彭劍峰，宋永會(huì)，高紅杰，任兆勇，李 蕊，于會(huì)彬

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院城市水環(huán)境研究室，北京 100012；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012；3.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島 266510)

1 前言

隨著我國城市化及農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，支流河逐漸演變?yōu)閰^(qū)域水循環(huán)體系的“靜脈”系統(tǒng)，成為生活源、工業(yè)源、徑流源、蓄禽養(yǎng)殖源等的主要收納水體，其水環(huán)境質(zhì)量隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展呈急劇惡化趨勢[1～3]。尤其自20世紀(jì)90年代以來，支流河污染已成為我國區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量改善的頑疾。如何實(shí)現(xiàn)支流水質(zhì)快速恢復(fù)成為構(gòu)建區(qū)域健康水循環(huán)體系的核心之一[4～6]。

渾河是遼河流域最重要的河流之一，而沈陽—撫順（沈撫）區(qū)域是渾河流域的主要城市集聚區(qū)，也是渾河污染的主要來源[7]。沈撫區(qū)域聚集了渾河流域60%以上的支流，支流水系普遍存在重污染行業(yè)密集、自然補(bǔ)水季節(jié)差異明顯、補(bǔ)水水質(zhì)差，河流水環(huán)境容量低、自凈能力低下以及河道維護(hù)與管理欠缺等區(qū)域特征，導(dǎo)致大部分支流河化學(xué)需氧量（COD）和氨氮（NH4+-N）指標(biāo)屬于劣Ⅴ類（見圖1）。支流污染來源分析顯示，其污染主要來自于城市生活源（占COD和NH4+-N入河量的53%和63%）和工業(yè)污染源（均占COD和NH4+-N入河量的27%）。由于缺乏穩(wěn)定的自然補(bǔ)水，沈撫地區(qū)支流在枯水期絕大部分補(bǔ)水來自于城市排水，這是導(dǎo)致支流水質(zhì)差的最根本原因。

根據(jù)補(bǔ)水來源差異，沈撫地區(qū)支流水系表現(xiàn)出兩類不同的污染特征。第一類以撫順海新河為代表，支流補(bǔ)水仍以工業(yè)、生活點(diǎn)源污染為主，有機(jī)物和懸浮物成為主要污染物，河水水質(zhì)極度惡化，水生態(tài)系統(tǒng)被完全破壞。第二類以沈陽細(xì)河為代表，補(bǔ)水以城市污水處理廠排水為主，氮磷營養(yǎng)物成為特征污染物，水質(zhì)相對較好，但菹草等水生植物大量滋生?！笆晃濉逼陂g，依托國家重大水專項(xiàng)，針對渾河沈撫區(qū)域重污染支流水系補(bǔ)水來源、經(jīng)濟(jì)條件、河流功能定位差異，研究中按照“控源優(yōu)先、生態(tài)修復(fù)為主、景觀性與經(jīng)濟(jì)性并重”的理念，通過“問題診斷→源頭削減→水質(zhì)凈化→生態(tài)環(huán)境改善→生態(tài)恢復(fù)”的工作思路，開展了多項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用工作。

圖1 沈撫地區(qū)渾河支流COD和NH4+-N分布Fig.1 The distribution of COD and NH4+-N in Hunhe River of Shenyang—Fushun Zone

2 重污染支流生態(tài)治理技術(shù)研究

針對渾河沈撫區(qū)域重污染支流水環(huán)境特征，開展了13項(xiàng)單項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)，篩選出潮汐流人工濕地強(qiáng)化脫氮技術(shù)、多層組合生物浮島凈化技術(shù)，以及傍河藻類塘與水生植物塘聯(lián)用這三項(xiàng)支流河修復(fù)技術(shù)。

2.1 潮汐流人工濕地強(qiáng)化脫氮技術(shù)

常見的人工濕地類型有水平潛流和垂直流人工濕地。然而，在水平潛流人工濕地中，其基質(zhì)長期處于淹沒狀態(tài)，液面擴(kuò)散復(fù)氧和植物根系泌氧能力有限[8，9]，床體表現(xiàn)為缺氧環(huán)境，不利于大量NH4+-N的氧化去除[10]。而在垂直流人工濕地中，雖然水流因重力作用在基質(zhì)中非飽和流動(dòng)時(shí)能夠增強(qiáng)濕地床體的氧擴(kuò)散能力[11]，然而其復(fù)氧量仍不能滿足硝化細(xì)菌對氨氧化去除的需求[12]。因此，濕地內(nèi)溶解氧（DO）的提高成為提升濕地脫氮效果的關(guān)鍵[8，13]。

