生態(tài)措施在水質(zhì)提升中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

梁 艷，賀 彪，孫 丹

(河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210000)

水源地進(jìn)水水質(zhì)的好壞對(duì)水源地水質(zhì)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)具有較大影響，大沙河草廟水源地是豐縣境內(nèi)第二水源，日供水量為10萬t，梁西河上的李口涵閘是草廟水源地唯一的水源進(jìn)水口，二者的正常運(yùn)行對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定起到巨大作用。目前大沙河草廟取水口CODMn指標(biāo)超Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，水源地李口涵閘入庫河口區(qū)河段部分水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)較為頻繁，水體透明度較差。為提升大沙河草廟水源地水質(zhì)，采用生態(tài)措施對(duì)李口涵閘閘口河段水質(zhì)進(jìn)行治理。

1 現(xiàn)狀問題及分析

大沙河草廟水源地進(jìn)水源頭為微山湖，進(jìn)水通過梁寨閘并經(jīng)李口涵閘控制。李口涵閘閘口寬度約35m，位于梁西河上，距離水源地取水口約4.5km。進(jìn)水口涵閘位置示意圖，見圖1。

圖1 進(jìn)水口涵閘位置示意圖

1.1 水質(zhì)現(xiàn)狀

1)大沙河取水口水質(zhì)：2020年全年大沙河取水口水質(zhì)總體基本可達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，但部分月份水質(zhì)出現(xiàn)超標(biāo)情況，其中超標(biāo)月份主要在10-11月，超標(biāo)指標(biāo)主要是CODMn。

2)華山閘和夾河閘國控?cái)嗝嫠|(zhì)：大沙河華山閘國控?cái)嗝?019年1月-2020年9月逐月水質(zhì)均滿足III類水標(biāo)準(zhǔn)，其中高錳酸鹽指數(shù)大部分在III類水標(biāo)準(zhǔn)，部分達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；氨氮指標(biāo)大部分可達(dá)到Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn)，部分達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)；總磷指標(biāo)全部在Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)。

3)李口涵閘閘口及上游水質(zhì)：對(duì)李口涵閘進(jìn)水口和涵閘上游進(jìn)行水樣采集并檢測，部分水質(zhì)指標(biāo)超標(biāo)，如有機(jī)物和總氮，此外水體透明度較差。

4)重點(diǎn)斷面水質(zhì)：2020年11月，對(duì)大沙河上幾個(gè)重點(diǎn)斷面進(jìn)行高錳酸鹽指數(shù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，幾個(gè)斷面均出現(xiàn)高錳酸鹽指數(shù)超標(biāo)現(xiàn)象。

1.2 污染源分析

1)生活污水入河：大沙河流域涉及生活污水入河村莊15處，平均每處村莊存在2處生活排口。鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)不完善，污水收集率低，進(jìn)水濃度低。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水進(jìn)水已滿負(fù)荷，實(shí)際處理工藝為A/O工藝，處理能力低于污水處理量需求。以華山鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)1.7萬人為例，平均每天產(chǎn)生>1000t污水，現(xiàn)有設(shè)施并不能完全收集處理，處理能力嚴(yán)重不足。

2)農(nóng)業(yè)面源污染：大沙河區(qū)域化肥、農(nóng)藥施用強(qiáng)度大，秸稈產(chǎn)生量多，涉及秸稈堆積入河的村莊有26處。秸稈腐解產(chǎn)物隨徑流入河，造成嚴(yán)重的有機(jī)污染，近堤坡種養(yǎng)殖的村莊有7處，養(yǎng)殖場存在排污不規(guī)范的問題。

3)垃圾堆放處理：垃圾收運(yùn)及處置能力薄弱，體系不完善，部分村莊存在垃圾就地填埋情況，鄉(xiāng)鎮(zhèn)垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站滲濾液處理不規(guī)范。

4)河道自凈能力差：上游河道自身水質(zhì)凈化能力較差，導(dǎo)致入河的污染物質(zhì)不能及時(shí)降解。

2 治理思路

水質(zhì)提升治理重在治本，通過生態(tài)治理，加強(qiáng)水體自身凈化能力，從自然、環(huán)保、綠色的角度既能滿足治理要求，又兼顧環(huán)保需求。

