生態濾墻與仿生水草復合提升入庫河段水質技術應用

張 煒，葉新霞

(1.河海大學設計研究院有限公司，江蘇南京 210098；2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇揚州 225127)

“生態興則文明興，生態衰則文明衰”。水作為生命之源、文明之要、生態之基，承載重要的生態功能。“水十條”2030年目標為:力爭全國水環境質量總體改善，水生態系統功能初步恢復。21世紀中葉目標為生態環境質量全面改善，生態系統實現良性循環。河流系統作為水陸聯系的重要紐帶以及自然、社會、人文的綜合載體，注重生態要素的水質提升是生態環境部重點流域水生態環境保護“十四五”規劃編制的重要內容。

針對水質提升的技術，除控源截污完善、面源治理管控和水系流通外，目前常用的技術主要從物理、化學和生態等方面進行研究和應用。物理方法最常用的方法是清淤、引水補水和曝氣等[1-4]；通過混凝沉淀劑、除藻劑、除磷劑、脫色劑等進行水質凈化的方法是化學處理[5-7]；物理和化學處理方法的效果是短期和應急的，長效的處理方法則是采用生態方法，通過構建植物法、微生物法和生物膜的生態系統來凈化水質[8-11]。目前，生態系統凈化水質技術主要有生態浮床、生態濕地和生態塘等，但處理效果不僅受季節影響，而且受泄洪、汛期等水位變化的影響，在河道泄洪、水質凈化方面應用具有一定的風險。

本工程結合先前的工程經驗和生物過濾技術，主要采用生態濾墻+仿生水草等技術方法，針對水體中CODMn、氨氮和TP主要污染物進行吸收、吸附、截留，并利用微生物的生化降解作用，削減水體中的N、P、有機物等污染物，從而有效隔離、削減連通水體以及暗涵段水體中的污染物質對河道可能造成的污染，從而保證水源地水質達標且穩定，采用旋轉裝置和半墻布局等綜合設置，從而也保障河道泄洪、汛期等水位變化的影響，減少河道的安全風險。

1 項目背景

徐州境內河流眾多且水系密布，其中大沙河不僅具有防洪排澇功能，而且還是工業用水和生活飲用水的水源地。目前，受上游來水及沿線支流、排污口污染排放等因素的影響，大沙河草廟水源地——李口涵閘入庫河口區部分河段水質指標如CODMn、氨氮和TP等超標，水體明顯顏色暗黃和輕微黑臭等現象發生，嚴重影響大沙河草廟水源地保護區的水質穩定。

大沙河周邊的大部分區域已經完成截污工作，但是控源截污不是很徹底和完善，仍有部分生活污水和工業污水排入河道，影響大沙河取水水質。污染源的來源主要有：1)生活污水入河，大沙河流域涉及生活污水入河的村莊有15處，平均每個村莊存在2處生活排口；2)農業面源污染，大沙河區域化肥、農藥施用強度大，且不少養殖場存在排污不規范的問題，涉及到河流近堤坡種植、養殖的村莊有7處；3)補水通道水質不達標，梁西河作為大沙河草廟水源地的補水通道，存在水質不達標現象；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。

采集并檢測李口涵閘進水口和涵閘上游水樣，由檢測結果可知，李口涵閘進水口及上游部分水質指標超標，如CODMn、氨氮和TP，此外，水體透明度也較差。大沙河取水口和華山閘斷面CODMn、氨氮和TP指數也在5月—6月出現超標現象，這可能是李口涵閘閘口上游進水水質較差引起的。李口涵閘及閘口上游具體水質指標如表1所示。

表1 李口閘取水水質Tab.1 Water Quality of Likou Sluice

由表1可知，李口涵閘進水口及上游部分水質指標超標，如CODMn、氨氮和TP都不滿足飲用水源地地表水Ⅲ類水標準限值，需要采取措施進行治理，為大沙河水源地達到《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類水標準提供保障。

2 工程技術措施

本次大沙河水源地水質提升水環境整治，主要是通過生態措施改善李口涵閘閘口上游入庫區水質，為達到Ⅲ類水標準提供保障。目前主要的生態凈化技術有浮動濕地、人工浮島等措施，但這些技術措施在河道處于汛期水位變化大時往往難以適應，造成凈化效果的缺失。而生態濾墻+仿生水草具有比表面積大、接觸均勻、傳質速度快和水頭損失低的優點，濾墻可采用旋轉方式不會因為水流的沖擊而移動，當汛期來臨時，可以打開固定裝置，通過旋轉機構，將濾墻旋轉到岸邊，達到泄洪的目的。從水質提升效果以及行洪安全性的角度考慮，生態濾墻+仿生水草方案優于其他方案，故本工程采用生態濾墻+仿生水草的方案。

本次水質提升工程采用生態濾墻+仿生水草結合的方案，布置范圍為梁西河末端，共計約262 m(圖1)。本次共布置6道生態濾墻，其中5道濾墻采用半斷面形式，最后1道采取全斷面布置(圖2)。在6道生態濾墻間隔及前后河道段底部布置面積為10 500 m2的復合仿生水草，含仿生水草、曝氣風機、控制系統。為保障生態濾墻微生物馴化，在河岸側建設微生物馴化間1座，面積為45 m2，單層磚混結構房2間，同時作為控制間與倉儲用房。

