李國君 魏俊 吳偉勇 章迪可

摘要：人工填料和曝氣技術的組合使用是河道原位修復的常用方式，在杭州市已實施原位修復的河道中，80%同時采用了這兩種技術。對河道水體原位修復中常見的人工填料和曝氣兩種技術按照不同類型進行了介紹。結合工程實例，對不同人工填料的比表面積、材質成分、填料特點、安裝方式等進行了比較;對不同種類的曝氣技術從安裝及運行、對外界影響、受制因素、應用效果、適用河道類型等方面進行了分析和綜合比較。提出了適合原位修復的4種常見模式及其適用條件，并分析了在河道水體原位修復中應用人工填料及曝氣技術時需要注意的問題。研究成果對其他類似河道水體原位修復具有一定借鑒意義。

關鍵詞：河道水體;原位修復;人工填料;曝氣技術;杭州市

1 概 述

杭州的城市河道建設成效明顯，不僅完成了傳統(tǒng)的渠化設計向自然型河道設計的轉變，且設計更加注重河道的生態(tài)功能，旨在實現(xiàn)水岸同治，較好地發(fā)揮了河道的水文調節(jié)作用，與近年來海綿城市建設理念高度契合。自然型河道設計有助于實現(xiàn)削峰調蓄，水體自然循環(huán)得到了一定程度恢復，但在通過“自然凈化”水環(huán)境改善、修復水生態(tài)方面仍有較大提升空間。

在河道建設過程中陸續(xù)采用了各種原位修復技術。原位修復是指在河道水體內部實施以改善水環(huán)境、水生態(tài)的修復技術，是一種可靠、卓有成效的河道水體凈化修復技術，具有治理費用低和最大程度降解污染的特點，適合用于污染嚴重、流量較小的河流水體[1]。原位修復技術包括生態(tài)浮床、植物沉床、人工曝氣、投加人工填料、投加制劑等[2-5]。原位修復一般以水質指標作為考核成效的指標，常用指標包括COD、BOD5、NH3-N、TP、TN等。人工填料和曝氣技術是河道水體原位修復中最常見的技術，通常將兩者結合使用。根據對杭州已實施原位修復工程的河道及其采用的修復技術進行統(tǒng)計（見表1）可知，80%的河道同時采用了兩種修復技術，兩種技術的組合使用已成為河道原位修復的常見方式[6]。

2? ?人工填料技術

人工填料技術是在水體中投加人工填料，作為微生物附著的基質，增加水體中生物膜量，強化生物膜的凈化功能，通過生物膜上的微生物攝取污染物[7]。人工填料包括固定填料、懸掛式填料和懸浮式填料，其中，在河道中應用的主要是懸掛式填料，也有個別懸浮式填料。目前，杭州市區(qū)河道應用主要有以下幾種。

2.1 阿科曼生態(tài)基

阿科曼生態(tài)基是一種用于生態(tài)型水處理的高科技材料，是目前國內河道水體修復中應用最多的人工填料。該技術的特點是可根據不同的水質應用條件進行有針對性的表面處理，使其帶有與微生物相反的電荷，更好地吸附周邊微生物，促進微生物群落的快速形成和發(fā)展。同時，生態(tài)基材料經過特殊的處理，每根纖維表面形成凹凸不平的皺褶和微孔，增加了纖維表面的粗糙程度，使微生物的附著空間更大、與纖維結合能力更強。該技術可通過調節(jié)生態(tài)基材料的編織緊密程度，使其可根據不同的應用條件控制藻類和菌類的生長比例，形成菌藻共生的體系，緊密編織適合菌類發(fā)展，疏松編織適合藻類生長。

阿科曼生態(tài)基主要有SDF型和BDF型。

（1）SDF型為懸掛型生態(tài)基。SDF型生態(tài)基通常懸掛安裝在水體表面（也可分層安裝）。SDF型生態(tài)基上部帶有黑色套筒，在安裝中可將尼龍繩穿過套筒，將繩子兩端固定在岸邊、池壁的樁或掛鉤上;若跨度較大，可在尼龍繩上安裝浮球，保持其浮力。其下部材料可以切割成條帶狀，或留出過水縫口，有利于水流的控制;填料本身主要由上部疏松層和下部密實層組成，其中疏松層有利于藻類生長，密實層有利于菌類生長，也可設計成只有疏松層和密實層。

