河流水生態(tài)提升的初步探索與實(shí)踐

張桐 趙航 馬林 王香蓮 陳彤 胡清

摘? 要：該項(xiàng)目采用的強(qiáng)化OHR微納米曝氣技術(shù)和碳纖維生態(tài)草相結(jié)合的創(chuàng)新工藝，對(duì)河流水生態(tài)提升過程進(jìn)行了實(shí)踐探索。君蘭河在經(jīng)過原位治理后水質(zhì)得到了明顯提升，水中氨氮等的污染指標(biāo)顯著下降，水體從地表劣V類水達(dá)到V類水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)的成功應(yīng)用為河流水生態(tài)的治理與恢復(fù)提供了良好的示范，未來(lái)有望得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水生態(tài)? 微納米曝氣? 碳纖維? 生態(tài)浮島

中圖分類號(hào)：X019? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）04（a）-0001-05

Preliminary Practice and Exploration of River Ecology Improvement

ZHANG Tong1，2? ZHAO Hang1，2? MA Lin1，2? WANG Xianglian? CHEN Tong1，2? HU Qing1，2

（1.School of Environmental Science and Engineering， Southern University of Science and Technology， Shenzhen， Guangdong Province， 518055 China; 2.Engineering Technology Innovation Center

（Beijing） of South University of Science and Technology， Beijing， 100083? China）

Abstract： In this project， an innovative process of strengthening OHR micro-/nano-aeration technology and carbon fiber ecological grass was carried out in order to explore the process of river ecology improvement. The water quality of Junlan river has been significantly improved after an in-situ treatment process， and some pollution indexes in the water decreased significantly. The current water quality of Junlan river is better than class V of surface water quality standard. The successful application of this technology provides a good demonstration for river ecology management， which is expected to be further spread and applied in near future.

Key Words： Water ecology; Micro-/nano-aeration; Carbon fiber;? Ecological floating island

河流水環(huán)境的治理主要可以通過減少外源污染物輸入、控制內(nèi)源污染物釋放、水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)和補(bǔ)水活水幾種方式[1]。對(duì)于已被污染的河道，對(duì)水體進(jìn)行水質(zhì)凈化并提升水生態(tài)功能是經(jīng)常采用的治理方式。

高級(jí)氧化由于其所產(chǎn)生的羥基自由基等超氧分子的氧化能力強(qiáng)，反應(yīng)速度快，產(chǎn)物無(wú)二次污染、可提高水體含氧量等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)用于富營(yíng)養(yǎng)化和黑臭水體治理中[2]。魯秀國(guó)等研究者采用臭氧高級(jí)氧化的方法處理黑臭水體，在pH=7～10、臭氧添加量為90～150 mg/L時(shí)，對(duì)COD的去除率為40%左右[3]?？姾沅h[2]用實(shí)驗(yàn)室自制研發(fā)的太陽(yáng)能水處理系統(tǒng)，以太湖某一水體為處理對(duì)象，研究臭氧在實(shí)際環(huán)境中對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理效果，經(jīng)15天的處理，水質(zhì)顏色明顯變清，藍(lán)藻消退，COD去除率為78.9%。氨氮降低了50.6%，水體溶解氧達(dá)到6.2 mg/L。然而，臭氧的直接氧化能力弱于其所衍生的超氧分子，其在水中的傳質(zhì)效率也很有限。因此，可采用微納米曝氣的方式，該種方式產(chǎn)生的氣泡直徑在數(shù)十納米和幾微米之間，提高了氣泡在水中的停留時(shí)間和氣體傳質(zhì)效率等[4]。相較于傳統(tǒng)曝氣方式，微納米曝氣對(duì)氨氮的去除效率有明顯提高，在處理相同水量的情況下，其能耗也更低[5]。

雖然高級(jí)氧化可以在短時(shí)間內(nèi)快速降解水中包括氨氮、COD在內(nèi)的污染物，然而恢復(fù)河道的生態(tài)功能，提高水體的自凈能力，是河道水環(huán)境長(zhǎng)期得到保障的關(guān)鍵。另外，水中的總氮、總磷等污染物一般也無(wú)法通過高級(jí)氧化過程進(jìn)行去除，而提高河道中生物的多樣性，可以進(jìn)一步提升水質(zhì)，使生態(tài)系統(tǒng)得到恢復(fù)。利用植物和微生物的吸收、吸附、生長(zhǎng)代謝等過程，可以去除水體中氮、磷、有機(jī)物等[6]。例如：生態(tài)浮島的植物根系充分與水體接觸，植物的光合作用可提高水體溶解氧含量，而發(fā)達(dá)根系的存在，為好氧微生物提供了良好的生存條件，在綱和科水平改變細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌群的群落結(jié)構(gòu)，提高微生物生物多樣性[7]，從而有效地降低水體營(yíng)養(yǎng)化的污染程度，抑制了藻類的生長(zhǎng)，提高了透明度[8-10]。

