生態措施在水質提升中的設計及應用

梁 艷，賀 彪，孫 丹

(河海大學設計研究院有限公司，南京 210000)

水源地進水水質的好壞對水源地水質的穩定達標具有較大影響，大沙河草廟水源地是豐縣境內第二水源，日供水量為10萬t，梁西河上的李口涵閘是草廟水源地唯一的水源進水口，二者的正常運行對社會和經濟的穩定起到巨大作用。目前大沙河草廟取水口CODMn指標超Ⅲ類水標準，水源地李口涵閘入庫河口區河段部分水質指標超標較為頻繁，水體透明度較差。為提升大沙河草廟水源地水質，采用生態措施對李口涵閘閘口河段水質進行治理。

1 現狀問題及分析

大沙河草廟水源地進水源頭為微山湖，進水通過梁寨閘并經李口涵閘控制。李口涵閘閘口寬度約35m，位于梁西河上，距離水源地取水口約4.5km。進水口涵閘位置示意圖，見圖1。

圖1 進水口涵閘位置示意圖

1.1 水質現狀

1)大沙河取水口水質：2020年全年大沙河取水口水質總體基本可達到地表Ⅲ類水標準，但部分月份水質出現超標情況，其中超標月份主要在10-11月，超標指標主要是CODMn。

2)華山閘和夾河閘國控斷面水質：大沙河華山閘國控斷面2019年1月-2020年9月逐月水質均滿足III類水標準，其中高錳酸鹽指數大部分在III類水標準，部分達到Ⅱ類水標準；氨氮指標大部分可達到Ⅰ類水標準，部分達到Ⅱ類水標準；總磷指標全部在Ⅱ類水標準。

3)李口涵閘閘口及上游水質：對李口涵閘進水口和涵閘上游進行水樣采集并檢測，部分水質指標超標，如有機物和總氮，此外水體透明度較差。

4)重點斷面水質：2020年11月，對大沙河上幾個重點斷面進行高錳酸鹽指數監測發現，幾個斷面均出現高錳酸鹽指數超標現象。

1.2 污染源分析

1)生活污水入河：大沙河流域涉及生活污水入河村莊15處，平均每處村莊存在2處生活排口。鄉鎮污水收集管網不完善，污水收集率低，進水濃度低。各鄉鎮污水進水已滿負荷，實際處理工藝為A/O工藝，處理能力低于污水處理量需求。以華山鎮鎮區1.7萬人為例，平均每天產生>1000t污水，現有設施并不能完全收集處理，處理能力嚴重不足。

2)農業面源污染：大沙河區域化肥、農藥施用強度大，秸稈產生量多，涉及秸稈堆積入河的村莊有26處。秸稈腐解產物隨徑流入河，造成嚴重的有機污染，近堤坡種養殖的村莊有7處，養殖場存在排污不規范的問題。

3)垃圾堆放處理：垃圾收運及處置能力薄弱，體系不完善，部分村莊存在垃圾就地填埋情況，鄉鎮垃圾轉運站滲濾液處理不規范。

4)河道自凈能力差：上游河道自身水質凈化能力較差，導致入河的污染物質不能及時降解。

2 治理思路

水質提升治理重在治本，通過生態治理，加強水體自身凈化能力，從自然、環保、綠色的角度既能滿足治理要求，又兼顧環保需求。

本工程設計思路通過采取生態措施，即設置入庫前置水質凈化區(生態濾墻系統+底層復氧生物載體)，強化水體中污染物降解，在水源地補水最小流量(12.33m3/s)的情況下，使李口涵閘閘口上游入庫區(梁西河下游至李口涵洞閘250m)有機物、氨氮和總磷等水體指標有所改善，透明度有所提升，保障草廟水源地水質穩定達地表水III類水《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)標準。

3 設計方案

3.1 生態技術

3.1.1 生態濾墻

生態濾墻在河道治污和保持生態多樣性修復上有很好的成效，是治理中小河流水體污染的一個有效的技術手段[1]。生態濾墻以多孔載體填料為核心，通過不同孔徑的多孔載體，對水體中泥沙、顆粒物、懸浮物質、污染物質等進行過濾、吸附和降解。同時，生態濾墻能夠降低水體流速，增加水力停留時間，促進水體中泥沙、顆粒物等的沉降[2]。

由浮體、框架、太陽能光電板、多孔載體、曝氣系統、控制系統等組成，一般設置于河道支流與主流相交處，對水體中泥沙、顆粒物、懸浮物、氨氮、COD等污染物質進行過濾、吸附和降解，直接凈化水源；采用漂浮式結構，適應水位波動；模塊化組裝，不存在旁路處理系統，降低泵提水的電能消耗；采用太陽能曝氣，節能環保。曝氣作用，既能加速多孔載體填料上附著生物膜的生長，促進懸浮態有機物降解，又能降低清水生態濾墻堵塞風險；采用土著微生物，利于生態安全。

浙江嘉興海鹽縣千畝蕩應急備用水源工程湖區水域面積0.79km2。由于上游河網來水不佳，水體本身自凈能力和復氧能力差，導致水體富營養程度高，藍藻水華爆發的風險較大。

