中小河流水質監測調控治理方案研究

張紅武 趙晨蘇 馮長松 張羅號

摘要：在分析水治理現狀的基礎上，針對我國推行河長制后水質必須達標的需求，以所研發的污水、污泥處理技術為基礎，提出了中小河流水質監測調控治理方案。即運用復相系統高效捕捉原理，按照“無毒、穩定、特效、自然、經濟”5個條件尋覓除污材料，按一定配方加工成對水中致污物質具有極強“捕捉”能力的“澄凈粉”，使水質的理化特性和水環境中的生物特性、組成等改良，從而促使水質達標。采用復相系統綠色處置法及物理處置法并舉治理的技術途徑，結合物聯網的水質監測系統，實現擬治理河段水質的預警預報，并且智能確定“澄凈液”的最佳配置組成與調控治理方案，從而形成一套完整的自動監測、物聯網設備監測、科學調控的綠色治理體系。

關鍵詞：中小河流;水質監控;水質污染;調控治理

中圖分類號：X522 文獻標志碼：A

1 背景

1.1 問題的提出

我國中小河流受自然地理環境和人類社會影響，多屬季節性河流，汛期可能出現洪水，非汛期來流量小，常不能保證最小生態流量，水體污染嚴重，枯水季節水質達標十分困難川。為便于調節，防止斷流，便于引水，以及盡量在城區段保持一定的蓄水水面等，一般在河道縣界斷面設置水閘，僅在洪水期根據防洪需要開閘排洪，河道水文要素與水質變化很大[1]。

2018年是打好污染防治攻堅戰的開局之年，各地政府大干快治，中央環保督察緊逼，水治理工作得到有力推進。但在技術水平與財政實力不足的條件下，中小河流水治理更多的是表面治理，至多是追求監測斷面有較高的達標率。調查表明，每逢雨季全國不少企業和污水處理廠趁機將難以計數的污水偷排。以我國某城市為例，政府將某環保公司作為特許經營廢棄物集中處置單位，前些年市內企業都將所產生的污泥交給該公司處理，取得很大經濟收益。而今受政策變化影響，污泥“做”成的肥料不允許用到公共綠地，畢竟會將重金屬長期保留在土壤中;焚燒爐也不讓再建，畢竟排出廢氣中二（口惡）英（簡稱PCDDs）的影響對公眾心理壓力太大。于是，該環保公司不再接收郊區中小企業的污泥，污泥成了“燙手山芋”，那些企業只得將污泥擅自處理。

長期以來，環保學科與關鍵技術沒得到實質性突破，治理效果一般是事倍功半，尤其現實中污/廢水處理投入大于回報，導致出現只注重短期治理不考慮長期效果的局面。個別實驗室研發的污泥治理技術，成本遠遠高于現實中政府和企業能接受的價格，實際治理時難以采用，因此多為名義上治理、實質上應付甚至是污染轉移的治理模式[2]。全國各地處理污水產生的大量沒有經過治理的污泥，含大量有毒有害物質，勢必成為引爆環境危機的隱患[3]。同時一窩蜂的盲目治理，相關設備設施和落后技術的投入造成了巨大浪費。以燃煤脫硫為例，僅2017年就需要從我國青山上開采1億t優質石灰石用于燃煤脫硫，脫硫后給后人留下1.7億t廢棄石膏。

目前縣級及以上河長負責組織對下一級河長進行考核，實行生態環境損害責任終身追究制，各地壓力較大。為此，根據我國推行河長制之后水質必須達標的需求，在分析水治理現狀的基礎上，就中小河流水質達標需求，通過創新研發污水污泥處理技術，對水質監測調控治理方案開展研究。

1.2 水治理現狀

（1）水質治理現狀。中央環保督察發現，廣東佛山市為使漫水河斷面水質達標，在漫水河人北江的河口上游約50m處安置曝氣增氧機，提高下游監測斷面溶解氧濃度，從而達到考核要求[4]。廣東清遠市為了應付瀾水河、海仔大排檔、龍瀝大排坑和黃坑河的治理任務，不進行截污與清淤，而是采用臨時調水稀釋的對策。這種單純應付斷面水質監測的行為暴露出當地政府假治理的問題。

