雙陽河干流碳纖維生態(tài)帶治理實驗研究

張愛民

(黑龍江省衛(wèi)星運河管護中心，克山 161635)

1 總 論

1.1 工程概況

雙陽河位于黑龍江省松嫩平原中部，是烏裕爾河左岸一級支流。雙陽河流域總面積4772km2，雙陽河為季節(jié)性河流，多年平均年徑流量1.57×108m3，多年平均徑流深33mm。拜泉縣境內(nèi)雙陽河流域內(nèi)幅員面積1793.4km2，流經(jīng)6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，雙陽河堤防在拜泉縣境內(nèi)堤防總長度98.54km[1]。

本次實驗研究選在拜泉縣環(huán)保監(jiān)測斷面上游7km的主河道上進行水生態(tài)治理。治理的措施是對入監(jiān)測斷面上游干流段采取生態(tài)措施進行水生態(tài)治理實驗研究。

1.2 項目意義

實施拜泉縣雙陽河干流水生態(tài)治理實驗研究項目，以環(huán)境保護工作為重點，以提高水質(zhì)為核心，以水安全為保障，開展好生態(tài)環(huán)境保護工作，推進縣域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量穩(wěn)步提升。通過齊齊哈爾市拜泉縣雙陽河干流水生態(tài)治理實驗研究，創(chuàng)新河流污染治理模式。

1.3 治理目標

雙陽河干流水生態(tài)治理實驗研究針對雙陽河水質(zhì)不達標，河道內(nèi)廢水排放、農(nóng)業(yè)面源污染、殘留化肥農(nóng)藥和畜禽糞便對河流水體的污染，采用碳纖維生態(tài)帶等措施作為治理河流水質(zhì)的應(yīng)急處理設(shè)施，改善雙陽河流域生態(tài)環(huán)境，提升河流水質(zhì)。

1.4 污染現(xiàn)狀

根據(jù)雙陽河《水質(zhì)檢測報告》分析，水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，主要是化學(xué)需氧量、氨氮2項指標超標。氨氮指標超標是村鎮(zhèn)生活污水、農(nóng)村固體廢棄物、農(nóng)藥、化肥、除草劑、農(nóng)村禽畜糞便、生活垃圾等有機或無機物質(zhì)造成的面源污染，另外還有大量、日積月累的污染物沉積在土壤中，通過降雨匯入河道所致。

沿河地區(qū)的城鎮(zhèn)和村屯排污口所排放的工業(yè)和生活污水，以及建設(shè)項目在施工期間所產(chǎn)生的污染物，污染水體，破壞河道的水生態(tài)環(huán)境[2]。

1.5 項目實驗研究方案

針對雙陽河干流試驗段水體現(xiàn)狀特點和污水負荷、水體水質(zhì)狀況。本次研究試驗方案主要采用碳纖維生態(tài)帶措施作為治理本河流水質(zhì)的應(yīng)急處理設(shè)施。

碳纖維生態(tài)帶設(shè)置以單條碳素纖維生態(tài)草為單位，其密度、數(shù)量與各項水質(zhì)指標提升效果成正比。本次試驗段只選取雙陽河干流環(huán)保監(jiān)測斷面上游段進行重點研究。

2 工程技術(shù)簡介

2.1 工藝流程

將碳素纖維生態(tài)草直接放置在自然河道水體中，碳纖維材料制造過程中的氧化、碳化過程中表面形成很多微孔，比表面積大，吸附率高；表面富含氧官能團，具有氧化還原功能，能很好的對有機物、有毒物、重金屬進行有效降解。投放碳素纖維生態(tài)草后，光合作用加強，可修復(fù)土著微生物和土著動植物，保持生態(tài)平衡，使水體透明度提高，形成健康的生態(tài)系統(tǒng)。工藝流程見圖1。