在千畝蕩入庫河道、庫區及取水口共安裝20臺太陽能水循環復氧設備，同時在主引水河道和取水口分別設置1組生態濾墻，在河道兩側設置濱水緩沖帶組合方式對庫區及入庫河道水體進行水質提升。

經治理后，取水口水質有明顯改善，溶解氧提升36%，氨氮下降55%，COD下降36%，濁度下降30%。

3.1.2 底層復氧生物載體

底層復氧生物載體主要由生物載體組件、生物載體組件架、氣體管路和鼓風機。每個生物載體組件上有若干根膜絲，風機提供的氧氣由每根膜絲擴散到河水中，提高水體溶解氧，同時每根膜絲上也會富集微生物膜，為水中微生物提供一個能供給高溶解氧的載體，結合本身特性，利于污染物快速降解，保持水體自凈能力。

底層復氧生物載體中膜絲作為微生物膜附著載體并為生物膜微泡曝氣，污水在附著生物膜的曝氣膜周圍流動時，水體中的污染物在濃差驅動和微生物吸附等作用下進入生物膜內，并經過生物代謝和增殖被微生物利用，使水體中的污染物同化為微生物菌體固定在生物膜上或分解成無機代謝產物，從而達到對水體的凈化過程。氧氣和污染物分別在生物膜的兩側向生物膜內傳遞并消耗，這使得生物膜內具有特殊的分層結構。

在大面積的高效的氣體分離中空膜絲作用下，使得系統曝氣效率高(利用率60%以上，傳統技術氧氣利用率在10%-20%之間)，單位體積曝氣膜面積大，單一設備效率高，能耗也相應較低。在南京江寧河通過底層復氧生物載體填料系統對水體水質進行提升，水體中氨氮去除率達到45.5%、TP達到39.1%。

3.2 生態污染物計算

地表水體中有機物含量一般以CODMn為衡量指標，同時本次治理主要是針對有機物去除(保證大沙河水源地有機物含量達到地表Ⅲ類水標準)，因此文章中有機物相關計算采用CODMn指標。本次設計按照治理區域250m，CODMn7.5mg/L，目標CODMn指標達到6mg/L進行。

水量按照開1臺水泵(12.33m3/s)，每次開24h，每月開10次的取水量(106.5萬t/d，1065萬噸/月)，李口涵閘上游水體中CODMn按7.5mg/L，治理目標按CODMn指標達到6mg/L計，CODMn污染物總需削減量為1597.5kg/d，為實現該削減目標，在梁西河李口涵閘閘口的入庫口構建了一個以生態濾墻、底層復氧生物載體為主的前置處理區，前置處理區長250m(李口涵閘口至梁西河上游段)。

3.2.1 生態濾墻污染物削減計算

生態濾墻采取半斷面形式，單道長度為20m，寬度為1m，濾墻CODMn總需去除量為798.7kg/d，生態濾墻負荷為3.16kg/(m3/d)，共需要252m3有效濾墻體積，每道濾墻按20m長，1m寬，2.5m高，單道濾墻有效體積為50m3，經計算共需要5道，考慮到延長水路路徑情況，生態濾墻采用交叉式半斷面攔截。

3.2.2 底層復氧生物載體污染物削減計算

底層復氧生物載體集曝氣、生物載體和馴化微生物于一體，該系統曝氣效率高達60%以上，CODMn負荷約為0.53kg/(m2/d)，根據底層復氧生物載體CODMn共需要削減798.7kg/d，經計算，底層復氧生物載體共需要約1500m2。

3.3 設計方案

設計范圍為李口涵閘閘口至梁西河上游段，共計250m。

1)梁西河上設置5道生態濾墻，濾墻采用半斷面攔截，每道長度為20m，寬度為1m，高度為2.5m，通過生態濾墻對河道中懸浮物進行攔截，通過生態濾墻填料載體上微生物對河道水體中污染物質進行快速降解。此外，在李口涵閘閘口上游梁西河200m處設置1套微生物馴化系統，以便為生態濾墻快速提供馴化微生物，強化生態濾墻的降解能力。

2)在新莊大溝與梁西河交匯處設置1道生態濾墻，濾墻長度為20m，寬度為1m，高度為2.5m，通過濾墻對新莊大溝河道水體進行凈化處理，減小對梁西河水質的影響。

3)在設計范圍內的梁西河上共設置1500m2底層復氧生物載體，單套300m2(含中空膜1.3*2m/組，膜面積30m2/組10組；1.5kw風機2套)。

平面布置圖，見圖2。

圖2 平面布置圖

4 總 結

1)農村污染水體的治理工程并非推倒重來的翻新重建，而是必須有針對性的提升，重點在于對細節的把控。工程設計中技術選用需因地制宜、對癥下藥，結合當地具體情況選用最合適的治理手段。

2)河道藍線、綠線的保護和生態系統構建是農村污染水體徹底消除的根本保障[3]，在農村，大量的污染來自于生活養殖污水、農業面源污染及垃圾堆滲濾液等。在加強截污工程措施的情況下，應該同步實施岸線治理。