以土壤溝槽滲濾系統(tǒng)為主體的組合工藝技術(shù)在污染河道治理中的應(yīng)用效果

朱一丹，袁海平，鄭寨生，王方園，楊春山

(1. 金華市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，浙江金華 321017;2. 上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240;3. 浙江師范大學(xué)，浙江金華 321004;寧波市潔源環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，浙江寧波 315040)

河流系統(tǒng)是自然界重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，具有輸水、泄洪、景觀、航運(yùn)和養(yǎng)殖等多種功能［1，2］。隨著城市化進(jìn)程的加快以及農(nóng)村面源污染的加劇，河流污染逐漸成為環(huán)境問題的焦點(diǎn)。河道污染主要是由過量的耗氧有機(jī)物、氮、磷及有毒物質(zhì)等進(jìn)入河流水體引起，當(dāng)污染物濃度超過水體生態(tài)環(huán)境的自凈能力，可破壞河流的功能和水生態(tài)平衡［3］。依據(jù)2008 年發(fā)布的中國環(huán)境狀況公報可知我國七大水系200 條河流的409 個地表水監(jiān)測斷面中，IV 類及以下的斷面比例高達(dá)45%，因此當(dāng)前在我國開展河流修復(fù)技術(shù)研究顯得尤為迫切。

河道生態(tài)修復(fù)是近年來在河道整治領(lǐng)域引入的比較先進(jìn)的技術(shù)。根據(jù)美國土木工程師協(xié)會對河道生態(tài)修復(fù)的定義為一種環(huán)境保護(hù)行動，其目的是促進(jìn)河道系統(tǒng)恢復(fù)到較為自然的狀態(tài)。國內(nèi)外在修復(fù)河流自然形態(tài)方面主要成功的措施有恢復(fù)緩沖帶、重建植被、修建人工濕地、降低河道邊坡、重塑淺灘和深潭、修復(fù)水邊濕均沼澤地森林、修復(fù)池塘［4-7］、河道曝氣、底泥生態(tài)疏浚、生態(tài)護(hù)坡技術(shù)、水質(zhì)生態(tài)修復(fù)技術(shù)等［8］。北京涼水河生態(tài)治理工程、上海蘇州河的水環(huán)境綜合治理、南京秦淮河整治工程等都是比較典型的治理工程。

以土壤溝槽滲濾為主體的組合工藝處理技術(shù)是采用生態(tài)學(xué)原理維護(hù)河道水質(zhì)的一種新型實(shí)用技術(shù)。該系統(tǒng)將河水從下游抽取，投配到裝載有多介質(zhì)并具有良好滲透性的復(fù)合材料處理層中，借處理層進(jìn)行物理吸附與化學(xué)沉積、微生物降解與轉(zhuǎn)化等作用，使河水中的有機(jī)物得到降解、磷與氨氮濃度得到控制，從而使河道水質(zhì)尤其是靜態(tài)河道的水質(zhì)得以改善。經(jīng)過土壤溝槽滲濾系統(tǒng)處理后的河水，從河道上游直接排入河道中，也可通過河道堤岸布水槽進(jìn)行均勻排放回到河道。與其他傳統(tǒng)的一些污染水體處理方法相比較，土壤溝槽滲濾系統(tǒng)作為主體的污水生態(tài)處理方法具有處理成本較低、易于操作和管理等優(yōu)點(diǎn)。

本文以浙江省寧波市江東區(qū)的鄒家河河道修復(fù)情況作為應(yīng)用實(shí)例，詳細(xì)介紹了該技術(shù)對污染河道的治理效果，為污染河道的綜合整治提供理論和技術(shù)上的支持。

