第七章水體污染及生物防治

第七章水體污染及生物防治2/3/20231水資源短缺和水體污染已經(jīng)嚴(yán)重影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。我國(guó)地表徑流總量為2.7萬(wàn)億m3。占世界第六位。但我國(guó)人均占有水量非常少，人均占有地表水僅2639m3，居世界第110位，為世界人均徑流量的四分之一。我國(guó)城市缺水更為嚴(yán)重，在中國(guó)668個(gè)建制城市中，約有434座城市缺水，其中嚴(yán)重缺水城市108個(gè)，北方城市更為嚴(yán)重，如天津、哈爾濱、長(zhǎng)春、青島、唐山和煙臺(tái)等地水資源已全面告急，而大多數(shù)南方城市則陷入水質(zhì)性缺水的困境。據(jù)專家估計(jì)，2000年我國(guó)城市缺水量達(dá)400億m3，因缺水影響的國(guó)民生產(chǎn)總值達(dá)2400億元。

我國(guó)有3億多畝農(nóng)田受干旱威脅，成災(zāi)面積約1億畝，14億畝草場(chǎng)缺水。農(nóng)村有5000多萬(wàn)人飲水困難，3000多萬(wàn)頭牲畜缺水。2/3/20232我國(guó)水資源短缺情況：

世界水資源研究所提出評(píng)估四級(jí)水平：＜1000m3

嚴(yán)重缺水；人均占有水量

1000-5000m3

缺水；5000-10000m3中等水平，不缺水；＞10000m3

高水平，水資源豐富。聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展委員會(huì)將人均1750m3確定為缺水警告數(shù)字。按照這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)人均水資源量處于缺水上下限的中低值，總體缺水。

同時(shí)我國(guó)水資源分布也極不均衡：北方：988m3/人，低于1000m3的重度缺水標(biāo)準(zhǔn)，黃河、淮河、海河流域及內(nèi)陸河流域共有11個(gè)省、市、區(qū)的人均水資源擁有量低于1750m3的缺水緊張線，其中山東為380m3，河北為330m3，北京不足300m3，天津僅為150m3，成為世界上最缺水的地區(qū)之一。聯(lián)合國(guó)已將我國(guó)列為全球13個(gè)最缺水的國(guó)家之一。

2/3/20233我國(guó)水體污染情況：全國(guó)七大重點(diǎn)流域地表水有機(jī)污染普遍，各流域干流有42.3%的河段不能滿足飲用水源的水質(zhì)要求，13.8%的河段不能滿足景觀、工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水功能，流經(jīng)城市的河段污染更加嚴(yán)重，63.8%的城市河段不能作飲用水源地。主要湖泊如太湖、滇池、巢湖等有機(jī)污染問(wèn)題突出，富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重。根據(jù)全國(guó)118座大城市淺層地下水的調(diào)查，97.5%的城市受到不同程度的污染，40%受重度污染，更為嚴(yán)重的是，全國(guó)已有近90%的城鎮(zhèn)飲用水源受到污染。

目前全國(guó)70%以上的河流湖泊遭受不同程度污染，水污染加劇了水資源的短缺，水質(zhì)的惡化，嚴(yán)重威脅著人民群眾的身心健康。據(jù)初步調(diào)查，全國(guó)農(nóng)村有3億多人飲水不安全，其中約6300多萬(wàn)人飲用高氟水，200萬(wàn)人飲用高砷水，3800多萬(wàn)人飲用苦咸水，1.9億人飲用有害物質(zhì)含量超標(biāo)的水，血吸蟲病區(qū)約1100多萬(wàn)人飲水不安全；相當(dāng)一部分城市水源污染嚴(yán)重，威脅到飲水水質(zhì)，嚴(yán)重影響人們身體健康。

