1.1 河湖水污染原因及现象

河流、湖泊等地表水体是各种污水排放的聚集地。 由于人类活动的加剧，污水排放量有所增加。 河流、湖泊的稀释和净化作用大大减弱，超过了河流、湖泊的自净极限，从而造成污染物沉积。 水体中，河湖污染主要包括氮、磷等营养盐和有机物污染。 目前，我国河湖污染的主要原因包括以下六个方面：

（一）人口增长和工业化、城镇化进程加快，导致污水排放量大幅增加。 随着工业化、城镇化进程的加快和人口的持续增长，我国污水排放总量持续上升。 2010年，污水排放总量达到617亿吨。 。 其中，工业污水排放量237亿吨，生活污水排放量380亿吨。 生活污水排放量占污水排放总量的61.6%。 2000年至2010年，我国工业废水排放量总体稳定但有所下降。 但随着人口的增长，生活污水的排放量仍在逐年增加。 大量的污水排放不仅加剧了水资源的短缺，还严重破坏了江河湖泊的水环境。

（二）违法排放、泄漏现象严重，多数企业不严格执行排放标准。 中国企业环境道德严重缺失。 一些企业（主要是中小企业）受经济利益驱动，为节省运营成本，违法闲置污水处理设施。 非法排放； 一些正在建设污水处理设施的企业基本没有停产，超量污水直接排入水体； 还有一些在建污水处理设施不能满足处理要求，治污设施经常超标排放。 这些超标排放和违规排放污水是江河湖泊水质严重恶化的又一重要原因。

（三）雨污混流直接排入河道问题严重。 污水截流治理措施滞后。 江河湖泊排污口截污治理措施滞后。 我国城市引排水系统雨水管网雨污混用现象严重。 这是造成城市河流水污染的主要原因之一； 此外，郊区生活污水和家禽养殖污水直接排入附近河流的现象也很常见。 江河湖泊两岸居民经常将垃圾直接倒入水体，对江河湖泊造成严重污染； 农业化肥、农药造成的面源污染也直接影响河流、湖泊的水质。

（4）各种污染物侵入江河湖泊，水体自净能力逐渐丧失。 由于城市经济的快速发展，城市中汽车尾气、垃圾、大气沉降物等形成的污染物也较多。 这些污染物被大雨径流冲入河流； 另外，从城市生活污水的排放和路边第三产业污水的排放来看，各种点源和面源污染物侵入河道，导致河水中溶解氧过低，缺乏水生生物生存的环境。动植物生存，导致水体逐渐失去自净能力。 外来污染已成为河流水质恶化的根本原因。

（五）河湖沉积物逐渐富集，二次污染严重。 城市快速发展和工业化进程中，大量废水排入城市河流、湖泊，对水体造成严重污染。 河流、湖泊的底泥中沉积了大量的污染物。 水环境变化后，底泥中​​积累的有毒有害污染物通过一定的交换作用重新释放。 它们是影响和制约上覆水体质量的二次污染的主要来源。 对河流、湖泊水体产生负面影响。 水质及周边环境受到严重影响。

（六）现有项目投资不足，环境监管能力薄弱。 近年来，随着工业减排、农业节水等一系列措施的实施，污染排放得到了一定程度的控制。 但与全市经济社会发展相比，河湖污水综合治理设施仍然滞后，投入严重不足，环境治理力度不足。 此外，环境管理难以完全满足依法行政的要求，对企业环境违法行为难以实现有效监督管理。 违法排放、漏排放、超标排放污染物时有发生，减排达标难度较大。

在这六大主要原因的影响下，河湖水污染日益严重，呈现出以下三个主要特点：（1）污染程度随径流变化。 污染物排放量相同时，河流、湖泊的径流量越大，污染程度越低； 径流的季节性变化会导致污染水平的时间差异。 (2)污染物扩散快。 河流和湖泊的流动性意味着污染的影响不仅限于污染发生的区域。 上游的污染很快就会影响到下游。 即使是一段河流、湖泊的污染，也会影响整个河流、湖泊流域的生态环境。 (3)污染有害。 江河湖水是饮用水的主要水源。 污染物可以通过饮用水直接毒害人体，也可以通过食物链和灌溉农田间接危害人类健康。

现阶段河湖污染主要表现在以下两个方面：一是水体黑臭，二是水体富营养化。

黑臭水体形成的原因：（1）水体有机污染负荷过大。 主要是点源污染和面源污染，如工业废水、生活污水、雨水径流等； (2)底部污泥和底物的重悬。 城市河流污染的特点是不仅水质污染严重，底泥污染也十分严重。 水体中的大量污染物在河流沉积物中沉淀、积累。 可以说，沉积物是排入河流的各种污染的主要来源之一。 但受污染的底泥也会对河流造成二次污染； (3)水体热污染。 城市河流热污染是指河流两岸工厂向水体排放的高温废水。 25℃左右，放线菌繁殖达到最大，河水黑臭味也达到最大； (4)重金属污染。 重金属污染也是城市河流污染的一种。 其对河流黑臭的贡献主要在于水体中的铁、锰含量。 悬浮物中的铁和锰是重要的变黑因素之一。