福州市將城區(qū)白馬支河每天接納約5 000 t的污水，污水水質(zhì)BOD5在80～120 mg/L之間，采用提高植物和微生物多樣性的方式進(jìn)行治理后，BOD5可降低至11 mg/L以下，惡臭現(xiàn)象也逐漸消失[8]。2007年9月至2008年3月，上海市白蓮涇世博園段構(gòu)建了魚類、貝類和植物組合的人工浮島，以改善此段河道水質(zhì)，經(jīng)過人工生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)、穩(wěn)定期后，水質(zhì)得到明顯改善，浮島內(nèi)水體溶解氧含量由原來(lái)的5 mg/L左右提高至8 mg/L以上，溶解性懸浮物降低75%以上，總氮和氨氮的含量相對(duì)于浮島外降低了2.0 mg/L和3.0 mg/L，總磷濃度由原來(lái)的0.15 mg/L以上降低至0.006 mg/L[10]。

該研究側(cè)重于利用原位生態(tài)修復(fù)組合技術(shù)對(duì)于水體質(zhì)量進(jìn)行全面提升，并兼顧河道景觀的改善，構(gòu)建低成本可持續(xù)的水生態(tài)體系，提升河道的納污和自凈能力。

1? 河道基本情況

1.1 河道位置情況

實(shí)驗(yàn)河流君蘭河，位于北滘鎮(zhèn)君蘭社區(qū)，東起上涌河，西至北滘沙河，屬于受潮汐和水利調(diào)度共同影響的雙向流河道，長(zhǎng)約2 500 m，平均寬度15 m，君蘭河河床底標(biāo)高約為-1.0～-1.5 m，河道低水位為-0.5 m，常水位為0.9 m，平均水深2 m。君蘭河與上涌河交匯段為配合美的大道隧道的修建進(jìn)行了改道，改道后河涌繞過隧道并順接上涌河河道。河涌改道采用了箱涵暗渠形式，君蘭河剩余自然河道的實(shí)際長(zhǎng)度約為1 900 m。圖1為河道位置情況圖。

1.2 河道水質(zhì)現(xiàn)狀

君蘭河在實(shí)施“一河一策”方案后，已實(shí)施清淤、岸線整理和部分截污工程，其岸線靠近美的大道一側(cè)已密布市政公用管線?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，君蘭河局部河段水生植物密集，水體較為渾濁。根據(jù)2019年5月順德區(qū)環(huán)境運(yùn)輸和城市管理局北滘分局提供的數(shù)據(jù)，君蘭河及其連通的北滘沙河，以及與上涌河連通的細(xì)海河均為劣V類水，主要超標(biāo)因子為氨氮。

1.3 河道水利情況

君蘭河河道內(nèi)水流受潮汐和水利調(diào)度的影響形成雙向流，當(dāng)漲潮時(shí)河水從潭州水道回流北滘沙河后進(jìn)入君蘭河，使君蘭河自西向東流動(dòng);落潮或水利部門進(jìn)行調(diào)度時(shí)，河水從順德水道依次經(jīng)細(xì)海河、林頭下涌、上涌河進(jìn)入君蘭河，使君蘭河自東向西流動(dòng)。水利調(diào)度規(guī)律性不強(qiáng)，主要根據(jù)河道行洪和景觀蓄水的要求進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度時(shí)河道流量最低約為5 m/s，平時(shí)為9 m/s（流速約為0.3 m/s）。

2? 水生態(tài)提升技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)期目標(biāo)

通過河道水生態(tài)修復(fù)治理技術(shù)的實(shí)施，確保君蘭河水質(zhì)污染狀況總體減輕，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)，特別是氨氮指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到Ⅴ類水體標(biāo)準(zhǔn)，其他水質(zhì)指標(biāo)在現(xiàn)有基礎(chǔ)上得到提升;生態(tài)環(huán)境和水體感官性狀明顯改善，消除水體臭味，水體透明度明顯提升。

2.2 設(shè)計(jì)原則

（1）執(zhí)行國(guó)家相關(guān)法規(guī)、政策，服從城鎮(zhèn)總體規(guī)劃，符合君蘭河水環(huán)境的功能定位。

（2）根據(jù)項(xiàng)目河道的特點(diǎn)及建設(shè)目標(biāo)，科學(xué)診斷河道存在的問題，有針對(duì)性地、有重點(diǎn)地采取措施進(jìn)行生態(tài)治理。

（3）遵循流域規(guī)劃，在保證河道天然使用功能的前提下，充分考慮河流的生態(tài)功能、水質(zhì)凈化功能和景觀功能。

（4）采用水體原位生態(tài)治理技術(shù)，以就地處理、持續(xù)維護(hù)為主，不實(shí)施清淤等工程措施，減少二次污染，降低投資，技術(shù)措施要注重與河道沿線整體風(fēng)貌相協(xié)調(diào)。

