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生态工程

添加时间:2018-02-26????  作者:河北省水文工程地质勘查院????  浏览次数:0

杜晓丽

北京建筑大学环境与能源工程学院副教授

大家好,今天我们来讲述一下生态工程相关的内容。那么一说生态工程,生态工程的具体概念是什么呢?是指的人工设计的,以生物种群为主要结构组份,具有一定功能的、宏观的、人为参与调控的工程系统。

生态工程的设计和运行,已经逐步进入到生态参数的定量分析阶段。比如说生态工程的能流过程分析、物质循环和平衡分析,那么它最终的可能都是要建立生态过程的数学模型,使生态系统当中的物质、能量在空间、时间和数量方面达到最优化。

比如如放养控藻型生物、构建人工湿地和水生植被开发等水体生物——生态修复技术是当前水环境技术的研究开发热点。主要就是通过我们按照仿生学的理论,对自然界恢复它的能力和自净能力的强化,可以说是按照自然界的规律去恢复自然界的本来面貌,强化自然界自身的自净能力,去治理被污染的水体。那么这是人与自然和谐的,合乎逻辑的一种思路,也是一条创新的技术路线。那么在这个过程当中所使用的这个方法,就是生态工程的理念。

那么接下来我会就生态工程在河流污染治理中的应用,在湖泊污染治理中的应用,以及在地下水治理的应用逐一做一个介绍。最后呢我会就我们常常采用的一种生态工程技术,人工湿地技术做一个简要的一介绍。

那么生态工程,现在在水体污染治理当中的应用,是非常非常多的。主要原因是由于目前我国水生态系统受损严重,超过60%的河流、湖泊和湿地生态系统的结构和功能遭到不同程度的破坏。随着水生态修复理论的不断完善和深入,近年来生态修复技术在水体污染治理这个方面发展较快。那么水体污染的生态修复技术是生态工程技术的一个分支,其基本含义是根据水生生态学及恢复生态学基本原理,对受损的水生态系统的结构进行修复,促进良性的生态演替,达到恢复受损生态系统生态完整性的一种技术措施。

一、生态工程在河流污染治理中的应用

(一)我国河流污染现状

接下来咱就看一下,生态工程在水体污染治理当中,当采用了哪些方法。那么首先我们来看一下,生态工程在河流污染治理中的应用。那么我们国家的河流污染是非常非常严重的,从我们国家的淡水资源来说,我们国家的淡水资源总量大约占到全球的第四位。但是呢由于我们国家的人口非常的多,因此人均用来才排110位,那么是水资源最贫乏的国家之一。我们国家大约拥有了5000多条这个流域面积在100平方公里以上的河流,绝大多数已经遭受到了不同程度的水污染的侵害。包括长江在内的七大水系,无一幸免,全部遭受了水污染。

根据我们国家环保总局公布的相关数据显示,七大水系,处在列五类的水所占的比例大约为27.9%,河流污染主要以有机类污染物为主。主要的污染物是氨氮、生化需氧量和高锰酸钾指数还有挥发酚等等。

那么我们可以从这两张图可以看出,珠江啊它是我们广州的这个母亲河,可以看出这个珠江的污染是非常非常严重的,多年污染,使得这个珠江一度成为这个臭江、黑江。很多人都不愿意从这个江边走,令人望而却步。

(二)生态工程在河流污染治理中的具体应用

那么生态工程在这个河流污染当中,是如何来应用的呢?如何来恢复这个河流的原来的本来的面目呢?可以通过这个以下的方法。那么第一个方法就是河道补水,第二个方法是人工增氧。第三个方法就是构建生态工程。第四个方法就是底泥疏浚。那么这几个方法主要做的目的呢,就是为了修复受损的生态,恢复这个受损的生态功能,对生态系统进行防护,保护这个水域的安全。

比如说河道补水,河道补水主要有哪些功能呢?它可以通过这个抽水储存的这个措施,或者是有这个水工构筑物合理运行来加大枯水的流量,增加河流的这个稀释能力。

从生态工程的角度来说,应该在流域内种植草、树,增加这个地下水的含氧量。然后储水工程也应该优先考虑这个地下工程,以减少水分蒸发损失。这是河道补水,它可以做到这些功能。那么仅仅靠河道补水,是不能对河流污染进行综合治理的。

第二个治理的方法,是人工增氧。增氧是近年来污染的河流当中,一种非常非常常用的应急的方法。尤其是对城市水环境的整治起到了一定的作用。

由于这个城市河流污染的类型,大多是属于这个有机污染物的污染。连水体的这个黑臭是这个无氧的时候,这个厌氧菌的作用的结果。因此可以对这个河流水体采用这个人工增氧的方式进行撑氧,加速水体的附氧的过程,以改善水质。它可以消除水体的黑臭,改善水质恢复生态平衡。也就是说经常我们会看到,在一些受污染的河流,有一些人工增氧机,这些人工增氧机主要发挥的这个作用,就是复氧的作用,使得微生物尽快的消耗水体当中的这些有机污染物,恢复水体原来的本来的面目。这是第二种,在河流污染当中的生态工程的应用。

第三种应用,我们统称为生态工程。其实它就是使生态系统的构建。生态系统的构建主要是通过恢复河岸的植被,利用芦苇这些水生植物,提高这个水域的净化能力,恢复河道的天然湿地。

那么也可以利用生物膜自净原理在河道内铺设一些卵石,进而改变水环境生态链结构的单一性。我们国家生态工程的图形主要有三个方面。第一个方面就是这个物质能量的多层利用工程。那么第二个呢有这个桑基鱼塘的水陆交互补偿工程。第三个就是工业城市废物的再生利用工程。

比如说以桑基鱼塘的这个利用工程来为例来讲。桑基鱼塘是怎么来实现这个河流内部污染物的去除的呢?它是在池中养鱼,在这个桑基鱼塘当中养鱼。吃梗来种桑这么样一种综合养鱼的方法。主要是蚕纱产生的这个,这个蚕的这个粪啊在喂鱼,塘的泥呢,塘底部产生的这个塘泥呢在肥丧,栽桑,那么养蚕、养鱼三者结合,形成了这个桑、蚕、鱼、泥互相依存、互相促进的这么一个良性循环,避免了水涝,营造了一个非常理想的这个生态环境,也收到了理想的经济效益。同时呢还减少了这个环境污染,主要就是在池塘当中养鱼,然后池塘的边上呢种蚕,种桑树,然后桑树呢可以养蚕,那么蚕的这个粪呢再来喂鱼。而你这个塘里边,鱼塘里边产生这个底泥呢再来把它施肥,作为这个桑树的这个肥料,这么来形成这么一个循环,有机的一个循环,使得这个环境污染减少。这是我们来构建这个生态的系统,也就是说我们要在河流的内部构建一个良好的食物链,使得小鱼可以被大鱼吃,大鱼可以被再大一点儿的这种吃,形成了这个食物链,鱼粪可以来作为这个底泥的一些微生物的养料,形成这么一个生物链,然后使得河流的功能呢恢复,这是生态功能。

最后一个生态技术叫底泥疏浚,底泥疏浚是我们国家河流污染治理常用的一种手段。主要是通过清除合乎水体中的污染的底泥,清除污染水体的内源,减少底泥污染物向水体的释放。并且呢结合生态修复的一些技术,然后实现它的疏浚。也就是说,它既有这个环保疏浚的特征,可以清除湖泊的这个底泥,那么同时呢还可以为水生生物态系统的恢复呢创造条件,然后实现这个河水的改善。那么也就是说底泥疏浚的过程,主要是基于什么原因呢?基于我们在河流当中有一些污染物,它经过长期的运转,可能会沉积于底泥。一旦水体受到了外界的一些影响因素,比如说刮大风等这些水利扰动,会使得原本沉积在这个底泥当中的污染物呢,发生再释放的现象。再释放之后,就会使得这些污染物再回到河水当中去。因此我们就必须对这些底泥进行处理,对底泥进行处理,就把它挖走,然后减少它向河流内部释放的可能。那么这两张图片,就是我们国家在采用底泥疏浚的方式,减少污染物的排放。那么以上这四种方法,就使生态工程在河流污染治理当中的应用,也就是通过河道补水、人工的增氧,生态系统的构建,还有底泥疏浚的方法来实现河流的污染治理。

