論河流生物－－生態(tài)修復(fù)技術(shù)的內(nèi)涵、外延及其應(yīng)用

1、論河流生物生態(tài)修復(fù)技術(shù)的內(nèi)涵、外延及其應(yīng)用    摘要：本文對生物-生態(tài)修復(fù)的概念及其內(nèi)涵和外延進行了有益的區(qū)分和探索，對不同工程技術(shù)的使用場合和應(yīng)用現(xiàn)狀進行了分析和歸類。通過實例，簡要介紹了不同受勛水體的修復(fù)技術(shù)及其效果，以及技術(shù)特征和應(yīng)用前景等。  關(guān)鍵詞：生物 生態(tài) 修復(fù)技術(shù) 內(nèi)涵 外延 應(yīng)用  1 概念、定義及主要特點 何謂“生物-生態(tài)修復(fù)”，它的內(nèi)涵和外延應(yīng)該如何確定，以及不同技術(shù)措施的作用、效果和聯(lián)系如何，等等?；卮疬@些問題對推進和實

2、施河流生物-生態(tài)修復(fù)工作具有重要意義。 1.1 河流生物修復(fù) 生物系指有生命的物體。一般指動物、植物和微生物。有時專指微生物，如生物制劑、生物制品等等。污水生物處理和河流生物修復(fù)中的“生物”，一般專指“微生物”，不包括“植物”和“動物”。廣義的生物修復(fù)也包括“動物”和“植物”修復(fù)。 生物修復(fù)是指利用微生物的生命代謝活動減少存于環(huán)境中有毒有害物質(zhì)的濃度或使其完全無害化，使污染了的環(huán)境能部分或完全恢復(fù)到原始狀態(tài)的過程。它包括：污染土壤的生物修復(fù)；污染河流的生物修復(fù)；污染湖泊的生物修復(fù)；污染地下水的生物修復(fù)；污染海洋的生物修復(fù)；污染大氣的生物修復(fù)；固體廢物污染

3、的生物修復(fù)等。 河流生物修復(fù)是指用微生物或微生物菌群來降解河流水體中的有機物或有毒有害物質(zhì)，如COD、BOD5、有機氮或氨氮、石油類、揮發(fā)酚等，或使這類物質(zhì)變成無毒的、無害的，如二氧化碳、氮氣或水等，從而使河流水質(zhì)得到改善，河流生態(tài)得到恢復(fù)或修復(fù)。生物修復(fù)已成功應(yīng)用于土壤、地下水、河道和近海洋面的污染治理。 河流生物修復(fù)工程是指利用生物修復(fù)技術(shù)在河道內(nèi)或河道傍側(cè)修建或?qū)嵤┑闹荚诟纳坪恿魉|(zhì)、治理河流污染的工程或非工程的技術(shù)手段。它包括：河道或水庫內(nèi)，以及壩、陂前的增氧曝氣工程，用于改善或處理河流水質(zhì)的河流傍側(cè)工程、河流底部工程，以及直接向河道內(nèi)投放特種、高效菌種或利用特種、

4、高效菌種直接凈化河流水質(zhì)的工程技術(shù)等。 1.2 河流生態(tài)修復(fù) 生態(tài)指生物在一定自然環(huán)境下生存和發(fā)展的狀態(tài)，也指生物的生理特性和生活習(xí)性。此概念下的“生物”，一般不包含“微生物”。 生態(tài)修復(fù)是指利用生態(tài)工程學(xué)或生態(tài)平衡、物質(zhì)循環(huán)的原理和技術(shù)方法或手段，對受污染或受破壞、受脅迫環(huán)境下的生物（包括生物群體，下同）生存和發(fā)展?fàn)顟B(tài)的改善、改良或恢復(fù)、重現(xiàn)。其中包含對生物生存物理、化學(xué)環(huán)境的改善和對生物生存“鄰里”、食物鏈環(huán)境的改善等。 河流生態(tài)修復(fù)措施主要包含：工程措施。如：生態(tài)河道、生態(tài)堤岸、人工濕地和人工產(chǎn)卵場、越冬場、育幼場、回游通道，以及河道內(nèi)增

