人工填料和曝氣技術(shù)在河道水體原位修復(fù)中的應(yīng)用

李國(guó)君 魏俊 吳偉勇 章迪可

摘要：人工填料和曝氣技術(shù)的組合使用是河道原位修復(fù)的常用方式，在杭州市已實(shí)施原位修復(fù)的河道中，80%同時(shí)采用了這兩種技術(shù)。對(duì)河道水體原位修復(fù)中常見的人工填料和曝氣兩種技術(shù)按照不同類型進(jìn)行了介紹。結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)不同人工填料的比表面積、材質(zhì)成分、填料特點(diǎn)、安裝方式等進(jìn)行了比較;對(duì)不同種類的曝氣技術(shù)從安裝及運(yùn)行、對(duì)外界影響、受制因素、應(yīng)用效果、適用河道類型等方面進(jìn)行了分析和綜合比較。提出了適合原位修復(fù)的4種常見模式及其適用條件，并分析了在河道水體原位修復(fù)中應(yīng)用人工填料及曝氣技術(shù)時(shí)需要注意的問題。研究成果對(duì)其他類似河道水體原位修復(fù)具有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：河道水體;原位修復(fù);人工填料;曝氣技術(shù);杭州市

1 概 述

杭州的城市河道建設(shè)成效明顯，不僅完成了傳統(tǒng)的渠化設(shè)計(jì)向自然型河道設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，且設(shè)計(jì)更加注重河道的生態(tài)功能，旨在實(shí)現(xiàn)水岸同治，較好地發(fā)揮了河道的水文調(diào)節(jié)作用，與近年來海綿城市建設(shè)理念高度契合。自然型河道設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)削峰調(diào)蓄，水體自然循環(huán)得到了一定程度恢復(fù)，但在通過“自然凈化”水環(huán)境改善、修復(fù)水生態(tài)方面仍有較大提升空間。

在河道建設(shè)過程中陸續(xù)采用了各種原位修復(fù)技術(shù)。原位修復(fù)是指在河道水體內(nèi)部實(shí)施以改善水環(huán)境、水生態(tài)的修復(fù)技術(shù)，是一種可靠、卓有成效的河道水體凈化修復(fù)技術(shù)，具有治理費(fèi)用低和最大程度降解污染的特點(diǎn)，適合用于污染嚴(yán)重、流量較小的河流水體[1]。原位修復(fù)技術(shù)包括生態(tài)浮床、植物沉床、人工曝氣、投加人工填料、投加制劑等[2-5]。原位修復(fù)一般以水質(zhì)指標(biāo)作為考核成效的指標(biāo)，常用指標(biāo)包括COD、BOD5、NH3-N、TP、TN等。人工填料和曝氣技術(shù)是河道水體原位修復(fù)中最常見的技術(shù)，通常將兩者結(jié)合使用。根據(jù)對(duì)杭州已實(shí)施原位修復(fù)工程的河道及其采用的修復(fù)技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見表1）可知，80%的河道同時(shí)采用了兩種修復(fù)技術(shù)，兩種技術(shù)的組合使用已成為河道原位修復(fù)的常見方式[6]。

2? ?人工填料技術(shù)

人工填料技術(shù)是在水體中投加人工填料，作為微生物附著的基質(zhì)，增加水體中生物膜量，強(qiáng)化生物膜的凈化功能，通過生物膜上的微生物攝取污染物[7]。人工填料包括固定填料、懸掛式填料和懸浮式填料，其中，在河道中應(yīng)用的主要是懸掛式填料，也有個(gè)別懸浮式填料。目前，杭州市區(qū)河道應(yīng)用主要有以下幾種。

2.1 阿科曼生態(tài)基

阿科曼生態(tài)基是一種用于生態(tài)型水處理的高科技材料，是目前國(guó)內(nèi)河道水體修復(fù)中應(yīng)用最多的人工填料。該技術(shù)的特點(diǎn)是可根據(jù)不同的水質(zhì)應(yīng)用條件進(jìn)行有針對(duì)性的表面處理，使其帶有與微生物相反的電荷，更好地吸附周邊微生物，促進(jìn)微生物群落的快速形成和發(fā)展。同時(shí)，生態(tài)基材料經(jīng)過特殊的處理，每根纖維表面形成凹凸不平的皺褶和微孔，增加了纖維表面的粗糙程度，使微生物的附著空間更大、與纖維結(jié)合能力更強(qiáng)。該技術(shù)可通過調(diào)節(jié)生態(tài)基材料的編織緊密程度，使其可根據(jù)不同的應(yīng)用條件控制藻類和菌類的生長(zhǎng)比例，形成菌藻共生的體系，緊密編織適合菌類發(fā)展，疏松編織適合藻類生長(zhǎng)。

