以土壤溝槽滲濾系統為主體的組合工藝技術在污染河道治理中的應用效果

朱一丹，袁海平，鄭寨生，王方園，楊春山

(1. 金華市農業科學研究院，浙江金華 321017;2. 上海交通大學環境科學與工程學院，上海 200240;3. 浙江師范大學，浙江金華 321004;寧波市潔源環保科技發展有限公司，浙江寧波 315040)

河流系統是自然界重要的生態系統之一，具有輸水、泄洪、景觀、航運和養殖等多種功能［1，2］。隨著城市化進程的加快以及農村面源污染的加劇，河流污染逐漸成為環境問題的焦點。河道污染主要是由過量的耗氧有機物、氮、磷及有毒物質等進入河流水體引起，當污染物濃度超過水體生態環境的自凈能力，可破壞河流的功能和水生態平衡［3］。依據2008 年發布的中國環境狀況公報可知我國七大水系200 條河流的409 個地表水監測斷面中，IV 類及以下的斷面比例高達45%，因此當前在我國開展河流修復技術研究顯得尤為迫切。

河道生態修復是近年來在河道整治領域引入的比較先進的技術。根據美國土木工程師協會對河道生態修復的定義為一種環境保護行動，其目的是促進河道系統恢復到較為自然的狀態。國內外在修復河流自然形態方面主要成功的措施有恢復緩沖帶、重建植被、修建人工濕地、降低河道邊坡、重塑淺灘和深潭、修復水邊濕均沼澤地森林、修復池塘［4-7］、河道曝氣、底泥生態疏浚、生態護坡技術、水質生態修復技術等［8］。北京涼水河生態治理工程、上海蘇州河的水環境綜合治理、南京秦淮河整治工程等都是比較典型的治理工程。

以土壤溝槽滲濾為主體的組合工藝處理技術是采用生態學原理維護河道水質的一種新型實用技術。該系統將河水從下游抽取，投配到裝載有多介質并具有良好滲透性的復合材料處理層中，借處理層進行物理吸附與化學沉積、微生物降解與轉化等作用，使河水中的有機物得到降解、磷與氨氮濃度得到控制，從而使河道水質尤其是靜態河道的水質得以改善。經過土壤溝槽滲濾系統處理后的河水，從河道上游直接排入河道中，也可通過河道堤岸布水槽進行均勻排放回到河道。與其他傳統的一些污染水體處理方法相比較，土壤溝槽滲濾系統作為主體的污水生態處理方法具有處理成本較低、易于操作和管理等優點。

本文以浙江省寧波市江東區的鄒家河河道修復情況作為應用實例，詳細介紹了該技術對污染河道的治理效果，為污染河道的綜合整治提供理論和技術上的支持。

1 污染河道修復技術工藝流程

該組合工藝具體流程如圖1 所示。在原有河道一側開辟一個生化處理區，并在其下游河道的進水端設置一個生物過濾箱，生物過濾箱內裝填一定數量的填料，利用棲附在填料上的微生物和充分供應的氧氣，通過生物氧化作用，將河水中的有機物氧化分解，同時利用填料的攔截作用，將懸浮物(SS)截留，達到凈化目的。生物過濾箱的水力停留時間為0.5 ～1.0 h。鑒于河道水質較差，水體通過生物過濾箱過程中，其中的SS 被截留，SS 中無機組分以及長期運行導致填料表面產生的生物膜，容易引起生物過濾箱的堵塞，所以必須每隔半年或者一年對其進行必要的清理。從生物過濾箱出來的河水進入土壤溝槽滲濾系統，該系統裝載有多介質并具有良好滲透性的復合材料處理層，借助處理層進行物理吸附與化學沉積、微生物分解與轉化等作用，使污染河水中的有機物得到進一步的削減、磷與氨氮濃度得到有效控制，從而使河道水質尤其是靜態河道的水質得以改善。經過處理后的河水，進入兩側的流水槽，流入原河道的上游，達到凈化水質的目的。土壤溝槽滲濾系統填料的最優配比:原位土壤為6%、河砂為59.6%、聚氨酯泡沫材料為36.8%和鐵礦石為3%(質量百分比)。該系統最大進水水力負荷為30 cm/d，且保持處理介質的飽和滲透率長期穩定在4.5 ×10-4～9.0 ×10-4cm/s。此外，針對傳統滲濾系統出水磷溶出等問題，該系統通過鐵屑固磷、除磷技術可使整個系統磷擊穿時間從原來的4 年延長至40 年。該系統可以較好地實現污水處理零污泥排放，并很好地解決了系統堵塞的問題。

河道水質改善后，河道底泥釋放的污染物會對水質構成影響。為此研究團隊采用外源投加穩定劑的底泥原位穩定法，控制底泥磷等污染物的釋放，這在一定程度上對底泥其他污染物的擴散形成起到物理阻隔作用。底泥穩定劑的主要成分和比:石灰為8%、石膏為8%，聚合氯化鋁為21%、高嶺土為63%。根據河道水文特性、底泥性質等因素，確定藥劑的最佳投加量為0.03 ～0.1 kg/m2。

圖1 土壤溝槽滲濾處理系統示意圖Fig. 1 Schematic Diagram of Soil Trench Filtration System

2 寧波市江東區鄒家河河道生態修復示范工程

2.1 工程背景

鄒家河位于寧波市江東區，該河的水質較差，氮、磷及有機物含量相對較高，遠遠超出了河道本身的自凈能力，原有水生生態系統遭到嚴重破壞，藻類死亡后散發出的腥臭味及底泥厭氧后產生的惡臭味，嚴重損害了當地居民的生活質量和身體健康。

