饮用水源地生态防护与水质改善的研究1.docx
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饮用水源地生态防护与水质改善的研究1
0引言
近年来,由于工业的发展、城市的扩大及化学品种类和数量的增加,工业废水和城镇生活污水未达到排放标准就直接排入水体,以及农田化肥和农药的流失,致使进入水环境的化合物数量惊人,由此造成严重的水源污染。
饮用水水源污染日趋严重的严峻局面,正在向从事给水处理技术的技术人员提出挑战。
几十年甚至上百年沿袭下来的传统水处理工艺,即混凝、沉淀、过滤和消毒工艺,其主要功能为去除水中悬浮固体和胶体。
传统工艺无法去除水中存在的氮磷和大量溶解性有机污染物;水的嗅和味等感官指标不能令人满意,对富营养化水源水中有毒藻类及其毒素也不能有效去除;氯化消毒过程中,还导致了对水体危害更大的有机氯化物的形成,使出厂水的致突变性增加。
目前,全球有一半以上饮用水水源不合格,发展中国家（包括我国不合格比例更高。
我国饮用水水质现状令人担忧,水中有机污染物正日益严重地威胁着人类的健康,因此,开展水源地水质保障技术研究已成为刻不容缓的工作。
本文主
要介绍我国饮用水水源地的水质状况和利用生态防护技术开展的水质改善研究。
1饮用水源地水质状况分析
1.1
饮用水水源组成情况
集中供水水源有2种类型,即地表水（包括河流、湖泊、水库和地下水。
不同省份因其水资源特征差异,供水水源类型有较大差异。
长江沿岸及以南省市主要以地表水为主,如上海、江苏、浙江、福建、湖北和广东等省地表水供水比例高达90%以上;而华北、西北城市则以地下水为主,如北京、河北、山西、山东、河南和陕西等省的地表水供水比例均在30%以下[1]。
1.2饮用水水源地水质状况
近期,中国环境状况公报公布了水环境状况。
公告表明:
我国7大水系、湖泊、水库、部分地区地下水和近岸海域受到了不同程度的污染,水资源匮乏和水域污染已经成为我国经济与社会发展的制约因素[2]。
1997年以来,我国城市及其附近河流以有机污染为主,主要污染指标是石油类、高锰酸盐指数和氨氮。
从污染区域分布看,污染较重的城市河段主要分布在淮河流域、黄河的部分支流、辽河流域和京杭运河以及南方的一些经济发达城市。
饮用水源地生态防护与水质改善的研究
邓延慧1,
孙红梅2
（1.江苏省环境科学研究院,
江苏
南京
210036,2.东南大学市政工程系,江苏
南京
210096
摘
要:
分析了当前饮用水水源地的水质状况,介绍了3种水源地生态防护与水质改善的方法:
生态护坡、人工介质富集微生物、水生植物型人工湿地,并展望了它们的应用前景。
关键词:
水源地;
生态防护;
水质改善;
生态护坡;
人工介质;
水生植物滤床
中图分类号:
X2文献标识码:
B文章编号:
1674-4829（200901-0055-04
收稿日期:
2008-11-21
修回日期:
2008-12-18
作者简介:
邓延慧（1966-,女,江苏南京人,工程师,主要从事水污染
防治技术的研究、环境监测和环境影响评价工作.
StudyonEcologicalProtectionandWaterQualityImprovementofDrinkingWaterSources
DENGYan-hui,SUNHong-mei
Abstract:
Waterqualitystatusofdrinkingwatersupplysourceswasanalyzed.Threemethodsofecologicalprotectionandwaterqualityimprovementwhichareecologicalslopeprotection,microorganismenrichmentbyartificialmediumsandhydrophytefilterbedwereintroduced.Finallytheapplicationprospectsofthethreemethodswerealsopresented.
