ESB——生态演替式水体修复技术

　　 前　言
　　水是一座城市的历史，是财富，是资源，是文明素质和文化底蕴的象征。离开了水，城市就没有灵气。乐水亲水、近水而栖，是人类的天性，由水形成的环境美是一种天然美。然而近二十年来，随着人口及社会经济的迅速发展，城区内河及相关水体的环境状况越来越差。有关部门虽然投入了大量的人力物力，实施了包括引流、截污、清淤等一系列整治措施，但是随着城市污水排放总量的不断增加，污水处理率未能同步增长，使城市内河接纳污染的负荷越来越大， 大多数河段淤积严重，水流不畅，纳污容量越来越小，内河水质普遍处于国家地面水水质标准V类及劣V类之间。水体恶臭及由水体富营养化引起的蓝藻水华泛滥，给城市水体景观和居民身体健康带来了严重威胁。
　　为保障宁波生态市建设的顺利实施，把宁波建设成具有比较发达的生态经济、优美的生态环境、宜人的生态人居、人与自然和谐相处的可持续发展城市，市政府经反复论证，提出了以大力建设工业和生活污水处理设施、市区内河和流域整治为重点的“碧水工程”建设，其中以营造“流畅、水清、岸绿、景美”水乡风貌为目标的“千里清水河道”综合治理工程，预计在今后5年投入资金达100亿元。为配合宁波生态市建设，向“千里清水河道”综合治理工程提供科学、实用的生态治水方案，开展“河道水污染生物——生态修复技术研究与示范”，已成为我市生态环境建设的迫切需要。
　 　国内外同步研究现状和发展趋势
　　河道污染是区域人口、经济、社会发展到一定阶段后造成的，污染治理的根本性措施是污染源的治理。因此，世界各国均把污水截流、废水达标排放和控制排污总量作为河道整治的首要措施。然而，由于难以根除的面源污染及内源污染，即使在污水排放得到有效控制的情况下，河道污染及其富营养化问题仍然十分突出。为此，各地在河道治理中，把污染源治理和强化水体的自净能力同时作为河道修复的重要目标。纵观国内外河道治理现状，以下几种方法较为引人关注：
　　1．引流冲污和综合调水。引流冲污实质上是对水体污染物和浮游藻类的稀释扩散，就局部而言常被视为解决水体富营养化相对简单、易行和代价较低的办法。如杭州西湖自钱塘江引水后对延缓水体富营养化发挥了一定的作用。但从整体出发，这种办法实为污染转移，有以邻为壑之嫌；综合调水不同于引流冲污，主要解决水资源的再分配，利用一定的水利设施合理调活河网水系，达到“以动制静、以清稀污、以丰补枯、改善水质”的目的，尤其对提高水体的自净能力能发挥较好的作用。
　　2．曝气复氧。曝气复氧对消除水体黑臭的良好效果已被国内一些实验室试验及河流曝气中试所证实。其原理是进入水体的溶解氧与黑臭物质（H2S，FeS等还原物质）之间发生了氧化还原反应。对于长期处于缺氧状态的黑臭河流，要使水生态系统恢复到正常状态一般需要一个长期的过程，水体曝气复氧有助于加快这一过程。由于河道曝气复氧具有效果好、投资与运行费用相对较低的特点，已成为一些发达国家如美国、德国、法国、英国及中等发达国家与地区如韩国、香港等在中小型污染河流污染治理经常采用的方法。
　　3．底泥疏浚。在污染源控制达到一定程度以后，底泥则成为水体污染的主要来源。因此清淤疏浚通常被认为是消除内源污染的重要措施。然而，疏浚技术通常是决定疏浚效果好坏的关键。从最早的人工挖泥到现在的精确水下吸泥，疏浚过程对环境的影响正在变得越来越小。疏浚作为水利工程和航道工程措施有重要效用，但作为水质治理目前还存在一些难于克服的问题，如一定程度上引起上覆水污染物浓度增加，疏浚后淤泥以其量大、污染物成分复杂、含水量高而难以处理等等。
　　4．化学絮凝处理。化学絮凝处理技术是一种通过投加化学药剂去除水层污染物以达到改善水质的污水处理技术。近年来，化学絮凝处理技术在强化城市污水一级处理的效果方面得到了越来越广泛的研究与应用，而随着水体污染形势的日趋严峻，对严重污染的水体如黑臭水体的治理，化学絮凝处理技术的快速和高效也显示其一定的优越性。但是由于化学絮凝处理的效果容易受水体环境变化的影响，且必须顾及化学药物对水生生物的毒性及生态系统的二次污染，这种技术的应用有很大的局限性，一般作为临时应急措施使用。