20世纪50年代以来，江河湖泊富营养化已成为世界重要的水环境污染问题。 水体富营养化的基本过程：江河湖泊富营养化过程的初级阶段：水体中营养物质相对较少，溶解氧丰富，生物生产力低，水体呈现负寡营养特征。 随着时间的推移，从外界进入水体的营养物质逐渐积累，水体中的营养物质增加，江河湖泊的生物生产能力增加，生物量增加，水中溶解氧含量减少，水体颜色变深，透明度降低，水生生物种群组成逐渐被适合富营养条件的种群所取代，河流、湖泊相应地由贫营养向中营养发展，再向富营养发展。 当富营养化现象发展到一定阶段时，表现为浮游植物藻类的异常增殖。 水面出现藻类，主要是蓝绿藻，严重时形成“藻华”或“靛蓝”。 在迎风湖岸或湖湾，聚集在水面上的藻类会形成糊状薄膜。 水体呈深绿色，透明度极低，并能散发出鱼腥味。 它还分泌大量藻类毒素，抑制鱼类和其他生物的生长，对人畜造成危害，严重污染环境。

1.2 河湖污染现状

（二）河流污染现状

目前，我国十大流域均受到不同程度的污染。 2012年，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河、浙闽江河、西北江河、西南江河等十大流域国控断面中，水质等级为Ⅰ～Ⅲ类、Ⅳ～Ⅴ类和劣Ⅴ类。水质相似断面比例分别为68.9%、20.9%和10.2%，如图1.1所示。 主要污染指标为化学需氧量、五天生化需氧量和高锰酸盐指数。

（二）湖泊（水库）污染现状

2012年，62个国家重点控制湖泊（水库）中，一至三类、四至五类、劣Ⅴ类水质的湖泊（水库）比例分别为61.3%、27.4%和11.3% ，如表1.1所示。 主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。

除密云水库、班公错外，还对其他60个湖泊（水库）进行了营养状况监测。 其中，中度富营养化状态4个，占6.7%； 轻度富营养化11个，占18.3%； 中营养状态37例，占61.7%； 处于寡营养状态的有8只，占13.3%。 如下所示。

随着经济社会快速发展，水污染不断加剧，已成为制约我国社会经济可持续发展的重大“瓶颈”问题。 因此，受污染的河流、湖泊、水库的治理和修复是社会经济发展和生态环境建设的迫切需要。

1.3 我国河湖水污染治理

多年来，我国通过“水工程”和各类工程实施了大量河湖治理工程，并相继制定规划，全面开展河湖治理纵深发展。 已实施的河湖治理工程，采用了多种技术手段：（一）采用截污、岸线整治、护岸、清淤、换水等市政（水利）工程手段进行治理； （2）采用浅滩湿地、浮岛湿地、沉水植被恢复、漂浮植物抑藻等生态工程方法进行治理； （三）采用生态工程与环境工程相结合的方法进行综合治理； （四）生化-理化制剂、臭氧、超声波、纳米微米气泡、生化过滤箱、高强磁场、沉水生物带（人工水生植物）、竹炭过滤床、太阳能生物反应等新技术方法室和等离子体反应器用于综合管理。 但对于污染严重的江河湖泊，能够取得良好治理效果、达到良好技术经济指标的项目却很少。

2、河湖水污染生态修复技术

生态生物法是近年来国外迅速发展的一项新技术。 它利用栽培植物或培养接种的微生物的生命活动来转移、转化和降解水中的污染物，从而净化水体。 该技术具有处理效果好、工程造价相对较低、无或低能耗、运行成本低等优点。 此外，该处理技术不向水体中投入化学物质，不会造成二次污染。 还可以结合绿化环境和景观的改善，在治疗区建设休闲、体育设施，营造人与自然融为一体的优美环境。 。 目前，国内已广泛应用的江河湖泊污染水体生态治理技术主要有五种：生物膜修复技术、人工湿地技术、生态浮岛技术、固定化生物酶技术、曝气增氧技术。

