干旱地區高鹽納污坑塘水生態修復
——以阿拉爾氧化塘為例

謝紅忠，萬艷雷,2，周秋紅,2，謝曉靚，陳浩,3

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，武漢 430010；2.水利部長江治理與保護重點實驗室，武漢 430010；3.流域水安全保障湖北省重點實驗室，武漢 430010)

我國是一個水資源緊缺的國家，淡水資源人均量遠低于國際平均水平，尤其是西部干旱、半干旱地區，因受氣候因素影響，年蒸發量遠大于年降水量，水資源短缺已成為制約整個西北地區經濟發展的瓶頸。截至2019年，新疆維吾爾自治區棉花種植總面積約2.54×106hm2，總產量達5.00×106t，約占全國棉花總產量的85%[1]。棉漿粕和黏膠纖維行業以自治區的棉花資源優勢為立足點，已逐漸成為新疆維吾爾自治區的優勢產業，帶來了巨大的經濟效益。然而，棉漿粕和黏膠纖維生產過程中產生大量酸、堿廢水和脫硫廢水，具有色度大、化學需氧量(chemical oxygen demand，COD)質量濃度高、氮磷元素質量濃度低、鹽分大，處理難度大等特點[2-7]。隨著行業的快速發展，企業生產廢水總量持續增加，這些廢水經過處理后，通過長輸管線排放至沙漠或荒漠的污水庫，經長時間蒸發濃縮，致使污水庫內各類污染物逐漸富集、含鹽量高、水質變差、水體黑臭。隨著國家對黑臭水體治理、水環境綜合整治的重視，大量納污坑塘面臨水環境修復、消除黑臭的問題[8]。尤其是新疆維吾爾自治區屬于內陸干旱區，生態環境脆弱，水資源匱乏，而水資源過度開發和水體污染加劇了水資源供需矛盾，并導致水環境不斷惡化，水污染治理已成為新疆維吾爾自治區經濟社會發展亟待解決的問題[9]。目前，高鹽廢水的處理方法主要有反滲透、膜蒸餾、電滲析、離子交換、高級氧化和生物處理工藝等[10-11]，這些處理方法通常成本高、耗時長，且主要針對工業高鹽廢水(如腌制廢水、海產廢水、皮革廢水等)開展相關研究。針對干旱地區高鹽納污坑塘的水處理技術鮮有報導。

因此，以新疆阿拉爾濕地生態修復及景觀提升項目為例，針對西北干旱地區水體污染特征，探索不同水生態修復技術在干旱地區高鹽水體水環境修復中的應用效果，總結阿拉爾氧化塘治理工程中應用的相關水生態修復技術及要點，為我國西北干旱地區黑臭水體治理提供技術參考。

1 阿拉爾氧化塘水污染現狀

1.1 阿拉爾氧化塘概況

阿拉爾市地處天山南麓塔里木盆地北部邊緣，東經81°03′，北緯40°30′，海拔高度1 012.2 m。該市年平均降水量為49.5 mm，年蒸發量為1 987.3 mm，屬于典型干旱地區高鹽堿區域。阿拉爾工業園區于2004年啟動建設，在2012年正式設立為國家級阿拉爾經濟技術開發區。開發區總面積55.63 km2，共分5大區域，產業定位分別為紡織服裝、精細石油化工、新材料、農副產品加工和新能源。

阿拉爾氧化塘于2008年建成，位于阿拉爾經濟技術開發區污水處理廠東北側，距離阿拉爾市中心約23.5 km，東南側為塔里木河，直線距離約5 km。阿拉爾經濟技術開發區的生產、生活廢水經污水處理廠處理后進入氧化塘，目前已運行10年，現氧化塘廢水排入量約為4萬m3/d。氧化塘占地面積約14 km2，由于多年的排水，目前已形成穩定水面5～7 km2，平均水深約2 m，現存水量0.10億～0.14億m3，氧化塘四周以滲水壩與外界隔離，中間修筑中壩貫穿南北，將其分為西庫和東庫，其中東庫地勢較低，水面較大。氧化塘濕地見圖1。