圖1 生態濾墻+仿生水草位置平面圖Fig.1 Location Plan of Ecological Filter Wall + Bionic Water Grass

圖2 生態濾墻+仿生水草斷面圖Fig.2 Section Layout of Ecological Filter Wall + Bionic Water Grass

(1)生態濾墻

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(圖3)。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、顆粒物等沉降。

圖3 生態濾墻構造示意圖Fig.3 Structure Diagram of Ecological Filter Wall

生態濾墻中運用的多孔載體具有比表面積大、接觸均勻、傳質速度快和水頭損失低等優點，該載體為獨立研發的多孔填料。濾墻中的多孔載體采用大孔、中孔和微孔設計，大孔保持良好的接觸條件和防堵塞能力，能夠截留大顆粒物及其所攜帶的營養物質；中孔和微孔中設計多種活性基團，有利于原水中微生物的附著，其中包括硝化細菌、反硝化細菌、聚磷菌等有利于氮、磷等營養物質去除的微生物。同時，附著的微生物能夠產生生物膜絮體，該絮體具有較強的吸附作用，能夠在較短的停留時間下顯著降低水體中渾濁度、CODMn、氨氮和TP的含量。另外，通過對多孔載體內水體進行曝氣，促進附著微生物數量的增殖，從而加速水體懸浮有機物質的降解，降低載體堵塞風險。

不同孔徑的多孔載體其持水量可達2 500%，孔隙率約為98%，比表面積可達到0.35～1.00 m2/g，與常規的生物技術相比，可以高出10～20倍的生物量，使用壽命為10～15年。生態濾墻所用的載體填料是在食品級日用清潔海綿和過濾材料的基礎上經過特殊工藝研制而成，具有透氣性好、耐腐蝕、耐老化等優點。

生態濾墻共計6道。①半段面濾墻5道：設計上寬為22 m，下底寬為14 m，高度為2.7 m，底部不透水圍隔布0.5 m，濾墻厚度為1 m，有效體積為48.6 m3；②全斷面濾墻1道：設計上寬為30 m，下底寬為14 m，高度為2.7 m，底部不透水圍隔布0.8 m，濾墻厚度為1 m，有效體積為59.4 m3；③填料：多孔網泡改性填料；④太陽能光電板為1 m；⑤生態濾墻配置1塊光電板曝氣頭：Φ=215 mm，1個/m2；⑥生態濾墻框架：SUS304材質；⑦生態濾墻浮體：尺寸及材料：0.5 m×0.5 m×0.4 m，高分子聚乙烯材料。

(2)仿生水草

仿生人工水草為微生物營造更加優越的生存空間，除提供更多的生長附著空間外，其精確設計的微孔結構有序地引導微生物的種類，數百倍放大微生物的數量，培養高效的微生物系統，快速降解水體中的污染物，從而大大強化水體的自凈能力，提高水體的環境容量。仿生人工水草技術的核心是用特殊工藝編織成的高效生物載體，模仿水草形態。

辮帶式仿生人工水草下端固定在河床底或塘底、湖底，上端呈自由飄游狀態(圖4)。當河水被凈化澄清透明后，這些填料由于其表面附著生長藻類而呈綠色，左右漂游像水草。

仿生水草特征描述：①比表面積大、空隙率高，使得啟動掛膜快、脫膜更新容易；②能有效切割氣泡，提高氧轉移率和；③模擬天然水草形態，不易納藏污泥，安裝方便，使用壽命長，耐高負荷性沖擊。

圖4 辮帶式仿生人工水草實景圖Fig.4 Real Scene of Braided Belt Artificial Bionic Water Grass

3 研究結果與討論

該工程從2020年10月開始運行，運行情況良好，針對李口涵閘閘口上游入庫區水質進行檢測，并對此進行水質分析。為了便于水質檢測的穩定性和準確性，濾墻前段、中段和后段的取樣距離在135 m左右。污染物去除率計算如式(1)。

q=[(SO-Se)/SO]×100%

(1)

其中：q——去除率；

SO——進水污染物質量濃度，mg/L；

Se——出水污染物質量濃度，mg/L。

3.1 水體中CODMn處理效果

圖5是工程運行后濾墻前段、中段、后段的水體中CODMn處理效果。

圖5 水體中各段CODMn處理效果Fig.5 Treatment Effect of CODMn in Each Water Body Section

由圖5可知，水體中的CODMn質量濃度(濾墻前段)在5.8～13.8 mg/L，并且CODMn隨著季節的變化而變化。春秋季的CODMn一般比較高，質量濃度(濾墻前段)一般在8.6～13.8 mg/L；冬季溶解氧溶解度高和污染物減少等因素，造成CODMn一般比較低，質量濃度(濾墻前段)一般在5.8～8.6 mg/L。對濾墻前段、中段、后段的CODMn分別進行測定，利于分析濾墻和水草的處理效果。通過對比濾墻不同階段的處理效果，則CODMn去除率在27.3%～41.2%；濾墻中段和后段的CODMn去除率在17.5%～36.5%；總CODMn去除率在44.0%～60.4%。由此可知，春秋季的CODMn的本值相對較高，而且濾墻中的微生物比較活躍，相對冬季的CODMn去除率來說要高。同時，出水的CODMn質量濃度在3.3～5.6 mg/L，總體出水效果優于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中III類水的水質，說明采用生態濾墻和仿生水草對于CODMn的處理效果是比較顯著的。