5、氧曝氣等等；生物措施。如：植物生態(tài)修復(fù)措施，動物生態(tài)修復(fù)措施，生物增殖、放流技術(shù)等；綜合措施。如：微生物修復(fù)與植物、動物修復(fù)的結(jié)合，微生物修復(fù)與生態(tài)河道、生態(tài)堤岸的結(jié)合，生態(tài)、生物修復(fù)與保育、管理措施的結(jié)合，河道內(nèi)生態(tài)修復(fù)與河道外濕地修復(fù)的結(jié)合，陸地水土保持、生態(tài)修復(fù)與河流生態(tài)修復(fù)的結(jié)合，等等。 1.3 河流生物修復(fù)與河流生態(tài)修復(fù)的異同 目標(biāo)和對象不同：河流生物修復(fù)的對象是水質(zhì)；目標(biāo)是改善河流水生生物生存、生活和繁衍、發(fā)展的水質(zhì)條件。河流生態(tài)修復(fù)的對象是水生生物生存和發(fā)展的整個環(huán)境，包括水量、水質(zhì)、水位、流速、水深、水溫、水面寬度，漲水、落水時間，以及產(chǎn)卵場、越冬

6、場、育肥場        、回游通道的修復(fù)或恢復(fù)等等；目標(biāo)是為水生生物或特有的生物種群提供良好的生和發(fā)展環(huán)境。 所采用的技術(shù)和手段不同：生物修復(fù)的技術(shù)核心是微生物及微生物使用和利用等。生態(tài)修復(fù)的核心技術(shù)是生態(tài)工程學(xué)和生物、生命科學(xué)等。 兩者的共同點和不同點：生態(tài)修復(fù)可以包含生物修復(fù)，生物修復(fù)可以是生態(tài)修復(fù)的一個部分或一項主要內(nèi)容；兩者的共同點或共同目標(biāo)都是改善或改良生物的生存和發(fā)展環(huán)境。不同點是：生物修復(fù)是針對水體污染的修復(fù)，生態(tài)修復(fù)是針對水生生物及其生存環(huán)境的整體修復(fù)。 對于污染嚴(yán)重

7、，并有產(chǎn)卵場、育幼場、越冬場或回游通道損傷及破壞的河流，一般應(yīng)首先采取生物修復(fù)技術(shù)恢復(fù)河流水質(zhì)，然后采取生態(tài)修復(fù)措施恢復(fù)河流生物棲息地和回游通道等。 1.4 河流生物修復(fù)工程與城鎮(zhèn)污水處理廠的異同 相同點和不同點：河流生物修復(fù)是利用微生物凈化污水的特點和規(guī)律，對受污染水體（河流）進行凈化處理的技術(shù)；城鎮(zhèn)污水處理廠是利用微生物凈化污水的特點和規(guī)律，對用管道收集到的社區(qū)污水進行凈化處理的技術(shù)。城鎮(zhèn)污水處理廠的出水可排入河流，也可用作市政回用、沖廁、農(nóng)灌等等；河流生物修復(fù)工程處理過的河水一般必須重新流入河道。兩者的相同點是技術(shù)內(nèi)涵完全一致，不同點是工作對象的來源和工作成