圖1 氧化塘濕地Fig.1 The plane graph of oxidation pond wetland

1.2 氧化塘水質現狀

2018年7月3日至2018年7月7日對氧化塘區域地表水水質進行監測，水樣采集遵循《水質采樣技術指導》(GB 12998—91)和《工業企業場地環境調查評估與修復工作指南(試行)》(環境保護部公告2014年第78號)進行采樣點布設、現場采樣與實驗室檢測分析工作，共設19個水質采樣點，選取pH值、COD、總氮、氨氮、總磷、色度、硫酸鹽、全鹽量和氟化物等9個水質監測指標。其中色度采用《水質色度的測定》(GB 11903—89)中稀釋倍數法測定，其他指標分析方法參考國家或行業相關標準分析方法。

阿拉爾氧化塘水質監測結果見表1，與《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅴ類水相比，氧化塘水體COD、總氮、磷、氟化物、硫酸鹽、全鹽量均超標，氧化塘水質為劣Ⅴ類，與《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準相比，氧化塘色度超標。此外，氧化塘水體中微生物生存環境惡劣，有益種群少，病原菌和雜菌較多，水體自凈能力差，依靠單一的物理、化學、生物修復技術難以達到持久有效的治理效果。主要由于阿拉爾氧化塘在2008—2015年接受的廢水執行《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)中的三級標準，該標準未對全鹽量、硫酸鹽、氯化物等指標做出要求，直到2015年才執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準。因此，氧化塘內執行三級標準的廢水存量較大。目前阿拉爾氧化塘的主要問題有：外源污染，阿拉爾工業園內某棉漿粕和黏膠纖維企業是氧化塘最大廢水排放量企業，約占總排放量的70%，該企業廢水具有色度高、含鹽量高、污染物含量高、處理難度大等特點；水體黑臭，水質為劣V類水；水體鹽度高，周圍土壤鹽堿化嚴重，水生植物難以存活，生態系統脆弱。

表1 阿拉爾氧化塘水質現狀調查結果Tab.1 Investigation results of water quality in Alaer oxidation pond

2 水環境治理措施

基于氧化塘水質現狀，確定氧化塘修復最終目標為：對氧化塘區域現存廢水進行無害化治理，主要解決氧化塘廢水色度、COD、總氮、總磷、氨氮等污染物含量偏高問題，保證氧化塘壩內現存廢水穩定達到《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)中的一級標準，其中色度(稀釋倍數)≤30倍、COD質量濃度≤100 mg/L、總氮質量濃度≤2 mg/L、總磷質量濃度≤0.5 mg/L、氨氮質量濃度≤2 mg/L。通過一系列治理措施，完成氧化塘地表水無害化治理，在保證生態不遭到破壞的情況下，實現廢水綜合利用。阿拉爾氧化塘采用“水安全、水環境、水資源、水生態”四位一體的綜合治理技術框架，以氧化塘現狀問題和治理目標為導向。阿拉爾氧化塘無害化治理和生態修復的技術方案具體包括4項措施：控源截污，從源頭控制進入氧化塘的污染物含量；水質提升，消除水中污染物，實現水質達標，恢復水體功能；活水循環，提高氧化塘自凈能力，減少水體污染，完善區域水循環系統；生態修復，修復和改善區域水生態環境，實現生產廢水資源綜合利用。4項措施循序漸進，逐步深入，協同發揮作用，從前期源頭阻斷、中期污染水體治理到后期修復成果長效保持，最終實現阿拉爾氧化塘水質凈化和生態系統重建。

2.1 控源截污

控源截污是水環境綜合治理中最重要的一步，污染源不除，則水體治理容易陷入反復污染治理的循環中。阿拉爾氧化塘廢水主要來自阿拉爾經濟技術開發區污水處理廠，該污水處理廠處理工藝和設計規模滿足園區現狀污水排放要求，無須新建處理單元。

阿拉爾工業園內排放量最大的某棉漿粕和黏膠纖維企業開展廢水綜合利用工程，對該企業污水處理設施進行升級改造，將該企業廢水與園區廢水進行分離，不再排入氧化塘。在氧化塘北側建設一座全防滲暫存池，用于儲存和調蓄該企業產生的廢水,同時建設以紅柳為主的生態林。暫存池的主要任務是通過生態林灌溉的方式實現廢水綜合利用，方案實施后，園區內最大的棉漿粕和黏膠纖維企業含鹽量較高的棉漿粕廢水和化纖廢水將不再排入氧化塘，在很大程度上減少了全鹽量、硫酸鹽、氯化物等污染物的排入，能夠從源頭上減少阿拉爾氧化塘特征污染物的排入量。

