河口前置庫技術(shù)在面源污染控制中的研究進(jìn)展

1、1我國面源污染的現(xiàn)狀隨著我國工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，每年大量營養(yǎng)物排入湖體，導(dǎo)致了湖泊的富營養(yǎng)化，氮、磷污染物濃度居高不下，水質(zhì)惡化。國家環(huán)?？偩衷谔⒊埠?、滇池、三峽庫區(qū)等流域的調(diào)查表明，生活污水和農(nóng)田的氮、磷流失是水體富營養(yǎng)化的主要原因。隨著點(diǎn)源污染逐漸得到控制，農(nóng)村與農(nóng)業(yè)面源污染問題更顯突出，已成為水體富營養(yǎng)化最主要的污染源[12]。面源污染更多是與農(nóng)業(yè)、農(nóng)民和農(nóng)村相聯(lián)系，而我國農(nóng)村過量和不合理地使用農(nóng)藥、化肥，小規(guī)模畜

2、禽養(yǎng)殖的畜禽糞便，以及未經(jīng)處理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廢棄物、農(nóng)村生活垃圾和廢水等都是造成面源污染的直接因素。與點(diǎn)源相比，面源污染具有分散性和隱蔽性；隨機(jī)性和不確定性；不易檢測性和空間異質(zhì)性等特點(diǎn)。中國的農(nóng)業(yè)面源污染問題很大，特別是對水環(huán)境的污染尤其嚴(yán)重。粗略估算，目前水體污染物中來自農(nóng)業(yè)面源污染的大約占13。十幾年來，國家采取措施逐漸限制了工業(yè)污染源的排放，城市生活污水也逐步進(jìn)入污水處理廠處理，而農(nóng)業(yè)面源污染還沒有很好的治理措施。有專家指出，在未來

3、幾年里，工業(yè)和城市生活污水對水質(zhì)污染的影響將逐漸減小，但如果不采取有效措施，由作物種植和畜禽養(yǎng)殖業(yè)導(dǎo)致的面源污染，對水質(zhì)污染的“貢獻(xiàn)率”將日益凸顯，生態(tài)破壞和環(huán)境污染問題已成為制約農(nóng)村和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在很多地方，由于過量施用化肥造成土壤肥力持續(xù)下降，農(nóng)民為維持農(nóng)田生產(chǎn)能力，更加依賴于增施化肥，從而形成了污染→土壤肥力持續(xù)下降→加大化肥農(nóng)藥使用量→加重農(nóng)業(yè)面源污染的惡性循環(huán)狀態(tài)，導(dǎo)致農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重惡化[3]。由此可見，

4、農(nóng)業(yè)面源污染如果不加以控制，反過來會影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，直接影響到農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前，面源污染治理的主要技術(shù)有兩類：其一為源頭控制技術(shù)，包括源頭消減技術(shù)（如化肥、農(nóng)藥的合理施用）和防止污染物離開源頭的技術(shù)（如建設(shè)生態(tài)農(nóng)業(yè)，保護(hù)耕地，防止水土流失）；其二是向受納水體過程中的消減技術(shù)，這些技術(shù)包括生態(tài)過濾帶技術(shù)、前置庫技術(shù)及各種濕地技術(shù)等。而前置庫技術(shù)集成了物理、化學(xué)和生物等各方面的優(yōu)勢，具有投資小、運(yùn)營管理簡單的特點(diǎn)，在歐美和日本已有很多成

5、功的案例，是值得推薦的生態(tài)工程技術(shù)。2前置庫技術(shù)原理2.1前置庫的概念前置庫引入到環(huán)境工程后，概念并沒有得到完全統(tǒng)一，國外存在Artificiallagoon、Prereservoir、Predam和Pretank等稱呼[46]；國內(nèi)翻譯為前置塘、滯留塘、人工內(nèi)湖、湖內(nèi)湖和前置庫等，但譯為前置庫的居多[79]。所謂前置庫，是指利用水庫存在的從上游到下游的水質(zhì)濃度變化梯度特點(diǎn)，根據(jù)水庫形態(tài)，河口前置庫技術(shù)在面源污染控制中的研究進(jìn)展李彬1，