（5）恢復(fù)河道自然水生態(tài)系統(tǒng)生境，以自然修復(fù)為主，人工干預(yù)為輔，因地制宜，充分利用現(xiàn)狀河道的形態(tài)、地形、水文等條件，構(gòu)建具有較強(qiáng)自我維持及穩(wěn)定能力的水生態(tài)系統(tǒng)。

（6）實(shí)現(xiàn)河道可持續(xù)性的生態(tài)修復(fù)，統(tǒng)籌前期建設(shè)與后期管護(hù)，采用符合當(dāng)?shù)貙?shí)際條件且節(jié)能高效的技術(shù)，盡可能降低前期建設(shè)投資和后期維護(hù)成本。

2.3 設(shè)計(jì)方案

2.3.1 強(qiáng)化OHR的微納米曝氣技術(shù)

與通常的微氣泡曝氣技術(shù)不同，該技術(shù)生成的氣泡直徑更小，羥基自由基的含量更高，具有超強(qiáng)的氧化能力和持續(xù)性能，其技術(shù)的主要特點(diǎn)是：（1）除臭效果極好，可在短時(shí)間內(nèi)消除水體的臭味;（2）氧化有機(jī)物的能力強(qiáng)，在很短的接觸時(shí)間內(nèi)就可以氧化分解大多數(shù)有機(jī)物;（3）除藻迅速，快速殺滅水體中藍(lán)綠藻，提升水體感觀;（4）效率高、能耗低，與常規(guī)的納米曝氣系統(tǒng)相比能耗降低35%～50%;（5）處理過程清潔，不產(chǎn)生任何有害的或需要處理的二次產(chǎn)物;（6）既可用于應(yīng)急處理，也可以作為長(zhǎng)期水質(zhì)維護(hù)裝置;（7）運(yùn)行管理簡(jiǎn)單;（8）適合于低水溫情況。OHR設(shè)備圖片和技術(shù)原理圖分別見圖2和圖3。

2.3.2 碳纖維生態(tài)草ACF技術(shù)

碳纖維（Carbon fiber）是含碳量高于90%～98%的纖維狀碳素材料，經(jīng)過特殊的改性工藝制造，碳素材料化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定。

與粉末活性碳（PAC）和顆粒活性碳（GAC）相比，經(jīng)過表面活化改性的碳纖維比表面積更大、強(qiáng)度更高、吸附能力更強(qiáng)、生物親和性更好，而且其規(guī)整化載體形狀，更加有利于工程化應(yīng)用。碳纖維草的吸附性能只是其特點(diǎn)之一，其最重要的功能是起到生物載體作用，相比于其他有機(jī)或無(wú)機(jī)類型生物填料，碳纖維草的生物掛膜性能高10倍以上。ACF生態(tài)草非常利于硝化菌的附著，實(shí)踐證明，ACF體系對(duì)于氨氮的降解作用非常明顯。

2.3.3 OHR與ACF組合技術(shù)

OHR納米曝氣技術(shù)與ACF碳纖維生態(tài)草相結(jié)合，充分發(fā)揮羥基自由基對(duì)污染物快速氧化的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用碳纖維草優(yōu)異的掛膜性能，使好氧微生物（特別是硝化細(xì)菌）逐步在碳纖維表面生長(zhǎng)，形成生物粘膜和微生態(tài)系統(tǒng)，通過生物作用，將OHR未完全降解的污染物進(jìn)行充分的生物降解，對(duì)氨氮進(jìn)行消除，水質(zhì)提升效果尤為顯著。

2.4 設(shè)計(jì)方案

2.4.1 OHR與ACF生態(tài)藻場(chǎng)組合布置

在河道內(nèi)污染相對(duì)嚴(yán)重且景觀要求較低的區(qū)位組合布置OHR裝置及ACF生態(tài)藻場(chǎng)，共2套，向河道內(nèi)水體供應(yīng)充足的溶解氧和含有羥基自由基的水，達(dá)到快速凈化水體同時(shí)恢復(fù)生態(tài)平衡的效果。

2.4.2 加強(qiáng)增氧與ACF生態(tài)藻場(chǎng)組合布置

在河道內(nèi)水質(zhì)相對(duì)較差且景觀要求較低的位置結(jié)合強(qiáng)化增氧技術(shù)鋪設(shè)碳纖維ACF生態(tài)藻場(chǎng)，共3處。

2.4.3 局部強(qiáng)化曝氣及ACF生態(tài)浮島

對(duì)景觀要求較的位置設(shè)置強(qiáng)化曝氣增氧設(shè)施并配以碳纖維ACF生態(tài)浮島，對(duì)河水的有機(jī)污染物和氨氮進(jìn)行生態(tài)處理。