8、果的服務(wù)對象。 由于污水處理廠工程和生物修復(fù)工程所處理或針對的水源不同和處理后的水量所服務(wù)對象不同，從而導(dǎo)致了污水處理廠工程與河流生態(tài)修復(fù)工程在建設(shè)地點、規(guī)模、工藝流程、產(chǎn)品形態(tài)、表現(xiàn)形式等諸多方面的差別。一般情況下，城市污水處理廠的進水污染物濃度高、變化小，河流生物修復(fù)工程所針對的河水濃度相對較低、變幅很大；在水量方面，河流生物修復(fù)工程面臨的變化更大。因而，在工藝設(shè)計中，一般要求河流生物修復(fù)工程具有更強的耐沖擊能力和防堵塞能力等。 1(/).5 河流生物修復(fù)與河湖污染直接凈化和“就地生物處理”的異同 除了河流生物-生態(tài)修復(fù)之外，河湖污染直接凈化、“就地

9、生物處理”等詞語也經(jīng)常被有關(guān)專家推崇和一些學(xué)者“炒作”。筆者認為：河湖污染生物修復(fù)工程技術(shù)與河湖污染生物直接凈化工程技術(shù)、河湖污染“就地生物處理”工程技術(shù)，在內(nèi)涵和外延方面沒有明顯的區(qū)別，其實質(zhì)都是利用生物處理技術(shù)就地治理河湖水質(zhì)污染，其表現(xiàn)形式也是相互包含或完全一致的。 1.6 河流生態(tài)修復(fù)與傳統(tǒng)河流整治工程的異同 河流生態(tài)修復(fù)工程的目標(biāo)是：修復(fù)或恢復(fù)受到污染、破壞或工程脅迫的水生生物的生存和繁衍的物理、化學(xué)和水文環(huán)境，及其“鄰里”依存和食物鏈的關(guān)系。傳統(tǒng)河流整治工程的目標(biāo)是：防治洪水決堤、漫溢和確保人類社會、經(jīng)濟和生命財產(chǎn)安全；或者是保證河流的航運能力等經(jīng)濟功

10、能。兩者的直接目的和目標(biāo)雖然相差甚遠，但其工作的對象卻完全一致，即都是將工程的措施作用于河流或河道。因而兩者的設(shè)計和實施過程，必然會存在著諸多的不同、對立和矛盾。這種對立和矛盾必須通過目標(biāo)分析和不同學(xué)科人員之間的溝通、協(xié)調(diào)和共同努力進行解決。因為兩者的最終目標(biāo)都是為了人類自己。 為此，從20世紀(jì)70年代開始，發(fā)達國家科技界和工程界針對水利工程對河流生態(tài)系統(tǒng)的負面影響，開發(fā)研究了河流生態(tài)恢復(fù)的理論和技術(shù)。從而，確立了解決這種矛盾和對立的基本方法和規(guī)則。河流生態(tài)工程在德國稱為“河流生態(tài)自然工程”，日本稱為“多自然型建設(shè)工法”，美國稱為“自然河道設(shè)計技術(shù)”。與之相應(yīng)，一些發(fā)達國家在河道整治

11、工程和堤防工程設(shè)計、施工規(guī)范中增加了河流生態(tài)建設(shè)的內(nèi)容，或者頒布了專門的河流生態(tài)        工程設(shè)計導(dǎo)則。依據(jù)這些導(dǎo)則和方法，河道水利工程在滿足防洪、防災(zāi)和經(jīng)濟目標(biāo)的同時，可以兼顧河流生態(tài)修復(fù)和恢復(fù)需求。  2 不同技術(shù)措施的適應(yīng)性評價及其合理使用2.1 對受污染河流的適應(yīng)性河流污染治理一般應(yīng)從源頭做起。但源頭治理能力也是有限的。以深圳河（含深圳灣，下同）的污染治理為例，截止2003年底，該流域已建污水處理廠四座，設(shè)計污水處理能力為142萬m3/d，比當(dāng)年實際污水排放量1

