河北某河道黑臭水體治理工程*

豐 元，葉慧敏，栗勇田，2，3

(1 潤(rùn)田環(huán)境工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410221；2 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；3 河北省河道水質(zhì)凈化及生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066000)

城市黑臭水體的產(chǎn)生，主要由于生產(chǎn)生活中生活污水、工業(yè)廢水的無組織排放及生活垃圾的隨意丟棄，引起大量的污染物質(zhì)積累，導(dǎo)致超出區(qū)域水體自凈能力和環(huán)境容量，降低生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。這些污染物在微生物降解過程中需要消耗大量氧氣，造成水體出現(xiàn)缺氧或厭氧狀態(tài)，從而產(chǎn)生黑臭現(xiàn)象。2015年由我國發(fā)布的《城市黑臭水體整治工作指南》[1]中，對(duì)“城市黑臭水體的排查與識(shí)別、整治方案的制定與實(shí)施、整治效果評(píng)估與考核、長(zhǎng)效機(jī)制建立與政策保障”等提出了具體要求。針對(duì)水體污染特征與周邊環(huán)境特點(diǎn)，城市黑臭水體處理技術(shù)的選擇應(yīng)遵循因地制宜、協(xié)調(diào)統(tǒng)一的原則，處理技術(shù)應(yīng)具有一定的持久性、安全性和可靠性。目前國內(nèi)外常采用曝氣增氧技術(shù)、補(bǔ)水活水技術(shù)、生物膜技術(shù)、化學(xué)處理技術(shù)、人工濕地及生態(tài)浮床等治理黑臭水體，但這些方法都不能從根本上解決水體黑臭問題[2]。傳統(tǒng)、單一的水污染治理技術(shù)成效低、見效慢，全面、系統(tǒng)地進(jìn)行治理才能達(dá)到改善水質(zhì)，恢復(fù)水體自凈能力，并保持治理效果[3]。

本工程按照“控源截污、水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)”的基本要求全面實(shí)施，通過強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜技術(shù)和組合生物修復(fù)技術(shù)來改善水體黑臭現(xiàn)象，凈化水質(zhì)，恢復(fù)水體自凈能力，使治理后的水體中COD、氨氮和總磷指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的V類水標(biāo)準(zhǔn)[4]，并保持水體水質(zhì)。

1 工程概況

項(xiàng)目位于河北省某縣城老城區(qū)西北，河道全長(zhǎng)約1.5 km，河面平均寬度約25 m，平均水深約2.0 m，總水量超過6萬m3。河道水體發(fā)黑發(fā)臭，水面漂浮大量的垃圾和浮萍，河道兩岸為居民區(qū)，岸邊堆放有大量的生活垃圾且長(zhǎng)期有生活污水排入河道，加重了河道水質(zhì)的惡化。治理前河道水體COD、氨氮和總磷的濃度分別為：63 mg/L，6.53 mg/L和1.28 mg/L，屬于GB3838-2002中的劣Ⅴ類水。鑒于河道水質(zhì)污染現(xiàn)狀，若不及時(shí)進(jìn)行治理不僅影響周邊居民的生活環(huán)境且污水長(zhǎng)期下滲還會(huì)污染當(dāng)?shù)氐叵滤?，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳】祹戆踩[患。

根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的要求，該河道水體經(jīng)治理后需消除黑臭，水體中COD、氨氮和總磷指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的V類水標(biāo)準(zhǔn)。水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Water quality indicators (mg/L)

2 工程方案

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram

2.1 截污控源

由于河道兩岸為居民區(qū)，沿線有多處排污口未封堵，不定期排放生活污水進(jìn)入河道。治理水體首先需對(duì)污染源進(jìn)行控制，在河道兩側(cè)鋪設(shè)污水收集管道，對(duì)排污口排放的污水進(jìn)行集中收集并在河岸兩側(cè)各設(shè)置一處生態(tài)攔截池，生態(tài)攔截池下部為生物填料、細(xì)砂及椰殼顆粒活性炭等，上部種植水生植物，通過微生物的作用降低污水中的COD和氨氮，通過植物的凈化作用降低污水中總磷含量，經(jīng)過預(yù)處理后的出水排入河道集中治理。生態(tài)攔截池點(diǎn)位見圖2。

