軟圍隔-氣浮-原位反應(yīng)器技術(shù)治理黑臭水體

趙振振，廖書林，柯 凡，仇亞成，周夢凱，陳愛娜

（1.維爾利環(huán)保科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇常州213125；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，江蘇南京210008）

近年來，城市黑臭水體爆發(fā)頻繁，極大影響了人民的身心健康。黑臭水體治理是一個(gè)系統(tǒng)工程，常見的河道治理單元技術(shù)包括清淤、截污、調(diào)水、藥劑投加、設(shè)備強(qiáng)化、曝氣復(fù)氧和生態(tài)修復(fù)等。由于黑臭水體現(xiàn)場情況復(fù)雜，治理難度大，單一技術(shù)難以達(dá)到良好效果，越來越多項(xiàng)目開始采用組合技術(shù)來治理黑臭水體。陳麗娜等采用微納米曝氣-微生物活化技術(shù)對(duì)某城市黑臭河道進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，有效削減了水中的COD和氨氮濃度，提高了水體的透明度。段云霞等綜合采用控源截污、曝氣充氧、微生物治理、生態(tài)修復(fù)、活水技術(shù)加投放水生動(dòng)物等組合工藝對(duì)河北某村鎮(zhèn)黑臭水體進(jìn)行治理，消除了水體黑臭，水質(zhì)達(dá)到了地表V類水標(biāo)準(zhǔn)。

1 項(xiàng)目概況

鳳凰河完整段北起常州市新北區(qū)薛家鎮(zhèn)新龍河，南至鐘樓區(qū)新閘街道老京杭運(yùn)河，全長約6.25 km，沿途通過薛家鎮(zhèn)、新閘街道。此次綜合整治的河道為鳳凰河薛家段，即北起新龍河（滬寧高速南側(cè)），南接南漕河（河海西路以北），南北走向，全長共計(jì)約2.7 km，見圖1。

圖1 鳳凰河薛家段位置Fig.1 Location of Fenghuang River in Xuejia Town

薛家鎮(zhèn)委托第三方檢測單位分別對(duì)鳳凰河的麗園橋、童子橋、黃河西路橋、龍城大道橋四個(gè)斷面做了為期一年的水質(zhì)監(jiān)測，監(jiān)測指標(biāo)包括NH-N、TP、高錳酸鹽指數(shù)和DO等，具體結(jié)果見表1。

表1 鳳凰河監(jiān)測斷面水質(zhì)情況Tab.1 Water quality of monitoring section in Fenghuang River

由表1可以發(fā)現(xiàn)，NH-N指標(biāo)超標(biāo)情況嚴(yán)重，除麗園橋以外，剩余三個(gè)斷面的NH-N值均為劣V類；TP指標(biāo)污染次之，高錳酸鹽指數(shù)和DO指標(biāo)相對(duì)較好。近幾年薛家鎮(zhèn)先后對(duì)鳳凰河進(jìn)行了底泥疏浚、河道駁岸、沿岸擴(kuò)綠等整治工程，水質(zhì)有了一定改善，黑臭程度下降。但由于地面雨水、農(nóng)田污水、沿岸部分區(qū)域生活污水的排入，加上河道常年滯流，自凈能力不足，導(dǎo)致河道的部分水質(zhì)指標(biāo)與考核要求（IV類水質(zhì)）仍有較大差距。現(xiàn)場踏勘時(shí)發(fā)現(xiàn)，鳳凰河河道的水流不暢，部分河段內(nèi)有大量浮萍類漂浮物，水色為黃綠色，略顯渾濁，透明度不高。河道的底泥淤積深度南北不一，北側(cè)約20～30 cm，南側(cè)約50 cm。

2 河道污染原因分析及治理技術(shù)路線

導(dǎo)致鳳凰河污染現(xiàn)狀的主要原因有：

（1）鳳凰河沿岸有多個(gè)生活污水排放口，生活污水中的N、P含量較高，直接導(dǎo)致鳳凰河的河水NH-N與TP出現(xiàn)超標(biāo)。同時(shí)鳳凰河與污染相對(duì)較重的富康河間接相通，加重了鳳凰河的污染。

