北方山区型河流污染控制与生态修复技术集成研究—以太子河山区段为例(宋有涛院长) (1)

本钢
成因： 工业废水和城市生 活污水排放量大，枯水 期生态补水量少 水体中溶解氧含量 低，自净能力差 河道渠化，岸坡硬化， 人工清淤较为频繁
相对密度 丰水期：41382×108ind/m2 平水期：1.16×108ind/m2 丰水期：1851nd/m2 平水期：900nd/m2 总渔获量>60 shannon-weaver 指数 丰水期：2.10-3.50 平水期：0-3.14 丰水期：0-2.18 平水期：0-1.74 0.7
钢铁园区多单元排放过程控制减排技术——技术示范
基于单元段的水质分析，确定了在本钢综合污水厂
的高密度澄清池前开展技术示范。
取水点 实验示范区
污水厂一级 A 尾水物化耦合深度净化技术——小试研究
低温脱氮技术研究——小试研究
负载条件的正交实验设计： 确定活性炭负载的最优负载条 件：硝酸铁浸渍液浓度为0.15 mol/L、 扩散条件为45Hz+100r/min、pH值为7。
已确定沉水植物：菹草、小眼子菜等；挺水植物：水蓼、金盏银盘等 已确定土壤微生物：细菌群落
微生物+基质配置实验
在明确本地微生物群落组 成后，利用富集培养的方法筛 选优势菌（群）以及固氮、解 磷菌（群）；盆栽实验正在进 行中，用以筛选出优势物种和 适宜植物生长的改良剂组合。
微生物 功能菌 剂
水平
有机肥 (g/kg)
山 区 段
上游源头段
问题： 水质较好，部分河段生 境脆弱，水源涵养能力 不强，水生生物多样性 不高
成因： 河道狭窄，底质多为 石头，河岸陡峭，植被 稀少 汇水区多石灰岩基质， 次生林灌丛层退化、人 工林树种单一 人为干扰（沿岸农田、 挖沙等）影响较大
太子河上游生物多样性监测与评价结果 物种指数 藻类物种丰度 藻类香浓多样性指数 藻类敏感物种相对丰度 大型底栖动物秋季BMWP评价 等级 15-25 1-3.5 20-60 ＞51 评价结果 南支较差 较差，南支极差 整体较好，但南支较差 较好 物种指数 鱼类物种丰度 总渔获量 珍稀鱼类维持功能 鱼类多样性维持功能 等级 ＞8 北支＞72 南支＜24 0.2-0.4 0.5-3.0 评价结果 整体较好，但南支较差 北支较好，南支较差 源头区较差 源头区较差，干流较好，变化较大
山区型河流消落区带状湿地构建、河流复氧强化、河底 仿自然生境营造、河岸生态修复
主要包括：钢铁园区污水排放系统优化研究、污水厂一 级 A 尾水物化耦合深度净化技术、以及低温去除氮技术三项。 可以实现污水处理厂各节点的控制和总污染负荷削减，
解决中游城区段河流水质提升相关问题，建立基于生态需水
保障水质水量调度模式方案、基于水质目标管理的区域产业 与空间转型方案和基于管理减排的流域管理技术支撑体系， 为北方山区型河流水环境全面改善提供范式
北方山区型河流污染控制与生态修复 技术集成研究 ——以太子河山区段为例
辽宁大学环境学院 宋有涛 （布乃顺）
一、研究背景 二、研究目标
三、研究内容 四、技术路线
五、关键技术
研究背景
太子河长 413km，流经 本溪、辽阳和鞍山，部分 流经抚顺和沈阳 流域面积1.39万km2 年均径流量26.9亿m3 废 水 、 COD 和 NH3-N 排放量分别占辽河流域 （ 辽 宁 省 ） 的 30.5% 、 19.8%和21.5% 上中游为典型山地丘陵 型河流
2591
14949 524
3707
19450 887
1116
4501 363
大型底栖动物
鱼类
注：引自《本溪市水污染统计资料》
中游矿区段
歪头山铁矿
问题： 水体中悬浮物含量高， 河道及河岸受到一定破 坏，河流生境质量一般
北台铁矿
南芬铁矿
成因： 矿山区域大，长期粗 放开采造成污染和水土 流失严重 水陆交错带植被退化， 降低了污染阻控功能 悬浮物在汇流区大量 沉积，破坏河流底质结 构
上游源头区
生境改善 水源涵养
汇水区植物群落保护 水质目标管理策略 水质提升技术 河流生境改善
中游城区 中游矿区
植被恢复 污染阻控 水质提升 氨氮削减
