物理-生態(tài)復合修復技術(shù)在黑臭河道治理中的應用

王 璐 楊明強 郭偉忠

(1.南京市三汊河河口閘管理處，江蘇 南京 210036；2.南京市黑臭河道整治工作指揮部辦公室，江蘇 南京 210036；3.南京市水務局，江蘇 南京 210036)

城市河流作為城市的命脈，不僅有水體循環(huán)、水土保持、貯水調(diào)洪、水質(zhì)涵養(yǎng)等功能，而且還能調(diào)節(jié)溫濕度、改善城市小氣候，健康的城市水體環(huán)境是城市可持續(xù)發(fā)展的重要保障。2010年環(huán)境狀況公報顯示我國地表水體已達到嚴重污染狀態(tài)[1]。隨著城市的快速發(fā)展和人口急劇增加，許多城市內(nèi)河出現(xiàn)季節(jié)性或常年性的水體黑臭現(xiàn)象[2]，河流生態(tài)環(huán)境嚴重受損，已經(jīng)嚴重超過了河流自凈能力所承受的范圍[3]。

清江東溝是南京城市中心的一條河道，起于裕盛東路，終至里圩河，河道全長892m(漢江路至裕盛東路為箱涵段，638m)，上口寬4m。周圍有龍鳳花園、蘇城北苑等小區(qū)，河道整體呈南北走向。由于生活垃圾亂倒、河道周邊餐飲企業(yè)污水長期直排河道，造成該河道水質(zhì)越來越差，河床底泥越來越厚，淤積嚴重。河道平緩，枯水期進水量少，水體置換速度慢，水體喪失自凈能力，發(fā)黑發(fā)臭。因此，城市黑臭水體整治已經(jīng)成為各級地方人民政府改善城市人居環(huán)境的重要內(nèi)容和工作。

目前，水環(huán)境質(zhì)量修復的技術(shù)多種多樣，黑臭河道治理技術(shù)主要有物理法、化學法、生物法和生態(tài)修復技術(shù)4類[1]。物理法主要包括清淤、引水沖污和曝氣等?；瘜W法在黑臭水體治理中是限制應用技術(shù)，主要包括加入混凝沉淀劑、除藻劑等化學藥劑。生物法依靠微生物作用，環(huán)境友好，因此得到廣泛應用，主要包括植物法、微生物法和生物膜技術(shù)等[4]。生態(tài)修復技術(shù)具有可持續(xù)性，能夠增強系統(tǒng)自身的能力，主要包括生態(tài)浮床技術(shù)和人工濕地技術(shù)等[1]。由于黑臭水體受污染情況復雜，單用一種修復方法往往不能達到理想的效果[5]。因此，本文結(jié)合相關(guān)研究[5-6]，探討采用河道清淤、污水截流、微納米曝氣增氧和人工生態(tài)納污浮床為主的物理-生態(tài)復合修復技術(shù)應用于南京市黑臭河道治理中的治理效果。

1 河道概況

鼓樓龍江地區(qū)的中保河、中保北河、里圩河、龍江河、龍江東河、清江北溝、清江南溝、清江溝、清江東溝9條河道互相連通，簡稱為“五河四溝”，其中江東北路西側(cè)的中保河、中保北河、清江北溝、清江南溝和清江溝主要通過中保泵站流入長江，東側(cè)的里圩河、龍江河、龍江東河、清江東溝主要通過里圩泵站和小陡門泵站流入秦淮河。清江東溝屬于河西水系的龍江片區(qū)，見圖1，龍江片區(qū)“五河四溝”相互連通，河道平緩，匯水面積1.15 km2，規(guī)劃流量6.51m3/s。治理前，生活垃圾亂倒、河道周邊餐飲企業(yè)污水長期直排河道，城市降雨所攜帶的污染負荷也直接進入河道，污染水體，降低河道水質(zhì)。清江東溝匯水區(qū)域內(nèi)的龍江污水泵站處于高水位運行狀態(tài)，污水通過各種路徑滲入雨水系統(tǒng)匯集下河，污染河道，導致河道自凈能力減弱，呈現(xiàn)發(fā)黑發(fā)臭現(xiàn)象，被列入2016年南京市黑臭水體整治清單。治理前河道水質(zhì)為重度黑臭，水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果見表1，水質(zhì)狀況見圖2。

圖1 清江東溝位置示意圖

圖2 清江東溝治理前狀況

表1 治理前清江東溝水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果

2 物理-生態(tài)復合修復技術(shù)

2016年3月，清江東溝開始工程治理，全面梳理沿河排水單元、排水狀態(tài)，針對排水不達標單位采取封堵排污口、將排河污水管道接入污水管網(wǎng)方式治理。同時采取河道清淤、微納米曝氣增氧和人工生態(tài)納污浮床方式進行治理。

