牛首山河綜合治理及其效果研究

柴 夏， 劉平平, 咼明杰

（南京中科水治理股份有限公司， 江蘇 南京 210000）

0 引言

城市河道是集城市景觀、防洪、水利、生態涵養等多功能于一體的水體。近30 a 來由于城市化進程速度遠遠超過環境配套設施更新換代的速度， 出現了各種各樣環境問題， 尤其是城市河道水環境問題尤為突出，有些河道甚至出現了黑臭問題。城市河道水體具有流域面積廣，匯水水質復雜，河道內源污染嚴重等一系列問題。目前，市場上的治理技術主要有保證河道生態需水量、治河和截污相結合、營造生物棲息地、人工增氧和人工濕地處理等[1]。然而，在實際工程實施過程中發現河道問題往往不是單一的技術問題， 而是多種技術問題和管理問題相互交織的復雜系統問題。河道治理存在的問題主要有以下幾個方面： 河道周邊環境復雜；河道功能多重疊加且相互矛盾；內源污染嚴重；只管末端，不管根源；生態空間缺失。在技術方面如果僅僅是通過單一的技術措施很難滿足復雜環境下的河道治理需求， 因此需對現有技術進行整合，在調查清楚各種污染源的污染物及污染量，針對不同的污染物和污染特點采取相應的技術措施才能有效解決問題。

在國外研究和治理水環境污染問題自上世紀開始，至上世紀50年代國外針對河道治理已經形成了成熟的治理技術并且有一些成功的案例。 主要以減少人為干擾， 進行人工濕地構建等生態方法為主[2]。生態修復技術在英國的泰晤士河、歐洲的萊茵河、美國的密西西比河、日本的江戶川等河道的治理上收到了很好的效果[3]。

我國治理河道早期主要考慮河道的防洪蓄水能力[4]，隨著社會的發展和技術進步，傳統方法很難滿足現代人對河道多元化的需求。 我國在河道生態治理方面的研究起步較晚。 上世紀90年代后期，由于全球生態環境的惡化加劇， 保護生態環境的呼聲日益強烈，同時受歐美等一些國家的影響，我國開始重視河道生態的治理[6]。我國的河道治理目前仍處于摸索階段，由于我國的人口密度較大，污染物濃度高，河道功能多元化污染物構成復雜。 因此一味的模仿學習國外的技術并不能從根本上解決問題。 應根據國內的經濟現狀， 河道基本情況和周邊環境進行綜合考慮。走符合中國國情的河道治理之路，才是解決問題的關鍵。

1 方法

1.1 研究目的和實驗設計

本研究課題針對河道中的不同污染源分別進行調查，對污染物的類型和濃度進行分析，從而制定不同的技術措施以達到控制河道污染的目的。 具體操作將污染類型分為污水泵站污染、排污口污染、沉積物內源污染和面源污染4 種類型， 通過調查后有針對性的采用MBR 設備處理技術，雨污分流和截污減減排技術、 底泥生態疏浚加石灰石基底改良和水生態恢復技術進行處理。 對不同污染采取不同治理措施，從技術措施上更具有靶向性。最后對治理后的河道水體富營養化進行評價，從而評估出治理效果。牛首山河研究技術路線見圖1。

圖1 牛首山河研究技術路線

1.2 牛首山河基本情況

牛首山河位于江蘇省南京市江寧區， 跨江寧經濟技術開發區和百家湖街道辦事處及東善橋鎮，自司家橋至石家垾而匯入秦淮河， 是外秦淮河的主要支流之一，全長8.8 km，流域面積46.4 km2。 牛首山河源頭是由2 個人工修建的河道匯合而成， 沿河道兩邊，有諸多設計的排水雨水管道，以及雨水泵站管道通入河流中，主要用于雨水排放、泄洪等，周邊為不同輕工的產業園。 缺乏系統的理論指導是目前大多數城市河道治理所面臨的問題[5-8]，牛首山河也同樣存在這樣的問題。 牛首山河治理前水質較差，4 個監控斷面為地表水Ⅴ類至劣Ⅴ類。 為提升牛首山河水質， 滿足河道斷面水質考核要求， 政府決定在2015年8月～2017年12月期間對牛首山和進行綜合治理。 牛首山河平面示意見圖2。

