水生态修复技术方案分析

水生态修复技术方案分析

根据剑河水生态修复技术路线总体设计,合成了“生态调水方案设计 (剑河水库）、水土流失治理（上游）、深潭浅滩（中游）、截污纳管、曝气复氧、生物过滤、生态护坡、生物浮岛、人工湿地”等9项工程。

1 截污纳管工程技术方案

截污纳管是一项水污染处理工程,就是通过建设和改造位于河道两侧的工厂、企事业单位国家机关、宾馆、餐饮、居住小区等污水产生单位内部的污水管道(简称三级管网)，并将其就近接入敷设在城镇道路下的污水管道系统中（简称二级管网），并转输至城镇污水处理厂进行集中处理。简言之，即污染源单位把污水截流纳入污水截污收集管网系统进行集中处理。

剑河下游武当山镇是剑河流域唯一的城镇，近年来城市发展速度很快，市政建设水平也得到了很大的提高，但由于起步晚，老城区结构复杂，正在推进中的污水管网建设还存在着相当多的问题，也是本项目必须解决的问题(图6-1)，主要有以下七个方面。

（1）剑河右岸的主管道在乔家院桥处中断。据现场调查，中断的原因在于有一处拆迁任务没有完成，必须采取有效手段，解决矛盾，贯通管网。

（2）龙潭口下方有两处居民区位于二级管网的高程之下，污水无法自流进入管网。河岸附近居民自行凿穿河岸防护墙，将污水粪便直排剑河；远河岸居民生活污水分别排人剑河的支流沟渠，最终汇入剑河。对于这种无法进入管网的污水，主要采用分散式污水处理技术进行就地处理，严防混杂着垃圾的污水进入剑河。

（3）部分居民将自家的下水道与剑河两岸的雨水管贯通。这种情况主要发生在剑河两岸的主管网尚未竣工之前，现一级管道已经铺设完成。对于仍然排污的雨水管要坚决截断，将污水纳人污水管道。当地居民卫生间有旱厕和卫生间，旱厕产生的粪便污水多用于菜地施肥，卫生间粪便污水直接排入街坊道路下的排水暗渠，最终经过剑河河堤上的排污口进入剑河。

（4）通神沟污水明渠排污。通神沟位于剑河城区上段老营宫村七组村庄内，

源头来自武当山景区大门化粪池出水，沿途接纳村庄内约500户居民的生活污水，在剑河右岸河堤方形排污口排入剑河。该排污口前设有截流井，截流井处溢流堰为活动堰门，经常处于半开状态，因此晴天时污水流入剑河。

(5)玉带河排污。玉带河横穿玉虚宫，源头有精铸厂工业废水排入，沿途流经村庄，生活污水大量汇入，在剑河左岸河堤拱形排污口排入剑河。排污口前有左岸管道施工预留的DN600钢筋混凝土管，由于河堤地面较髙，预留管髙于玉带河内水位0.5m，水流无法进入管道而全部直排。

（6）剑河左岸下游精铸厂工业废水污染。在剑河左岸下游有2家精铸厂，其生产工艺中产生大量酸性生产污水，厂区内只设有简单的调节沉淀池，经过短暂停留，污水直接排入剑河。

（7）武当山污水处理厂出水标准为一级B,而随着丹江口水库的蓄水,该河道将成为一个面积约1.83km2的封闭性水体（下游新区段），在2013年丹江口水库正式蓄水之前，下游新区段得到清水补给的机会很小，应该提高污水处理厂的出水标准。

2 曝气复氧工程技术方案

由于剑河城区段河流污染类型大多属于有机污染型，而水体的黑臭又是无氧时厌氧菌作用的结果，所以对河流水体采用人工曝气的方式进行充氧，加速水体复氧过程，提高水体中好氧微生物的活力，是改善水质的有效办法。

曝气复氧的功效：一是消除黑臭，向已遭受严重有机污染、处于黑臭状态的河道进行人工曝气后，充入的溶解氧可以迅速地氧化有机物厌氧降解时产生的硫化氢、甲硫醇等致黑致臭物质，有效地改善、缓和水体的黑臭程度；二是改善水质，当水中溶解氧增加后，就会使沉入水中的有害的造成污染的有机物逐步降解为简单的对人体无害的低分子量的无机物，如甲烷，会发生逐步氧化而最终变成水和二氧化碳；三是恢复生态平衡在河湖水体缺氧时，水体中鱼虾及其他水生生物会死亡甚至绝迹，经复氧治理后，大量有毒害的污染物被降解，并能提供水生生物必需的溶解氧，使河流重新成为生态平衡的活水。

2.1 人工曝气复氧技术类型

（1）纯氧-微孔布气设备曝气系统。纯氧-微孔布气设备曝气系统由氧源和

微孔布气管组成，无动力装置，系统运行可靠，无噪声。德国Messer公司的曝气系统是一种较好的纯氧-微孔布气设备曝气系统，它采用一种特殊的大阻力橡胶微孔布气管，其微气泡直径约为1 mm，氧转移效率为每米水深15%，以“曝气垫”的形式置于河床上。这种曝气垫强度高，在河流中安装方便，且不易堵塞，在水深较大(也)的河流，该系统的充氧效率可达70%左右。德国在埃姆舍(Emscher)河的治理中采用了此类系统。

（2）纯氧-混流增氧系统。纯氧-混流增氧系统由氧源、水泵、混流器和喷射器组成。该类系统的工作原理为：河水经水泵抽吸加压后将氧气或液氧注人设置在增压管上的文氏管，利用文氏管将气泡粉碎和溶解，氧气-水的富氧混合液经过特制的喷射器进入水体。该类系统的充氧效率较高，在3.5m水深时即可达到70%左右。纯氧-混流增氧系统的实现方式可采用移动式水上充氧平台，如英国泰晤士河的充氧船(图6-2、图6-3)、上海苏州河的充氧船等；也可采用将喷射器安置在河床边近岸处的固定式充氧站。纯氧增氧技术的优势在于其充氧效率较高，但由于这种方法需要从专门的制氧工厂运来液态氧（LOX),或者利用门的制氧设备(PSA制氧设备)制氧，导致成本较高，妨碍其广泛使用。

