肖翔 闞飛

(四川省水利科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

1 研究背景

由于工業(yè)化、城市化和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展以及人類活動(dòng)的不斷干擾，導(dǎo)致大量的營(yíng)養(yǎng)元素(N、P等)及有機(jī)物排入一些面積較小、流動(dòng)性差的小微水體，這些受污染的小微水體會(huì)隨著洪水或在高水位時(shí)流入大水體，影響到大河道乃至整個(gè)流域的整體水質(zhì)狀況。主要表現(xiàn)為環(huán)境水體中的溶解氧減少、透明度下降、藻類頻繁爆發(fā)、水質(zhì)發(fā)黑發(fā)臭、水生態(tài)功能退化、水質(zhì)性缺水日趨嚴(yán)重。這不僅會(huì)導(dǎo)致水體中的動(dòng)植物和微生物的大量死亡，還會(huì)嚴(yán)重威脅到水生態(tài)安全，并通過(guò)食物鏈危害人類的健康。

石花水庫(kù)位于四川省內(nèi)江市東興區(qū)三烈鄉(xiāng)境內(nèi)，是一座以灌溉為主，工業(yè)和生活供水為輔的水利工程。其所在的肖家灣支溝及三烈鎮(zhèn)污水處理廠尾水處總磷濃度超標(biāo)，但由于其集雨面積較大、水庫(kù)換水補(bǔ)水率較高，因此需對(duì)水庫(kù)水質(zhì)進(jìn)行綜合治理。

針對(duì)石花水庫(kù)地理、水文、水質(zhì)、氣象、內(nèi)外源污染和水生態(tài)現(xiàn)狀等方面，采用與水庫(kù)管理人員和當(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)干部座談、村民走訪、資料收集、實(shí)地觀測(cè)和樣品采集相結(jié)合的方法，對(duì)水庫(kù)開(kāi)展了水環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查和治理前期準(zhǔn)備工作。

2020年3月，采用RTK對(duì)石花水庫(kù)污染源進(jìn)行復(fù)核調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作，用以細(xì)化面源污染治理設(shè)計(jì)方案，并初定了以面源污染控制為主的生態(tài)化治理思路；2020年8月，采用無(wú)人機(jī)測(cè)量技術(shù)對(duì)石花水庫(kù)進(jìn)行數(shù)字航空攝影及污染源細(xì)部調(diào)查，完成水庫(kù)正射影像圖、數(shù)字線劃圖及三維模型的制作，并基于此形成試點(diǎn)水庫(kù)面源污染治理設(shè)計(jì)方案；2020年10月，四川省水科院項(xiàng)目組成員前往內(nèi)江市對(duì)石花水庫(kù)進(jìn)行面源污染控制點(diǎn)位確定及工作量復(fù)核，并同時(shí)開(kāi)展相關(guān)治理工作，主要工程措施包括生態(tài)溝渠、生態(tài)浮島、植物籬、岸坡生態(tài)修復(fù)及水生植物緩沖帶等。石花水庫(kù)調(diào)查樣點(diǎn)平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 石花水庫(kù)調(diào)查樣點(diǎn)平面布置

2 方法簡(jiǎn)介

針對(duì)石花水庫(kù)特點(diǎn)，摸清各種現(xiàn)狀(水庫(kù)類型及形態(tài)、污染源、水質(zhì)、水深、水下地形、底泥及其污染物釋放原因、水生態(tài)等)基礎(chǔ)上，采用物理、化學(xué)、生物等多種技術(shù)手段對(duì)水庫(kù)底泥、水體及外源入庫(kù)徑流污染進(jìn)行治理，使底泥污染物釋放得以控制(或底泥污染物得以消納削減)、水體目標(biāo)污染物得以凈化、外源入庫(kù)徑流污染得以攔截，從而使水庫(kù)的水質(zhì)從劣V類轉(zhuǎn)為非劣V類，達(dá)到水庫(kù)水質(zhì)提升目的。

