牛首山河綜合治理及其效果研究

柴 夏， 劉平平, 咼明杰

（南京中科水治理股份有限公司， 江蘇 南京 210000）

0 引言

城市河道是集城市景觀、防洪、水利、生態(tài)涵養(yǎng)等多功能于一體的水體。近30 a 來由于城市化進程速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過環(huán)境配套設(shè)施更新?lián)Q代的速度， 出現(xiàn)了各種各樣環(huán)境問題， 尤其是城市河道水環(huán)境問題尤為突出，有些河道甚至出現(xiàn)了黑臭問題。城市河道水體具有流域面積廣，匯水水質(zhì)復(fù)雜，河道內(nèi)源污染嚴(yán)重等一系列問題。目前，市場上的治理技術(shù)主要有保證河道生態(tài)需水量、治河和截污相結(jié)合、營造生物棲息地、人工增氧和人工濕地處理等[1]。然而，在實際工程實施過程中發(fā)現(xiàn)河道問題往往不是單一的技術(shù)問題， 而是多種技術(shù)問題和管理問題相互交織的復(fù)雜系統(tǒng)問題。河道治理存在的問題主要有以下幾個方面： 河道周邊環(huán)境復(fù)雜；河道功能多重疊加且相互矛盾；內(nèi)源污染嚴(yán)重；只管末端，不管根源；生態(tài)空間缺失。在技術(shù)方面如果僅僅是通過單一的技術(shù)措施很難滿足復(fù)雜環(huán)境下的河道治理需求， 因此需對現(xiàn)有技術(shù)進行整合，在調(diào)查清楚各種污染源的污染物及污染量，針對不同的污染物和污染特點采取相應(yīng)的技術(shù)措施才能有效解決問題。

在國外研究和治理水環(huán)境污染問題自上世紀(jì)開始，至上世紀(jì)50年代國外針對河道治理已經(jīng)形成了成熟的治理技術(shù)并且有一些成功的案例。 主要以減少人為干擾， 進行人工濕地構(gòu)建等生態(tài)方法為主[2]。生態(tài)修復(fù)技術(shù)在英國的泰晤士河、歐洲的萊茵河、美國的密西西比河、日本的江戶川等河道的治理上收到了很好的效果[3]。

我國治理河道早期主要考慮河道的防洪蓄水能力[4]，隨著社會的發(fā)展和技術(shù)進步，傳統(tǒng)方法很難滿足現(xiàn)代人對河道多元化的需求。 我國在河道生態(tài)治理方面的研究起步較晚。 上世紀(jì)90年代后期，由于全球生態(tài)環(huán)境的惡化加劇， 保護生態(tài)環(huán)境的呼聲日益強烈，同時受歐美等一些國家的影響，我國開始重視河道生態(tài)的治理[6]。我國的河道治理目前仍處于摸索階段，由于我國的人口密度較大，污染物濃度高，河道功能多元化污染物構(gòu)成復(fù)雜。 因此一味的模仿學(xué)習(xí)國外的技術(shù)并不能從根本上解決問題。 應(yīng)根據(jù)國內(nèi)的經(jīng)濟現(xiàn)狀， 河道基本情況和周邊環(huán)境進行綜合考慮。走符合中國國情的河道治理之路，才是解決問題的關(guān)鍵。

1 方法

1.1 研究目的和實驗設(shè)計

本研究課題針對河道中的不同污染源分別進行調(diào)查，對污染物的類型和濃度進行分析，從而制定不同的技術(shù)措施以達到控制河道污染的目的。 具體操作將污染類型分為污水泵站污染、排污口污染、沉積物內(nèi)源污染和面源污染4 種類型， 通過調(diào)查后有針對性的采用MBR 設(shè)備處理技術(shù)，雨污分流和截污減減排技術(shù)、 底泥生態(tài)疏浚加石灰石基底改良和水生態(tài)恢復(fù)技術(shù)進行處理。 對不同污染采取不同治理措施，從技術(shù)措施上更具有靶向性。最后對治理后的河道水體富營養(yǎng)化進行評價，從而評估出治理效果。牛首山河研究技術(shù)路線見圖1。