（3）鼓风机-微孔@管曝气系统。由鼓风机和微孔布气管组成的鼓风曝气系统被广泛用于生活污水和工业废水的好氧生化处理工艺中。近年来氧转移效率较高的微孔布气管的使用，使该供氧方法的充氧效率得到较大提高，可达

25%~35%(水深5 m)。鼓风机-微孔布气管曝气系统的主要缺点是：安置在河底的布气管对泄洪有一定的影响；布气管损坏后维修较困难；河流水位变化较大，选择鼓风机须满足高水位时的风压,导致在低水位曝气时动力效率较低。此外，为了降低鼓风机噪声的影响，风机房一般设置在地下，从而增加了投资费用。因此，鼓风机-微孔布气管曝气系统一般用于郊区不通航河流，如上海市徐汇区上澳塘河道即采用了这一曝气系统。

(4)叶轮吸气推流式曝气器。叶轮吸气推流式曝气器是河流、湖泊人工充氧中较广泛使用的充氧设备之一。该类设备一般由电动机、传动轴、进气通道与叶轮等部件组成。其原理主要是利用旋桨在进气通道造成负压，从而吸入空气，并随水射入河水中。该技术根据叶轮吸气推流式曝气器的叶轮形状、位置、数量（单叶或复叶）、进气通道的位置，可分为轴向流液下曝气器和复叶推流式曝气器。

美国曾将此技术应用于韩国的釜山港。我国研究人员也先后于在北京清河、1998年在上海苏州河上进行了应用。叶轮吸气推流式曝气器的优点是：安装方便，只需将装上浮筒的设备安置在水面上用缆绳加以固定即用可。安装工程量小，并可根据需要随时调整位置和台数；由于设备漂浮在水面，受水位影响较小；设备安装在河道内，除了电控设备外，基本不占地，维修简便。叶轮吸气推流式曝气器的缺点是：叶轮易被水中的漂浮物缠绕堵塞；在水深较小的河流中使用时易将底泥搅起；当桨叶深入水深较大处时，其从水面上大气中向下抽吸的能力将减弱，故其向深水充氧的能力较差；影响航运。

（5）水下射流曝气设备。水下射流曝气设备的工作原理是：用潜水泵将水吸人增压从泵体高速推出后，利用装置在出水管道水射器将空气吸入，气-水混合液经水力混合切割后进人水体(图6-4)。

2.2河流曝气复氧技术应用实例

(1)英国泰晤士河。世界上最著名并且被大量报道的河流曝气整治项目，应属英国泰晤士河河口的增氧设施。泰晤士河从19世纪工业化开水质即迅速恶化，是世界上污染最早、危害最烈的城市河流之经过自20世纪60?70年代以来高强度的持续治理，现在水质得以改善，已有近百种鱼类重现河中。1980年，泰晤士河水务局制造了一艘机动纯氧曝船(Thames Bubbler),该船采用变压吸附制氧（PSA)技术，同时附装VITOX混流增氧设备。测定的试验数据表明，进行的一次溶解氧含量测定结果，Thames Bubbler使河流缺氧段的溶解氧含量升高了6.8%。鉴于曝气船机动、快速、有效的特点，1985年夏季，另一艘充氧能力为30t/d的曝气船(Thames Vitality)也投入了使用。

（2）德国Emscher河。Emscher河为德国鲁尔（Ruhr)河的支流，20世纪70年代初曾沦为周边工业区的一条污水走廊。20世纪70年代在治理该河污染时，沿河流设置了10个纯氧充氧站进行人工曝气。充氧站采用液氧作为氧源，以铺设在河底的大阻力橡胶微孔管为曝气装置，在曝气站附近水体的溶解氧浓度可升高至15mg/L，然后沿河道逐渐下降，直至下游7 km处降至零。同时对沿岸排放的污水进行截流和建造污水理厂。随着Emscher河水质的逐渐改善，充氧站逐渐拆除。到1998年时，该河仅保留一个充氧站作为突发性河流污染事故的应急措施。

（3）韩国釜山港湾。为迎接1986年的亚运会和1988年的夏季奥运、在韩国水萦江河口釜山港湾的快艇区域安置了 9台73.55 kW( 100马力)的曝气装置。研究表明，曝气能够有效地改善水萦江河口快艇区域的水质，可以增加DO、削减COD、提高透明度、消除臭味。这些效果为1986年亚运会和1988年夏季奥运会的快艇比赛提供了良好的水质条件。

（4）美国圣克鲁斯港。在20世纪70年代和80年代初期，美国圣克鲁斯港面临严重的水质问题。在那一时期，该港经历了4次大范围的鱼类死亡事件，这促进了对港湾水质的深入研究。于是，一项对溶解氧和水质的研究显示，曝气增加的氧与硫化氢反映而使之减少。曝气后硫化氢浓度只是曝气前的1/2?1/3。而且，随着曝气的进行，硫化氢的存在时间从曝气前的超过40天减少到不超过20天。

（5）北京清河。1990年，为保证亚运会的顺利进行,在北京清河的一个长约4 km的河段中放置了8台11kW(15马力）的美国Aire-〇2曝气设备，利用叶轮吸气推流式曝气系统进行人工充氧，在1990年8月26至9月29日运行，基本消除了曝气河段的臭味，B0D5去除率约为60%，COD cr去除率约80%,NH3-N 去除率达45%，曝气区的DO从0上升到5?7mg/L，曝气区邻近区域的DO上升到4?5mg/L。

（6）上海上澳塘，上海市徐汇区环保局于1996年对上澳塘潘家桥河段应用鼓风机-微孔布气管曝气系统进行了人工充氧试验经过一个月的曝气，河流水质得到很大改善，BOD5去除率为56.4%^72.5%,CODcr去除率为48.5%?61%。在试验的基础上，徐汇区环保局于1998年在徐汇区东上澳塘实施了河道曝气复氧工程(图6-5)。