阿科曼生態(tài)基主要有SDF型和BDF型。

（1）SDF型為懸掛型生態(tài)基。SDF型生態(tài)基通常懸掛安裝在水體表面（也可分層安裝）。SDF型生態(tài)基上部帶有黑色套筒，在安裝中可將尼龍繩穿過套筒，將繩子兩端固定在岸邊、池壁的樁或掛鉤上;若跨度較大，可在尼龍繩上安裝浮球，保持其浮力。其下部材料可以切割成條帶狀，或留出過水縫口，有利于水流的控制;填料本身主要由上部疏松層和下部密實(shí)層組成，其中疏松層有利于藻類生長(zhǎng)，密實(shí)層有利于菌類生長(zhǎng)，也可設(shè)計(jì)成只有疏松層和密實(shí)層。

（2） BDF型為沉底型生態(tài)基。將其底部縫制成套筒，裝入砂石重物，平穩(wěn)置于水體底部;上部切割成條帶狀，呈仿生水草形態(tài)，有利于生物膜與水流的接觸。填料本身主要由編織層和泡沫層組成，其中編織層可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置纖維的疏密程度，使其表面形成藻菌共生的微生物體系;泡沫層位于兩層編織層的中間，通過特殊的處理將其與編織層緊密貼合，可使BDF型生態(tài)基在水流中保持漂浮狀態(tài)。

2.2 碳素纖維生態(tài)草

碳素纖維生態(tài)草的特點(diǎn)是采用碳素纖維材質(zhì)，經(jīng)太陽光照射后，發(fā)出超音波，吸引微生物菌群;比表面積極大，具有極高的吸附性與生物親和性?？刹扇覓焓桨惭b和框架式安裝，其中，懸掛安裝又可采用U型或I型。

2.3 生物繩

生物繩是由無數(shù)環(huán)狀纖維在不同方向上編織加工而成的接觸材料，比表面積大，可吸引大量微生物和浮游生物在此生長(zhǎng)繁殖，通過微生物分解有機(jī)物，浮游生物捕食藍(lán)藻，達(dá)到改善水質(zhì)的效果。

2.4 MBBR懸浮填料

MBBR又稱為移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器，該方法通過向反應(yīng)器中投加一定數(shù)量的懸浮載體，提高反應(yīng)器中的生物量及生物種類，從而提高反應(yīng)器的處理效率，反應(yīng)器可直接裝在水體中，配合不同曝氣方式，起到污染物降解作用。由于填料密度接近于水，在曝氣時(shí)，填料與水呈完全混合狀態(tài)。微生物生長(zhǎng)的環(huán)境為氣、液、固三相，載體在水中的碰撞和剪切作用使空氣氣泡更加細(xì)小，增加了氧氣的利用率。

2.5 CF高效生物巢

CF高效生物巢由碳材料織成，采用生物繩的編織方式，為中空結(jié)構(gòu)，二次成膜更容易。該技術(shù)集合了碳素纖維與生物繩的優(yōu)點(diǎn)，比表面積極大，具有極高的吸附性與生物親和性;在生物吸附性、壽命和價(jià)格上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.6綜合比較

表2對(duì)各類常用河道人工填料技術(shù)進(jìn)行了綜合比較。

3 曝氣技術(shù)

缺氧是污染水體的普遍特征，水體缺氧易發(fā)生黑臭，產(chǎn)生藻類，不利于生物生存和人居環(huán)境改善[8]。曝氣增氧是水體增氧的主要方法，分為鼓風(fēng)曝氣、機(jī)械曝氣、純氧曝氣、移動(dòng)曝氣等。其中，鼓風(fēng)曝氣又分為管式曝氣、盤式曝氣等;機(jī)械曝氣又分為表面曝氣、水下曝氣等。