本工程設(shè)計(jì)思路通過采取生態(tài)措施，即設(shè)置入庫前置水質(zhì)凈化區(qū)(生態(tài)濾墻系統(tǒng)+底層復(fù)氧生物載體)，強(qiáng)化水體中污染物降解，在水源地補(bǔ)水最小流量(12.33m3/s)的情況下，使李口涵閘閘口上游入庫區(qū)(梁西河下游至李口涵洞閘250m)有機(jī)物、氨氮和總磷等水體指標(biāo)有所改善，透明度有所提升，保障草廟水源地水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)地表水III類水《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)標(biāo)準(zhǔn)。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 生態(tài)技術(shù)

3.1.1 生態(tài)濾墻

生態(tài)濾墻在河道治污和保持生態(tài)多樣性修復(fù)上有很好的成效，是治理中小河流水體污染的一個(gè)有效的技術(shù)手段[1]。生態(tài)濾墻以多孔載體填料為核心，通過不同孔徑的多孔載體，對(duì)水體中泥沙、顆粒物、懸浮物質(zhì)、污染物質(zhì)等進(jìn)行過濾、吸附和降解。同時(shí)，生態(tài)濾墻能夠降低水體流速，增加水力停留時(shí)間，促進(jìn)水體中泥沙、顆粒物等的沉降[2]。

由浮體、框架、太陽能光電板、多孔載體、曝氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，一般設(shè)置于河道支流與主流相交處，對(duì)水體中泥沙、顆粒物、懸浮物、氨氮、COD等污染物質(zhì)進(jìn)行過濾、吸附和降解，直接凈化水源；采用漂浮式結(jié)構(gòu)，適應(yīng)水位波動(dòng)；模塊化組裝，不存在旁路處理系統(tǒng)，降低泵提水的電能消耗；采用太陽能曝氣，節(jié)能環(huán)保。曝氣作用，既能加速多孔載體填料上附著生物膜的生長，促進(jìn)懸浮態(tài)有機(jī)物降解，又能降低清水生態(tài)濾墻堵塞風(fēng)險(xiǎn)；采用土著微生物，利于生態(tài)安全。

浙江嘉興海鹽縣千畝蕩應(yīng)急備用水源工程湖區(qū)水域面積0.79km2。由于上游河網(wǎng)來水不佳，水體本身自凈能力和復(fù)氧能力差，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)程度高，藍(lán)藻水華爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)較大。

在千畝蕩入庫河道、庫區(qū)及取水口共安裝20臺(tái)太陽能水循環(huán)復(fù)氧設(shè)備，同時(shí)在主引水河道和取水口分別設(shè)置1組生態(tài)濾墻，在河道兩側(cè)設(shè)置濱水緩沖帶組合方式對(duì)庫區(qū)及入庫河道水體進(jìn)行水質(zhì)提升。

經(jīng)治理后，取水口水質(zhì)有明顯改善，溶解氧提升36%，氨氮下降55%，COD下降36%，濁度下降30%。

3.1.2 底層復(fù)氧生物載體

底層復(fù)氧生物載體主要由生物載體組件、生物載體組件架、氣體管路和鼓風(fēng)機(jī)。每個(gè)生物載體組件上有若干根膜絲，風(fēng)機(jī)提供的氧氣由每根膜絲擴(kuò)散到河水中，提高水體溶解氧，同時(shí)每根膜絲上也會(huì)富集微生物膜，為水中微生物提供一個(gè)能供給高溶解氧的載體，結(jié)合本身特性，利于污染物快速降解，保持水體自凈能力。

底層復(fù)氧生物載體中膜絲作為微生物膜附著載體并為生物膜微泡曝氣，污水在附著生物膜的曝氣膜周圍流動(dòng)時(shí)，水體中的污染物在濃差驅(qū)動(dòng)和微生物吸附等作用下進(jìn)入生物膜內(nèi)，并經(jīng)過生物代謝和增殖被微生物利用，使水體中的污染物同化為微生物菌體固定在生物膜上或分解成無機(jī)代謝產(chǎn)物，從而達(dá)到對(duì)水體的凈化過程。氧氣和污染物分別在生物膜的兩側(cè)向生物膜內(nèi)傳遞并消耗，這使得生物膜內(nèi)具有特殊的分層結(jié)構(gòu)。

在大面積的高效的氣體分離中空膜絲作用下，使得系統(tǒng)曝氣效率高(利用率60%以上，傳統(tǒng)技術(shù)氧氣利用率在10%-20%之間)，單位體積曝氣膜面積大，單一設(shè)備效率高，能耗也相應(yīng)較低。在南京江寧河通過底層復(fù)氧生物載體填料系統(tǒng)對(duì)水體水質(zhì)進(jìn)行提升，水體中氨氮去除率達(dá)到45.5%、TP達(dá)到39.1%。