(7)上海苏州河。上海苏州河是一条遭受严重污染的河流，河水黑臭，平均DO<0.5mg/L，COD高达100^200mg/L。在德国Messer集团的协助下，上海环境科学研究院在苏州河支流新泾港下游进行了BIOX工艺的现场中试。结果表明，纯氧曝气可有效降低黑臭水体中的COD浓度，特别是河水流速较平缓时，COD的去除率可达19.5%?55.6%,水体的颜色由黑变浅(图6-6)。

2.3剑河曝气复氧工程技术选择

(1)曝气设备技术选择。根据剑河下游(城区河段)水质改善的要求〔消除黑

臭）、河道条件(包括水深0.2?0.5 m、有橡胶坝阻隔流速较小、河道规则）、河段功能要求(旅游景观）、污染源特征（如长期污染负荷）的要求，在目前常用的6种曝气技术中，只有复叶推流式曝气器和水下射流曝气设备两种曝气设备可以在剑河使用。而叶轮吸气推流式曝气器会产生泡沫，会影响剑河的景观效果。

故水下射流曝气应作为河曝气复氧的首选技术。水下射流曝气设备安装比较方便、不占地，唯一的缺点是影响通航，由剑河已没有航运功能，并不妨碍设备的运行(表6-1)。

测数据平均值为计算数据，采用较简便的组合式推流反应器计算模型进行需氧量计算。假定各污染源只是在各反应器首端集中进入，各污染源入流水质、水量恒定，则各污染源进入反应器后会立即同进水均匀混合。

固定式充氧站的优点是单位充氧量的建设成本和运行成本较低，剑河可曝气复氧工程必须合理确定固定充氧站的充氧量、站点个数和位置，进行河道充氧。

2.4 剑河曝气复氧工程技术

采用技术。采用水下射流曝气技术。

原理与流程。水下射流曝气设备由潜水泵、射流器、散流器、吸气管和软管五部分组成。在传统射流机理基础上融合了先进的散流技术，采用射流曝气方式。运行时，水泵叶轮在潜水电机带动下高速旋转，将水推入射流器形成射流，在射流周围产生负压区，将空气通过吸气管吸入射流喷嘴负压区，在射流器的喉管内进行气、水、泥充分混合，又通过射流器的扩散管将射流的动能逐步转变成压能后进入散流器。在散流器内，气、水、泥混合物进—步混合，迫使气体继续剪切、粉碎并乳化，保证绝大部分氧充分溶解于水中。同时，在射流流体压力的作用下，射流携带氧分子和微小气泡，从散流器的喷嘴中倾斜向下喷出、扩散，形成对水体和对生化池底部污泥冲击、搅拌后，由池底缓缓上升至水面，微气泡在水中停留时间一般长达30s以上，使空气中的氧充分被溶解和吸收，提高了氧转移效率和充氧能力。

成本效益及可行性分析。设备能使泥、水与空气在射流器内产生较高的负压和强烈的紊动、搅拌、剪切，促使液膜与气膜高频振荡，使气泡直径大幅度减小，气泡数目增多，增大气泡的比表面积，同时也使气、液膜变薄，能极大地降低传导阻力，使氧分子更好地从气相转移到液相。射流在高速前进过程中，在分散器内高速旋转的作用下，具有较髙的角速度，使射流具有较强的穿透力，使微小气泡在水中行程远，增强搅拌、推流与增氧能力。设备设计为水下运转方式，无噪声，可布置在生活小区。设备可调节空气量，以及灵活选择安装位置、布置方式、喷射角度、潜水深度等。设备一般对潜水泵每年例行维护一次。技术成熟度。国内已有数十家生产厂家，技术成熟稳定。

3 生物过滤工程技术方案、生物过滤技术类型

生物过滤技术指生物(特别是微生物)对环境中的污染物进行吸收或氧化降解，从而减少或最终消除环境污染的受控制或自发的过程。用于污染水体修复的生物膜技术是目前国外研究的重点技术，尤其是日本，已经在工程实践中运用了多种生物膜技术对污染严重的中小河流进行净化并获得了良好的净化效果和大量工艺参数。日本用于修复污染水体物膜技术主要有砾间接触氧化法、绳状生物填料接触氧化法、薄层流法和伏流净化法。

（1）砾间接触氧化法。该方法是根据河床生物膜净化河水的原理设计而成

的，通过人工填充的砾石，使水与生物膜的接触面积增大数十倍，甚至上百倍。水中污染物在砾间流动过程中与砾石上附着的生物膜接触、沉淀进而被生物膜作为营养物质而吸附、氧化分解，从而使水质得到改善。

（2）绳状生物填料接触氧化法。该方法是利用细绳状生物填料比表面积大、空隙率大、微生物易于附着和生长繁殖，进而净化效果好的特点而研究开发的一种水体净化技术。在污染河流净化过程中，其处理设备的主要构造为：采用人工堰坝切断河流，然后利用河水的自然落差或采用水泵将水引入建在河岸边的河水处理设施中，采用与污水处理厂相类似处理方法，把河流水全量处理后再放回河流的下游。该处理方法实施时要大量的投资，并且在日后的运行管理时也要求有一定的管理技术及经费。但是，对于水体污染严重、靠自净能力已积重难返的河流来说，该法可以在短期内取得相当好的净化效果。

（3）生物活性炭填充柱净化法。生物活性炭填充柱净化法是一种以活性炭为填料的生物膜净化法。它主要是利用活性炭表面附着的微生物分解水中有机物的“生物膜效应”和微生物吸着在活性炭上分解有机物的“生物再生效应”，以及活

性炭微孔隙捕捉有机物的“吸着效应”去除河水中的污染物质，使水质得到改善。该方法充分发挥了活性炭比表面积大、空隙大、吸附性能好的特性，使附着在其表面的微生物种类多、数量大、活性强、增殖速度快，进一步提髙了生物膜的净化能力。但采用该方法的净化设备投入较多，而且实施时也需要大量的资金，并且在日后的运行管理时也要求有一定的管理技术及经费。

