農(nóng)村河道水質(zhì)提升集成技術(shù)研究

吳學(xué)春，翁佳興，2*，陳振國(guó)，王從友，吉 鋒，2，李一凡，李云超

（1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，江蘇南京 225000；2.南水北調(diào)江蘇生態(tài)環(huán)境有限公司，江蘇南京 225000；3.蘇州方舟環(huán)?？萍加邢薰荆K蘇州 215000）

1 概 述

《江蘇省現(xiàn)代水網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃》提出，2035年前基本建成具有江蘇特色的“系統(tǒng)完備、安全可靠，集約高效、綠色智能，循環(huán)通暢、調(diào)控有序”的現(xiàn)代水網(wǎng)。農(nóng)村河網(wǎng)水系是骨干水網(wǎng)的重要補(bǔ)充。受周邊村鎮(zhèn)外源污染輸入的影響，部分農(nóng)村河道水體呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。本項(xiàng)目針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化農(nóng)村河道水體修復(fù)的需求，以氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽和化學(xué)需氧量深度削減為目標(biāo)，開展農(nóng)村河道水質(zhì)提升集成技術(shù)研究。

2 河道現(xiàn)狀

項(xiàng)目選取淮安市新河地區(qū)中心河為研究對(duì)象。新河地區(qū)河網(wǎng)發(fā)達(dá)，農(nóng)村支流較多，匯水面積大，沿岸集鎮(zhèn)仍有生活污水排入。部分農(nóng)村支流河道水生態(tài)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、水體透明度低，鹽化新區(qū)工業(yè)廢水也存在通過白馬湖上游引河進(jìn)入新河的風(fēng)險(xiǎn)。本次所調(diào)查的農(nóng)村支流河道—中心河位于南閘鎮(zhèn)，該支流河道存在多種污染外源，具有一定的代表性。開展中心河沿線的實(shí)地踏勘，該河兩側(cè)主要為光電站及螃蟹養(yǎng)殖用地，河道北側(cè)為南閘鎮(zhèn)敬老院及餐飲商鋪，河道周邊典型的分散點(diǎn)源污染和農(nóng)業(yè)面源污染，居民生活污水、養(yǎng)殖廢水、農(nóng)田污水和降雨初期地表徑流等直接排入河道，直接影響新河地區(qū)水質(zhì)；河道淤積嚴(yán)重，河道大部分區(qū)域水深不足0.5 m，有沼澤化趨勢(shì)，水體流動(dòng)性不足，北側(cè)河道受生活污水影響，水質(zhì)發(fā)黑發(fā)臭，已出現(xiàn)黑臭指示性物種——?jiǎng)偯?；同時(shí)，該河段水體流動(dòng)性較差，污染物擴(kuò)散較慢，自凈能力不足，易造成污染累積。

2021 年7 月在河道兩端及中部間隔布置4 個(gè)采樣點(diǎn)位，依據(jù)《水環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范（SL219—2013）》檢測(cè)其化學(xué)需氧量（CODCr）、總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N），見表1、圖1。由表1 可知，河道水質(zhì)主要超標(biāo)因子為CODCr和TN。該河段的污染現(xiàn)狀具有典型性和代表性，以該河段開展現(xiàn)場(chǎng)示范工程，可有力驗(yàn)證集成技術(shù)的適用性，且該河道屬于旁支河道，行水要求較低，可滿足技術(shù)示范應(yīng)用需求。

表1 技術(shù)處理前河道水質(zhì)指標(biāo)

3 集成技術(shù)應(yīng)用

針對(duì)農(nóng)村河道部分區(qū)域流動(dòng)性不足、內(nèi)外源污染較重、水生植被單一和自凈能力喪失的污染現(xiàn)狀，采用內(nèi)源污染削減、旁路凈化、生態(tài)強(qiáng)化凈化和植物自組織修復(fù)等生境改善技術(shù)，構(gòu)建以活水-凈化-修復(fù)為基礎(chǔ)的河道水環(huán)境組合修復(fù)系統(tǒng)，為水生植物、動(dòng)物、微生物創(chuàng)造良好的生存環(huán)境，實(shí)現(xiàn)水生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，從根本上改善水質(zhì)、恢復(fù)水體持續(xù)自凈能力（圖2）。

圖2 旁路凈化與活水循環(huán)示范工程工藝流程

旁路凈化選取的硫鐵耦合脫氮工藝應(yīng)用新型自養(yǎng)反硝化技術(shù)，微生物在缺氧條件下，以硫?yàn)殡娮庸w，以無機(jī)碳作為碳源，將硝酸鹽還原為氮?dú)猓饕獙?shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)水中硝態(tài)氮（NO3）的反硝化，同時(shí)去除部分TP。脫氮池中裝填特制硫鐵耦合填料，利用濾料上生長(zhǎng)、附著的微生物的代謝作用，吸附、降解污水中的NO3、有機(jī)物，去除部分TP。硫鐵耦合脫氮技術(shù)具有不依賴碳源、脫氮效率高且效果穩(wěn)定等特點(diǎn)。硫自養(yǎng)反硝化是微生物以還原態(tài)硫（S2-、S、S2O32-等）為電子供體，以CO2作為碳源，將硝酸鹽還原為氮?dú)猓浞匠淌郊霸砣缦拢?/p>