圖1 牛首山河研究技術(shù)路線

1.2 牛首山河基本情況

牛首山河位于江蘇省南京市江寧區(qū)， 跨江寧經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和百家湖街道辦事處及東善橋鎮(zhèn)，自司家橋至石家垾而匯入秦淮河， 是外秦淮河的主要支流之一，全長8.8 km，流域面積46.4 km2。 牛首山河源頭是由2 個人工修建的河道匯合而成， 沿河道兩邊，有諸多設(shè)計的排水雨水管道，以及雨水泵站管道通入河流中，主要用于雨水排放、泄洪等，周邊為不同輕工的產(chǎn)業(yè)園。 缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)是目前大多數(shù)城市河道治理所面臨的問題[5-8]，牛首山河也同樣存在這樣的問題。 牛首山河治理前水質(zhì)較差，4 個監(jiān)控斷面為地表水Ⅴ類至劣Ⅴ類。 為提升牛首山河水質(zhì)， 滿足河道斷面水質(zhì)考核要求， 政府決定在2015年8月～2017年12月期間對牛首山和進行綜合治理。 牛首山河平面示意見圖2。

圖2 牛首山河平面示意

1.3 采樣實驗的方法依據(jù)

通過現(xiàn)場觀測和實驗室檢測相結(jié)合的方法進行調(diào)研。 其中現(xiàn)場觀測參照《湖泊富營養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范（第二版）》[9]；主要采用現(xiàn)場勘察、測量、采樣等方法，實驗室指標(biāo)檢測方法參照地表水環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)《GB 3838—2002》[10]。 針對隨機排放的污染源則采用定期巡查和降雨時間段突擊巡查相結(jié)合的方法， 對排污則取雨后30 min、降雨中段和降雨結(jié)束前30 min 水樣，然后取算術(shù)平均值。底泥釋放通量實驗則通過室內(nèi)模擬實驗研究底泥中的NH3-N，PO4-P 這2 個指標(biāo)靜止?fàn)顟B(tài)下的釋放特征。 實驗裝置采用3 根直徑為300 mm，高度為1 m 的有機玻璃桶，1 根空白樣，另外2 根則分別裝待清淤區(qū)域的沉積物。 采用柱狀采泥器將底泥采集到有機玻璃管中，保留表層0.1 m厚底泥，沿管壁徐徐加入采樣點的水樣，水樣高度為0.9 m 靜止7 a， 每24 h 測1 次水體 中的NH3-N，PO4-P，從測試的結(jié)果來估算牛首山河的沉積物內(nèi)源污染情況。 底泥釋放試驗示意見圖3。

圖3 底泥釋放試驗示意

2 結(jié)果與討論

2.1 項目實施前河道水質(zhì)狀況

項目的考核斷面分為水閣橋、蘇源橋、楊陳橋和馬木橋4 個考核斷面。 通過檢測數(shù)據(jù)可以看出牛首山河4 個斷面的TN 為劣Ⅴ類是超標(biāo)最為嚴(yán)重的指標(biāo)，TP 和NH3-N 大部分指標(biāo)介于Ⅳ至劣Ⅴ類水質(zhì)，CODMn指標(biāo)全部在Ⅳ類水指標(biāo)以內(nèi)。 營養(yǎng)鹽指標(biāo)含量和距離排污泵站的位置密切相關(guān)， 距離排污泵站較近的水體營養(yǎng)鹽指標(biāo)較高，反之則較低，見表1。采樣點具體位置見圖2。

