張榮臻,張 斌,周慧慧
(1.溫州市珊溪水利樞紐管理局,浙江 溫州 325000;2.樂清市水利局,浙江 樂清 325600)
東南丘陵山區(qū)是我國水庫最為集中的區(qū)域,其中浙江省水庫總庫容最大[1],承擔著洪汛調(diào)度、供水灌溉等功能,其地理位置和功能作用的特殊性,形成了和其他城市河道不同的特殊氣候、水文、生態(tài)系統(tǒng)等特征。水庫水體的理化指標和徑流來水水量水質(zhì)隨著季節(jié)變化而變化,有明顯的季節(jié)性,特別是夏季,水面受陽光直曬,熱分層效應(yīng)明顯,水溫、流態(tài)、pH、DO、Eh等理化因子發(fā)生變化,造成水庫中外源性和內(nèi)源性污染物發(fā)生遷移變化,且機理復(fù)雜,容易造成富營養(yǎng)化污染,甚至沉積物中Fe、Mn元素的釋放。根據(jù)2015年浙江省環(huán)境狀況公報顯示,浙江省水源地水庫水質(zhì)總體良好,主要為II類,雖能夠達到水功能區(qū)的要求,但絕大多數(shù)水庫的營養(yǎng)化水平較高,若將富營養(yǎng)化指標納入水質(zhì)等級評價體系,水體水質(zhì)要下降1 ~ 2個等級[2]。
生態(tài)浮床作為一種原位水體修復(fù)技術(shù),有著不占耕地、景觀效果好、經(jīng)濟價值高和修復(fù)作用持久,不添加其他藥劑等優(yōu)點[3],對脫氮除磷有著很好的效果,已廣泛應(yīng)用于城市河道生態(tài)修復(fù)。近些年生態(tài)浮床也應(yīng)用于湖泊(水庫)飲用水水源地,如楊浦水庫[4]、淀山湖[5]等水源地,將其設(shè)置在支流入庫口庫灣處,對水質(zhì)改善有明顯的作用。
由于東南沿海水庫容易受臺風的影響,風力等級高,短時降雨量大,造成庫面風浪極大和水位多變,生態(tài)浮床設(shè)置困難,本文通過生態(tài)浮床在珊溪水庫主要支流 — 黃坦坑入庫口處的應(yīng)用,來探討浮床植物的篩選和浮床工藝的優(yōu)化。
2.1.1 氣候與水文
珊溪水庫位于浙江省南部沿海,總庫容18億m3,河流型水庫。流域位于洞宮山與雁蕩山之間,氣候受地形影響顯著,氣候溫暖,雨量充沛,陽光充足,四季分明,屬副熱帶季風氣候區(qū),初春綿綿小雨,春末夏初“梅雨”持續(xù),夏季副高天氣悶熱,多雷雨和臺風,冬季晴冷為主,微量雨雪。多年平均氣溫19.6 ℃,月平均氣溫最高29.5 ℃(7月份),極端最高溫度為43.4 ℃(1956年7月10日);月平均氣溫最低9.5 ℃(1月份),極端最低溫度為- 1.0 ℃(1955年1月22日)。多年平均日照1 887 h。多年平均水溫19.6 ℃,月平均水溫最高32.7 ℃,最低7.8 ℃。臺風頻繁,常有強臺風超強臺風在附近沿海登陸,歷年平均風速1.8 m/s,實測最大風速26.5 m/s。多年平均降雨量1 876.9 mm,4 — 9月雨量集中,占全年74.7%,多年平均降水日149 d,最多184 d,最少80 d。
2.1.2 污染狀況
黃坦坑是珊溪水庫14條主要入庫支流中污染最嚴重的支流,屬于劣V類,2010 — 2011年入庫口處葉綠素a最高值達85 mg/m3,pH值最高值達到9以上,浮游植物高達78.11×105個/L,其中綠藻、硅藻、藍藻、隱藻為主,6月整個水域出現(xiàn)綠色漂浮帶,水質(zhì)呈富營養(yǎng)化污染。主要污染源為畜禽養(yǎng)殖行業(yè),黃坦坑流域是文成縣主要畜禽養(yǎng)殖基地,并且果園茶園過度開發(fā),垂釣捕魚盛行,污水處理設(shè)施落后。