2.1 底泥治理

綜合利用底泥原位覆蓋、化學(xué)鈍化、深層曝氣和微生物等修復(fù)技術(shù)，控制底泥污染物的釋放。

2.2 水體凈化

以移動(dòng)平臺(tái)或浮床為載體，采用曝氣、生物膜、絮凝沉淀等技術(shù)，凈化庫(kù)區(qū)水體污染物。

對(duì)于庫(kù)區(qū)污染嚴(yán)重部位(如庫(kù)灣、岸線外源徑流入庫(kù)區(qū)等)，實(shí)施生態(tài)浮島、生態(tài)網(wǎng)膜等技術(shù)。

2.3 面源徑流攔截

在庫(kù)區(qū)岸線外源徑流入庫(kù)的關(guān)鍵部位構(gòu)建生物強(qiáng)化減污渠，截留外源徑流污染物。

圖2 水庫(kù)水質(zhì)提升治理技術(shù)路線

3 技術(shù)方案

3.1 底泥治理

查明底泥污染物釋放的主要原因，如果由于過(guò)多魚(yú)類擾動(dòng)造成的底泥污染物釋放，需要減控魚(yú)類數(shù)量。結(jié)合待治理水庫(kù)類型、底泥污染特征、水深及水下地形等特點(diǎn)，采用物理、化學(xué)、生物等技術(shù)手段對(duì)水庫(kù)底泥污染進(jìn)行治理，使底泥污染物釋放得以控制或底泥污染物得以消納削減。

3.1.1 磷污染底泥治理

針對(duì)總磷污染底泥的處理，采用原位覆蓋或原位鈍化治理方式。

3.1.1.1 原位覆蓋

原位覆蓋材料選用生態(tài)覆蓋毯與生態(tài)草組合的構(gòu)型。生態(tài)覆蓋毯與生態(tài)草的組合方式見(jiàn)圖3，將生態(tài)草下端固定在生態(tài)覆蓋毯上，上端懸掛于浮球上。鋪設(shè)方法：將覆蓋材料通過(guò)深水施工設(shè)備平鋪到沉積物表層，利用不銹鋼錨將覆蓋材料四周固定。若原位物理覆蓋造成局部厭氧環(huán)境時(shí)，根據(jù)需要，結(jié)合深層曝氣技術(shù)，提高沉積物微環(huán)境中溶解氧，以防止厭氧條件加速沉積物中內(nèi)源磷的釋放。

圖3 原位覆蓋技術(shù)示意

3.1.1.2 原位鈍化

采用鎖磷劑對(duì)表層底泥中的磷進(jìn)行原位鈍化，在淺水水體，采用直接噴灑投加的方式；在深水水體，先將鎖磷劑配制成懸濁液，通過(guò)深水施工設(shè)備直接投加至表層底泥。投加鎖磷劑可同時(shí)絮凝沉淀水體和底泥中的磷。

3.1.2 有機(jī)污染底泥治理

針對(duì)有機(jī)污染底泥的處理，采用深層曝氣(或施用溶解氧緩釋劑)和微生物修復(fù)技術(shù)結(jié)合的方式，直接吸收和降解污染物。

3.1.2.1 深層曝氣方案

水庫(kù)周邊具備電力條件時(shí)，曝氣機(jī)固定安裝于岸上，通過(guò)鋪設(shè)曝氣管網(wǎng)，進(jìn)行深層曝氣，電源供應(yīng)采用交流電，曝氣方式采用間歇曝氣。水庫(kù)周邊不具備電力條件時(shí)，采取施用溶解氧緩釋劑的方式。在淺水水體，采用直接噴灑投加的方式；在深水水體，通過(guò)深水施工設(shè)備直接施入庫(kù)底水-泥界面。

3.1.2.2 微生物修復(fù)方案

針對(duì)待治理水庫(kù)底泥的污染情況，以及土著菌的豐富度和活性，選擇采用微生物菌劑(專性優(yōu)勢(shì)菌)處理底泥，還是通過(guò)對(duì)部分土著菌進(jìn)行增富培養(yǎng)，提高其在湖泊微生物中的比重，以及對(duì)部分污染物的降解專性，從而降解底泥中有機(jī)污染物。