圖2 生物攔截池和復(fù)合菌劑投加點(diǎn)位示意圖Fig.2 Schematic diagram of biological interception pool and complex microbial community feeding point

2.2 垃圾清理

進(jìn)行水體治理前，應(yīng)全面打撈河道水域范圍內(nèi)的垃圾、雜草、浮萍等；針對(duì)岸邊隨意堆放生活垃圾的亂象，設(shè)定專門的垃圾收集點(diǎn)，落實(shí)河道的垃圾收集、轉(zhuǎn)運(yùn)及處理制度，防止由于垃圾的腐敗、分解產(chǎn)生污染物對(duì)水體造成反復(fù)污染。

2.3 河道水體治理與水質(zhì)保持

完成截污控源和垃圾清理工作后，重點(diǎn)對(duì)河道水體進(jìn)行治理，通過強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜技術(shù)和組合生物修復(fù)技術(shù)對(duì)河道水質(zhì)進(jìn)行治理和修復(fù)，降低河道污染物的濃度，全面恢復(fù)水體自凈能力，并保持水質(zhì)。

強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜技術(shù)是一種將氣體分離膜技術(shù)和生物膜水處理技術(shù)有機(jī)融合的新型污水處理技術(shù)[5]；微生物高度富集在強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜表面，空氣通過強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜為生物膜供氧，當(dāng)污水流過強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜時(shí)，水體中所含的有機(jī)物和氮磷進(jìn)入生物膜內(nèi)，經(jīng)微生物代謝和增殖作用被微生物所利用，使得污水得到凈化。運(yùn)行時(shí)，附著于強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜上的微生物不會(huì)隨水流逝，系統(tǒng)穩(wěn)定，管理方便。強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜技術(shù)憑借獨(dú)特的流道式的凈化過程，在河湖等流域治理領(lǐng)域中具有無與倫比的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、工程優(yōu)勢(shì)和運(yùn)行管理優(yōu)勢(shì)。

組合生物修復(fù)技術(shù)主要是采用多種微生物菌群進(jìn)行治理，其原理是以微生物的新成代謝為基礎(chǔ)，利用其對(duì)有機(jī)污染物及氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的同化作用來降解水體污染物質(zhì)，達(dá)到改善環(huán)境的效果。吳巖等[6]發(fā)現(xiàn)投加復(fù)合微生物菌劑，可使水體中微生物的數(shù)量、豐度以及多樣性提高的同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)原微生物環(huán)境穩(wěn)定性無任何影響；本工程投加復(fù)合生物菌劑主要由硝化類菌、氨化細(xì)菌、固氮菌、尿素細(xì)菌、聚磷菌等多種微生物菌群組成，并輔以多種起催化作用的生物酶和營養(yǎng)劑，復(fù)合微生物菌種可根據(jù)水體情況擴(kuò)展繁育，達(dá)到菌種平衡狀態(tài)，在治理過程中可強(qiáng)化脫氮除磷的性能。

利用水生植物移植、生態(tài)浮島等技術(shù)，在河道兩側(cè)移植蘆葦、香蒲、菖蒲等挺水植物，河中布置生態(tài)浮島，一方面，水生植物根系可以利用污水中的有機(jī)物及其他污染物促進(jìn)自身生長(zhǎng)發(fā)育；另一方面，植物的根系憑借其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可為不同微生物提供良好的生存環(huán)境和棲息場(chǎng)所，對(duì)水體中氮磷有較明顯去除效果。在增強(qiáng)城市河流的凈化作用基礎(chǔ)上，移植水生植物和生態(tài)浮島可加強(qiáng)河道景觀效應(yīng)，修復(fù)河流水生態(tài)系統(tǒng)。

3 主要構(gòu)筑物與設(shè)備

3.1 生態(tài)攔截池

為減輕周邊排放口直排的生活污水對(duì)河道的影響，河道兩岸各設(shè)置一個(gè)生態(tài)攔截池，長(zhǎng)為5 m，寬5 m，深1.3 m，沿著池深方向分別設(shè)計(jì)溢流區(qū)0.3 m，過濾層0.7 m，淹沒層0.1 m，排水層0.2 m。過濾層為細(xì)砂、椰殼顆?；钚蕴?，淹沒層為粗砂，排水層為碎石層，底部采用PE膜做防滲處理。生態(tài)攔截池配植菖蒲、千屈菜、蘆葦?shù)戎参铮N植密度10～15株/m2，并投放適量Φ30組合生物填料。