2.2 水質提升

針對阿拉爾氧化塘高鹽廢水色度高，透明度低，COD、總氮、總磷超標等問題，在控源截污的基礎上，采用高鹽環境下原位水生態修復技術提升氧化塘水質，該技術的核心在于通過改善微生物和水生植物生存環境、培育和構建耐鹽微生物菌群和水生植物體系，逐步恢復和完善水生態系統[12]。該技術包含4個方面：改性沸石水環境原位修復技術；靶向微生物水生態修復技術；曝氣增氧技術；水生植被恢復技術。這4項技術相互促進，協同發揮作用，詳見圖2。噴灑改性沸石后一方面可提高水體透明度，改善沉水植物生長環境，另一方面通過離子交換作用，從改性沸石中置換出鉀離子，增強植物酶作用效果。水生植物吸收水中營養鹽，增加水體溶解氧，改善靶向微生物生存環境，微生物活動也能夠反過來促進水生植物生長。曝氣增氧可快速增加水體溶解氧，改善好氧微生物生境和氧化塘底部氧化還原狀態，加速底部有機物和亞硝酸鹽等氧化分解。微生物和水生植物的數量和生長速度提高后，作用于浮游水生動物，逐漸形成閉環食物鏈，加快水生態系統的恢復和重建，實現干旱地區高鹽環境水生態修復。

圖2 水質提升關鍵技術Fig.2 The key technologies for water quality improving

2.2.1改性沸石水環境原位修復技術

使用的水環境修復材料主要成分為沸石(>60%)，此外，還包括石英、白云母、長石、蛭石、蒙脫石等多種礦物，經研磨混合、低溫煅燒后，用特殊離子交換工藝制成的多孔狀礦物質綜合體，記為改性沸石。改性沸石修復材料種類多樣，需根據目標水體現狀優化材料配方，并確定修復材料投加量為500 g/m3。

通過噴撒改性沸石，以解決氧化塘水質色度超標、透明度低的問題。施工后，短期連續監測結果表明，噴撒改性沸石后，可快速改善氧化塘水質，尤其對色度和COD去除效果明顯，見圖3。研究表明：當投加量為8 g/L時，改性沸石對溴酚藍的去除率最高可達97.86%，對剛果紅的去除率可達99.99%[13-14]；當投加量為10 g/L時，改性沸石對酸性橙Ⅱ的去除率為99.63%，COD的去除率約30%[15-16]。改性沸石作為微生物載體，展現出優異的微生物促生作用，可有效激活土著微生物活性，當改性沸石結合土著微生物處理廢水時，其對氨氮、總氮、COD都具有較好的去除效果[17-18]。改性沸石進入水體后，通過吸附、凝聚、沉淀作用迅速改善水體色度、提高透明度，同時逐漸降低水體污染物質量濃度和鹽分。此外改性沸石具有親水性好、微生物附著率高等特性，為微生物提供生長附著環境和代謝增殖空間，從而激活水體以及底泥中土著微生物活性，加快污染物分解和轉化。

圖3 噴撒改性沸石后水質色度、COD變化趨勢及機理Fig.3 Change trend of chroma and COD of water quality after spraying of modified zeolite and its proposed mechanism diagram

2.2.2靶向微生物水生態修復技術

微生物菌劑購自大連某公司，針對阿拉爾納污坑塘高鹽高堿、常規微生物難以存活的問題，采用階梯加鹽馴化篩選耐鹽微生物菌群。通過室內試驗確定最佳微生物菌劑投放量，同時選取面積約1 000 m2的獨立坑塘開展中試試驗。根據不同區域取水試驗結果，在微生物菌劑投加量為15～17 mg/L時，COD的去除效果較好。靶向微生物菌液在現場培養成熟后，噴撒施入氧化塘，菌液中主力微生物包括光合菌(細小光合菌)、VA菌根菌、白腐菌、酵母菌、乳酸菌、放線菌、曲霉菌等多種有益菌。在現場試驗時，投入靶向微生物后，水體生態明顯改善，出現大量浮游生物，有機污染物含量降低，表層淤泥部分沙化。在保證外來菌種存活率的前提下，同時引導土著微生物迅速繁殖，以增加水體中微生物的種類和密度，提高群落代謝活性，促進有機污染物分解轉化，降低水體COD質量濃度。微生物代謝產物作為其他水生生物的餌料和生長基質，促進塘底微環境向好氧轉化，進而提高水體有機物代謝能力，促進水生態系統逐漸恢復和重建，實現水體自凈能力的提升。

