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探究在黑臭河道治理中河道人工生态系统的运用

2020-09-17 123 上传者：管理员

摘要：在我国的一些老旧城区，由于历史遗留问题造成污水收集处理率不高及污水直排进入河道的现象，由此形成的河道黑臭问题对周边居民的生活和城市整体形象造成了恶劣影响。为解决河道黑臭问题，基于河道天然生态系统及其演变，衍生出河道人工生态系统理论，并根据该理论在温州乐清某未完全截污河道上进行工程实践——在河道内构建人工生态系统。第三方检测机构水质检测结果表明，工程实施半年后，水质由劣Ⅴ类上升为Ⅳ类，治理效果显著。

关键词：
人工生态系统
应用
治河防洪工程
生态修复
老旧城区
黑臭河道
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1、引言

随着我国城镇化进程不断加快，许多城镇配套设施建设的速度明显滞后。较为典型的是城镇污水收集处理率普遍偏低，雨污分流不彻底，污水直排漏排进入河道，严重影响城市水环境。《城市黑臭水体整治工作指南》[1]中提出“2020年底前地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内；2030年城市建成区黑臭水体总体得到消除”的工作目标。目前，关于黑臭水体治理技术方面的研究成果较丰富，如王学江等[2,3]以悬浮填料为生物挂膜载体，研究了生物膜技术对受污染河道污水的处理效果，发现该技术对COD和氨氮的处理效果十分显著；王琨等[4,5,6,7]分别在实验室和实际工程中将外源微生物应用于黑臭水体，水体黑臭状态均有不同程度改善；黄央央等[8]在上海白莲泾世博园区段构建生态浮岛，发现该技术能有效改善水质，但受植物生长周期限制，净化效率较低[9]；王玮等[10,11,12]对微孔增氧曝气技术进行研究，与传统增氧方式相比，微孔曝气增氧的优势在于可使深层水体均匀增氧，平衡水生态环境，改善水质。由于城市水体黑臭原因复杂，单一方法通常不能达到很好的治理效果。为此，本文基于河道人工生态系统的理念，以温州乐清某未完全截污的河道为例，围绕该系统理念进行理论与应用实践的探讨。

2、河道人工生态系统

2.1引入河道人工生态系统的必要性

河道生态系统是由河床内及河岸带的生物及其生境组成[13]。自然条件在物理、化学、生物等因素的共同作用下，能够使水体中污染物的浓度和毒性下降，逐渐恢复到受污染之前的状态[14]。河道生态系统的自净能力是河道生态系统的重要功能之一。

人类活动导致水体的自净能力下降，对河流自然生态系统造成破坏。通过一些工程措施，如截污纳管、底泥疏浚等可改善受污水体的水质，但河道生态系统无法自行恢复。因此，构建河道人工生态系统，对于河道生态平衡的恢复十分必要。河道人工生态系统，就是采取一系列工程措施和手段，重塑河道生态系统并在原有基础上进行人工强化，提高河流自净能力，增强河流生态系统稳定性。

2.2河道人工生态系统的工作原理

2.2.1生物膜技术

生物膜技术一般采用砾石、纤维等材料，利用其比表面积大的特点吸附悬浮物，同时作为载体，为微生物的繁衍提供固定场所，强化微生物对污染物的降解作用[15]。微生物在生长繁殖过程中消耗水中的污染物并在载体表面形成生物膜。污水流经生物膜时，DO以及微生物生长所需的营养物质会被生物膜吸附并向内部扩散，从而被微生物分解转化为代谢产物[16]。该技术主要用于处理溶于水中的以及胶体状的有机污染物[17]。

2.2.2微生物强化技术

微生物作为分解者，对于污染物的分解或转化起着十分重要的作用[18]。环境中的污染物有些可以作为微生物生长繁殖的能源物质，有些能在微生物的作用下转化为气体和无机物。自然条件下，水体中降解污染物的微生物可能由于竞争和捕食作用以及外部环境条件不适等因素，难以大量繁殖；采用人为强化措施，提供合适的环境条件（如曝气充氧等），投加微生物菌剂和生物酶制剂等，能够迅速提高污染水体中的微生物浓度，施工简便，维护成本低，且代谢产物对环境影响较小。

