中小河流水質(zhì)監(jiān)測調(diào)控治理方案研究

張紅武 趙晨蘇 馮長松 張羅號

摘要：在分析水治理現(xiàn)狀的基礎上，針對我國推行河長制后水質(zhì)必須達標的需求，以所研發(fā)的污水、污泥處理技術(shù)為基礎，提出了中小河流水質(zhì)監(jiān)測調(diào)控治理方案。即運用復相系統(tǒng)高效捕捉原理，按照“無毒、穩(wěn)定、特效、自然、經(jīng)濟”5個條件尋覓除污材料，按一定配方加工成對水中致污物質(zhì)具有極強“捕捉”能力的“澄凈粉”，使水質(zhì)的理化特性和水環(huán)境中的生物特性、組成等改良，從而促使水質(zhì)達標。采用復相系統(tǒng)綠色處置法及物理處置法并舉治理的技術(shù)途徑，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)擬治理河段水質(zhì)的預警預報，并且智能確定“澄凈液”的最佳配置組成與調(diào)控治理方案，從而形成一套完整的自動監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)設備監(jiān)測、科學調(diào)控的綠色治理體系。

關(guān)鍵詞：中小河流;水質(zhì)監(jiān)控;水質(zhì)污染;調(diào)控治理

中圖分類號：X522 文獻標志碼：A

1 背景

1.1 問題的提出

我國中小河流受自然地理環(huán)境和人類社會影響，多屬季節(jié)性河流，汛期可能出現(xiàn)洪水，非汛期來流量小，常不能保證最小生態(tài)流量，水體污染嚴重，枯水季節(jié)水質(zhì)達標十分困難川。為便于調(diào)節(jié)，防止斷流，便于引水，以及盡量在城區(qū)段保持一定的蓄水水面等，一般在河道縣界斷面設置水閘，僅在洪水期根據(jù)防洪需要開閘排洪，河道水文要素與水質(zhì)變化很大[1]。

2018年是打好污染防治攻堅戰(zhàn)的開局之年，各地政府大干快治，中央環(huán)保督察緊逼，水治理工作得到有力推進。但在技術(shù)水平與財政實力不足的條件下，中小河流水治理更多的是表面治理，至多是追求監(jiān)測斷面有較高的達標率。調(diào)查表明，每逢雨季全國不少企業(yè)和污水處理廠趁機將難以計數(shù)的污水偷排。以我國某城市為例，政府將某環(huán)保公司作為特許經(jīng)營廢棄物集中處置單位，前些年市內(nèi)企業(yè)都將所產(chǎn)生的污泥交給該公司處理，取得很大經(jīng)濟收益。而今受政策變化影響，污泥“做”成的肥料不允許用到公共綠地，畢竟會將重金屬長期保留在土壤中;焚燒爐也不讓再建，畢竟排出廢氣中二（口惡）英（簡稱PCDDs）的影響對公眾心理壓力太大。于是，該環(huán)保公司不再接收郊區(qū)中小企業(yè)的污泥，污泥成了“燙手山芋”，那些企業(yè)只得將污泥擅自處理。

長期以來，環(huán)保學科與關(guān)鍵技術(shù)沒得到實質(zhì)性突破，治理效果一般是事倍功半，尤其現(xiàn)實中污/廢水處理投入大于回報，導致出現(xiàn)只注重短期治理不考慮長期效果的局面。個別實驗室研發(fā)的污泥治理技術(shù)，成本遠遠高于現(xiàn)實中政府和企業(yè)能接受的價格，實際治理時難以采用，因此多為名義上治理、實質(zhì)上應付甚至是污染轉(zhuǎn)移的治理模式[2]。全國各地處理污水產(chǎn)生的大量沒有經(jīng)過治理的污泥，含大量有毒有害物質(zhì)，勢必成為引爆環(huán)境危機的隱患[3]。同時一窩蜂的盲目治理，相關(guān)設備設施和落后技術(shù)的投入造成了巨大浪費。以燃煤脫硫為例，僅2017年就需要從我國青山上開采1億t優(yōu)質(zhì)石灰石用于燃煤脫硫，脫硫后給后人留下1.7億t廢棄石膏。