二、生态工程在河流污染治理中的应用

第二个我们来看一看,我们生态工程在湖泊污染治理当中的应用。首先我们来看一下,我们国家湖泊污染的现状。我们国家湖泊的污染,主要以富营养化为特征,也就是说那么它的主要的污染指标为磷和氮,化学需氧量还有高母酸盐指数,大型的湖泊普遍水质非常的差,大约有75%以上的湖泊富营养化非常严重。如我们通常所说的太湖、滇池这些我们国家着名的湖泊,每年都会发生这种蓝藻、绿藻大量爆发的现象。那么经常一到春夏交界之际,整个湖泊都是绿油油的,严重影响了它的美观以及它的水体的功能。使得它作为饮用水,我就没法饮用了,这种现象是非常非常严重的。

针对湖泊污染的这种现象,我们可以采用相应的生态工程,对它进行治理。比如说可以采用生态浮岛、湖滨湿地,生态疏浚,生物操纵等等手段,然后对它进行生态修复,然后恢复湖泊原本的生态功能。

那么首先我们来介绍一下,这个生态浮床。那么生态浮床,我们也叫生态浮岛。它的意思就是来模拟这个生态型的护岸,生态浮岛它是一种针对富营养化的水质,利用生态工学原理降解水中的COD啊、氮、磷污染物的含量。并且它还兼具景观美化和生态净化的功能性的一些景观需求。比如我们通常会看到有一些湖泊的中央,会非常的漂亮,有一些岛。这些岛会种植植物,那么其实在维持他景观的前提下,也在发生着一些污染物的净化的作用。

那么通常人工浮岛可以分为两种,一种为干式浮岛,一种为湿式浮岛。所谓干式浮岛就是指的,植物跟水不接触,可以栽培大型的木本或者是园艺的植物,通过不同的木本组合,构成良好的这个鸟类生栖场所,同时也美化景观。湿式浮岛,就是植物要跟水接触了,那么分为有框架的和无框架的两种。那么这两张图就是干式浮岛的样子,也就是说在这个浮岛当中,植物跟水是不直接接触的,它是建在整个湖中间有一个岛里边。

这两张图就是湿水浮岛,我们看出来浮岛,植物和水是直接接触的,所栽种的植物,往往都是水生植物。那么因为植物的根系呢直接长在了这个湖泊当中。这是湿式浮岛。生态浮岛是在湖泊治理当中,一个非常重要的手段。除此之外,那么我们还有湖滨湿地的构建。那么湖滨湿地的构建,往往需要先对湿地进行选址。一般会建在什么地方呢?建在河道的入湖口,可能存在农业面源污染的隐患,或者是对这个入湖水及其营养物质要求进行过滤净化的情况下,我们可以把它建在河道的入湖口,我们也称为缓冲带。

湿地和水生高等植物,能起到物理阻滞的作用,可以消浪,促使沉积,降低沉积物再悬浮。大量的吸收水体和沉积物当中的营养盐,改变水生网络结构,同时又有资源利用的价值。这是我们洞庭湖的湿地系统构建,可以看出来,通过这个湿地系统的构建,整个的洞庭湖的水质,可以达到一个非常好的改善。

第三种生态工程在湖泊污染治理中的应用,是生态疏浚。湖泊的底泥是水生态系统的重要的组成部分,也是湖泊富营养物质循环的中心环节。那么它是水土界面物质积极的交换带,生态疏浚的目的,就是为了清除高营养盐的表层的沉积物质,对底泥呢进行疏浚的时候,采用特殊的技术和装置,密闭以及抽堤是一个关键的因素,以免呢扰动了底泥,然后降低了疏浚的效果。那么它的意思也就是说跟河流的底泥疏浚类似,在这个过程当中,我们往往要注意不要扰动底泥,以免底泥中的污染物会加速释放,这是我们湖泊底泥疏浚的相关图片。

最后一种生态工程在湖泊污染治理中的应用,我们称之为生物操纵法。生物操纵的对象,主要集中在鱼类,特别是浮游生物食性的鱼类。那么可以通过去除石油、浮游生物者和添加食鱼的动物,降低浮游生物的食性鱼的数量,使浮游动物的生物量增加和体型增大,从而提高浮游动物对浮游植物的设置效率。降低浮游食物的,植物的数量。具体的方法呢有两种,第一种呢我就投放鱼食性的鱼类,间接的来控造。第二种方法,是人工去除浮游动物食性鱼类,以间接控造,解决水体富氧化的问题。生物操纵说白了,还是实现整个湖泊内部的生态系统,构建一个良好的食物链,使得产生的藻类可以被食草性的鱼类大量的进食。那么也就是说我通过添加操纵一些鱼类的投放,使得这些藻类,可以被快速的去除。

这是我们生物操纵法的一个示意图,那我们可以看出来,在湖泊当中,由于光能的作用,会使得湖泊当中的污染物作为这个藻类的这个营养物质,使得藻类大量繁殖。那么在这个里边,我们通过尝试改变鱼类的组成以及它的密度,为主要内容的食物链的调控,然后来调整整个湖泊内部的营养结构,促进湖泊水质的恢复,最简单的方法就是构建食物网,食物链,这是生物操纵的方法。

那么生物操纵的原则,要遵循以下原则。第一个原则就是生物间的互利共生原则,也就是说要利用生物间相生相克的关系,促使良性循环系统中出现的生物种类生长。第二个原则是食物链的原理,也就是刚才咱们说的,构建一个良好的食物网、食物链,维持整个湖泊内部的生态平衡。第三个原则,就是物种的多样性原理,因为我们尽量的在整个体系当中,构建由草到水生植物,再到这个草食性鱼,再到动物性,食动物性的鱼类,再到一些螺类等等,这些多样的物种,然后实现这种复杂的生态系统。因为这种复杂的生态系统,它对污染物的去除才是最稳定的。

总体来说,生物操纵主要就是通过人为放养适当的各类生物,最终使生物恢复到种类繁多均衡,物流能流畅通,自我净化能力增强的一个洁净状态下的生态系统。那么这个就是我们生态工程在湖泊污染中,治理当中常常采用的方法。生态辅床、湖滨湿地、生态疏浚以及生物操纵。

三、生态工程在地下水污染治理中的应用

(一)我国地下水污染现状

接下来咱们看一下生态工程在地下水污染治理中的应用。首先咱们来看一下地下水污染的现状。随着我们经济社会的快速发展,人民生活的水平不断的提高,对地下水资源的需求也是越来越高。但是由于人们对这个生产、生产这个过程当中,所产生的一些固体、气体、液体这些废弃物的处理、处置,并不是很恰当。从不同途径来说,对地下水呢都造成了或多或少的污染。而且这种污染现象还呈现一个日趋严重的趋势。从根本上对人类的发展生存产生了威胁。

比如说我们垃圾堆放,垃圾在长期堆放过程当中会产生一些垃圾渗滤液,这个垃圾渗滤液的污染程度是非常非常高的。这种垃圾渗滤液会顺着土壤往下渗,一直渗透到地下水当中去,对地下水产生污染。那么除此之外,还有我们在刚才说的,在降雨的过程当中,可能会淋洗一些大气当中的污染物,或者说冲刷我们道路上积累的一些污染物,那么这些污染物会随着降雨,下渗到土壤当中去,进而再迁移到这个地下水当中,对地下水造成污染。

通常地下水的污染途径,可以有这几种。比如说我们的这个矿藏埋藏的时候,这个矿物会慢慢慢慢的向四周,土壤四周来渗透污染物,那么这些污染物会渗透到地下水当中去。随着地下水的流动,那么使得地下水的污染范围扩大。或者是我们的湖泊、池塘、沼泽地出现了一些废水的污染。这些废水当中的污染物也会顺着这个池底渗透到这个地下水当中去。除此之外,还有公路当中的含盐物质、垃圾填埋,然后下水道的渗漏,然后一些有毒有害的废水直接排放到深井当中去。那么这些污染呢,都会渗透到地下水当中去,随着地下水的流动,对地下水产生一个非常严重的污染,使地下水污染的范围也逐步的扩大。

(二)生态工程在地下水污染治理中的具体应用

那么通常在生态工程,在地下水治理当中的应用,也可以有几种。第一种为气提技术。第二种叫空气吹脱。第三种是微生物修复。第四种是植物修复。那么这几种方法都是也是通过来修复已经损坏的生态系统恢复它的功能。接下来咱们一个一个来看一下。

