平原河網(wǎng)水質(zhì)提升關(guān)鍵技術(shù)與案例分析
——以虹口河道為例

鄒帥文，王海珍，袁時(shí)玨

(上海洗霸科技股份有限公司，上海 200437)

上海市虹口區(qū)屬于典型的長江下游平原河網(wǎng)地區(qū)，水體流動(dòng)性差。受感潮影響，水體流向往復(fù)，造成污染物長期淤積，河道水環(huán)境容易惡化。雖然水污染防治取得階段性成效，區(qū)內(nèi)各河道水質(zhì)和景觀面貌均有明顯提升，但仍會受到沿岸合流制泵站放江的影響。短期內(nèi)大量含有高有機(jī)質(zhì)含量的管網(wǎng)、泵站沉積物進(jìn)入河道，快速消耗水體溶解氧(DO)，而河道水體低DO環(huán)境直接影響微生物對有機(jī)污染物的降解速率，河道水質(zhì)呈現(xiàn)反復(fù)波動(dòng)的情況，河道水環(huán)境也面臨重大的挑戰(zhàn)[2-3]。為進(jìn)一步鞏固河道治理效果，維持并提升河道水質(zhì)，相關(guān)的整治措施必不可少。

本研究針對虹口區(qū)河道水質(zhì)現(xiàn)狀，提出水質(zhì)提升工程整體解決方案，鑒于之前經(jīng)過多次整治提升，仍無法徹底解決水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況，為此選定水動(dòng)力最差的河段進(jìn)行試驗(yàn)段工程實(shí)施，探討平原河網(wǎng)地區(qū)生態(tài)清潔小流域建設(shè)的治理思路和水質(zhì)提升關(guān)鍵技術(shù)體系，為全面實(shí)施本區(qū)河道水質(zhì)提升改造工程提供重要的借鑒，同時(shí)也為其他平原河網(wǎng)地區(qū)生態(tài)清潔小流域建設(shè)提供治理思路。

1 項(xiàng)目概述

1.1 河道概況

虹口區(qū)境內(nèi)現(xiàn)有黃浦江、江灣市河、南泗塘-沙涇河、西泗塘-俞涇浦-虹口港、吳淞江-蘇州河、沽西浜6條河道，以及4座湖泊和22個(gè)小微水體。本項(xiàng)目主要針對江灣市河、南泗塘-沙涇港、西泗塘-俞涇浦-虹口港3條河道進(jìn)行水質(zhì)提升。3條河道基本情況如表1所示。虹口區(qū)河道概況如圖1所示。

表1 虹口河道基本情況Tab.1 Basic Information of Hongkou River

圖1 虹口區(qū)河道概況圖Fig.1 Overview Map of Hongkou River

項(xiàng)目3條河道相互連通，南連黃浦江，北連蕰藻浜，西經(jīng)走馬塘。虹口區(qū)內(nèi)河南有虹口港水閘、北有西泗塘水閘、南泗塘水閘(圖2)。在漲潮期，引黃浦江水源到內(nèi)河；在退潮時(shí)，關(guān)閉虹口港水閘，開啟西泗塘、南泗塘水閘將內(nèi)河水源排放到蕰藻浜。其中，江灣市河為東西走向河道，在南引北排為主的調(diào)度方式下，往復(fù)流現(xiàn)象突出，水體反復(fù)震蕩，容易造成水質(zhì)惡化現(xiàn)象。

