內河挖入式港池水體富營養化治理技術*

劉明瀟，劉琴琴,陳 建,張東立,張金榜，段傳奇

4.河南水利投資集團有限公司，河南 鄭州 450002)

隨著社會經濟與交通運輸業的快速發展，一些大型內河港口年貨運量超過千萬噸。內河水運給人們帶來豐厚經濟效益與便捷的同時,港池區域水質也承擔著巨大的環境壓力。所以必須重視港航工程區域內的水環境保護及高質量發展問題。綠色港口建設必須是以維持水環境生態平衡、促進水生態文明建設為前提的可持續發展。挖入式港池水體相對穩定，水深一般不大，水流流速較小，水體交換非常緩慢，所以很容易產生水體富營養化問題，影響港池內的水質與水環境景觀，這是具有普遍性的內河港口水環境問題。

與人類活動關系密切的水域污染多是因水體中的氮(N)、磷(P)含量過高而引起的水體富營養化[1]。世界各國學者對富營養化治理提出許多方法[2-4]：吳雪潔[5]提出采用清淤、清障措施，利用水系連通與構建水生植物群落等方法除污凈水；卜久賀[6]提出各具特色的除藻劑法、混凝沉淀法、化學氧化法、非氧化型化學法等化學方法識別富營養化程度；李桂榮[7]通過試驗研究，開發了EPRC(efficient phosphorus removal composite)，發現該復合材料對于污水中的磷具有明顯的去除效果。也有人提出生物治理措施及生態治理技術，通過在水體中設置凈化植物來吸收水中營養物質、降低水體的營養化程度。該技術在上海黃浦江兩岸的治理中大量使用并取得很好的效果。針對挖入式港池[8-10]的邊界與水質特征開展的諸如與水環境相關的水動力特性與泥沙淤積特性等研究較少，只有林俊龍[11]對某挖入式港池的回淤分析建立了二維潮流泥沙模型，但是并未涉及如何處理挖入式港池內水體富營養化，因此對挖入式港池中水體富營養化治理進行研究非常必要。

筆者針對挖入式港池邊界條件、水體特性及工作環境，分析港池內水體富營養化產生的原因及特點；提出兼顧水體治理與景觀效應的生態浮島治理水體富營養化理念，通過在港池回旋水域外局部靜水區域投放小型生態浮島，配置高效吸收水體富養化的水生植物種植方案，并針對治理效率進行方案優化。同時，以某內河港池為例，提出生態浮島治理水體富營養化的工程技術與費用估算。結果表明,合理配置生態浮島能有效控制水體富營養化、改善水質并營造港池綠色景觀。

1 港區內水體富營養化產生的原因和特點

1.1 富營養化產生的原因

近年來，隨著集裝箱航運業務的發展，內河港業務量大幅增加，進出港船舶數量和出入頻率均成倍增長，給港口周邊水生態環境帶來巨大壓力[12]。許多內河港挖入式港池因內部水體不流動，污染負荷增加，水體富營養化造成水質惡化，有些港池水環境污染嚴重(圖1)。

圖1 某內河港池內水體富營養化污染現狀

港池內水體富營養化產生的原因如下：1)挖入式港池的邊界條件造成水體的連通性弱、流速低。矩形港池內有4個邊角屬死水區，水體流動性更弱。這些都會引起不同程度的水環境污染。2)港口吞吐量大時，進出船舶很多，船舶排放的油類、毒性有害物質、船舶垃圾、船上生活廢水等有大量富營養物質排入港池，進入港池邊壁四角死水區后，水體流動更緩慢，特別容易促進藻類等微生物的滋生繁殖，再加上非冬季高溫天氣促使微生物生長，從而導致許多挖入式港池內普遍存在藍藻爆發、水體富營養化污染。

1.2 港池內水環境特點及生態影響

內河航道的挖入式港池邊界條件決定了自身水環境特征：半封閉、流速較小、水體交換很慢。因為與河流毗鄰，河流泥沙等一些懸浮物質還會因側向環流卷吸作用和異重流側向潛入作用進入港池，造成港池淤積和水質變差。如果采用現有常用的河道內水體富營養化治理方法(底部種植水草)，則水草根部吸收底泥里的營養物質，而非水體內的營養物質。另外，水草在底部難以清除，水草腐爛后會增加水體中的營養物質。采用傳統的漂浮水葫蘆法治理水體富營養化雖然很好，但它吸收完水中營養物質后必須被及時清走，否則會四處漂浮生長，影響港池安全運行。

如果不及時治理港池內的富營養化，則水生植物蔓延必然對船舶進出、停靠造成阻礙，影響進出港作業效率，同時破壞港區水生態環境。如今國家大力提倡發展臨港產業，港口碼頭附近形成的產業聚集區已不單是生產經營場所，而是區域生態的有機組成部分，是城鎮綠色發展的名片。特別是圍繞港口發展的工業區、服務區、行政區，逐步成長為區域產業、經濟文化活動中心。港池水體富營養化造成的水質惡化及景觀丑化，都是綠色港區發展的制約因素，因此有效治理港池內水體的富營養化，是綠色港區建設的水環境保障基礎。