（2） BDF型為沉底型生態(tài)基。將其底部縫制成套筒，裝入砂石重物，平穩(wěn)置于水體底部;上部切割成條帶狀，呈仿生水草形態(tài)，有利于生物膜與水流的接觸。填料本身主要由編織層和泡沫層組成，其中編織層可根據實際需要設置纖維的疏密程度，使其表面形成藻菌共生的微生物體系;泡沫層位于兩層編織層的中間，通過特殊的處理將其與編織層緊密貼合，可使BDF型生態(tài)基在水流中保持漂浮狀態(tài)。

2.2 碳素纖維生態(tài)草

碳素纖維生態(tài)草的特點是采用碳素纖維材質，經太陽光照射后，發(fā)出超音波，吸引微生物菌群;比表面積極大，具有極高的吸附性與生物親和性?？刹扇覓焓桨惭b和框架式安裝，其中，懸掛安裝又可采用U型或I型。

2.3 生物繩

生物繩是由無數環(huán)狀纖維在不同方向上編織加工而成的接觸材料，比表面積大，可吸引大量微生物和浮游生物在此生長繁殖，通過微生物分解有機物，浮游生物捕食藍藻，達到改善水質的效果。

2.4 MBBR懸浮填料

MBBR又稱為移動床生物膜反應器，該方法通過向反應器中投加一定數量的懸浮載體，提高反應器中的生物量及生物種類，從而提高反應器的處理效率，反應器可直接裝在水體中，配合不同曝氣方式，起到污染物降解作用。由于填料密度接近于水，在曝氣時，填料與水呈完全混合狀態(tài)。微生物生長的環(huán)境為氣、液、固三相，載體在水中的碰撞和剪切作用使空氣氣泡更加細小，增加了氧氣的利用率。

2.5 CF高效生物巢

CF高效生物巢由碳材料織成，采用生物繩的編織方式，為中空結構，二次成膜更容易。該技術集合了碳素纖維與生物繩的優(yōu)點，比表面積極大，具有極高的吸附性與生物親和性;在生物吸附性、壽命和價格上具有明顯優(yōu)勢。

2.6綜合比較

表2對各類常用河道人工填料技術進行了綜合比較。

3 曝氣技術

缺氧是污染水體的普遍特征，水體缺氧易發(fā)生黑臭，產生藻類，不利于生物生存和人居環(huán)境改善[8]。曝氣增氧是水體增氧的主要方法，分為鼓風曝氣、機械曝氣、純氧曝氣、移動曝氣等。其中，鼓風曝氣又分為管式曝氣、盤式曝氣等;機械曝氣又分為表面曝氣、水下曝氣等。

3.1 鼓風曝氣

鼓風曝氣是使用鼓風機，通過輸送管道，將空氣通過擴散器加入到液體中，使空氣與液體充分接觸的增氧方式。根據擴散器的不同，又分為管式曝氣、板式曝氣、盤式曝氣、水力剪切型曝氣、供氣式射流曝氣等;河道水體修復中常用的為管式曝氣。根據氣泡大小，管式曝氣又分為中氣泡、小氣泡、微氣泡等，一般采用微氣泡。

3.2 表面曝氣

表面曝氣即曝氣設備安裝在水體表面，通過機械動力實現(xiàn)提水和輸水，使水體表面劇烈攪動而裹入空氣，形成低壓區(qū)吸入空氣以充氧。表面曝氣分為立軸式、水平軸式兩類，立軸式主要通過葉輪轉動攪動水體，水平軸式主要通過轉刷、轉盤攪動水體。河道水體原位修復中常用的是立軸式的噴泉提水式曝氣機和水平軸式的水車式增氧機。噴泉提水式曝氣機通過電動機帶動水下葉輪高速旋轉，將水提升噴灑到空中形成細小的水滴或水膜，與空氣充分接觸后，增加水體的溶解氧，同時，使水體上下層垂向加速循環(huán)，改善了底部水體水質。水車式增氧機通過水平軸上的槳板旋轉，把水均勻彌散地潑向空中與空氣接觸增氧。

3.3 水下曝氣

水下曝氣按進氣方式分為壓縮空氣供氣與自吸空氣式兩類。壓縮空氣供氣采用鼓風機或空壓機送氣，因此，也可以歸入鼓風曝氣。自吸空氣式通過葉輪離心力或射流技術產生負壓，外接吸氣管吸入空氣，河道水體原位修復中常用的主要是自吸空氣式，如葉輪吸氣式推流曝氣機及潛水射流曝氣機。葉輪吸氣式推流曝氣機通過水下高速旋轉的葉輪在進氣通道中形成負壓，空氣通過進氣孔進入水中，同時，葉輪形成的水流將空氣轉化為細微、均勻的氣泡。潛水射流曝氣機是利用潛水泵將水吸入增壓從泵體高速推出后，利用設置在出水導管上的水射器將空氣吸入，氣水混合液經水力混合切割后進入水體。