（4）薄层流法。河流自净主要通过附着在河床及水生植物上的生物膜以达到净化有机污染物的目的。薄层流法着眼于此，采用增大生物膜的附着面积，以减少单位生物膜的处理水量而提高河床的自净能力。具体方法是增加河面的宽度使水深变浅，增大河流，与河床的接触面积，工程建设可使河流的净化能力达到原来的数倍到十多倍。该方法的缺点是需进行大规模的工程建设并涉及用地问题，同时还要确保以前的水流量并不使河流的景观及生态系统受不良影响等，因此，确定使用本法时，有必要做充分的地形调查和环境评估等工作。

（5）伏流净化法。伏流净化法主要是利用河床向地下的渗透作用和伏流水的稀释作用来净化河流的。所谓伏流，即从河床向地下渗入、沿地下水脉流动的地下水流。经泥沙过滤后的伏流水水质相对良好。伏流净化法是将伏流水用水泵

抽出并送回河流，以條低地下水位来促使地下水加速渗透，该方法可被看作一种缓速滤法（微生物膜过滤），整个河床是一个大的过滤池，由河床上附着的生物膜构成缓速过滤池的过滤膜，污染的河水经过滤膜的过滤作用缓慢地向地下扩散，成为清洁的地下水。用于稀释的伏流水就是渗入地下的清洁水，人为用泵提升到地面来稀释河流，使河滩的自净作用进一步增强。

3.2 河流生物过滤技术应用实例

（1）韩国良才川。良才川是汉江的一条变流，位于汉城的江南区。由于河流地处住宅区，加之治理不善，良才川的水，质受到较大污染k，也影响了汉江的水质。从1995年起主要采用生态-生物方法治理良才川。水质净化设施的主体是设于河流一侧的地下生态-生物净化装置。釆用卵石接触氧化法，即强化自然

状态下河流中的沉淀、吸附及氧化分解现象，用微生物的活动将污染物转化为二氧化碳和水。净化设施日处理能力为32000t。净化的工作流程如下：拦河橡胶

坝(长18m、高1m)将河水拦截后引入带拦污栅的进水口，水流经过进水自动阀，经污物滤网进入污水管，污水管连接有4座污水孔墙，污水孔墙两侧各有座接触氧化槽(长20 m、宽13.6 m、高14.8 m)，共有8座。污水从孔墙的孔中流入接触氧化槽，氧化槽中放置卵石，污水通过氧化槽得到净化后分别流入4座清水孔墙，再汇集到清水出水管中，由清水出口排入橡胶坝下游。污水在接触氧化槽内被净化发生的主要作用是：接触沉淀、吸附和氧化分解作用。与下述日本古崎净化场相比，这种净化装置的主要优点是几乎不耗能，运行成本很低。该设施建成至今已6年，治污效果显著(图6-7)。

（2）日本江户川。江户川是日本东京都和千叶县附近的主要河流，从河道中引出70m3/s的流量为该地区城市、农业、工业供水，其中城市供水占60%。靠江户川下游的金町、古崎和栗山凄士水厂为630万人供水。坂川是江户川的

一条支流，在金町等三个水厂上游附近汇入江户川。由于坂川河道治理不力，大量生活污水排入坂川，致使水质恶化，BOD等指标严重超标，同时浮游植物繁殖迅速。坂川水质恶化，直接对金町等三个水厂构成威胁，居民对饮用水味道不佳多有怨言。为治理坂川,采取工程设施将坂川改道，先流入古崎净化场。经过

古崎净化场后，坂川的污染物减少了60%?70%,处理过的河水流入称为松户川的新开人工渠道，然后注入江户川。古崎净化场是利用卵石接触氧化法对水体进

行净化。古崎净化场建在江户川的河滩地下，充分节省了土地，是地下廊道式的治污设施。净化场结构十分简单，主体结构是高4.5 m、长28m的地下矩形廊道，内部放置直径15?40 cm不等的卵石。用水泵将河水引入栅形进水口，经导水结构后水流均匀平顺地流入廊道。另外，有若干进气管将空气通入廊道内（图6-8)。

（3)南京紫湖溪支流。在南京林业大学紫湖溪黑臭成灾的120米长的支流上，镶嵌着5个“生物竹炭坝”，其上着生着三大菌群10属80多种附着力强的微生物，通过微生物消耗竹炭空隙中的污染物，使竹炭内部空隙长期保持清洁，以稳定发挥吸附功能。主要污染物指标全部达到《污水综合排放标准》中规定的城镇污水处理厂排放标准(图6-9)。

3.3 剑河生物过滤工程技术选择

就目前生物过滤技术来看，砾间接触氧化法、绳状生物填料接触氧化法、薄屠流法、伏流净化法都无法在剑河有效实施。砾间接触氧化法需要在河道人工填充的砾石，而剑河属山区河流，河底本就由砾石覆盖，由于污染太重，污染负荷已经超出了河间砾石的净水能力，如果再投加砾石，含妨碍行洪，故不可行。绳状生物填料接触氧化法要采用人工堰坝切断河流，然岩利用河水的自然落差或釆用水泵将水引人建在河岸边的河水处理设施中，采用与污水处理厂相类似的处理方法，把河流水全量处理后再放回河流下流，而剑河城区段没有建设人工堰的场地，另外，处理成未也太高，故也不可行。薄层流法要拓宽河道，剑河城区段河道已经固化，故更不可行。伏流净化法也需要土地、场渗滤系统，将河流转入地下系统处理，在剑河基本不可行。唯一具有可行性的是生物活性炭填充柱净化法，但成本较高，必须进行技术改造才能剑河实施（表6-2）。

表生物过滤技术比选表

3.4 剑河生物过滤工程技术

采用技术。采用生物过滤技术。

原理与流程。竹炭坝生物过滤技术是一种原位修复技术，当受污染河水通过滤坝时首先被竹炭吸附，然后与坝体填充的活性材料发生化学反应而被去除，从而达到水环境修复的目的。以竹炭作为微生物载体，通过生物改性形成生物改性竹炭复合材料对河流污水进行渗滤处理，在污水处理过程中，各种有效微生物协同作用，发挥整体优势，通过复杂的吸附、生化过程，将各种污染物分解成二氧化碳和水及无害物质，并使水质得到净化。除了竹炭坝，转盘式生物过滤装置、生物过滤机等也是生物过滤技术的应用（图6-10、图6-11）.