表1 水質(zhì)監(jiān)控斷面治理前情況mg·L-1

2.2 污染源情況

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查， 牛首山河沿河共計4 種類型污染源，主要為污水泵站、排污口、內(nèi)源沉積物和面源污染。具體數(shù)量為：5 個排污泵站，18 個排污口。內(nèi)源沉積物23 000 m3， 面源污染匯水量為82 824 000 m3。牛首山河總污染物測算見表2。 通過對不同類型的污染源進行匯總后的出牛首山河年納污質(zhì)量m（TN）= 145.34 t，m（TP）= 6.65 t，m（NH3-N）= 46.02 t，m（CODMn）=1 015.06 t。

表2 牛首山河總污染物測算t

2.3 泵站污染控制措施及效果

MBR 設(shè)備處理技術(shù)主要利用沉浸于好氧生物池內(nèi)之膜分離設(shè)備截留槽內(nèi)的活性污泥與大分子有機物，投加微生物菌種后可實現(xiàn)對污水深度凈化，同時硝化菌在系統(tǒng)內(nèi)能充分繁殖，其硝化效果明顯，對深度除磷脫氮提供可能。 該次在牛首山河污水泵站采用岸上處理設(shè)施MBR 設(shè)備，在滿足處理效果的同時節(jié)約場地的使用面積。

通過對進出水口的檢測得出MBR 設(shè)備的TP去除率為80.45%，TN 除率為56.58%，NH3-N 除率為71.82%，CODMn除率約為46.23%。MBR 設(shè)備的去除率受溫度、污染物濃度和水體滯留時間影響，因此在不同的時段會有一定范圍的浮動。

2.4 排污口污染源控制措施及效果

排污口污染源控制措施主要采取雨、 污分流，雨、污分流便于雨水收集利用和集中管理排放，將水量管理和水質(zhì)管理相分離， 減少高濃度污水的治理難度。 牛首山河目前存在的污染源為人工納污渠收集的工業(yè)廢水以及沿河小區(qū)生活污水，根據(jù)雨、污分流原則， 沿人工納污渠企業(yè)和小區(qū)應(yīng)分別在各自負(fù)責(zé)范圍內(nèi)建立雨水、污水管網(wǎng)，并接入相對應(yīng)的該區(qū)域內(nèi)的雨水、污水管網(wǎng)，這樣可以保證污水進入污水管網(wǎng)送至污水處理廠， 而雨水則進入雨水管網(wǎng)進入河道。

當(dāng)雨、污分流管網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)完成，并完全覆蓋了牛首山河沿岸區(qū)域， 可以保證進入牛首山河的水源只有清潔下水及雨水， 這樣牛首山河的水源污染將得到根本控制，即使雨水存在輕度污染，通過河道自身的凈化作用也可以保證河水水質(zhì)的達標(biāo)。 牛首山河沿岸雨污分流工作主要涉及翠屏山以東片區(qū)、水閣片區(qū)、殷巷片區(qū)、九龍湖片區(qū)的27 個小區(qū)管網(wǎng)改造工程已基本完成， 截污完成后未發(fā)現(xiàn)排污口直排問題，污水入網(wǎng)率達到90%以上。

2.5 內(nèi)源污染控制措施及效果

根據(jù)牛首山河現(xiàn)狀經(jīng)過論證選取帶水疏浚的方式， 采用環(huán)保絞吸式疏浚船對泵站集水池進行清淤總清淤量為23 000 m3，清淤后產(chǎn)生的污泥運送至市政污泥處理廠進行專業(yè)化處置。 沉積物中的氮在微生物作用下會向水體釋放引起水體富營養(yǎng)化[11]，底泥疏浚后通過石灰石覆蓋， 對清淤擾動引起的污染物升高起到很好的吸附作用， 同時阻斷了沉積物內(nèi)源污染的二次釋放，使內(nèi)源污染風(fēng)險得到有效的控制。通過對清淤前和清淤后的底泥釋放情況進行實驗，結(jié)果顯示PO4-P，NH3-N 的釋放得到有效控制，見圖4，圖5。