2 港池內水體富營養化解決措施

2.1 生態浮島技術

用凈化植物來吸收水中的營養物質、降低水體營養化程度的生物治理技術是目前一種生態治污措施。要解決港池死角區富營養化污染，必須能夠靈活控制治污處理范圍，方便施放與回收，同時與港區整體環境協調一致，符合生態文明建設要求。生態浮島便是可以滿足上述要求的新型治污技術。

生態浮島是一種針對富營養化的水質、利用生態工學原理來降解水中COD、氮、磷的人工浮島[13-14](圖2)。生態浮島上栽種的凈水植物通常有草木犀、白三葉、夏枯草、黃花鳶尾以及野薄荷等，它們能使水體透明度大幅度提高，同時改善水質，特別是對藻類有很好的抑制效果。生態浮島最主要的功效是利用植物的根系吸收水中的富營養化物質，例如總磷、氨氮、有機物等，使得水體的營養得到轉移，減輕水體由于封閉或自循環不足帶來的水體腥臭、富營養化等危害。

圖2 人工浮島

采用與景觀相結合的生態浮島技術，在解決港區挖入式港池內部水體富營養化污染問題的同時，兼顧美化港池水環境，凸顯綠色港區的建設理念與特色。

2.2 生態浮島布置及植物種類

2.2.1尺寸與布置

生態浮島的尺寸應根據處理水體富營養化的特點和范圍靈活決定，為方便使用，一般不宜太大。為解決港池死角的水體富營養化問題，生態浮島的單體面積可以選擇4～6 m2,覆蓋處理水面的25%～30%；同時，從景觀學角度考慮，生態浮島布設位置應在視角10°～20°范圍內，美化港池。

2.2.2植物種類

凈水植物是實現富營養化治理的基本手段，必須根據水體的富營養化特點，選擇針對性植物種類。對于低濃度氮磷的富營養化水質，適宜的凈水植物有菖蒲、草木犀、白三葉等；對于中等或較高氮磷的富營養化水質，適宜的凈水植物有夏枯草、黃花鳶尾以及野薄荷等，它們對這種水質有較好的凈化功能(圖3)。具有吸收營養物質能力的常見水生植物見表1。

表1 凈化水質植物種類及費用

注:pH、pX、pY、 pC、pYZ、pZ分別代表黃花鳶尾、夏枯草、野薄荷、菖蒲、燕子花和澤瀉的價格。

圖3 凈水植物

2.3 生態浮島的特點

生態浮島具有凈化水質、美化水面景觀、提供水生生物棲息空間及美化港區環境等多種功能。其特點如下:

1)尺寸可大可小，形狀可以根據水域特點設計，靈活多樣；

2)易于標準化制作，價格適中，方便運輸、施放與回收更換；

3)無須專人管理，只須定期清理或更換水生植物，減少水污染處理的設備投資，大大節省維護保養費和設備的運行費用等；

4)不但可對港池內水環境進行優化治理，同時也是綠色港區生態文明建設的景觀組成部分。

2.4 生態浮島處理水體富營養化的費用

2.4.1生態浮島制作費用

現今常用的人工浮島有干式和濕式2種，港池內宜采用水和植物接觸的濕式浮島。一般要求港池內浮島可拆卸，便于在港池死角區安置。常見的平面結構為9盆栽網孔，費用為65～95元/m2,市場也可根據需求，靈活確定浮島規格、面積與栽種要求，此時費用會適當提高。

2.4.2凈水植物費用

能夠吸收氨(-NH+3)、氮(N)、磷(P)和降低COD、TN，并有一定耐鹽堿能力的水生植物[15-16]的可選種類及按目前市場價格給出的費用見表1。為兼顧水面景觀多樣化效果與水體清潔的治污需求，可以采用不同的植物配置方案。表2給出適用于挖入式港池富營養化治理的不同生物配置方案及費用。

表2 生態浮島水生植物種植方案對比及費用

續表2

方案種植方案(9孔∕m2式浮島)費用估算工程造價∕(元·m-2)適用環境∕功能方案3黃花鳶尾(2)+黃花鳶尾(2)+菖蒲(2)+菖蒲(2)+燕子花(2)+燕子花(2)+燕子花(2)+澤瀉(2)+澤瀉(2)pH×4+pYZ×6+pC×4+pZ×492.4富營養化水體∕凈化水環境,降低氨、氮、磷、COD方案4黃花鳶尾(2)pH×2×992.0富營養化水體∕去除氨、氮、磷,凈化水質方案5菖蒲(2)PC×2×992.0富營養化水體∕降低COD、TP,凈化水質方案6澤瀉(2)PZ×2×993.8富營養化水體∕設計花型,降低COD,凈化水質