目前縣級及以上河長負責組織對下一級河長進行考核，實行生態(tài)環(huán)境損害責任終身追究制，各地壓力較大。為此，根據(jù)我國推行河長制之后水質(zhì)必須達標的需求，在分析水治理現(xiàn)狀的基礎上，就中小河流水質(zhì)達標需求，通過創(chuàng)新研發(fā)污水污泥處理技術(shù)，對水質(zhì)監(jiān)測調(diào)控治理方案開展研究。

1.2 水治理現(xiàn)狀

（1）水質(zhì)治理現(xiàn)狀。中央環(huán)保督察發(fā)現(xiàn)，廣東佛山市為使漫水河斷面水質(zhì)達標，在漫水河人北江的河口上游約50m處安置曝氣增氧機，提高下游監(jiān)測斷面溶解氧濃度，從而達到考核要求[4]。廣東清遠市為了應付瀾水河、海仔大排檔、龍瀝大排坑和黃坑河的治理任務，不進行截污與清淤，而是采用臨時調(diào)水稀釋的對策。這種單純應付斷面水質(zhì)監(jiān)測的行為暴露出當?shù)卣僦卫淼膯栴}。

我國襲用歐美國家的污染治理手段，從經(jīng)濟與治理效果方面，一般不適用于我國環(huán)保問題歷史欠賬多、污染程度高狀況下的治理，且受學科發(fā)展限制，實際治理采用的技術(shù)、方法問題較多。例如，在中小河流水質(zhì)改良與黑臭水體的治理中，歐美國家習用生物修復技術(shù)[5]，利用特定的生物吸收、轉(zhuǎn)化、清除或降解環(huán)境中的污染物，使受污染水體與底泥能夠較多恢復到原初狀態(tài)。通過培育微生物、水生植物對水質(zhì)進行凈化，并輔以河道曝氣、穩(wěn)定塘等技術(shù)進行污染治理[6-7]。但實踐中發(fā)現(xiàn)生物法仍有問題。以生態(tài)浮島技術(shù)[8]為例，有如下局限：污染程度較高時，生物法處理速度慢且效果差;微生物生存狀態(tài)及水處理效果對水溫變化比較敏感[6-7，9];受河流水沙條件影響，生態(tài)治理效果不穩(wěn)定，生物菌劑難以適應河水流態(tài)變化，難以持續(xù)發(fā)揮作用[9-10];河中設置浮島，明顯減小了排洪斷面，對河道行洪排澇有影響，且洪水容易將浮島沖毀[3]。故該治理技術(shù)在河流水質(zhì)改良與黑臭水體治理中不宜運用。至于化學藥劑法主要是投加鐵鹽、鈣鹽、鋁鹽等藥劑，使之與水體中溶解態(tài)磷酸鹽形成不溶性的固體沉淀[10]?；瘜W藥劑具有一定毒性，處理后水中含鹽量難去除且成本過高，最后產(chǎn)生較多的沉積物易形成二次污染，在自然河渠水質(zhì)治理中更不可使用。

（2）污泥治理。近年來，隨著生態(tài)環(huán)保意識的不斷提高，針對污泥處置中面臨的問題，中央及地方各級環(huán)保、住建、發(fā)改等部門先后出臺了相關(guān)政策、法規(guī)和指南，明確了污泥處理的重要性。“水十條”要求現(xiàn)有污泥處理處置設施于2017年年底前基本完成達標改造。但受多重因素掣肘，我國一批污泥消化設施安裝了國外普遍采用的效果并不理想的厭氧消化裝置，能夠穩(wěn)定運行的目前只有一半。現(xiàn)實中各地將污水處理系統(tǒng)和污泥處理系統(tǒng)剝離開來，甚至為了追求污水處理率，都盡可能簡化污泥處理處置環(huán)節(jié)。