6、呂錫武1，寧平2，張仁鋒2，郜華萍2，楊月紅2（1.東南大學(xué)環(huán)境工程系，江蘇南京210096；2.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明650093）摘要:介紹了面源污染尤其是農(nóng)村面源污染現(xiàn)狀及其治理的工程技術(shù)論述了前置庫技術(shù)凈化水體的原理和國內(nèi)外研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀并探討了前置庫技術(shù)研究存在的主要問題及其應(yīng)用前景特別指出前置庫技術(shù)與其他水處理技術(shù)相結(jié)合將是面源污染控制的一個(gè)發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:面源非點(diǎn)源河口前置庫生態(tài)工程中圖分類號:X5

7、24文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:10003770(2008)0900106收稿日期：20080115基金項(xiàng)目：昆明市政府“十一五”入湖河道治理重大示范項(xiàng)目（M2007063）作者簡介：李彬（1979），男，博士研究生，研究方向?yàn)槊嬖次廴究刂评碚撆c技術(shù)；聯(lián)系電話：13708761563；Email：libin198012@163.com。第34卷第9期2008年9月水處理技術(shù)TECHNOLOGYOFWATERTREATMENTVol.34No

8、.9Sep.20081解重新釋放到水中[1921]。另外，增加前置庫中pH值能夠形成偏堿性環(huán)境，使磷形成更多的鈣鹽，而氨也將形成氨氣溢出；溶解氧增加將提高水中氧化還原電位，促使鐵錳等金屬與磷酸根結(jié)合，從而最大限度地發(fā)揮前置庫的凈化作用[2223]。3前置庫技術(shù)研究進(jìn)展歐美國家早在20世紀(jì)50年代，已開始研究前置庫技術(shù)在面源污染治理中的應(yīng)用。德國的學(xué)者Klapper[24]于1957年、Beuschold[25]于1966年、Wilhel

9、mus和Fischer[26]等相繼報(bào)導(dǎo)了前置庫能去除水中營養(yǎng)物質(zhì)。隨后丹麥的Nyholm[27]于1978年，前捷克斯洛伐克的Fiala和Vasata[28]于1982年開展了利用前置庫治理湖泊和水庫的富營養(yǎng)化研究，通過研究，證實(shí)了上述科學(xué)家的觀點(diǎn)。而德國的Benndorf和Ptz[101229]通過十年對前置庫技術(shù)的系統(tǒng)研究，于1987年提出了一系列的設(shè)計(jì)參數(shù)，提出了在水深和光照相互作用下的營養(yǎng)鹽類的去除機(jī)理的控制過程。這種因地制宜

10、的水污染治理措施，對控制面源污染，減少湖泊外源有機(jī)污染負(fù)荷，特別是去除入湖地表徑流中的N、P安全有效，對于含泥沙量大的河流攔截泥沙也起到至關(guān)重要的作用，Benndorf等人的研究為該項(xiàng)技術(shù)的深入研究奠定了理論基礎(chǔ)。Soyupak[30]采用二維和三維數(shù)值模擬的方法，推算了Keban水庫富營養(yǎng)化的演替過程，表明可以采用溶解氧和葉綠素a作為磷污染控制的指示，并且入湖河道建設(shè)河口前置庫對于控制湖泊污染效果明顯。Benndorf與Ptz[12]

11、等人研究了前置庫對控制水庫的富營養(yǎng)化的重要性，研究認(rèn)為前置庫對正磷酸鹽的去除主要靠光照條件、水力停留時(shí)間、微生物活動。3.1光照強(qiáng)度影響光照強(qiáng)度直接影響水中微生物特別是浮游微生物的生物量，浮游生物又為磷的沉淀提供了載體，同時(shí)浮游動植物吸收、吸附水中的氮磷和有機(jī)物。光照強(qiáng)度將明顯影響到植物光合作用的進(jìn)行，如果光照強(qiáng)度太低，光合作用將趨于停滯，水中生物量將大量減少，最終導(dǎo)致氮磷的去除率降低。同時(shí)，光合作用的減少也必然影響到水中的溶解氧水平，