Keywords:
Drinkingwatersources;Ecologicalprotection;Waterqualityimprovement;Ecologicalslopeprotection;Artificialmedium;Hydrophytefilterbed
第22卷第1期2009年2月
环境科技
EnvironmentalScienceandTechnology
Vol.22No.1Feb.2009
环境科技2009年2月
江苏省饮用水以地表水为主,主要取自长江、淮河、太湖等。
长江作为江苏省最大的饮用水源,其江苏段干流水质主要指标目前虽保持在Ⅱ类,但入江主要支流污染严重,城市排污口下游已形成岸边污染带;无锡、苏州地区的饮用水源地太湖的富营养化指标长年处于Ⅴ类;淮河干流水质还不能稳定达到国家规定的Ⅲ类标准,污染事故隐患尚未根本消除。
若干年来江苏省13个省辖市一直对饮用水源地水质进行每月1次的例行监测,开展监测的饮用水源地取水量通常占各市自来水供水总量的80%以上,采用GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准进行评价,评价项目为水温、pH值等28项。
据多年来的监测结果,超标项目多为高锰酸盐指数、TP,TN,NH3-N,BOD5,DO等,表明有机污染和富营养化污染是主要污染因素。
根据监测结果,217种确定检出物中,37种为EPA优先污染物黑名单上的物质,23种为我国68种优先污染物名单上的物质,对人类有“三致”（致癌、致畸、致突变作用。
它们分别为卤代脂肪烃类、苯系物类、单环类芳香烃化合物、多环芳烃、酯类、酚类、醛类、呋喃类、酮类、醚类等。
检出率大于50%的有机污染物有24种,主要为二氯甲烷、氯仿、二氯丙烷、溴仿等卤代烃类6种;苯、甲苯等苯系物类10种;氯苯类3种;萘、甲基萘等多环芳烃类3种;邻苯二甲酸酯类1种;酚类1种。
挥发性有机化合物（VOC的质量浓度范围主要在μg/L级:
0.001~177μg/L,半挥发性有机化合物（SOVC质量浓度范围主要在ng/L级:
1~46ng/L[3]。
研究表明,江苏省饮用水源水及出厂水中存在浓度低、成分复杂的有机污染物,绝大多数污染物尚未有国家标准来控制它们,它们在环境中的来源、迁移、转化以及对人体的潜在危害值得深入研究。
2饮用水源地的生态防护与水质改善方法
对于不合格的水源水,应在进入水厂工艺之前经过预处理,并设置具有一定停留时间的水库或过渡水体,在该水体区域内强化生态功能,通过生态防护的方法有效改善水源水水质。
生态防护的方法主要有生态护坡、人工介质富集微生物、水生植物人工湿地等。
2.1通过生态护坡改善水质
2.1.1生态混凝土的特性及制备
由于在水的长期浸泡下库体易于坍塌,水库多采用混凝土形式的护坡。
普通混凝土由于采用无孔介质,水库天然生态系统遭受割裂,使水库近岸陆地与水体完全割裂。
这种形式的护坡阻断了水体和近岸陆地土壤之间的交换,使正常的物质流、能量流、生物流无法进行,水生植物不能在坚硬密实、无连续空隙的普通混凝土表面上生长,水生动物也因此失去了栖息生存空间,导致水库堤岸与近岸陆地之间丰富的自然系统遭到破坏,造成生物种类减少、生物多样化指数降低,使水体自净功能下降甚至完全丧失,水体富营养化进程加剧,水质恶化。
同时,普通混凝土不能生长植物,颜色灰暗呆板,在感官上缺乏生机,使水库丧失了部分景观功能,让人产生远离自然的感觉。
针对普通混凝土的缺点,利用生态混凝土进行护坡有利于大幅度提高护岸的生态功能、生态修复能力和水体自净能力。
生态混凝土是采用特殊级配的集料和胶凝材料,在力学性能满足工程使用要求的同时,形成蜂窝状的结构,形成连续多孔和巨大的比表面积,具有良好的透水性和透气性,表面适宜微生物富集及绿色植物生长。
保证了边坡空气、水、土壤之间的互通,使土壤、河道内的昆虫和微生物拥有平衡的生存环境,而且可改善周围的大气环境,产生良好的景观效应。
生态混凝土制备时,水灰比一般为0.2~0.25,集料配比随集料粒径的减小稍微增大;碎石粒径为10~20mm,堆积密度为1600~1700kg/m3;掺合剂以粉煤灰和矿渣为主,以提高生态混凝土的强度和降低孔隙内碱度;化学添加剂一般选用具有高效减水和增黏增韧效果的聚合乳液,以提高胶结材料的胶凝效果。
生态混凝土经碾压、击实成型后,养护28d,抗压强度可达10~35MPa,表观密度为1800~2000kg/m3,孔隙率可达20%~30%,透水系数达到115~310cm/s,具有良好的透水性和透气性。
多孔结构增大了混凝土的比表面积,为生物的富集提供了良好的条件。