首先看一下气提技术。气提技术,它的技术原理就是利用真空泵和井,在受污染的区域诱导产生气流,对它进行向的转变,将有机污染物汽化,提到地面上再进行处理。但是利用气提技术的前提是什么呢?是土壤中污染物质具有挥发性,可以随着气体在土壤中流动,把污染物给抽出来。也就是说气提技术主要是针对一些可以挥发性的物质,那么这些物质它在土壤中易于挥发,我们可以通过提取的方式把它从土壤中提取出来,不要让它随着继续下沉到地下水当中去。那么可以看出来,这个图就是气提反应器它主要的结构,那么通过气提的这个功能,实现一些挥发性污染物抽提。

第二种这个生态工程在地下水污染治理中的应用,是空气吹脱。所谓空气吹脱,是指的在一定的这个压力条件下,将压缩的空气注入这个受污染的区域,将溶解在地下水中的挥发性化合物,吸附在土壤颗粒表面上的化合物,以及阻塞在土壤空隙中的化合物,驱赶出来。也就是说我将压缩空气往下注,注入的过程当中,使得溶解的这些物质,然后吸附的物质,还有阻塞在土壤空隙中的物质,都把它赶出来,实现空气的,污染物的去除,不要让它污染地下水。

具体的吹脱流程,可以是这样的。通过吹脱塔,然后可以在这个原水通过吹脱塔,然后进入缺氧池、耗氧池,最后进入到这个沉淀池,然后再进入到耗氧池2,然后再进入沉淀池2,实现这个出水。那么在这个过程当中,通过缺氧、耗氧两步的这个池子的反应,实现这个污染物的去除。

第三种在地下水污染治理当中的生态工程,我们称之为生物修复。生物修复的具体实施的途径是这样的。利用微生物降解地下水中污染物,将其矿化。生物修复技术呢,可以分为地面生物修复和这个原位生物修复。地面生物处理呢,就是把受污染的这个土壤挖出来,在地面进行处理。原位生物修复,就是跟它相反了,反过来了。就是这个处理过程,不破坏土壤的条件,也不破坏地下水的自然环境的条件,原地对这个地下水进行修复,进行处理。也就是说分为两种,这种生物修复的方法分为两种。第一种,我把受污染的这块土壤或地下水,把它抽出来。抽到地面上,处理完之后再把它送回去,这是第一种。第二种,就是我直接把微生物导入到这个受污染的土壤或者地下水中去,使它这个生物,地下水直接在原位呢进行修复。那么所涉及到的都是利用微生物来作用。但是这个技术,存在一个不足之处。那么也就是说这个技术,由于利用的是微生物的过程,因此呢这个过程呢是相对比较缓慢的,这是我们第三种生态工程在地下水污染治理中的应用。

第四种,是植物修复。植物修复的主要功能,就是具有处理利用植物的根系,然后通过根系的生长、繁殖,使得污染物进行转化。将无机污染物,比如说重金属等等,通过植物生长,吸收到植物体内去,然后再经过收割,实现这个污染物的去除。对有机污染物,也可以通过吸收将它转化成植物的根,叶,茎等等,也可以通过植物的根系进行降解,这是植物修复。它的主要的作用,就是通过植物的生长需要一些物质,需要哪些物质?需要有一些污染物,那么把它从地下水,从土壤当中,然后经过植物吸收,转移到了植物体内。然后再通过这个植物的收割,实现地下水和土壤当中污染物的去除。以上就是生态工程,在地下水污染治理当中的应用,主要有气提,空气吹脱,生物修复和植物修复这几种技术。具体来说,刚才我把生态工程在我们河流水质和湖泊水质,地下水质当中的污染治理当中所用到的技术逐一做了一个介绍。

总体来说,根据这个水生态系统所受胁迫的主要类型可以看出来,水生态的修复技术,大体我们可以划分为两类:第一类就是利用生物生态方法治理,和修复受污染水体的水质。第二类,是与生态友好的水利工程技术,这两类水生态修复技术,目前在我们国家应用都是非常广泛的。并且也产生了一系列的这个较好的经济社会和环境效益。为我们新时期的这个水利的科技发展,也奠定了基础。也就是说我们总体来说,来讲也就是分为两类,第一类就是生物生态方法。第二类是生态友好的水利工程。生物生态方法咱们刚才讲了,比如说生物修复,植物修复等等,生态系统的构建等等这些方法,那么这个水利的方法,就是底泥的疏浚这些方法,属于水利的方法。以上就对生态工程,在水污染治理当中的应用做了一个介绍。

四、常用的生态工程技术——人工湿地

接下来我要介绍一种非常常用的生态工程技术,人工湿地技术。目前,人工湿地在我们国家乃至世界,应用是非常非常广泛的。它作为各种环境系统的生态修复,起到的非常重要的作用。

具体来说,人工湿地技术就是一种由人工建造和监督控制的,与沼泽地类似的这么一种地面,它利用自然生态系统当中的物理、化学和生物三重的协同作用,来实现对水质的净化。这种湿地系统,是在一定的长宽比和这个底面坡度的挖地中,由土壤和按一定坡度充填,一定级别的填料,混合结构的填料床组成的。废水可以在填料床床体的缝隙,填料缝隙当中流动。或者在床体的表面流动,并且与床体的表面,要种植一些处理性能好,成活率高,抗水性强,生长周期长,美观,且具有一些经济价值的水生植物,形成一个独特的动植物生态环境,对废水进行处理。

生态系统来说,人工湿地在其中发挥了什么样的功能呢?人工湿地的水处理效率,远远的高于天然湿地。所以这才是刚才我说的它是一种非常常用的生态工程技术。但是呢人工湿地的这个生物多样性呢,不如天然的湿地。人工湿地呢可以通过人为调控,来提高一些有经济价值的生物的产量。除此之外,不同的湿地对处理同一种污染物的效率是不一样的。人工湿地的出现,使得一些原本我们可以直接排入到自然界的污水呢,得到了一些处理。在一定程度上,也保护了日益减少的天然湿地和日益受污染的地表水系统。

(一)人工湿地的组成

接下来,咱们先看一下人工湿地的组成有哪些。刚才通过人工湿地的定义,我们可以看出来人工湿地的组成通常有植物,有基质,还有填料,还有其他的一些管道系统组成的。除此之外,在人工湿地系统中,附着于植物的根系以及基质上有大量的微生物生存。它们在水质净化的过程当中,也起到了非常非常重要的作用。

那么通常我们用的植物,可以有很多种。比如说有挺水性植物,然后有飘浮性植物,有浮叶性植物,还有沉水性植物等等。挺水型植物呢,它的特点就是,茎是生在底泥当中的,植物的体,上部呢是挺出水面的。那我们日常看到的这个芦苇啊,香蒲啊等等这些植物呢,它就属于挺水性植物。那么除此之外还有这个飘浮植物,飘浮植物很简单,如我们平时可见的这些浮萍,有一些凤眼莲等等。那么也就是说植物的,植物的整体完全都是飘浮于水面的,整个的具有特定的适应飘浮生活的这种组织和结构。也就是说整个植物它不是固定的,在整个过程当中,它可能是飘浮不定的,这叫飘浮植物。第三种植物类型,我们叫浮叶植物。浮叶植物是指的叶片比较大的,仍然是一种飘浮的植物。那么这种植物,叶片会浮于水面,而它的根茎会生在底泥当中,比如说睡莲,就是这样的一种植物。我们看到它的叶片非常大,但是它的底,根呢是生长在底泥当中的,这跟飘浮植物是不一样的。飘浮植物是植物的整体,都是飘浮在水面上的,它可以随着风向,风力的扰动发生牵引漂移,而浮叶植物呢它相对来说是固定一些的。最后一种植物类型,为沉水植物。沉水植物也就是说植物整体是完成沉于水汽界面以下的,它的根扎于底泥,或者是飘浮于水中。比如说我们说的金鱼藻,湖苇藻啊等等这些,都是属于沉水植物。其实很好理解,挺水植物就是站着的,非常挺立的。那么沉水植物就是沉到水里边的。那么浮水植物,就是浮在水面上的植物。那么浮水植物,我们可以分为飘浮植物和浮叶植物。飘浮植物,整个植物整体都是飘浮在水面,而浮叶植物,是根是扎在下面的。这是我们在人工湿地当中,常用的植物类型。

那么在人工湿地当中第二个重要的组成部分是基质,基质和广义上的填料在我们人工湿地上是一个概念,泛指的都是湿地床当中不是由生物构建的,包括表层的土壤和下层的粒石、渣子、废渣等等这些物质。

