河道水质净化生态修复技术示范工程设计方案

X X区高教河生态修复技术
示范工程设计方案
第一章工程建设的必要性和紧迫性
1.1工程概况
经过对XX区内各河段现状的实地踏勘，并咨询XX区环保局、河道管理处相关管理人员，我司建议首先选择区域内的高教河高教园区生活区附近河段进行生态修复示范，地理位置如图-1所示。

该河段位于浙江警察学院到浙江医学高等专科学院之间，总长约850m，宽约24米，面积约20000平方米，库容约为40000立方米，透明度小于15厘米，东西流向，在西侧于警官学校后面转成南北向，通向居住区，东侧到浙江医学高等专科学院，途径一个公园和一个观景台。

河道河水浑浊伴有发黑现象，底泥深度达70cm以上，时而有底部的沼气溢出水面，水质属于整个XX区域较为恶劣的一段。

由于位于商业街附近，且对居民生活污水的截污纳管控制不严，河水处于厌氧状态，河道污泥长年沉积，底泥中的污染物不能得到充分释放，富营养化相当严重，从而引起藻类和浮游植物迅速繁殖，使水体的溶解氧下降、透明度下降、水质恶化、鱼贝及其它水生生物大量死亡，严重影响了周边校区师生的生活。

两岸居民生活垃圾的随意丢弃，周边商业街以及饭店产生的垃圾及污水直接投进水体，造成水体表面的悬浮物较多。

图1-1 XX高教河
初步判断该段河道水质为地表水劣V类标准，水体基本无自净能力，水体流动性低。

通过以上分析可知，该区域内的城市河道已经基本丧失河道的景观功能，与高教园区的大环境极不协调，较大地影响了该区域学生和居民的身体健康，屡屡遭到附近学校师生的投诉，因此有必要实施水生态修复工程，以控制并削弱河道的水体富营养化和去功能化，改善河道水景，恢复河道生态水环境。

下面为我司对该河段的水体环境调查。

水质现状：
所要治理河道的水质状况为劣Ⅴ类，劣Ⅴ类的污染物主要为总磷和总氮，特别是总氮的污染尤为严重。

水体受总磷、氨氮和总氮的污染严重，水体透明度低且处于缺氧－厌氧状态；根据对上述河道水质的调查，发现局部河底层水均严重缺氧，处于厌氧状态，散发恶臭。

下图为该段河道的现状：
图1-2
由图可以看出水质比较恶劣，修复治理迫在眉睫。

我们对该河道表层水进行了取样，水质数据如下：
表1-1 2012年4月水质监测数据
根据水质及相关河道水质监测结果，治理段河道的氨氮、总氮、总磷都属于地表水劣Ⅴ类标准。

底质特性:
根据我们对河道底质的调查，发现河流由于水体流动性很小和受到污染，底层水均缺氧，其溶解氧含量为0，因此河底底泥呈黑色，用竹竿触动表层底泥时，泥层中放出大量的气泡，表明泥层处于厌氧状态。

底质结构为部分泥质，主要污染物为树叶、垃圾等沉积物。

河边居民反映，夏季有时河水发臭翻泥。

生物相现状：
河道内油污比较多，很少有水生高等植物和无水生浮游动物。

由于水体底层缺氧以至处于厌氧状态，推测深水河床区缺少或根本无大型底栖动物存在。

污染源及污染原因分析：
1、内源污染影响：因水域长期受两岸生活污水及死亡植物茎叶、藻类沉积影响，有较多的有机污染物在河床底部淤积，通过与上覆水体的反复交换，不断向上释放高浓度污染，成为对水域污染贡献率较大的内源性污染源。

2、面污染源进入：雨水汇集区域面积较大，沿河地面污染如居民生活污水、
汽车尾气沉降污染物等随雨水地表径流进入河道。

3、点污染源进入：上游来水（补水河水质差时）、居民小区生活污水进入河道。

4、废弃物的进入：两岸垃圾入河，以至沉积物和部分漂浮物腐烂污染水体。

1.2工程建设的必要性
随着经济的发展，人口的增加，生活水平的提高，水的需求和消耗量不断增多，相应的废水排放量也在不断的增多，由于污水处理设施和面源控制的滞后等原因，城市河道水环境污染严重，河网水体己基本失去水环境功能。

富营养化问题的突出，日益加剧的水污染，正威胁着经济的可持续发展、危害人民的生活质量以及水体生态系统。

防治河流湖泊等水体富营养化、去功能化已是城市社会经济和生态环境建设的一项迫切需求。

通过近一个月的实地踏勘、走访，我们对杭州市XX内的各条河道进行了深入了解，整个XX区域就一条主河道，且河道比较曲折蜿蜒，水体流动性不强，水力停留时间比较长，从水质上看，河道水体发黑，冒泡，特别是夏天气温较高，河底淤泥容易发酵，从而导致“黑水”产生。

