河口前置庫技術(shù)在面源污染控制中的研究進展

1、1我國面源污染的現(xiàn)狀隨著我國工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和城市化進程的加快，每年大量營養(yǎng)物排入湖體，導致了湖泊的富營養(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?、巢湖、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。與點源相比，面源污染具有分散性和隱蔽性；隨機性和不確定性；不易檢測性和空間異質(zhì)性等特點。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)導致的面源污染，對水質(zhì)污染的“貢獻率”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)，導致農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境的嚴重惡化[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、化學和生物等各方面的優(yōu)勢，具有投資小、運營管理簡單的特點，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，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.東南大學環(huán)境工程系，江蘇南京210096；2.昆明理工大學環(huán)境科學與工程學院，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)外研究進展及應用現(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發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:面源非點源河口前置庫生態(tài)工程中圖分類號:X5

7、24文獻標識碼:A文章編號:10003770(2008)0900106收稿日期：20080115基金項目：昆明市政府“十一五”入湖河道治理重大示范項目（M2007063）作者簡介：李彬（1979），男，博士研究生，研究方向為面源污染控制理論與技術(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)研究進展歐美國家早在20世紀50年代，已開始研究前置庫技術(shù)在面源污染治理中的應用。德國的學者Klapper[24]于1957年、Beuschold[25]于1966年、Wilhel

9、mus和Fischer[26]等相繼報導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，證實了上述科學家的觀點。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，減少湖泊外源有機污染負荷，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，研究認為前置庫對正磷酸鹽的去除主要靠光照條件、水力停留時間、微生物活動。3.1光照強度影響光照強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，同時浮游動植物吸收、吸附水中的氮磷和有機物。光照強度將明顯影響到植物光合作用的進行，如果光照強度太低，光合作用將趨于停滯，水中生物量將大量減少，最終導致氮磷的去除率降低。同時，光合作用的減少也必然影響到水中的溶解氧水平，

12、進而左右水中的氧化還原電位。這些物理化學特征的改變，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，導致光照強度亦有差異，但是某個地區(qū)的光照強度不能人為控制。這就表明前置庫技術(shù)的應用受限于地區(qū)的差異。但是，仍然可以通過控制水體的深度來達到設(shè)計適宜光照強度的目的。Benndorf和Ptz[12]等人的研究表明，前置庫設(shè)計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)立了兩個前置庫Misre和Bavigne，水深分別為2.5m和7.1m。夏季的運行結(jié)果表明，較深的前置庫去除磷的絕對量與模型預測的差異顯著，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度的不足，導致氧化還原電位的降低，進而發(fā)生水化學變化，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的去除率分別達到60%、28%～40%、34%～56%。3.2停留時間影響污水處理廠在設(shè)計時往往將水力停留時間（HRT）看作一個重要的參數(shù)，前置庫的設(shè)計也是如此，特別是對以去除懸浮顆粒物SS和TP為目的的設(shè)計更是如此[3033]。顆粒性的磷沉淀到水底需要一定的時間，特別是被浮游生物吸收吸附的有機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)計水力停留時間僅為1.5h，就取得了較好的去除氮磷、有機物的效果。較多的研究表明，前置庫的水力停留時間與季節(jié)密切相關(guān)，一般來說夏天滯水時間為2d，春秋天為4～8d，冬天為20d左右[1134]。但是，水體中存在復雜的水化學平衡和變化，前置庫的運行往往需要綜合考慮脫氮除磷、去除顆粒物等多目標問題，在同時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、都可能導致嚴重的后果。Vistonis內(nèi)湖的研究表明，夏天時在適宜的條件下磷的最大釋放速率為80mgm2d1。因此，設(shè)計合理的HRT以達到最優(yōu)的污染物去除效果是一個難題，也是熱點問題。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行了對比研究。K