圖2 虹口河道水系連通圖Fig.2 Water System of Hongkou River

1.2 水環(huán)境現(xiàn)狀與分析

為更好地監(jiān)測水質(zhì)，虹口區(qū)相關(guān)機(jī)構(gòu)共設(shè)置了14處監(jiān)測點(diǎn)位，其中，江灣市河設(shè)置2處，南泗塘-沙涇港設(shè)置6處，西泗塘-俞涇浦-虹口港設(shè)置6處。2018年3條河道的高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮、DO和總磷(TP)檢測結(jié)果(取多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的平均值)如圖3所示。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，3條河道CODMn、氨氮和TP指標(biāo)全年基本能滿足地表V類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但DO質(zhì)量濃度在各監(jiān)測點(diǎn)位均出現(xiàn)不同程度的偏低現(xiàn)象，呈間歇性劣V類水質(zhì)。2018年江灣市河DO最低質(zhì)量濃度為1.11 mg/L，嚴(yán)重低于地表V類水標(biāo)準(zhǔn)(2 mg/L)，5月—9月DO質(zhì)量濃度<2 mg/L。南泗塘-沙涇港河道全年DO最低質(zhì)量濃度為1.97 mg/L左右；西泗塘-俞涇浦-虹口港河道全年DO最低質(zhì)量濃度為1.69 mg/L左右，7月和9月DO質(zhì)量濃度<2 mg/L。3條河道水質(zhì)均呈間歇性劣V類水質(zhì)，主要原因是10月—來年4月上海降雨較少，雨水管道內(nèi)流量低導(dǎo)致污染物易在管道內(nèi)淤積，合流制泵站停止放江；5月—9月上海降雨增加，需要經(jīng)常性采取排澇放江措施，此使管道和泵站內(nèi)淤積的大量污染物隨雨水進(jìn)入河道內(nèi)，大量消耗河道水體DO，導(dǎo)致DO濃度明顯降低；同時(shí)，河道北段整個(gè)片區(qū)水體流動(dòng)性差，其中江灣市河水體流動(dòng)性最差，自凈能力弱，也是導(dǎo)致水中DO低的原因之一；此外，夏季河道溫度升高也加速了河道中耗氧速率，河道中淤積厭氧底泥上浮并加劇了河道DO含量降低。

圖3 3條河道水質(zhì)指標(biāo)變化Fig.3 Changes of Water Quality Indices for Three Rivers

1.3 主要問題

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和水質(zhì)數(shù)據(jù)分析，虹口區(qū)江灣市河、南泗塘-沙涇港和西泗塘-俞涇浦-虹口港3條河道均出現(xiàn)不同程度的水污染問題，主要表現(xiàn)如下。

(1)水體DO含量不足。整個(gè)河道片區(qū)下游段(北段)常出現(xiàn)DO質(zhì)量濃度<2 mg/L的情況，主要出現(xiàn)在5月(枯水期-豐水期過渡時(shí)期)和6月—9月(夏季炎熱時(shí)期)。夏季河道厭氧底泥上浮現(xiàn)象，成為影響河道水中DO的主要因素。

(2)水動(dòng)力不足。江灣市河呈東西流向，整體流動(dòng)性較差，導(dǎo)致污染物淤積，水質(zhì)相對較差。南泗塘-沙涇港和西泗塘-俞涇浦-虹口港河道北段水體流動(dòng)性較差。

由于兩端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲分析可以直觀的描述一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的噪聲性能，所以將低噪聲放大器中所采用的晶體管等效為一個(gè)二端口的噪聲網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

(3)間歇性劣Ⅴ類水質(zhì)。6月—9月(夏季炎熱時(shí)期)部分河段存在氨氮和TP指標(biāo)出現(xiàn)間歇不達(dá)標(biāo)的現(xiàn)象。

(4)南泗塘-沙涇港河、西泗塘-俞涇浦-虹口港2條河道沿線的分流制雨水系統(tǒng)共存在6處泵站排水口，泵站排水類型為混合廢污水，放江時(shí)污染嚴(yán)重。城區(qū)泵站放江已凸顯為影響上海中心城區(qū)河流水質(zhì)穩(wěn)定和持續(xù)改善的主要問題[4]。

2 改造方案

根據(jù)調(diào)查3條河道周邊已完成居民小區(qū)雨、污混接改造。為削減虹口片區(qū)初期雨水對河道水環(huán)境污染的影響，虹口區(qū)對曲陽污水處理廠進(jìn)行功能調(diào)整，作為初期雨水調(diào)蓄池，已完成大部分主體工程。3條河道的部分水域設(shè)置了生態(tài)浮島，通過水生植物的根系及附著的微生物對水體進(jìn)行水質(zhì)凈化。

本次水質(zhì)提升改造工程的目標(biāo)是改善河道水動(dòng)力，水體DO質(zhì)量濃度常年保持在2 mg/L以上，改造內(nèi)容主要包括曝氣增氧和改善水動(dòng)力措施。其中，曝氣增氧主要采用微孔曝氣、射流曝氣和微納米曝氣等多種形式，并沿河道進(jìn)行有針對性差異化配置。此外，在萬安路與春生街交匯口(即江灣市河最東段景觀亭處)等水動(dòng)力嚴(yán)重不足處，設(shè)置相應(yīng)的水動(dòng)力措施，包括射流曝氣以及推流式水車，以改善此處水動(dòng)力，增強(qiáng)水體流動(dòng)性[5-6]。

