內(nèi)河挖入式港池水體富營(yíng)養(yǎng)化治理技術(shù)*

劉明瀟，劉琴琴,陳 建,張東立,張金榜，段傳奇

4.河南水利投資集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450002)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，一些大型內(nèi)河港口年貨運(yùn)量超過(guò)千萬(wàn)噸。內(nèi)河水運(yùn)給人們帶來(lái)豐厚經(jīng)濟(jì)效益與便捷的同時(shí),港池區(qū)域水質(zhì)也承擔(dān)著巨大的環(huán)境壓力。所以必須重視港航工程區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境保護(hù)及高質(zhì)量發(fā)展問題。綠色港口建設(shè)必須是以維持水環(huán)境生態(tài)平衡、促進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)為前提的可持續(xù)發(fā)展。挖入式港池水體相對(duì)穩(wěn)定，水深一般不大，水流流速較小，水體交換非常緩慢，所以很容易產(chǎn)生水體富營(yíng)養(yǎng)化問題，影響港池內(nèi)的水質(zhì)與水環(huán)境景觀，這是具有普遍性的內(nèi)河港口水環(huán)境問題。

與人類活動(dòng)關(guān)系密切的水域污染多是因水體中的氮(N)、磷(P)含量過(guò)高而引起的水體富營(yíng)養(yǎng)化[1]。世界各國(guó)學(xué)者對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化治理提出許多方法[2-4]：吳雪潔[5]提出采用清淤、清障措施，利用水系連通與構(gòu)建水生植物群落等方法除污凈水；卜久賀[6]提出各具特色的除藻劑法、混凝沉淀法、化學(xué)氧化法、非氧化型化學(xué)法等化學(xué)方法識(shí)別富營(yíng)養(yǎng)化程度；李桂榮[7]通過(guò)試驗(yàn)研究，開發(fā)了EPRC(efficient phosphorus removal composite)，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料對(duì)于污水中的磷具有明顯的去除效果。也有人提出生物治理措施及生態(tài)治理技術(shù)，通過(guò)在水體中設(shè)置凈化植物來(lái)吸收水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、降低水體的營(yíng)養(yǎng)化程度。該技術(shù)在上海黃浦江兩岸的治理中大量使用并取得很好的效果。針對(duì)挖入式港池[8-10]的邊界與水質(zhì)特征開展的諸如與水環(huán)境相關(guān)的水動(dòng)力特性與泥沙淤積特性等研究較少，只有林俊龍[11]對(duì)某挖入式港池的回淤分析建立了二維潮流泥沙模型，但是并未涉及如何處理挖入式港池內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化，因此對(duì)挖入式港池中水體富營(yíng)養(yǎng)化治理進(jìn)行研究非常必要。

筆者針對(duì)挖入式港池邊界條件、水體特性及工作環(huán)境，分析港池內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生的原因及特點(diǎn)；提出兼顧水體治理與景觀效應(yīng)的生態(tài)浮島治理水體富營(yíng)養(yǎng)化理念，通過(guò)在港池回旋水域外局部靜水區(qū)域投放小型生態(tài)浮島，配置高效吸收水體富養(yǎng)化的水生植物種植方案，并針對(duì)治理效率進(jìn)行方案優(yōu)化。同時(shí)，以某內(nèi)河港池為例，提出生態(tài)浮島治理水體富營(yíng)養(yǎng)化的工程技術(shù)與費(fèi)用估算。結(jié)果表明,合理配置生態(tài)浮島能有效控制水體富營(yíng)養(yǎng)化、改善水質(zhì)并營(yíng)造港池綠色景觀。

1 港區(qū)內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生的原因和特點(diǎn)

1.1 富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生的原因

近年來(lái)，隨著集裝箱航運(yùn)業(yè)務(wù)的發(fā)展，內(nèi)河港業(yè)務(wù)量大幅增加，進(jìn)出港船舶數(shù)量和出入頻率均成倍增長(zhǎng)，給港口周邊水生態(tài)環(huán)境帶來(lái)巨大壓力[12]。許多內(nèi)河港挖入式港池因內(nèi)部水體不流動(dòng)，污染負(fù)荷增加，水體富營(yíng)養(yǎng)化造成水質(zhì)惡化，有些港池水環(huán)境污染嚴(yán)重(圖1)。