12、25萬m3/d高 16.6%。然而，深圳河水質(zhì)依然黑臭，常年處于劣類的狀態(tài)。通過分析認為：污水截流不徹底和深圳河納污能力過小是主要原因，除此之外，還有城市面源和部分城區(qū)尚未截流等原因。一般認為，對于類似深圳市自然環(huán)境和社區(qū)經(jīng)濟布局的城市，污水截流管網(wǎng)健全，城市污水截流率可以達到90%，最高很難超過95%。深圳市河流枯水期的污水量遠遠大于徑流水量，有10%的未截流污水，加上面源污染等因素，河流依然黑臭，應(yīng)該是在情理之中的。除此之外，還有城市污水管網(wǎng)收集不到的邊緣村鎮(zhèn)污水，以及城市污水處理廠對氨氮、總氮、總磷的去處能力十分有限等，也是需要實施河流污染生物-生態(tài)修復(fù)的主要原因。河流污染生物

13、-生態(tài)修復(fù)與城市污水處理廠相比，主要優(yōu)點在于：不需要占用城區(qū)土地或優(yōu)質(zhì)耕地；不需要高于城市污水廠投資數(shù)倍的管道網(wǎng)絡(luò)及其維護；距城市居民區(qū)一般相對較遠，不擾民或者較少擾民等。然而，河流污染生物-生態(tài)修復(fù)在治理污染方面，僅僅是對城市污水處理廠的補充，而不能代替城市污水處理廠。因為大量、高濃度城市污水采用污水處理廠治理比采用河流生物-生態(tài)修復(fù)治理經(jīng)濟的多。在河流生物-生態(tài)修復(fù)措施中，對于污染相對嚴(yán)重的河流，使用生物（微生物）修復(fù)比生態(tài)修復(fù)工程措施要優(yōu)越得多。在生物修復(fù)工程中，河底工程和河道傍側(cè)工程一般有微生物固定化的措施，比采用沒有微生物固定化措施的河中曝氣或直接投加微生物的效果好得多。在使用的微生

14、物菌種方面，使用有針對性的高科技微生物菌種，比使用自然微生物菌種的效果好得多。2.2 對富營養(yǎng)化水體的適應(yīng)性湖泊、水庫和河口、海灣、近海的富營養(yǎng)化，是人類社會的一個難題。城市污水處理廠和河流生物修復(fù)的辦法，對有機污染物的治理效果十分顯著，但當(dāng)有機物被氧化、分解和揮發(fā)、無害化之后，總是仍有相當(dāng)部分已經(jīng)無機化的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)不能得到去除。對于無機磷污染物，采用化學(xué)的辦法基本可以得到有效；對于無機氮污染物，目前還沒有比較好的處理方法。這些營養(yǎng)物質(zhì)進入湖泊、水庫、河口、海灣、近海等緩流水體后，在適宜的環(huán)境條件下，會使水體中某些藻類或植物瘋長，產(chǎn)生水華、赤潮和富營養(yǎng)化，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難和

15、水生生物死亡，以及造成湖泊水面萎縮、甚至消失等。氮、磷元素是植物生長必需的營養(yǎng)物質(zhì)。因而，治理氮、磷最好辦法是植物生態(tài)處理或植物生態(tài)修復(fù)。對于城市而言，土地是制約植物生態(tài)處理和修復(fù)的重要因素。充分利用河灘、湖灘、海灘、海灣及其它濕地，以及荒地、林地、草地等治理氮、磷污染是重要的。對專門用于治理氮、磷污染的濕地而言，在海灘、海灣、河口和淺海，以紅樹林和海帶植物比較好；對陸域濕地，以蘆葦、茭草、蒲草、茭白等植物比較好。對河、湖、水庫、海灣、海岸進行生態(tài)修復(fù)，必須滿足防洪、防潮和景觀等要求。2.3 對水利工程脅迫的適應(yīng)性水利工程對河流生態(tài)的脅迫主要表現(xiàn)在兩方面：一是河道、航道整治使自然河流