溫州市委、市政府為保護溫州市500萬人民的大水缸,以鐵的手腕進行珊溪水源保護五大工程建設(shè)(生活污水治理、生活垃圾治理、畜禽養(yǎng)殖行業(yè)取締、生態(tài)河道修復(fù)、水質(zhì)在線監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)),特別是對于畜禽養(yǎng)殖行業(yè)取締,大大削減了污染物含量,表1為黃坦坑入庫口2010年(治理前)和近3 a(治理后)的年平均水質(zhì)數(shù)據(jù)。
表1 黃坦坑入庫口水質(zhì)情況表 mg/L
珊溪水庫黃坦坑入庫口生態(tài)浮床系統(tǒng)由浮盤(床體)、PVC框架、陶?;|(zhì)、繩索錨固裝置,以及浮床植物組成,同時周邊布置太陽能自動曝氣裝置。浮床植物采用了美人蕉 + 再力花 + 黃菖蒲的植物組合。浮床單體面積達10 000 m2,設(shè)置于珊溪水庫主要支流黃坦坑入庫口位置。
2.2.1 植物篩選
生態(tài)浮床植物篩選原則一般從植物生長習性、去污能力、管理維護3個方面考慮。浮床植物應(yīng)具備:①能夠在水面長期生長,適應(yīng)濕生或者水生環(huán)境;②根系發(fā)達、具有較高的干生物累積量以及較強的抗污能力,能夠及時去除水中的營養(yǎng)鹽,保證水質(zhì);③具備較強的抗病蟲能力,能夠自然過冬,最好是多年生植物,方便管理。
針對沿海大型水庫因臺風天氣、風浪、水深,交通不便等特殊的氣候和水文特質(zhì),浮床植物還需要具備以下條件[4-6]:①沉水植物不宜考慮,一般選擇挺水植物;②浮床植物高度不宜過高,具備較強的抗風浪能力,且不宜考慮漂浮植物,在風浪較大情況下極易逃逸;③生長速率不宜過快,收割頻次過高,維護成本較大,若未能及時收割植物腐爛容易造成二次污染;④庫區(qū)一般處于生態(tài)敏感區(qū),一般不引入外來物種,以防破壞現(xiàn)有的生態(tài)平衡。
有研究表明有240種植物可以用于生態(tài)浮床[7],在東南沿海地區(qū),氣候溫和,雨量充沛,一般水生植物都能適應(yīng)。本方案采用了較為常見的3種浮床植物,分別為美人蕉、再力花、黃菖蒲,其生長習性、去污凈水能力、運行管理等特點如下:
(1)生長習性。美人蕉、再力花、黃菖蒲均屬于多年生挺水植物,環(huán)境適應(yīng)力強。有研究表明植物體內(nèi)過氧化物酶活性高低是植物適應(yīng)環(huán)境能力強弱的生理指標之一,美人蕉和再力花的過氧化物酶較其他植物要高,表現(xiàn)出了環(huán)境的強適應(yīng)力[8]。但是美人蕉、再力花耐寒性不強,在冬季霜期來臨時,難以越冬,美人蕉在5 ℃的水面出現(xiàn)生長不佳,黃菖蒲在南方可以自然過冬,可作為美人蕉和再力花在冬季的補充。華東、華南沿海等地氣候溫暖,雨量充沛,一般水生植物均能很好的生長,主要是冬季,植物要能夠自然過冬,能夠抵御寒冷和霜期,可以選取一些性喜寒冷的植物,如黃菖蒲(黃花鳶尾)、西伯利亞鳶尾[9]等耐寒性植物作為補充。
