城市水生態(tài)環(huán)境整治方案應用研究

李莎莎，卞志明

(北京京水建設集團有限公司，北京 100193)

蕭太后河是涼水河的1條分支，位于北京市朝陽區(qū)的東南方向，其朝陽段河道長約12km，總流域面積約27.41km2。由于大量的污水直排，在很長一段時間，蕭太后河是全國著名的“牛奶河”，2013年，專為治理蕭太后河的污水處理廠開工運轉，2017年，開展河系綜合治理工程和人工濕地建設工程[1]。經(jīng)過多年努力，蕭太后河的水質已得到顯著改善。受限于城市內部的環(huán)境，清淤船的布置。運輸管道的安裝、淤泥堆放地點的選擇都有很多制約，這種渠外堆放等待淤泥干化的方式不僅會占據(jù)較大的空間，花費時間長，還可能對淤泥堆放的地點造成二次污染[2]。近年來，國內外學者都對疏浚工程的改進有研究。劉飛禹等學者提出一種電滲試驗裝置，對疏浚淤泥進行無機絮凝劑電排水試驗[3]。皮堯等學者采用磁凝聚技術結合絮凝劑凈化淤泥脫水固化尾水，有效處理該類尾水中的污染物[4]。Ding A等學者改進了能量解耦工藝，結合低壓超濾膜工藝回收污泥水，提高了污泥減量的效率[5]。Cydzik-Kwiatkowska A提出一種好氧顆粒技術用于處理廢水，減少了處理成本和工作量[6]。以上學者的研究都對污水或污泥的處理有一定改進，但仍然屬于渠外固化的方式。為解決蕭太后河淤泥疏浚工程中堆積的大量淤泥，研究采用原位固化和岸邊淤泥池固化兩種方案，并結合堤岸護坡工程和人工濕地進行聯(lián)合治理，以期對蕭太后河的治理做出貢獻。

1 淤泥疏浚系統(tǒng)和生態(tài)堤岸護坡工程

1.1 原位固化和岸邊淤泥池固化的脫水固結一體化清淤方案

淤泥固化的方案需要根據(jù)實際情況進行選擇，通常有原位固化和岸邊淤泥池2種固化方案[7]。當需要清淤疏浚的水域周邊水系發(fā)達，會導致水域整體淤泥層厚度較大，補給水會持續(xù)沖擊固化攪拌過程中的淤泥，導致淤泥的均勻性無法滿足要求，面對這種情況就不能采用原位固化的方案。當采用岸邊淤泥池固化方法時，需要嚴格測量沿岸水文、地質數(shù)據(jù)，考慮氣候變化，按照標準修建淤泥池和容器，并保證容器的平整度和垂直度。由現(xiàn)場實地勘測得出，蕭太后河大部分河段的淤泥固化厚度在1m左右，但部分河段淤泥厚度在2m以上，最大接近4m。主流固化攪拌設備的固化參數(shù)一般為0.8m到1.2m，需要同時使用兩種固化方法。對無法采用原位固化的河段采用岸邊淤泥池固化方案，隨機抽取三處岸邊淤泥進行物理指標測試，見表1。

表1 岸邊淤泥物理指標

由于3組數(shù)據(jù)數(shù)值較為接近，因此在制定具體施工方案時可使用其平均值，密度取1294.33kg/m3，含水率取70.33%，液限取45.62%。又因為蕭太后河屬于中小型渠道，固化劑構成為zyz325高效清潔固化劑、粉狀石灰、固化用水泥，質量比為40:50:10。此配比需根據(jù)天氣、進度、禁運狀態(tài)等情況及時調整，確保材料可控。對于淤泥脫水固結一體化技術采用的脫水固化劑配方為：金屬氧化物Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，非金屬氧化物SiO2，SO3，聚二甲基二烯丙基氯化銨。其配比按照3%～8%摻加，必要時可添加適度的水泥、石灰和高鈣粉煤灰。淤泥脫水固結一體化流程如圖1所示。

在圖1中，疏浚泥漿通過絞吸器疏浚，然后通過管道送入除渣系統(tǒng)。除渣系統(tǒng)分為分級沉淀和柵欄機兩個部分，分別去除較大的沉渣和漂浮碎渣。除渣后進行泥漿調和，改變泥漿內部結構，為后續(xù)工序做準備。對調和完成的泥漿進行泥水分離，最后脫水形成含水率低于50%的泥餅。淤泥固化脫水系統(tǒng)的實際布設如圖2所示。