由于我國污泥的泥質(zhì)含量高、有機物含量低，因此干化焚燒和厭氧消化都不可行，為降低污泥處理成本，很多污泥運往垃圾處理場直接填埋，不僅土地填埋成本較高，而且大量垃圾填埋場防滲建設不合格，未經(jīng)處理的污泥中重金屬等超標，對地下水有長期影響[11]。隨著垃圾填埋場的飽和，不少污水處理廠產(chǎn)生的污泥暴露在臨時堆積場，甚至堆積在江河旁，下雨后造成二次污染，環(huán)境隱患突出[12]。近年來，國家有關(guān)部門對此問題陸續(xù)出臺了相關(guān)政策、法規(guī)，污泥從過去單一的填埋處置兼而走上農(nóng)藝運用、建材制造、焚燒消化等新的處置出路。

新的污泥處理技術(shù)還不成熟，成本高。例如，一般中型城市污水處理廠過去將污泥外運，填埋處理只花費約30元/t，如今運往具有特許經(jīng)營權(quán)的環(huán)保公司后，可能將部分污泥運至當?shù)厮鄰S焚燒處理，需要付處置費約300元/t，甚至更高[11]。隨著城區(qū)人口日益增長和污水管網(wǎng)日益完善，污泥產(chǎn)量遠超水泥廠處理能力，擴建污泥焚燒設備，處理費用還將上漲。我國污水處理廠運營公司在投標時，水價折算往往將污泥處理按最經(jīng)濟的填埋方式考慮，特許經(jīng)營協(xié)議期間，由于各種成本增加與政府調(diào)增水價難度大，因此政府與企業(yè)很難再加大對污泥處置設施建設和運行的資金投入。

農(nóng)藝運用會使重金屬長期保留在土壤中，制造建材產(chǎn)生的放射性物質(zhì)對人體有害，而焚燒消化成本和技術(shù)要求很高。利用現(xiàn)有發(fā)電廠與水泥廠的焚燒爐對污泥進行混合焚燒處理較多，但是有些發(fā)電廠不愿接收污泥，因此很多水務集團試圖單獨建立焚燒設施。需要強調(diào)的是，焚燒爐廢氣二（口惡）英、汞及其化合物、砷鎳及其化合物等即使能夠達標排放，也存在大氣污染問題。原因是，所排放的二（口惡）英占其總排放量的75%以上，是目前為止發(fā)現(xiàn)的毒性最強的物質(zhì)，更何況現(xiàn)實中二（口惡）英常超標排放。

從水泥企業(yè)狀況來看也不樂觀。由于產(chǎn)能過剩以及環(huán)境成本提高等，因此不少水泥企業(yè)生存日趨艱難。如果最新修訂的《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》（GB4915-2013）[13]嚴格執(zhí)行，那么不少中小型水泥企業(yè)更難生存，必須依靠地方政府的優(yōu)惠政策才能勉強維持。根據(jù)相關(guān)鼓勵政策，水泥企業(yè)消納部分工業(yè)廢棄物（占水泥產(chǎn)量的30%）可享受國家退免增值稅的政策。

由此來看，污泥直接填埋占地多且易污染土壤，焚燒成本高且污染大氣，農(nóng)業(yè)利用（包括土壤改良）和園林綠化都難免有毒有害物質(zhì)污染土壤。電動修復污泥的技術(shù)原理是對污染土壤施加直流電場，通過電滲、電遷移、電泳等機制使污染物在電極區(qū)富集，再將污染物進行集中處理或分離，從而實現(xiàn)重金屬的分離。針對該技術(shù)采用貴金屬電極成本昂貴等缺點，中持水務公司與清大動力水治理公司采用塑料復合電極，解決了降低成本與電極易腐蝕的難題。該技術(shù)缺點是易將惡臭氣體轉(zhuǎn)移至空氣中，且修復成本較高，實際運用前須經(jīng)過成本分析與方案比選。

2 技術(shù)方案

2.1 治理思路

采用的綠色技術(shù)，系基于復相系統(tǒng)高效捕捉原理與復相流理論的污水治理技術(shù)（該技術(shù)屬于核心技術(shù)，目前尚未公開）。水流強度會對水污染程度和水生植物生存情況產(chǎn)生不同程度的影響，能判斷水流強度對水質(zhì)影響的面積型弗勞德數(shù)Fr_A[14]為式中：u為流速;g為重力加速度;A為過流斷面面積;H為水深;B為河寬。