2012年4月22日XX三桥附近大面积黑色污水排出的事件广受关注，污水的源头是XX区内一条臭水河。

环保部门回应河水发黑的原因是：生活污水大量流入加上河底淤泥未及时清理。

图1-1 黑水事件
1.3工程建设的先进性
在污染河道生态修复方面，XX创造性地利用生物改良技术、立体生态修复技术、生物操纵等技术，采取《多级强化水质生态修复耦合技术》，修复被污染水体的生物链，重建水体生态系统，构建水体生态平衡，长期保持清澈、洁净，形成五光十色的美妙水体自然景观。

《多级强化水质净化生态修复耦合技术》是一种投资少、维护和管理均较为方便的生态水处理技术，其应用范围较广，适合高教河道的水文形式，以及河流水质特点和水质改善求，推广价值大。

通过采用该技术，形成适合河道生态修复的适宜原位水质净化处理技术，将有助于实现水质改善和河流生态修复的目标，确保XX总体规划中的河道功能定位实现。

《多级强化水质净化生态修复技术》充分考虑河道特征、水文情势、堤防布置、河道景观等因素，结合河流水环境特征，突破河道断面构建技术、河道生态水力模拟技术，河道形态和河床形态优化技术，形成适宜的河道水流形态和多样化的生物栖息地环境，构建切实可行的生态河道构建关键技术，促进河流水环境整体改善和水生态系统恢复。

同时，该技术将有效性、适用性、经济性和长效性相统一，提出纳污河流生态修复技术体系, 为形成河流水环境治理与生态修复的完整技术体系和整体解决方案提供技术支撑，推动河流水生态恢复、水质改善，促进流域水环境保护和水生态系统建设。

1.4工程建设的意义
《多级强化水质净化生态修复技术》是一种针对河道内水质净化的生态技术，以水量和流态的优化调节为基础，以生态水质净化为主导，通过多级水质净化程序实现河道内污水净化，对纳污河道水环境质量整体改善和城市河流生态系统修复有显著效果。

该技术突破河道纵横断面构建型式、水流流态设计、生态护槽护岸材料等关键技术，工程项目的实施，可以为杭州城市河流水环境治理与生态修复的完整技术体系和整体解决方案提供技术支撑，推动杭州乃至整个浙江城市河流水生态恢复、水质改善，促进流域水环境保护和水生态系统建设。

第二章工程设计的依据和原则
2.1工程设计的依据
（1）《杭州市城市河道保护管理办法》市政府令第178号
（2）《浙江省万里清水河道建设技术要求》
（3）《污水再利用景观环境用水水质标准》（GB/T18921-2002）；
（4）《地表水环境质量标准》，GB3838－2002；
（5）《地表水资源质量标准》，SL63－94；
（6）《农用污泥中污染物控制标准》GB4284-84；
（7）《中心城区富营养化水体生态环境问题分析与治理工程简介》；
（8）《污染环境生物修复工程》化学工业出版社，北京，2003年；
（9）《污染河流水质净化与生态恢复技术及其集成化策略》胡洪云，何苗，朱铭捷等.中国首届城市水环境质量改善高技术论坛，武汉，2004年，75-89；
（10）《中华人民共和国环境保护法》（1989年12月通过）；
（11）《中华人民共和国水污染防治法》（1996年修订）；
（12）《城市环境综合整治规划编制技术大纲》（国家环保局1993年）；
（13）《关于生态市、生态县(市,区)、生态镇(乡)建设与规划编制工作的指导意见》（浙生态办函[2003]7号）；
（14）设计单位对周围水环境状况的调查与监测资料；
2.2工程设计的原则
（1）原位治理为主原则
在所治理河道内就地构建水质净化工程和生态修复工程；
（2）多功能协调原则
河流系统健康所需满足的各项河流功能具有不同的指标要求，需要在单项功能指标分析的基础上，按照多功能协调的原则考虑各项功能、各项指标值之间的相互协调。

（3）生物多样性原则
生物多样性是河流生态系统平衡和河流系统健康的基础，河流生态修复应该遵循生态学中的生物多样性原则，在防止生物入侵的前提下，引入本土生物，构
建生态环境廊道，保护和增加河流系统生物多样性。