3.4 移動曝氣

移動曝氣一般指通過在船體上安裝曝氣設備，隨船的移動給水體增氧。河道曝氣復氧船于2001年首次引進國內，在上海市蘇州河整治工程中使用。該船為鋼質船，長26m，寬6 m，吃水1.4 m，航速5 km，排水量200余t。該船采用國際先進的動機驅動360°全回轉導流板推進器。工作艙內設有變壓吸附（ PSA）制氧和曝氣等裝置。工作時左右兩側水泵艙內的潛水泵從主箱吸水，通過文氏管，將純氧和水混合至總管，經分配管至船舷兩側各10只噴嘴，將溶有飽和氧氣的水噴向船外，對河水充氧，有效改善了水質。

3.5 綜合比較

表3對各類常用河道曝氣技術進行了綜合比較。

4 模式選擇

通過研究表1工程案例，提出了適合杭州市區(qū)河道原位修復的4種常見模式：模式1，曝氣+ 填料;模式2，曝氣+ 植物;模式3，曝氣+ 填料+ 植物;模式4，曝氣+ 填料+ 植物+ 制劑。

影響原位修復模式選擇的因素有很多，根據杭州市市區(qū)河道的實際情況，應重點考慮水質目標和河道流態(tài)兩個因素。

（1）水質情況。根據河道水質目標可將河道分為消除黑臭和劣Ⅴ類水體的河道、Ⅴ類水及以上的水質提升的河道。對于前者，原則上選擇至少含有曝氣與填料兩種工藝的修復模式。對于后者，原則上可以選擇非曝氣與填料類的其他修復模式。

（2） 水體流態(tài)。根據河道流態(tài)將市區(qū)河道分為兩類：①斷頭河或配水量很小，水體基本處于靜止狀態(tài)、水位基本不發(fā)生變化的河道;②實施配水或本身溝通有自然流量的河道，水體具有一定流速和水位變幅。對于前者，原則上可選擇制劑類、生物操控類的技術;對于后者，原則上選擇其他非制劑類、非生物操控類的修復模式。

根據上述兩個因素對常見模式進行選擇，見表4。

5? ?應用時應注意的問題

（1）組合使用。為最大限度發(fā)揮兩種技術的優(yōu)勢，建議將兩者組合使用。一方面利用人工填料作為微生物附著載體，提高水體中微生物量;另一方面，配合各種不同類型的曝氣增氧措施，提高微生物降解污染物的能力。

（2）因地制宜進行技術選擇。城市河道在水體流速、水深、水寬、水質、水位變化、駁岸形式、周邊用地功能、底泥污染嚴重程度等諸多方面存在差異，河道水體也有不同功能需求，如通航、排澇通道、景觀等，應充分考慮這些因素，靈活選用各種人工填料和曝氣設備，最大化去污效果，最小化不利影響。

（3）加大水力循環(huán)。目前，相當部分城市河道承擔著防洪排澇等功能，水體的人工調控作用明顯，這類水體處于相對隔斷的狀態(tài)，水體流速緩慢，若單純使用人工填料和曝氣技術，將使得部分水體水質較好，供氧過量，而其他部分水體水質仍然較差，水質處理效果不均勻。因此，建議配合使用水力循環(huán)技術，最大限度發(fā)揮人工填料和曝氣技術的去污效果。

（4）不宜作為優(yōu)先選項。根據杭州市的實際情況計算，相比海綿城市建設源頭治理和河道本身截污、引配水、清淤等措施[9-13]，水體的原位修復并不是改善水體水質最經濟的選項。因此，應根據具體的河道，評估截污等其他措施的成本效益，在科學評判的基礎上采用這些技術，而不應將其作為優(yōu)先選項盲目采用。

6 結 語

結合杭州市已實施原位修復工程實例，本文對不同人工填料的比表面積、材質成分、填料特點、安裝方式等，以及不同種類的曝氣技術，從安裝及運行、對外影響、受制因素、效果、適合河道等進行了分析和綜合比較。總結了人工填料和曝氣技術在應用中的注意事項。人工填料和曝氣技術在國內河道水體原位修復中應用越來越多，仍需進一步總結、規(guī)范這兩類技術的設計及應用，更好地改善水體環(huán)境。

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（編輯：李曉濛）