2.1 曝氣增氧方式比選

微納米曝氣裝置能生產(chǎn)直徑在50 μm至數(shù)十納米的微小氣泡，可快速溶解于水體中，溶解效率大大提高。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，采用納米曝氣技術(shù)曝氣后DO總體平均值可為9.88 mg/L，而射流曝氣DO總體平均值為6.37 mg/L[7-8]，主要原因是納米曝氣產(chǎn)生的大量微納米級的氣泡懸浮于水體并隨之一起運(yùn)動(dòng)，形成超飽和狀態(tài)；射流曝氣設(shè)備的工作原理是用潛水泵將水吸入增壓從泵體高速推出后，利用在出水管道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，氣泡大小只能達(dá)到微米級。雖然射流曝氣的溶氧效率低于納米曝氣，但納米曝氣無法有效改善水動(dòng)力，而射流曝氣既可以對河道進(jìn)行充氧又能利用其自身能量對水體產(chǎn)生一定推動(dòng)力來改善周邊水動(dòng)力。微孔曝氣是一種以低成本向大面積水體增氧的曝氣裝置，采用沉水風(fēng)機(jī)后，可避免傳統(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)擾民的問題。推流式水車能形成定向的水流，適合于水深較淺的水域。根據(jù)各種曝氣設(shè)備性能分析比較，并結(jié)合虹口區(qū)3條河道的水質(zhì)現(xiàn)狀和不同河段的工況，應(yīng)采用組合曝氣增氧方式方可達(dá)到預(yù)期效果。

根據(jù)理論計(jì)算，要保證3條河道常年DO質(zhì)量濃度不低于2 mg/L，整個(gè)河道所需充氧量為1 291.96 kg O2/h，因此，本項(xiàng)目曝氣裝置的配置如表2所示。本項(xiàng)目計(jì)劃布置微納米曝氣共35套，射流曝氣共39套，微孔曝氣共31套，總計(jì)充氧量可達(dá)到1 496.50 kg O2/h。

表2 曝氣裝置設(shè)施參數(shù)Tab.2 Facilities Parameters of Aeration Systems

2.2 水動(dòng)力改善

河道春生街與萬安街交叉口的景觀亭和江灣市河蟠曲坊這2處位置存在水動(dòng)力嚴(yán)重不足的現(xiàn)象，也直接導(dǎo)致污染物淤積和DO含量不足。景觀亭位于江灣市河與沙涇港交匯處，呈現(xiàn)“凸”出形態(tài)，亭子下方存在“死水”區(qū)；蟠曲坊離河岸僅有2～3 m，船舫內(nèi)側(cè)水體流動(dòng)性差。

為改善水動(dòng)力，分別在景觀亭和蟠曲舫設(shè)置2套射流曝氣和2套推流式水車(圖4～圖5)，在對河道進(jìn)行充氧的同時(shí)，也推動(dòng)河道水體流動(dòng)。

圖4 景觀亭曝氣設(shè)施布置圖Fig.4 Layout of Aeration Systems for Landscape Pavilion

圖5 蟠曲舫曝氣設(shè)施布置圖Fig.5 Layout of Aeration Systems for Panqu Ship

2.3 激波振蕩脈沖射流曝氣+微納米曝氣組合技術(shù)工程改造

圖6 曝氣設(shè)備和電氣平面布置圖Fig.6 Layout for Aeration Instruments and Electrical Systems

鑒于本項(xiàng)目投資額較大，工程全面實(shí)施存在水質(zhì)依舊不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，在工程實(shí)施中決定選取江灣市河這一水質(zhì)最差河段進(jìn)行試驗(yàn)段工程改造，待改造后若成果驗(yàn)證有效，再進(jìn)行全河道提升改造工程。通過各種曝氣設(shè)備的性能比選，并針對河道現(xiàn)狀，采用激波振蕩脈沖射流曝氣+微納米曝氣組合技術(shù)。本試驗(yàn)段施工分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ這3個(gè)安裝區(qū)域，每個(gè)安裝區(qū)域分別安裝1套微納米曝氣設(shè)備、2套射流曝氣設(shè)備以及配套電箱與控制箱系統(tǒng)。設(shè)備和電氣平面布置如圖6所示。曝氣系統(tǒng)配置方式采用在微納米曝氣設(shè)備兩側(cè)配套設(shè)置激波振蕩射流曝氣機(jī)，以最大效能發(fā)揮微納米曝氣設(shè)備在水體的擴(kuò)散，提升曝氣效果。