3.2 水體凈化技術(shù)

3.2.1 曝氣

曝氣方式根據(jù)需要和現(xiàn)場(chǎng)條件，可選擇固定式曝氣或移動(dòng)式曝氣(移動(dòng)式曝氣適用于表層曝氣；固定式曝氣可用于表層或深層曝氣)。

3.2.1.1 固定式曝氣方案

曝氣機(jī)固定安裝于岸上，通過(guò)在表層或深層鋪設(shè)曝氣管網(wǎng)，進(jìn)行間隔曝氣，電源供應(yīng)采用交流電。

3.2.1.2 移動(dòng)式曝氣方案

移動(dòng)平臺(tái)上搭載曝氣機(jī)在水體表層進(jìn)行曝氣，電源供應(yīng)選擇蓄電池或太陽(yáng)能，曝氣方式采用間歇曝氣。

3.2.1.3 曝氣強(qiáng)度和曝氣間隔時(shí)間的選擇

通過(guò)定期監(jiān)測(cè)水體中溶解氧含量，調(diào)整曝氣強(qiáng)度和曝氣間隔時(shí)間，即當(dāng)溶解氧含量低于3mg·L-1時(shí)，開(kāi)始提高曝氣強(qiáng)度和縮短曝氣間隔時(shí)間。

3.2.2 生物膜水質(zhì)凈化

生物膜水質(zhì)凈化根據(jù)需要和現(xiàn)場(chǎng)條件，可選擇固定式生物膜水質(zhì)凈化或移動(dòng)式生物膜水質(zhì)凈化。固定式生物膜水質(zhì)凈化方案：生物膜載體選用聚氨酯泡沫或生態(tài)網(wǎng)，采用生態(tài)浮島等形式固定安裝于岸線淺層水體，結(jié)合表層曝氣技術(shù)進(jìn)行固定式生物膜水質(zhì)凈化，曝氣機(jī)的電源供應(yīng)選擇交流電或太陽(yáng)能電源。

圖4 固定式生物膜水質(zhì)凈化

3.2.3 化學(xué)沉淀

綜合考慮技術(shù)效果、成本和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等因素。建議以噴灑鎖磷劑為主、鐵碳微電解法為輔，凈化庫(kù)區(qū)水體磷。

3.2.3.1 噴灑鎖磷劑

實(shí)際應(yīng)用中，先將鎖磷劑按照比例與水混合形成均勻的懸濁液，以水上施工船或者二代移動(dòng)平臺(tái)為載體，然后用投加泵將懸濁液通過(guò)噴灑管均勻地噴灑到水體表面。

3.2.3.2 鐵碳微電解法

針對(duì)鐵碳微電解產(chǎn)生的絮體顆粒小、沉降慢，導(dǎo)致水體渾濁發(fā)黃等問(wèn)題，以移動(dòng)平臺(tái)或浮床為載體，安裝鐵碳微電解系列裝置，并優(yōu)化鐵碳微電解技術(shù)工藝，縮短水力停留時(shí)間，提高處理能力。

具體技術(shù)工藝流程：在鐵碳微電解的下一工序中投加聚合氯化鋁PAC以及聚丙烯酰胺PAM，增加絮凝效果，加快沉降；經(jīng)過(guò)初沉后，在后續(xù)工序中用吸附材料(如聚氨酯填料)安裝斜板，通過(guò)斜板沉淀沉降、吸附材料吸附細(xì)顆粒絮凝體，從而降低水體濁度，提高除磷效率；斜板沉淀處理后的水進(jìn)入循環(huán)池，達(dá)標(biāo)后外排，否則泵回至鐵碳微電解裝置。

在優(yōu)化后的技術(shù)工藝下，預(yù)期達(dá)到的效果為處理總磷濃度為1.0mg·L-1以下的水體，可將水力停留時(shí)間(水體在鐵碳微電解除磷工藝系統(tǒng)中的停留時(shí)間)縮短至4h以內(nèi)。