圖1 某內(nèi)河港池內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化污染現(xiàn)狀

港池內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化產(chǎn)生的原因如下：1)挖入式港池的邊界條件造成水體的連通性弱、流速低。矩形港池內(nèi)有4個(gè)邊角屬死水區(qū)，水體流動(dòng)性更弱。這些都會(huì)引起不同程度的水環(huán)境污染。2)港口吞吐量大時(shí)，進(jìn)出船舶很多，船舶排放的油類、毒性有害物質(zhì)、船舶垃圾、船上生活廢水等有大量富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排入港池，進(jìn)入港池邊壁四角死水區(qū)后，水體流動(dòng)更緩慢，特別容易促進(jìn)藻類等微生物的滋生繁殖，再加上非冬季高溫天氣促使微生物生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致許多挖入式港池內(nèi)普遍存在藍(lán)藻爆發(fā)、水體富營(yíng)養(yǎng)化污染。

1.2 港池內(nèi)水環(huán)境特點(diǎn)及生態(tài)影響

內(nèi)河航道的挖入式港池邊界條件決定了自身水環(huán)境特征：半封閉、流速較小、水體交換很慢。因?yàn)榕c河流毗鄰，河流泥沙等一些懸浮物質(zhì)還會(huì)因側(cè)向環(huán)流卷吸作用和異重流側(cè)向潛入作用進(jìn)入港池，造成港池淤積和水質(zhì)變差。如果采用現(xiàn)有常用的河道內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化治理方法(底部種植水草)，則水草根部吸收底泥里的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，而非水體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。另外，水草在底部難以清除，水草腐爛后會(huì)增加水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。采用傳統(tǒng)的漂浮水葫蘆法治理水體富營(yíng)養(yǎng)化雖然很好，但它吸收完水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后必須被及時(shí)清走，否則會(huì)四處漂浮生長(zhǎng)，影響港池安全運(yùn)行。

如果不及時(shí)治理港池內(nèi)的富營(yíng)養(yǎng)化，則水生植物蔓延必然對(duì)船舶進(jìn)出、?？吭斐勺璧K，影響進(jìn)出港作業(yè)效率，同時(shí)破壞港區(qū)水生態(tài)環(huán)境。如今國(guó)家大力提倡發(fā)展臨港產(chǎn)業(yè)，港口碼頭附近形成的產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)已不單是生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)場(chǎng)所，而是區(qū)域生態(tài)的有機(jī)組成部分，是城鎮(zhèn)綠色發(fā)展的名片。特別是圍繞港口發(fā)展的工業(yè)區(qū)、服務(wù)區(qū)、行政區(qū)，逐步成長(zhǎng)為區(qū)域產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟(jì)文化活動(dòng)中心。港池水體富營(yíng)養(yǎng)化造成的水質(zhì)惡化及景觀丑化，都是綠色港區(qū)發(fā)展的制約因素，因此有效治理港池內(nèi)水體的富營(yíng)養(yǎng)化，是綠色港區(qū)建設(shè)的水環(huán)境保障基礎(chǔ)。

2 港池內(nèi)水體富營(yíng)養(yǎng)化解決措施

2.1 生態(tài)浮島技術(shù)

用凈化植物來(lái)吸收水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、降低水體營(yíng)養(yǎng)化程度的生物治理技術(shù)是目前一種生態(tài)治污措施。要解決港池死角區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化污染，必須能夠靈活控制治污處理范圍，方便施放與回收，同時(shí)與港區(qū)整體環(huán)境協(xié)調(diào)一致，符合生態(tài)文明建設(shè)要求。生態(tài)浮島便是可以滿足上述要求的新型治污技術(shù)。

生態(tài)浮島是一種針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的水質(zhì)、利用生態(tài)工學(xué)原理來(lái)降解水中COD、氮、磷的人工浮島[13-14](圖2)。生態(tài)浮島上栽種的凈水植物通常有草木犀、白三葉、夏枯草、黃花鳶尾以及野薄荷等，它們能使水體透明度大幅度提高，同時(shí)改善水質(zhì)，特別是對(duì)藻類有很好的抑制效果。生態(tài)浮島最主要的功效是利用植物的根系吸收水中的富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)，例如總磷、氨氮、有機(jī)物等，使得水體的營(yíng)養(yǎng)得到轉(zhuǎn)移，減輕水體由于封閉或自循環(huán)不足帶來(lái)的水體腥臭、富營(yíng)養(yǎng)化等危害。