2.2 測定指標

主要針對河水中的CODCr、氨氮、BOD5、總磷等指標進行測定，具體測定方法參考《水和廢水監測分析方法(第四版)》［9］。本試驗的樣品取水口位于土壤溝槽滲濾系統的出水口處，位于該河道的上游處。

3 試驗結果與分析

據現場試驗對進出水進行了近兩個月的跟蹤檢測，在該河道的三個不同河段(包括悅盛橋段，小橋段和建興橋段)取樣，對水質進行分析，具體原始檢測數據如表1 所示。

表1 鄒家河河道治理之前水質情況Tab.1 Water Quality of Zoujia River before Treatment

由表1 可知該河道水質遠遠超過國家Ⅴ類水質標準［10］，屬于劣Ⅴ類水質。各項指標均較高，容易造成富營養化污染，需要對其進行整治處理。

表2 為河道治理過程中CODCr的變化情況。

表2 河道治理過程中CODCr的變化情況Tab.2 Variations of CODCr during Remediation

由表2 可知經過近兩個月鄒家河河道的水質有了很大的改善，并且該河道的各個河段的CODCr沿著河道上游往下逐漸升高，但無明顯差異。CODCr從治理前的95 ～114 mg/L 降至12 ～16 mg/L，總的COD 平均去除率達到81.8%。從治理后第四周開始，鄒家河的水質已經接近IV 類水的標準了。從第六周開始，因河水中的有機物含量下降，導致COD的去除速率開始下降。從第八周起，鄒家河河道CODCr基本穩定在15 mg/L 以下。

表3 為河道治理過程中氨氮的變化情況。

表3 河道治理過程中氨氮的變化情況Tab.3 Variations of Ammonia Ntrogen during Remediation

由表3 可知依據氨氮指標，雖然水質狀況有了明顯的改善，但是鄒家河的水質還達不到Ⅴ類的水質標準。經過近兩個月鄒家河河道水體中的氨氮濃度從治理前的13.4 ～14.4 g/L 降低至3.88 ～4.12 mg/L，氨氮平均去除率達到67.05%，有效地防止水體富營養化污染的發生。從第八周起，鄒家河的河道中的氨氮濃度基本為3 ～4 mg/L。水體中的氨氮需要通過微生物的硝化和反硝化反應變成氮氣進行去除，基于該污染河道生態修復的技術特點，加上COD 的去除，水體中碳源物質的缺乏，導致水體氨氮的去除效果不佳，說明該河道生態修復技術在對河水氨氮的去除效果還有待進一步提高。

表4 為河道治理過程中總磷的變化情況。

表4 河道治理過程中總磷的變化情況Tab.4 Variations of TP during Remediation

由表4 可知經過近兩個月總磷的濃度從處理前的1.50 ～1.72 mg/L 降至0.299 ～0.343 mg/L，水質狀況達到了接近IV 類水的標準，總磷的平均去除率達到76. 74%。從第八周開始，鄒家河的河道中的TP 穩定在0.3 ～0.4 mg/L，水質狀況有了明顯的改善，有效地防止了水體富營養化的發生。

表5 為河道治理過程中BOD5的變化情況。

表5 河道治理過程中BOD5 的變化情況Tab.5 Variations of BOD5 during Remediation

由表5 可知經過近兩個月BOD5的濃度從處理前的21. 4 ～26. 4 mg/L 降至3. 22 ～4. 01 mg/L，BOD5的平均去除率達到了80. 0%。從第八周開始，鄒家河的河道中的BOD5濃度穩定在3 ～4 mg/L，水質狀況有了明顯的改善。

4 工程建設及運行費用評價

鄒家河河道長為1 200 m，河寬約5 m，平均深度為1 m，總的示范工程造價約37 萬元。

示范工程的運行費用只發生在動力耗費上，而動力消耗只發生在河道下游處理水的提升過程中。按照示范工程日流量800 m3/d 計。本示范工程采用一臺功率為0.75 kW·h 的潛水泵。日平均工作時間約24 h，水泵的工作效率為75%，電價每度為0.6 元，則動力費為

M1=24 ×0.75/0.75 ×0.6 =14.4(元/d)

每噸水的動力耗費為14.4/800 =0.018(元/t)

由上述可知平均每噸水的動力費僅需要0.018元。而利用傳統河道生態修復技術進行治理，費用和成本較高，如利用曝氣復氧進行河道治理，在最佳工藝條件下的直接運行成本為0.05 元/噸水［11］，本示范工程的運行費用約為其1/3。

5 結論

采用以土壤溝槽滲濾系統為主體的組合工藝對河水的污染治理是可行的，該技術是生物方法和化學方法相結合的辦法。對污染河道中的CODCr、BOD5的去除率在80% 以上，對氨氮的去除率一般在65% 以上，對總磷的去除率在75% 以上。示范工程的運行成本為0.018 元/噸水。

土壤溝槽滲濾系統為主體的組合工藝以其低投資、低能耗、操作管理方便以及凈化效果良好而受到重視。雖然目前在許多方面還有待于進一步研究，但其在城市河流污染治理和生態修復方面將有很大的發展空間。

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