1 污染河道修復(fù)技術(shù)工藝流程

該組合工藝具體流程如圖1 所示。在原有河道一側(cè)開辟一個生化處理區(qū)，并在其下游河道的進(jìn)水端設(shè)置一個生物過濾箱，生物過濾箱內(nèi)裝填一定數(shù)量的填料，利用棲附在填料上的微生物和充分供應(yīng)的氧氣，通過生物氧化作用，將河水中的有機(jī)物氧化分解，同時利用填料的攔截作用，將懸浮物(SS)截留，達(dá)到凈化目的。生物過濾箱的水力停留時間為0.5 ～1.0 h。鑒于河道水質(zhì)較差，水體通過生物過濾箱過程中，其中的SS 被截留，SS 中無機(jī)組分以及長期運(yùn)行導(dǎo)致填料表面產(chǎn)生的生物膜，容易引起生物過濾箱的堵塞，所以必須每隔半年或者一年對其進(jìn)行必要的清理。從生物過濾箱出來的河水進(jìn)入土壤溝槽滲濾系統(tǒng)，該系統(tǒng)裝載有多介質(zhì)并具有良好滲透性的復(fù)合材料處理層，借助處理層進(jìn)行物理吸附與化學(xué)沉積、微生物分解與轉(zhuǎn)化等作用，使污染河水中的有機(jī)物得到進(jìn)一步的削減、磷與氨氮濃度得到有效控制，從而使河道水質(zhì)尤其是靜態(tài)河道的水質(zhì)得以改善。經(jīng)過處理后的河水，進(jìn)入兩側(cè)的流水槽，流入原河道的上游，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。土壤溝槽滲濾系統(tǒng)填料的最優(yōu)配比:原位土壤為6%、河砂為59.6%、聚氨酯泡沫材料為36.8%和鐵礦石為3%(質(zhì)量百分比)。該系統(tǒng)最大進(jìn)水水力負(fù)荷為30 cm/d，且保持處理介質(zhì)的飽和滲透率長期穩(wěn)定在4.5 ×10-4～9.0 ×10-4cm/s。此外，針對傳統(tǒng)滲濾系統(tǒng)出水磷溶出等問題，該系統(tǒng)通過鐵屑固磷、除磷技術(shù)可使整個系統(tǒng)磷擊穿時間從原來的4 年延長至40 年。該系統(tǒng)可以較好地實(shí)現(xiàn)污水處理零污泥排放，并很好地解決了系統(tǒng)堵塞的問題。

河道水質(zhì)改善后，河道底泥釋放的污染物會對水質(zhì)構(gòu)成影響。為此研究團(tuán)隊(duì)采用外源投加穩(wěn)定劑的底泥原位穩(wěn)定法，控制底泥磷等污染物的釋放，這在一定程度上對底泥其他污染物的擴(kuò)散形成起到物理阻隔作用。底泥穩(wěn)定劑的主要成分和比:石灰為8%、石膏為8%，聚合氯化鋁為21%、高嶺土為63%。根據(jù)河道水文特性、底泥性質(zhì)等因素，確定藥劑的最佳投加量為0.03 ～0.1 kg/m2。

圖1 土壤溝槽滲濾處理系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic Diagram of Soil Trench Filtration System

2 寧波市江東區(qū)鄒家河河道生態(tài)修復(fù)示范工程

2.1 工程背景

鄒家河位于寧波市江東區(qū)，該河的水質(zhì)較差，氮、磷及有機(jī)物含量相對較高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了河道本身的自凈能力，原有水生生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞，藻類死亡后散發(fā)出的腥臭味及底泥厭氧后產(chǎn)生的惡臭味，嚴(yán)重?fù)p害了當(dāng)?shù)鼐用竦纳钯|(zhì)量和身體健康。

2.2 測定指標(biāo)

主要針對河水中的CODCr、氨氮、BOD5、總磷等指標(biāo)進(jìn)行測定，具體測定方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》［9］。本試驗(yàn)的樣品取水口位于土壤溝槽滲濾系統(tǒng)的出水口處，位于該河道的上游處。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)對進(jìn)出水進(jìn)行了近兩個月的跟蹤檢測，在該河道的三個不同河段(包括悅盛橋段，小橋段和建興橋段)取樣，對水質(zhì)進(jìn)行分析，具體原始檢測數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 鄒家河河道治理之前水質(zhì)情況Tab.1 Water Quality of Zoujia River before Treatment

由表1 可知該河道水質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)［10］，屬于劣Ⅴ類水質(zhì)。各項(xiàng)指標(biāo)均較高，容易造成富營養(yǎng)化污染，需要對其進(jìn)行整治處理。

表2 為河道治理過程中CODCr的變化情況。

表2 河道治理過程中CODCr的變化情況Tab.2 Variations of CODCr during Remediation

由表2 可知經(jīng)過近兩個月鄒家河河道的水質(zhì)有了很大的改善，并且該河道的各個河段的CODCr沿著河道上游往下逐漸升高，但無明顯差異。CODCr從治理前的95 ～114 mg/L 降至12 ～16 mg/L，總的COD 平均去除率達(dá)到81.8%。從治理后第四周開始，鄒家河的水質(zhì)已經(jīng)接近IV 類水的標(biāo)準(zhǔn)了。從第六周開始，因河水中的有機(jī)物含量下降，導(dǎo)致COD的去除速率開始下降。從第八周起，鄒家河河道CODCr基本穩(wěn)定在15 mg/L 以下。