污染分析与修复方案 退化区生态修复 污染阻控与生态整治
太子河流域山区段
技 术 集 成 与 应 用 示 范
工程示范（河流主题）与平台建设（监控预警主题）统筹结合 基于“生态修复-生态效应-水质响应”的太子河流域生态建设与管理平台
钢铁园区多单元排放过程控制减排技术
城区段水质与钢铁园区废水组成分析
氨氮 19.36 5.46
总磷 0.848 0.133
总氮 32.5 9.23
化学需氧量 116 17.3
钢铁园区多单元排放过程控制减排技术——小试研究
通过对比，确定出水不达标所对应的进水指标 ； 采用回流工艺进行处理，提高混凝处理效率 。
有机肥有利于提高土壤有机碳的含量，随着土壤有机质含量增加，目标 有机物在土壤中的流失速率减弱。
研究结果：

调节pH以最大限度保证土壤酶活性和土壤微生物种群数量
施加有机肥料，提高有机质含量，减少养分流失 施加秸秆、稻壳等腐殖质肥料，可以提高有机质含量并改善土壤理化性状。
按区域分异性划分生态封育模式类型，通过集成已有半 封-轮封-全封等生态封育技术，并使用景观生态学中基质 - 廊 道-斑块理论对已有生态封育技术进行再创新，集成简单技术 并综合利用实现经济效益最大化。
大边沟
碱厂大桥 肘状针杆藻、颤藻、舟形藻、桅杆藻、曲壳藻、
水质现状调查
水泵
藻类培养区 缓流区 调流区
“step-pool”室内模拟结构图及装置
2.50E+04 2.00E+04 1.50E+04 1.00E+04 5.00E+03 0.00E+00
藻类 个数
在流速一定的情况下
（ 0.5m/s ）着生藻类的个
研究目标
研发山区型河流上游脆弱生态系统生境维持与生 物多样性保护、中游城区段河流生境改善与水质提升、 矿区水陆交错带污染阻控与生态修复等关键技术，开 展应用示范 构建太子河流域山区段生态建设与管理平台，实 现业务化运行 制定山区段河流生态修复与功能提升技术指南
突破北方山区型河流生态恢复关键科学技术 问题，为我国河流生态修复与功能提升提供 理论与技术基础
采用实地采样与模拟实验相结合的方法，针对乔、灌植物群落，
开展消减氮、磷能力的比较研究。
关键技术
2.中游城区段河流生境改善与水质提升关键技术
（1）山区型河流城区段河流水质提升关键技术
钢铁园区污水排放系统优化研究、污水厂一级 A 尾水 物化耦合深度净化技术、低温去除氮技术
（2）城区段河流生境改善关键技术
山区型河流水生态状况评估评价 水生态管理平台构建
“十三五” 生态流域 提供理论 技术支撑
关键技术
1.上游河流脆弱生境维持与生物多样性保护关键
技术
（1）河流微型“step-pool”结构构建及空间组合配
置技术
（2）太子河上游河岸带植被先锋种抚育技术
（3）“生物砖”配置构建技术
（4）山区型河流汇水区生物群落生态封育技术
四尾栅藻
5.9
0.05
0.03
流域生态建设与管理
问题： 缺乏生态监测及生
水生态服务功能
采 矿 造 成 生 态 破 坏 河 子 道 净 化 能 力 气 候 调 节 能 力 闸 坝 和 河 道 硬 化 城 市 化 和 工 业 点 源 氨 氮 稍 高 水 土 保 持 能 力
水生态健康状况
植 被 覆 盖 率 低 生 活 垃 圾 和 污 水
数随水深呈先增加后下降 的 趋 势 ， 25-35cm 水 深 的
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
水深
着生藻类个数最多
以太子河河岸带自然状况为基础，基于植被演替原理， 通过筛选优势乡土植被群落，结合微生物群落+土壤配置技术， 改善河岸带基质，促进河岸带自然生境恢复。
植被与微生物现状调查
驱动力、压力
畜 牧 养 殖 和 挖 沙 水 源 涵 养 能 力
态评估技术体系
缺乏社会经济影响、 水生态健康、服务功能
河
城 镇 化 进 程 加 快
和管理调控之间的响应
太
水 质 安 全 保 障
生 物 多 样 性 降 低
人类社会经济影响（驱动力、压力）、水生态健康（状态）、 服务功能（影响）之间的响应 生态建设与管理平台 政府决策和城市规划