（2）沿河兩岸的初期雨水未做有效處理，暴雨期間攜帶大量污染物的初期雨水會(huì)進(jìn)入河流，造成河流污染。

（3）河道中沉積的底泥污染物不斷釋放，造成河水污染加重。

（4）鳳凰河的上游接斷頭浜新龍河，下游在河海西路斷面有人工水壩，交匯的河流同樣多為斷頭浜，水系的流動(dòng)性極差，河水呈現(xiàn)滯留狀態(tài)。

（5）鳳凰河的水生生態(tài)系統(tǒng)較為單一，河水生態(tài)缺乏足夠的自凈能力。

根據(jù)《城市黑臭水體整治工作指南》，城市黑臭水體的整治應(yīng)按照“控源截污，內(nèi)源治理；活水循環(huán)，清水補(bǔ)給；水質(zhì)凈化，生態(tài)修復(fù)”的基本技術(shù)路線具體實(shí)施，其中控源截污和內(nèi)源治理是選擇其他技術(shù)類型的基礎(chǔ)和前提。

針對(duì)外源污染，薛家鎮(zhèn)主要采用源頭雨污分流的辦法，對(duì)周邊小區(qū)內(nèi)車庫、陽臺(tái)水雨污混接的情況進(jìn)行整改，但遭遇較大阻力，推進(jìn)十分緩慢。而鳳凰河兩岸是老鎮(zhèn)區(qū)核心地帶，沿河截污施工會(huì)嚴(yán)重影響鎮(zhèn)區(qū)交通，故控源截污進(jìn)度無法滿足鳳凰河在短期內(nèi)消除黑臭，完成水質(zhì)提升，達(dá)到IV類水的要求。

考慮到本項(xiàng)目河道水質(zhì)提升的緊迫性，我們創(chuàng)新性地采用軟圍隔河道內(nèi)截污技術(shù)，對(duì)河道兩岸排污口進(jìn)行攔截，再結(jié)合岸上設(shè)備的強(qiáng)化處理，可以最大幅度削減污染負(fù)荷，控制外源污染源的輸入影響。遠(yuǎn)期則應(yīng)該繼續(xù)切實(shí)推進(jìn)雨污分離和截污工作，形成長效的治理機(jī)制。

在完成外源截污的同時(shí)，也需要考慮對(duì)河道內(nèi)源污染的治理。考慮到近兩年內(nèi)進(jìn)行過河道清淤，故擬采用底質(zhì)改良的方法，削減河道內(nèi)源污染。

在此基礎(chǔ)上，采用以河道原位反應(yīng)器為核心的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，加強(qiáng)河水的生態(tài)自凈修復(fù)能力。同時(shí)，投加適量高效的控藻藥劑，用于夏季藻類的控制，并提高河水透明度。河道治理技術(shù)路線見圖2。

圖2 河道治理技術(shù)路線圖Fig.2 Technical roadmap for river regulation

3 主要治理措施和技術(shù)

3.1 軟圍隔河道內(nèi)截污技術(shù)

軟圍隔是一種采用耐腐蝕、抗凍、抗氧化的高分子有機(jī)材料制成的分隔膜，上部采用浮球作為浮體，底部則用錨固定。軟圍隔為非透水材料，并可以根據(jù)河水水位的變化，自由地進(jìn)行伸縮，確保污染區(qū)域與河水區(qū)域的相對(duì)獨(dú)立，阻斷兩岸排污對(duì)河道主體的污染，達(dá)到河道內(nèi)快速截污的目的。軟圍隔截污的技術(shù)示意圖如圖3和圖4所示。

圖3 軟圍隔技術(shù)示意圖（平時(shí)）Fig.3 Sketch map of soft-enclosure technology（ordinarily）