圖1 綜合工藝

2.2 技術(shù)簡介

該產(chǎn)品主要技術(shù)優(yōu)勢如下：

1)施工容易，施工工期短，布設(shè)方式簡單，工程量小、投資省。

2)處理各種污染物指標有效果，透明度改善迅速，提高水質(zhì)類別效率高，速度快。

3)原位生態(tài)修復(fù)效果好，生物多樣性好，生態(tài)效益高；近自然生態(tài)修復(fù)，快速提升水體自凈能力。

4)材料易得，使用壽命長達6a，長期有效，持續(xù)可控，無能耗，無運行成本。

5)無需經(jīng)常更換，維護簡單，管理方便。

6)適應(yīng)范圍廣，即可解決內(nèi)源與外源污染，也可以治理點源與面源，與其它污水處理技術(shù)容易結(jié)合。

7)碳纖維含氧官能團、碳鐵微電池效應(yīng)、光催化作用等的氧化還原作用，可有效處理難降解污染物，污染物的轉(zhuǎn)化效率高。

3 治理方案

3.1 設(shè)計思路

考慮污水主要沿深泓河道流動，結(jié)合碳纖維借助太陽自然光修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)提高水體自凈能力的原理，實驗研究優(yōu)選施工工藝，在深泓河道利用碳纖維生態(tài)帶攔截污水引流自淺水區(qū)碳纖維-生物-生態(tài)凈化實的施方案，并結(jié)合適當工程措施、植物措施既保證了雙陽河主河道水質(zhì)的改善，又提高了水質(zhì)凈化能力和生物生態(tài)修復(fù)效果。

3.2 總體設(shè)計

雙陽河干流水生態(tài)治理實驗研究項目采用“碳纖維物理-生物-生態(tài)聯(lián)合處理工藝”，工程投放碳素纖維生態(tài)草。實施地點在雙陽河干流環(huán)保監(jiān)測斷面上游約7km范圍內(nèi)的主河槽內(nèi)。按碳素纖維生態(tài)草處理能力，每日處理1t污水需投入碳素纖維生態(tài)草10條，投放碳素纖維生態(tài)草45000條處理能力為4500t/d。豐水期雙陽干流河水較多，碳纖維結(jié)合大水運行時，可有效改善雙陽河水環(huán)境狀況，水質(zhì)可以提升。枯水時，結(jié)合其他措施，碳纖維處理后水質(zhì)標準也可以改善。

3.3 治理措施

3.3.1 碳纖維生態(tài)帶工程設(shè)置方案

設(shè)置范圍在雙陽河干流環(huán)保監(jiān)測斷面上游約7km范圍內(nèi)的選擇3個河段作為設(shè)置段，每段長2.3km。

每個設(shè)置段布置5個分區(qū)，每個分區(qū)設(shè)10個基區(qū)，共設(shè)50個基區(qū)，每個基區(qū)是20m長，6m寬，300條碳素纖維生態(tài)草，每個設(shè)置段共放15000條碳纖維生態(tài)帶。基區(qū)與基區(qū)之間間隔20m，分區(qū)之間間隔100m。

具體設(shè)計見圖：碳纖維生態(tài)草分區(qū)大樣圖、碳纖維生態(tài)草分段布置圖、基區(qū)組成設(shè)計圖分別見圖2、圖3、圖4。

圖2 碳纖維生態(tài)草分區(qū)大樣圖

圖3 碳纖維生態(tài)草分段布置圖

圖4 基區(qū)組成設(shè)計圖

3.3.2 碳素纖維生態(tài)草設(shè)置密度

要合理進行水污染治理方案設(shè)計，明確需處理的水量和濃度，該水量和濃度是碳素纖維生態(tài)草設(shè)置量和設(shè)置密度的主要依據(jù)，。因此，設(shè)計密度是本次試驗的主要研究內(nèi)容，設(shè)計密度=每日進水水量/碳素纖維生態(tài)草數(shù)量。

碳纖維設(shè)置密度與去除率關(guān)系是復(fù)雜的，除與污染物指標有關(guān)外，還與河湖本底濃度、治理目標、產(chǎn)品質(zhì)量、滯留時間等因素有關(guān)。由于雙陽河干流比降較陡，流速較大，碳纖維接觸污水時間短，不利于提高滯留時間和提高去除率。

3.4 施工設(shè)計

碳纖維生態(tài)帶施工主要包括兩部分：在現(xiàn)場直接安裝施工技術(shù)和產(chǎn)品設(shè)備組裝技術(shù)。碳素纖維生態(tài)草從工廠生產(chǎn)出廠后，施工單位要進行產(chǎn)品設(shè)備組裝和現(xiàn)場固定安裝兩個施工環(huán)節(jié)。碳素纖維生態(tài)草組裝施工技術(shù)與產(chǎn)品的布設(shè)方式和安裝方式有關(guān)。

組裝工藝：一般采用繩子、浮筒、扎帶、墜環(huán)等將碳素纖維生態(tài)草、碳纖維生態(tài)帶進行組裝，構(gòu)成浮動設(shè)備、連接設(shè)備、下垂設(shè)備。組裝工藝需要人工較多，可在廠內(nèi)組裝，也可以在施工現(xiàn)場組裝。