利用式（1）可定量判斷水流特性對河流污染物沉降、擴散過程產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)中小河流的上游段與中游段，流速大、過流斷面面積小[15]，相應的Fr_A較大，水質(zhì)一般不超標;而在其尾部段，流速小、過流斷面面積大，相應的Fr_A較小，水質(zhì)易超標。故經(jīng)過計算判斷后，利用復相系統(tǒng)高效捕捉技術(shù)治理的重點為河流尾部段。尾部段由于所設閘門不常開啟，附近水體易出現(xiàn)水質(zhì)惡化，因此在閘門上游河段一定范圍內(nèi)布設管路，采取循環(huán)復氧措施，產(chǎn)生充氧效果。

雨季入河漂浮污染物和垃圾多，需借助機動清污船清除漂浮污染物，同時利用設置的特殊設施與捕捉技術(shù)，清除水面有機污染物和垃圾。此外，采用河外土工編織沙袋布控等措施，對雨水進行沉淀處理，減少污染物與泥沙進入河流。在污染嚴重河段常因有機污泥厭氧發(fā)酵、底泥上浮而造成水體污染加重，氣溫高時，底泥對水治理效果影響更大。因此，在采取上述措施的同時，利用吸泥設施將底泥抽吸至岸邊，并利用基于復相系統(tǒng)高效捕捉原理分離污染物的澄凈塔，將底泥處理達標[3]。

該技術(shù)能夠確保水治理成功并經(jīng)濟可行，體現(xiàn)改善水質(zhì)的可持續(xù)性。如果是應急治理，那么方案實施后可立即見效。此外，由于采取的是綠色治理技術(shù)，因此散落在河底的沉降物對降低河道底泥污染物含量有良性作用，無須專門清理。

2.2 復相系統(tǒng)污水處理技術(shù)

20世紀90年代初期，張紅武團隊系統(tǒng)研究了微粒自然絮凝物理過程，發(fā)現(xiàn)微粒濃度超過臨界濃度后，顆粒自然發(fā)育的絮團之間即聯(lián)結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[16-17]。20世紀90年代中后期，該團隊為解決黃河小沙灣取水工程高濁度水處理的技術(shù)難題，開展了水流紊動與加藥（聚丙烯酞胺）反應效果的理論研究[12]，建立了加藥量、水流強度與濁度之間的關(guān)系，并通過斜板預沉池模型試驗，對不同工況下的去除率進行了試驗[18]，小沙灣高濁度水處理廠至今運行良好。但近些年認識到化學藥劑對水處理具有加大污泥毒性、體量的負面作用，會帶來二次污染，便致力于研發(fā)水處理綠色技術(shù)。

該團隊近年的污水治理技術(shù)是基于復相系統(tǒng)高效捕捉原理自主研發(fā)的，其技術(shù)關(guān)鍵是按照“無毒、穩(wěn)定、特效、自然、經(jīng)濟”5個條件尋覓除污材料，按一定配方研制加工成對水中致污物質(zhì)（如水中的氨氮、鹽分、微量元素、放射性物質(zhì)等）具有極強“捕捉”能力的粉末，可稱之為“澄凈粉”[3]，使水質(zhì)的理化特性和水環(huán)境中的生物特性、組成等得以改良，從而促使水質(zhì)達標。中小河流水質(zhì)治理適用的處置系統(tǒng)主要由澄凈液（澄凈粉攪拌后生成）生成裝置與澄凈液輸送噴射裝置組成，后者主要按照復相流理論確定具體工藝，為提高澄凈粉在擬治理水體中同污染物質(zhì)的遭遇概率創(chuàng)造條件。該技術(shù)利用溫差異重流[17，19]原理，凌晨將溫度較高的澄凈液加入治理河段后，在較冷的河水表層流動，形成上層異重流，產(chǎn)生“水上漂”奇觀，有利于澄凈液在重力作用下，緩慢與下層河水中污染物充分接觸，有效捕捉污染物后沉入河底。

2.3 水質(zhì)監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)