(2)去污凈水能力。水質(zhì)凈化主要由植物吸收、根系過濾、植物與微生物的協(xié)同作用3部分組成。植物通過根系從水體中吸收氮、磷等營養(yǎng)鹽,然后通過收割將營養(yǎng)鹽從水體中去除,植物吸收營養(yǎng)物的強弱可能和根系附近的基質(zhì)脲酶和基質(zhì)磷酸酶活性有關(guān),美人蕉和再力花有著較高的基質(zhì)脲酶和基質(zhì)磷酸酶活性[8]。有研究表明浮床植物根系分泌物有利于微生物生長,植物通過光合作用,將氧氣傳送至根系,形成好氧 — 缺氧 — 厭氧微環(huán)境,相當于無數(shù)個微小的A2O工藝串聯(lián)并聯(lián)[10],對根系以及基質(zhì)吸附富集的營養(yǎng)鹽進行脫氮除磷和降解。美人蕉、再力花有著很強的根系輸氧能力[11],黃菖蒲有著發(fā)達的根系和豐富的根系微生物且種植密度高[12],都是去除氮、磷的優(yōu)良植物。同時,浮床植物增加了水體物種的多樣性,抑制藻類生長。其抑藻原理[5,13],主要有:①浮床植物和浮游植物(藻類)對營養(yǎng)鹽的競爭;②浮床植物化感物質(zhì)的分泌;③浮床為濾食性浮游動物提供避難所,浮游植物被捕食。
有研究表明,黃菖蒲、美人蕉有一定的Mn富集能力[14-15],以預(yù)防水庫錳超標的風險,Mn作為地表第二大金屬元素,一旦水庫出現(xiàn)季節(jié)性缺氧和藻類增殖超過水庫生態(tài)負荷,藻類大量死亡下沉,使水體氧化還原電位發(fā)生改變,內(nèi)源性Mn從氧化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原態(tài),顆粒態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇軕B(tài)[17];加上水土流失現(xiàn)象嚴重,臺風暴雨等天氣,大量土壤通過徑流進入水庫,農(nóng)藥化肥中成分復(fù)雜,大量有機質(zhì)進入水庫,使原土壤以及水庫中的內(nèi)源性Mn溶解,造成Mn含量超標。
水生植物在不同的環(huán)境中表現(xiàn)出不同的去污能力,因為不同環(huán)境有不同的氣候條件、水力條件、風浪等級,以及自然水體理化因子,如不同氮、磷比,會影響浮床植物生長,如磷為再力花的限制因子,氮為美人蕉和黃菖蒲的限制因子[5]。生態(tài)浮床的去污能力還和植物品種、生長速率、種植密度有關(guān),不能僅看單株植物的氮、磷累積量或者單位干物質(zhì)的氮、磷含量,并且對于浮床的日常運行管理也十分重要。
(3)運行管理。應(yīng)用于水庫的生態(tài)浮床植物一定要便于管理,如漂浮植物因風浪大極易逃逸,沉水植物受水深影響,一般不采用,且不宜采用生長過快的植物。本工程試運行時采用空心菜,其生長十分迅速,去污能力很強,但是需頻繁收割,運行費用過高,因此生長速度過快的植物也不利于在水庫中的應(yīng)用;并且由于其匍匐生長,受到水庫中魚類攻擊,大量植株被拖入水體,漂浮物捕撈不及時造成二次污染。從其他水庫生態(tài)浮床經(jīng)驗來看,魚類攻擊浮床植物也是管理中的常見問題[6],魚類資源豐富的水庫盡量少選擇匍匐生長植物。
從以上分析和工程實踐看來,本方案的植物配置較為合理,美人蕉、再力花的強適應(yīng)能力和去污能力,能夠基本保證水質(zhì),黃菖蒲的耐寒性可作為美人蕉和再力花在冬季的補充,并且黃菖蒲、美人蕉有一定的錳富集能力,可預(yù)防水庫錳超標的風險。
2.2.2 浮床工藝
生態(tài)浮床作為一個系統(tǒng),浮床植物僅僅是其中一個環(huán)節(jié),凈水能力還與受試水體、栽培季節(jié)、浮床工藝等影響[14],因此還需注重浮床工藝的優(yōu)化創(chuàng)新,如采用組合式浮床工藝提升去污效果,選擇優(yōu)良性能的基質(zhì)、填料強化去污功能,優(yōu)化浮床結(jié)構(gòu)增加抗風浪能力等。
2.2.2.1 組合式浮床工藝