　　5．生物-生态修复技术。生态—生物方法是近年来发展起来的一种新型环境生物技术。这类技术主要是利用微生物、植物等生物的生命活动，对水中污染物进行转移、转化及降解作用，从而使水体得到净化，创造适宜多种生物生息繁衍的环境，重建并恢复水生生态系统。由于这类技术具有处理效果好、工程造价相对较低、不需耗能或低耗能、运行成本低廉等优点。同时不向水体投放药剂，不会形成二次污染，还可以与绿化环境及景观改善相结合，创造人与自然相融合的优美环境，因此已成为水体污染及富营养化治理的主要发展方向。
　　欧美等发达国家对生物-生态修复技术高度重视，并已投入了大量资金进行研究与应用，如美国在1972年就研究利用生物修复技术清除宾夕法尼亚州Ambler管线泄漏的汽油。荷兰在20世纪80年代就已花费约15亿美元进行土壤的生物修复； 1991年3月，在美国圣地亚哥举行的第一届原位生物修复国际研讨会使生物修复技术的推广和应用走上迅猛发展的道路。我国科技部和云南省于2000年4月投入5000万元经费，启动了“滇池水污染治理技术研究”项目，其中2370万由中科院水生所专项应用于滇池蓝藻的生物控制；2002年12月，国家“973”计划正式启动了“湖泊富营养化过程与蓝藻水华暴发机理研究”，经费额度达2800万元。中国科学院南京地理与湖泊研究所、同济大学等科研院所也分别在太湖、上海苏州河等污染水体进行了卓有成效的生物-生态修复试验。2000年宁波大学利用生物操纵技术成功控制了宁波月湖的蓝藻水华，该项成果在2001年国际蓝藻控制学术会议上得到了国内外同行专家的一致肯定。综观国内外工作，有关生物-生态修复的研究与应用大致可分三个方面。一是以应用微生物为主体的生物修复技术，美国、日本及国内一些生物工程公司的产品已进入应用试验阶段，在局部区域，特别是城市内河治理中不乏成功的例子；其二是应用高等植物为主体的植物-生态修复技术，适用于大面积、低浓度的污染位点，由于植物修复是一个自然的过程，易为公众接受；第三是基于“食物链”原理的生物操纵技术，应用罗非鱼、鲢鱼及贝类等滤食性动物的放养及水体生物群落结构的优化，对控制富营养化水体蓝藻水华发挥了明显的作用。
　　由于内河治理的最终目的是河道生态系统功能与结构的恢复，并促使系统的自我维护和自我发展。因此，生物—生态修复技术被认为是21世纪我国生态环境保护领域最有价值和最具生命力的生物处理技术。
　　 ESB－生态演替式水体修复技术简介
　　ESB水体修复技术（生态演替式水体修复技术）是一项目前世界上正在兴起的突破性的一种水体修复技术。ESB水体修复技术是利用培育的植物、动物或培养接种的微生物的生命活动。对水体污染物进行转移、转化及降解作用，从而使水体得到净化的技术，还可以绿化环境及景观改善结合起来，在治理区建设休闲和娱乐设施，创造人与自然融合的优美环境。ESB水体修复技术思路是，消除争氧物质，稳定水体的高溶氧状态，快速培植优势好氧微生物，打造生态基础，并通过水生动、植物定向培养、建立起人工生态，通过人工生态向自然生态演替，恢复水体生物多样性，并充分利用自然系统的循环再生、自我修复等特点，实现水生态系统的良性循环。
　　ESB水体修复技术包括：微生物修复技术、人工湿地技术、浮岛技术、植物操控技术，生态护提技术，生态复氧技术、生态清淤技术、水生动物恢复和重建技术等。在实际工程应用中，可按照水体污染程度，水体环境资源现状及业主要求等考虑选用不同的技术组合，以呈现生态效益和经济效益的双赢。
　　 ESB水体修复技术的原理和应用
　　1、ESB－生态清淤技术（微生物降低内源污染）
　　微生物是生态系统的重要组成，它们能将自然界中的动、植物的尸体及残骸分解，将一些有害的污染物质加以吸收和转化，成为无毒害或毒害较小的物质。微生物能分解河床底质中有机碳源及其它营养物质并转化为菌体，促使底泥硝化（减少底泥体积，稳定底泥物理、化学性质，阻隔减少内源污染对水体的影响）。脱氮微生物通过硝化和反硝化作用能分解氨氮，分解后的硝态氮被植物吸收，使部分氮退出水体循环，进而能净化水质。