（1）監(jiān)測系統(tǒng)。基于物聯(lián)網(wǎng)的水質(zhì)實時監(jiān)測系統(tǒng)，可及時評價中小河流水質(zhì)水平，同時在綜合考慮閘壩調(diào)度、污染物類型和氣象條件等因素基礎上，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測、調(diào)控治理。水質(zhì)監(jiān)測項目一般包括pH值、COD、氨氮、總磷和水溫。通過pH值可初步鑒定污染物的種類;COD濃度越大，說明水體受有機物污染越嚴重;氨氮主要以游離氨（NH₃）和銨離子（NH⁺₄）形式存在于水體中，是主要耗氧污染物;磷會導致水體富營養(yǎng)化，引發(fā)藻類植物過度生長，消耗水體中的氧氣。另外，汛期還要盡量對水文要素進行監(jiān)測。

采集數(shù)據(jù)后，利用諸如指數(shù)評價法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型等[20-21]對水質(zhì)進行綜合評價，并分析、預測水質(zhì)指標時間序列，即時反饋至調(diào)控系統(tǒng)。

（2）調(diào)控系統(tǒng)。采用自動化水質(zhì)監(jiān)測與治理調(diào)控相結(jié)合的方法，根據(jù)擬治理河段水質(zhì)表現(xiàn)與水質(zhì)要求，設置水質(zhì)預警值。當斷面實時監(jiān)測數(shù)據(jù)接近預警值時，立即根據(jù)河道水質(zhì)與水沙狀況（后者以Fr_A與濁度為指標），結(jié)合復相系統(tǒng)特殊運動需要，自動給出調(diào)控治理方案，智能確定澄凈粉的投放量等參數(shù)。澄凈液以最佳組合配置生成，在河水內(nèi)以復相流運動形式彌散其中，促使水質(zhì)達標。

可在監(jiān)測斷面上游500～700m岸邊設置澄凈液配送站，通過動力裝置將澄凈液輸送到指定斷面（稱治理斷面1），并利用“U”形管道向水中噴射澄凈液，使澄凈液遍布水體，“吸附”“捕捉”污染物。澄凈粉攪拌和輸送站占地面積50m²（5m×10m），主要將澄凈粉攪拌后生成澄凈液，再通過動力裝置輸送至待治理水體，見圖1。

通過水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)進行COD、氨氮的監(jiān)測，根據(jù)對比分析及時出具治理進度階段報告，實現(xiàn)調(diào)控治理。若斷面1水質(zhì)惡化，可通過動力裝置與管道，將澄凈液輸送到上游斷面（稱為治理斷面2），在機動清污船的配合下對下游水體進行治理。由于上述動力裝置能將高濃度澄凈液輸送至10km以外，因此對于斷面2的上游河段，可在水質(zhì)不達標時繼續(xù)將澄凈液輸送到上游，對相應水體進行治理。

2.4 底泥的治理技術(shù)

由于污泥主要成分是各類污染物和一定粒徑的泥沙，因此污泥可直接利用上述分離污染物的澄凈塔分離技術(shù)進行治理。利用吸泥設施將底泥流直接抽人塔中，充分攪拌污泥流。泥沙沉至塔底，先將底部達標泥沙排出，再加入澄凈粉，并將剩余污染物壓入底部。如此操作后，含污染物污泥體量將大大減少，從而降低污泥處理費用，并保證水質(zhì)持續(xù)達標。處理后底泥還可回收利用，例如可運用本團隊研發(fā)的底泥生物固化技術(shù)，將底泥用于渠道護底，也可修建停車場等。

3 結(jié)論

通過梳理中小河流污染面臨的問題，在闡述水治理現(xiàn)狀的基礎上，就我國推行河長制后水質(zhì)必須達標的需求，在保證杜絕化學法治理的原則下，通過創(chuàng)新研發(fā)污水、污泥處理技術(shù)，對水質(zhì)監(jiān)測調(diào)控治理方案開展研究。首次提出采用復相系統(tǒng)綠色處置法及物理處置法并舉治理的技術(shù)途徑，實現(xiàn)水質(zhì)與底泥達標。同時基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測調(diào)控系統(tǒng)，實現(xiàn)擬治理河段水質(zhì)的預警預報，并且智能確定澄凈液的最佳配置組成與調(diào)控治理方案，從而形成一套完整的自動監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)設備監(jiān)測、科學調(diào)控的綠色治理體系。