潮汐流人工濕地是一種新型人工濕地，它是通過將濕地按時(shí)間序列周期性地充水和排干，使得濕地內(nèi)部不斷形成好氧—厭氧過程，這種交替的進(jìn)水和空氣運(yùn)動(dòng)，使得氧的傳輸速率和消耗量大大提高，強(qiáng)化了濕地的處理效果，反應(yīng)器構(gòu)型如圖2所示。通過11個(gè)月的連續(xù)運(yùn)行研究表明，在水力負(fù)荷為0.2 m3/（m2·d）條件下，3周期/d的潮汐流人工濕地（反應(yīng)4 h，閑置4 h）出水DO值為0.61 mg/L，高于潛流人工濕地的0.22 mg/L；其對NH4+-N的年平均去除率達(dá)到37%，比潛流人工濕地提高了約30%，且其在低溫條件下(水溫9～13℃)對NH4+-N仍具有較好的凈化效果，去除率可達(dá)34%[14，15]（見圖3）。

圖2 潮汐流濕地裝置圖Fig.2 Schematic of the tidal-flow wetland

圖3 潮汐流濕地對NH4+-N的去除Fig.3 NH4+-N removal in the tidal-flow wetland reactors

2.2 多層組合生物浮島凈化河水技術(shù)

傳統(tǒng)生物浮島一般采用浮床載體形式，其在低覆蓋率下凈化效率低，高覆蓋率下阻斷DO進(jìn)入水體且抑制硝化作用及水生生物生長。多層組合生物浮島將傳統(tǒng)浮島改為兩層的立體結(jié)構(gòu)（見圖4），通過添加填料掛膜增加了生物附著面積；通過將植物凈化、生物膜和跌水富氧技術(shù)相結(jié)合，可有效削減水體中的COD、NH4+-N和磷酸鹽，同時(shí)改善浮島景觀效果[16，17]。

圖4 多層生物浮島結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Schematic of the multi-layers floating island

在實(shí)驗(yàn)?zāi)M體系中，夏秋季在水力停留時(shí)間（HRT）為2 d時(shí)，多層生物浮島中填料掛膜持續(xù)進(jìn)行23 d后完成掛膜，多層生物浮島對NH4+-N和COD的去除率可達(dá)73%和71%，比單層浮島分別提高約40%和15%。填料生物膜上先出現(xiàn)大量的絲狀菌，而后逐漸出現(xiàn)鐘蟲、輪蟲和線蟲等原生動(dòng)物。通過植物篩選實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沈撫區(qū)域植物對水體凈化效果由高到低的順序?yàn)椋禾J葦＞美人蕉＞千屈菜。工程條件探索顯示，蘆葦生物浮島適宜于NH4+-N去除，最佳HRT為12 h，進(jìn)水適宜濃度為15～17 mg/L；美人蕉生物浮島適宜COD去除，最佳HRT為8 h，適宜濃度為120～140 mg/L[18]。

2.3 傍河藻類塘與水生植物塘聯(lián)用凈化技術(shù)

高效藻類塘依靠塘系統(tǒng)內(nèi)生長的大量藻類實(shí)現(xiàn)水體中N、P污染物的有效去除，這種工藝在我國主要應(yīng)用于南方地區(qū)[19]。但在沈撫地區(qū)支流河中發(fā)現(xiàn)在水流緩慢區(qū)域內(nèi)也生長著大量藻類，因而研究中探索了藻類塘在北方地區(qū)的實(shí)際應(yīng)用效果。采用兩級高效藻類塘與水生植物塘聯(lián)用的方式（見圖5），探索了該系統(tǒng)與城市水體景觀結(jié)合的可行性。