圖2 人工浮島

采用與景觀相結(jié)合的生態(tài)浮島技術(shù)，在解決港區(qū)挖入式港池內(nèi)部水體富營(yíng)養(yǎng)化污染問題的同時(shí)，兼顧美化港池水環(huán)境，凸顯綠色港區(qū)的建設(shè)理念與特色。

2.2 生態(tài)浮島布置及植物種類

2.2.1尺寸與布置

生態(tài)浮島的尺寸應(yīng)根據(jù)處理水體富營(yíng)養(yǎng)化的特點(diǎn)和范圍靈活決定，為方便使用，一般不宜太大。為解決港池死角的水體富營(yíng)養(yǎng)化問題，生態(tài)浮島的單體面積可以選擇4～6 m2,覆蓋處理水面的25%～30%；同時(shí)，從景觀學(xué)角度考慮，生態(tài)浮島布設(shè)位置應(yīng)在視角10°～20°范圍內(nèi)，美化港池。

2.2.2植物種類

凈水植物是實(shí)現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化治理的基本手段，必須根據(jù)水體的富營(yíng)養(yǎng)化特點(diǎn)，選擇針對(duì)性植物種類。對(duì)于低濃度氮磷的富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)，適宜的凈水植物有菖蒲、草木犀、白三葉等；對(duì)于中等或較高氮磷的富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)，適宜的凈水植物有夏枯草、黃花鳶尾以及野薄荷等，它們對(duì)這種水質(zhì)有較好的凈化功能(圖3)。具有吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)能力的常見水生植物見表1。

表1 凈化水質(zhì)植物種類及費(fèi)用

注:pH、pX、pY、 pC、pYZ、pZ分別代表黃花鳶尾、夏枯草、野薄荷、菖蒲、燕子花和澤瀉的價(jià)格。

圖3 凈水植物

2.3 生態(tài)浮島的特點(diǎn)

生態(tài)浮島具有凈化水質(zhì)、美化水面景觀、提供水生生物棲息空間及美化港區(qū)環(huán)境等多種功能。其特點(diǎn)如下:

1)尺寸可大可小，形狀可以根據(jù)水域特點(diǎn)設(shè)計(jì)，靈活多樣；

2)易于標(biāo)準(zhǔn)化制作，價(jià)格適中，方便運(yùn)輸、施放與回收更換；

3)無(wú)須專人管理，只須定期清理或更換水生植物，減少水污染處理的設(shè)備投資，大大節(jié)省維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)和設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用等；

4)不但可對(duì)港池內(nèi)水環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化治理，同時(shí)也是綠色港區(qū)生態(tài)文明建設(shè)的景觀組成部分。

2.4 生態(tài)浮島處理水體富營(yíng)養(yǎng)化的費(fèi)用

2.4.1生態(tài)浮島制作費(fèi)用

現(xiàn)今常用的人工浮島有干式和濕式2種，港池內(nèi)宜采用水和植物接觸的濕式浮島。一般要求港池內(nèi)浮島可拆卸，便于在港池死角區(qū)安置。常見的平面結(jié)構(gòu)為9盆栽網(wǎng)孔，費(fèi)用為65～95元/m2,市場(chǎng)也可根據(jù)需求，靈活確定浮島規(guī)格、面積與栽種要求，此時(shí)費(fèi)用會(huì)適當(dāng)提高。

2.4.2凈水植物費(fèi)用

能夠吸收氨(-NH+3)、氮(N)、磷(P)和降低COD、TN，并有一定耐鹽堿能力的水生植物[15-16]的可選種類及按目前市場(chǎng)價(jià)格給出的費(fèi)用見表1。為兼顧水面景觀多樣化效果與水體清潔的治污需求，可以采用不同的植物配置方案。表2給出適用于挖入式港池富營(yíng)養(yǎng)化治理的不同生物配置方案及費(fèi)用。