狭义上来说这个基质,或者这个填料仅仅指表层土壤以下的,粒石、沙子、废石、废渣等等这些物质,是指的整个湿地床中的中下层部分。可以看出,基质这些东西是我们人为或者说人工填充的东西,狭义上来说是人工填充的东西。广义上来说,除了人工填充的这些东西,它还包含着这个土壤层。、

填料在整个湿地系统当中的作用,我们可以分为四个方面。第一个呢就是过滤固体的污染物,可以对污染物进行过滤,起到了一个物理截流的作用。第二个作用,它可以成为湿地系统当中,一些微生物的附着体。微生物可以附着在这上面生长,可以产生一些附着的生物膜。第三个作用,就是为植物的生长提供基质,比如说刚才咱们说的土壤,那么植物如果没有土就没法种植,因此它也可以为植物的生长提供基质。第四个作用,它可以起到吸附磷、重金属等污染物的作用。也就是说它除了以上的作用之外,它也可以直接参与到污染物的去除,直接参与到污染物的去除,就是通过吸附的作用来实现的。

那么基质具有这么多的作用,在实际的工程中,我们如何对它进行选择呢?通常我们湿地基质的选择原则,要遵循以下原则。首先第一个原则是机械强度要比较好。那么也就是说你不能选择机械强度差的这种基质。比如说我水流一冲它就碎了,最后跟着水流就出来了,那么它这样呢也就对水质的一种污染。因此机械强度是我们首要需要考虑的因素。第二个因素是原则,它得具有一定的空间体积以及形态。也就是说它能堆积起来,不能它堆积不起来,是散的,这种情况我们就没法选用它。第三个原则就是具有一定的生物化学及热力学稳定性。这一条也是非常重要的,因此我们在选用基质的过程当中,常常不能选用可能会带来污染的基质。也就是说因为我们在实际的处理过程当中,处理水是干净的,而你的基质如果能产生一些污染物,那么它对水质来说是一种,增加了一种污染。因此选用基质的时候,必须来选择生物化学及热力学稳定性比较好的基质。第四种基质的选择原则,就是化学的组成要好一些。那么也可以是天然的物质,比如说我们天然的土,可以是这样,也可以是具有不同比例的混合的材料。也可以是我们来选用这个粒石、沙子等等,这些来混合起来来做基质,也是可以的。

第五个选择,亲、疏水性和表面电性。亲、疏水性的意思就是说,我对有这个,有对针对某一些污染物的去除,你要选择一些亲、疏水性的基质或者是疏水性的基质。

第六个选择原则是孔隙度及表面粗糙度。为什么要这样说呢?因为我们的水流在基质的空隙当中流动的,因为基质堆积起来之后,一定得有一定的孔隙,维持这个水流的流动。表面的粗糙度是指的基质,发挥了一个可以使得微生物在它表面生长的这么一个功能,那么你的表面粗糙度越大,那么微生物越容易在上面生长附着。如果表面是光滑的,微生物根本长不住,所以说最好选择,最好选择一些表面粗糙度比较大的这些基质。

第七个选择原则,就是基质要有一定的比重。

第八个原则就是它对生物膜的活性呢不能有太大的影响,也就是说它不能杀微生物的作用。

第九个原则就是最好是能够再生的,不能我用完了之后它就废了,废了之后对我们来说呢又产生了一次污染。因此呢在用的过程当中,它是不是可以通过一些技术手段,可以重复利用,那么也就是说它的可再生性也是我们来选择它的原则。

第十个就是它的价格,价格上不能太贵,要不然我们处理的成本会过高,造成投资太大。这是我们人工湿地的第二个组成部分,重要的组成部分,湿地基质的选择。

(二)人工湿地的类型

具体里说,人工湿地有哪些类型呢?人工湿地通常可以有几种类型。第一种类型,我们称为表面流人工湿地。表面人工湿地,它的意思是什么意思呢?是指的在湿水流,是在湿地的表面流动,那么我们也可以称它为水面湿地或者是自由水面的湿地。这种湿地技术呢也是最接近我们自然湿地的这么一种,人工湿地系统。在表面流湿地系统当中呢,污水或者我们要处理的水质,在湿地的表面流动,通常这个水位是比较浅的。然后污水当中的绝大部分的有机物,依靠这个生长在植物水下部分这个茎,杆上的生物膜来完成,这个污染物的去除,也就是说在表流湿地当中,通常其中起主要污染净化作用的是植物水下部分的茎杆上的生物膜来完成。

第二个湿地类型,我们称之为水平潜流人工湿地。水平潜流人工湿地,是潜流人工湿地的一种,是潜流人工湿地的一种。潜流人工湿地顾名思义,就是水潜到了人工湿地内部去做流动的一种湿地系统。那么也可以称之为渗滤湿地系统。因为污水在这个整个床体当中,虽然它潜到了底下去,但是它在床体当中的流动,仍然呈现这个水平流动。因此也称它为这个水平流人工湿地。在潜流湿地系统当中,污水在湿地床的内部流动,可以利用这个填料表面生长的生物膜,然后丰富的一些植物的根系,一些表层土,或者填料的截流等等这些综合作用,来达到这个污染物的去除。

一般来说,潜流湿地的植物根区有三层组成,三层填料组成。第一层是表层土壤,中层砾石和下层小豆石。污水可以经过这个配石系统,在湿地的这个一端均匀的进入填料区。然后在表层土壤上往往种植一些根系发达的耐水植物。这些植物的根系可以深入到表土以下的0.60.7米的砾石层内,并交织成网,与砾石层形成一个非常好的一个透水的系统。水平潜流人工湿地,污水就是由于这样,从一端进另一端出来得名的。与自由表面流人工湿地相比呢,潜流的湿地水利复合是非常高的。对BODCODSS重金属等等污染物的去除效果,也是相对较好的。而且由于污水是在湿地内部流动,因此很少有恶臭和滋生蚊蝇的现象。但是它的脱碳除磷效果,又不如下面我们要讲的这个垂直潜流人工湿地。

垂直潜流人工湿地,也是潜流湿地的一种。那么它这个作用,顾名思义,垂直流呢,就是水流在湿地内部呈现垂直流的状态,而非水平流的状态。垂直流人工湿地,缺乏足够的这个反性化区域。进水中的氨氮呢在消化作用下,可以转化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮排出系统。但是在反硝化作用被植物固定利用的也很少。

一般垂直流的人工湿地为下型流,也就是说水是从上往下流动的。但是呢近些年呢,也发展了一些上型流的潜流湿地系统。目前我们这种类型的湿地系统,还处在实验室的研究阶段,对没有应用到大型的,非常大型的湿地工程的建设当中。

最后一种人工湿地的类型,我们称之为潮汐流人工湿地。潮汐流人工湿地,是近些年来由伯明瀚大学研究,并且提出的。那么是芦苇床根据时间序列交替的,被充满水和排干。那么床水冲水的过程当中呢,床体历时内部间隙的空气被挤出,排水的过程中呢,新鲜的空气又被代入进床体。

伯明瀚大学它的研究结果表明,当你的水被排出芦苇床的时候呢,有机污染物会流在基质内部,使这个时候是氧消耗最大的时刻。因此排水过程中进入的新鲜空气,正好可以看作是去除污染物的氧源,通过这种交替的进水和空气运动,然后氧的传输速率和消耗量呢大大提高。也极大的提高了这个潮汐流人工湿地的这个处理效果。

但是有问题就是,潮汐流人工湿地在处理一段时间之后呢,床体可能被大量的生物所堵塞,限制了这个水和空气的流动,降低了处理效果。所以说在实际的工程设计当中,我们常常采用备用床的方法,实现这个交替运行,也就是说潮汐流人工湿地,是通过这个水的潮汐流,比如说刚开始的时候,水是逐步的不排水,水在湿地系统当中呈现液面逐渐上升的趋势。当你这个液面到达一定位置的时候,快速的打开排水这个阀,使得湿地当中的水快速的被排走,在排走的过程当中,使大气当中的氧被抽吸进到湿地系统内,作用污染物被降解的氧源。整体的这个过程,不管是空气还是水,都是跟大海的潮汐一样,然后进出这么一个过程。因此得名为潮汐流人工湿地。以上就是我对生态工程处理的一个主要技术,人工湿地技术做的一个介绍,主要从人工湿地技术它的功能,它的主要组成,植物的选取,基质的选取,还有人工湿地系统当中主要的分类有哪些,我们通常分为表面流人工湿地,水平潜流人工湿地,垂直潜流人工湿地,和潮汐潜流人工湿地,这几种方式做了一下简单的介绍。