表3 為河道治理過程中氨氮的變化情況。

表3 河道治理過程中氨氮的變化情況Tab.3 Variations of Ammonia Ntrogen during Remediation

由表3 可知依據(jù)氨氮指標(biāo)，雖然水質(zhì)狀況有了明顯的改善，但是鄒家河的水質(zhì)還達(dá)不到Ⅴ類的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過近兩個月鄒家河河道水體中的氨氮濃度從治理前的13.4 ～14.4 g/L 降低至3.88 ～4.12 mg/L，氨氮平均去除率達(dá)到67.05%，有效地防止水體富營養(yǎng)化污染的發(fā)生。從第八周起，鄒家河的河道中的氨氮濃度基本為3 ～4 mg/L。水體中的氨氮需要通過微生物的硝化和反硝化反應(yīng)變成氮?dú)膺M(jìn)行去除，基于該污染河道生態(tài)修復(fù)的技術(shù)特點(diǎn)，加上COD 的去除，水體中碳源物質(zhì)的缺乏，導(dǎo)致水體氨氮的去除效果不佳，說明該河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)在對河水氨氮的去除效果還有待進(jìn)一步提高。

表4 為河道治理過程中總磷的變化情況。

表4 河道治理過程中總磷的變化情況Tab.4 Variations of TP during Remediation

由表4 可知經(jīng)過近兩個月總磷的濃度從處理前的1.50 ～1.72 mg/L 降至0.299 ～0.343 mg/L，水質(zhì)狀況達(dá)到了接近IV 類水的標(biāo)準(zhǔn)，總磷的平均去除率達(dá)到76. 74%。從第八周開始，鄒家河的河道中的TP 穩(wěn)定在0.3 ～0.4 mg/L，水質(zhì)狀況有了明顯的改善，有效地防止了水體富營養(yǎng)化的發(fā)生。

表5 為河道治理過程中BOD5的變化情況。

表5 河道治理過程中BOD5 的變化情況Tab.5 Variations of BOD5 during Remediation

由表5 可知經(jīng)過近兩個月BOD5的濃度從處理前的21. 4 ～26. 4 mg/L 降至3. 22 ～4. 01 mg/L，BOD5的平均去除率達(dá)到了80. 0%。從第八周開始，鄒家河的河道中的BOD5濃度穩(wěn)定在3 ～4 mg/L，水質(zhì)狀況有了明顯的改善。

4 工程建設(shè)及運(yùn)行費(fèi)用評價

鄒家河河道長為1 200 m，河寬約5 m，平均深度為1 m，總的示范工程造價約37 萬元。

示范工程的運(yùn)行費(fèi)用只發(fā)生在動力耗費(fèi)上，而動力消耗只發(fā)生在河道下游處理水的提升過程中。按照示范工程日流量800 m3/d 計(jì)。本示范工程采用一臺功率為0.75 kW·h 的潛水泵。日平均工作時間約24 h，水泵的工作效率為75%，電價每度為0.6 元，則動力費(fèi)為

M1=24 ×0.75/0.75 ×0.6 =14.4(元/d)

每噸水的動力耗費(fèi)為14.4/800 =0.018(元/t)

由上述可知平均每噸水的動力費(fèi)僅需要0.018元。而利用傳統(tǒng)河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)進(jìn)行治理，費(fèi)用和成本較高，如利用曝氣復(fù)氧進(jìn)行河道治理，在最佳工藝條件下的直接運(yùn)行成本為0.05 元/噸水［11］，本示范工程的運(yùn)行費(fèi)用約為其1/3。

5 結(jié)論

采用以土壤溝槽滲濾系統(tǒng)為主體的組合工藝對河水的污染治理是可行的，該技術(shù)是生物方法和化學(xué)方法相結(jié)合的辦法。對污染河道中的CODCr、BOD5的去除率在80% 以上，對氨氮的去除率一般在65% 以上，對總磷的去除率在75% 以上。示范工程的運(yùn)行成本為0.018 元/噸水。

土壤溝槽滲濾系統(tǒng)為主體的組合工藝以其低投資、低能耗、操作管理方便以及凈化效果良好而受到重視。雖然目前在許多方面還有待于進(jìn)一步研究，但其在城市河流污染治理和生態(tài)修復(fù)方面將有很大的發(fā)展空間。

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