在脫氮硫桿菌的作用下，單質(zhì)S 失去電子變成SO42-，NO3-得到電子被還原成N2；同時(shí)，單質(zhì)Fe也具有較強(qiáng)的還原作用，F(xiàn)e失去電子變成Fe2+，NO3-被還原生成NO2-和NH4+，生成的一部分NO2-被直接還原成N2，這樣，將污水中的NO3-去除。硫自養(yǎng)反硝化產(chǎn)生的H+還會(huì)促進(jìn)Fe 溶出，從而提升除磷效果［1］。該工藝具有低成本、低能耗、低污泥產(chǎn)率、高效率、高抗沖擊能力、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，在諸如河道水的低C/N 比廢水處理領(lǐng)域，具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和廣闊發(fā)展前景［2］。在氮污染物削減方面，相比傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化濾池，無需外加碳源，能極大降低運(yùn)行成本和運(yùn)行難度，同時(shí)降低早期投入成本［3-4］。旁路凈化階段可以穩(wěn)定削減水體中污染物總量，為后續(xù)水生態(tài)強(qiáng)化治理提供良好的保障，提升河道水污染事故應(yīng)急處理能力［5］。

水生態(tài)強(qiáng)化凈化技術(shù)是利用人工濕地模擬自然濕地的人工生態(tài)系統(tǒng)，將石、砂、土壤、煤渣等基質(zhì)按一定比例混合，利用水生植物搭配去除水體污染物。本項(xiàng)目通過三級(jí)表流人工濕地，選用不同的植物品種構(gòu)建一個(gè)獨(dú)特的土壤、植物、微生物綜合生態(tài)系統(tǒng)，恢復(fù)河道生物多樣性，穩(wěn)定水質(zhì)。

3.1 旁路凈化工程工藝布置與流程

項(xiàng)目組在河道岸邊設(shè)置一套處理規(guī)模為100 t/d的移動(dòng)式污水處理設(shè)備。污水泵首先從河道下游提水至岸上旁路處理系統(tǒng)中的曝氣生物濾池，進(jìn)行氨氮的硝化，并對(duì)有機(jī)物進(jìn)行降解、同時(shí)截留SS。濾池出水進(jìn)入中間水桶，經(jīng)泵打入硫鐵耦合脫氮池，在無需外加有機(jī)碳源的情況下將硝酸鹽還原為氮?dú)猓▓D3）。脫氮池的出水排放入河道上游，進(jìn)入后續(xù)的處理工藝，由此形成旁路凈化、生態(tài)提升和人工動(dòng)力循環(huán)［6］。旁路凈化工藝設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指標(biāo)達(dá)地表水IV 類標(biāo)準(zhǔn)以上，即ρ（COD）≤30 mg/L，ρ（NH4+-N）≤1.5 mg/L，ρ（TP）≤0.3 mg/L，ρ（TN）≤1.5mg/L。

圖3 旁路處理系統(tǒng)

3.2 水生態(tài)強(qiáng)化凈化工程工藝布置與流程

用于尾水深度凈化的生態(tài)河道按照功能分區(qū)依次分為初級(jí)表流人工濕地型生態(tài)河道（挺水植物區(qū)）、二級(jí)表面流人工濕地型河道（浮葉植物區(qū)）和水下森林深度凈化區(qū)（沉水植物恢復(fù)區(qū)），經(jīng)過三級(jí)凈化后出水［7-8］。具體流程見圖4。

圖4 尾水生態(tài)凈化流程

水生態(tài)強(qiáng)化凈化工程的備選植物包含土著種（水鱉、浮萍、槐葉萍、狐尾藻、水盾草）和采購種（大薸、睡蓮、輪葉黑藻、苦草、篦齒眼子菜），優(yōu)化組合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明浮葉植物選取本土的水鱉和易控養(yǎng)的大薸，沉水植物選擇穗花狐尾藻、水盾草為優(yōu)勢(shì)種，苦草為伴生種效果較好。項(xiàng)目施工完成后，歷經(jīng)5個(gè)月的運(yùn)維，水質(zhì)顯著提升至地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，河道的自凈能力恢復(fù)，水質(zhì)持續(xù)向好。2021年12月至2022 年1 月，冬季的水質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告顯示，生態(tài)河道系統(tǒng)順利越冬，水質(zhì)穩(wěn)定在地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（表2、圖5）。

圖5 生態(tài)修復(fù)后河道水質(zhì)指標(biāo)

表2 生態(tài)修復(fù)后河道水質(zhì)指標(biāo)

4 結(jié) 語

構(gòu)建互聯(lián)互通、引排順暢、生態(tài)良好的農(nóng)村河網(wǎng)水系可作為骨干水網(wǎng)的重要補(bǔ)充。研究提出集成應(yīng)用旁路凈化和水生態(tài)水體強(qiáng)化凈化的水質(zhì)提升集成技術(shù)并進(jìn)行示范應(yīng)用，主要結(jié)論如下：（1）旁路凈化工程運(yùn)行結(jié)果表明硫鐵耦合脫氮工藝在處理河道水方面具有調(diào)試穩(wěn)定周期短、脫氮除磷能力良好穩(wěn)定、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于河道水體凈化工程；（2）水生態(tài)強(qiáng)化工程則能夠促進(jìn)水體中有益微生物的生長(zhǎng)，達(dá)到改善水中微生物、原生動(dòng)植物的生活條件，凈化水質(zhì)的目的，能夠增加水體生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（3）集成技術(shù)可將水質(zhì)由劣V 類穩(wěn)定提升到Ⅲ類，消除污染隱患，可加快推進(jìn)農(nóng)村生態(tài)河道建設(shè)，鞏固恢復(fù)農(nóng)村河道引排能力，改善生態(tài)環(huán)境，提供高品質(zhì)、多內(nèi)涵的水生態(tài)保障。