掺合剂的添加使生态混凝土内部的pH值到28d时可控制在11.5以下,90d时可控制在10以下,不会对植物生长产生危害[4]。
2.1.2生态护坡的绿化
生态混凝土铺设完毕,需在坡面的砌块之间进行覆土处理,诱导植物生根发芽,原则上就地选用地表土壤（表层20cm厚的土壤,并辅以土壤菌、缓性肥料、保水剂。
根据生物多样性理论,物种的多样性会使生态系统的网状食物链结构更加复杂、生态系统更趋向稳定,故植物物种的选择应该多样化,从而促使处于平衡的生物群落容量增加,植物的种植宜选择4~6种生物生态型搭配合理的植物品种进行混种,并以当地物种为主。
随着水库水位的变化,其岸坡存在水位变动区,
56
第22卷第1期
项目
细菌总数硝酸菌亚硝酸细菌湖水（cells/mL
（5.4±0.45×106
（1.68±0.14×103
（0.54±0.09×103
人工介质（cells/g
（152.11±35.28×1010
（12.53±0.95×1010
（1.89±0.07×1010
ρ（CODMn
4.17~9.88
3.23~7.29
3.37~8.00
2.94~8.36
22.8
12.6
17.6
ρ（TN
3.35~11.6
1.80~8.55
2.16~8.91
2.02~8.84
22.1
13.7
22.3
ρ（NH3-N
0.22~5.19
0.19~4.38
0.24~3.16
0.22~3.54
32.4
48.6
32.1
ρ（NO2--N
0.01~0.94
0.01~0.35
0.03~0.47
0.22~0.40
49.7
33.4
44.9
ρ（NO3--N
0.22~4.17
0.12~6.29
0.11~5.39
0.11~5.56
-11.7
-1.2
-1.5
ρ（TP
0.88~0.79
0.02~0.23
0.02~0.30
0.02~0.28
60.7
61.6
58.0
ρ（PO43--P
0.01~0.21
0.002~0.078
0.002~0.012
0.002~0.15
10.0
12.5
5.0
RZ
RT
RW
RZ
RT
RW
进水
项目
出
水
平均
去除
率/%
这是一个由水、水生生物、空气组成的生态系统,在这个系统中,水生植物以及附着在上面的微生物、昆虫是生态系统生物链的重要环节,也是水环境的核心组成部分,可有效促进河道岸坡生态系统的建立。
水生植物能有效吸收水中的N,P以及难以降解的持久性污染物（POPs,改善水库中水的水质。
根据植物的生长特性,水位变动区多选择种植挺水植物,挺水植物采用植苗、插条、埋植等方式建置。
水位变动区以上,种植水土保持能力较强的多年生草本植被,可有效拦截通过坡面进入河道的面源污染物;草本植被一般采用液力喷播植生,喷播时将植物种子、保水剂、黏合剂、土壤改良剂等混合后,通过液力喷播机均匀地喷射在生态护坡坡面上。
2.1.3生态护坡对水质的改善效果
水库的堤岸尤其需要生态型护坡的应用,生态混凝土的应用能有效地保证生态平衡。
水库体积容量越大,水的停留时间就越长,越能保证水质的改善效果。
同时再通过构建包括堤岸生态护坡、水生植物、人工鱼礁强化的微生物、贝类和鱼类在内的具有强大的水质净化功能的生态系统,可显著改善水的有机物和NH3-N指标。
尤其是POPs,在水厂处理工艺中几乎没有去除效果,但经过水库的长时间停留和自然强化净化却能使其得到有效降低,达到水质改善的目的。
2.2通过人工介质富集微生物改善水质
2.2.1人工介质富集微生物净化水质的机理
在原水中存在着许多土著微生物进行的自然净化过程,但由于微生物浓度低、种类少,水质净化效果不明显。
在调蓄水库中设置人工介质对微生物进行有效地富集,使微生物浓度大大提高,并在介质表面形成一层生物膜,通过微生物的降解作用可以较大幅度提高水体生物自净能力,有效改善水质。
人工介质对微生物的富集效果,直接影响着人工介质上微生物的量、微生物的活性及其对水质的净化效果。
纪荣平、吕锡武等采用荧光原位杂交（FISH法测定湖水中和人工介质上的硝酸菌和亚硝酸菌的密度,用DAPI法测定细菌总数,得到的结论见表1[5]。
表1人工介质对细菌的富集效果
由于微生物具有结构简单、体积微小、比表面积大等特点,使微生物对生存环境的变化具有极强的敏感性。
微生物可以产生变异菌株或不同类型的酶,以适应不同的环境,将环境中的污染物降解转化。
微生物群落（混合菌群上的不同微生物存在复杂的相互关系,2种或2种以上的微生物可以通过一方为另一方提供特殊营养物、去除生长抑制产物、改善单个微生物的基本生长条件、对底物协调利用、共代谢作用等对有机化合物进行转化和降解。
2.2.2人工介质对水质的改善效果