再次，行政執(zhí)法程序不規(guī)范?！爸貙?shí)體、輕程序”的傳統(tǒng)觀念在當(dāng)前的行政執(zhí)法活動(dòng)中依然存在。某些地方行政機(jī)關(guān)片面追求執(zhí)法效率，忽視程序的重要性，在執(zhí)法過程中不出示執(zhí)法證件、告知說明理由，更別說行政相對(duì)人行使陳述申辯權(quán)，其執(zhí)法的程序性依據(jù)是自身的警服和所謂的執(zhí)法氣場(chǎng)。有的行政執(zhí)法機(jī)關(guān)隨意執(zhí)法，濫用行政自由裁量權(quán)，執(zhí)法人員根據(jù)個(gè)人意愿、價(jià)值評(píng)判進(jìn)行裁量，甚至以人情、物質(zhì)作為自由裁量的交易砝碼，行政執(zhí)法程序束之高閣。

3.2 強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜系統(tǒng)

強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜系統(tǒng)主要由強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜組件、生物活性載體系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)組成。在水體凈化過程不需要投加任何化學(xué)藥劑，微生物高度富集于強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜上，微泡曝氣膜作為微生物附著的載體并為生物膜及區(qū)域水體曝氣充氧，充氧效率高、能耗低，運(yùn)行管理簡(jiǎn)便，無二次污染物。

強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜組件。主要由強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜、膜支架構(gòu)成，強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜為增強(qiáng)型改性高分子復(fù)合材料，單片膜單元長(zhǎng)為2 m，寬為0.2 m。支架尺寸可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況定制。本工程每組膜組件支架尺寸長(zhǎng)25 m，寬2 m，深0.5 m，由Φ12鍍鋅圓鋼焊接而成；每組膜組件由25片膜單元構(gòu)成，沿支架長(zhǎng)度方向排布，共計(jì)100組。

生物活性載體系統(tǒng)。主要由生物活性載體和載體支架組成。生物活性載體材質(zhì)為HDPE，直徑為30 mm，厚為10 mm，內(nèi)部孔數(shù)為25個(gè)，比表面積大于1000 m2/m3，孔隙率大于85%，掛膜時(shí)間1～10天[7]。通過設(shè)置生物活性載體，可為微生物和細(xì)菌的生長(zhǎng)提供附著點(diǎn)，有利于微生物和細(xì)菌的繁殖，附著生物相對(duì)多而且穩(wěn)定，能增強(qiáng)強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜系統(tǒng)處理污水的能力。載體支架由Φ12鍍鋅圓鋼制作，長(zhǎng)為25 m，寬2 m，深0.8 m，生物活性載體通過尼龍繩懸掛于載體支架上。

曝氣系統(tǒng)。主要由風(fēng)機(jī)、氣體管路組成。風(fēng)機(jī)設(shè)置于岸邊設(shè)備間內(nèi)，通過氣體管路連接曝氣膜，管壁設(shè)有若干氣孔，強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜絲連接在氣孔周圍，溶解氧經(jīng)強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜絲分散至水體，增加水體溶解氧含量。曝氣至水體中溶解氧達(dá)到飽和后，溶解氧檢測(cè)儀即時(shí)反饋至控制系統(tǒng)暫停曝氣，水體中溶解氧低于設(shè)定值，溶解氧檢測(cè)儀即時(shí)反饋至控制系統(tǒng)進(jìn)行曝氣。曝氣系統(tǒng)配套鼓風(fēng)機(jī)3臺(tái)，其規(guī)格為Q=4.3 m3/min，P=49.9 kPa，功率7.5 kW。

智能控制系統(tǒng)包括溶解氧檢測(cè)儀、配套電路的控制柜，通過溶解氧檢測(cè)儀控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，調(diào)節(jié)DO含量。

另外，河道一側(cè)需砌筑磚砌閥門井，用于風(fēng)機(jī)與氣體管路連接至微泡曝氣膜組件曝氣，其尺寸長(zhǎng)為800 mm，寬為600 mm，深為800 mm，閥門井內(nèi)外均進(jìn)行混凝土抹面并做防水處理，閥門井頂面配套混凝土蓋板。