安裝工藝：則是在施工現(xiàn)場將組裝好的產(chǎn)品和固定設(shè)備進行安裝施工。

組裝設(shè)施和材料包括浮筒、繩索、固定架、墜環(huán)、扎帶等，與碳纖維生態(tài)帶一起組裝成凈水設(shè)施。

根據(jù)水深1-3m，考慮污水主要分布在垂向上部，設(shè)置方案施工按照2層布設(shè)，繩索懸掛2層U型碳纖維生態(tài)帶安裝組合。上、下層全部采用50連縱式連接組合碳纖維生態(tài)帶和懸掛安裝施工，一個系統(tǒng)懸掛碳素纖維生態(tài)草100條，施工需從水面至河底垂直懸掛。碳素纖維生態(tài)草通過繩子、浮筒、墜環(huán)、扎帶等懸掛在繩子上；每條繩子22m長度，繩子上分2層，每層有50條碳素纖維生態(tài)草，每條繩子上共固定100條碳素纖維生態(tài)草。

先確定基區(qū)尺寸，本次設(shè)計全部基區(qū)長度、寬度尺寸相同，按照6m寬、20m長為一個基區(qū)。1個分區(qū)系統(tǒng)為10個基區(qū)，即每條繩子上碳素纖維生態(tài)草設(shè)置為100條。分上下兩層設(shè)置，每個基區(qū)懸掛有300條碳素纖維生態(tài)草，且數(shù)量和密度相同。每個基區(qū)尺寸相同，繩子條數(shù)和碳纖維生態(tài)草數(shù)量相同。一般根據(jù)試驗區(qū)地形邊界形態(tài)長度、寬度、水深來確定基區(qū)設(shè)置量，還與試驗段表面形態(tài)有關(guān)。

設(shè)計方式采用懸掛式方式，設(shè)置基區(qū)組裝剖面圖見圖5。

圖5 碳纖維凈水系統(tǒng)組裝施工設(shè)計圖

3.5 運行期方案

3.5.1 運行期設(shè)計方案

工程建設(shè)完成并運行后，需要開展運行試驗期1個月，查看生物膜修復(fù)程度，評定各運行方案實施效果。

日常對水質(zhì)進行檢測；水質(zhì)參數(shù)檢測指標為透明度、DO、氧化還原電位、氨氮、PH、透明度；檢查碳纖維生態(tài)帶兩種設(shè)置方式的產(chǎn)品及設(shè)備受損情況；調(diào)查碳纖維修復(fù)土著微生物情況。

3.5.2 水質(zhì)監(jiān)測方案

水質(zhì)監(jiān)測方案：項目建成后，開展第1個月的水質(zhì)檢測，第1次結(jié)果不參評。監(jiān)測頻率：每月1次。

水質(zhì)監(jiān)測參數(shù):水質(zhì)監(jiān)測參數(shù)包括氨氮、化學(xué)需氧量等。

水生態(tài)調(diào)查參數(shù)：包括微生物膜、浮游植物、維管束植物等反映水體生態(tài)狀況的參數(shù)。

采樣點：每段干流設(shè)置區(qū)上游進水口、中間段附近設(shè)置3個監(jiān)測斷面，每個斷面布置1個采樣點作為評估樣點。

水質(zhì)檢測計劃：每個月1次，共檢測10次。同時觀察生物、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)情況。

3.6 管理措施

1)對雙陽河干流水體及流域內(nèi)土壤污染物進行動態(tài)水質(zhì)監(jiān)測。

2)加強面源污染治理，加強工業(yè)、企業(yè)排污治理。

3)加強農(nóng)村生活垃圾及養(yǎng)殖垃圾管理和處理。

4 結(jié) 語

本研究是以水中生態(tài)凈化為基礎(chǔ)，從自然性、生態(tài)性的角度出發(fā)，在中小河干流上開展的水中碳纖維生態(tài)草凈化等綜合治理措施的水環(huán)境治理試驗。通過對雙陽河干流水生態(tài)治理實驗的研究，可以為本地區(qū)中小河流域的生態(tài)治理提供一種創(chuàng)新河流污染治理模式；為實現(xiàn)美麗河湖、生態(tài)河湖、生態(tài)走廊，創(chuàng)建美麗鄉(xiāng)村，保障河流的生態(tài)安全提供經(jīng)驗借鑒。