好,今天就讲到这。

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生态工程

时间:2018-02-26 作者:河北省水文工程地质勘查院  浏览:0   

杜晓丽

北京建筑大学环境与能源工程学院副教授

大家好,今天我们来讲述一下生态工程相关的内容。那么一说生态工程,生态工程的具体概念是什么呢?是指的人工设计的,以生物种群为主要结构组份,具有一定功能的、宏观的、人为参与调控的工程系统。

生态工程的设计和运行,已经逐步进入到生态参数的定量分析阶段。比如说生态工程的能流过程分析、物质循环和平衡分析,那么它最终的可能都是要建立生态过程的数学模型,使生态系统当中的物质、能量在空间、时间和数量方面达到最优化。

比如如放养控藻型生物、构建人工湿地和水生植被开发等水体生物——生态修复技术是当前水环境技术的研究开发热点。主要就是通过我们按照仿生学的理论,对自然界恢复它的能力和自净能力的强化,可以说是按照自然界的规律去恢复自然界的本来面貌,强化自然界自身的自净能力,去治理被污染的水体。那么这是人与自然和谐的,合乎逻辑的一种思路,也是一条创新的技术路线。那么在这个过程当中所使用的这个方法,就是生态工程的理念。

那么接下来我会就生态工程在河流污染治理中的应用,在湖泊污染治理中的应用,以及在地下水治理的应用逐一做一个介绍。最后呢我会就我们常常采用的一种生态工程技术,人工湿地技术做一个简要的一介绍。

那么生态工程,现在在水体污染治理当中的应用,是非常非常多的。主要原因是由于目前我国水生态系统受损严重,超过60%的河流、湖泊和湿地生态系统的结构和功能遭到不同程度的破坏。随着水生态修复理论的不断完善和深入,近年来生态修复技术在水体污染治理这个方面发展较快。那么水体污染的生态修复技术是生态工程技术的一个分支,其基本含义是根据水生生态学及恢复生态学基本原理,对受损的水生态系统的结构进行修复,促进良性的生态演替,达到恢复受损生态系统生态完整性的一种技术措施。

一、生态工程在河流污染治理中的应用

(一)我国河流污染现状

接下来咱就看一下,生态工程在水体污染治理当中,当采用了哪些方法。那么首先我们来看一下,生态工程在河流污染治理中的应用。那么我们国家的河流污染是非常非常严重的,从我们国家的淡水资源来说,我们国家的淡水资源总量大约占到全球的第四位。但是呢由于我们国家的人口非常的多,因此人均用来才排110位,那么是水资源最贫乏的国家之一。我们国家大约拥有了5000多条这个流域面积在100平方公里以上的河流,绝大多数已经遭受到了不同程度的水污染的侵害。包括长江在内的七大水系,无一幸免,全部遭受了水污染。

根据我们国家环保总局公布的相关数据显示,七大水系,处在列五类的水所占的比例大约为27.9%,河流污染主要以有机类污染物为主。主要的污染物是氨氮、生化需氧量和高锰酸钾指数还有挥发酚等等。

那么我们可以从这两张图可以看出,珠江啊它是我们广州的这个母亲河,可以看出这个珠江的污染是非常非常严重的,多年污染,使得这个珠江一度成为这个臭江、黑江。很多人都不愿意从这个江边走,令人望而却步。

(二)生态工程在河流污染治理中的具体应用

那么生态工程在这个河流污染当中,是如何来应用的呢?如何来恢复这个河流的原来的本来的面目呢?可以通过这个以下的方法。那么第一个方法就是河道补水,第二个方法是人工增氧。第三个方法就是构建生态工程。第四个方法就是底泥疏浚。那么这几个方法主要做的目的呢,就是为了修复受损的生态,恢复这个受损的生态功能,对生态系统进行防护,保护这个水域的安全。

比如说河道补水,河道补水主要有哪些功能呢?它可以通过这个抽水储存的这个措施,或者是有这个水工构筑物合理运行来加大枯水的流量,增加河流的这个稀释能力。

从生态工程的角度来说,应该在流域内种植草、树,增加这个地下水的含氧量。然后储水工程也应该优先考虑这个地下工程,以减少水分蒸发损失。这是河道补水,它可以做到这些功能。那么仅仅靠河道补水,是不能对河流污染进行综合治理的。

第二个治理的方法,是人工增氧。增氧是近年来污染的河流当中,一种非常非常常用的应急的方法。尤其是对城市水环境的整治起到了一定的作用。

由于这个城市河流污染的类型,大多是属于这个有机污染物的污染。连水体的这个黑臭是这个无氧的时候,这个厌氧菌的作用的结果。因此可以对这个河流水体采用这个人工增氧的方式进行撑氧,加速水体的附氧的过程,以改善水质。它可以消除水体的黑臭,改善水质恢复生态平衡。也就是说经常我们会看到,在一些受污染的河流,有一些人工增氧机,这些人工增氧机主要发挥的这个作用,就是复氧的作用,使得微生物尽快的消耗水体当中的这些有机污染物,恢复水体原来的本来的面目。这是第二种,在河流污染当中的生态工程的应用。

第三种应用,我们统称为生态工程。其实它就是使生态系统的构建。生态系统的构建主要是通过恢复河岸的植被,利用芦苇这些水生植物,提高这个水域的净化能力,恢复河道的天然湿地。

那么也可以利用生物膜自净原理在河道内铺设一些卵石,进而改变水环境生态链结构的单一性。我们国家生态工程的图形主要有三个方面。第一个方面就是这个物质能量的多层利用工程。那么第二个呢有这个桑基鱼塘的水陆交互补偿工程。第三个就是工业城市废物的再生利用工程。

比如说以桑基鱼塘的这个利用工程来为例来讲。桑基鱼塘是怎么来实现这个河流内部污染物的去除的呢?它是在池中养鱼,在这个桑基鱼塘当中养鱼。吃梗来种桑这么样一种综合养鱼的方法。主要是蚕纱产生的这个,这个蚕的这个粪啊在喂鱼,塘的泥呢,塘底部产生的这个塘泥呢在肥丧,栽桑,那么养蚕、养鱼三者结合,形成了这个桑、蚕、鱼、泥互相依存、互相促进的这么一个良性循环,避免了水涝,营造了一个非常理想的这个生态环境,也收到了理想的经济效益。同时呢还减少了这个环境污染,主要就是在池塘当中养鱼,然后池塘的边上呢种蚕,种桑树,然后桑树呢可以养蚕,那么蚕的这个粪呢再来喂鱼。而你这个塘里边,鱼塘里边产生这个底泥呢再来把它施肥,作为这个桑树的这个肥料,这么来形成这么一个循环,有机的一个循环,使得这个环境污染减少。这是我们来构建这个生态的系统,也就是说我们要在河流的内部构建一个良好的食物链,使得小鱼可以被大鱼吃,大鱼可以被再大一点儿的这种吃,形成了这个食物链,鱼粪可以来作为这个底泥的一些微生物的养料,形成这么一个生物链,然后使得河流的功能呢恢复,这是生态功能。

最后一个生态技术叫底泥疏浚,底泥疏浚是我们国家河流污染治理常用的一种手段。主要是通过清除合乎水体中的污染的底泥,清除污染水体的内源,减少底泥污染物向水体的释放。并且呢结合生态修复的一些技术,然后实现它的疏浚。也就是说,它既有这个环保疏浚的特征,可以清除湖泊的这个底泥,那么同时呢还可以为水生生物态系统的恢复呢创造条件,然后实现这个河水的改善。那么也就是说底泥疏浚的过程,主要是基于什么原因呢?基于我们在河流当中有一些污染物,它经过长期的运转,可能会沉积于底泥。一旦水体受到了外界的一些影响因素,比如说刮大风等这些水利扰动,会使得原本沉积在这个底泥当中的污染物呢,发生再释放的现象。再释放之后,就会使得这些污染物再回到河水当中去。因此我们就必须对这些底泥进行处理,对底泥进行处理,就把它挖走,然后减少它向河流内部释放的可能。那么这两张图片,就是我们国家在采用底泥疏浚的方式,减少污染物的排放。那么以上这四种方法,就使生态工程在河流污染治理当中的应用,也就是通过河道补水、人工的增氧,生态系统的构建,还有底泥疏浚的方法来实现河流的污染治理。