2.1 河道清淤

按照河道規(guī)劃斷面對河道進行清淤，疏通水系，改善河道水力條件，增加河道的水環(huán)境容量，加大河道的自凈能力。

清淤量由河道斷面測繪圖與規(guī)劃清淤斷面相減，得出清除淤泥的斷面面積，再利用斷面法，計算清淤量。具體計算公式如下：

Vi=(A0-Ai)Li

(1)

式中：Vi為河道清淤體積,m3；A0為典型斷面清淤前橫斷面面積,m2；Ai為典型斷面規(guī)劃的橫斷面面積,m2；Li為河道長度,m。

清淤方式有3種：濕法(水沖法)、干法和水下清淤法。濕法是通過高壓泵水槍沖洗泥漿表面，使其形成水潭，放下泥漿泵抽吸泥漿，送到排泥區(qū)，最后通過泥漿車清運淤泥。該法特點是施工周期短，投資少，施工方便，對河道本身的排水影響較小。干法是將河道內(nèi)的水體抽干后，對河底裸露的淤泥進行曝曬，使淤泥中的水分蒸發(fā)后形成固態(tài)的土壤，最后通過挖掘機將淤泥挖除，并通過渣土車運至指定棄土場。干法施工周期較長，且施工期必須在非雨季，對河道本身的排水影響較大，并要有供挖掘機作業(yè)的通道及場地。水下清淤法采用絞吸船或氣動吸泥泵船水上吸泥，直接管道輸泥，至泥水分離設(shè)備后將處置后脫水的污泥直接裝車外運，尾水處理至原河。該法設(shè)備占地面積小，移動方便，對作業(yè)季節(jié)要求低，周期不長，但需要攬泥船或吸泥船等大型設(shè)備，并且需要在可通航的河流上作業(yè)，對場地要求高。河道清理的淤泥需外運至經(jīng)有關(guān)部門許可的場地，集中地點堆放及處置，資源化利用，注意防止發(fā)生二次污染。

綜合分析河道清淤方式，清江東溝整治工程要求2016年12月完工，施工周期較短，同時清江東溝位于城市中心，汛期有排水要求，且河道上口較窄，故采取濕法清淤。采用清塘見底、徒步檢查、封袋裝填、密閉運輸?shù)却胧┻M行河道清淤，清淤總量7801m3，鋪設(shè)卵石護底，既可以控制后期再次清淤時的河底標高，也能增大水與生物的接觸面積，增強水體的自凈能力。

2.2 曝氣增氧

曝氣增氧技術(shù)是一種通過增加河道水體內(nèi)部交換強度，實現(xiàn)溶解氧含量較高的水面水向底部轉(zhuǎn)移，從而加快底部耗氧物質(zhì)的分解去除；同時加速溶解氧含量較低的底部水向水面的轉(zhuǎn)移，使空氣與水面間產(chǎn)生較大的氧濃度梯度，加速了空氣中的氧向水體的轉(zhuǎn)移，改善水體缺氧狀況，從而實現(xiàn)水體增氧的技術(shù)。

曝氣充氧技術(shù)從20世紀80年代開始推廣使用，1989年美國在Hamewood運河口安裝曝氣設(shè)備，增加了水體的溶解氧，豐富了河道生物量。1994年德國在Beriln河上使用了曝氣充氧設(shè)備，充氣能力為5t/d，提高了水體凈化功能，改善了水質(zhì)[8]。周志華等[9]在清河口應用人工曝氣技術(shù)對河道水體進行處理，清河水質(zhì)得到有效凈化,可基本消除河水臭味，溶解氧可達到3mg/L，極大地改善了清河的污染現(xiàn)狀。目前國內(nèi)外已有多種曝氣設(shè)備應用于工程實踐中。按曝氣設(shè)備氧源，曝氣裝置分為純氧曝氣和空氣曝氣兩種。按工作原理，曝氣裝置可分為純氧微孔管曝氣系統(tǒng)、純氧混流增氧系統(tǒng)、鼓風機微孔布氣管曝氣系統(tǒng)、葉輪吸氣推流式曝氣器、水下射流曝氣設(shè)備、葉輪式增氧機等[10]。常見的曝氣充氧方式對比見表2。

表2 曝氣充氧方式對比

上述幾種曝氣方法對黑臭水體有一定的處理效果，但是不能從根本上解決問題。限制曝氣技術(shù)應用的主要因素是經(jīng)濟成本。微孔曝氣雖較葉輪曝氣效率高，但其運行管理難度更大，投資高；純氧曝氣效率最高，但制氧的成本比較高，故不能廣泛應用。高效節(jié)能是曝氣凈化技術(shù)的重要研究方向。微納米曝氣機產(chǎn)生的微納米氣泡直徑在幾十微米甚至達到納米級，具有比表面積大、停留時間長、強化傳質(zhì)效率等特點，可顯著加快氧氣分子在氣液界面的傳遞速率，曝氣效果良好且高效節(jié)能[10]。陸暉等[11]將微納米曝氣與鼓風微孔曝氣進行對比，發(fā)現(xiàn)微納米曝氣氧總體積傳質(zhì)系數(shù)高于鼓風微孔曝氣，微納米曝氣具有很好的氧傳遞性，平均含氣率為1.09%，能夠較好地去除水體中的污染物。

