明:向湖水中投入以光合細菌為主的復合細菌群,能強化水體自凈能力,控制水體富營養化。并且光合細菌復合菌群可以在較長時間內降低湖水濁度、藻類生物量和氨氮及總磷含量,達到凈化水體的目的 [36]。李明慧等通過向水域噴灑Bio-HE復合微生物制劑,使水域總氮與總磷綜合去除率達30%~40%。廖濤等研究微生物菌劑配合蕹菜浮床凈化富營養化水體,其總磷去除率43.9%~73.4%,總氮和氨氮去除率分別達26.8%~51.2%和11.3%~23.3%,遠好于單一蕹菜浮床的去除效果 [34]。

解決城市黑臭水體污泥的根本途徑也是“活水”方法。通過將微生物和溶解氧及時足量運送到水體底層,實現對底泥中有機物的徹底降解(氧化還原),便可以消除污泥有機污染物,減少淤泥量,并恢復底泥的生態凈化功能。實驗發現,污染水體中加入“科利爾”生物帶后,水底污泥厚度由0.1 m降至0.02 m,減少80%;COD去除率比空白組高出22個百分點,達93%。曹陽等采用CHE-1菌種處理磁湖底泥,底泥中有機污染物含量由原來的23.3 mg/L下降至12.3 mg/L,去除率達51%,降解率提高了0.5倍 [34]。1990年代以來,微生態制劑使用方法逐步成熟并廣泛應用,主要是通過選擇使用芽胞桿菌、乳酸菌、光合細菌、酵母菌、放線菌、EM菌等有益菌,使水體有益菌快速繁殖達到較高密度,完成富營養化水體中有機污染物降解,并防止其沉積成淤泥,造成“氧債”積壓。值得注意的是,由于微生物沒有運動能力,只能依靠水體運動實現位置轉移。微生態制劑要提高使用效果,必須依賴多向循環流動狀態的“活水”,一方面有益菌可以“守株待兔”,在原地就能源源不斷獲得“活水”運送來的“營養”(有機污染物)和溶解氧,另一方面在“活水”運送下,有益菌能“主動出擊”獲取“營養”(有機污染物)和溶解氧,提升其凈化水質作用 [1],所以,微生態制劑要實現凈化水質的最佳效能和最優效果,有賴于“活水”運送作用。同時,活水也能幫助水生植物(包括浮游植物)“守株待兔”獲取營養和溶氧,還能幫助浮游動物“主動”獲取餌料生物。另外,通過及時補充新鮮外源水、換水等措施,實現原有土著浮游植物和有益菌種群的品種更新和新老交替,及時補充衰減消亡的浮游植物和有益菌,以保持它們在污染水體中有較高密度和較強活力。還可以使用專用單細胞藻更新浮游植物品種,并補充數量與維持密度。

4. 結論

無論是古代發現,還是自然生態系統的現實反映,以及新型“活水”水產養殖技術和現代城市黑臭水體的治理試驗,都證明了“活水”方法是治理城鄉富營養化水體的有效途徑和成功手段。這包括建立或修復以好氧有益菌為核心的水體生態系統,打造或維持多向循環流動的“活水”狀態和生態與人工結合全方位、全時段持續供給充足溶解氧,以形成具有旺盛生命力和強大凈化能力的“活水”生態系統 [37],從而成為治理城鄉富營養化水體的可持續途徑。

基金項目

本文受江蘇省農業三新工程資助,項目編號為:漁業Y2018-11。

NOTES

*通訊作者。

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文章引用:
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