图6-10美国转盘式生物过滤装置图6-11生物过滤机

成本效益及可行性分析。南京林业大学张齐生院士和他的科研团队将南京林业大学内的紫湖溪120m长的支流，作为生物改性竹炭治污示范工程。紫湖溪120m长的支流，主要功能是接纳南京东部和南京林业大学共计5万多人产生的生活污水、化粪池溢流污水，以及大学食堂泔水池溢流污水。由于接纳的污水水质十分恶劣，这条支流水体长期发黑变臭，并向周围散发出阵阵恶臭，严重影响校园学生们的正常生活。这些污水进入紫湖溪主干流后，又直接排人南京市著名景观一玄武湖，造成了更大范围的污染。按照紫湖溪支流每日接纳的污水总量计算，需要建设1座日处理规模为1万t的污水处理厂及相配套的雨污分流管网工程，总投资将高达3000多万元。张齐院士和他的科研团队筹措了10万元，经

过4个多月的紧张施工，在紫湖溪支流河床上建成了日处理能力1万t的生物改性竹炭污水处理示范工程，并于2005年4月22日正式投入运行。经过整整一年的运行，不仅使紫湖溪支流河水水质稳定达到了国家相关标准，而且一年来的实际运行费用仅为2万元，是同等规模城镇污水处理厂的1/100。一年多来，南京林业大学竹材工程研究中心对河道水质进行了定期观察和监测，紫湖溪支流的水体中，已没有了令人感到不快的沉淀物、漂浮物及油类物质等。江苏省环境监测中心检测数据显示，紫湖溪支流的水体出水指标已全部达到国家有关排放标准。

技术成熟度。当生物改性竹炭治污工程成功在紫湖溪支流上稳定运行之际，2006年1月20日，由国家林业局主持召开了“生物改性竹炭治理城镇河道污水示范研究课题”鉴定会。参加鉴定会的专家们全面综合分析了生物改性竹炭治污技术应用效果、投资建设、运营费用、节约土地等方面的综合效益，一致认为“生物改性竹炭治理城镇河道污水示范研究课题”总体水平达到了世界先进水平，并建议加快推广应用，尤其是在城镇和广大农村河道上推广，以产生更大的综合效益(图6-12)。

4 生态护坡工程技术方案

在河道治理过程中，护坡工程是其中一项量大面广的基础设施，传统的河道护坡结构往往只片面强调河道的防洪、引水、排涝、蓄水和航运等功能，较少地考虑河道的生态或环境功能，因此，河道的护坡结构多数采用浆砌块石或混凝土等刚性硬质材料。为了改变混凝土护坡对河道生态环境的破坏，国内外研究人员提出了生态修复理论及建设生态型护坡。在河道整治中通过建设生态型护坡，改造传统护坡，改善和恢复被破坏了的河道生态系统，使河道成为水利、生态、休闲等功能于一体的滨水空间。

4.1 河流生态护坡技术类型

（1）生态格宾挡墙。生态格宾挡墙是将符合粒径要求的石料填入具有柔性的格网中达到一定的孔隙率、逐层砌筑的一种新型的柔性挡土构筑物。格宾挡墙适用于受水流冲刷和风浪侵袭，且防护工程基础不易处理或沿河挡土墙、坡脚基础局部冲刷深度过大的沿河路堤坡脚或护岸。近年来，格宾挡墙在国内也有所应

用，主要用于河道岸坡防护。其特点，一是适应性强，生态格网工艺以钢丝网箱为主伴，为柔性结构，能适应各种土层性质并与之较好地结合，能很好地适应地基变形，不会削弱整体结构，更不易断裂破坏。二是透水能力强，生态格网工艺可使地下水及渗透水及时地从结构填石缝隙中渗透出去，能有效减小孔隙水压力的影响，利于(堤、路、山)坡的稳定。三是结构整体性强，生态格网网片是由机械编织成的双绞、蜂巢形孔网格，即使一两条丝断裂，网状物也不会松开。有其他材料不能代替的延展性大面（体)积组装，不设缝，整体性强。四是施工方便易组合，可根据设计意图，在工厂内制成半成品，施工现场能组装成各种形状。五是耐久性好，生态格网网丝经双重防腐处理，抗氧化作用强，抗腐耐磨，抗老化，使用年限长。六是美化环境、保护生态，网箱砌体石缝终会被土填充(人工或自然），植物会逐渐长出，实现工程措施和植物措施相结合，也绿化、美化景观，形成一个柔性整体护面，恢复建筑的自然生态。结构填充料之间的缝隙可保持土体与水体之间的自然交换功能，同时也利于植物生长，实现水土保持和自然生态环境的统一。

（2）蜂巢挡墙。广泛地应用于水利、公路、铁路、山体滑坡的治理、泥石流的防治、落石防护等，同时兼顾保护和恢复自然生态环境。其特点，一是亲水性，结构填充料间的空隙为水与土之间的交换创造了条件。二是保护水生态环境，通过人工植被或自然生长，优化、美化环境，保持原有的水边生态环境。三是稳定性、整体性好，单元结构之间紧密连接，成为一个整体的柔性结构。四晕透水性好，填充料系松散体，利于墙后填土内孔隙水的排出，有效地降低墙后的地下水位。填充石料（碎石或卵石）的粒径必须符合设计要求，蜂巢格网网箱应控制在8~25cm,占80%以上，其余以良好级配或碎石填满空隙。五是耐久性好、使用寿命长，材料的热镀锌及包塑防腐处理使其使用年限长。六是抗震性能好，箱笼为柔性结构，地震发生时结构内的松散填充料会自身调节适应变形，整个结构不会被毁坏。蜂巢格网结构的可变更性强，在已有的结构上可自由地延伸或在基础许可的条件下继续加高。八是抗冲刷能力强，高速水流支，箱笼内的松散填充料即使有小的位移，也不会被水流带走，而是经过自身的调节达到新的平衡。同时，单元结构之间的连接力也能使其更加牢固。具有独特的抗风浪袭击能力，蜂巢格网箱笼内填充料的空隙可以粉碎浪花，减小浪压力，当浪退下时可以破坏真空吸力，加上结构本身进行的微调，可确保工程的安全、稳定。九是造价经济，