軟圍隔高度要超過河道正常水位，確保在平時(shí)，來自于河道兩岸的排污（也包括面源污染）被全部阻擋在圍隔跟河岸之間的污水區(qū)，避免污水污染中間的主河道。在雨季，大量排水口及河岸面源污染雨水排入圍隔內(nèi)，由于圍隔底部固定，圍隔會(huì)被污水?dāng)D壓，不斷向河道中間傾斜。當(dāng)暴雨強(qiáng)度超過一個(gè)極限，軟圍隔垂直方向的高度低于污水區(qū)水面，就會(huì)發(fā)生圍隔內(nèi)污水區(qū)頂部的合流污水向中間主河道溢流，同時(shí)也保護(hù)了軟圍隔系統(tǒng)本身的安全，避免被雨水沖垮。因此，在暴雨情況下，軟圍隔系統(tǒng)和管道截污系統(tǒng)一樣，無法將全部的污染物阻擋在主河道之外。

在鳳凰河兩岸密集排污的區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置軟圍隔截污系統(tǒng)。軟圍隔全長約2 km，設(shè)計(jì)高度約2.5 m。軟圍隔與河岸平行敷設(shè)，離河岸距離約為1.2 m。軟圍隔將河道按橫斷面一分為三，靠近河岸兩側(cè)寬約1.2 m的污水區(qū)和中間寬約12.6 m的主河道。圍隔內(nèi)區(qū)域僅占河道總寬的16%。

3.2 河道底質(zhì)改良

河道底泥中富含大量的N、P、重金屬、有機(jī)物等污染物，污染物會(huì)隨著時(shí)間的推移緩慢釋放，從而造成了河水的富營養(yǎng)化，使得水質(zhì)和水環(huán)境變差。鳳凰河近兩年內(nèi)進(jìn)行過清淤，目前底泥深度大多數(shù)斷面都低于50 cm，因此擬采用底質(zhì)改良方式進(jìn)行處理。

底質(zhì)改良技術(shù)以產(chǎn)品菌介入工藝實(shí)施水體底質(zhì)生物修復(fù)，原位降解底泥的有機(jī)污染，迅速重建嚴(yán)重受損的底端生物鏈——腐食食物鏈，為上行生物鏈的梯次恢復(fù)奠定基礎(chǔ)，加速底泥的礦化進(jìn)程。由于微生物將底泥分解轉(zhuǎn)換，底泥逐漸被分解、轉(zhuǎn)換、傳遞，使底泥中有機(jī)物含量減少，比例降低，從而使底泥性質(zhì)穩(wěn)定，不再向上覆水體釋放營養(yǎng)鹽，底泥中有機(jī)物比例減少，使得底泥體積、底泥厚度降低和減少，不僅僅可以短期內(nèi)消減河道的內(nèi)源污染貢獻(xiàn)，同時(shí)還使得河道的底質(zhì)環(huán)境得以改善，有利于水體生態(tài)系統(tǒng)的重新構(gòu)建，并使其朝著健康的方向發(fā)展。

圖4 軟圍隔技術(shù)示意圖（暴雨溢流）Fig.4 Sketch map of soft-enclosure technology（rainstorm overflow）

底質(zhì)改良劑的主要成分為微生物制劑（主要為本地菌種）和惰性載體組成。惰性載體如改性黏土是一種天然礦物，主要成分為高嶺土，具有來源豐富、成本低、無污染的優(yōu)點(diǎn)。微生物制劑主要含有光合菌、枯草桿菌、硝化菌、反硝化菌、硫化菌等。底質(zhì)改良技術(shù)原理見圖5。

圖5 底質(zhì)改良技術(shù)原理圖Fig.5 Schematic diagram of sediment improvement technology

3.3 高效氣浮岸上強(qiáng)化技術(shù)

