張 煒，葉新霞

(1.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210098；2.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇揚(yáng)州 225127)

“生態(tài)興則文明興，生態(tài)衰則文明衰”。水作為生命之源、文明之要、生態(tài)之基，承載重要的生態(tài)功能?！八畻l”2030年目標(biāo)為:力爭全國水環(huán)境質(zhì)量總體改善，水生態(tài)系統(tǒng)功能初步恢復(fù)。21世紀(jì)中葉目標(biāo)為生態(tài)環(huán)境質(zhì)量全面改善，生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。河流系統(tǒng)作為水陸聯(lián)系的重要紐帶以及自然、社會(huì)、人文的綜合載體，注重生態(tài)要素的水質(zhì)提升是生態(tài)環(huán)境部重點(diǎn)流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)“十四五”規(guī)劃編制的重要內(nèi)容。

針對(duì)水質(zhì)提升的技術(shù)，除控源截污完善、面源治理管控和水系流通外，目前常用的技術(shù)主要從物理、化學(xué)和生態(tài)等方面進(jìn)行研究和應(yīng)用。物理方法最常用的方法是清淤、引水補(bǔ)水和曝氣等[1-4]；通過混凝沉淀劑、除藻劑、除磷劑、脫色劑等進(jìn)行水質(zhì)凈化的方法是化學(xué)處理[5-7]；物理和化學(xué)處理方法的效果是短期和應(yīng)急的，長效的處理方法則是采用生態(tài)方法，通過構(gòu)建植物法、微生物法和生物膜的生態(tài)系統(tǒng)來凈化水質(zhì)[8-11]。目前，生態(tài)系統(tǒng)凈化水質(zhì)技術(shù)主要有生態(tài)浮床、生態(tài)濕地和生態(tài)塘等，但處理效果不僅受季節(jié)影響，而且受泄洪、汛期等水位變化的影響，在河道泄洪、水質(zhì)凈化方面應(yīng)用具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

本工程結(jié)合先前的工程經(jīng)驗(yàn)和生物過濾技術(shù)，主要采用生態(tài)濾墻+仿生水草等技術(shù)方法，針對(duì)水體中CODMn、氨氮和TP主要污染物進(jìn)行吸收、吸附、截留，并利用微生物的生化降解作用，削減水體中的N、P、有機(jī)物等污染物，從而有效隔離、削減連通水體以及暗涵段水體中的污染物質(zhì)對(duì)河道可能造成的污染，從而保證水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)且穩(wěn)定，采用旋轉(zhuǎn)裝置和半墻布局等綜合設(shè)置，從而也保障河道泄洪、汛期等水位變化的影響，減少河道的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 項(xiàng)目背景

徐州境內(nèi)河流眾多且水系密布，其中大沙河不僅具有防洪排澇功能，而且還是工業(yè)用水和生活飲用水的水源地。目前，受上游來水及沿線支流、排污口污染排放等因素的影響，大沙河草廟水源地——李口涵閘入庫河口區(qū)部分河段水質(zhì)指標(biāo)如CODMn、氨氮和TP等超標(biāo)，水體明顯顏色暗黃和輕微黑臭等現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重影響大沙河草廟水源地保護(hù)區(qū)的水質(zhì)穩(wěn)定。

大沙河周邊的大部分區(qū)域已經(jīng)完成截污工作，但是控源截污不是很徹底和完善，仍有部分生活污水和工業(yè)污水排入河道，影響大沙河取水水質(zhì)。污染源的來源主要有：1)生活污水入河，大沙河流域涉及生活污水入河的村莊有15處，平均每個(gè)村莊存在2處生活排口；2)農(nóng)業(yè)面源污染，大沙河區(qū)域化肥、農(nóng)藥施用強(qiáng)度大，且不少養(yǎng)殖場存在排污不規(guī)范的問題，涉及到河流近堤坡種植、養(yǎng)殖的村莊有7處；3)補(bǔ)水通道水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，梁西河作為大沙河草廟水源地的補(bǔ)水通道，存在水質(zhì)不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象；4)河道自凈能力差，上游河道自身水質(zhì)凈化能力較差，導(dǎo)致入河的污染物質(zhì)不能及時(shí)降解。

采集并檢測李口涵閘進(jìn)水口和涵閘上游水樣，由檢測結(jié)果可知，李口涵閘進(jìn)水口及上游部分水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)，如CODMn、氨氮和TP，此外，水體透明度也較差。大沙河取水口和華山閘斷面CODMn、氨氮和TP指數(shù)也在5月—6月出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，這可能是李口涵閘閘口上游進(jìn)水水質(zhì)較差引起的。李口涵閘及閘口上游具體水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 李口閘取水水質(zhì)Tab.1 Water Quality of Likou Sluice