我國襲用歐美國家的污染治理手段，從經濟與治理效果方面，一般不適用于我國環保問題歷史欠賬多、污染程度高狀況下的治理，且受學科發展限制，實際治理采用的技術、方法問題較多。例如，在中小河流水質改良與黑臭水體的治理中，歐美國家習用生物修復技術[5]，利用特定的生物吸收、轉化、清除或降解環境中的污染物，使受污染水體與底泥能夠較多恢復到原初狀態。通過培育微生物、水生植物對水質進行凈化，并輔以河道曝氣、穩定塘等技術進行污染治理[6-7]。但實踐中發現生物法仍有問題。以生態浮島技術[8]為例，有如下局限：污染程度較高時，生物法處理速度慢且效果差;微生物生存狀態及水處理效果對水溫變化比較敏感[6-7，9];受河流水沙條件影響，生態治理效果不穩定，生物菌劑難以適應河水流態變化，難以持續發揮作用[9-10];河中設置浮島，明顯減小了排洪斷面，對河道行洪排澇有影響，且洪水容易將浮島沖毀[3]。故該治理技術在河流水質改良與黑臭水體治理中不宜運用。至于化學藥劑法主要是投加鐵鹽、鈣鹽、鋁鹽等藥劑，使之與水體中溶解態磷酸鹽形成不溶性的固體沉淀[10]。化學藥劑具有一定毒性，處理后水中含鹽量難去除且成本過高，最后產生較多的沉積物易形成二次污染，在自然河渠水質治理中更不可使用。

（2）污泥治理。近年來，隨著生態環保意識的不斷提高，針對污泥處置中面臨的問題，中央及地方各級環保、住建、發改等部門先后出臺了相關政策、法規和指南，明確了污泥處理的重要性。“水十條”要求現有污泥處理處置設施于2017年年底前基本完成達標改造。但受多重因素掣肘，我國一批污泥消化設施安裝了國外普遍采用的效果并不理想的厭氧消化裝置，能夠穩定運行的目前只有一半。現實中各地將污水處理系統和污泥處理系統剝離開來，甚至為了追求污水處理率，都盡可能簡化污泥處理處置環節。

由于我國污泥的泥質含量高、有機物含量低，因此干化焚燒和厭氧消化都不可行，為降低污泥處理成本，很多污泥運往垃圾處理場直接填埋，不僅土地填埋成本較高，而且大量垃圾填埋場防滲建設不合格，未經處理的污泥中重金屬等超標，對地下水有長期影響[11]。隨著垃圾填埋場的飽和，不少污水處理廠產生的污泥暴露在臨時堆積場，甚至堆積在江河旁，下雨后造成二次污染，環境隱患突出[12]。近年來，國家有關部門對此問題陸續出臺了相關政策、法規，污泥從過去單一的填埋處置兼而走上農藝運用、建材制造、焚燒消化等新的處置出路。

新的污泥處理技術還不成熟，成本高。例如，一般中型城市污水處理廠過去將污泥外運，填埋處理只花費約30元/t，如今運往具有特許經營權的環保公司后，可能將部分污泥運至當地水泥廠焚燒處理，需要付處置費約300元/t，甚至更高[11]。隨著城區人口日益增長和污水管網日益完善，污泥產量遠超水泥廠處理能力，擴建污泥焚燒設備，處理費用還將上漲。我國污水處理廠運營公司在投標時，水價折算往往將污泥處理按最經濟的填埋方式考慮，特許經營協議期間，由于各種成本增加與政府調增水價難度大，因此政府與企業很難再加大對污泥處置設施建設和運行的資金投入。

農藝運用會使重金屬長期保留在土壤中，制造建材產生的放射性物質對人體有害，而焚燒消化成本和技術要求很高。利用現有發電廠與水泥廠的焚燒爐對污泥進行混合焚燒處理較多，但是有些發電廠不愿接收污泥，因此很多水務集團試圖單獨建立焚燒設施。需要強調的是，焚燒爐廢氣二（口惡）英、汞及其化合物、砷鎳及其化合物等即使能夠達標排放，也存在大氣污染問題。原因是，所排放的二（口惡）英占其總排放量的75%以上，是目前為止發現的毒性最強的物質，更何況現實中二（口惡）英常超標排放。