高效氣浮岸上強(qiáng)化設(shè)備采用了渦流式絮凝反應(yīng)技術(shù)、納米級(jí)氣泡發(fā)生技術(shù)、“氣泡層”過濾技術(shù)。次表面捕集技術(shù)、層流分離技術(shù)、浮渣循環(huán)絮凝技術(shù)等核心專利技術(shù)，形成了水、氣、固的三相混合體，在一個(gè)特別設(shè)計(jì)的多級(jí)序批式反應(yīng)器中，完成固液分離過程，從而高效去除河流、水庫、湖泊及海水等自然水體中無機(jī)質(zhì)顆粒物、藻類物質(zhì)、膠體物質(zhì)、油脂以及有機(jī)質(zhì)等，防止黑臭、水華等現(xiàn)象產(chǎn)生，同時(shí)完成水體的高效充氧，實(shí)現(xiàn)水體的良好凈化效果。其主要特點(diǎn)包括：采用內(nèi)置式高效反應(yīng)器技術(shù)；高效納米級(jí)氣泡發(fā)生技術(shù)；采用高效的溶氣系統(tǒng)，溶氣效率達(dá)到95%以上；高效清水收集技術(shù)；采用層流裝置，實(shí)現(xiàn)水流截面的“層流”以及斜板沉淀功能；處理效果穩(wěn)定，全自動(dòng)控制，可實(shí)現(xiàn)無人值守。

高效氣浮成套裝置位置定于鳳翔路大寨橋的東南側(cè)綠地中，取水口位于氣浮裝置附近，排水口位于上游，麗園橋南170 m處。從軟圍隔和河岸構(gòu)成的污水區(qū)內(nèi)，抽取污水進(jìn)行處理后，根據(jù)需要排回河道或者圍隔內(nèi)，可以大幅削減污染負(fù)荷，同時(shí)形成一個(gè)水循環(huán)過程，有力地支撐水質(zhì)提升目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。氣浮裝置設(shè)計(jì)SS削減率90%，TP削減率75%，COD削減率30%，氨氮削減率5%。除對(duì)污染物直接削減之外，高效氣浮裝置對(duì)河道也起到良好的充氧曝氣效果。氣浮設(shè)備安裝平面布置見圖6。

圖6 氣浮設(shè)備安裝平面布置Fig.6 Layout plan of air flotation equipment

圍隔總長約2 000 m，圍隔距河岸寬1.2 m，河道平均水深2 m，故圍隔內(nèi)污水總?cè)莘e約為4 800 m，按2 d將圍隔內(nèi)的污水處理一遍考慮，處理規(guī)模2 400 m/d。同時(shí)，在主河道由于上下游轉(zhuǎn)輸污染或者暴雨溢流污染加重時(shí)，高效氣浮裝置可以改為直接處理河道水。鳳凰河薛家段河長2.7 km，河寬約15 m，平均水深按2 m考慮，總水量約81 000 m，高效氣浮裝置可以在約30 d左右將河道水處理一遍，尤其適合對(duì)局部污染區(qū)域進(jìn)行負(fù)荷突擊削減。

3.4 河道原位反應(yīng)器技術(shù)

雖然通過軟圍隔河道內(nèi)截污技術(shù)、高效岸上強(qiáng)化技術(shù)和底質(zhì)改良技術(shù)，較好地控制了河道外源污染和內(nèi)源污染，但增強(qiáng)河道自身的自凈能力和環(huán)境容量，尤其是強(qiáng)化河道的脫氮能力，也是綜合治理中不可或缺的部分。

在主河道內(nèi)構(gòu)建底部微孔曝氣-噴泉曝氣-組合生態(tài)浮島-高效填料系統(tǒng)，提升河道內(nèi)的溶解氧含量，構(gòu)建良好的河道生態(tài)環(huán)境。配合底質(zhì)改良投加的有益菌種，將主河道變成原位生物膜反應(yīng)器，強(qiáng)化生物脫氮，并進(jìn)一步提升水質(zhì)。

鳳凰河在集中排污區(qū)段布設(shè)5組噴泉曝氣和2套底部微孔曝氣系統(tǒng)。噴泉曝氣和生態(tài)浮島交錯(cuò)布置，提供良好的景觀效果。微孔曝氣貼近浮島填料區(qū)域，定向給微生物提供充足的氧氣。