SS对河流水体藻类生长的影响 SS对藻类生长影响 铜绿微囊藻 无悬浮物河段 四尾栅藻 铜绿微囊藻 有悬浮物河段 最大藻密度 （104cell/mL） 57.8 17.3 1.5 最大比生长率 μmax (d-1) 0.60 0.45 0.02 平均比生长率 μ(d-1) 0.26 0.34 0.01
技术路线
河流生态安全评估 生态修复策略方案
“ 十 二 五 ” 流 域 重 大 需 求
脆弱生境修复策略 河流生物多样性保护
底质生境优化 受损河岸恢复 生物群落配置 低温去除氨氮 钢铁废水减排 带状湿地构建 退化群落优化 植物篱阻控 下垫面改善
林下灌丛保护 基质土壤调控 受胁群落封育 河底生境营造 生物链培育 渣山原位修复 先锋植被抚育 地表径流调控 坡面物种筛选
示范区人工林生长情况
林龄（年）树高（m）胸径（cm） 材积（m3） 每公顷材积 （ m 3） 3.9 43.2 125.5 21.6
5 15 25 35 45 每公顷株数
0.2 4.0 9.6 13.9 17.0 631
5 13.4 19.3 23.7 631
0.0061 0.0685 0.1989 0.3431 631
注：引自“十一五”水专项功能分区划分研究结果
中游城区段
老官砬 子断面
问题： 枯水期水质较差，氨氮 含量较高，生境破坏严 重，生物多样性很低
百年渣山
兴安断面
本钢
北台钢厂
城区段生活污水排放情况 单位 污水量 COD量 氨氮量 万吨 吨 吨 2008 5328 23498 2988 2009 5218 23206 3066 2010 5888 24058 2291 2015 7030 28728 2864 十二五新增 1142 4670 527 类别 群落特征
太子河流域山区段
主要是指太子河源 头至葠窝水库之间 的上 游山地森林和中游丘陵 森林地区，包括本溪及 抚顺、辽阳部分地区， 区域面积8453km2，占太 子河流域总面积的60.8%。 该区域尽管水质基本达 到 IV 类标准，但面临着 较为典型的生态环境问 题，存在着生态修复的 需求。
葠窝水库
上游
中游
利用河道中岩石构成优化，底质生境异质性增加等原理， 提高河道生境多样性，为提高河流生态系统生物多样性提供 基础。
藻类现状调查
地点 藻类种数 多样性指数
孤山子
曲壳藻、卵形藻、铁杆藻、肘状针杆藻、颤藻、 舟形藻、桅杆藻、舟形藻、弯楔藻、异极藻
曲壳藻、肘状针杆藻、颤藻、弯楔藻、异极藻、
3.07
2.01 1.1
注：引自“十一五”水专项研究成
太子河中游生物多样性监测与评价结果
城区段工业废水排放情况 单位 2008 2009 2010 2015 十二五新增
着生藻类
4门22科9属
3门10科13属 鲤科是优势类群,其次 为鰕虎鱼科,鳅科
废水量
COD量 氨氮量
万吨
吨 吨
7751
14145 361
5653
13102 192
腐殖质 (g/kg)
1
2 3
0.5
1.5 3.0
0岸带基质土壤养分调节和当地优势物种筛选为 技术基础，构建河岸带基质稳定袋，结合河岸带护坡生态网 格、石笼，研发“生物砖”配置构建技术，促进河岸带自然 生境快速恢复。 生物砖基质实验
处理 OC全土（g/kg） T. N（g/kg） 微团聚体量（%） OC微团聚体（g/kg） 低有机质 20.47±0.066 1.57±0.016 21.46±0.12 19.39±0.20 中有机质 27.96±0.636 2.32±0.044 23.22±0.11 26.19±0.31 高有机质 35.89±0.222 3.11±0.019 25.40±3.15 32.97±0.28
研究内容
针对太子河流域山区段上游生境脆弱、中游生态退化、 矿区生态破坏等典型问题，以河流生态修复与功能提升为目
标，依托“十一五”水专项研究成果，开展以下四个方面研
究： 1 2 3 4
上游河流脆弱生境维持与生物多样性保护关键技术与示范 中游城区段河流生境改善与水质提升关键技术与示范 矿区水陆交错带污染阻控与生态修复关键技术与示范 太子河流域山区段生态建设与管理平台构建及业务化运行