表2 生態(tài)浮島水生植物種植方案對(duì)比及費(fèi)用

續(xù)表2

方案種植方案(9孔∕m2式浮島)費(fèi)用估算工程造價(jià)∕(元·m-2)適用環(huán)境∕功能方案3黃花鳶尾(2)+黃花鳶尾(2)+菖蒲(2)+菖蒲(2)+燕子花(2)+燕子花(2)+燕子花(2)+澤瀉(2)+澤瀉(2)pH×4+pYZ×6+pC×4+pZ×492.4富營(yíng)養(yǎng)化水體∕凈化水環(huán)境,降低氨、氮、磷、COD方案4黃花鳶尾(2)pH×2×992.0富營(yíng)養(yǎng)化水體∕去除氨、氮、磷,凈化水質(zhì)方案5菖蒲(2)PC×2×992.0富營(yíng)養(yǎng)化水體∕降低COD、TP,凈化水質(zhì)方案6澤瀉(2)PZ×2×993.8富營(yíng)養(yǎng)化水體∕設(shè)計(jì)花型,降低COD,凈化水質(zhì)

注：1.浮島采用9孔/m2的形式，在9孔中分別種植兩株不同植株例如澤瀉(2)，以上同理；2.費(fèi)用估算中公式說(shuō)明見表1注。

2.4.3方案優(yōu)化

表2中所列生物浮島都可以凈化水質(zhì)，但各有所長(zhǎng)。合理選擇種植方案，會(huì)提高生態(tài)浮島凈化效果，節(jié)約凈化費(fèi)用。對(duì)大量港池資料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)河航道港池內(nèi)水體的常見富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)主要為氨氮、總磷、COD、TN等，特別是總磷和氨氮含量高。分析表2各方案特點(diǎn)及費(fèi)用可以看出，種植方案2比較適應(yīng)現(xiàn)狀內(nèi)河港池水環(huán)境條件，浮島的水生生物學(xué)特性良好、物種多樣性較強(qiáng)，具備吸收港池內(nèi)水體常見富養(yǎng)成分的能力；另外，該方案浮島植物種類較為豐富，植物多樣性不僅有利于水體快速多層次凈化，而且多種植物搭配種也具有較好的觀賞性，符合生態(tài)水工美學(xué)要求。這種方混搭型植物生態(tài)浮島可以很好地兼顧水體美觀與水體清潔功效，且性價(jià)比較高。某內(nèi)河港口港池內(nèi)選擇方案2進(jìn)行了生態(tài)浮島的布設(shè)，每個(gè)港池放置4個(gè)生態(tài)浮島，經(jīng)過(guò)6～10個(gè)月的應(yīng)用，水質(zhì)大大改善(表3)；生態(tài)浮島也改善了港池整體水環(huán)境質(zhì)量，適應(yīng)綠色港區(qū)的總體發(fā)展建設(shè)需求。

表3 采用生態(tài)浮島治理前后水質(zhì)指標(biāo)對(duì)比

3 工程實(shí)例

3.1 工程及水環(huán)境概況

某內(nèi)河港口在內(nèi)河運(yùn)輸中地理位置優(yōu)越，該港口以下89 km航道常年通航，航道規(guī)劃等級(jí)為3級(jí)。由于航道所在河流水源充沛，航道斷面具有窄深的特點(diǎn)，加上船閘樞紐的聯(lián)合運(yùn)用，現(xiàn)航道通航能力可達(dá)2 000噸級(jí)以上。港口共有5個(gè)挖入式港池，其中2個(gè)港池、12個(gè)千噸級(jí)泊位已建成運(yùn)營(yíng)，具備年吞吐量1 300萬(wàn)t以上的貨物周轉(zhuǎn)能力，目前正通過(guò)多式聯(lián)運(yùn)改造與綠色港區(qū)建設(shè)來(lái)提升港口發(fā)展水平。

港池平面形態(tài)均為矩形(120 m×80 m)，混凝土邊壁，水深6～7 m；港池可以停泊千噸級(jí)船舶(一般寬8～12 m，長(zhǎng)30～50 m)12艘。港池水體幾乎不流動(dòng)，與河道水體交換十分緩慢。隨著碼頭貨運(yùn)量的快速增長(zhǎng)，碼頭運(yùn)營(yíng)作業(yè)及周邊水環(huán)境影響使得近年來(lái)港池內(nèi)水質(zhì)下降，死角區(qū)不同程度地出現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化問題，影響港區(qū)水環(huán)境質(zhì)量與港區(qū)形象。

