生物-生態(tài)循環(huán)凈化技術在城市景觀水體治理中的應用

洪 佶，劉 亮，趙燎原，潘培豐

（1.寧波市天一閣博物院；2.寧波碧城生態(tài)科技有限公司；3 寧波市生態(tài)環(huán)境科學研究院，浙江 寧波 315010）

隨著城市的發(fā)展，城市景觀水體的重要性日趨凸顯，而景觀水體污染問題也不容忽視。景觀水體的水質維護主要是控制水體中化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD）、總磷（TP）等污染物的含量及藻類等的生長（使其不過度繁殖），保持水體的清澈、潔凈，水處理的目的是保證整個水域的水質達標。

1 城市景觀水體常用治理技術

近年來，國內外眾多學者對城市景觀水體的富營養(yǎng)化治理及水質修復技術進行了深入的研究，多項技術研究都取得一定進展。持續(xù)穩(wěn)定改善水質，優(yōu)化水環(huán)境功能，已成為景觀水體在水環(huán)境治理達到一定水平后面臨的共性問題。

1.1 底泥原位處理方法

底泥原位處理方法包括底泥復合墊層、底泥鈍化等技術，主要是用顆粒材料覆蓋底泥，往水體投加石灰等鈍化劑，阻隔、抑制底泥中氮、磷營養(yǎng)元素的釋放，從而降低水體中營養(yǎng)鹽濃度，改善水質。底泥原位處理方法對水底生態(tài)系統(tǒng)的保護良好，可以保證效果的持久性。

1.2 生化處理方法

若景觀水體的有機物含量較高，則可利用生化處理方法去除此類污染物。目前被廣泛采用的工藝是生物接觸氧化法，其具有運行費用低、操作管理簡單、無二次污染等優(yōu)點。該方法將填料作為生物載體，有機污染物在與載體上的生物膜接觸時被吸附、分解和氧化，氨氮被氧化成硝態(tài)氮。其兼具生物膜法和活性污泥法的特點，處理效率高，耐沖擊負荷，管理方便。

1.3 生態(tài)修復方法

生態(tài)修復方法通過底泥、砂石、微生物、沉水植物和陽光等組成的自然處理系統(tǒng)對污水進行處理，在富營養(yǎng)化水體處理中具有一定的優(yōu)勢，常用的有生物操縱控藻技術、沉水植物構建技術等。生物操縱控藻技術利用生態(tài)系統(tǒng)食物鏈攝取原理和生物相生相克關系，通過改變水體的生物群落結構改善水質，恢復生態(tài)平衡。沉水植物與藻類同為初級生產者，是藻類在營養(yǎng)、光能和生長空間上的競爭者，其根系分泌的化感物質對藻細胞生長也有抑制作用。

2 天一閣東園明池水體現(xiàn)狀

2.1 明池水體污染特點

天一閣博物館是以藏書文化為特色，融社會歷史、藝術于一體的綜合性博物館，建筑古樸，環(huán)境幽雅，富有濃郁的江南庭院式園林特色，是寧波市的城市名片，內部有6 個小型景觀水體。其中，東園明池位于天一閣東南角，1982年東園擴建，挖土成池，命名明池，占地約600 m，并堆土為山，環(huán)園建廊，于1986年對外開放。近幾年污染嚴重，水體渾濁，呈灰黑色，并產生季節(jié)性富營養(yǎng)化污染。經采樣分析及現(xiàn)場試驗，主要原因是池體底部污染物造成膠體型污染，懸浮物主要由粒徑為0.5～1.0 μm的顆粒組成，治理難度較大，水體偏堿性，總磷、氨氮和懸浮物含量偏高，超過《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅳ類水水質標準。2020年5月，對天一閣東園明池進行了現(xiàn)場調研和采樣分析，水質監(jiān)測結果如表1所示。主要監(jiān)測指標有化學需氧量（COD）、高錳酸鹽指數(shù)（COD）、氨氮（NH-N）、總磷（TP）、溶解氧（DO）、葉綠素a、懸浮物（SS）和pH。

表1 治理前天一閣景觀水體水質監(jiān)測結果

2.2 污染成因

結合現(xiàn)場調查及水質監(jiān)測結果，經分析，東園明池水質污染成因如下：明池周圍樹木茂密，遮陰嚴重，樹木以香樟樹為主，大量落葉落池內成泥，成為有機污染源，有機物耗氧引起供氧不足；水體中外源、內源有機污染物的積累會引起水中溶解氧的消耗，導致水體缺氧并滋生厭氧細菌，進行厭氧發(fā)酵，水體透明度變差、顏色發(fā)暗，部分喪失水景功能；由于游客投喂，魚飼料腐敗形成有機污染和氮磷污染；污染物沉積到池底，溫度上升后膨脹上浮，東園明池磷污染較重，有機物含量豐富，總體呈現(xiàn)富營養(yǎng)化污染特征，在溫度適合的環(huán)境下，引起藻類大量繁殖。