3.3 復(fù)合生物菌劑

復(fù)合微生物菌劑單位體積投加量：38 g/m3水，總投加量為2.28 t。

將含有多種微生物菌群的復(fù)合微生物菌劑與適量河道水于塑料發(fā)酵罐中混合，在河岸就地進(jìn)行激活、擴(kuò)配，并添加一定量的葡萄糖溶液，擴(kuò)配期間可使用攪拌棒進(jìn)行手動(dòng)攪拌，定時(shí)開閉，激活、擴(kuò)配時(shí)間1～3天。

由于治理河道水體基本無流動(dòng)，采用分點(diǎn)直接投加培養(yǎng)后的復(fù)合微生物菌劑，治理河段共設(shè)5個(gè)投菌點(diǎn)見圖2，投菌時(shí)間選取一天中的上午進(jìn)行。遇到河道生長(zhǎng)藻類較多時(shí)，則根據(jù)水質(zhì)情況，先向水中先投撒適量抑藻劑，避免河道中藻類過多對(duì)功能微生物的生長(zhǎng)造成影響。

3.4 水生植物與生態(tài)浮島

水生植物移植主要以挺水植物為主，種植于河道兩岸，種植面積為水面積的10%～20%，水生植物種植總面積為5625 m2。

河中布置生態(tài)浮島1800 m2，每處浮島10 m2，每塊浮島板規(guī)格長(zhǎng)為330 mm，寬為330 mm，厚為60 mm，材質(zhì)為HDPE，種植千屈菜、鳶尾、旱傘草等植物。

4 工程運(yùn)行情況

工程竣工驗(yàn)收監(jiān)測(cè)階段，實(shí)際運(yùn)行3個(gè)月，通過采用強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜技術(shù)和組合生物修復(fù)技術(shù)對(duì)河道污染水體進(jìn)行整治，水體透明度得到明顯改善，無臭味，河道水中COD、氨氮和總磷的水質(zhì)指標(biāo)由治理前的63 mg/L、6.53 mg/L和1.28 mg/L，分別下降至38 mg/L、0.93 mg/L和0.29 mg/L，去除率分別達(dá)到39.68%、85.76%、77.34%。具體水質(zhì)變化過程見圖3。

圖3 處理期間水質(zhì)變化Fig.3 Changes in water quality during treatment

項(xiàng)目完工后，進(jìn)行了為期9個(gè)月的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，運(yùn)行期間水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，無反黑反臭現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)期間4-11月水質(zhì)變化見圖4。

圖4 運(yùn)行維護(hù)期間水質(zhì)變化Fig.4 Water quality changes during operation and maintenance

5 運(yùn)行成本

本工程設(shè)計(jì)強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜技術(shù)和組合生物修復(fù)技術(shù)進(jìn)行治理，處理規(guī)模6萬m3以上，本工程運(yùn)行費(fèi)用主要由電費(fèi)、藥劑費(fèi)和人工維護(hù)費(fèi)組成。根據(jù)運(yùn)行期間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，運(yùn)行電費(fèi)、藥劑費(fèi)及人工維護(hù)費(fèi)分別為0.02元/(m3·d)、0.006元/(m3·d)、0.017元/(m3·d)，不考慮設(shè)備折舊，運(yùn)行費(fèi)用約為0.042元/(m3·d)。

6 結(jié) 論

河北某河段黑臭水體治理工程，通過采用強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜技術(shù)和組合生物修復(fù)技術(shù)對(duì)河道黑臭水體進(jìn)行治理，河道水中COD、氨氮和總磷的質(zhì)量濃度由治理前的63 mg/L、6.53 mg/L和1.28 mg/L，分別下降至38 mg/L、0.93 mg/L和0.29 mg/L，河道水體中溶解氧的質(zhì)量濃度提升至3.4 mg/L，水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的V類水標(biāo)準(zhǔn)，河道水體黑臭現(xiàn)象明顯消除。強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行以及河道生態(tài)系統(tǒng)的重建，能夠逐漸恢復(fù)河道水體的自凈能力，長(zhǎng)期保持水質(zhì)。

根據(jù)運(yùn)行期間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，考慮電費(fèi)、人工費(fèi)、藥劑，不考慮設(shè)備折舊，本工程運(yùn)行費(fèi)用約為0.042元/(m3·d)，系統(tǒng)采用智能化控制，運(yùn)行方便，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)顯著。