注：1.浮島采用9孔/m2的形式，在9孔中分別種植兩株不同植株例如澤瀉(2)，以上同理；2.費用估算中公式說明見表1注。

2.4.3方案優化

表2中所列生物浮島都可以凈化水質，但各有所長。合理選擇種植方案，會提高生態浮島凈化效果，節約凈化費用。對大量港池資料進行分析發現，內河航道港池內水體的常見富營養化指標主要為氨氮、總磷、COD、TN等，特別是總磷和氨氮含量高。分析表2各方案特點及費用可以看出，種植方案2比較適應現狀內河港池水環境條件，浮島的水生生物學特性良好、物種多樣性較強，具備吸收港池內水體常見富養成分的能力；另外，該方案浮島植物種類較為豐富，植物多樣性不僅有利于水體快速多層次凈化，而且多種植物搭配種也具有較好的觀賞性，符合生態水工美學要求。這種方混搭型植物生態浮島可以很好地兼顧水體美觀與水體清潔功效，且性價比較高。某內河港口港池內選擇方案2進行了生態浮島的布設，每個港池放置4個生態浮島，經過6～10個月的應用，水質大大改善(表3)；生態浮島也改善了港池整體水環境質量，適應綠色港區的總體發展建設需求。

表3 采用生態浮島治理前后水質指標對比

3 工程實例

3.1 工程及水環境概況

某內河港口在內河運輸中地理位置優越，該港口以下89 km航道常年通航，航道規劃等級為3級。由于航道所在河流水源充沛，航道斷面具有窄深的特點，加上船閘樞紐的聯合運用，現航道通航能力可達2 000噸級以上。港口共有5個挖入式港池，其中2個港池、12個千噸級泊位已建成運營，具備年吞吐量1 300萬t以上的貨物周轉能力，目前正通過多式聯運改造與綠色港區建設來提升港口發展水平。

港池平面形態均為矩形(120 m×80 m)，混凝土邊壁，水深6～7 m；港池可以停泊千噸級船舶(一般寬8～12 m，長30～50 m)12艘。港池水體幾乎不流動，與河道水體交換十分緩慢。隨著碼頭貨運量的快速增長，碼頭運營作業及周邊水環境影響使得近年來港池內水質下降，死角區不同程度地出現富營養化問題，影響港區水環境質量與港區形象。

3.2 方案設計及費用

3.2.1水環境治理方案

為解決港池內水環境的富營養化污染問題，同時又不影響港池內正常運行，決定采用生態浮島技術進行港池水污染治理。根據港池空間特征及水環境污染特點，確定浮島布置方案。在全部停泊方位以外的港池4個角落各放置1個生態浮島(圖4)，生態浮島單體面積為4～6 m2；平面形態設計為3種類型：矩形平面2 m×(2～3)m，圓形或扇形(直徑2.0～3.0 m)；覆蓋死角區水域面積的25%～30%。生態浮島的種植類型有2大類：基于“四角區分”的原則，靠近港池內部的2個角按方案2布置，為4種搭配型水生植物；靠近港池前沿的2個角按方案4、5布置，為單一水生植物。總體上，浮島植物高低錯落有致、具有較好的觀賞性，性價比較高。

圖4 港區生態浮島平面布置

3.2.2治理費用

以單個港池水體富營養化治理工程費用估算：按最大停泊方案停靠千頓級船50 m×12 m考慮，在港池內4個角落各布置1個浮島。按圓形面計，浮島區總面積28 m2。按方案2(混合水生植物)計，以目前市場價估算，4個生態浮島制作費用約3 000元左右；再加上浮島植物日常維護及人工費用，2個正在運行的港池生態浮島的綜合年費用約3.0萬元；如果按5個港池全運行考慮，綜合年費用約6.5萬元。

3.3 水體富營養化治理初步成果

在港池4個角落布置混合生態浮島，生態浮島上種植夏枯草、黃花鳶尾、菖蒲、澤瀉，在碼頭前沿非泊船區種植單一水生植物黃花鳶尾或菖蒲等。在人工機械協同處理水中藻類浮游物體后，進行生態浮島種植布置。水生植物從種植幼苗到完全茂盛須經歷5個月的時間，在此期間吸收水中N、P等物質，降低COD。從布置在港池內的生態浮島治理前后效果對比(圖5)看，生態浮島治理后不再出現藻類浮游植物，水質得到提高，水污染狀況得到初步改善。

圖5 生態浮島治理前后港池環境對比

4 結論

1)生態浮島技術是一種比較適合港區水環境特點與生態文明建設理念的港池富營養化治理方法。

2)對某內河港池進行水環境富營養化治理方案研究，設計了采用不影響碼頭作業的生態浮島凈化處理方案，采用混合種植模式(植配夏枯草、黃花鳶尾、菖蒲、澤瀉)、“四角區分”方法，兼顧水體景觀又可有效去除水體富營養化，具有治理效果好和性價比高的優點。生態浮島技術用于應對挖入式港池水體富營養化治理已初見成效。