通常情况下造价低于混凝土结构，低于或接近浆砌石结构。

（3）框格混凝土植草护坡。框格混凝土植草护坡是指将预制的形状不同的混凝土砌块铺设于坡面形成框格，在框格内回填客土，然后在框格内植草而形成的一种护坡与绿化相结合的技术。其植草措施可以改善周边生态环境，恢复已破坏的植被，降低噪声和光污染，净化大气，促进有机污染物降解，增强景观效应。与传统混凝土板相比，施工现场条件要求低，砌块面积小，维修更换简单，易于适应堤身沉陷和坡度变化；与砌石相比，货源稳定，规格统一，外形美观，对石料缺乏地区是一种先进的替代工艺技术。在构思和设计护坡的平面形状时，基本上以徐缓曲折的形状为主，这一点十分关键。在工程实践中主要有人字框格护坡、拱形框格护坡和菱形框格护坡。

该形式独特的自锁性设计保证了每一块的位置准确并避（4）连锁块护坡

。

免发生侧向移动。采用这种独特的连锁设计，铺面在水流作用下具有良好的整体稳定性；高开孔率渗水型柔性结构铺面能够降低流速，减少流体压力和提高排水能力，开孔部分一方面起到渗水、排水的作用，另一方面起到增加植被面积、美化环境的作用；按照国际通用的生态混凝土设计，在混凝至中添加了醋酸纤维等高分子物质，使混凝土自锁块在强度术变的情况下更有利于水生植物生根和水生动物繁衍。

（5）生态砖(六角形空心砖）护坡。生态转为六角形，对边距为 350 mm，厚度100 mm。该生态砖是由混凝土中加入用高新技术进行特殊制造并进行染整处理的合成纤维制成的，使混凝土的各项强度与耐久性都有不同程度的改善，提高了承受载荷能力；用于黏合废砖石骨科的水泥浆采用纳米级聚合物进行改性，增加了黏合强度；用新型的混凝土构件成型机制成六角形混凝土板块，铺设稳定性较好，满足水利堤防工程的特殊要求，同时，板块空隙率适合植物生长的需要由于它能使肥料缓释、水分保留，高碱性水环境条件的改善得到有效解决。植物能在这种混凝土板块上较好地生长。同时,它的颜色可以根据周围环境进行搭配和选择，也可以拼成各种各样的图案，改变了混凝土材料灰黑的旧面孔，使堤防在夏天绿草如茵，冬季五彩缤纷，成为河道一道亮丽的风景线。它实现了在混凝土上长草的愿望，较好地解决了堤防安全护砌与保护自然环境的矛盾（图6-13)。

4.2 剑河生态护坡技术

采用技术：植物生态护岸(前置湿地，下游新区段河道已经硬化，无需再进行护坡)。

基本原理：将下游新区段上游库岸带分为陆向和水向两部分。陆向库岸带以缓冲带和构建半天然湿地为主；水向库岸带在水体透明度得到了一定改善的基础上，通过设置消浪层、防浪层，并在临岸线一侧栽植挺水植物，在消浪层外侧栽植沉水植物，在水向库岸带形成一个水生生物生存繁衍的生态环境，加速沿岸带的营养物质循环，提高水体透明度，从而达到下游新区段前端消落带生态修复的目的。

工艺流程:

（1）选择水向库岸带水深80~110cm的区域，划定水域范围。

（2）选定植物。挺水植物如香蒲、茭草、芦苇、水葱等，沉水植物如狐尾藻、苦草、光叶眼子菜、马来眼子菜、篦齿眼子菜等。

（3）种植挺水植物和沉水植物，挺水植物香蒲、茭草、水葱的行间距各为40~60cm,沉水植物狐尾藻、苦草、光叶眼子菜、马来眼子菜、篦齿眼子菜的行间距各为30~40cm。

（4）设置消浪层、打木粧，木桩呈s形排列。

（5）设置防浪层和浮动防浪层，在消浪层内侧打木桩，木桩呈线型排列，木桩间距为1~1.5 m，在木桩上钉铁板。

（6）合理设置挺水植物和沉水植物种植位置，浮动防浪层和防浪琴层内侧按照离库岸带由近及远的顺序，依次种植水葱、茭草、香蒲，浮动防浪层和防浪层外侧离依消浪层由近及远的顺序种植狐尾藻、苦草、光叶眼子菜、马来眼子菜、篦齿眼子菜。

关键技术：陆向库岸带按缓冲带和半天地操作；关键技术在水向库岸带。一是消浪技术，大中型湖库的风浪较大，所栽种的水生植物不易扎根成活。消浪技术的关键在于以较低的成本使得防浪带能长期抵御风浪的冲击。是水生植物的栽种技术，在透明度较低、风浪较大的恶劣环境下保证挺水植物及沉水植物的成活与繁衍。

效益分析：在滇池蓝藻污染严重的典型湖湾，建设200亩湖岸带生态修复工程，为陆向水生植被和水向水生植被恢复奠定了基础。种植挺植物后在沿岸带

形成一定面积的湿地，使入湖径流污染得到缓解，沿岸带的物种多样性得到提高；而种植沉水植物形成水下植被，则通过植物-微生物群落的吸收和转化削减水中的营养负荷，澄清水质，提高水体透明度。

5生物浮岛工程技术方案

5.1 生物浮岛技术背景

人工浮岛技术是按照自然界自身的规律，运用无土栽培技术原理，采用现代农艺与生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术，人工把高等水生植物或改良的陆生植物无土种植到富营养化水域水面上，通过植物根系的截留、吸收、吸附作用和物种竞争相克机理、水生动物的摄食，以及栖息期间的微生物的降解等作用，削减水体中的N、P及有害物质，达到水质净化的目的，同时营造景观效果。

在水污染治理方面，陆生高等植物，如粮食油料作物、蔬菜、花卉和牧草等，在污染水体净化方面有着广阔的应用前景。人工生物浮岛的研究可追溯到早期中美洲如墨西哥，当地农民利用芦苇编成筏子，上铺泥土种植玉米、蕹菜等。在缅甸，农民利用湖泊中天然生长的植物根茎聚集起来的浮垫，在上面种植蔬菜等农作物。