（4）景观美化原则
河流生态修复的结果应该带给人们美好的享受，应按照景观生态学原理，增加景观异质性，保留原河道的自然线形，运用植物以及其他自然材料构造河流景观。

（5）清洁治污原则：治污过程不产生二次污染；
第三章工程的设计目标
3.1 总体目标
在保证水利要求的基础上，进行水面“绿化”美化。

引进水生观赏植物、水培花卉、陆生花卉结合周边环境造景。

强调“绿化”与环境的协调性、景观的功能实用性和景观自身的可观赏性。

水体景观设计目标：以“人文、人性、自然和生态”为原则，以江南水乡格调为特色，水生植物为主，盆花植物为辅，力图创造一个自然的、生态的、和谐的独具水乡风格的人性化的生态景观。

在生态景观建设过程中，注重水质维护，确保水生动、植物的生长稳定。

通过水生动、植物定向培养、建立起稳定的人工生态体系，实现人工生态体系向自然生态体系的演替，恢复水体生物多样性，并充分利用自然系统的循环再生、自我修复等特点，实现水生态系统的良性循环。

图3-1 目标原理图
3.2 设计水质目标
在污染负荷能够控制的前提下，工程完工6个月后水质验收指标:
（1）治理段水色清，无黑臭，无藻类等漂浮物积聚；
（2）水质指标修复前期达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅴ类水质标准，即：
远期可达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅳ类水质标准。

3.3 水生植被修复目标
水生态系统食物链中的生产者具有多样性种群，暖季、寒季能自然交替的，以水生植物为优势种群的稳定的植物群落。

构建的水生植物面积占工程总水面的15％～30％。

①植物种类：应包括挺水植物、浮叶植物、沉水植物，能反映生物多样性，生境复杂性。

挺水植物、浮叶植物各二种以上，并考虑景观效果；沉水植物包括暖季沉水植物与寒季沉水植物，暖季沉水植物以苦草、黑藻为主，寒季沉水植物以黄丝草等为主。

②水生植被面积：修复的水生植物面积为该工程整个水体面积的15%～30％。

其中，挺水植物与浮叶植物的面积占10％，沉水植物的面积占5％～20％。

12月、1月、2月，由于是大多数植物的越冬期，水生植被面积可相应减少50％。

③自然繁殖与自然交替：种植的植物经过越冬期或越夏期后，应能自然繁殖；暖季植物与寒季植物能自然交替。

本工程沉水植物以圆币草、聚草等为主，挺水植物以菖蒲，黄菖蒲、再力花、美人蕉等为主，浮叶植物以睡莲、荷花为主。

3.4 水面景观目标
在保证水体环境自然性的基础上，进行水面“景观绿化”。

引进水生观赏植物、水培花卉、陆生花卉，结合两岸周边环境造景。

强调“绿化”与环境的协调性、景观的功能实用性和景观自身的可观赏性，在水面宽阔的桥梁、路口等处强化水面景观，针对环境加以美化。

水体景观设计目标：以“人文、人性、自然和生态”为原则，以江南水乡格调为特色，水生植物为主，陆生植物为辅，创造一个自然的、生态的、和谐的独具水乡风格的人性化的生态景观。

视觉上力求“四季见绿，三季有花”，冬季部分植物保持常绿，春夏秋季时令花卉植物开放。

水面景观综合沿岸景观和倒影，水面植物进行景观布置，形成水面画卷。

第四章河道修复关键技术
随着人们对水环境和生态系统保护意识的增强以及人与自然和谐发展概念的提出，利用生态工程技术进行水环境改善和生态系统修复已经得到越来越广泛的共识。