由表1可知，李口涵閘進(jìn)水口及上游部分水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)，如CODMn、氨氮和TP都不滿足飲用水源地地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值，需要采取措施進(jìn)行治理，為大沙河水源地達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)提供保障。

2 工程技術(shù)措施

本次大沙河水源地水質(zhì)提升水環(huán)境整治，主要是通過生態(tài)措施改善李口涵閘閘口上游入庫區(qū)水質(zhì)，為達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)提供保障。目前主要的生態(tài)凈化技術(shù)有浮動(dòng)濕地、人工浮島等措施，但這些技術(shù)措施在河道處于汛期水位變化大時(shí)往往難以適應(yīng)，造成凈化效果的缺失。而生態(tài)濾墻+仿生水草具有比表面積大、接觸均勻、傳質(zhì)速度快和水頭損失低的優(yōu)點(diǎn)，濾墻可采用旋轉(zhuǎn)方式不會(huì)因?yàn)樗鞯臎_擊而移動(dòng)，當(dāng)汛期來臨時(shí)，可以打開固定裝置，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將濾墻旋轉(zhuǎn)到岸邊，達(dá)到泄洪的目的。從水質(zhì)提升效果以及行洪安全性的角度考慮，生態(tài)濾墻+仿生水草方案優(yōu)于其他方案，故本工程采用生態(tài)濾墻+仿生水草的方案。

本次水質(zhì)提升工程采用生態(tài)濾墻+仿生水草結(jié)合的方案，布置范圍為梁西河末端，共計(jì)約262 m(圖1)。本次共布置6道生態(tài)濾墻，其中5道濾墻采用半斷面形式，最后1道采取全斷面布置(圖2)。在6道生態(tài)濾墻間隔及前后河道段底部布置面積為10 500 m2的復(fù)合仿生水草，含仿生水草、曝氣風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)。為保障生態(tài)濾墻微生物馴化，在河岸側(cè)建設(shè)微生物馴化間1座，面積為45 m2，單層磚混結(jié)構(gòu)房2間，同時(shí)作為控制間與倉儲(chǔ)用房。

圖1 生態(tài)濾墻+仿生水草位置平面圖Fig.1 Location Plan of Ecological Filter Wall + Bionic Water Grass

圖2 生態(tài)濾墻+仿生水草斷面圖Fig.2 Section Layout of Ecological Filter Wall + Bionic Water Grass

(1)生態(tài)濾墻

生態(tài)濾墻以多孔載體填料為核心，通過不同孔徑的多孔載體，對(duì)水體中泥沙、顆粒物、懸浮物質(zhì)、污染物質(zhì)等進(jìn)行過濾、吸附和降解(圖3)。同時(shí)，生態(tài)濾墻能夠降低水體流速，增加水力停留時(shí)間，促進(jìn)水體中泥沙、顆粒物等沉降。

圖3 生態(tài)濾墻構(gòu)造示意圖Fig.3 Structure Diagram of Ecological Filter Wall

生態(tài)濾墻中運(yùn)用的多孔載體具有比表面積大、接觸均勻、傳質(zhì)速度快和水頭損失低等優(yōu)點(diǎn)，該載體為獨(dú)立研發(fā)的多孔填料。濾墻中的多孔載體采用大孔、中孔和微孔設(shè)計(jì)，大孔保持良好的接觸條件和防堵塞能力，能夠截留大顆粒物及其所攜帶的營養(yǎng)物質(zhì)；中孔和微孔中設(shè)計(jì)多種活性基團(tuán)，有利于原水中微生物的附著，其中包括硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、聚磷菌等有利于氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)去除的微生物。同時(shí)，附著的微生物能夠產(chǎn)生生物膜絮體，該絮體具有較強(qiáng)的吸附作用，能夠在較短的停留時(shí)間下顯著降低水體中渾濁度、CODMn、氨氮和TP的含量。另外，通過對(duì)多孔載體內(nèi)水體進(jìn)行曝氣，促進(jìn)附著微生物數(shù)量的增殖，從而加速水體懸浮有機(jī)物質(zhì)的降解，降低載體堵塞風(fēng)險(xiǎn)。

不同孔徑的多孔載體其持水量可達(dá)2 500%，孔隙率約為98%，比表面積可達(dá)到0.35～1.00 m2/g，與常規(guī)的生物技術(shù)相比，可以高出10～20倍的生物量，使用壽命為10～15年。生態(tài)濾墻所用的載體填料是在食品級(jí)日用清潔海綿和過濾材料的基礎(chǔ)上經(jīng)過特殊工藝研制而成，具有透氣性好、耐腐蝕、耐老化等優(yōu)點(diǎn)。