早在三国时期（3世纪），在我国南方的一些地区，农民就开始利用菰（即茭白）的根系和茎多年聚集起来的漂浮“板块”或由植物枯秆编织而成的浮体作栽培床，古称“葑田”或“架田”，在水面上种植水稻。这种方式在唐宋时期颇为流行，水面种植空心菜尚有所见他们只是作为一种农业增产的方式，满足人民的生活需求，而不是以水处理为最终目的，这被认为是人工浮岛的基本雏形。早期用于水处理的人工浮岛大都采用单一的水生植物或多种水生植物组合进行水质净化，也称为人工浮岛（图6-14）。

1979年，由德国BESTMAN公司建造出最早的人工浮岛载体Schwimmkampen(floatingcampus)，这是真正意义上用于水边环境治理的人工浮岛技术。自1982年开始，日本在滋贺县琵琶湖建造了人工浮岛，作为鲤鱼、鲫鱼等鱼类的孵卵场，取得了较好的效果。在20世纪90年代中期人工浮岛被日本环境及湖泊科学家广泛认可。20世纪80年代，美国开始利用多种鱼类养殖

废水水培生产生菜、西红柿、草莓和黄瓜等蔬菜(水果)及风信子等花卉(图6-15)。

自20世纪80年代末以来，为了改善水库、湖泊、饮用水源地的水质,日本及欧美发达国家等采用了植物生态浮岛载体技术洽理水域，开展了一系列的相关研究，并取得了较好的治理效果。1995年日本研究者在霞浦(土浦市大岩田)进行了一次隔离水域试验，试验表明，在人工浮岛面积占有率只有25%的条件下，

削减了94%的浮游植物细胞数，而且有栽培体的水域CODcr浓度比对照水域减少50%，但是冬天因受水温影响，各水域水质差别不大。1996年在土浦港的人工浮岛经调査显示对水质的净化起了重要作用；随后，又在滋贺县琵琶湖大约1500m2的水域里设置了 60个人工浮岛，净化水质效果良好。日本在琵琶湖、

霞浦、诹访湖等有名的湖泊和许多水库及公园的池塘等各种水域采用的人工浮岛净化技，不仅有效净化了水质，而且改善了区域景观。日本的唐泽、大岛等在渡良濑域进行了一项非常有意义的实验：在宽4m、长6m、深2m的3个隔离水

域中，第一个设置了占1/3面积的人工浮岛，第二个在水面铺了占同样面积的木板，第三个作为对照区域，结果设有人工浮岛和木板的水域中氮、磷、叶绿素a 显著低于对照区域，并且设有人工浮岛的水域中氮磷营养盐比只有木板的水域浓度低，这表明浮岛载体的遮光效应在抑制浮游植物方面起很大的作用，且浮岛载体的净化原理不是只局限于遮光效应，作物吸收和吸附作用对水质净化也起到了至关重要的作用。德国一家公司建设的一座污水处理厂无土栽培了3000m2芦苇群，植物根系表面积可达120 m2/m2，这些根系大量吸收氮、磷和重金属，再通过收割芦苇回收污水中的营养盐和重金属。随着浮岛技术在欧洲和日本的推广，越来越多的国家将其应用于湖泊富营养化治理领域，随后逐渐为我国学者所接受，应用于我国的水处理项目（图6-16)。

5.2 生物浮岛净水机理

就目前国内外人工浮岛技术的研究现状来说，人工浮岛技术水体修复的机

理研究并不完善。目前，学术界比较公认的人工浮岛技术原理方面:首先，通过

人工浮岛的植物吸收及其根部的吸附原理，从体中带走氮、磷及有机污染物，从而达到净化水体的效果；其次，人工浮岛技术可改变局部的生态环境，建立有利于多种生物生存的空间，形成局部生态的良性循环，从而创造优美的水环境。

（1）物理作用。浮岛上的水生植物的存在减小了水中的风浪扰动、降低了

水流速度，并减小了水面风速，这为悬浮固体的沉淀去除创造了更好的条件，并减小了固体重新悬浮的可能性。

(2)富集作用。植物需要氮、磷等营养物质，以维持生长和繁殖的需要。有根的植物通过根部摄取营养物质，某些浸没在水中的茎叶也从周围的水中摄取营养物质。有机物被植物吸收的程度与污染物的憎水性相关，也与植物的类型和水样等有关，水生维管束植物能够大量直接吸收营养物质然后积累在植物体内。一般来说，水生植物产量较高，致使大量的营养物被固定在其生物体内，当收割后，营养物就能从系统中去除。有研究表明，挺水植物的吸收能力磷为30?

150kg/(hm2.a)，氮为2000~2500 kg/(hm2.a)。在用凤眼莲净化二级处理出水的

实验中，移植到水中7天后，植物组织中的氮量增加了2.9%，磷增加了6.7%(图6-17?图 6-19)。

（3）生化作用。在人工浮岛的植物净化污水的过程中，相关的生化反应生物浮岛的生化作用主要表现在3个方面：第一，有大量的光合作用产生的氧气和大气中的氧气直接输送到植株各处，并向水中扩散；第二，根系通过释放氧气氧化分解根系周围的沉降物；第三，植物的生化作用使水体底部和基质土壤形成许多厌氧和好氧区，为微生物活动创造条件，进而形成“根际区”。植物代谢产物和残体及溶解的有机碳为菌落提供食物源；同时，大量微生物在基质表面形成灰色生物膜，增加了微生物的数量和分解代谢的面积，使植物根部的污染物(富集或

沉降下来的)被微生物分解利用或经生物代谢降解过程而去除。富营养化水体中，也可依靠水生植物根茎上的微生物使反硝化菌、氮化菌等加速 NH3-N向NO2-N 和NO3-N的转化过程，便于水生植物的吸收与利用，减少底泥向水体中释放营