研究顯示，在30 d內(nèi)可以完成兩級高效藻類塘的啟動(dòng)，塘內(nèi)葉綠素a濃度可以達(dá)到2.0 mg/L左右。聯(lián)用工藝最佳運(yùn)行參數(shù)為：HRT為4 d，水深為50 cm。在進(jìn)水COD、NH4+-N、總氮（TN）和總磷（TP）濃度分別為70～100 mg/L、1.6～2.9 mg/L、2.3～4.5 mg/L和0.6～1.2 mg/L的條件下，聯(lián)用工藝出水COD、NH4+-N、TN和TP濃度分別為35.40 mg/L、0.66 mg/L、1.51 mg/L和0.16 mg/L，分別達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的Ⅴ、Ⅲ、Ⅴ和Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)[20]。圖6為聯(lián)用工藝進(jìn)出水中COD和NH4+-N濃度的變化。

圖5 藻類塘與水生植物塘聯(lián)用工藝平面圖Fig.5 The combined process of algal pond and hydrophyte pond

圖6 聯(lián)用工藝進(jìn)出水COD和NH4+-N濃度變化Fig.6 Variations of COD and NH4+-N concentrations of practical river water by multi-stage pond

3 河流生態(tài)治理技術(shù)工程驗(yàn)證

在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，通過與沈陽細(xì)河及撫順海新河綜合整治工程結(jié)合，將塘-濕地組合技術(shù)及多層浮島技術(shù)在示范工程中進(jìn)行了應(yīng)用。

3.1 撫順城市河道和城市綜合廢水治理示范

渾河支流海新河中、下游由于棚戶區(qū)較密集，城市段基礎(chǔ)設(shè)施不完善，針對由此導(dǎo)致的河水濁度高、污染嚴(yán)重等問題，利用距渾河河口2 km、占地1.2×105m2的廢棄場地，采用物化（絮凝沉淀）和生化（塘-人工濕地）集成技術(shù)，建立海新河污水處理廠和表面流人工濕地示范工程（見圖7）。示范工程包括改造一座日處理能力為6×104t的一級污水處理裝置和一塊占地4.6×104m2的人工濕地，濕地栽植蘆葦、蒲草、茭白等水生植物。示范工程出水COD可由159 mg/L降至30 mg/L，達(dá)到河流水質(zhì)要求，且部分出水回用至撫順熱電廠，保障了污水處理設(shè)施的長效運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖7 撫順市海新河廢水治理示范工藝流程圖Fig.7 Treatment process in the demonstration project of Haixin River in Fushun City

3.2 細(xì)河水質(zhì)改善與水環(huán)境建設(shè)示范

針對沈陽細(xì)河補(bǔ)水水質(zhì)差，河流自凈能力低，水質(zhì)/水量季節(jié)差異大，水體COD和氨氮超標(biāo)嚴(yán)重，底泥以Cd、Pb、Cr為代表的重金屬污染嚴(yán)重等問題，按照“污染源控制→底泥環(huán)保清淤及安全處理處置→水環(huán)境強(qiáng)化改善→水體自凈效能提升→水體景觀化恢復(fù)”的技術(shù)路線，將研發(fā)的多層組合生物浮島和傍河藻類塘與水生植物塘聯(lián)用等技術(shù)進(jìn)行集成和示范。示范工程建設(shè)實(shí)現(xiàn)了13 km河流的底泥環(huán)保清淤，清淤底泥150000 m3，改造了40000 m2的景觀湖，構(gòu)建了1000 m2的水體景觀，實(shí)現(xiàn)了河流上游水質(zhì)的明顯改善，為細(xì)河流域消除劣Ⅴ類水體起到了示范作用。圖8給出了細(xì)河水質(zhì)改善和水環(huán)境建設(shè)工藝流程圖。

圖8 細(xì)河水質(zhì)改善與水環(huán)境建設(shè)工藝流程圖Fig.8 Treatment process in the demonstration project of Xihe River in Shenyang City

4 結(jié)語

1）針對渾河沈撫區(qū)域重污染支流水系補(bǔ)水來源、經(jīng)濟(jì)條件、河流功能定位的差異，提出“控源優(yōu)先、生態(tài)修復(fù)為主、景觀性與經(jīng)濟(jì)性并重”的河流治理理念，通過“問題診斷→源頭削減→水質(zhì)凈化→生境改善→生態(tài)恢復(fù)”的工作思路，開展了多項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用工作。

2）模擬研究表明，潮汐流人工濕地技術(shù)對NH4+-N的凈化效果比潛流人工濕地提高了約30%，且其在低溫條件下(水溫為9～13℃)對NH4+-N仍具有較好的凈化效果，去除率可達(dá)34%；夏秋季多層生物浮島對NH4+-N和COD的去除率分別為73%和71%，比單層浮島分別提高約40%和15%；高效藻類塘與水生植物塘聯(lián)用的工藝能夠?qū)崿F(xiàn)凈化后河水水質(zhì)達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