2.2.3人工浮岛技术

在被污染的水体中搭建浮岛，运用无土栽培，种植挺水植物及一些特定种类的陆生植物，利用植物根系等处的微生物共生体系的生长代谢作用去除水中的N、P等营养元素[19]。该方法可用于污染物浓度不大、水面面积较大、有一定景观要求的水体，可改善此类水体富营养化现象。

2.2.4水生动植物修复技术

植物修复是通过植物的吸收作用去除水体中的营养盐，利用漂浮植物根系吸附、截留水体中的不溶性污染物，同时，水生植物的根系为微生物提供了附着的基质。

动物修复是利用河流生态系统中的食物链来分解转化水体中的污染物，从而达到改善水环境的效果。通过投放一些底栖动物，如蚌、螺、虾等，可消耗底泥中的污染物，然后利用水生动物之间的捕食关系，去除藻类等悬浮物，从而提高透明度。

2.2.5深层微孔层流曝气技术

水体中的DO一般来自水生植物的光合作用及大气复氧。对于严重污染的水体，大量的外源有机物和氨氮快速消耗水中的DO，使水体处于缺氧状态，需通过人工方式弥补自然复氧的不足。深层微孔层流曝气技术通过自沉式管道连接曝气头，将空气输送到水底。曝气时产生的微小气泡缓慢上升，形成环流，将上下水体充分混合，达到增加水体中DO含量的效果。

2.2.6不同条件下的技术组合

曝气增氧是水污染治理的核心手段，在此基础上运用微生物强化技术，可有效增强水体的自净能力。针对未截污、未清淤的水体，可适当增加排气管数量及微生物投放量；流速较快的水体与大气的氧气交换较快，可适当减少排气管的数量以节约工程成本；针对“三面光”河道，由于很难种植植物，应增设人工浮岛、人工水草，以便微生物挂膜；针对有景观需求的水体，应根据景观设计要求布设人工浮岛并种植景观植物；对于严重污染的水体，应在治理过程中补充投放底栖动物及鱼类，以帮助恢复生物多样性。

2.3河道人工生态系统的实践意义

河道人工生态系统的应用范围十分广泛，几乎适用于所有水体的水质净化工程。在城镇河道中构建河道人工生态系统能够将污水处理融入城镇居民的日常生活，解决老旧城区污染源不明、污水直排河道的问题，消除黑臭，有效改善河道水质，更好地为周边居民服务，且具有成本低、不产生二次污染以及水质可长期维持等优势，也实现了污水治理和景观效果的双赢。

3、应用实例

3.1工程概况

马路渎河位于温州市乐清市乐成街道西门村，全长约1200m，项目选取华兴路至长乐路600m长河段进行生态治理。治理前，该河段平均河宽约4m，流动性差，水流缓慢，自净能力弱，水体呈深绿色，河面上有絮状漂浮物，局部严重黑臭，气味刺鼻，感官极差。该河段内存在排污口，在排污口处布设人工生态浮岛，植物根系可以对排污口排放的污染物起缓冲、初步过滤的作用，利用浮岛上植物的生长，可以去除水中N、P等营养物质，也有助于提升景观效果。在河段内均匀布设曝气机和自沉式气管，能够增加水中DO浓度，改善水动力条件，增强水体流动性，也为后期所投放环境微生物的生长繁殖提供了有利条件。

整个河道人工生态系统的布置见图1。如图1所示，曝气系统包括1台空压机、8台曝气机以及自沉式气管1350m；人工生态浮岛布设在排污口附近，共8座，共50m2，浮岛上种植大量狐尾藻和千屈菜；治理河段两端桥头处安装有两个喷泉，以提升景观效果。设备全部安装好后，向河道内投放鲢鱼鱼苗。2018年8月3日，投放微生物菌剂，共投放25kg，待其完全溶于水后，泼洒于曝气盘附近。