2/3/20234一、污水灌溉的概念

污水灌溉(sewageIrrigation)一般是指使用經(jīng)過(guò)一定處理的城市污水灌溉農(nóng)田、森林和草地。污水灌溉可分為：純污水灌溉(全年污灌)清污混灌（清、污混灌或輪灌）間歇污水灌溉(冬季或作物生長(zhǎng)期污灌)第一節(jié)污水灌溉2/3/20235二、污水灌溉的效益(一)提供灌溉水源污水灌溉能滿足農(nóng)作物的需水要求，已成為干旱、半干旱地區(qū)的穩(wěn)定灌溉水源。(二)提高土壤肥力污水中含有大量的各種營(yíng)養(yǎng)元素，如氮、磷，鉀、硼、銅、錳、鋅等元素。這些營(yíng)養(yǎng)元素能被作物吸收和利用，可節(jié)省大量化肥和有機(jī)肥。污灌能增加土壤肥力、改善土壤物理性質(zhì)、增強(qiáng)土壤微生物活性。因此，污灌能增加作物產(chǎn)量。(三)凈化污水利用農(nóng)田灌溉比其他措施對(duì)污水的凈化力強(qiáng)。污灌能除去水體中的有機(jī)污染物和重金屬。2/3/202362/3/202372/3/20238三、凈化機(jī)制①物理化學(xué)吸附和交換吸附作用。②生物氧化作用。③化學(xué)和光化學(xué)降解作用。④植物的吸收和代謝作用。四、存在的問(wèn)題農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有很強(qiáng)的凈化能力，但污染物含量一旦超過(guò)生態(tài)系統(tǒng)的凈化閾值，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能就會(huì)受到嚴(yán)重破壞，不僅失去凈化能力，還會(huì)導(dǎo)致污染物沿食物鏈遷移和富集。2/3/20239五、措施(1)利用氧化塘處理污水，再用于農(nóng)灌。經(jīng)氧化塘處理的污水，COD、BOD、懸浮物、酚、氰、農(nóng)藥及汞、鎘、鉛、鉻等含量均明顯低于未經(jīng)處理的同類污水，有的已達(dá)到或接近農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。(2)利用排灌渠道的凈化作用。污染物在渠道中遷移時(shí)，由于凝聚、沉降作用，其含量迅速降低。渠道越長(zhǎng)，流速愈慢，沉降的效果越好。2/3/202310六五、開展污灌技術(shù)研究(1)各類污水污灌的可能性和措施。污水劃分為城市生活污水和工業(yè)廢水兩大類。污灌前要研究污水的屬性、類型、數(shù)量以及污水處理措施，并探討污灌可能引起的后果和對(duì)策。(2)研究污染物在土壤—植物系統(tǒng)中遷移、轉(zhuǎn)化和富集的規(guī)律，合理調(diào)整作物布局。如在鎘污染區(qū)可種植玉米和高梁，不宜種小麥和水稻。大氣污染區(qū)不宜栽種葉菜類，宜種瓜果。土壤污染區(qū)不宜栽種塊根類作物。2/3/202311

(3)土壤環(huán)境容量和凈化功能的研究。主要研究?jī)?nèi)容有：污染物的種類、數(shù)量；每年灌溉量及每年進(jìn)入農(nóng)田的污染物數(shù)量；農(nóng)田土壤的污染物背景值或現(xiàn)狀值；土壤自凈能力。并計(jì)算土壤環(huán)境容量和年容量，提出灌溉定額和期限。實(shí)行對(duì)污染物的總量控制。

(4)污灌的監(jiān)測(cè)與管理。加強(qiáng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，保證污灌水中的污染物不超過(guò)土壤環(huán)境容量所規(guī)定的范圍。監(jiān)測(cè)污灌區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)品品質(zhì)及衛(wèi)生指標(biāo)，加強(qiáng)污水灌溉的科學(xué)管理。(5)污水的預(yù)處理。重金屬等污染物含量高的污水必須進(jìn)行預(yù)處理，達(dá)到農(nóng)業(yè)灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)后再引灌。2/3/202312第二節(jié)富營(yíng)養(yǎng)化水體富營(yíng)養(yǎng)化與水中氧平衡有密切的聯(lián)系。因此，常用一些反映水體氧平衡的指標(biāo)來(lái)描述水體富營(yíng)養(yǎng)化。指標(biāo)：DO、BOD、COD、TOC、TOD。

一、富營(yíng)養(yǎng)化形成的條件1.營(yíng)養(yǎng)元素2．光3．溫度2/3/202313二、富營(yíng)養(yǎng)化的指標(biāo)與評(píng)價(jià)1.富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)：包括物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)。2.富營(yíng)養(yǎng)化的評(píng)價(jià)：為了對(duì)水質(zhì)宮營(yíng)養(yǎng)化程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，已經(jīng)提出了若干個(gè)水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)與防治的數(shù)學(xué)模型。2/3/202314三、富營(yíng)養(yǎng)化的危害(1)感官惡化，不利觀光(2)魚類窒息或中毒死亡(3)影響作物生長(zhǎng)(4)水質(zhì)變劣，凈化費(fèi)用增高(5)加速湖泊衰亡2/3/202315四、富營(yíng)養(yǎng)化的生物治理