12、進(jìn)而左右水中的氧化還原電位。這些物理化學(xué)特征的改變，對于水中污染物的去除起著重大作用。各地區(qū)地理位置的差異，導(dǎo)致光照強(qiáng)度亦有差異，但是某個(gè)地區(qū)的光照強(qiáng)度不能人為控制。這就表明前置庫技術(shù)的應(yīng)用受限于地區(qū)的差異。但是，仍然可以通過控制水體的深度來達(dá)到設(shè)計(jì)適宜光照強(qiáng)度的目的。Benndorf和Ptz[12]等人的研究表明，前置庫設(shè)計(jì)水深一般不超過透光層（不同地區(qū)有一定差異，但一般均小于3m）的深度。例如，在位于盧森堡北部的EschsurS^u

13、re水庫，Salvia[31]設(shè)立了兩個(gè)前置庫Misre和Bavigne，水深分別為2.5m和7.1m。夏季的運(yùn)行結(jié)果表明，較深的前置庫去除磷的絕對量與模型預(yù)測的差異顯著，其原因可能是浮游植物的組成的差別和夏季底泥中磷的釋放造成的，但是間接原因光照強(qiáng)度的不足，導(dǎo)致氧化還原電位的降低，進(jìn)而發(fā)生水化學(xué)變化，形成難容的FeS，結(jié)果使得磷重新釋放到水體。日本在霞浦、川尻川、園部川等河川入湖口的前置庫，水深均在2m左右也取得了明顯的效果。Naka

14、mura[32]對霞浦前置庫在暴雨季節(jié)凈化水體兩年的監(jiān)測（2000～2001年）結(jié)果顯示，暴雨期前置庫對SS、TN、TP的去除率分別達(dá)到60%、28%～40%、34%～56%。3.2停留時(shí)間影響污水處理廠在設(shè)計(jì)時(shí)往往將水力停留時(shí)間（HRT）看作一個(gè)重要的參數(shù)，前置庫的設(shè)計(jì)也是如此，特別是對以去除懸浮顆粒物SS和TP為目的的設(shè)計(jì)更是如此[3033]。顆粒性的磷沉淀到水底需要一定的時(shí)間，特別是被浮游生物吸收吸附的有機(jī)磷要沉淀下來必須考慮充分

15、的HRT。日本的霞浦湖前置庫設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間僅為1.5h，就取得了較好的去除氮磷、有機(jī)物的效果。較多的研究表明，前置庫的水力停留時(shí)間與季節(jié)密切相關(guān)，一般來說夏天滯水時(shí)間為2d，春秋天為4～8d，冬天為20d左右[1134]。但是，水體中存在復(fù)雜的水化學(xué)平衡和變化，前置庫的運(yùn)行往往需要綜合考慮脫氮除磷、去除顆粒物等多目標(biāo)問題，在同時(shí)反硝化脫氮的過程中，勢必以犧牲磷的去除效果為前提。Markou[35]最新研究表明，底泥的釋磷和硝酸鹽的厭氧

16、都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。Vistonis內(nèi)湖的研究表明，夏天時(shí)在適宜的條件下磷的最大釋放速率為80mgm2d1。因此，設(shè)計(jì)合理的HRT以達(dá)到最優(yōu)的污染物去除效果是一個(gè)難題，也是熱點(diǎn)問題。3.3微生物影響Ptz等人研究了前置庫對控制水庫的富營養(yǎng)化的重要性，研究認(rèn)為前置庫對正磷酸鹽的去除有光、正磷酸鹽濃度和水溫等可變因素，而浮游植物則是這些因素中最重要的作用。Suresh[36]對河流湖泊前置庫工程去除前后的生物量和污染情況進(jìn)行了對比研究。K