　　2、ESB－生物膜对水体的净化作用
　　生物膜是一种为参与污染物净化的微生物、原生动物、小型浮游动物等提供附着生长条件的设施。它是在固定支架上设置生物填料，使大量参与污染物净化的生物在此生长，由于其固着生长而不易被大型水生动物和鱼类吞食，使单位体积的水体中生物数量成几何级数增加，可强化河湖水体的净化能力。生物膜表面积大，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。
　　生物膜其反应过程是：
　　①基质向生物膜表面扩散，
　　②在生物膜内部扩散，
　　③微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应，
　　④代谢生成物排出生物膜。
　　生物膜法处理的机理是使工程菌和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在填料或某些载体上生长繁育，形成膜状生物污泥，污水与生物膜接触时，污水中的有机污染物、藻类、氮、磷等营养物，被生物膜上的微生物所摄取，使微污染水得到净化，微生物自身也得到繁殖。这种处理方法能够有效的去除污水中有机污染物，降低污染物总量，使水体得到净化，在污水及微污染水的处理中得到了应用。
　　3、ESB－浮岛的净化作用
　　“浮岛” 原本是指由于湖岸的植物附着泥碳层向上浮起，漂浮在水面上的一种自然现象。本工程的浮岛是一种象筏子的人工浮体，在上边栽培一些芦苇之类的水生植物， 漂浮在水面。人工浮岛的水质净化针对富营养化的水质，利用生态工程学原理，降解、吸收水中的COD、氮、磷等。
　　专家普遍认为植物的遮蔽效果在抑制浮游植物繁殖方面起了很大作用。它的主要机能可以归纳为三个方面：水质净化；创造生物（鸟类、鱼类）的生息空间；改善景观。
　　根据有关研究资料，人工浮岛植物的水质净化要素有以下6个：
　　① 植物根茎等表面对藻类的吸附、分解。
　　② 植物根系的营养吸收作用。
　　③ 为原生动物、轮虫、桡足类、枝角类、甲壳类等的摄食、繁衍等提供场所。
　　④ 为滤食性鱼类的摄饵、捕食、产卵繁殖、栖息等活动提供场所。
　　⑤ 去除悬浮性物质。
　　⑥ 日光的遮蔽效果，抑制藻类生长，平衡水温。
　　4、ESB－人工湿地（岸边涉水植物种植）
　　 河流沿岸水生植物带（人工湿地）的水质净化要素有以下8个：
　　1.植物根茎等表面生物膜对有机物，特别是对藻类的吸附去除；
　　2.植物根系的营养吸收；
　　3.昆虫的摄饵、羽化等；
　　4.鱼类的摄饵、捕食；
　　5.防止已沉淀的悬浮性物质再次上浮；
　　6.日光的遮蔽效果；
　　7.在污泥表面的除磷脱氮；
　　8.保护河岸作用。
　　5、ESB－水生植物操控技术
　　控制去污能力强，生长速度快的植物的生长范围。同时有利于对该植物物种的管理，避免造成生态灾难，扩散到相邻水域。通过此种方法可以证明，一些所谓的害草是可以进行环境利用的。
　　6、ESB－水生植物净化景观化应用
　　水生植物技术以生态学原理为指导，将生态系统结构与功能应用于水质净化，充分利用自然净化与水生植物系统中各类水生生物间功能上相辅相成的协同作用来净化水质，在水体中适当布置既有观赏价值又有净化功能的浮水植物和挺水植物，使水体不仅具有自然风貌的景观，而且增强城市水体的生物净化功能。
　　根据水面的大小不同布置植物网箱，以控制水生植物的生长范围，满足景观空间形态的需求，并留出维护行船的通道。
　　水面景观综合岸线景观和倒影、水面植物进行适当的景观组织，形成水面画卷；植物以防污抗污、具净化水质功能的水生植物为主，并具有较高的观赏价值，接合植物季节生长特点；其中水面浮水植物以睡莲、风眼莲为主，岸边挺水植物以芦苇、香蒲、茭白、荷花等，配合四季常青植物美华景观。既有水景绿化的作用，也起到净化水质、保护鱼类生长环境、保护河流生物多样性的目的。