16、渠道化，從而破壞水生生物的產(chǎn)卵場、棲息地和河流形態(tài)的多樣化，以及減弱河流的自然凈化能力和        破壞岸邊生態(tài)系統(tǒng)；二是水壩建設(shè)使自然河流非連續(xù)化，從而淹沒生物產(chǎn)卵場、棲息地和阻斷魚類的回游通道，以及降低河流的自然凈化能力和破壞河流形態(tài)的多樣性等等。對此，可采用河道、河型多樣化的生態(tài)修復(fù)措施，設(shè)置人工產(chǎn)卵床，建設(shè)人工產(chǎn)卵場、棲息地和回游通道，以及人工放流等措施緩解。水利工程對河流生態(tài)的脅迫主要是生物生境和生態(tài)條件的改變，因而，修復(fù)的措施以河流生態(tài)水工學(xué)和水生生物增殖、放流措施為主。3 河流生物修復(fù)的

17、技術(shù)類型及其應(yīng)用3(工學(xué)/水利工程 論文 /).1 河道底部生物處理修復(fù)工程以深圳市大沙河河底式生物處理工程為例。該工程坐落在深圳市南山區(qū)大沙河大學(xué)城河段，設(shè)計污水處理能為4000m3/d，設(shè)計水流停留時間4.8h。采用的處理技術(shù)為日本 “自然循環(huán)方式水處理系統(tǒng)技術(shù)”。該技術(shù)的創(chuàng)新特點是利用自然土壤和水田對污水凈化的原理，不使用任何化學(xué)藥品，通過使用石頭、木炭、塑料球以及經(jīng)過特殊加工的木炭（生物炭），作為凈化過濾材料達到綜合凈化污水的目的。該工程的主要設(shè)施由6個單元組成，分別為污泥儲存單元、水量分流單元、接觸沉淀單元、接觸曝氣單元1、接觸曝氣單元2和出水整理脫色脫臭單元等。

18、通過這幾個單元的組合，可以高度去除污水中的BOD、COD、SS和LAS（陰離子界面活性物質(zhì)），同時，也能有效去除氨態(tài)氮。處理效果見表1。3.2 河道傍側(cè)生物處理修復(fù)工程北京二道河傍側(cè)生物處理與修復(fù)工程。該工程坐落在北京市順義區(qū)首都機場附近，設(shè)計日處理污水量1.7萬m3/d，采用的處理技術(shù)為固定化高效微生物曝氣生物濾池（簡稱I-BAF）。該工程屬實驗工程，僅有一個長100m、寬6m、有效水深5.5m的長條形曝氣生物濾池，有效池容3300m3，停留時間4.7h。濾池內(nèi)填裝網(wǎng)狀懸浮大孔載體，載體高度3.2m。工程的前處理部分僅有一個格柵和一個用堆石壩攔截污水形成的回水區(qū)，依次起到穩(wěn)定取水和

19、沉淀泥沙的目的。處理效果見表2。另外，日本江戶川支流坂川古崎凈化場，韓國漢江支流良才川水質(zhì)凈化廠等河道傍側(cè)工程的處理效果也很好。3.3 河道內(nèi)曝氣和高效微生物處理修復(fù)工程河道水體人工曝氣復(fù)氧是一種有效的河流生物-生態(tài)修復(fù)技術(shù)。20世紀(jì)60年代起，國外已有不少國家應(yīng)用人工曝氣復(fù)氧改善河流水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境。如，德國的魯爾河、萊茵河，英國的泰晤士河、特倫物河，美國的福克斯河、佛博河及威斯康星河等，均有成功的工程范例。在國內(nèi)，上海環(huán)境科學(xué)研究院對蘇州河水體進行了實驗室研究，結(jié)果表明，即使黑臭程度高的河水，在有氧條件下20小時后臭味也可基本去除，水體顏色明顯改觀，COD、BOD濃度大幅下降。微生