根據(jù)清江東溝整治工程高效節(jié)能的治理要求，考慮到河道位于城市中心，周圍居民區(qū)較多，采用高效、低噪的曝氣增氧系統(tǒng)——微納米曝氣增氧設(shè)備[12]。選擇沿河道布置3臺設(shè)備，每臺功率為4kW。微納米曝氣設(shè)備可以產(chǎn)生直徑在50μm和數(shù)十納米之間的微小氣泡，不受空氣在水中溶解度的影響，可快速溶于水體中[13]。曝氣裝置見圖3。

圖3 曝氣裝置

2.3 生態(tài)修復技術(shù)

單一曝氣效果有限[14]，將曝氣和其他處理方法，如與生態(tài)浮床等生態(tài)修復技術(shù)相結(jié)合，可以起到相互促進的作用，能夠得到更好的效果。

目前較為常用的水體生態(tài)修復技術(shù)有生態(tài)浮床、人工濕地和生態(tài)護岸，見表3。

人工濕地只適用于輕度污染水體，對重度污染水體效果較差；生態(tài)護岸對河道藍線和經(jīng)濟預算要求高；生態(tài)浮床具有強可操作性，高效率、少投資，能達到標本兼治,是應用最為廣泛的一種生態(tài)修復技術(shù)。

表3 常見生態(tài)修復技術(shù)對比

根據(jù)生態(tài)浮床的特點和使用范圍，清江東溝選擇在河道內(nèi)種植生態(tài)浮床150m2，浮床水生植被為圓幣草，設(shè)計成矩形，均勻分布在河道內(nèi),見圖4。通過圓幣草分泌的克藻物質(zhì)抑制藻類生長，最后通過收割圓幣草的形式，將其移出水體，從而達到凈化水質(zhì)的目的[1]。清江東溝整治后效果見圖5。

圖4 生態(tài)浮床

圖5 清江東溝整治后效果

3 治理成果

清江東溝整治工程于2016年12月完成，完成后委托第三方檢測機構(gòu)定期對水質(zhì)進行監(jiān)測，分析理化指標(溶解氧、氨氮、透明度和氧化還原電位)。監(jiān)測時間為2017年1—10月，每月4次。監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析情況見圖6、圖7。

圖6 運行期間溶解氧和氨氮的濃度變化

圖7 運行期間透明度和氧化還原電位數(shù)值的變化

3.1 溶解氧與氨氮

河道治理完成后，經(jīng)過10個月的連續(xù)監(jiān)測，溶解氧從初始的0增加到2.08mg/L，氨氮由初始的16.60mg/L降到0.83mg/L，氨氮的最高去除率達到95%。運行初期為春季，水溫低，抑制了厭氧菌繁殖，溶解氧含量較高。隨著夏季來臨，溫度升高，水體各類微生物活動頻繁，溶解氧含量有所降低。由于存在曝氣增氧措施，全年溶解氧含量存在波動。清江東溝的污染源是生活污水，特征污染物為氨氮[4]，河道清淤與截污對氨氮含量的降低效果顯著，可快速清除水體的內(nèi)源污染，初期氨氮去除率較高。總體趨勢上，水體中溶解氧與氨氮保持在非黑臭水質(zhì)標準范圍內(nèi)，河道整體水質(zhì)狀況良好。

3.2 透明度和氧化還原電位

水體透明度從初始的5cm提升至42cm，水質(zhì)感官明顯改善。綜合10個月的監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，透明度存在波動，但平均值在25cm左右，達到非黑臭水質(zhì)標準。氧化還原電位最高到135mV，平均值保持在80mV左右，達到非黑臭水質(zhì)標準。數(shù)據(jù)存在波動，與溫度、季節(jié)對生態(tài)措施的影響有關(guān)，河道整體水質(zhì)狀況良好。

3.3 公眾評議情況

在河道治理結(jié)束1年后，河道主管部門開展了黑臭河道整治效果公眾滿意度調(diào)查。調(diào)查范圍為清江東溝周邊半徑500m范圍內(nèi)社區(qū)居民、商戶和過路群眾，有效問卷100份，公眾滿意度達92%。

4 結(jié) 論

在實施物理-生態(tài)復合修復技術(shù)后，清江東溝的氨氮、溶解氧、透明度和氧化還原電位等水質(zhì)指標顯著改善。對比治理前，治理后河道水體透明度明顯改善，透明度最高提升至42cm，氨氮的最高去除率達到95%，整治成效公眾滿意度達92%，黑臭現(xiàn)象消除，整治成效顯著。工程在消除黑臭的同時，應用生態(tài)浮島的修復技術(shù)，還能起到城市河流的景觀美化作用。