2.2.3曝氣增氧技術

因阿拉爾氧化塘水體流速較緩，且存在部分死角區域，水體交換基本為零，所以易造成污染物堆積現象，導致部分區域水質較差。研究投放曝氣增氧設備以增加水體溶解氧質量濃度，促進好氧微生物種群活動，同時增加區域內水體交換，促進污染物分解。曝氣增氧設備采用微納米曝氣技術對氧化塘水體流動緩慢區域進行曝氣增氧，具體包括大型微納米氣泡發生器、太陽能微納米氣泡發生器和太陽能噴泉曝氣機。

2.2.4水生植被恢復技術

依照選種→繁殖與幼苗培育→現場定植與擴增試驗→種植種群優化的技術路線，實施耐鹽堿挺水、沉水植物種植工程。通過文獻調研、實地考察等方式篩選適于干旱地區高鹽水體生長的優勢沉水植物類群，包括沉水植物川蔓藻、篦齒眼子菜、狐尾藻、金魚藻、菹草、線葉眼子菜、馬來眼子菜、黑藻、苦草和挺水植物水蔥、再力花、香蒲、千屈菜、大米草、鹽角草等[19-20]。通過開展植物種植試驗，分析植物生理機能，綜合評價耐鹽沉水植物的適用性。結果表明篦齒眼子菜、水蔥和香蒲耐鹽性能較好，對這3種植物進行定植擴繁。在排水口、中壩兩側以及南壩種植挺水植物(耐鹽堿水蔥和香蒲)和沉水植物(篦齒眼子菜)，利用植被的代謝作用進一步凈化氧化塘內廢水。

2.3 活水循環

由于阿拉爾地區降水量小、蒸發量大，活水循環措施的作用:一方面能夠維持氧化塘現有水面，通過水體循環，提高氧化塘濕地水體凈化能力，從而改善氧化塘區域生態環境質量；另一方面能夠控制地下水受影響的范圍，改善氧化塘區域土壤環境質量，最終實現水土共治。活水循環采用地表水引流，塔北二干排渠引流方案和下游地下水引流方案聯合實現。塔北二干排渠位于氧化塘進水口西側，灌溉季節長期有水流過，水量較大。根據新疆新環監測檢測研究院(有限公司)對排堿渠的水質監測數據(表1)，雖然含鹽量略高，但其他水質指標均優于氧化塘內水體。本方案將塔北二干排渠的水引入以維持氧化塘一定的水面，見圖1中藍色管道。沿地下水流向在氧化塘下游區域布設6口淺層地下水引流井(圖1)，井位間隔為300～500 m，距氧化塘外圍壩體200 m。井深、抽水量可根據實際需要引入的水量來確定，每日抽取地下水進入氧化塘，排入氧化塘內以維持氧化塘現有水面。地下水抽水回灌的時間應放在氧化塘內現存廢水治理并取得明顯效果后進行，這樣既能夠實現地下水中的污染物被抽出處理，又能夠實現處理后的較清潔的水源補給周邊地下水，形成地下水中污染物逐步被析出置換的地下水凈化體系。

2.4 生態修復

為完成阿拉爾氧化塘無害化治理，實現生產廢水全部綜合利用，使氧化塘區域地表水、地下水、土壤、生態等環境質量恢復到排水之前或優于排水前，在氧化塘濕地西南側新建生態修復示范區，種植可改善土壤環境、固定鹽分的鹽地堿蓬[21]，示范區采用滴灌方式進行節水灌溉。為避免生態灌溉過程中鹽分累積效應，造成土壤鹽化或堿蓬存活率降低等現象，灌溉用水含鹽量控制在10 000 mg/L以下，采用氧化塘內高鹽廢水混合地下水、排堿渠內堿水或者其他水源，進行廢水的綜合利用。