圖2 牛首山河平面示意

1.3 采樣實驗的方法依據

通過現場觀測和實驗室檢測相結合的方法進行調研。 其中現場觀測參照《湖泊富營養化調查規范（第二版）》[9]；主要采用現場勘察、測量、采樣等方法，實驗室指標檢測方法參照地表水環境標準《GB 3838—2002》[10]。 針對隨機排放的污染源則采用定期巡查和降雨時間段突擊巡查相結合的方法， 對排污則取雨后30 min、降雨中段和降雨結束前30 min 水樣，然后取算術平均值。底泥釋放通量實驗則通過室內模擬實驗研究底泥中的NH3-N，PO4-P 這2 個指標靜止狀態下的釋放特征。 實驗裝置采用3 根直徑為300 mm，高度為1 m 的有機玻璃桶，1 根空白樣，另外2 根則分別裝待清淤區域的沉積物。 采用柱狀采泥器將底泥采集到有機玻璃管中，保留表層0.1 m厚底泥，沿管壁徐徐加入采樣點的水樣，水樣高度為0.9 m 靜止7 a， 每24 h 測1 次水體 中的NH3-N，PO4-P，從測試的結果來估算牛首山河的沉積物內源污染情況。 底泥釋放試驗示意見圖3。

圖3 底泥釋放試驗示意

2 結果與討論

2.1 項目實施前河道水質狀況

項目的考核斷面分為水閣橋、蘇源橋、楊陳橋和馬木橋4 個考核斷面。 通過檢測數據可以看出牛首山河4 個斷面的TN 為劣Ⅴ類是超標最為嚴重的指標，TP 和NH3-N 大部分指標介于Ⅳ至劣Ⅴ類水質，CODMn指標全部在Ⅳ類水指標以內。 營養鹽指標含量和距離排污泵站的位置密切相關， 距離排污泵站較近的水體營養鹽指標較高，反之則較低，見表1。采樣點具體位置見圖2。

表1 水質監控斷面治理前情況mg·L-1

2.2 污染源情況

據現場調查， 牛首山河沿河共計4 種類型污染源，主要為污水泵站、排污口、內源沉積物和面源污染。具體數量為：5 個排污泵站，18 個排污口。內源沉積物23 000 m3， 面源污染匯水量為82 824 000 m3。牛首山河總污染物測算見表2。 通過對不同類型的污染源進行匯總后的出牛首山河年納污質量m（TN）= 145.34 t，m（TP）= 6.65 t，m（NH3-N）= 46.02 t，m（CODMn）=1 015.06 t。

表2 牛首山河總污染物測算t

2.3 泵站污染控制措施及效果

MBR 設備處理技術主要利用沉浸于好氧生物池內之膜分離設備截留槽內的活性污泥與大分子有機物，投加微生物菌種后可實現對污水深度凈化，同時硝化菌在系統內能充分繁殖，其硝化效果明顯，對深度除磷脫氮提供可能。 該次在牛首山河污水泵站采用岸上處理設施MBR 設備，在滿足處理效果的同時節約場地的使用面積。

通過對進出水口的檢測得出MBR 設備的TP去除率為80.45%，TN 除率為56.58%，NH3-N 除率為71.82%，CODMn除率約為46.23%。MBR 設備的去除率受溫度、污染物濃度和水體滯留時間影響，因此在不同的時段會有一定范圍的浮動。

2.4 排污口污染源控制措施及效果

排污口污染源控制措施主要采取雨、 污分流，雨、污分流便于雨水收集利用和集中管理排放，將水量管理和水質管理相分離， 減少高濃度污水的治理難度。 牛首山河目前存在的污染源為人工納污渠收集的工業廢水以及沿河小區生活污水，根據雨、污分流原則， 沿人工納污渠企業和小區應分別在各自負責范圍內建立雨水、污水管網，并接入相對應的該區域內的雨水、污水管網，這樣可以保證污水進入污水管網送至污水處理廠， 而雨水則進入雨水管網進入河道。

當雨、污分流管網系統建設完成，并完全覆蓋了牛首山河沿岸區域， 可以保證進入牛首山河的水源只有清潔下水及雨水， 這樣牛首山河的水源污染將得到根本控制，即使雨水存在輕度污染，通過河道自身的凈化作用也可以保證河水水質的達標。 牛首山河沿岸雨污分流工作主要涉及翠屏山以東片區、水閣片區、殷巷片區、九龍湖片區的27 個小區管網改造工程已基本完成， 截污完成后未發現排污口直排問題，污水入網率達到90%以上。