考慮到行洪的需要，本項(xiàng)目采用可移動(dòng)式浮島。浮島的覆蓋率為8%～10%。中心浮島挺水植物以耐寒的西伯利亞鳶尾為主，確保冬季仍有一定的污染削減和景觀效果。側(cè)浮島中間挺水植物包括美人蕉、再力花和黃菖蒲等。周邊區(qū)域則是以圓幣草為主的浮水植物。浮島下掛大量填料，提供除植物根系外更大的微生物附著空間，見圖7。

圖7 生態(tài)浮島（帶填料）和噴泉曝氣系統(tǒng)剖面圖Fig.7 Profile of ecological floating bed(including packing)and fountain aeration system

在圍隔和河岸構(gòu)成的污水區(qū)，除氣浮強(qiáng)效削減之外，綜合通過浮水植物、高效填料、曝氣充氧等手段進(jìn)一步削減污染。圍隔內(nèi)的以圓幣草、狐尾藻為主的浮水植物，起到景觀遮蔽、吸收氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)和提供微生物附著的作用。

浮島底部、主河道內(nèi)和圍隔內(nèi)放置大量軟性填料，用于微生物附著，增強(qiáng)水體自凈能力。

3.5 高效控藻技術(shù)

本項(xiàng)目地處太湖流域，夏季容易爆發(fā)藍(lán)藻。除了進(jìn)行河道污染削減、水質(zhì)提升、大幅降低水體的氮磷污染物、氣浮除藻，并種植大量挺水、浮水植物抑制藻類生長之外，在河道治理初期，夏季高溫期間，還需要采用高效藻類凈化劑對(duì)水體中的藻類進(jìn)行清除。該種藻類凈化劑主要原材料取自于栗子樹、橡樹、綠茶等植物中的鞣酸（tannic acid）和火山石、麥飯石等多孔材料。藥劑具有高強(qiáng)度的吸附能力，投入水體后，能夠迅速將水體中的藻類聚集，隨后藥劑中的植物提取劑會(huì)促進(jìn)藻類的光合作用，藻類因光合作用而產(chǎn)生大量的氧氣，最終使得聚集后的藻類上浮到水體表面，隨后可以通過人工或者專業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行打撈。每次控藻藥劑投加量約為0.08 kg/m水面。

4 河道治理成效

經(jīng)過為期數(shù)月的治理和調(diào)試，鳳凰河水質(zhì)相比較治理前大幅提升，已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求，并進(jìn)入了常態(tài)化維護(hù)的模式。水質(zhì)指標(biāo)如表2所列。主河道和圍隔內(nèi)水質(zhì)均達(dá)到了IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

鳳凰河薛家段水環(huán)境整治總投資約260萬元，包含環(huán)境調(diào)查費(fèi)、治理方案設(shè)計(jì)費(fèi)和工程費(fèi)用。氣浮設(shè)備可視河道污染程度選擇8～24 h連續(xù)運(yùn)行，因此鳳凰河運(yùn)維費(fèi)用視氣浮設(shè)備使用時(shí)間的不同約22～45萬元/年。

6 結(jié)論和建議

本項(xiàng)目采用了軟圍隔河道內(nèi)截污技術(shù)、底質(zhì)改良技術(shù)、高效氣浮岸上強(qiáng)化技術(shù)、河道原位反應(yīng)器技術(shù)和高效控藻藥劑等組合技術(shù)手段和工程措施，對(duì)鳳凰河進(jìn)行高效治理。項(xiàng)目實(shí)施后，河道水質(zhì)得到大幅改善，水質(zhì)基本達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2002）的IV類標(biāo)準(zhǔn)，河道生態(tài)得到完全修復(fù)。鳳凰河的生態(tài)治理，為周邊居民營造了一個(gè)良好的納涼、休閑和釣魚的場所，并且得到了各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的好評(píng)。此外，建議做好如下工作：

（1）加快實(shí)施小區(qū)內(nèi)源頭雨污分流，盡快推進(jìn)河道全面截污工作。

（2）做好河道治理設(shè)施的精細(xì)化管理，保障水質(zhì)穩(wěn)定。

表2 河道生態(tài)治理效果Tab.2 Effect of river ecological treatment