從水泥企業狀況來看也不樂觀。由于產能過剩以及環境成本提高等，因此不少水泥企業生存日趨艱難。如果最新修訂的《水泥工業大氣污染物排放標準》（GB4915-2013）[13]嚴格執行，那么不少中小型水泥企業更難生存，必須依靠地方政府的優惠政策才能勉強維持。根據相關鼓勵政策，水泥企業消納部分工業廢棄物（占水泥產量的30%）可享受國家退免增值稅的政策。

由此來看，污泥直接填埋占地多且易污染土壤，焚燒成本高且污染大氣，農業利用（包括土壤改良）和園林綠化都難免有毒有害物質污染土壤。電動修復污泥的技術原理是對污染土壤施加直流電場，通過電滲、電遷移、電泳等機制使污染物在電極區富集，再將污染物進行集中處理或分離，從而實現重金屬的分離。針對該技術采用貴金屬電極成本昂貴等缺點，中持水務公司與清大動力水治理公司采用塑料復合電極，解決了降低成本與電極易腐蝕的難題。該技術缺點是易將惡臭氣體轉移至空氣中，且修復成本較高，實際運用前須經過成本分析與方案比選。

2 技術方案

2.1 治理思路

采用的綠色技術，系基于復相系統高效捕捉原理與復相流理論的污水治理技術（該技術屬于核心技術，目前尚未公開）。水流強度會對水污染程度和水生植物生存情況產生不同程度的影響，能判斷水流強度對水質影響的面積型弗勞德數Fr_A[14]為式中：u為流速;g為重力加速度;A為過流斷面面積;H為水深;B為河寬。

利用式（1）可定量判斷水流特性對河流污染物沉降、擴散過程產生的影響，發現中小河流的上游段與中游段，流速大、過流斷面面積小[15]，相應的Fr_A較大，水質一般不超標;而在其尾部段，流速小、過流斷面面積大，相應的Fr_A較小，水質易超標。故經過計算判斷后，利用復相系統高效捕捉技術治理的重點為河流尾部段。尾部段由于所設閘門不常開啟，附近水體易出現水質惡化，因此在閘門上游河段一定范圍內布設管路，采取循環復氧措施，產生充氧效果。

雨季入河漂浮污染物和垃圾多，需借助機動清污船清除漂浮污染物，同時利用設置的特殊設施與捕捉技術，清除水面有機污染物和垃圾。此外，采用河外土工編織沙袋布控等措施，對雨水進行沉淀處理，減少污染物與泥沙進入河流。在污染嚴重河段常因有機污泥厭氧發酵、底泥上浮而造成水體污染加重，氣溫高時，底泥對水治理效果影響更大。因此，在采取上述措施的同時，利用吸泥設施將底泥抽吸至岸邊，并利用基于復相系統高效捕捉原理分離污染物的澄凈塔，將底泥處理達標[3]。

該技術能夠確保水治理成功并經濟可行，體現改善水質的可持續性。如果是應急治理，那么方案實施后可立即見效。此外，由于采取的是綠色治理技術，因此散落在河底的沉降物對降低河道底泥污染物含量有良性作用，無須專門清理。

2.2 復相系統污水處理技術

20世紀90年代初期，張紅武團隊系統研究了微粒自然絮凝物理過程，發現微粒濃度超過臨界濃度后，顆粒自然發育的絮團之間即聯結成網狀結構[16-17]。20世紀90年代中后期，該團隊為解決黃河小沙灣取水工程高濁度水處理的技術難題，開展了水流紊動與加藥（聚丙烯酞胺）反應效果的理論研究[12]，建立了加藥量、水流強度與濁度之間的關系，并通過斜板預沉池模型試驗，對不同工況下的去除率進行了試驗[18]，小沙灣高濁度水處理廠至今運行良好。但近些年認識到化學藥劑對水處理具有加大污泥毒性、體量的負面作用，會帶來二次污染，便致力于研發水處理綠色技術。