3.1 鼓風(fēng)曝氣

鼓風(fēng)曝氣是使用鼓風(fēng)機(jī)，通過輸送管道，將空氣通過擴(kuò)散器加入到液體中，使空氣與液體充分接觸的增氧方式。根據(jù)擴(kuò)散器的不同，又分為管式曝氣、板式曝氣、盤式曝氣、水力剪切型曝氣、供氣式射流曝氣等;河道水體修復(fù)中常用的為管式曝氣。根據(jù)氣泡大小，管式曝氣又分為中氣泡、小氣泡、微氣泡等，一般采用微氣泡。

3.2 表面曝氣

表面曝氣即曝氣設(shè)備安裝在水體表面，通過機(jī)械動(dòng)力實(shí)現(xiàn)提水和輸水，使水體表面劇烈攪動(dòng)而裹入空氣，形成低壓區(qū)吸入空氣以充氧。表面曝氣分為立軸式、水平軸式兩類，立軸式主要通過葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)攪動(dòng)水體，水平軸式主要通過轉(zhuǎn)刷、轉(zhuǎn)盤攪動(dòng)水體。河道水體原位修復(fù)中常用的是立軸式的噴泉提水式曝氣機(jī)和水平軸式的水車式增氧機(jī)。噴泉提水式曝氣機(jī)通過電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)水下葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將水提升噴灑到空中形成細(xì)小的水滴或水膜，與空氣充分接觸后，增加水體的溶解氧，同時(shí)，使水體上下層垂向加速循環(huán)，改善了底部水體水質(zhì)。水車式增氧機(jī)通過水平軸上的槳板旋轉(zhuǎn)，把水均勻彌散地潑向空中與空氣接觸增氧。

3.3 水下曝氣

水下曝氣按進(jìn)氣方式分為壓縮空氣供氣與自吸空氣式兩類。壓縮空氣供氣采用鼓風(fēng)機(jī)或空壓機(jī)送氣，因此，也可以歸入鼓風(fēng)曝氣。自吸空氣式通過葉輪離心力或射流技術(shù)產(chǎn)生負(fù)壓，外接吸氣管吸入空氣，河道水體原位修復(fù)中常用的主要是自吸空氣式，如葉輪吸氣式推流曝氣機(jī)及潛水射流曝氣機(jī)。葉輪吸氣式推流曝氣機(jī)通過水下高速旋轉(zhuǎn)的葉輪在進(jìn)氣通道中形成負(fù)壓，空氣通過進(jìn)氣孔進(jìn)入水中，同時(shí)，葉輪形成的水流將空氣轉(zhuǎn)化為細(xì)微、均勻的氣泡。潛水射流曝氣機(jī)是利用潛水泵將水吸入增壓從泵體高速推出后，利用設(shè)置在出水導(dǎo)管上的水射器將空氣吸入，氣水混合液經(jīng)水力混合切割后進(jìn)入水體。

3.4 移動(dòng)曝氣

移動(dòng)曝氣一般指通過在船體上安裝曝氣設(shè)備，隨船的移動(dòng)給水體增氧。河道曝氣復(fù)氧船于2001年首次引進(jìn)國(guó)內(nèi)，在上海市蘇州河整治工程中使用。該船為鋼質(zhì)船，長(zhǎng)26m，寬6 m，吃水1.4 m，航速5 km，排水量200余t。該船采用國(guó)際先進(jìn)的動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)360°全回轉(zhuǎn)導(dǎo)流板推進(jìn)器。工作艙內(nèi)設(shè)有變壓吸附（ PSA）制氧和曝氣等裝置。工作時(shí)左右兩側(cè)水泵艙內(nèi)的潛水泵從主箱吸水，通過文氏管，將純氧和水混合至總管，經(jīng)分配管至船舷兩側(cè)各10只噴嘴，將溶有飽和氧氣的水噴向船外，對(duì)河水充氧，有效改善了水質(zhì)。

3.5 綜合比較

表3對(duì)各類常用河道曝氣技術(shù)進(jìn)行了綜合比較。

4 模式選擇

通過研究表1工程案例，提出了適合杭州市區(qū)河道原位修復(fù)的4種常見模式：模式1，曝氣+ 填料;模式2，曝氣+ 植物;模式3，曝氣+ 填料+ 植物;模式4，曝氣+ 填料+ 植物+ 制劑。

