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user: 3. “活水”治理富营养化污水的应用设计 3.1. 清除沉积污泥，为制造“活水”夯实基础 大量沉积在水底的污泥是水体黑臭的重要特征和主要原因。污泥中有机物降解需要大量耗氧，成为水体积压的“氧债”而大量存在，并使水体生态系统崩溃。据调查，我国城市水体中普遍存在大量底泥，而存在黑臭水体问题的城市水体底泥沉积更为严重。因此，清淤也成为治理黑臭水体的重要前提和首要措施。对于水面较窄、淤泥较浅的水体，可以在冬春旱季，分区、分段排干河水，通过人工、机械清挖的方式，清除淤泥，并经深层耕翻后再曝晒，让其“风吹日晒夜冻”，使底层淤泥中有机物充分氧化还原。对于水面较宽、淤泥较深的地区，可以通过驳船，利用超声等技术实施水下挖掘，清除水底淤泥 [ 18 ]。专用清淤设备有螺旋式挖泥设备和封闭旋转挖泥设备等。如环保绞吸式清淤船，配备有专用环保绞刀头，具有防止淤泥泄漏和扩散的功能，可以疏浚稀烂污染底泥，且对底泥扰动小，底泥清除率可达到95%以上；清淤浓度高，清淤泥浆质量分数达70%以上，一次可挖泥厚度为20~110 cm [ 19 ]。还可以使用氧化消毒剂。如使用生石灰、漂白粉、强氯精、二氧化氯等具有强氧化作用的消毒剂，使底泥中的有机物迅速氧化，避免在养殖过程中耗氧，而减少“总氧债” [ 5 ]，为制造“活水”，治理污水，恢复生态系统打下基础。 3.2. 快速补充氧气，为恢复“活水”确立前提 “活水”的本质是生态循环，是生态系统中相互联接的生物营养链(网)。“活水”的关键是溶解氧持续足量供应，这是有益菌及其他水生生物生存并充分发挥净化功能的关键因子，溶解氧在水体恢复自净能力并提高净化效率过程中发挥着极其关键的作用。溶解氧最廉价的来源是以浮游植物为主体的光合作用产氧。黑臭水体淤泥厚、“氧债”多，黑臭水体主要“氧债”积存在淤泥中 [ 5 ]。缺氧既是黑臭水体主要特征，也是黑臭水体形成的主要原因。正是缺氧造成水体生态系统崩溃，失去了污染净化能力，致使水体黑臭。恢复产氧功能是实现水体自我净化、解决黑臭水体的根本途径。恢复产氧功能的前提是恢复水体生态系统，这必须在偿还了水体积压的大量“氧债”后才能实现。治理黑臭水体，除清淤外，通过人工快速增氧，带动有机物迁移、扩散、降解，是清理积压“氧债”的主要途径 [ 20 ]。水体复氧后，激活了由微生物、水生植物(浮游植物)、浮游动物、底栖动物和鱼类等构成的水体生态系统，恢复系统生产(供氧)功能和净化(氧化还原)功能，带动富营养化水体向洁净好氧的生态系统转化，实现污染物资源化利用和生态系统良性循环 [ 21 ]。研究还表明，复氧提高了水体好氧菌活性，加速氨氮(NH 3 )、硫化氢(H 2 S)等有毒有害物质转化，并抑制底泥中N、P释放，而控制藻类过度繁殖 [ 22 ]。 人工辅助增氧早在污水处理中应用。20世纪50年代，发达国家通过曝气复氧解决了河道严重污染问题，如英国泰晤士河、韩国釜山港湾等 [ 23 ]。在1990年亚运会期间，北京市在一段长约4 km的河道通过人工充氧，基本消除了河道黑臭，BOD 5 去除率约50%，DO (溶解氧)浓度由0 mg/L上升至5~7 mg/L，邻近区域DO (溶解氧)浓度上升到4~5 mg/L [ 24 ]。水体增氧有深层曝气、水动力循环、机械增氧和施用化学增氧剂等方式。曝气复氧有固定式充氧站和移动式充氧平台两种。固定式充氧站有鼓风曝气或纯氧曝气两种。如英国泰晤士河、澳洲帕斯港和我国清河、桃花溪治理都采用了固定式充氧站。在重污染或突发性污染水体常用液氧为氧源，如德国Etascher河、Teltow河、Fulda河治理采用了纯氧充氧站，有效治理了污染。移动式充氧平台适用于治理轻度污染且有航运功能的河道，主要是移动曝气船，如德国Saar河，澳洲Swan河等治理采用了曝气船 [ 25 ]。科技发展带动了曝气设备更新，传统曝气出气端为砂头或塑料管打孔，气泡直径大，增氧效率差。