水体生态治理与环境生态系统修复发展趋势


    水是基础性的自然资源和战略性的经济资源。在人均水资源拥有量日益减少的同时,因水环境恶化所造成的水质性和功能性缺水现象亦日益突出,已成为突出的、全球性的共同的问题。早在上世纪初,欧美有些国家就关注水环境的污染,并且开始研究与防治。近几十年来,各国为控制水环境污染进行了大量研究,并且耗巨资对有些主要湖泊和城市河道进行了大范围治理。大量实践证明,水环境的污染是可以治理的,但这种治理常常费时长及费钱多:国际上治理最成功的美国华盛顿湖,耗资1.3亿美元,前后经过17年治理才达到目标;而面积仅1km2的瑞典的Frumman湖,费时22年,耗资90万美元才治理完毕,等等。据于此,从上世纪七十年代起,尤其是近十余年来,日本、美国、德国、瑞士等发达国家纷纷对以往的水环境生态治理思路进行反思,提出了生态治水的新理念,尊重河湖系统的自然规律,注重对其自然生态和自然环境的恢复和保护,使河湖的综合服务功能能展现很好。
   农业面源污水由于量大面广,其治理难度不亚于点源,就美国、日本等发达国家对农业面源污染治理尤其是近年治理发展趋势来看,主要采用生物氧化塘、人工湿地和土地处理系统等来进行治理农业面源污染。
     就具体的技术发展趋势来看,生态/生物方法是修复水生态系统中最为推崇的举措之一。这种技术实际上是对水体自净能力的强化,是人们遵循生态系统自身规律的尝试。而在具体的实施时,更趋向于多种技术的集成。具体由哪几种技术集成,则需要根据目的水域的污染性质、程度、生态环境条件和阶段性或最终的目标而定,亦即在实施前要对目的水域作系统周密的论证,而后制定实施方案,才能达到预期的目标。
    大量实践证明,以相应的实验示范基地为平台,开展相应的应用基础研究与新技术开发,同时引进异地实用高新技术进行本地化研究与示范,是条有利于快出成果并且直接将其转化为生产力的可行途径。如日本在琵琶湖和霞浦湖等建立了针对流域水环境生态治理与生态修复的实验示范基地,取得了环境教育、新方法和新技术研究开发与技术成果展示效果,为提高市民的环境意识和科技成果的推广应用起到了积极的促进作用。
 