二、生态工程在河流污染治理中的应用

第二个我们来看一看,我们生态工程在湖泊污染治理当中的应用。首先我们来看一下,我们国家湖泊污染的现状。我们国家湖泊的污染,主要以富营养化为特征,也就是说那么它的主要的污染指标为磷和氮,化学需氧量还有高母酸盐指数,大型的湖泊普遍水质非常的差,大约有75%以上的湖泊富营养化非常严重。如我们通常所说的太湖、滇池这些我们国家着名的湖泊,每年都会发生这种蓝藻、绿藻大量爆发的现象。那么经常一到春夏交界之际,整个湖泊都是绿油油的,严重影响了它的美观以及它的水体的功能。使得它作为饮用水,我就没法饮用了,这种现象是非常非常严重的。

针对湖泊污染的这种现象,我们可以采用相应的生态工程,对它进行治理。比如说可以采用生态浮岛、湖滨湿地,生态疏浚,生物操纵等等手段,然后对它进行生态修复,然后恢复湖泊原本的生态功能。

那么首先我们来介绍一下,这个生态浮床。那么生态浮床,我们也叫生态浮岛。它的意思就是来模拟这个生态型的护岸,生态浮岛它是一种针对富营养化的水质,利用生态工学原理降解水中的COD啊、氮、磷污染物的含量。并且它还兼具景观美化和生态净化的功能性的一些景观需求。比如我们通常会看到有一些湖泊的中央,会非常的漂亮,有一些岛。这些岛会种植植物,那么其实在维持他景观的前提下,也在发生着一些污染物的净化的作用。

那么通常人工浮岛可以分为两种,一种为干式浮岛,一种为湿式浮岛。所谓干式浮岛就是指的,植物跟水不接触,可以栽培大型的木本或者是园艺的植物,通过不同的木本组合,构成良好的这个鸟类生栖场所,同时也美化景观。湿式浮岛,就是植物要跟水接触了,那么分为有框架的和无框架的两种。那么这两张图就是干式浮岛的样子,也就是说在这个浮岛当中,植物跟水是不直接接触的,它是建在整个湖中间有一个岛里边。

这两张图就是湿水浮岛,我们看出来浮岛,植物和水是直接接触的,所栽种的植物,往往都是水生植物。那么因为植物的根系呢直接长在了这个湖泊当中。这是湿式浮岛。生态浮岛是在湖泊治理当中,一个非常重要的手段。除此之外,那么我们还有湖滨湿地的构建。那么湖滨湿地的构建,往往需要先对湿地进行选址。一般会建在什么地方呢?建在河道的入湖口,可能存在农业面源污染的隐患,或者是对这个入湖水及其营养物质要求进行过滤净化的情况下,我们可以把它建在河道的入湖口,我们也称为缓冲带。

湿地和水生高等植物,能起到物理阻滞的作用,可以消浪,促使沉积,降低沉积物再悬浮。大量的吸收水体和沉积物当中的营养盐,改变水生网络结构,同时又有资源利用的价值。这是我们洞庭湖的湿地系统构建,可以看出来,通过这个湿地系统的构建,整个的洞庭湖的水质,可以达到一个非常好的改善。

第三种生态工程在湖泊污染治理中的应用,是生态疏浚。湖泊的底泥是水生态系统的重要的组成部分,也是湖泊富营养物质循环的中心环节。那么它是水土界面物质积极的交换带,生态疏浚的目的,就是为了清除高营养盐的表层的沉积物质,对底泥呢进行疏浚的时候,采用特殊的技术和装置,密闭以及抽堤是一个关键的因素,以免呢扰动了底泥,然后降低了疏浚的效果。那么它的意思也就是说跟河流的底泥疏浚类似,在这个过程当中,我们往往要注意不要扰动底泥,以免底泥中的污染物会加速释放,这是我们湖泊底泥疏浚的相关图片。

最后一种生态工程在湖泊污染治理中的应用,我们称之为生物操纵法。生物操纵的对象,主要集中在鱼类,特别是浮游生物食性的鱼类。那么可以通过去除石油、浮游生物者和添加食鱼的动物,降低浮游生物的食性鱼的数量,使浮游动物的生物量增加和体型增大,从而提高浮游动物对浮游植物的设置效率。降低浮游食物的,植物的数量。具体的方法呢有两种,第一种呢我就投放鱼食性的鱼类,间接的来控造。第二种方法,是人工去除浮游动物食性鱼类,以间接控造,解决水体富氧化的问题。生物操纵说白了,还是实现整个湖泊内部的生态系统,构建一个良好的食物链,使得产生的藻类可以被食草性的鱼类大量的进食。那么也就是说我通过添加操纵一些鱼类的投放,使得这些藻类,可以被快速的去除。

这是我们生物操纵法的一个示意图,那我们可以看出来,在湖泊当中,由于光能的作用,会使得湖泊当中的污染物作为这个藻类的这个营养物质,使得藻类大量繁殖。那么在这个里边,我们通过尝试改变鱼类的组成以及它的密度,为主要内容的食物链的调控,然后来调整整个湖泊内部的营养结构,促进湖泊水质的恢复,最简单的方法就是构建食物网,食物链,这是生物操纵的方法。

那么生物操纵的原则,要遵循以下原则。第一个原则就是生物间的互利共生原则,也就是说要利用生物间相生相克的关系,促使良性循环系统中出现的生物种类生长。第二个原则是食物链的原理,也就是刚才咱们说的,构建一个良好的食物网、食物链,维持整个湖泊内部的生态平衡。第三个原则,就是物种的多样性原理,因为我们尽量的在整个体系当中,构建由草到水生植物,再到这个草食性鱼,再到动物性,食动物性的鱼类,再到一些螺类等等,这些多样的物种,然后实现这种复杂的生态系统。因为这种复杂的生态系统,它对污染物的去除才是最稳定的。

总体来说,生物操纵主要就是通过人为放养适当的各类生物,最终使生物恢复到种类繁多均衡,物流能流畅通,自我净化能力增强的一个洁净状态下的生态系统。那么这个就是我们生态工程在湖泊污染中,治理当中常常采用的方法。生态辅床、湖滨湿地、生态疏浚以及生物操纵。

三、生态工程在地下水污染治理中的应用

(一)我国地下水污染现状

接下来咱们看一下生态工程在地下水污染治理中的应用。首先咱们来看一下地下水污染的现状。随着我们经济社会的快速发展,人民生活的水平不断的提高,对地下水资源的需求也是越来越高。但是由于人们对这个生产、生产这个过程当中,所产生的一些固体、气体、液体这些废弃物的处理、处置,并不是很恰当。从不同途径来说,对地下水呢都造成了或多或少的污染。而且这种污染现象还呈现一个日趋严重的趋势。从根本上对人类的发展生存产生了威胁。

比如说我们垃圾堆放,垃圾在长期堆放过程当中会产生一些垃圾渗滤液,这个垃圾渗滤液的污染程度是非常非常高的。这种垃圾渗滤液会顺着土壤往下渗,一直渗透到地下水当中去,对地下水产生污染。那么除此之外,还有我们在刚才说的,在降雨的过程当中,可能会淋洗一些大气当中的污染物,或者说冲刷我们道路上积累的一些污染物,那么这些污染物会随着降雨,下渗到土壤当中去,进而再迁移到这个地下水当中,对地下水造成污染。

通常地下水的污染途径,可以有这几种。比如说我们的这个矿藏埋藏的时候,这个矿物会慢慢慢慢的向四周,土壤四周来渗透污染物,那么这些污染物会渗透到地下水当中去。随着地下水的流动,那么使得地下水的污染范围扩大。或者是我们的湖泊、池塘、沼泽地出现了一些废水的污染。这些废水当中的污染物也会顺着这个池底渗透到这个地下水当中去。除此之外,还有公路当中的含盐物质、垃圾填埋,然后下水道的渗漏,然后一些有毒有害的废水直接排放到深井当中去。那么这些污染呢,都会渗透到地下水当中去,随着地下水的流动,对地下水产生一个非常严重的污染,使地下水污染的范围也逐步的扩大。

(二)生态工程在地下水污染治理中的具体应用

那么通常在生态工程,在地下水治理当中的应用,也可以有几种。第一种为气提技术。第二种叫空气吹脱。第三种是微生物修复。第四种是植物修复。那么这几种方法都是也是通过来修复已经损坏的生态系统恢复它的功能。接下来咱们一个一个来看一下。