為保證效果，本項(xiàng)目采用了激波振蕩脈沖射流曝氣設(shè)備而非傳統(tǒng)的射流曝氣器。對于傳統(tǒng)的射流曝氣器，小氣泡容易在擴(kuò)散管出口的周邊區(qū)域聚集并形成大氣泡從水面溢出，降低了其傳質(zhì)系數(shù)和充氧效能。提高氧在水體中轉(zhuǎn)移速度的方法有提高氧總傳質(zhì)系數(shù)(KLα)和提高液相中的氣相飽和濃度(Cs)，在相同條件下，前者遠(yuǎn)比后者容易實(shí)現(xiàn)，而激波振蕩過程就是實(shí)現(xiàn)KLα提高[9]。本射流曝氣系統(tǒng)主要通過3次混合來實(shí)現(xiàn)氣液充分混合，如圖7所示。

圖7 激波振蕩脈沖射流曝氣裝置示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Shock Oscillation Pulse Jet Aeration System

第一次通過管道混合器，使氣與水充分碰撞混合；第二次氣水混合液在振蕩器中充分振蕩，以脈沖的形式出水，達(dá)到二次混合；第三次在出水噴射管內(nèi)，高DO濃度的脈沖水與河道原水以一定比例混合，同時(shí)混合水在噴射管內(nèi)沿旋流軌道出水，以減少出水阻力，配合其脈沖式出水，能夠極大地增加推流距離和提高水體的對流擴(kuò)散能力。在以空氣為氣源和原水DO質(zhì)量濃度為0～2 mg/L的條件下，出水口的DO質(zhì)量濃度可達(dá)到7～8 mg/L，如氣源更換為氧氣，出口DO質(zhì)量濃度將超過20 mg/L。

3 實(shí)施效果

本試驗(yàn)段水質(zhì)提升工程于2020年4月開始，于6月完工并開始運(yùn)轉(zhuǎn)。通過2020年6月—9月的持續(xù)監(jiān)測，I區(qū)、II區(qū)和III區(qū)附近水域中DO含量與治理前相比得到明顯提升，平均值分別達(dá)到2.53、2.52 mg/L和2.55 mg/L，如圖8所示。在江灣市河監(jiān)控?cái)嗝嫠|(zhì)考核中，DO質(zhì)量濃度均高于2 mg/L，順利通過市級考核，為虹口河道水質(zhì)提升工程全面實(shí)施提供了重要的借鑒作用。

圖8 各監(jiān)測點(diǎn)治理前后DO含量變化Fig.8 Changes of DO Content for Each Monitoring Point

4 結(jié)語

隨著水生態(tài)文明建設(shè)的不斷深入和推進(jìn)，2021年3月上海全面啟動(dòng)生態(tài)清潔小流域建設(shè)，生態(tài)清潔小流域的內(nèi)涵和外延不斷豐富，不再局限于河道本身的治理，涉及水網(wǎng)、綠網(wǎng)、路網(wǎng)、管網(wǎng)這幾張“網(wǎng)”的統(tǒng)籌。在實(shí)現(xiàn)水清岸潔的同時(shí)，更要實(shí)現(xiàn)河湖聯(lián)通、河岸交融及綠色生態(tài)的河岸空間。

整治后的虹口區(qū)江灣市河先行試驗(yàn)段，是上海生態(tài)清潔小流域建成后的縮影。本研究分析平原河網(wǎng)地區(qū)虹口區(qū)生態(tài)清潔小流域建設(shè)面臨的主要問題，發(fā)現(xiàn)河道由于自身缺陷存在間歇性劣Ⅴ類水質(zhì)現(xiàn)象，尤其是在5月—9月DO質(zhì)量濃度持續(xù)低于2.0 mg/L。其主要原因是降雨排澇放江期間大量污染物隨雨水進(jìn)入河道，河道水體流動(dòng)性差，水體自凈能力弱。針對水質(zhì)和水動(dòng)力最不利的江灣市河段，通過合理配置曝氣系統(tǒng)和推流系統(tǒng)，可以有效地提升河道中DO含量，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)嗝嫠|(zhì)考核全年達(dá)標(biāo)。

本研究探討了平原河網(wǎng)地區(qū)生態(tài)清潔小流域建設(shè)的治理思路和水質(zhì)提升關(guān)鍵技術(shù)體系，為推進(jìn)平原河網(wǎng)地區(qū)河道水體DO含量提升工程的全面實(shí)施，以及老城區(qū)河道水質(zhì)提升提供了重要的經(jīng)驗(yàn)和借鑒作用，也為平原河網(wǎng)地區(qū)生態(tài)清潔小流域建設(shè)提供思路。