2.1 生物膜修复技术

生物膜修复技术采用天然材料（如卵石、砾石和天然河床等）或合成接触材料（如碳纤维、纤维等）作为载体，让微生物群落粘附在载体表面以电影般的方式。 通过与污水接触，生物膜上的微生物将污水中的有机物作为营养物质吸收并同化，从而净化污水。 由于载体比表面积大，可粘附大量微生物，因此具有较强的降解污染物的能力。 生物膜接触氧化法是生物-生态联合修复技术的主要过程。 其核心成分是生物填料。 生物填料的材质和外观直接关系到生物膜的数量和处理性能。

微污染水体生物膜修复技术是近年来国内外研究开发的解决水污染的关键技术。 日本、韩国等许多发达国家已经应用于工程实践，但我国刚刚起步，尚处于工程试验阶段，但发展迅速。 目前用于净化河流的生物膜修复技术主要有人工填料接触氧化法、砾石间接触氧化法、薄层流法和潜流净化法等。

生物膜修复的关键是选择具有膜状附着微生物群的栖息地载体材料。 考虑以下几点：①栖息载体材料比表面积大，可粘附大量微生物。 其污水净化效果（特别是氨氮去除率）高； ②微生物成膜快，老化生物膜易脱落； ③单位用量小，价格便宜； ④ 生物亲和性和水亲和性，充氧效率高； ⑤ 吸附、分离、转化作用强； ⑥稳定性，要求填料耐酸、耐碱、耐氧化、不易老化； ⑦重量轻、机械强度高、寿命长； ⑧安装维护方便。 对于性能良好的亲水性填料和生物亲和性（活性）填料，目前市场上常见的生物填料主要是以聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或聚酯为原料制成的碳纤维。 开发重点是填料比表面积、填料结构、水分布、气体分布性能和生物膜更新等方面。

2.2 人工湿地技术

人工湿地是人工建造并控制运行的类似于沼泽的表面。 污水和污泥经过控制并分配到人工建造的湿地中。 污水和污泥在按一定方向流动的过程中，主要是通过土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用来处理污水和污泥的技术。 其作用机制包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮荫、残渣积累、水分蒸腾和养分吸收以及各种动物的作用等。

人工湿地是应用生态系统中物种共生、物质循环再生的原理以及结构与功能协调的原理而形成的综合性生态系统。 在促进废水中污染物良性循环的前提下，充分发挥资源的生产潜力，防止环境破坏。 重新污染，获得污水处理和资源化利用的最佳效益。 人工湿地去除的污染物种类广泛，包括N、P、SS、有机物、微量元素、病原体等。相关研究结果表明，在进水浓度较低的情况下，人工湿地的BOD5去除率可达85 %-95%，COD去除率可达80%以上，处理后出水BOD5浓度在10mg/L左右。 ，SS小于20mg/L。 废水中的大部分有机物作为不同微生物的有机营养物，最终转化为微生物和CO2、H2O。

自然湿地的恢复和人工湿地的建设是当前湖泊河口污染治理的重要工程措施。 是一种经济、有效、可行的方法，具有良好的生态功能。 目前，人工湿地应用广泛，特别是在水质不是很差、有景观建设需要的地区。 人工湿地的建设可以在改善水体景观的同时提高水质指标。

2.3 生态浮岛技术

生态浮岛技术利用可漂浮材料作为基质或载体，将高等水生植物或陆生植物种植到富营养化水域中，通过植物根系吸收或吸附作用减少水中的氮、磷和有机污染物。 是净化水质的生物防治方法，同时通过收获植物去除水体中富含营养的物质，改善水质，创造良好的水环境。

与其他水处理工艺相比，生态浮岛技术更贴近自然，具有更好的经济效益。 浮床上种植的植物美化了环境，与周围环境融为一体，成为新的景观亮点。 浮床还可以用来种植一些经济作物，在净化水体的同时可以带来一定的经济效益。 国内外实践证明，生态浮床的建设和运营成本相对较低。 建成后，操作维护方便简单，运行成本低。

我国自1991年引进生态浮岛技术以来，已广泛应用于湖泊、水库、城市河流等不同水体的治理。 在北京备战奥运会开展的河湖污染综合整治中，该技术被列为优先技术措施。 实践证明，人工生态浮床技术是一种非常有效的水体氮磷净化技术，在国内外已得到广泛应用。

2.4 固定化酶技术

固定化微生物技术是将特选的微生物固定在选定的载体上，使其高度致密并保持生物活性，并在适当的条件下能快速、大量增殖的生物技术。 该技术应用于废水处理，有利于提高生物反应器内微生物（特别是具有特殊功能的微生物）的浓度，帮助微生物抵抗不良环境的影响，有利于反应后的固液分离，并且缩短治疗所需的时间。 时间。