首先看一下气提技术。气提技术,它的技术原理就是利用真空泵和井,在受污染的区域诱导产生气流,对它进行向的转变,将有机污染物汽化,提到地面上再进行处理。但是利用气提技术的前提是什么呢?是土壤中污染物质具有挥发性,可以随着气体在土壤中流动,把污染物给抽出来。也就是说气提技术主要是针对一些可以挥发性的物质,那么这些物质它在土壤中易于挥发,我们可以通过提取的方式把它从土壤中提取出来,不要让它随着继续下沉到地下水当中去。那么可以看出来,这个图就是气提反应器它主要的结构,那么通过气提的这个功能,实现一些挥发性污染物抽提。

第二种这个生态工程在地下水污染治理中的应用,是空气吹脱。所谓空气吹脱,是指的在一定的这个压力条件下,将压缩的空气注入这个受污染的区域,将溶解在地下水中的挥发性化合物,吸附在土壤颗粒表面上的化合物,以及阻塞在土壤空隙中的化合物,驱赶出来。也就是说我将压缩空气往下注,注入的过程当中,使得溶解的这些物质,然后吸附的物质,还有阻塞在土壤空隙中的物质,都把它赶出来,实现空气的,污染物的去除,不要让它污染地下水。

具体的吹脱流程,可以是这样的。通过吹脱塔,然后可以在这个原水通过吹脱塔,然后进入缺氧池、耗氧池,最后进入到这个沉淀池,然后再进入到耗氧池2,然后再进入沉淀池2,实现这个出水。那么在这个过程当中,通过缺氧、耗氧两步的这个池子的反应,实现这个污染物的去除。

第三种在地下水污染治理当中的生态工程,我们称之为生物修复。生物修复的具体实施的途径是这样的。利用微生物降解地下水中污染物,将其矿化。生物修复技术呢,可以分为地面生物修复和这个原位生物修复。地面生物处理呢,就是把受污染的这个土壤挖出来,在地面进行处理。原位生物修复,就是跟它相反了,反过来了。就是这个处理过程,不破坏土壤的条件,也不破坏地下水的自然环境的条件,原地对这个地下水进行修复,进行处理。也就是说分为两种,这种生物修复的方法分为两种。第一种,我把受污染的这块土壤或地下水,把它抽出来。抽到地面上,处理完之后再把它送回去,这是第一种。第二种,就是我直接把微生物导入到这个受污染的土壤或者地下水中去,使它这个生物,地下水直接在原位呢进行修复。那么所涉及到的都是利用微生物来作用。但是这个技术,存在一个不足之处。那么也就是说这个技术,由于利用的是微生物的过程,因此呢这个过程呢是相对比较缓慢的,这是我们第三种生态工程在地下水污染治理中的应用。

第四种,是植物修复。植物修复的主要功能,就是具有处理利用植物的根系,然后通过根系的生长、繁殖,使得污染物进行转化。将无机污染物,比如说重金属等等,通过植物生长,吸收到植物体内去,然后再经过收割,实现这个污染物的去除。对有机污染物,也可以通过吸收将它转化成植物的根,叶,茎等等,也可以通过植物的根系进行降解,这是植物修复。它的主要的作用,就是通过植物的生长需要一些物质,需要哪些物质?需要有一些污染物,那么把它从地下水,从土壤当中,然后经过植物吸收,转移到了植物体内。然后再通过这个植物的收割,实现地下水和土壤当中污染物的去除。以上就是生态工程,在地下水污染治理当中的应用,主要有气提,空气吹脱,生物修复和植物修复这几种技术。具体来说,刚才我把生态工程在我们河流水质和湖泊水质,地下水质当中的污染治理当中所用到的技术逐一做了一个介绍。

总体来说,根据这个水生态系统所受胁迫的主要类型可以看出来,水生态的修复技术,大体我们可以划分为两类:第一类就是利用生物生态方法治理,和修复受污染水体的水质。第二类,是与生态友好的水利工程技术,这两类水生态修复技术,目前在我们国家应用都是非常广泛的。并且也产生了一系列的这个较好的经济社会和环境效益。为我们新时期的这个水利的科技发展,也奠定了基础。也就是说我们总体来说,来讲也就是分为两类,第一类就是生物生态方法。第二类是生态友好的水利工程。生物生态方法咱们刚才讲了,比如说生物修复,植物修复等等,生态系统的构建等等这些方法,那么这个水利的方法,就是底泥的疏浚这些方法,属于水利的方法。以上就对生态工程,在水污染治理当中的应用做了一个介绍。

四、常用的生态工程技术——人工湿地

接下来我要介绍一种非常常用的生态工程技术,人工湿地技术。目前,人工湿地在我们国家乃至世界,应用是非常非常广泛的。它作为各种环境系统的生态修复,起到的非常重要的作用。

具体来说,人工湿地技术就是一种由人工建造和监督控制的,与沼泽地类似的这么一种地面,它利用自然生态系统当中的物理、化学和生物三重的协同作用,来实现对水质的净化。这种湿地系统,是在一定的长宽比和这个底面坡度的挖地中,由土壤和按一定坡度充填,一定级别的填料,混合结构的填料床组成的。废水可以在填料床床体的缝隙,填料缝隙当中流动。或者在床体的表面流动,并且与床体的表面,要种植一些处理性能好,成活率高,抗水性强,生长周期长,美观,且具有一些经济价值的水生植物,形成一个独特的动植物生态环境,对废水进行处理。

生态系统来说,人工湿地在其中发挥了什么样的功能呢?人工湿地的水处理效率,远远的高于天然湿地。所以这才是刚才我说的它是一种非常常用的生态工程技术。但是呢人工湿地的这个生物多样性呢,不如天然的湿地。人工湿地呢可以通过人为调控,来提高一些有经济价值的生物的产量。除此之外,不同的湿地对处理同一种污染物的效率是不一样的。人工湿地的出现,使得一些原本我们可以直接排入到自然界的污水呢,得到了一些处理。在一定程度上,也保护了日益减少的天然湿地和日益受污染的地表水系统。

(一)人工湿地的组成

接下来,咱们先看一下人工湿地的组成有哪些。刚才通过人工湿地的定义,我们可以看出来人工湿地的组成通常有植物,有基质,还有填料,还有其他的一些管道系统组成的。除此之外,在人工湿地系统中,附着于植物的根系以及基质上有大量的微生物生存。它们在水质净化的过程当中,也起到了非常非常重要的作用。

那么通常我们用的植物,可以有很多种。比如说有挺水性植物,然后有飘浮性植物,有浮叶性植物,还有沉水性植物等等。挺水型植物呢,它的特点就是,茎是生在底泥当中的,植物的体,上部呢是挺出水面的。那我们日常看到的这个芦苇啊,香蒲啊等等这些植物呢,它就属于挺水性植物。那么除此之外还有这个飘浮植物,飘浮植物很简单,如我们平时可见的这些浮萍,有一些凤眼莲等等。那么也就是说植物的,植物的整体完全都是飘浮于水面的,整个的具有特定的适应飘浮生活的这种组织和结构。也就是说整个植物它不是固定的,在整个过程当中,它可能是飘浮不定的,这叫飘浮植物。第三种植物类型,我们叫浮叶植物。浮叶植物是指的叶片比较大的,仍然是一种飘浮的植物。那么这种植物,叶片会浮于水面,而它的根茎会生在底泥当中,比如说睡莲,就是这样的一种植物。我们看到它的叶片非常大,但是它的底,根呢是生长在底泥当中的,这跟飘浮植物是不一样的。飘浮植物是植物的整体,都是飘浮在水面上的,它可以随着风向,风力的扰动发生牵引漂移,而浮叶植物呢它相对来说是固定一些的。最后一种植物类型,为沉水植物。沉水植物也就是说植物整体是完成沉于水汽界面以下的,它的根扎于底泥,或者是飘浮于水中。比如说我们说的金鱼藻,湖苇藻啊等等这些,都是属于沉水植物。其实很好理解,挺水植物就是站着的,非常挺立的。那么沉水植物就是沉到水里边的。那么浮水植物,就是浮在水面上的植物。那么浮水植物,我们可以分为飘浮植物和浮叶植物。飘浮植物,整个植物整体都是飘浮在水面,而浮叶植物,是根是扎在下面的。这是我们在人工湿地当中,常用的植物类型。

那么在人工湿地当中第二个重要的组成部分是基质,基质和广义上的填料在我们人工湿地上是一个概念,泛指的都是湿地床当中不是由生物构建的,包括表层的土壤和下层的粒石、渣子、废渣等等这些物质。