圖4 底泥PO4-P 釋放實驗

圖5 底泥NH3-N 釋放實驗

2.6 面源污染控制措施及效果

面源污染的控制主要是通過加強河道生態(tài)建設(shè)，充分發(fā)揮生態(tài)凈化功能。沿河植被具有重要的生態(tài)功能，對維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康具有特殊意義[12]，研究表明岸帶挺水植物對水體中的污染具有很好的截留作用[13]。 在河道治理過程中除了關(guān)注河道水質(zhì)本身，構(gòu)建多樣化的水生態(tài)系統(tǒng)，同時注重河道的管理，防止有害物種的泛濫同樣十分重要[14]。 面源污染的控制主要通過在岸帶種植恢復(fù)蘆葦、 香蒲和美人蕉等濕生植物提高岸帶對污染物的截留作用； 在河道內(nèi)種植菹草、伊樂藻、金魚藻和苦草等沉水植物從而提高水體的凈化能力。

2.7 綜合治理效果分析

通過上述各項技術(shù)應(yīng)用， 牛首山河的污染物的得到了大幅度削減。 其中TN，TP，NH3-N 這3 個指標(biāo)的削減情況如下： 排污口和內(nèi)源污染得到有效的控制，TN，TP，NH3-N 指標(biāo)削減率均大于90%， 效果明顯； 面源污染的NH3-N 削減率和污水泵站的TP削減率均大于80%， 其余各指標(biāo)均大于40%左右，具體削減情況見圖6。

圖6 不同污染物削減情況

CODMn的削減情況為：污水泵站削減率為46.23%，污水口的CODMn削減率為52%。 面源污染和內(nèi)源污染CODMn由于缺乏相應(yīng)的實驗方法，暫無法估算出削減率。

通過治理牛首山河控制斷面TN，TP，NH3-N 和CODMn指標(biāo)達均到地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，見表4。 治理后已消除河道的黑臭現(xiàn)象， 水體的富營養(yǎng)化得到顯著遏制。水體營養(yǎng)鹽水平處于在低強度脅迫下，可以促進沉水植物生長同時植物抗氧化系統(tǒng)啟動[15]，恢復(fù)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境，使生物多樣性明顯提升，治理的措施與河道自然景觀相協(xié)調(diào)， 達到研究的預(yù)期要求和目標(biāo)。

表4 水質(zhì)監(jiān)控斷面治理后情況mg·L-1

3 結(jié)論

此次牛首山河的整治采用 “MBR 設(shè)備處理技術(shù)、雨污分流截污減排、生態(tài)疏浚和石灰石基底改良和生態(tài)修復(fù)技術(shù)”的組合技術(shù)，遵循原位原則、靶向性原則以及生態(tài)原則:充分利用現(xiàn)有設(shè)施，利用現(xiàn)有河道、溝渠、坡岸，盡量不占用周邊土地，做到原位治理；河道的治理趨向于多技術(shù)的綜合運用，在河道內(nèi)針對不同的污染類型采取相應(yīng)的技術(shù)措施， 對河道的污染源控制取得了良好的效果。 在河道治理后期通過生態(tài)修復(fù)使河道的自凈能力和生物多樣性有較大的提升， 使河道應(yīng)對面源污染的沖擊后能夠自我恢復(fù)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

牛首山河的整治具有較強的可操作性和較優(yōu)的綜合技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。 治理后水質(zhì)近期能達到Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。該河流的成功整治，可為城市小流域水體的整治提供工程示范和技術(shù)借鑒。

通過對河道的污染源進行分析得出面源污染占比較大，點源污染占比較小。政府在河道治理過程中起到了關(guān)鍵性的作用， 特別是對周邊雨污分流工作的開展。 大幅度削減的污染物的總量對牛首山河道治理起到了至關(guān)重要的作用， 因?qū)ξ廴疚锩嬖次廴鞠鳒p仍有部分指標(biāo)缺乏可操作性的實驗方法， 故需要進一步開展相關(guān)研究工作。