生態(tài)濾墻共計(jì)6道。①半段面濾墻5道：設(shè)計(jì)上寬為22 m，下底寬為14 m，高度為2.7 m，底部不透水圍隔布0.5 m，濾墻厚度為1 m，有效體積為48.6 m3；②全斷面濾墻1道：設(shè)計(jì)上寬為30 m，下底寬為14 m，高度為2.7 m，底部不透水圍隔布0.8 m，濾墻厚度為1 m，有效體積為59.4 m3；③填料：多孔網(wǎng)泡改性填料；④太陽能光電板為1 m；⑤生態(tài)濾墻配置1塊光電板曝氣頭：Φ=215 mm，1個(gè)/m2；⑥生態(tài)濾墻框架：SUS304材質(zhì)；⑦生態(tài)濾墻浮體：尺寸及材料：0.5 m×0.5 m×0.4 m，高分子聚乙烯材料。

(2)仿生水草

仿生人工水草為微生物營造更加優(yōu)越的生存空間，除提供更多的生長附著空間外，其精確設(shè)計(jì)的微孔結(jié)構(gòu)有序地引導(dǎo)微生物的種類，數(shù)百倍放大微生物的數(shù)量，培養(yǎng)高效的微生物系統(tǒng)，快速降解水體中的污染物，從而大大強(qiáng)化水體的自凈能力，提高水體的環(huán)境容量。仿生人工水草技術(shù)的核心是用特殊工藝編織成的高效生物載體，模仿水草形態(tài)。

辮帶式仿生人工水草下端固定在河床底或塘底、湖底，上端呈自由飄游狀態(tài)(圖4)。當(dāng)河水被凈化澄清透明后，這些填料由于其表面附著生長藻類而呈綠色，左右漂游像水草。

仿生水草特征描述：①比表面積大、空隙率高，使得啟動(dòng)掛膜快、脫膜更新容易；②能有效切割氣泡，提高氧轉(zhuǎn)移率和；③模擬天然水草形態(tài)，不易納藏污泥，安裝方便，使用壽命長，耐高負(fù)荷性沖擊。

圖4 辮帶式仿生人工水草實(shí)景圖Fig.4 Real Scene of Braided Belt Artificial Bionic Water Grass

3 研究結(jié)果與討論

該工程從2020年10月開始運(yùn)行，運(yùn)行情況良好，針對(duì)李口涵閘閘口上游入庫區(qū)水質(zhì)進(jìn)行檢測，并對(duì)此進(jìn)行水質(zhì)分析。為了便于水質(zhì)檢測的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，濾墻前段、中段和后段的取樣距離在135 m左右。污染物去除率計(jì)算如式(1)。

q=[(SO-Se)/SO]×100%

(1)

其中：q——去除率；

SO——進(jìn)水污染物質(zhì)量濃度，mg/L；

Se——出水污染物質(zhì)量濃度，mg/L。

3.1 水體中CODMn處理效果

圖5是工程運(yùn)行后濾墻前段、中段、后段的水體中CODMn處理效果。

圖5 水體中各段CODMn處理效果Fig.5 Treatment Effect of CODMn in Each Water Body Section

由圖5可知，水體中的CODMn質(zhì)量濃度(濾墻前段)在5.8～13.8 mg/L，并且CODMn隨著季節(jié)的變化而變化。春秋季的CODMn一般比較高，質(zhì)量濃度(濾墻前段)一般在8.6～13.8 mg/L；冬季溶解氧溶解度高和污染物減少等因素，造成CODMn一般比較低，質(zhì)量濃度(濾墻前段)一般在5.8～8.6 mg/L。對(duì)濾墻前段、中段、后段的CODMn分別進(jìn)行測定，利于分析濾墻和水草的處理效果。通過對(duì)比濾墻不同階段的處理效果，則CODMn去除率在27.3%～41.2%；濾墻中段和后段的CODMn去除率在17.5%～36.5%；總CODMn去除率在44.0%～60.4%。由此可知，春秋季的CODMn的本值相對(duì)較高，而且濾墻中的微生物比較活躍，相對(duì)冬季的CODMn去除率來說要高。同時(shí)，出水的CODMn質(zhì)量濃度在3.3～5.6 mg/L，總體出水效果優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中III類水的水質(zhì)，說明采用生態(tài)濾墻和仿生水草對(duì)于CODMn的處理效果是比較顯著的。

3.2 水體中氨氮處理效果

圖6是工程運(yùn)行后濾墻前段、中段和后段水體中氨氮的處理效果。

圖6 水體中各段氨氮處理效果Fig.6 Treatment Effect of Ammonia Nitrogen in Each Water Body Section