(1)污泥法除氮

三段污泥法是生物脫氯的最經(jīng)典的方法。三段污泥法是由去除BOD—硝化—脫氮3個(gè)獨(dú)立工序組成，(2)活性污泥法除磷利用微生物對(duì)磷的過(guò)量攝取．使磷進(jìn)入活性污泥中。(3)種植高等水生植物植物能降低水體中的BOD和COD。(4)建立良好的水生生態(tài)系統(tǒng)以初級(jí)生產(chǎn)者、消費(fèi)者(食草動(dòng)物、雜食性動(dòng)物等)和分解者組成的水生生態(tài)系統(tǒng)，既能防治水體富營(yíng)養(yǎng)化，又能提供足夠的生物產(chǎn)量，是治理湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的最佳方案。2/3/202316第三節(jié)氧化塘氧化塘(oxidationponds)：又稱穩(wěn)定塘或生物塘。它是利用庫(kù)塘等水生生態(tài)系統(tǒng)對(duì)污水的凈化作用，進(jìn)行污水處理和利用的生物工程措施。氧化塘作用的基本原理是生物降解。氧化塘基建、運(yùn)行、管理費(fèi)用低廉，節(jié)能，操作簡(jiǎn)易，性能穩(wěn)定可靠，具有廣譜和高效的去除能力，可實(shí)現(xiàn)污水資源化。目前世界上已有一萬(wàn)多座氧化塘在40多個(gè)國(guó)家中運(yùn)轉(zhuǎn)，我國(guó)也有100多座氧化塘分布在自東北一直到華南的不同緯度的廣大地區(qū)，承擔(dān)起凈化生活污水和工業(yè)廢水的任務(wù)。2/3/202317一、我國(guó)氧化塘的主要特點(diǎn)(1)充分利用地形，工程簡(jiǎn)易。(2)超大型氧化塘工程。(3)凈化和利用相結(jié)合。(4)廣譜、高效和穩(wěn)定的凈化能力。(5)人工強(qiáng)化系統(tǒng)塘的研究和應(yīng)用。2/3/202318二、氧化塘結(jié)構(gòu)及凈化機(jī)理目前國(guó)內(nèi)外普遍采用厭氧、兼性和好氧串聯(lián)氧化塘。每塘又由于水深淺不同區(qū)分為好氧區(qū)、兼性區(qū)和厭氧區(qū)。(一)厭氧塘

厭氧塘是在處理高濃度有機(jī)污染物時(shí)，在兼性塘和好氧塘前的預(yù)處理塘，有機(jī)負(fù)荷高，厭氧占優(yōu)勢(shì)。厭氧降解包括兩個(gè)階段，第一階段是產(chǎn)酸階段，主要靠厭氧菌把大分子的碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)分解為較小分子的有機(jī)化合物(羧酸和醇類)。第二階段是甲烷發(fā)酵，由絕對(duì)厭氧的甲烷菌將羧酸和醇類等轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳等最終產(chǎn)物。甲烷發(fā)酵階段COD和BOD明顯降低。2/3/202319

厭氧塘的關(guān)鍵是保證甲烷發(fā)酵正常。甲烷菌要求pH6.5—7.5(低于6.2則對(duì)生長(zhǎng)有害)；最適溫度30—35℃，不能低于15℃等；其中的關(guān)鍵是保證絕對(duì)厭氧，不能有溶解氧。為使進(jìn)水與底部沉積的帶菌種的熟污泥充分接觸，進(jìn)水管應(yīng)設(shè)在塘首的底部，使厭氧菌和污水充分混合。在塘內(nèi)設(shè)置網(wǎng)式或掛簾式的纖維填料，可增加厭氧菌的分布空間和生物總量。這種強(qiáng)化氧化塘與一般氧化塘相比，有機(jī)負(fù)荷可增加30％—40％?；蛟谙嗤奶幚?xiàng)l件和有機(jī)負(fù)荷下，污水在塘中的停留時(shí)間可縮短30％—40％，而懸浮物的去除增加60％—65％。2/3/202320厭氧塘的設(shè)計(jì)參數(shù)：BOD5：最低負(fù)荷l00—150kg／hm2·d，