东南大学环境工程系纪荣平[6-9]等,通过人工介质富集微生物太湖梅梁湾水源地进行水质改善。
不同的人工介质对微生物的富集存在着差异,筛选最佳的人工介质对于提高微生物的富集效果、改善水质净化效果有着重要的意义。
首先通过对3种人工介质:
组合介质（RZ、弹性介质（RT、无纺布介质（RW上的生物量和生物活性作比较,确定了介质RZ是富营养化水源水质改善技术应用较为理想的人工介质,见表2。
接着,又比较了RZ不同深度和水平位置上的生物量和生物活性,结果为上部高于中部和下部,中间高于进水端和出水端。
另外,针对有机物、藻类和氮磷营养物,通过试验验证了RZ具有明显的去除效果。
并且证明了去除效果随介质密度和水力停留时间的增加而增加,与水流速度无明显关联。
而且,人工介质对水体透明度的改善效果很明显,这为水生植物尤其是沉水植物的生态恢复提供了必要条件。
表2人工介质对水质的改善效果比较
2.3通过水生植物型人工湿地改善水质
人工湿地应用于污水处理已近半个世纪,以其能耗低、简单易行,良好的净化效果和独特的生态功能而成为研究热点。
但将其用于受污染水源水的预处理研究和应用鲜有报道,近年来其应用范围被扩展到处理富营养化淡水水体领域。
东南大学环境工程系宋海亮[10-11]等开展了水生植物滤床处理富营养化水源水的研究。
2.3.1水生植物滤床的技术原理
水生植物滤床（hydrophytefilterbed,简称HFB是一种新型的人工湿地系统,以水生植物为核心,水生动物及微生物共生,不填充任何介质,实现物理过注:
进水UV254为0.09~0.13cm-1,RZ出水为0.08~0.12cm-1,平均去除率为8.6%;RT出水为0.17~0.13cm-1,平均去除率为8.6%;RW出水的为0.08~0.13cm-1,平均去除率为11.4%。
mg·L-1
邓延慧等饮用水源地生态防护与水质改善的研究57
环境科技2009年2月
滤和生物处理相结合,具有工艺简单、运行管理方便、水力负荷大、投资低、生态环境及经济效益显著等特点。
水生植物滤床主体为砖石混凝土结构,池底及四周均为防水水泥层。
池前端设配水渠,末端设出水渠,中间是植物种植区,池底有一定坡度。
为使流态更接近理想推流,池内每隔一段距离设砖砌隔墙,形成狭长的植物种植水槽。
为充分利用水生植物形成的致密立体网状根系的过滤功能,并避免长期运行后因堵塞而导致处理能力下降的问题,池内不填充任何基质。
在水生植物床上种植多种食用或观赏型水生植物,通过植物过滤、微生物降解、水生植物吸收及清除底泥来去除水体中的污染物。
其特点在于首先通过水生植物发达的根系有效地将水中的悬浮污染物和藻类通过过滤作用去除,然后由微生物对被截留的污染物通过生物降解作用去除,原水中及代谢产物中的有机物和氮磷营养物又成为植物生长的营养来源。
这样形成了一个由水生植物、水生动物及微生物构成的生态净化系统,实现了物理过滤和生物处理相结合的处理方式。
在植物换茬时,通过对可食用或观赏型植物的出售和对水生植物残枝及底泥进行堆肥还田,以避免植物造成二次污染。
2.3.2水生植物滤床对富营养化水源的净化效果
宋海亮等的水样分析指标有NH3-N、CODMn、浊度、藻密度、叶绿素a、UV254,试验结果表明,当水生植物滤床在水力负荷为1m3/（m2·d时,对富营养化水源水进行预处理取得了良好的效果。
其中,CODMn的去除效果受季节影响较大。
冬季平均去除率在11%左右,夏秋季在20%左右;NH3-N去除效果全年变化不大,平均去除率在30%左右;对藻类和浊度有非常好的去除效果,夏季藻类高发期藻密度能降低1~2个数量级,去除率在90%以上,非藻类高发期叶绿素a均平去除率为85.3%,而浊度去除率全年都在90%以上;系统对UV254的去除效果稍差,平均去除率为8.8%。
采用水生植物床构成的生态净化系统处理富营养化水源水,处理过程中不会产生新的“三致”物和优先污染物,且投资和运行费用低廉,在有资可利用地形的情况下,可以作为城镇小型给水厂的预处理工艺。
3结语
由于水体中有毒有害有机污染物种类和浓度急剧增加,导致饮用水源受到严重污染,严重威胁人类健康。
常规自来水处理工艺已经难以满足对水质的要求,因此水源地的生态防护就显得尤为重要[12]。
实践证明,上述3种方法对水源地有机物污染和富营养化问题能起到明显的改善作用,有效地改善了水质,而生态混凝土和人工介质的应用前景将非常广阔。
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（责任编辑王淑侠
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