如直径0.1 cm的气泡转换成100 nm气泡，其与水接触表面积扩大了10，000倍。而且气泡越小，与水接触时间越长，可提高氧气溶解率。微孔气泡直径约0.5~5 mm，在水中可维持几十秒或几分钟；微纳米气泡直径为数十到几个微米之间，在水中可存留数月。因此，曝气由微米气泡改为纳米气泡，水气接触面积增大，时间延长，增氧效率提高。据试验，纳米曝气增氧效率达60%~70%，是常规微孔增氧的4倍。而且纳米气泡表面由带负电荷的双极性分子构成，与带正电荷的水分子产生静电效应，具有高度稳定性，有利于氧气利用 [ 26 ]。 常用增氧机械包括叶轮、水车、喷水、射流等类型。武汉大学等单位“黑臭河道生物修复中3种不同增氧方式比较研究”表明，叶轮、水车和射流式三种增氧机治理黑臭河道效果差异很大，在增氧效果、COD Gr 和NH3-N去除、菌–藻生态系统建立和水体自净能力恢复等方面，以水车式增氧机为最好，明显好于叶轮和射流式增氧机，而且投资少、安装维护方便、运行费用低。结果表明，水车式增氧机使用第3天下游河段开始变绿，形成较长的洁净好氧绿色河段，第8天绿色河段长达最高值，为15.7 m；叶轮式增氧机比水车式稍差，第4天开始变绿，至第6天绿色河段达最高值，为6.3 m；射流式增氧机基本没有变绿河段。这说明，在黑臭水体中安装水车式增氧机，能迅速恢复水体菌-藻生态系统，形成污染物净化能力。值得注意的是，菌–藻生态系统建立，使水体复氧机制由单纯人工曝气复氧转变为藻类光合放氧为主的内生型复氧机制，建立了洁净好氧的水体生态系统，形成了自净功能 [ 27 ]。 3.3. 采用节能技术，制造廉价“活水”净化污水 实践证明，补水活水是治理城乡河道污水的有效途径。据研究，在维持河道流速0.4~1.0 m 3 /S的情况下，可以打破溶氧跃变层形成的理化条件，使“水–土”界面溶氧维持在3 mg/L以上，改善了河道水生态条件，转变“水–土”界面缺氧状况，有效控制水体底质污染 [ 17 ]。并且，这种流速必须持续维持，并有垂直方向的多向流动，最好是微速循环流动。补水活水根据水体规模大小、生态环境条件和工程难易等，分为水系连通、活水循环、清水补给三类措施。一是清水补给。即向水体中补充外来清洁水，提升河道流动性和水体容量，这是改善城市水体水质的常用方法 [ 17 ]。在水利条件较差的水体，可采用人工引水方式改善水质，重点是保证河道生态基流量、维持河道水面线，借助清洁水源稀释污染物浓度，并增强水体流动性，加速污染物扩散、净化和输出，调节水体水力停留时间，提高水资源利用价值和水环境承载力。并减缓水体藻类生长，补充河流中DO含量，从而改善水质，恢复水体自净能力。对于纳污负荷高、水动力不足、环境容量低的城市黑臭水体治理效果明显，补水活水可以快速缓解水体黑臭现象 [ 23 ]。例如杭州引钱塘江水入西湖，每天引水量相当于西湖贮水量的1/30左右，一定程度上改善了西湖水质 [ 28 ]。清水补给应开发利用清洁地表水，并尽量采用非常规水源，如利用再生水、雨水、洪涝等 [ 20 ]，避免水资源浪费。但是，清水补给只能暂时缓解污染，治标不治本，在水资源短缺地区不适宜采用。二是活水循环。活水循环就是通过人为措施改造原有水体，构建水体循环机制，使水“动起来”的一种措施。重点是改善水动力、增加水的流动性、维持一定流速。活水循环的核心是“循环”，关键是“水系连通”。水系连通是通过设置提升泵站、采取疏导、沟通、引排、调度等涵闸工程和非工程措施实现水系合理连通。一般是以原有河道为基础。添加连通工程、输水工程、配套工程为手段，建立或改善有关水体之间的水力联系，实现上下游水体流动与交换。在活水循环河道中还可以建设溢流坝，增加水流的紊动，带动了水体上下水层之间的交换。此法虽降低了水流速度，但延长了水体微生物和溶解氧净化污水的时间，有利于提升净化效果。为了实现水体上下游之间的持续循环，必须在河堤中埋设回流涵管或建设输水渠，并设置推流泵或建设泵站将下游水泵回上游继续循环，保证内河涌联动性，促进污染水体水质的改善，预防或抑制水体富营养化 [ 29 ]。