組合式工藝指的就是將傳統(tǒng)的植物浮床和生物膜處理技術(shù)相結(jié)合,根系微生物脫氮除磷在生態(tài)浮床的去污作用占了很大的比重,但由于水源地水體營養(yǎng)物低,根系微生物不夠豐富,一般通過添加基質(zhì)或者填料,基質(zhì)(填料)利用高比表面積吸附富集營養(yǎng)物,同時作為微生物生長載體,形成生物膜,利用根系、基質(zhì)(填料)和微生物的耦合、協(xié)同機制去除水體中營養(yǎng)物,本方案采用了陶粒這種常見的無機基質(zhì),它具有穩(wěn)定、無害、高比表面積的特點。
對于組合式浮床工藝,最關(guān)鍵的是基質(zhì)(填料)的選擇,一般采用比表面積大,生物親和性強,表現(xiàn)出良好的污染物富集能力和生物載體的優(yōu)良品種。除了和本方案一樣的陶粒無機基質(zhì),還有球型填充型[18]或者仿水草懸掛型[19]的高分子有機合成填料。學者們也在嘗試一些天然材料作為基質(zhì),如天然纖維素物質(zhì)[20-21],其天然親水性和生物親和性,能很好地完成掛膜,并且水源地水體中可能碳源不足,C/N較低,天然纖維素還可以按照微生物需求生物釋碳,提供碳源;生物炭[22]的易塑特性可以用于固定植物,在具備強大的吸附能力的同時,含有天然微量元素,可以提供植物生長。近些年也有浮床植物 + 籠養(yǎng)濾食性水生生物 + 懸掛填料的立體式浮床工藝[23],增加了物種的多樣性,為水體提供一個更加穩(wěn)定的生態(tài)圈。
2.2.2.2 浮床材質(zhì)與結(jié)構(gòu)
對于應(yīng)用于水源地水庫的浮床而言,其材質(zhì)的安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性十分重要,床體、框架的材質(zhì)必須無毒、穩(wěn)定。本方案采用了UPVC管框架和食品級的床體(浮盤),以保障水質(zhì)安全。結(jié)構(gòu)框架要有足夠的浮力和強度,金屬強度雖高但浮力小,竹排浮力小但容易腐爛,因此一般采用PVC,成本低、管理方便。也有不采用框架的,如采用椰絲纖維縫合而成的床體形成無框型浮島[24],在景觀上則顯得更為自然,但是在強度及使用時間上不及有框式的。
水庫中的浮床還需加強錨固和配備消浪裝置,如采用PVC材質(zhì)的浮球連接作為防浪墻[25],浮床外圍布置竹排作為消浪排[7],緩解水流。本方案繩索抗拉力達240 kN,可以抵抗大風而不至于飄走,并以PVC浮球作為防浪墻。
入庫口浮床上游與浮床處水質(zhì)變化見表2,生態(tài)浮床對水質(zhì)凈化起到了不錯的效果。
表2 入庫灣水質(zhì)變化情況表 mg/L
(1)以配置美人蕉、再力花、黃菖蒲,并以陶瓷為基質(zhì)的生態(tài)浮床,運行管理便利。鑒于生態(tài)浮床在黃坦坑入庫口的成功運行,珊溪水庫另外一條主要支流 — 莒江溪入庫口處擬建設(shè)生態(tài)浮床,規(guī)模為30 000 m2。
(2)在東南沿海水庫生態(tài)浮床的應(yīng)用中,植物篩選應(yīng)注意耐寒性,浮床工藝上應(yīng)注意抗風浪性,運行管理時收割植物的及時性。
(3)生態(tài)浮床工藝作為一種兼具去污和景觀功能的水體修復(fù)技術(shù),有著很大的應(yīng)用前景。今后的研究趨勢應(yīng)注重生態(tài)浮床新工藝的探索,研發(fā)優(yōu)良生物載體的基質(zhì)(填料),優(yōu)化組合式浮床工藝,以及開發(fā)新型抗風浪裝置。
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