該團隊近年的污水治理技術是基于復相系統高效捕捉原理自主研發的，其技術關鍵是按照“無毒、穩定、特效、自然、經濟”5個條件尋覓除污材料，按一定配方研制加工成對水中致污物質（如水中的氨氮、鹽分、微量元素、放射性物質等）具有極強“捕捉”能力的粉末，可稱之為“澄凈粉”[3]，使水質的理化特性和水環境中的生物特性、組成等得以改良，從而促使水質達標。中小河流水質治理適用的處置系統主要由澄凈液（澄凈粉攪拌后生成）生成裝置與澄凈液輸送噴射裝置組成，后者主要按照復相流理論確定具體工藝，為提高澄凈粉在擬治理水體中同污染物質的遭遇概率創造條件。該技術利用溫差異重流[17，19]原理，凌晨將溫度較高的澄凈液加入治理河段后，在較冷的河水表層流動，形成上層異重流，產生“水上漂”奇觀，有利于澄凈液在重力作用下，緩慢與下層河水中污染物充分接觸，有效捕捉污染物后沉入河底。

2.3 水質監測與調控系統

（1）監測系統。基于物聯網的水質實時監測系統，可及時評價中小河流水質水平，同時在綜合考慮閘壩調度、污染物類型和氣象條件等因素基礎上，實現動態監測、調控治理。水質監測項目一般包括pH值、COD、氨氮、總磷和水溫。通過pH值可初步鑒定污染物的種類;COD濃度越大，說明水體受有機物污染越嚴重;氨氮主要以游離氨（NH₃）和銨離子（NH⁺₄）形式存在于水體中，是主要耗氧污染物;磷會導致水體富營養化，引發藻類植物過度生長，消耗水體中的氧氣。另外，汛期還要盡量對水文要素進行監測。

采集數據后，利用諸如指數評價法、人工神經網絡模型等[20-21]對水質進行綜合評價，并分析、預測水質指標時間序列，即時反饋至調控系統。

（2）調控系統。采用自動化水質監測與治理調控相結合的方法，根據擬治理河段水質表現與水質要求，設置水質預警值。當斷面實時監測數據接近預警值時，立即根據河道水質與水沙狀況（后者以Fr_A與濁度為指標），結合復相系統特殊運動需要，自動給出調控治理方案，智能確定澄凈粉的投放量等參數。澄凈液以最佳組合配置生成，在河水內以復相流運動形式彌散其中，促使水質達標。

可在監測斷面上游500～700m岸邊設置澄凈液配送站，通過動力裝置將澄凈液輸送到指定斷面（稱治理斷面1），并利用“U”形管道向水中噴射澄凈液，使澄凈液遍布水體，“吸附”“捕捉”污染物。澄凈粉攪拌和輸送站占地面積50m²（5m×10m），主要將澄凈粉攪拌后生成澄凈液，再通過動力裝置輸送至待治理水體，見圖1。

通過水質監測系統進行COD、氨氮的監測，根據對比分析及時出具治理進度階段報告，實現調控治理。若斷面1水質惡化，可通過動力裝置與管道，將澄凈液輸送到上游斷面（稱為治理斷面2），在機動清污船的配合下對下游水體進行治理。由于上述動力裝置能將高濃度澄凈液輸送至10km以外，因此對于斷面2的上游河段，可在水質不達標時繼續將澄凈液輸送到上游，對相應水體進行治理。

2.4 底泥的治理技術

由于污泥主要成分是各類污染物和一定粒徑的泥沙，因此污泥可直接利用上述分離污染物的澄凈塔分離技術進行治理。利用吸泥設施將底泥流直接抽人塔中，充分攪拌污泥流。泥沙沉至塔底，先將底部達標泥沙排出，再加入澄凈粉，并將剩余污染物壓入底部。如此操作后，含污染物污泥體量將大大減少，從而降低污泥處理費用，并保證水質持續達標。處理后底泥還可回收利用，例如可運用本團隊研發的底泥生物固化技術，將底泥用于渠道護底，也可修建停車場等。

3 結論

通過梳理中小河流污染面臨的問題，在闡述水治理現狀的基礎上，就我國推行河長制后水質必須達標的需求，在保證杜絕化學法治理的原則下，通過創新研發污水、污泥處理技術，對水質監測調控治理方案開展研究。首次提出采用復相系統綠色處置法及物理處置法并舉治理的技術途徑，實現水質與底泥達標。同時基于物聯網的監測調控系統，實現擬治理河段水質的預警預報，并且智能確定澄凈液的最佳配置組成與調控治理方案，從而形成一套完整的自動監測、物聯網設備監測、科學調控的綠色治理體系。