由圖6可知，水體中的氨氮質(zhì)量濃度(濾墻前段)在0.8～2.2 mg/L，且氨氮隨著季節(jié)的變化而變化。春秋季水體中的氨氮一般比較高，質(zhì)量濃度(濾墻前段)一般在1.1～2.2 mg/L；冬季受污染物減少等影響，氨氮一般比較低，質(zhì)量濃度(濾墻前段)一般在0.8～1.1 mg/L。同時(shí)，對(duì)濾墻前段、中段和后段的氨氮分別進(jìn)行測定。根據(jù)測定結(jié)果分析，通過對(duì)比濾墻前段和中段的氨氮處理效果，則去除率在25.0%～44.4%；濾墻中段和后段氨氮的去除率為25.0%～44.4%；氨氮總?cè)コ试?0.0%～66.7%。由此可知，春秋季的氨氮本值相對(duì)較高，而且濾墻中的微生物比較活躍，相對(duì)冬季的氨氮去除率較高;同時(shí)，出水的氨氮質(zhì)量濃度在0.4～0.8 mg/L，總體出水水質(zhì)效果優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中III類水，說明采用生態(tài)濾墻和仿生水草對(duì)氨氮的處理效果比較顯著。

3.3 水體中TP的處理效果

圖7是工程運(yùn)行后濾墻前段、濾墻中段和濾墻后段水體中TP的處理效果。

圖7 水體中各段TP處理效果Fig.7 Treatment Effect of TP in Each Water Body Section

由圖7可知，水體中TP質(zhì)量濃度(濾墻前段)在0.15～0.65 mg/L，且TP是隨著季節(jié)的變化而變化。春秋季的TP一般比較高，質(zhì)量濃度(濾墻前段)一般在0.30～0.65 mg/L；冬季受污染物減少等影響，TP一般比較低，質(zhì)量濃度(濾墻前段)一般在0.15～0.30 mg/L。分別進(jìn)行測定濾墻前段、中段和后段的TP，便于分析濾墻和水草的處理效果。濾墻前段和中段的TP去除率在33.3%～50.0%；濾墻中段和后段的TP去除率也在20.0%～50.0%；總TP去除率在46.7%～70.0%。由此可知，春秋季的TP的本值相對(duì)較高，而且濾墻中的微生物比較活躍，相對(duì)冬季的TP去除率來說要高；同時(shí)，出水的TP質(zhì)量濃度在0.08～0.20 mg/L，總體出水效果優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中III類水的水質(zhì)，說明采用生態(tài)濾墻和仿生水草對(duì)于TP的處理效果比較顯著。

3.4 主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

本工程投資經(jīng)濟(jì)費(fèi)用：土建費(fèi)用為14.5萬元；設(shè)備安裝費(fèi)用為478.68萬元；總投資費(fèi)用為493.18萬元。運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用：底層復(fù)氧生物載體的曝氣電費(fèi)為8.5萬元/a；生態(tài)濾墻和底層復(fù)氧生物載體維護(hù)費(fèi)用為15.0萬元/a；人工費(fèi)用為5.0萬元/a；最終直接運(yùn)行費(fèi)用約為28.5萬元/a。技術(shù)指標(biāo)：生態(tài)濾墻長度為262 m；仿生水草面積為10 500 m2；馴化間面積為45 m2。

4 結(jié)論

采用的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)保障具有行洪、泄洪的入庫河段安全，同時(shí)河段設(shè)置的生態(tài)濾墻和仿生水草等生態(tài)凈化設(shè)施對(duì)主要污染物CODMn、氨氮和TP的去除率比較顯著，且工程建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用較節(jié)省。

(1)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析可知，本工程的措施對(duì)于入庫河段具有技術(shù)可行性，相比較于固定的生態(tài)浮床等生態(tài)處理技術(shù)，由于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)置，保障了泄洪安全，同時(shí)也對(duì)水質(zhì)進(jìn)行凈化。經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上可行，適合于泄洪河道的水質(zhì)凈化。

(2)采用生態(tài)濾墻和仿生水草對(duì)于大沙河中的主要污染物CODMn、氨氮和TP的去除率為44.0%～60.4%、50.0%～66.7%和46.7%～70.0%，整體處理效果還比較顯著，而且出水水質(zhì)效果優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中III類水。

(3)工程的建設(shè)費(fèi)用為14.5萬元，設(shè)備安裝費(fèi)用為478.68萬元，總投資費(fèi)用為493.18萬元；運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用測算直接費(fèi)用約為28.5萬元/a?？紤]環(huán)境效益，削減的CODMn、氨氮和TP可以大大減輕水環(huán)境容量，大大提高水源地的環(huán)境保護(hù)和安全。

(4)工程采用旋轉(zhuǎn)裝置、生態(tài)濾墻和仿生水草等綜合設(shè)置，適合于河道泄洪、汛期等水位變化大，且對(duì)水質(zhì)有凈化要求的項(xiàng)目，具有很好的推廣價(jià)值。同時(shí)，為了更好凈化水質(zhì)，建議下一步研究和優(yōu)化生態(tài)濾墻和仿生水草的間距和搭配比例。