如苏州拙政园治理采用人工水循环措施，在中、西池塘之间设置水循环管线系统，并布置采样点测定水质，与东池塘对照。实验表明，试验塘浊度平均下降4.5 NTU，DO (溶解氧)平均提高39.1%，COD Mn 平均下降25%，水质稳定性增强 [ 30 ]。活水循环结合人工曝气能增添水体上下垂直交流动力，可取得更好的净化效果。实践证明，如果活水循环长期内循环，水质净化效果会逐渐降低，需要适时适量补给新鲜好水，促进水体微生物和浮游植物群落的品种更新和数量补充，增强水体自净能力。活水循环应尽量使用再生水，通过深度净化措施，使再生水满足补水水质要求，并铺设补水管道将再生水输入黑臭水体中参加循环 [ 17 ]。再生水还可用于城市园林绿化等领域，以提高水资源利用率 [ 31 ]。许多研究显示，位于水域和陆地间的生态交错带(Ecotone) (即湿地生态系统)，具有过滤、缓冲、净化功能。湿地不仅吸收或吸附转移水中营养物或污染物，改善水质；而且截留水中固体颗粒物，减少水体颗粒物沉积。同时，湿地还提供生物栖息地，对保护生物多样性、减轻洪涝灾害和保持水土等具有重要意义 [ 32 ]。因此，在改造建设“活水”净水循环工程，应尽可能保留水域自然原始形态(包括纵横断面)，减少截湾取直和截滩取土，保持或恢复水体形态多样性，包括河湾、急流和浅滩，积极恢复湿地，以水体形态多样化，促进生物多样性和生态多样性恢复，避免堤岸单一水泥石砌化和形态均一化 [ 33 ]。 高投入、高成本治理污染不符合中国国情。人工“活水”治理污水只有在低耗能、低成本情况下，才能广泛推广应用。如何造就低耗能、低成本“活水”，是“活水”能否应用于治理富营养化水体的基本前提。这必须深入研究水的流体力学特征，选择合适的机械方法制造活水。水作为典型液体(流体)，具有以下物理特征。一是惯性大。水的密度是空气密度的772倍，水一旦处于运动状态便蕴藏着丰富的动能，具有巨大的惯性，所以，洪水好似猛兽，海啸摧古拉朽。二是摩擦力小。运动中的水不会像固体那样因为摩擦而大量耗能。航行于大海中的巨轮，撤去动力仍可航行数公里或数十公里。三是可塑性强。流水遇到障碍物，并不会象固体那样立即静止，而在改变方向后继续流动。四是慢速流动的水能量不易衰减。液体流动只有当超过一定速度时，才会产生“湍流”，造成额外能量损耗。所以，尽管当今世界科技日新月异，由于水的上述流体力学特征，决定了河运、海运等水上运输仍是当今最为经济的运输方式。新型活水机(也称耕水机)通过控制划水速度，加大划水量，以极低的能耗(100瓦以内)，制造了全时段(24小时)持续“活水(微速循环流水)”，带动了水体中持续的其他物理和化学、生物过程，使其成为保持运动状态和旺盛生命力的“活水”。这种“活水”能充分利用原水体生物造氧能力及其对N、P等及有机污染物的净化能力 [ 6 ]。因此，在宽敞性水体(宽度20 m以上，水深1.5米以上)应用活水机(也称耕水机)能以极低的能耗解决一般富营养化水体污染治理问题。即便是污染严重的黑臭水体，也可以选用增氧活水机，在制造“活水”的同时，应用配备的微孔增氧设备在夜晚光合作用停止时或阴雨天光合作用较弱时补充水中溶解氧不足，以维持和提升污染水体持续净化能力。 3.4. 借助微生物运用，提升水体生态“活力” 尽管可以通过清淤、换水、增氧等措施快速解决水体黑臭问题。但上述方法或工程量大，实施难度大，或治理成本高，只能用于应急处置。如黑臭水体清淤前的排水会污染其他水体，污泥的转移和存放也需空间，还会造成二次污染。所以，富营养化水体治理的根本途径是应用现代微生物技术和生态修复技术，通过投放人工培育的土著微生物种群或其他高活力微生物种群，在富营养化水体中恢复或建立以微生物为核心、多样化生物组成的高效稳定生态系统，恢复和提高水体自我净化能力。由于高度富营养化水体污染物种类多、浓度高，对土著微生物可能存在抑制或毒害作用，或某些复杂污染物，难以为土著微生物所降解。