2.3 治理難點

東園明池屬于近似封閉的靜止或緩流的淺層水體，水力流動性較差，水動力循環(huán)不足，自凈能力有限，受初期雨污溢流等影響，很難自行修復；為保護人文景觀，水面不宜設置人工增氧設施，不能保持充分的溶解；氮磷污染嚴重，有機物豐富，葉綠素a 嚴重超標，加上底泥上翻嚴重，有必要設置持續(xù)凈化措施提升水質。天一閣景觀成熟，水體周圍的有限空間多為景觀小品和游客通道，不宜設置離岸設備和明裝管道，周圍缺少必要的污水、污泥排放條件。

3 生物-生態(tài)循環(huán)凈化方案

在明池設置生態(tài)凈化區(qū)和生物凈化區(qū)，如圖1所示，兩個區(qū)域的容積分別為200 m和750 m。兩個區(qū)域用兩道沉水生態(tài)濾墻隔開，通過泵管推流和濾墻滲濾建立兩個區(qū)域間的凈化和循環(huán)系統(tǒng)。

3.1 原位生態(tài)系統(tǒng)

首先構建明池生態(tài)池底（600 m），減少底泥冒漏污染。池底生態(tài)層由火山石、生態(tài)球和石英砂組成，具有污染攔截、生物過濾、生物膜附著等多項功能，上層覆蓋石英砂，形成良好的水下景觀。利用明池平面分布特點，在其東北側狹窄段構建原位生態(tài)凈化區(qū)，長約17 m，寬約7 m，最窄處4.5 m，在此區(qū)出口最窄處設置兩道沉水生態(tài)濾墻。將人工生態(tài)水草密集敷設在河床底部，使參與自我凈化的微生物大量附著到生態(tài)水草模塊上生長繁殖，集過濾、吸附、分解、增殖和氧化等生化作用于一體，發(fā)揮綜合性作用。池水在進入原位生態(tài)凈化區(qū)后實現(xiàn)較為徹底的原位直接凈化，從而減少水體的污染負荷。

3.2 生物凈化過濾系統(tǒng)

在明池東南角沿著直角敷設4 套水下生物凈化過濾系統(tǒng)，生物凈化過濾系統(tǒng)為具有高生物活性的小型生物凈化設施，由物理過濾、微生物固定、增氧曝氣和自動反沖洗四部分組成，可以截留、遷移與轉化水中所含的粒徑5 μm 以下有機物、排泄物等膠體物。池水通過重力自流進入系統(tǒng)裝置內，凈化后用1臺潛水泵將水抽吸出來。每套處理規(guī)模為4 m/h，內部設有反沖洗裝置，可以定期自行反沖。構建的生態(tài)凈化過濾系統(tǒng)總處理量可達16 m/h，每日運行16 h，每日凈化容量為256 m，2 ～3 d 實現(xiàn)明池一個周期的凈化。生物凈化過濾系統(tǒng)將微生物、原生動物、水生植物等生物體與生物填料、過濾介質等載體有機結合，通過載體吸附過濾、生物代謝降解，實現(xiàn)水體中NH-N、TP 等污染物的去除，依賴多級生物系統(tǒng)提升景觀水體自凈能力，并保持常年的水體流動性，形成具有高生物活性的微生態(tài)凈化系統(tǒng)，實現(xiàn)水體水質和景觀長效維持。

3.3 泵管推流循環(huán)系統(tǒng)

明池水體流動能力極差，呈靜止狀態(tài)。生物凈化區(qū)與生態(tài)凈化區(qū)以一道生物濾墻隔離。合理的水力調度可以改善水質?？梢詷嫿ㄒ惶妆霉芡屏餮h(huán)系統(tǒng)，用潛水泵從生物凈化區(qū)一端抽水，通過管道將水排入明池另一端（生態(tài)凈化區(qū)），利用人工造流建立兩個區(qū)域的循環(huán)，設計流量為20 m/h，每天進水時間為10 h。循環(huán)強度達到每3 d 全部水量循環(huán)一次，形成對流循環(huán)，保證景觀水池水質清澈、美觀，控制藻類滋生。

4 運行效果

明池凈化方案實施后，自2020年8月開始試運行，每天連續(xù)運行10 h 以上。運行2 個月以后，水體水質和景觀效果明顯改善。2020年10月至2021年9月（1年）的運行監(jiān)測水質平均數(shù)據(jù)如表2所示。由表2 可以看出，本研究建立的生物-生態(tài)循環(huán)凈化系統(tǒng)對污染物COD、NH-N 的去處率均在40%以上，對TP、SS 以及葉綠素a 的去處率均在70%以上，對溶解氧和透明度的提升效果明顯。明池常年保持清澈見底，水質和景觀完全滿足景觀水體的要求。

表2 治理后天一閣景觀水體水質監(jiān)測結果

5 結論

本文以天一閣東園明池水質提升工程為例，通過開展明池水質調查、懸浮物及底泥性狀分析，研究并理清明池水質污染原因，將生物-生態(tài)循環(huán)凈化技術應用于工程化治理，在對明池進行探索性治理的同時，研究了組合工藝運行效果，為城市小型景觀水體生態(tài)修復和維護運營管理提供參考。本研究針對城市景觀水體建立一套生物-生態(tài)循環(huán)凈化系統(tǒng)，其具有水質凈化和水體養(yǎng)護的雙重功效。