利用固定化微生物技术提高废水处理效率的过程也称为“生物效率”，适用领域广泛，如化粪池、隔油池、排水管道、江河湖泊、城市污水处理厂、工业污水处理厂等。一般来说，对于特殊污染源，来自自然环境的微生物被消耗得很快，效率低。 即使拥有快速的繁殖能力，它们仍然不足以承受这个负担。 因此，生物强化过程仍然遵循自然的方法，将具有已知降解能力的定制微生物制剂（固定化微生物）添加到目标中，治疗效果显着提高。

2.5 曝气充氧技术

曝气增氧是增加水体含氧量的方法。 提高溶解氧含量、降低COD达标是江河湖泊污染治理中常用的技术。 目前常用的机械充氧方法有两种。 一是搅动水面，比如用水车抽水； 另一种是在水中安装增氧机。

江河湖泊曝气增氧技术是根据江河湖泊污染后缺氧的特点，利用自然落水（瀑布、喷泉、假山等）或人工曝气对水体进行复氧，促进上层水体混合。保持水体的好氧状态，增加水体中的溶解氧含量，加速水体的复氧过程，抑制沉积物中N、P的释放，防止黑化的发生和有气味的水体。 从而恢复和增强水体中好氧微生物的活力，净化水体中的污染物，从而改善江河湖泊的水质。

曝气增氧技术结合了曝气氧化池和氧化渠的原理。 其在江河湖泊污染治理中的作用主要体现在以下几个方面：①加速水体的复氧过程，使水体的自净过程始终处于有氧状态。 、提高好氧微生物的活力； ②充入的溶解氧能快速氧化有机物厌氧降解过程中产生的2S、CH4S、FeS等黑臭物质，有效改善水体黑臭状况； ③增强江河湖泊的臭味湍流有利于液体的传输、扩散和混合； ④减缓沉积物中磷的释放速度。

3、河湖水污染生态修复解决方案

3.1 河湖水污染生态治理研究计划

本中心回顾了近年来我国河湖管理取得的成就，分析了存在的主要问题，结合发达国家的一些经验，对我国河湖管理提出了自己的看法。河流和湖泊的管理。 为彻底治理江河湖泊污染提供新思路，也可供其他城市治理城市水系污染时参考。

3.2 河湖水污染生态治理工程规划

北京市水处理环保材料工程技术研究中心根据多年的科研和工程经验，提出了河湖水污染综合生态治理的思路。 主要包括源头强制排放、河道排污口截污、河湖生态修复、河湖断面水质净化四级。

源头强制达标排放，是指在污染源头对企业废水、农村污水进行物理、化学、生化处理，达到达标排放； COD和氨氮去除率要求为10-20%。 相关工程应用包括企业污水处理厂稳定达标及水质提升工程、市政污水处理厂水质提升工程等。

排污口截污是根据生活排污口、工业排污口、养殖排污口和混合排污口入河的不同水质特点进行截污。 采用生物滤池、人工湿地、碳纤维氧化池、碳纤维集成膜反应器等技术，实现洁净水入河。 河道中COD和氨氮去除率要求为20-30%。

河湖水体生态修复通过底泥清理、微生物菌剂引入、水生植被种植、螺类、贝类、鱼虾等高级水生动物的引进，实现河湖水体生态系统的恢复。 COD和氨氮去除率要求为10-20%。 典型项目有吉林四平人工湿地治理、辽宁锦州人工湿地治理、南京幸福河水生态修复等。 幸福河修复主要包括通过动物、植物和微生物的共同作用，对河底进行改造、引入沉水植物和引入水生动物。 恢复清晰的流动。

针对河湖断面的水质净化，采用碳纤维浮岛进行原位和移动修复，达到河流水质达标、回用和景观效益。 COD和氨氮去除率要求在40-60%以上。

四、关键技术及相关科研成果

北京水处理环保材料工程技术研究中心在总结国内外河湖管理经验的同时，经过多年的技术研发和工程实践，形成了一套河湖管理和生态修复关键技术。 其内容如表4.1所示。

北京水处理环保材料工程技术研究中心在河湖生物生态修复领域获得多项国家发明专利，包括生态碳纤维材料、生物纤维草、生物碳纤维双层平板膜等专利技术，见表4.2。

工程中心多次承办河湖生物生态修复科技成果鉴定会（“新型生态碳纤维污水处理关键技术与装备”科技成果项目鉴定会、“生物相容性碳纤维污水净化技术与装备”）科技成果项目鉴定会（待会），并吸引相关媒体报道，如图4.1所示。

5、河湖水污染生态修复工程案例

5.1 强制源排放标准达标项目案例

（一）企业污水处理厂稳定达标，水质标准提高

(2)城市污水处理厂水质改善

（三）提高养殖水体水质标准

（四）工业园区污水处理

5.2 排污口截流工程案例

5.3河流和湖水生态恢复项目案例

5.4河流和湖区水质净化项目案例