3.2 方案設(shè)計(jì)及費(fèi)用

3.2.1水環(huán)境治理方案

為解決港池內(nèi)水環(huán)境的富營(yíng)養(yǎng)化污染問題，同時(shí)又不影響港池內(nèi)正常運(yùn)行，決定采用生態(tài)浮島技術(shù)進(jìn)行港池水污染治理。根據(jù)港池空間特征及水環(huán)境污染特點(diǎn)，確定浮島布置方案。在全部停泊方位以外的港池4個(gè)角落各放置1個(gè)生態(tài)浮島(圖4)，生態(tài)浮島單體面積為4～6 m2；平面形態(tài)設(shè)計(jì)為3種類型：矩形平面2 m×(2～3)m，圓形或扇形(直徑2.0～3.0 m)；覆蓋死角區(qū)水域面積的25%～30%。生態(tài)浮島的種植類型有2大類：基于“四角區(qū)分”的原則，靠近港池內(nèi)部的2個(gè)角按方案2布置，為4種搭配型水生植物；靠近港池前沿的2個(gè)角按方案4、5布置，為單一水生植物?？傮w上，浮島植物高低錯(cuò)落有致、具有較好的觀賞性，性價(jià)比較高。

圖4 港區(qū)生態(tài)浮島平面布置

3.2.2治理費(fèi)用

以單個(gè)港池水體富營(yíng)養(yǎng)化治理工程費(fèi)用估算：按最大停泊方案?？壳ьD級(jí)船50 m×12 m考慮，在港池內(nèi)4個(gè)角落各布置1個(gè)浮島。按圓形面計(jì)，浮島區(qū)總面積28 m2。按方案2(混合水生植物)計(jì)，以目前市場(chǎng)價(jià)估算，4個(gè)生態(tài)浮島制作費(fèi)用約3 000元左右；再加上浮島植物日常維護(hù)及人工費(fèi)用，2個(gè)正在運(yùn)行的港池生態(tài)浮島的綜合年費(fèi)用約3.0萬(wàn)元；如果按5個(gè)港池全運(yùn)行考慮，綜合年費(fèi)用約6.5萬(wàn)元。

3.3 水體富營(yíng)養(yǎng)化治理初步成果

在港池4個(gè)角落布置混合生態(tài)浮島，生態(tài)浮島上種植夏枯草、黃花鳶尾、菖蒲、澤瀉，在碼頭前沿非泊船區(qū)種植單一水生植物黃花鳶尾或菖蒲等。在人工機(jī)械協(xié)同處理水中藻類浮游物體后，進(jìn)行生態(tài)浮島種植布置。水生植物從種植幼苗到完全茂盛須經(jīng)歷5個(gè)月的時(shí)間，在此期間吸收水中N、P等物質(zhì)，降低COD。從布置在港池內(nèi)的生態(tài)浮島治理前后效果對(duì)比(圖5)看，生態(tài)浮島治理后不再出現(xiàn)藻類浮游植物，水質(zhì)得到提高，水污染狀況得到初步改善。

圖5 生態(tài)浮島治理前后港池環(huán)境對(duì)比

4 結(jié)論

1)生態(tài)浮島技術(shù)是一種比較適合港區(qū)水環(huán)境特點(diǎn)與生態(tài)文明建設(shè)理念的港池富營(yíng)養(yǎng)化治理方法。

2)對(duì)某內(nèi)河港池進(jìn)行水環(huán)境富營(yíng)養(yǎng)化治理方案研究，設(shè)計(jì)了采用不影響碼頭作業(yè)的生態(tài)浮島凈化處理方案，采用混合種植模式(植配夏枯草、黃花鳶尾、菖蒲、澤瀉)、“四角區(qū)分”方法，兼顧水體景觀又可有效去除水體富營(yíng)養(yǎng)化，具有治理效果好和性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。生態(tài)浮島技術(shù)用于應(yīng)對(duì)挖入式港池水體富營(yíng)養(yǎng)化治理已初見成效。