最高負(fù)荷2000—3000kg／hm2·dCOD：最低負(fù)荷200—300kg／hm2·d，

最高負(fù)荷3000—5000kg／hm2·d水停留時(shí)間：3—5d塘深(水深)：3—5m去除率：BOD5：60％(冬季)—90％(夏季)

COD：50％(冬季)—80％(夏季)有機(jī)氮：60％—90％硝酸鹽氮：80％—95％2/3/202321(二)兼性塘

兼性塘在氧化塘系統(tǒng)中是最常用和起主要作用的塘，廣泛應(yīng)用于處理工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污水。上層：陽(yáng)光充沛，藻類光合作用旺盛，溶解氧充足，為好氧菌——藻類共生系統(tǒng)；中層：光照弱，溶解氧少，兼性微生物占優(yōu)勢(shì)；底層：厭氧層，厭氧微生物占優(yōu)勢(shì)，對(duì)塘底污泥進(jìn)行厭氧發(fā)酵。兼性塘的BOD去除率取決于水中藻類濃度，一般可達(dá)70％—90％。比好氧塘更廣譜地去污。在兼性塘中放養(yǎng)水葫蘆、狐尾藻等植物時(shí)，能增強(qiáng)其除污能力。2/3/202322兼性塘的設(shè)計(jì)參數(shù)：BOD5

負(fù)荷：普通兼性塘20(北方)—50(南方)kg／hm2·d

有水葫蘆等的兼性塘40(北方)—100(南方)

kg／hm2·d水停留時(shí)間：7—15d塘深(水深)：BOD5

濃度較高時(shí)，塘深1—1.5m為宜

BOD5濃度較低時(shí)(≤100mg/L)，15—2.5m為宜北方寒冷地區(qū)，單塘深可達(dá)3m。BOD5

去除率：70％—90％。2/3/202323(三)好氧塘塘水深應(yīng)保證陽(yáng)光透射到塘底，使藻類能在整個(gè)塘內(nèi)進(jìn)行光合作用，好氧塘中藻一菌共生系統(tǒng)能很好地除去BOD、氮、磷等無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)，但由于藻類大量繁殖，致使出水水質(zhì)含藻類過(guò)多而使懸浮物、BOD、COD、總氮等含量偏高，造成水體第二次污染。第二級(jí)好氧塘(最后氧化塘)處理的污水污染程度輕，BOD、COD含量低，氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量較多，導(dǎo)致藻類大量繁殖。

最簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)和合理的除藻技術(shù)是養(yǎng)魚、蝦、貝、鴨、鵝等，消耗藻類，維持水體營(yíng)養(yǎng)平衡，實(shí)現(xiàn)污水資源化。好氧塘如果水質(zhì)差，塘淺不宜養(yǎng)魚，可種植耐污而有凈化能力的水蔥、蘆葦、菖蒲、水花生、水葫蘆等。2/3/202324好氧塘的設(shè)計(jì)參數(shù)：（1）處理原生污水或沉淀污水的好氧塘

BOD5負(fù)荷：100—200kg／hm2·d

水停留時(shí)間：2—6d

塘深(水深)：0.2—0.3mBOD5去除率：80％—95％(2)第二級(jí)好氧塘(最后氧化塘)

DOD5負(fù)荷：10—20mg/L

水停留時(shí)間：3—10d

塘深(水深)：1—1.5m(養(yǎng)魚)0.5—1m(養(yǎng)鴨、鵝)0.2—0.5m(種蘆葦、水蔥等)

SS(懸浮物)：＞90％BOD5：80％—90％COD：70％—80％

總氮：≥90％總磷：≥90％氨氮：80％—90％細(xì)菌、大腸桿菌＞99%2/3/202325三、氧化塘的效益1.凈化效率:李建華等(1992)對(duì)安達(dá)市氧化塘系統(tǒng)進(jìn)行研究，得出其氮和磷的去除有明顯的季節(jié)性，并且與生態(tài)系統(tǒng)的類型及生物量成正相關(guān)關(guān)系。2.經(jīng)濟(jì)效益:氧化塘具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，其基建投資，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用與耗電量均比二級(jí)污水處理廠低。2/3/2023262/3/202327四、氧化塘系統(tǒng)的類型根據(jù)不同地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)、差異以及污水的性質(zhì)，可設(shè)計(jì)不同類型的氧化塘：(一)處理一貯存塘系統(tǒng)