　　7、ESB－水生动物净化水体
　　水体中投放适当的水生动物可以有效的去除水体中富余营养物质，控制藻类生长，底栖动物螺蛳主要摄食固着藻类，同时分泌促絮凝物质，使湖水中悬浮物质絮凝，促使水变清。滤食性鱼类，如鲫、鳙鱼等可以有效的去除水体中藻类物质使水体的透明度增加。课题水域面积大，会成为许多有害昆虫如蚊、蝇的滋生场所，在水中投鱼，它可摄食蚊子的幼虫及其它昆虫的幼虫，避免了水域对周围环境造成的危害。
　　鱼是水生食物链的最高级，在水体内藻类为浮游生物的食物，浮游生物又供作鱼类的饵料，使之成为：
　　菌→藻类→浮游生物→鱼类的食物链。利用食物链关系进行有效的回收和利用资源，取得水质净化和资源化、生态效果等综合效益。
　　8、ESB－新生态链建立恢复
　　种植水生高等植物群落为原生动物提供场所，原生动物以微生物为食，消耗水中有机物总量完成养分传递。提高河流生产力，建立水体中的食物链：
　　浮游植物→浮游类（含原生动物）→ 浮游动物（轮虫、桡足类、枝角类、甲壳类等）→滤食性鱼类。
　　食物链的建立是在生态循环的基础上，它标志河流生态的恢复，水体生产力的提高，水域环境改善。
　　9、ESB－生态护堤技术（绿化混凝土）
　　绿化混凝土是能够适应植物生长，可进行植被作业，具有恢复和保护自然环境、改善生态条件、保持原有防护作用功能的混凝土及其制品。即能长草、长花的混凝土，或称混凝土草坪。绿化混凝土是一种较理想的近自然河川防护工程材料，实现了河川安全防护与环境的恢复和保护的有机结合。
　　目前国内已经有10余个省市采用了绿化混凝土技术，累计设计、施工面积已超过60万平方米。其中包括北京奥运会配套工程、江苏淮河入海水道工程等重点工程。
　　10、ESB－复氧技术
　　1、机械增氧：微孔曝气机、水下射流机、水景喷泉等设备，对水体进行曝气复氧及造流。复氧曝气和水体造流主要是为了增加水体的溶解氧，提高水体好氧微生物的活性，加快污染有机质的分解。
　　2、生态增氧剂；选用无残留、无二次污染，符合生态环保要求的增氧产品。
　　 ESB水体修复技术效益展望
　　1、经济分析
　　ESB－生态演替式水体修复技术污水的消纳成本低。ESB－生态演替式水体修复技术如果生态修复的技术能进行全面推广的话，其工程成本和维护费用可以大大降低，其投资效益非常明显。
　　随着河道水体生态系统的修复和城市水体生态景观的形成，可进行休闲垂钓、河流水体旅游等商业用途的开发，以提河流水体自身经济效益的产出，来筹集部分维护资金，减少长期支出河道维护费用的压力，拓宽了水体治理的资金来源，使河道治理进入市场化和社会化。
　　2、社会效益
　　人类的所有活动都必须依托于所栖息的生态环境，生态系统为人类提供了生存维护系统，提供了从事各种活动所需的最基本的物质资源。通过生物修复可缓解因水污染给周边商业、居住区域带来的负面影响和环境压力，还美化了环境，产生了良好的景观效应。采用浮岛种植的水生花卉清翠碧绿、色彩缤纷、鲜艳夺目，呈现一片欣欣向荣的景象，构成一幅美丽的人工自然生态景观，提升了城市的环境生态水平，普及河流生态知识、提高环保意识，具有极高的社会效益和环保效益。
　　3、应用意义
　　ESB——生态演替式水体修复技术实施，具体为采用耐污性强的活性微生物制剂，结合各种功能性水生植物的生物性能，运用陆生植物的水培技术和生物浮岛技术、生物膜技术、复氧技术等综合技术来分解、吸收水体的污染物质，利用滤食性水生动物的介入来转移水体的污染物质，达到人工重建水生生态系统的目的，同时在治理过程中还可以营造一个城市水体生态景观。
　　在还没有建造污水处理厂或已有污水处理厂而无法短时间进行截污纳管的城市和地区，利用ESB——生态演替式水体修复技术可有效降低水体原有的污染指数，提高河道水体的自净能力和环境容量。提高自净能力后的河道，纳污能力增加，可以有效的分解和吸收连续流入的营养盐，其流出的水达到污水处理厂的一级排放标准，可以减少对河段造成的污染压力，有利于河道整体水质的长期保持。