狭义上来说这个基质,或者这个填料仅仅指表层土壤以下的,粒石、沙子、废石、废渣等等这些物质,是指的整个湿地床中的中下层部分。可以看出,基质这些东西是我们人为或者说人工填充的东西,狭义上来说是人工填充的东西。广义上来说,除了人工填充的这些东西,它还包含着这个土壤层。、

填料在整个湿地系统当中的作用,我们可以分为四个方面。第一个呢就是过滤固体的污染物,可以对污染物进行过滤,起到了一个物理截流的作用。第二个作用,它可以成为湿地系统当中,一些微生物的附着体。微生物可以附着在这上面生长,可以产生一些附着的生物膜。第三个作用,就是为植物的生长提供基质,比如说刚才咱们说的土壤,那么植物如果没有土就没法种植,因此它也可以为植物的生长提供基质。第四个作用,它可以起到吸附磷、重金属等污染物的作用。也就是说它除了以上的作用之外,它也可以直接参与到污染物的去除,直接参与到污染物的去除,就是通过吸附的作用来实现的。

那么基质具有这么多的作用,在实际的工程中,我们如何对它进行选择呢?通常我们湿地基质的选择原则,要遵循以下原则。首先第一个原则是机械强度要比较好。那么也就是说你不能选择机械强度差的这种基质。比如说我水流一冲它就碎了,最后跟着水流就出来了,那么它这样呢也就对水质的一种污染。因此机械强度是我们首要需要考虑的因素。第二个因素是原则,它得具有一定的空间体积以及形态。也就是说它能堆积起来,不能它堆积不起来,是散的,这种情况我们就没法选用它。第三个原则就是具有一定的生物化学及热力学稳定性。这一条也是非常重要的,因此我们在选用基质的过程当中,常常不能选用可能会带来污染的基质。也就是说因为我们在实际的处理过程当中,处理水是干净的,而你的基质如果能产生一些污染物,那么它对水质来说是一种,增加了一种污染。因此选用基质的时候,必须来选择生物化学及热力学稳定性比较好的基质。第四种基质的选择原则,就是化学的组成要好一些。那么也可以是天然的物质,比如说我们天然的土,可以是这样,也可以是具有不同比例的混合的材料。也可以是我们来选用这个粒石、沙子等等,这些来混合起来来做基质,也是可以的。

第五个选择,亲、疏水性和表面电性。亲、疏水性的意思就是说,我对有这个,有对针对某一些污染物的去除,你要选择一些亲、疏水性的基质或者是疏水性的基质。

第六个选择原则是孔隙度及表面粗糙度。为什么要这样说呢?因为我们的水流在基质的空隙当中流动的,因为基质堆积起来之后,一定得有一定的孔隙,维持这个水流的流动。表面的粗糙度是指的基质,发挥了一个可以使得微生物在它表面生长的这么一个功能,那么你的表面粗糙度越大,那么微生物越容易在上面生长附着。如果表面是光滑的,微生物根本长不住,所以说最好选择,最好选择一些表面粗糙度比较大的这些基质。

第七个选择原则,就是基质要有一定的比重。

第八个原则就是它对生物膜的活性呢不能有太大的影响,也就是说它不能杀微生物的作用。

第九个原则就是最好是能够再生的,不能我用完了之后它就废了,废了之后对我们来说呢又产生了一次污染。因此呢在用的过程当中,它是不是可以通过一些技术手段,可以重复利用,那么也就是说它的可再生性也是我们来选择它的原则。

第十个就是它的价格,价格上不能太贵,要不然我们处理的成本会过高,造成投资太大。这是我们人工湿地的第二个组成部分,重要的组成部分,湿地基质的选择。

(二)人工湿地的类型

具体里说,人工湿地有哪些类型呢?人工湿地通常可以有几种类型。第一种类型,我们称为表面流人工湿地。表面人工湿地,它的意思是什么意思呢?是指的在湿水流,是在湿地的表面流动,那么我们也可以称它为水面湿地或者是自由水面的湿地。这种湿地技术呢也是最接近我们自然湿地的这么一种,人工湿地系统。在表面流湿地系统当中呢,污水或者我们要处理的水质,在湿地的表面流动,通常这个水位是比较浅的。然后污水当中的绝大部分的有机物,依靠这个生长在植物水下部分这个茎,杆上的生物膜来完成,这个污染物的去除,也就是说在表流湿地当中,通常其中起主要污染净化作用的是植物水下部分的茎杆上的生物膜来完成。

第二个湿地类型,我们称之为水平潜流人工湿地。水平潜流人工湿地,是潜流人工湿地的一种,是潜流人工湿地的一种。潜流人工湿地顾名思义,就是水潜到了人工湿地内部去做流动的一种湿地系统。那么也可以称之为渗滤湿地系统。因为污水在这个整个床体当中,虽然它潜到了底下去,但是它在床体当中的流动,仍然呈现这个水平流动。因此也称它为这个水平流人工湿地。在潜流湿地系统当中,污水在湿地床的内部流动,可以利用这个填料表面生长的生物膜,然后丰富的一些植物的根系,一些表层土,或者填料的截流等等这些综合作用,来达到这个污染物的去除。

一般来说,潜流湿地的植物根区有三层组成,三层填料组成。第一层是表层土壤,中层砾石和下层小豆石。污水可以经过这个配石系统,在湿地的这个一端均匀的进入填料区。然后在表层土壤上往往种植一些根系发达的耐水植物。这些植物的根系可以深入到表土以下的0.60.7米的砾石层内,并交织成网,与砾石层形成一个非常好的一个透水的系统。水平潜流人工湿地,污水就是由于这样,从一端进另一端出来得名的。与自由表面流人工湿地相比呢,潜流的湿地水利复合是非常高的。对BODCODSS重金属等等污染物的去除效果,也是相对较好的。而且由于污水是在湿地内部流动,因此很少有恶臭和滋生蚊蝇的现象。但是它的脱碳除磷效果,又不如下面我们要讲的这个垂直潜流人工湿地。

垂直潜流人工湿地,也是潜流湿地的一种。那么它这个作用,顾名思义,垂直流呢,就是水流在湿地内部呈现垂直流的状态,而非水平流的状态。垂直流人工湿地,缺乏足够的这个反性化区域。进水中的氨氮呢在消化作用下,可以转化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮排出系统。但是在反硝化作用被植物固定利用的也很少。

一般垂直流的人工湿地为下型流,也就是说水是从上往下流动的。但是呢近些年呢,也发展了一些上型流的潜流湿地系统。目前我们这种类型的湿地系统,还处在实验室的研究阶段,对没有应用到大型的,非常大型的湿地工程的建设当中。

最后一种人工湿地的类型,我们称之为潮汐流人工湿地。潮汐流人工湿地,是近些年来由伯明瀚大学研究,并且提出的。那么是芦苇床根据时间序列交替的,被充满水和排干。那么床水冲水的过程当中呢,床体历时内部间隙的空气被挤出,排水的过程中呢,新鲜的空气又被代入进床体。

伯明瀚大学它的研究结果表明,当你的水被排出芦苇床的时候呢,有机污染物会流在基质内部,使这个时候是氧消耗最大的时刻。因此排水过程中进入的新鲜空气,正好可以看作是去除污染物的氧源,通过这种交替的进水和空气运动,然后氧的传输速率和消耗量呢大大提高。也极大的提高了这个潮汐流人工湿地的这个处理效果。

但是有问题就是,潮汐流人工湿地在处理一段时间之后呢,床体可能被大量的生物所堵塞,限制了这个水和空气的流动,降低了处理效果。所以说在实际的工程设计当中,我们常常采用备用床的方法,实现这个交替运行,也就是说潮汐流人工湿地,是通过这个水的潮汐流,比如说刚开始的时候,水是逐步的不排水,水在湿地系统当中呈现液面逐渐上升的趋势。当你这个液面到达一定位置的时候,快速的打开排水这个阀,使得湿地当中的水快速的被排走,在排走的过程当中,使大气当中的氧被抽吸进到湿地系统内,作用污染物被降解的氧源。整体的这个过程,不管是空气还是水,都是跟大海的潮汐一样,然后进出这么一个过程。因此得名为潮汐流人工湿地。以上就是我对生态工程处理的一个主要技术,人工湿地技术做的一个介绍,主要从人工湿地技术它的功能,它的主要组成,植物的选取,基质的选取,还有人工湿地系统当中主要的分类有哪些,我们通常分为表面流人工湿地,水平潜流人工湿地,垂直潜流人工湿地,和潮汐潜流人工湿地,这几种方式做了一下简单的介绍。

好,今天就讲到这。

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