养盐。

（4）沉降、吸附和过滤作用。相关研究表明，人工浮岛上生长的旺盛的水生植物，根系发达，与水体接触面积大，形成了密集的过滤层。如香蒲，它的地下茎和根形成纵横交错的地下茎网，水流缓慢时重金属和悬浮颗粒被阻隔而沉降，防止其随水流失。浮岛上的植物发达的根系与水体接触面积很大，能形成一道密集的过滤层，当水流经过时，不溶性胶体会被根系黏附或吸附而沉降下来，特别是将其中的有机碎屑沉降下来。内源污染的主要贡献者是水体中的有机碎屑，附着于根系的细菌体在进入内源生长阶段后会发生凝集，部分为根系所吸附，部分

凝集的菌胶团则把悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下来。同时，在香蒲地下茎表面进行离子交换、螯合吸附、沉淀等，不溶性胶体为根系黏附和吸附，凝集的菌胶团把悬浮性的有机物和新陈代谢产物沉降下来。从水生植物净化富营养化水体的研究中发现，在有机物浓度高时，植物本身对有机物的吸收、降解的能力支配着整个吸收过程，是影响吸收速度的最主要因素，大部分植物对水中有机物的吸收都呈现出先快后慢的规律；在有机物浓度低时，有机物在水中的扩散速度就转变为影响吸收速度的主要因素(图6-20)。

（5）降解作用。人工浮岛处理污水的过程中，对有机营养物起降解作用的主要是浮岛周围生活的微生物。人工浮岛对NH3-N的主要去除途径是硝化、反硝化作用，而不是靠植物的吸收。但水生植物群落的存在，为微生物和微型动物提供了附着基质和栖息场所，其浸没在水中的茎叶为形成生物膜提供了广大的表面空间，根系也为微生物提供了基质。

（6）对藻类的抑制和他感作用。生态浮岛的生化他感作用，一方面表现在浮岛上的植物一般个体大，吸收、储存营养物质和利用光能的能力，能与藻类形成竞争，从而抑制浮游藻类的生长；另一方面，某些植物能向水中分泌化学物质，如萜类化合物、类固醇等，来抑制藻类的生长。试验表明，水花生、菱、金鱼藻和浮萍均能不同程度地减少水体中藻细胞数量，促进藻细胞内叶绿素a的破坏与脂质过氧化物含量升高，抑制超氧化物歧化酶(SOD)的活性，从而抑制了藻类的生长。叶居新、何池全等发现凤眼莲根系的分泌物能使栅藻叶绿体、线粒体肿胀、解体，胞内可溶性蛋白及光全速率急剧下降，从而破坏其生长。

（7）气体传输和释放作用。水生维管束植物可以通过植株枝条和根系的气体传输和释放作用，将光合作用产生的氧气或大气中的氧气输送至根系，一部分用于植物的呼吸作用，另一部分通过根系向根区释放，扩散到周围缺氧的环境中，在还原性的底泥中形成氧化态的微环境，加强根区微生物的生长和繁殖，促进好氧生物对有机物的分解，并有助于硝化菌的生长，水生植物的根系在浮岛载体底部的扩展有利于微生物特别是好氧细菌向湿地深处分布。

5.3 剑河生物浮岛技术选择

（1）浮岛类型选择。人工浮岛可分两种。水和植物接触的为湿式，不接触的为干式。干式浮岛因植物与水不接触，可以栽培大型的木本、园艺植物，通过

不同木本的组合，构成良好的鸟类生息场所，同时也美化了景观。但这种浮岛对水质没有净化作用。一般这种大型的干式浮岛是用混凝土或者用发泡聚苯乙烯做的。湿式浮岛又分有框架的和无框架的，有框架的湿式浮岛，其框架一般可以用纤维强化塑料、不锈钢加发泡聚苯乙烯、特殊发泡聚苯乙烯加特殊合成树脂、盐化乙烯合成树脂、混凝土等材料制作。据统计，到目前为止，湿式有框架型的人工浮岛比例较大，占了70%。无框架浮岛一般是用椰子纤维编织而成的，对景观来说较为柔和，又不怕相互间的撞击，耐久性也较好。也有用合成纤维作植物的基盘，然后用合成树脂包起来的做法。剑河生物浮岛的首要建设目的就是为了净化水质，因此只能选择湿式生物浮岛。

（2）浮岛载体选择。人工浮岛载体的发展历经了3个时代，早期浮岛载体基本上是采用木材、竹子、芦苇等天然材料制作的；第二代采用的是发泡塑料等有机高分子材料，研发的领跑者是以德、美、日为代表的西发达国家。其中，位于德国的AqviaGreen和美国的Interrtdtional FloatingIslands将高分子浮岛载体设计和生产发展到极致。日本的浮岛载体一般采用纤维强化塑料、不锈钢加发泡聚苯乙烯、特殊发泡聚苯乙烯加特殊合成树脂、盐化乙條合成树脂等材料制作，造价很高。由于有机高分子材料的制作工艺非常成熟，价格低廉，安装、运输和改型方便，所以在水净化工程中能被广泛使用，目前仍然是浮岛载体的主流材料。但这种载体的比表面积小，不利于微生物挂膜，容易损坏，废弃后便造成二次环境污染。第三代浮岛载体尚处于实验室开发阶段，其材料是应用于污水处理和水质净化领域的一类无机材料，目前的技术难点翻在于这种类型的滤料都是颗粒状材料，要将其做成具有一定规模的浮岛载体，还存在着较大的技术障碍。考虑到第三代浮岛载体尚没有成熟的产品，剑河生物浮岛工程材料可以选择有机高分子材料，如聚苯乙烯和PVC等材料。

（3）浮岛的规模选择。人工浮岛的布设因目的与环境的不同，规模也不同。目前还没有固定的公式可套。研究结果表明，提供鸟类的生息环境至少需要1000m2的面积；若是以净化水质为目的，覆盖水面的25%?30%是很必要的。剑河生物浮岛拟布设地为下游新区段河库混流区的回水湾地带，常水位下总水面积约320亩(21.44万m2)，浮岛面积应在5.36万m2以上。

（4）浮岛单元形状选择。一般为长方形、三角形、菱形，面积一般为2?