此时应该向污染水体中投放具有特定功能的微生物；或改善水体生态条件，使特定微生物能够在其中生长繁衍，以达到降解特定污染物，并提高污染物降解效率，这便是微生物强化修复技术 [ 34 ]。该技术是一种经济型环保技术，通过特定微生物建立微生态系统，加快水中物质循环和能量转换，提升其对污染物的高效吸收和降解作用，最终达到对水体富营养化的控制。 微生物强化修复通常有利用土著微生物、接种高活力微生物(外来微生物和基因工程菌等)及投放微生物促生剂等途径。该技术常用的有效微生物菌群(EM)，是从自然界筛选出多种有益微生物，用特定方法混合培养所形成的微生物复合体系，即专用于富营养化水体修复的微生物，包括光合细菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌和发酵型丝状菌等菌群的复合培养。也有种属相对单一的微生物修复菌群，如诺卡氏菌(Nocardia)、光合细菌(PSB)、Clear-Flo系列菌等。该技术与传统污水处理工艺对比，具有操作简便、处理费用低、处理效果好、二次污染小、综合效益高等优点 [ 35 ]。采用微生物强化修复技术通常是水体中缺乏污染物降解菌或其数量很少，并且在原水体培养、富集降解菌存在困难的情况下采用。此时向污染水体投放经专门培养和筛选的好氧、兼氧和厌氧微生物菌群，利用其呼吸发酵，将有机污染物迅速分解转化成CO 2 、H 2 O或其他无害物质，使污染水体加速净化。中山大学研究表明：将一定量有益微生物群液体菌剂和有效微生物群固体泥球投入人工湖后，水体透明度、叶绿素a含量明显改善，且在一定时期抑制藻类生长，防止水华发生 [ 29 ]。天津大学试验表明：向湖水中投入以光合细菌为主的复合细菌群，能强化水体自净能力，控制水体富营养化。并且光合细菌复合菌群可以在较长时间内降低湖水浊度、藻类生物量和氨氮及总磷含量，达到净化水体的目的 [ 36 ]。李明慧等通过向水域喷洒Bio-HE复合微生物制剂，使水域总氮与总磷综合去除率达30%~40%。廖涛等研究微生物菌剂配合蕹菜浮床净化富营养化水体，其总磷去除率43.9%~73.4%，总氮和氨氮去除率分别达26.8%~51.2%和11.3%~23.3%，远好于单一蕹菜浮床的去除效果 [ 34 ]。 解决城市黑臭水体污泥的根本途径也是“活水”方法。通过将微生物和溶解氧及时足量运送到水体底层，实现对底泥中有机物的彻底降解(氧化还原)，便可以消除污泥有机污染物，减少淤泥量，并恢复底泥的生态净化功能。实验发现，污染水体中加入“科利尔”生物带后，水底污泥厚度由0.1 m降至0.02 m，减少80%；COD去除率比空白组高出22个百分点，达93%。曹阳等采用CHE-1菌种处理磁湖底泥，底泥中有机污染物含量由原来的23.3 mg/L下降至12.3 mg/L，去除率达51%，降解率提高了0.5倍 [ 34 ]。1990年代以来，微生态制剂使用方法逐步成熟并广泛应用，主要是通过选择使用芽胞杆菌、乳酸菌、光合细菌、酵母菌、放线菌、EM菌等有益菌，使水体有益菌快速繁殖达到较高密度，完成富营养化水体中有机污染物降解，并防止其沉积成淤泥，造成“氧债”积压。值得注意的是，由于微生物没有运动能力，只能依靠水体运动实现位置转移。微生态制剂要提高使用效果，必须依赖多向循环流动状态的“活水”，一方面有益菌可以“守株待兔”，在原地就能源源不断获得“活水”运送来的“营养”(有机污染物)和溶解氧，另一方面在“活水”运送下，有益菌能“主动出击”获取“营养”(有机污染物)和溶解氧，提升其净化水质作用 [ 1 ]，所以，微生态制剂要实现净化水质的最佳效能和最优效果，有赖于“活水”运送作用。同时，活水也能帮助水生植物(包括浮游植物)“守株待兔”获取营养和溶氧，还能帮助浮游动物“主动”获取饵料生物。另外，通过及时补充新鲜外源水、换水等措施，实现原有土著浮游植物和有益菌种群的品种更新和新老交替，及时补充衰减消亡的浮游植物和有益菌，以保持它们在污染水体中有较高密度和较强活力。还可以使用专用单细胞藻更新浮游植物品种，并补充数量与维持密度。