水环境生态治理与水生态系统恢复技术现状
   大量研究表明,对水域的水环境污染进行有效治理的前提是控制污染源,只有外源得到了有效控制,作为末端治理技术的水环境污染治理才能见效,不然只能起到事倍功半的效果,甚至徒劳。通过大量研究与实践,已明确水环境污染实际上是典型的生态问题,因此,在对污染水域进行治理时,用生态学方法使生态问题得到最终解决。近年,强调治理与生态修复相结合,甚至更加强调生态修复的作用。
   从广义上讲,所有的生物处理都是生态修复。目前,国际上据原理已在使用的或已进入中试阶段的污染水域治理与生态修复技术可分为物理法、化学法和生物/生态法三大类。其中的技术名称包括底泥疏浚、人工增氧、生态调水、化学除藻、絮凝沉淀、重金属化学固定、微生物强化、植物净化、生物膜。(见表)
表 水环境生态治理与生态修复技术分类及其适用范围
技术分类    技术名称    选用污染水域范围    主要作用
物理法    底泥疏浚    严重底泥污染    外移内源污染物
    人工增氧    严重有机污染    促进有机污染物降解
    生态调水    富营养化,有害无毒污染    通过稀释作用降低营养盐和污染浓度,改善水质
化学法    化学除藻    富营养化    直接杀死藻类
    絮凝沉淀    底泥内源磷污染    将溶解态磷转化为固态磷
    重金属化学固定    重金属污染    抑制重金属从底泥中溶出
生物/生态法    微生物强化    有机污染    促进有机污染物降解
    植物净化    富营养化、复合性污染    污染物迁移转化后外移
    生物膜    有机污染    促进有机污染物降解
1、底泥疏浚
    底泥疏浚是在水域污染治理过程中普遍采用的措施之一。这是因为底泥是水生态系统中物质交换和能流循环的中枢,也是水域营养物质的储积库和特殊的缓冲载体,在水环境发生变化时,底泥中的营养盐和污染物会通过泥-水界面向上覆水体扩散,尤其是城市湖泊和河道,长期以来累积于沉积物中的氮磷和污染物的量往往很大,在外来污染源存在时,这些物质只是在某个季节或时期内会对水环境发挥作用,然而在其外来源全部切断后,则逐渐释放出来对水环境发生作用,包括增加上覆水体中的污染物含量和因表层底泥中有机物的好氧生物降解及厌氧消化产生的还原物质消耗水体溶解氧等,并且在很长一段时期内维持对水环境的影响。因此,一般而言,疏浚污染底泥意味着将污染物从水域系统中清除出去,可以较大程度地削减底泥对上覆水体的污染贡献率,从而起到改善水环境质量的作用。
    底泥疏浚技术据原理属物理法分类技术。外移内源污染物,这是底泥疏浚技术主要作用所含有的内容。就疏浚技术现状来看,主要包括工程疏浚技术、环保疏浚技术和生态疏浚技术等。就技术的成熟度和采用率而言,其中的工程疏浚技术居首,环保疏浚技术是近年开发并且已进入大规模采用阶段的成熟技术,生态疏浚技术则是最近提出并且在局部实施的新技术。
    就实施疏浚技术对水环境质量的改善效果来看,由于工程疏浚技术以往主要是用在为了疏通航道、增加库容等目的而进行的疏浚,长期的实践证明其效果欠人意;环保疏浚是以清除水域中的污染底泥、减少底泥污染物向水体的释放为目的的技术,其效果因此明显优于工程疏浚技术,而有较高的施工精度,能相对合理的控制疏浚深度,能较大幅度地减少疏浚过程中的污染是环保疏浚技术的特点;生态疏浚是以生态位修复为目的的技术,以工程、环境、生态相结合来解决河湖可持续发展,其特点是以较小的工程量最大限度地清除底泥中的污染物,同时为后续生物技术的介入创造生态条件。
    然而,据日本等发达国家的实践,就特定的水体而言,是否需要对其底泥进行彻底的疏浚,或者疏浚到什么程度,还需要进行细致周密的研究论证,并且应做到视区域的污染程度、性质和疏浚目的而定,不宜一概采用,因为大规模的底泥疏浚不但需要大量资金来支持,而且被清除的污染底泥的最终处理也是一个棘手的问题。
2、生态调水
    生态调水是在敏感水域普遍采用的水环境污染治理措施。生态调水的目的和方法是通过水利设施(闸门、泵站等)的调控引入污染水域上游或附近的清洁水源冲刷稀释污染水域,以改善其水环境质量。
生态调水的实际作用主要体现在:
◆ 将大量污染物在较短时间内输送到下游,减少了原区域水体中的污染物的总量,以降低污染物的浓度;
◆ 调水时改善了水动力的条件,使水体的复氧量增加,有利于提高水体的自净能力;
◆ 使死水区和非主流区的污染水得到置换。
    生态调水技术据原理属物理法分类技术。通过稀释作用降低营养盐和污染浓度,改善水质,这是生态调水技术主要作用所含有的内容。然而,生态调水技术的物理方法是把污染物转移而非降解,会对流域的下游造成污染,所以,在实施前应进行理论计算预测,确保调水效果和承纳污染的流域下游水体有足够大的环境容量。
3、人工增氧
人工增氧是在治理污染河道中较多采用的措施之一。这是因为污染严重的河道水体由于耗氧量远大于水体的自然复氧量,溶解氧普遍较低,甚至处于严重缺氧状态,此时河道的水质严重恶化,水体自净能力低下,水生态系统遭到破坏。人工增氧能较大幅度地提高水体中溶氧含量。
人工增氧的结果:
◆ 能加快水体中溶解氧与臭污物质之间发生氧化还原反应的速度;
◆ 能提高水体中好氧微生物的活性,促进有机污染物的降解速度,这些作用对消除水体臭污具有较好的效果。
人工增氧一般适宜于在以下二种情况下应用:
◆ 为加快对污染河道治理的进程;
◆ 作为已经过治理河道中的应急措施。
人工增氧技术据原理属物理法分类技术。促进有机污染物降解,这是人工增氧技术主要作用所含有的内容。
4、植物净化
    植物净化技术据原理属生物/生态法分类技术。污染物迁移转化后外移,这是植物净化技术主要作用所含有的内容。相对于物理法和化学法而言,生物/生态修复技术的提出较晚,而生物/生态修复技术发展仅仅是近十多年前才开始的,尤其是其中的植物净化技术是近年来才开始得到重视。植物净化技术的最大优点是可以通过植物的吸收吸附作用,降解、转化水体中的有机污染物,继而通过收获植物体的形式将有机污染物从水域系统中清除出去,因此,可以达到标本兼治的效果。与此同时,植物的存在为微生物和水生动物提供了附着基质和栖息场所。某些植物的根系能分泌出克藻物质,达到抑制藻类生长的作用,庞大的枝叶和根系成为自然的过滤层,能截获大量的悬浮物质等,对水生态系统的物理、化学以及生物特性亦能产生重要影响。
    作为完整的水生态系统包含种类及数量恰当的生产者、消费者和分解者,具体地说包括水生植物和鱼、螺、虾、贝类、大型浮游动物等水生动物,以及种类和数量众多的微生物和原生动物等。其中,水生植物是水生态系统中的初级生产者,其不仅是水体食物网的重要成员,同时在水体溶氧供应、营养循环中其起到重要作用,而且作为水体结构角色,还为其它水生动物提供生存空间和产卵栖息地。
水生植物技术用于生态修复阶段,其主要作用:
◆ 净化微污染的水体,即通过其的吸收吸附作用,降解、转化水体中的有机污染物,而使水质得到进一步改善;
◆ 作为水生态系统的主要成员为其他生物的生存、繁衍提供场所和食物。
水生植物尤其是其中的浮叶和沉水植物在污染严重的水体中因生境条件不具备,因而难以成活,而修复水生态系统时有水生植物的介入,生态系统就能修复。

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