影響原位修復(fù)模式選擇的因素有很多，根據(jù)杭州市市區(qū)河道的實(shí)際情況，應(yīng)重點(diǎn)考慮水質(zhì)目標(biāo)和河道流態(tài)兩個(gè)因素。

（1）水質(zhì)情況。根據(jù)河道水質(zhì)目標(biāo)可將河道分為消除黑臭和劣Ⅴ類水體的河道、Ⅴ類水及以上的水質(zhì)提升的河道。對(duì)于前者，原則上選擇至少含有曝氣與填料兩種工藝的修復(fù)模式。對(duì)于后者，原則上可以選擇非曝氣與填料類的其他修復(fù)模式。

（2） 水體流態(tài)。根據(jù)河道流態(tài)將市區(qū)河道分為兩類：①斷頭河或配水量很小，水體基本處于靜止?fàn)顟B(tài)、水位基本不發(fā)生變化的河道;②實(shí)施配水或本身溝通有自然流量的河道，水體具有一定流速和水位變幅。對(duì)于前者，原則上可選擇制劑類、生物操控類的技術(shù);對(duì)于后者，原則上選擇其他非制劑類、非生物操控類的修復(fù)模式。

根據(jù)上述兩個(gè)因素對(duì)常見模式進(jìn)行選擇，見表4。

5? ?應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意的問題

（1）組合使用。為最大限度發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，建議將兩者組合使用。一方面利用人工填料作為微生物附著載體，提高水體中微生物量;另一方面，配合各種不同類型的曝氣增氧措施，提高微生物降解污染物的能力。

（2）因地制宜進(jìn)行技術(shù)選擇。城市河道在水體流速、水深、水寬、水質(zhì)、水位變化、駁岸形式、周邊用地功能、底泥污染嚴(yán)重程度等諸多方面存在差異，河道水體也有不同功能需求，如通航、排澇通道、景觀等，應(yīng)充分考慮這些因素，靈活選用各種人工填料和曝氣設(shè)備，最大化去污效果，最小化不利影響。

（3）加大水力循環(huán)。目前，相當(dāng)部分城市河道承擔(dān)著防洪排澇等功能，水體的人工調(diào)控作用明顯，這類水體處于相對(duì)隔斷的狀態(tài)，水體流速緩慢，若單純使用人工填料和曝氣技術(shù)，將使得部分水體水質(zhì)較好，供氧過量，而其他部分水體水質(zhì)仍然較差，水質(zhì)處理效果不均勻。因此，建議配合使用水力循環(huán)技術(shù)，最大限度發(fā)揮人工填料和曝氣技術(shù)的去污效果。

（4）不宜作為優(yōu)先選項(xiàng)。根據(jù)杭州市的實(shí)際情況計(jì)算，相比海綿城市建設(shè)源頭治理和河道本身截污、引配水、清淤等措施[9-13]，水體的原位修復(fù)并不是改善水體水質(zhì)最經(jīng)濟(jì)的選項(xiàng)。因此，應(yīng)根據(jù)具體的河道，評(píng)估截污等其他措施的成本效益，在科學(xué)評(píng)判的基礎(chǔ)上采用這些技術(shù)，而不應(yīng)將其作為優(yōu)先選項(xiàng)盲目采用。

6 結(jié) 語

結(jié)合杭州市已實(shí)施原位修復(fù)工程實(shí)例，本文對(duì)不同人工填料的比表面積、材質(zhì)成分、填料特點(diǎn)、安裝方式等，以及不同種類的曝氣技術(shù)，從安裝及運(yùn)行、對(duì)外影響、受制因素、效果、適合河道等進(jìn)行了分析和綜合比較?？偨Y(jié)了人工填料和曝氣技術(shù)在應(yīng)用中的注意事項(xiàng)。人工填料和曝氣技術(shù)在國(guó)內(nèi)河道水體原位修復(fù)中應(yīng)用越來越多，仍需進(jìn)一步總結(jié)、規(guī)范這兩類技術(shù)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，更好地改善水體環(huán)境。

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（編輯：李曉濛）