2.5 內源污染控制措施及效果

根據牛首山河現狀經過論證選取帶水疏浚的方式， 采用環保絞吸式疏浚船對泵站集水池進行清淤總清淤量為23 000 m3，清淤后產生的污泥運送至市政污泥處理廠進行專業化處置。 沉積物中的氮在微生物作用下會向水體釋放引起水體富營養化[11]，底泥疏浚后通過石灰石覆蓋， 對清淤擾動引起的污染物升高起到很好的吸附作用， 同時阻斷了沉積物內源污染的二次釋放，使內源污染風險得到有效的控制。通過對清淤前和清淤后的底泥釋放情況進行實驗，結果顯示PO4-P，NH3-N 的釋放得到有效控制，見圖4，圖5。

圖4 底泥PO4-P 釋放實驗

圖5 底泥NH3-N 釋放實驗

2.6 面源污染控制措施及效果

面源污染的控制主要是通過加強河道生態建設，充分發揮生態凈化功能。沿河植被具有重要的生態功能，對維持河流生態系統健康具有特殊意義[12]，研究表明岸帶挺水植物對水體中的污染具有很好的截留作用[13]。 在河道治理過程中除了關注河道水質本身，構建多樣化的水生態系統，同時注重河道的管理，防止有害物種的泛濫同樣十分重要[14]。 面源污染的控制主要通過在岸帶種植恢復蘆葦、 香蒲和美人蕉等濕生植物提高岸帶對污染物的截留作用； 在河道內種植菹草、伊樂藻、金魚藻和苦草等沉水植物從而提高水體的凈化能力。

2.7 綜合治理效果分析

通過上述各項技術應用， 牛首山河的污染物的得到了大幅度削減。 其中TN，TP，NH3-N 這3 個指標的削減情況如下： 排污口和內源污染得到有效的控制，TN，TP，NH3-N 指標削減率均大于90%， 效果明顯； 面源污染的NH3-N 削減率和污水泵站的TP削減率均大于80%， 其余各指標均大于40%左右，具體削減情況見圖6。

圖6 不同污染物削減情況

CODMn的削減情況為：污水泵站削減率為46.23%，污水口的CODMn削減率為52%。 面源污染和內源污染CODMn由于缺乏相應的實驗方法，暫無法估算出削減率。

通過治理牛首山河控制斷面TN，TP，NH3-N 和CODMn指標達均到地表水Ⅳ類水標準，見表4。 治理后已消除河道的黑臭現象， 水體的富營養化得到顯著遏制。水體營養鹽水平處于在低強度脅迫下，可以促進沉水植物生長同時植物抗氧化系統啟動[15]，恢復河道內生態環境，使生物多樣性明顯提升，治理的措施與河道自然景觀相協調， 達到研究的預期要求和目標。

表4 水質監控斷面治理后情況mg·L-1

3 結論

此次牛首山河的整治采用 “MBR 設備處理技術、雨污分流截污減排、生態疏浚和石灰石基底改良和生態修復技術”的組合技術，遵循原位原則、靶向性原則以及生態原則:充分利用現有設施，利用現有河道、溝渠、坡岸，盡量不占用周邊土地，做到原位治理；河道的治理趨向于多技術的綜合運用，在河道內針對不同的污染類型采取相應的技術措施， 對河道的污染源控制取得了良好的效果。 在河道治理后期通過生態修復使河道的自凈能力和生物多樣性有較大的提升， 使河道應對面源污染的沖擊后能夠自我恢復，提高了系統的穩定性。

牛首山河的整治具有較強的可操作性和較優的綜合技術經濟指標。 治理后水質近期能達到Ⅳ類水水質標準。該河流的成功整治，可為城市小流域水體的整治提供工程示范和技術借鑒。

通過對河道的污染源進行分析得出面源污染占比較大，點源污染占比較小。政府在河道治理過程中起到了關鍵性的作用， 特別是對周邊雨污分流工作的開展。 大幅度削減的污染物的總量對牛首山河道治理起到了至關重要的作用， 因對污染物面源污染削減仍有部分指標缺乏可操作性的實驗方法， 故需要進一步開展相關研究工作。