3.2 水體中氨氮處理效果

圖6是工程運行后濾墻前段、中段和后段水體中氨氮的處理效果。

圖6 水體中各段氨氮處理效果Fig.6 Treatment Effect of Ammonia Nitrogen in Each Water Body Section

由圖6可知，水體中的氨氮質量濃度(濾墻前段)在0.8～2.2 mg/L，且氨氮隨著季節的變化而變化。春秋季水體中的氨氮一般比較高，質量濃度(濾墻前段)一般在1.1～2.2 mg/L；冬季受污染物減少等影響，氨氮一般比較低，質量濃度(濾墻前段)一般在0.8～1.1 mg/L。同時，對濾墻前段、中段和后段的氨氮分別進行測定。根據測定結果分析，通過對比濾墻前段和中段的氨氮處理效果，則去除率在25.0%～44.4%；濾墻中段和后段氨氮的去除率為25.0%～44.4%；氨氮總去除率在50.0%～66.7%。由此可知，春秋季的氨氮本值相對較高，而且濾墻中的微生物比較活躍，相對冬季的氨氮去除率較高;同時，出水的氨氮質量濃度在0.4～0.8 mg/L，總體出水水質效果優于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中III類水，說明采用生態濾墻和仿生水草對氨氮的處理效果比較顯著。

3.3 水體中TP的處理效果

圖7是工程運行后濾墻前段、濾墻中段和濾墻后段水體中TP的處理效果。

圖7 水體中各段TP處理效果Fig.7 Treatment Effect of TP in Each Water Body Section

由圖7可知，水體中TP質量濃度(濾墻前段)在0.15～0.65 mg/L，且TP是隨著季節的變化而變化。春秋季的TP一般比較高，質量濃度(濾墻前段)一般在0.30～0.65 mg/L；冬季受污染物減少等影響，TP一般比較低，質量濃度(濾墻前段)一般在0.15～0.30 mg/L。分別進行測定濾墻前段、中段和后段的TP，便于分析濾墻和水草的處理效果。濾墻前段和中段的TP去除率在33.3%～50.0%；濾墻中段和后段的TP去除率也在20.0%～50.0%；總TP去除率在46.7%～70.0%。由此可知，春秋季的TP的本值相對較高，而且濾墻中的微生物比較活躍，相對冬季的TP去除率來說要高；同時，出水的TP質量濃度在0.08～0.20 mg/L，總體出水效果優于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中III類水的水質，說明采用生態濾墻和仿生水草對于TP的處理效果比較顯著。

3.4 主要經濟技術指標

本工程投資經濟費用：土建費用為14.5萬元；設備安裝費用為478.68萬元；總投資費用為493.18萬元。運行維護費用：底層復氧生物載體的曝氣電費為8.5萬元/a；生態濾墻和底層復氧生物載體維護費用為15.0萬元/a；人工費用為5.0萬元/a；最終直接運行費用約為28.5萬元/a。技術指標：生態濾墻長度為262 m；仿生水草面積為10 500 m2；馴化間面積為45 m2。

4 結論

采用的旋轉系統保障具有行洪、泄洪的入庫河段安全，同時河段設置的生態濾墻和仿生水草等生態凈化設施對主要污染物CODMn、氨氮和TP的去除率比較顯著，且工程建設費用和運行費用較節省。

(1)根據技術經濟指標分析可知，本工程的措施對于入庫河段具有技術可行性，相比較于固定的生態浮床等生態處理技術，由于旋轉系統的設置，保障了泄洪安全，同時也對水質進行凈化。經濟上合理，技術上可行，適合于泄洪河道的水質凈化。

(2)采用生態濾墻和仿生水草對于大沙河中的主要污染物CODMn、氨氮和TP的去除率為44.0%～60.4%、50.0%～66.7%和46.7%～70.0%，整體處理效果還比較顯著，而且出水水質效果優于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中III類水。

(3)工程的建設費用為14.5萬元，設備安裝費用為478.68萬元，總投資費用為493.18萬元；運行維護費用測算直接費用約為28.5萬元/a。考慮環境效益，削減的CODMn、氨氮和TP可以大大減輕水環境容量，大大提高水源地的環境保護和安全。

(4)工程采用旋轉裝置、生態濾墻和仿生水草等綜合設置，適合于河道泄洪、汛期等水位變化大，且對水質有凈化要求的項目，具有很好的推廣價值。同時，為了更好凈化水質，建議下一步研究和優化生態濾墻和仿生水草的間距和搭配比例。