3.2.4 生態(tài)浮島或生態(tài)網(wǎng)

對(duì)于庫(kù)區(qū)關(guān)鍵部位(如污染嚴(yán)重的庫(kù)灣、岸線外源徑流入庫(kù)區(qū)等)，采用生態(tài)浮島或生態(tài)網(wǎng)并結(jié)合上述相關(guān)技術(shù)，強(qiáng)化治理修復(fù)。

圖5 生態(tài)浮島布設(shè)示意圖及其立體圖

3.3 外源入庫(kù)徑流攔截

在庫(kù)區(qū)岸線外源徑流入庫(kù)的關(guān)鍵部位構(gòu)建生物強(qiáng)化減污渠，截留外源徑流污染物。具體而言，結(jié)合待整治水庫(kù)外源徑流入庫(kù)的位置、地形、徑流量、污染物濃度等特點(diǎn)，充分利用已有的排水溝渠，經(jīng)適當(dāng)整治改造，在溝渠中合理布置對(duì)氮、磷等污染物具有吸附作用的砂礫石、生物襯砌材料和黏土礦物等基質(zhì)材料，栽植可高吸附氮磷的鄉(xiāng)土溝渠植物5～8種，設(shè)置具有除氮、固磷、分解有機(jī)污染物等作用的仿生植物——碳纖維生態(tài)草，從而形成具有物理化學(xué)吸附、生物吸收、微生物分解和固定等多種功能的生物強(qiáng)化減污渠。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以石花水庫(kù)水質(zhì)提升工程為例，介紹了主要的水質(zhì)提升治理措施，對(duì)于確保庫(kù)區(qū)水體不再持續(xù)惡化并恢復(fù)自凈能力有較大的促進(jìn)作用。水庫(kù)主要治理對(duì)象是庫(kù)區(qū)底泥、水體及部分面源(包括庫(kù)周的水田、魚(yú)塘、村鎮(zhèn)污水處理廠尾水等)入庫(kù)徑流磷污染物。

對(duì)于磷污染底泥而言，通過(guò)減控水庫(kù)底層魚(yú)類的數(shù)量，并在重點(diǎn)污染部位(如壩前區(qū)域)采用原位覆蓋或原位鈍化治理，即可有效控制底泥磷的釋放。

對(duì)庫(kù)區(qū)水體而言，局部實(shí)施曝氣，可顯著增加水體溶解氧水平，改善水體環(huán)境并增強(qiáng)其自凈能力，能夠抑制底泥磷的釋放；磷污染嚴(yán)重區(qū)(如壩前區(qū)域)，通過(guò)噴灑鎖磷劑，可快速凈化水體磷，且無(wú)生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)。對(duì)于庫(kù)區(qū)關(guān)鍵部位(如磷污染嚴(yán)重的庫(kù)灣、岸線外源徑流入庫(kù)區(qū)等)，采用生態(tài)浮島或生態(tài)網(wǎng)，強(qiáng)化治理修復(fù)效果較好。

對(duì)庫(kù)區(qū)面源徑流入庫(kù)磷污染物，采用生物強(qiáng)化減污渠、人工濕地、植物籬等，能夠顯著削減去除面源徑流磷，效果好，成本較低。

在精準(zhǔn)治污、水質(zhì)總體改善的基礎(chǔ)上，利用調(diào)整水生生物群落結(jié)構(gòu)的方法對(duì)水庫(kù)實(shí)施生物操縱，可達(dá)到長(zhǎng)效維持水庫(kù)水質(zhì)的目標(biāo)。

綜上所述，通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)磷污染底泥、水體、面源徑流磷污染物實(shí)施針對(duì)性的治理、削減、攔截等技術(shù)措施，并配合生物操縱技術(shù)，可以達(dá)到提升水庫(kù)水質(zhì)、恢復(fù)水庫(kù)水體自凈能力并長(zhǎng)效維持水質(zhì)的目的。