以生态学和生态修复学原理为指导，针对水体生态系统现状和治理目标，采取相宜适用的水体污染原位治理工程技术来达到水生态系统的修复与良性构建。

采用的工程技术主要有：
4.1 生物清淤技术
生物清淤的工作原理是投放微生物菌种，针对不同的有机物和腐殖质进行消除，淤泥被就地分解成为水和二氧化碳。

达到水中无淤泥的效果，自动调节水中新陈代谢，无需额外养分补给和生化调整，在污水中不易发生“DNA”蜕变。

最后的目标就是水变清，并且无毒无害，对人的身体健康没有任何影响。

生物清淤这种方法比较经济效益，既减少清污费用，又缩短了工期，同时淤泥被分解为水和二氧化碳，不破坏环境，对鱼虾没有副作用。

其次是社会效应，关键是杜绝二次污染，不产生任何废弃物和有害物质，也不存在淤泥的转运和堆放问题。

4.2 河道水生植被生态恢复技术
水生植物包括挺水植物、浮水植物、浮叶植物和沉水植物，在河道生态系统的生物链中具有重要作用，同时在水污染治理中可以发挥多种作用。

通过自身生长代谢可大量吸收氮、磷等营养物质，同时一些物种还可富集重金属或吸收、降解某些有机污染物。

水生植物通过促进微生物的生长代谢，使水中大部分可生物降解有机物（BOD）得到降解，同时抑制藻类的生长，从而控制水体富营养化。

目前，水生植物恢复主要利用漂浮植物浮床技术、生态网技术、沉水植物网箱技术、群落构建技术等促进水生态系统恢复。

先锋物种的选择需要遵循适应性原则、本土性原则、净化能力原则、可操作性原则等，在广泛调查的基础上，结合原有水生植物种类，进行恢复先锋物种的选择。

在对水生植物的生物学特性、耐污性、对氮磷去除能力以及光补偿点研究基础之上，筛选适宜的物种，为水生植物群落恢复提供物种。

通过人为设计，根据环境条件和群落特性，在空间、时间进行植
物群落布置。

水生植物群落的布置主要根据河流历史的植物群落结构为模版，适当引入经济价值较高、有特殊用途、适应能力强及生态效应好的物种，建立稳定、多层、高效的植物群落。

河道水生植物恢复在整治中得到广泛应用，在美化河道景观的同时，有效地改善河道水质，形成比较完善的生物链，加强河道生态系统功能和抵抗力。

修复水生植被带通过水生植物直接吸收水体N、P等营养物质，净化水质，抑制藻类生长；水生植物带可以控制部分地表径流所造成的面源污染；水生植物光合作用改善环境，为水生动物提供空间生态位，增加生物多样性和系统稳定性，提高水生态系统自净能力。

图4-2
漂浮植物浮床技术：在污染的水域设置漂浮植物生态浮床，利用水土种植技术种植各种水生植物，通过植物根系的吸附和吸收作用，富集水中氮、磷等营养盐，降解、富集其他有害无毒污染物，达到净化水质美化环境的目的。

图4-3 生态浮床
4.3 生物膜技术
河流中水生植物、沙石和沉积物表面通常生长有一层对有机污染物有降解净化作用的生物膜-周丛生物，主要由藻类、细菌、原生动物等组成。

为了强化周丛生物对河水中有机污染物的去除作用，可以用人工水草、生物栅和生态砖等作填料，在河道内构筑渗流生物膜净化床。

渗流生物膜净化床因填料材料和粒径的不同，除了生物降解有机物外，还可能产生物理吸附、沉降，过滤等作用，去除
悬浮物和氮、磷、重金属等。

净化床可选择易被微生物附着的废砖块、废陶或沸石等功能填料。

采用独特的生物填料作为微生物生存的载体达到强化河道水质净化的目的。

利用该类载体作生物填料，在生物填料的表面和里面通道都可以长出致密的生物膜，给微生物提供巨大的生存空间，增加生态区好氧菌的数量，加快载体附着微生物的生长繁殖和新陈代谢，提高处理效率，缩短处理时间。

砾石间接触氧化也使用生长在砾石表面上的生物膜过滤。

砾石接触氧化的基本原理是生物氧化净化和沉淀去除悬浮物净化。

目前应用得比较多有美国Aquamantics、深圳河道治理的生物飘带技术等，滇池863项目中也有关于人工仿真水草的研究。

人工水草是对现有的多孔高分子材料进行改性、比选、优化而成。

多孔材料除了具有很大的比表面积外，还带有正负表面离子。

材料来源丰富，价格低廉，环境安全性好。

（如图所示）。

它是一种原位水质改善技术，尤其适合富营养湖泊水质的改善。

对富营养水体进行的小、中试结果表明：水质改善效果显著，见效时间短，布放人工水草一周左右，水体透明度显著提高，水体叶绿素水平显著降低，水体景观质量得到明显改善。

人工水草生产、布放及使用全过程，安全性好；其生产原材料来源丰富，价格低廉，生产、布放及维护都很简单，可以说是免维护。

布放后不需要再额外追加任何维护管理费用。

其主要技术指标如下：
1、显著提高水体透明度，抑制藻类水华发生，水体透明度增加 50-120cm，
叶绿素下降 40-80%；
2、COD降低 20-50%；
3、TP 降低 20-40%；
4、TN 降低 20-40%。