(二)多級(jí)生態(tài)處理與利用系統(tǒng)2/3/202328(三)高濃度有機(jī)廢水的多級(jí)氧化塘處理系統(tǒng)(四)病原微生物污水氧化塘處理系統(tǒng)2/3/202329五、氧化塘發(fā)展趨勢(shì)氧化塘技術(shù)已越來(lái)越受到重視，今后氧化塘的發(fā)展趨勢(shì)包括：厭氧、兼性、好氧、曝氣和水葫蘆塘的技術(shù)日趨成熟，將得到廣泛應(yīng)用。(2)研究、開發(fā)和利用一些新型氧化塘(如水解池一穩(wěn)定塘，水生植物塘）。(3)自然凈化與人工強(qiáng)化措施相結(jié)合，提高凈化效率。(4)充分利用氧化塘污水處理和污水資源化的雙重功能。(5)由主要處理生活污水，發(fā)展為處理各種廢水。2/3/202330第四節(jié)污水土地處理系統(tǒng)

土地處理系統(tǒng)（landtreatmentsystem)：是指利用生態(tài)工程原理，將污水通過(guò)土壤—生物系統(tǒng)，除去污水中的營(yíng)養(yǎng)成分和污染物，達(dá)到凈化和綜合利用的目的。土地處理系統(tǒng)應(yīng)包括污水的預(yù)處理設(shè)施(氧化塘)、貯水湖(污水庫(kù))、灌溉系統(tǒng)和地下排水系統(tǒng)等部分。土地處理系統(tǒng)較工程處理既節(jié)省投資，又節(jié)約能耗，還能綜合利用，因此，是一種大有發(fā)展前途的污水處理措施。土地處理系統(tǒng)早在19世紀(jì)后半葉就開始出現(xiàn)。近年來(lái)，由于水資源緊張，土地處理系統(tǒng)得到了較快的發(fā)展。2/3/202331

土地處理系統(tǒng)與污水灌溉的聯(lián)系與區(qū)別：相同點(diǎn)：組成單元都是污水與土地，包括土壤、植物和微生物，土地均有凈化污水的功能。區(qū)別：側(cè)重點(diǎn)不同

污水灌溉土地處理系統(tǒng)主要目的灌溉凈化污水生長(zhǎng)植物糧食和蔬菜牧草和森林污水處理設(shè)施無(wú)有2/3/202332一、土地處理系統(tǒng)類型(1)慢速滲濾（慢速灌溉）：用污水灌溉農(nóng)田、草場(chǎng)和林地。(2)快速滲濾：污水通過(guò)土層得到凈化，相當(dāng)于把土層作為柱層析的載體。不一定有植被覆蓋，不利用污水中的肥分。要求土壤具較好的滲透性。(3)坡面徑流：使污水在長(zhǎng)有植物的緩坡漫流。污水流動(dòng)過(guò)程中，懸浮物被濾掉，有機(jī)物被微生物氧化分解。該法主要用于處理濃度高的有機(jī)污水。(4)人工濕地：該法介于土地處理與水生生物處理之間。用填料（如礫石）和植物（如蘆葦)，構(gòu)成一個(gè)人工濕地生態(tài)系統(tǒng)。污染物通過(guò)土壤、水生植物、水生動(dòng)物和微生物得到凈化，具較強(qiáng)的氮、磷處理能力。2/3/2023332/3/202334二、土地處理系統(tǒng)的基本功能與處理機(jī)制1.物理沉淀作用去除懸浮物污水中的懸浮物進(jìn)入土壤中，土壤顆粒間的孔隙將其阻留，起著過(guò)濾作用。2.物理沉淀作用和生物降解作用去除有機(jī)物有機(jī)污水從土壤表層50-100cm滲透通過(guò)時(shí)，經(jīng)微生物、動(dòng)物、植物根部的作用以及過(guò)濾、吸咐、凝集等物理作用而得到去除。

3.物理化學(xué)吸附作用、化學(xué)固定作用和植物吸收作用去除重金屬4.氧化還原作用和植物吸收作用去除氮5.化學(xué)固定作用和植物吸收作用去除磷6.物理沉淀作用和微生物間的相互作用去除病原微生物2/3/202335三、影響土地處理系統(tǒng)的條件(一)土壤性質(zhì)土壤的結(jié)構(gòu)和各種特性能影響污水的滲透性，影響其對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)元素和污染物的吸收與分解。(二)氣候因子冬季氣溫低，其自然凈化能力很差，主要原因是低溫影響了微生物的增長(zhǎng)和活性，改變了