具體布置點(diǎn)位見圖4。

3? 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

圖5為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施圖，圖5（a）～（d）分別為OHR發(fā)生器、ACF生態(tài)藻場(chǎng)、局部強(qiáng)化曝氣和生態(tài)浮島。對(duì)君蘭河進(jìn)行了定期定點(diǎn)采樣，采樣布設(shè)點(diǎn)見圖6，并對(duì)水中的pH、氨氮、高錳酸鉀指數(shù)、化學(xué)需氧量、總磷進(jìn)行了測(cè)定。君蘭河治理前后的水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果分別見表1和表2。由表1顯示，治理前君蘭河超標(biāo)的污染因子主要是氨氮，屬于劣V類水質(zhì)，其他污染因子均能達(dá)到地表水V類以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。從表2可以看出，經(jīng)過一段時(shí)間治理，各污染物水平有了明顯降低。其中，氨氮僅在2020年11月的3#點(diǎn)位和2021年01月的2#點(diǎn)位出現(xiàn)超過了地表水V類標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象，其余時(shí)間和點(diǎn)位均滿足地表水V類標(biāo)準(zhǔn)。氨氮的下降可能主要?dú)w因于OHR微納米曝氣技術(shù)的應(yīng)用，OHR在水中產(chǎn)生了大量羥基自由基等超氧分子，并通過微納米氣泡與污染物質(zhì)直接進(jìn)行反應(yīng)，將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)饣蛳鯌B(tài)氮。另外，由于君蘭河未進(jìn)行徹底的截污，雖經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)格管理，污水直接入河現(xiàn)象有所改觀，但沿岸污水管道仍有污水不定期流入河道，造成水體中污染物瞬時(shí)超標(biāo)嚴(yán)重，這也是部分時(shí)間和位點(diǎn)仍出現(xiàn)水質(zhì)不達(dá)標(biāo)情況的主要原因。COD和高錳酸鉀指數(shù)在治理后有一定程度下降，一方面是OHR高級(jí)氧化所產(chǎn)生的作用，另一方面所使用的碳纖維生態(tài)草可以作為微生物的良好載體，通過好氧微生物作用的降低了水中有機(jī)物和氨氮的濃度。另外，總磷下降不明顯，可能是由于生態(tài)浮島布設(shè)數(shù)量有限，水生植物對(duì)水中磷的去除有限所導(dǎo)致。

4? 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目采用強(qiáng)化OHR微納米曝氣與碳纖維生態(tài)草相組合的工藝，對(duì)君蘭河水體進(jìn)行了原位治理，治理效果明顯，這為其他同類水體的水生態(tài)治理及可持續(xù)維護(hù)提供了參考，將極大地降低全鎮(zhèn)水環(huán)境綜合治理的工程量、投資和運(yùn)行成本，具有重要的示范作用。然而，河道治理是一項(xiàng)綜合性系統(tǒng)工程，在對(duì)水質(zhì)進(jìn)行直接治理的同時(shí)，也需要進(jìn)行相應(yīng)的截污以及增強(qiáng)水動(dòng)力等工程措施，使河流水生態(tài)提升得到長(zhǎng)效保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡洪營(yíng)，孫艷，席勁瑛，等.城市黑臭水體治理與水質(zhì)長(zhǎng)效改善保持技術(shù)分析[J].環(huán)境保護(hù)，2015，43（13）：24-26.

[2] 繆恒鋒.太湖富營(yíng)養(yǎng)化水體中典型污染物的臭氧氧化研究[D].江南大學(xué)，2018.

[3] 魯秀國(guó)，黃林長(zhǎng)，張耀，等.臭氧氧化-生物接觸氧化處理黑臭水[J].水處理技術(shù)，2018，44（4）：89-91.

[4] 郜銀梁，王瀾，李紅桔，等.微納米曝氣技術(shù)在水環(huán)境治理中的應(yīng)用[J].廣州化工，2020，48（12）：93-95.

[5] 呂宙.微納米氣泡曝氣在污水處理中的應(yīng)用研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

[6] 蔡魯祥，吳文磊，高一，等.生態(tài)浮島復(fù)合技術(shù)凈化黑臭河道廢水的實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境污染與防治，2016，38（12）：17-21.

[7] 劉雪，葉婧，田云龍，等.人工浮島對(duì)河道氮磷及微生物多樣性影響研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2020，43（S2）：101-106.

[8] 陳超，梁卓，李小燕，等.生態(tài)修復(fù)在景觀水體治理中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，16（1）：136-138，179.

[9] 張蕾.人工浮島原位修復(fù)再生水景觀河道研究[D].河北工程大學(xué)，2014.

[10] 黃央央，江敏，張飲江，等.人工浮島在上海白蓮涇河道水質(zhì)治理中的作用[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2018，33（8）：108-113.