人工水草的特点：
1、人工水草－藻菌生物膜技术是一种可以应用于富营养水体水质改善的原位净化技术，不需要任何动力和能源，具较好的生态安全性；
2、富营养水体中布设人工水草可以明显抑制水体中藻类的生长，遏制或者消除“水华”，从而迅速提高水体的透明度，改善水体景观质量；
3、该技术可以在不降低水体营养水平的情况下，在较短的时间内显著提高
富营养水体透明度，为富营养水体水生植被恢复与重建营造一个适宜的理化环境；
4. 形成系列化产品后，可以通过其他一些人工辅助设施，增强水体景观效果；
5. 其生产材料来源广泛，且具有成本低廉，操作简单、免维护等特点，应用范围广泛，如湖泊、水库、河流、鱼塘、喷泉等，具有良好的市场前景和推广应用价值；
6、人工水草技术应用于富营养水体水质改善属国内首创；
7、其净化效果明显优于国外进口同类产品(AquaMats)，且销售价格仅为其1/2～2/3。

图4-4 人工水草示意图
利用工程菌和原生动物、后生动物一类的微型动物附着在填料上生长繁育，形成膜状生物污泥，水体与生物栅接触时，水体中的有机污染物、藻类、氮、磷等营养物，被生物栅上的微生物所摄取，使水体得到净化，微生物自身也得到繁殖。

这种处理方法能够有效的去除污水中氮磷总量，使水体得到净化。

4.4 漂浮型人工湿地技术
漂浮型人工湿地---多功能净水浮岛
漂浮型人工湿地也称移动式人工湿地，广泛适用于河湖的深水、浅水区域。

该装置利用陶粒、生物碳等填料作为浮体，和水生植物构成可移动的人工湿地，克服了常规湿地和浮岛的种种缺陷。

漂浮湿地独特的结构设计，可使能培植的植物类型多样化，挺水、浮水、沉水和陆生植物都能适应；漂浮湿地的浮体填料和种植管里水体修复药剂增强了治理污染水体的效率。

技术特点:
1.建立生态岛:漂浮湿地独特的透气构造孔便于各种植物生根;
2.脱氮除磷：利用漂浮湿地上的功能植物,吸收和去除水中的N、P等富营养化物质；
3.景观功能：可根据污染水体治理要求不同，选择不同植物，也可以进行轮
种和套种，形成立体种植、四季种植，景观效果四季延续;
4.水质改善：植物、浮体填料、水体修复药剂共同作用，促进悬浮物沉降，削减污染物含量，抑制浮游藻类生长；
5.消浪护岸：通过消浪作用稳定湖滨带，形成有利于水生植物恢复的相对的静水环境；
6.造型组装：结构新颖，植物造型与色彩可随意组合，便于管理；
7.重复适用：漂浮湿地单元具有防腐抗氧化特点，使用寿命为7-8年。

图4-5 漂浮湿地单体结构
作用机理:
(1)漂浮湿地上功能植物的根系增加了水体与氧的接触面积，加强了水体氧化能力，净化水质，同时根系释放出能降解有机物的分泌物，可加速降解有机污染物的分解；植物对水体中N、P营养物及其相应的营养盐（硝酸盐和磷酸盐）的吸收、吸附，在光合作用和呼吸作用下，转化为植物机体的一部分，带走水中的污染物质。

(2)由于浮体填料作为载体，可为微生物提供较大的附着表面，有利于加强对污染物的降解作用。

其反应过程是：①基质向生物膜表面扩散，②在生物膜内部扩散，③微生物分泌的酵素与催化剂发生化学反应，④代谢生成物排出生物膜。

（3）种植管里的水体修复药剂，可根据污染水体的不同治理要求，配制菌剂来修复水体，以光合菌群和酵母菌群为主导，协同其他土著菌群共同作用，氧化、还原等途径，增加水体溶解氧含量，分解氧化有机物，除臭去污。

“浮岛”原本是指由于湖岸的植物附着泥碳层向上浮起，漂浮在水面上的一种自然现象。

本工程的浮岛是一种象筏子的人工浮体,在上边栽培一些芦苇之类的水生植物, 漂浮在水面。

净化浮岛以为框架控制植物生长区域，避免漂浮植物在水域内狂长形成二次污染，失去控制。

浮岛上种植的植物主要是香蒲，黄菖蒲，美人蕉等具有净化水质功能的品种。

它具有附着生物多、水中直接吸收N、P等特点，在对浮游植物的抑制、提高水的透视度等方面效果比较显著。

以往工程结果表明人工浮岛在抑制浮游植物，提高水体透明度、降低COD方面效果突出。

浮岛净化水质要素：植物茎等表面对生物特别是藻类的吸附；植物的营养吸收；水生昆虫的摄饵；鱼类的摄饵、捕食；防止已沉淀的悬浮性物质再次上浮；日光的遮蔽效果，河道表面的除氮。