3.2 生態(tài)污染物計(jì)算

地表水體中有機(jī)物含量一般以CODMn為衡量指標(biāo)，同時(shí)本次治理主要是針對(duì)有機(jī)物去除(保證大沙河水源地有機(jī)物含量達(dá)到地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn))，因此文章中有機(jī)物相關(guān)計(jì)算采用CODMn指標(biāo)。本次設(shè)計(jì)按照治理區(qū)域250m，CODMn7.5mg/L，目標(biāo)CODMn指標(biāo)達(dá)到6mg/L進(jìn)行。

水量按照開1臺(tái)水泵(12.33m3/s)，每次開24h，每月開10次的取水量(106.5萬t/d，1065萬噸/月)，李口涵閘上游水體中CODMn按7.5mg/L，治理目標(biāo)按CODMn指標(biāo)達(dá)到6mg/L計(jì)，CODMn污染物總需削減量為1597.5kg/d，為實(shí)現(xiàn)該削減目標(biāo)，在梁西河李口涵閘閘口的入庫口構(gòu)建了一個(gè)以生態(tài)濾墻、底層復(fù)氧生物載體為主的前置處理區(qū)，前置處理區(qū)長250m(李口涵閘口至梁西河上游段)。

3.2.1 生態(tài)濾墻污染物削減計(jì)算

生態(tài)濾墻采取半斷面形式，單道長度為20m，寬度為1m，濾墻CODMn總需去除量為798.7kg/d，生態(tài)濾墻負(fù)荷為3.16kg/(m3/d)，共需要252m3有效濾墻體積，每道濾墻按20m長，1m寬，2.5m高，單道濾墻有效體積為50m3，經(jīng)計(jì)算共需要5道，考慮到延長水路路徑情況，生態(tài)濾墻采用交叉式半斷面攔截。

3.2.2 底層復(fù)氧生物載體污染物削減計(jì)算

底層復(fù)氧生物載體集曝氣、生物載體和馴化微生物于一體，該系統(tǒng)曝氣效率高達(dá)60%以上，CODMn負(fù)荷約為0.53kg/(m2/d)，根據(jù)底層復(fù)氧生物載體CODMn共需要削減798.7kg/d，經(jīng)計(jì)算，底層復(fù)氧生物載體共需要約1500m2。

3.3 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)范圍為李口涵閘閘口至梁西河上游段，共計(jì)250m。

1)梁西河上設(shè)置5道生態(tài)濾墻，濾墻采用半斷面攔截，每道長度為20m，寬度為1m，高度為2.5m，通過生態(tài)濾墻對(duì)河道中懸浮物進(jìn)行攔截，通過生態(tài)濾墻填料載體上微生物對(duì)河道水體中污染物質(zhì)進(jìn)行快速降解。此外，在李口涵閘閘口上游梁西河200m處設(shè)置1套微生物馴化系統(tǒng)，以便為生態(tài)濾墻快速提供馴化微生物，強(qiáng)化生態(tài)濾墻的降解能力。

2)在新莊大溝與梁西河交匯處設(shè)置1道生態(tài)濾墻，濾墻長度為20m，寬度為1m，高度為2.5m，通過濾墻對(duì)新莊大溝河道水體進(jìn)行凈化處理，減小對(duì)梁西河水質(zhì)的影響。

3)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的梁西河上共設(shè)置1500m2底層復(fù)氧生物載體，單套300m2(含中空膜1.3*2m/組，膜面積30m2/組10組；1.5kw風(fēng)機(jī)2套)。

平面布置圖，見圖2。

圖2 平面布置圖

4 總 結(jié)

1)農(nóng)村污染水體的治理工程并非推倒重來的翻新重建，而是必須有針對(duì)性的提升，重點(diǎn)在于對(duì)細(xì)節(jié)的把控。工程設(shè)計(jì)中技術(shù)選用需因地制宜、對(duì)癥下藥，結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w情況選用最合適的治理手段。

2)河道藍(lán)線、綠線的保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建是農(nóng)村污染水體徹底消除的根本保障[3]，在農(nóng)村，大量的污染來自于生活養(yǎng)殖污水、農(nóng)業(yè)面源污染及垃圾堆滲濾液等。在加強(qiáng)截污工程措施的情況下，應(yīng)該同步實(shí)施岸線治理。