20、物作為河流生物修復(fù)技術(shù)的核心，國外的開發(fā)研究很多。美國、英國、加拿大、日本、巴西等國家，已有上百種商品化的微生物制劑可供選用。根據(jù)實驗結(jié)果，在處理特種廢水方面，高效微生物比普通微生物高幾倍到十幾倍，而且還能夠處理普通生物法不能處理的廢水。在城市污水方面，使用高效微生物除具有良好的COD、BOD5去除效果外，還具有良好的脫氮除鱗效果。將高效微生物直接用于河流水質(zhì)修復(fù)，成本較高，容易造成流失和浪費，目前國內(nèi)使用的不多。但通過微生物固定化技術(shù)或生物濾池技術(shù)，使用高效為生物的實例國內(nèi)已有許多。  4 河流生態(tài)修復(fù)的技術(shù)類型及其應(yīng)用4.1 山區(qū)河流的生態(tài)修復(fù)山區(qū)河

21、流比降大、水流急，寬深比小，來沙量遠遠小于挾沙量，河床往往有大石塊和不均勻的麻砂組成。經(jīng)過自然發(fā)育后，往往形成階梯深潭結(jié)構(gòu)的        河道形態(tài)。階梯深潭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定了河床，從而穩(wěn)定了岸坡，在一定的溫度和降雨條件下兩岸有發(fā)育良好的植被，河流底棲動物密度比鄰近的具有同樣氣候水文條件但不發(fā)育階梯-深潭結(jié)構(gòu)的河流高出1000多倍，生物多樣性指數(shù)也大得多。這是由于階梯-深潭創(chuàng)造了多樣性的生物棲息地的緣故。目前，德國、日本和我國的臺灣等，都在模擬使用階梯-深潭結(jié)構(gòu)治理山區(qū)河流和修復(fù)河流生態(tài)。4.2 生態(tài)護岸工程生態(tài)

22、護岸的目的在于為野生動物提供棲息地和隱蔽場所，保障自然環(huán)境和人居環(huán)境的和諧統(tǒng)一，對河岸進行加固，防治河道淤積、侵蝕和下切等。生態(tài)護岸材料主要有：石頭、木材、多孔混凝土構(gòu)件和自然材質(zhì)制成的柔性結(jié)構(gòu)等等。在設(shè)計新材料護岸時，應(yīng)確保水流作用下的結(jié)構(gòu)安全，選擇能夠適應(yīng)河流長期演變的結(jié)構(gòu)形式，與河灘地和丁壩組合在一起保護護岸穩(wěn)定。我國深圳市已建人工濕地生態(tài)修復(fù)與處理工程數(shù)座，對COD的去除率一般可達70%80%，對氨氮的去除率一般可達50%60%。每1m3/d處理能力的占地面積大約為3m2。4.4 人工產(chǎn)卵場、棲息地和回游通道工程過魚設(shè)施的基本原理是利用魚類的向流（逆流）行為，人工創(chuàng)造更大的流

23、速，將魚誘入進口，讓魚類自行溯游過壩，或運用各種手段運送過壩，主要有魚道、魚閘、升魚機、集運魚船等。人工模擬產(chǎn)卵場、棲息地是指在壩下附近的支流或人工渠道內(nèi)，模擬產(chǎn)卵場、棲息地要求的環(huán)境，讓魚類自行進入產(chǎn)卵場或棲息地（下圖為某河流上的魚類洄游通道）。4.5 人工增殖站和生物放流工程人工繁殖放流是指建立人工產(chǎn)卵場，收集和培育親魚，人工催青，人工孵化育苗，培育魚種，將一定規(guī)格的幼魚放入壩下河流，讓其下海生長。目前國內(nèi)外都十分重視設(shè)置人工增殖站，開展人工增殖、放流工作，用于解決水壩對水生生物的阻隔。水庫修建后，營養(yǎng)物質(zhì)在庫內(nèi)富集，浮游生物迅速生長，如果不能很好利用，將會自然死亡，惡性循環(huán)，從而造成富營養(yǎng)化和水質(zhì)污染等。按照生態(tài)平衡原理，合理投放食用不