图1乐清市马路渎河水生态修复工程平面布置示意图

3.2水质监测结果与分析

治理前后，委托第三方检测机构选择监测点对水质进行检测，分析各理化指标（总磷、总氮、氨氮、COD、透明度等）的变化情况。数据监测自2018年5月起，每次监测间隔为3个月，共测5次，其中第一次监测为治理前。治理前，马路渎河监测点的几项主要水质指标均劣于地表水Ⅴ类水的标准限值[20]，见表1。

表1马路渎河治理前水质污染情况

马路渎河各理化指标的变化趋势见图2。由图2可知，系统运行后，马路渎河各理化指标均呈现变好趋势，至2019年4月17日，监测断面水质已从治理前的劣Ⅴ类上升为Ⅳ类。具体表现为：(1)总磷。治理初期，总磷浓度不降反升，这是微生物刚开始作用于底泥时的正常反应，微生物大量繁殖扰动底泥，使底泥中的P释放到水体中，参数出现一定反复，一段时间后开始衰减，总体呈下降趋势。(2)总氮和氨氮。二者变化趋势一致，总体上呈下降趋势，7～11月之间，下降幅度不显著，可能是由于周边学校开学，排污量迅速增大，河流污染负荷骤然增大导致。(3)COD。治理后，马路渎河治理段COD出现显著下降趋势，在11月底至次年1月间出现反弹。这是由于11月开始进入枯水期，河道中的流量下降，无法有效稀释有机物，超出了微生物的净化能力，从而使河流COD浓度升高。春季降雨量增加，河道流量增加，COD浓度再次呈现下降趋势。(4)水体透明度。水体透明度在短时间内出现下降，后逐步升高，这与总磷的变化趋势相符，由于微生物刚开始作用时扰动底泥，导致水体透明度下降，后期系统运行正常，形成良性循环，水体中的藻类、悬浮物减少，水体透明度上升。最后一次水质监测在雨后进行，受天气影响，在水流、波浪等外部因素的扰动下，泥沙容易重新悬浮进入水体，使水体的浑浊度和悬浮物浓度上升，透明度有所下降，属于正常现象。

图2马路渎河治理前后各主要理化指标变化趋势

4、结论

a．本工程结合河道人工生态系统的理论，针对马路渎河治理河段具体情况进行应用，11个月内，有效消除水体黑臭，改善了马路渎河水生态环境，水质指标从劣Ⅴ类上升为Ⅳ类，治理效果显著。

b．治理河段位于乐清市老城区，存在污水管网系统不完善、缺乏全面的管网资料等问题，要彻底解决马路渎河的黑臭问题，需配合当地相关部门进一步排查，改造老城区的排水管网，合理实施污水的截留、分流改造。

c．河道人工生态系统的核心技术是深层微孔层流曝气技术。在充分供氧的条件下，运用微生物强化技术，可高效去除水体中的污染物。根据实际需求，可与生物膜技术、人工浮岛技术及水生动植物修复技术进行组合，以达到最佳处理效果。

d．河道人工生态系统实际上是物理方法与生态方法相结合的集成系统的应用，该方法可实现水体的原位治理，操作简便，成本低，见效快，且具有可持续发展的特点，可以在城市黑臭河道，尤其是未截污的老旧城区河道推广应用，具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部建设司.城市黑臭水体整治工作指南[S].北京:中华人民共和国住房和城乡建设部建设司,2015.

[2]王学江,夏四清,张全兴,等.悬浮填料移动床处理苏州河支流河水试验研究[J].环境污染治理技术与设备,2002,3(1):27-29,22.

[3]王荣昌,文湘华,景永强,等.悬浮载体生物膜反应器修复受污染河水试验研究[J].环境科学,2004(增刊1):67-69.

[4]王琨,王慧玲,孙小磊,等.微生物与植物在河道模型中的黑臭水治理效果[J].环境科学与技术,2012,35(6):126-129.

[5]贺磊.微生物强化修复技术在锦州市河道治理中的应用[J].中国水能及电气化,2017(3):18-21.