3）針對水質(zhì)/水量季節(jié)差異大、外源污染長期存在、河邊有閑置土地的典型重污染支流，通過傍河式高效藻類塘、水生植物塘、潮汐流人工濕地等技術(shù)的集成，可增加水體的自凈時(shí)間，擴(kuò)展水體面積，實(shí)現(xiàn)水體中氮磷營養(yǎng)物的持續(xù)高效去除，提升河道整治工藝的景觀效果。

[1] 嚴(yán)立冬，岳德軍，孟慧君.城市化進(jìn)程中的水生態(tài)安全問題探討[J] .中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2007(1)：57-62.

[2] 孟 偉，張 遠(yuǎn)，鄭丙輝.遼河流域水生態(tài)分區(qū)研究[J] .環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007(6)：911-918.

[3] 吳志峰，胡永紅，李定強(qiáng)，等.城市水生態(tài)足跡變化分析與模擬[J] .資源科學(xué)，2006（5）：152-156.

[4] 陳興茹.國內(nèi)外河流生態(tài)修復(fù)相關(guān)研究進(jìn)展[J] .水生態(tài)學(xué)雜志，2011（5）：122-128.

[5] 倪晉仁，崔樹彬，李天宏，等.論河流生態(tài)環(huán)境需水[J] .水利學(xué)報(bào)，2002（9）：14-19.

[6] 鐘春欣，張 瑋.基于河道治理的河流生態(tài)修復(fù)[J] .水利水電科技進(jìn)展，2004（3）：12-14.

[7] 惠秀娟，楊 濤，李法云，等.遼寧省遼河水生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)[J] .應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2011（1）：181-188.

[8] 吳樹彪，張東曉，柳清青，等.潮汐流人工濕地床處理生活污水的優(yōu)化研究[J] .中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，15（2）：106-113.

[9] Lin Y F，Jing S R，Wang T W，et al.Effects of macrophytes and external carbon sources on nitrate removal from groundwater in constructed wetlands[J] .Environmental Pollution，2002，119(3)：413-420.

[10] Job G D，Biddlestone A J，Gray K R.Treatment of high strength agricultural and industrial effluents using reed bed treatment systems[J] .Chemical Engineering Research and Design，1991，69(3)：187-189.

[11] Cooper P.The performance of vertical flow constructed wetland systems with special reference to the significance of oxygen transfer and hydraulic loading rates[J] .Water Science and Technology，2005，51：81-90.

[12] 鄢 璐，王世和，黃 娟，等.潛流型人工濕地基質(zhì)堵塞特性試驗(yàn)研究[J] .環(huán)境科學(xué)，2008，29(3)：627-631.

[13] Platzer C.Design recommendations for subsurface flow constructed wetlands for nitrification and denitrification[J] .Water Science and Technology，1999，40(3)：257-263.

[14] 葉 捷，彭劍峰，高紅杰，等.低溫下潮汐流人工濕地系統(tǒng)對污水凈化效果[J] .環(huán)境科學(xué)研究，2011，24(3)：294-300.

[15] 葉 捷，彭劍峰，高紅杰，等.潮汐流人工濕地低溫下NH4+-N去除模型的比較和優(yōu)化[J] .環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(7)：1456-1463.

[16] Li M，Wu Y J，Yu Z L，et al.Nitrogen removal from eutrophicwater by floating-bed grown water spinach(Ipomoea aquatic forsk)with ion implantation[J] . Water Research，2007，41：3152-3158.

[17] Sun L P，Liu Y，Jin H.Nitrogen removal from polluted river by enhanced floating bed grown canna[J] .Ecological Engineering，2009，35：135-140.

[18] 高紅杰，彭劍峰，宋永會(huì)，等.多層組合生物浮島對城市河水的凈化效果[J] .環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，1(4)：334-338.

[19] 何少林，黃翔峰，陳 廣，等.高效藻類塘磷酸鹽去除機(jī)理研究[J] .四川環(huán)境，2006，4(2)：18-20.

[20] 宋永會(huì)，彭劍峰，高紅杰，等.高效藻類塘與水生植物塘聯(lián)用深度凈化受污染河水研究[J] .環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，1(4)：317-322.