3 水環境治理效果分析

針對氧化塘區域特點和污染特征，制定了綜合性的治理方案，在現有水質強化凈化與水生態修復綜合技術的基礎上進行創新，除傳統截污和活水工程外，應用改性礦物質材料、靶向微生物菌劑和耐鹽水生植物，同步實現了水質提升和內源控制。

為評估阿拉爾氧化塘廢水治理效果，對比水體施工前、施工過程中、施工完成、完工后1個月和完工后8個月的水質監測數據和施工過程中的水質自檢數據。監測時間點為2018年7月(施工前)、2019年3月5日至2019年9月30日(施工中，各區域采樣監測時間不同)、2019年10月(施工后1個月)和2020年5月(施工后8個月)。治理前，氧化塘內全鹽量質量濃度、氯化物質量濃度、色度、COD質量濃度均超標，為劣Ⅴ類水，見表1。工程實施后(圖4)：水體黑臭現象消失；透明度由不足30 cm提升至80 cm以上；水生植物生長速度加快，塘內可觀察到大量沉水植物生長，生態系統單一性被改變；水體自凈能力增強。隨著施工進行，氧化塘各區域水體中色度、COD和氨氮均呈現逐步下降的趨勢，并逐漸趨向穩定，見圖5。施工完成后：色度由20倍降低至4～8倍，色度平均去除率為87.06%；COD質量濃度由96～148 mg/L下降至37～50 mg/L，COD平均去除率為62.63%；氨氮質量濃度由0.46～0.40 mg/L下降至0.17～0.19 mg/L，氨氮平均去除率為58.55%；總氮質量濃度平均去除率為68.61%。施工完成1個月內，水質變化不大。但施工完成8個月后，COD和色度有明顯上升的現象，而且變化結果一致，推測兩者對應的污染物均為難降解有機染料，其去除機理為改性沸石吸附，后期需噴撒少量改性沸石進行維護。氨氮和總氮有少量增加，而施工完成后總磷平均去除率為62.98%，施工完成8個月后總磷去除率上升至80.73%，說明提出的技術方案對總磷去除效果好，且治理效果可長期保持。水體中氮磷等營養物質可以通過水生植物同化吸收去除，此外，水生植物還可以通過向根部輸送氧氣，改變根際氧含量，進而影響微生物消化和反硝化過程以及微生物厭氧釋磷和好氧吸磷過程，最終促進水體氮磷的去除[22]。水生植物根系定植于底泥中，固持底泥，減少底泥再懸浮和營養鹽溶解釋放。

圖4 阿拉爾氧化塘水生態修復前和修復后實景對照Fig.4 Comparison of photos before and after water ecological restoration of Alaer oxidation pond

綜上所述，氧化塘經無害化治理和生態修復后，水質得到了明顯改善,各指標均能滿足修復目標的要求，主要污染物均有下降趨勢。研究結果表明，應用改性礦物質材料、靶向微生物菌劑和耐鹽堿水生植物協同技術處理新疆維吾爾自治區棉漿粕和黏膠纖維行業生產廢水納污坑塘廢水，可有效削減水體污染物，提升水體水質。

圖5 施工前后部分水質指標變化趨勢Fig.5 The variation tendency of some of water quality indexes before and after construction

4 結 論

以新疆阿拉爾納污坑塘生態修復及景觀提升項目為例，針對新疆干旱地區高鹽納污坑塘特點和污染特征，制定了綜合性的治理方案，在現有水質強化凈化與水生態修復綜合技術的基礎上進行了創新，除傳統控源截污和活水工程外，應用改性礦物質材料、靶向微生物菌劑和耐鹽水生植物，同步實現了水質提升和內源控制。綜合治理后，阿拉爾氧化塘水質得到明顯改善，總磷、氨氮、COD、色度和總氮的去除率分別達80.73%、58.55%、62.63%、87.06%和68.61%，水體黑臭消失，各指標滿足修復目標的指標限值。研究成果可作為干旱地區水污染綜合治理及污染水體資源化利用的示范工程，為區域大型納污坑塘水體治理和水生態環境改善提供技術支撐。