圖1 淤泥脫水固化一體化流程

圖2 淤泥脫水固化一體化系統(tǒng)

根據(jù)大量的實際工程經(jīng)驗，脫水劑的主要材料為石灰、粉狀煤灰和PAC絮絮凝劑[8]。脫水劑的用量取決于底泥干物質的含量，比例在10%左右。在施工過程中，內控檢測必須對濃度、含水率、調理性質等指標進行檢測，而外委檢測負責抽查泥餅浸出液的重金屬含量，如指標達標，即可用于堤岸護坡建設或者工程回填。

1.2 基于空腹式混凝土預制塊的生態(tài)擋墻

工程選用空腹混凝土預制塊作為堤岸護坡的主體材料，具有輕巧美觀、安裝便利的特點，組合、咬合、交錯性能良好，能夠提升護坡整體穩(wěn)定性和空間性[9]。為了增加護坡的承載能力，可以根據(jù)不同的地質條件進行不同的處理，例如削坡減負、安裝擋板、增加連接螺栓、在建基面挖掘擋坎等多種方式。進行建基面工程時應選用合格的混凝土泵機、長短臂反鏟機等機械設備，能夠有效節(jié)約工程時間。根據(jù)蕭太后河的實際需求，不僅要滿足水體治理標準，還需要滿足生態(tài)需求。通過設置反濾碎石層、種植水生植物等方式減少水土流失，增加護坡的結構穩(wěn)定性和觀賞性。生態(tài)堤岸護坡的工藝流程如圖3所示。

圖3 生態(tài)堤岸護坡建設流程

相較于一般堤岸護坡，生態(tài)擋墻具有施工效率更高、抗沉降能力更強、抗偏移能力顯著、生態(tài)環(huán)保、利于景觀塑造等特點，其斷面如圖4所示。

圖4 生態(tài)堤岸護坡斷面

圖4中的生態(tài)護坡的主體結構是空腹式混凝土預制塊，能夠進行連鎖式安裝，且前期處理較為簡單，能夠有效提升施工效率。通過降低擋墻側方壓力，分散自身重力，可以防止護岸沉降和偏移。施工過程中啟用履帶式吊裝設備，減少氣候變化對施工進度的影響。設置反濾層可以防止水土流失，增加河流的自凈能力，護岸箱室內以碎石填充，方便水生生物活動。預制塊分兩層拼裝，相鄰階層之間形成花槽，可在花槽中種植植被，既能進一步防止水土流失，也更加美觀。

2 蕭太后河人工濕地治理分析

2.1 人工濕地治理效果和階梯式布局

蕭太后河在治理前常年為劣Ⅴ類水體，在經(jīng)過近十年治理后，水質有顯著改善，對已有人工濕地進行出水水樣取樣檢測，結果見表2。

表2 人工濕地水樣檢測結果

根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》中規(guī)定的地表水分類標準，蕭太后河已達到地表水Ⅴ類水質標準。高錳酸鹽指數(shù)是常規(guī)水質指標，葉綠素a是辯證藻類生物量的指標，其主要成分是氨和氮[10]。在對蕭太后河治理過程中，人工濕地的作用不可忽視。人工濕地系統(tǒng)對污水的額凈化機理非常復雜，主要通過微生物對水中的氨、氮、總氮等物質進行硝化或反硝化，其化學式如式(1)—(3)所示。

(1)

式(1)為硝化反應式，將銨鹽氧化生成硝酸、氫氣和水，減少水體中的氮元素。

(2)

式(2)為反硝化反應式，硝酸和葡萄糖進行反應，生成氮氣和二氧化碳，而氮氣也會進入空氣中，達到減少水體氮元素的目的。

(3)

式(3)是式(1)和式(2)的總反應式。

人工濕地具體參數(shù)的確定如下：

(4)

式中，QX—每日需要循環(huán)處理的水量，m3/d；V—景觀水體中的總水量，m3；T是—靜止停留時間，d。

人工濕地的面積計算：

(5)

式中，AX—所需人工濕地的總面積，m2；HL—水力負荷，m3·m2·d。

水力停留時間的計算：

(6)

式中，HRT—水力停留時間，h；V1—濕地的容水容積，m3；V2—濕地的進水量，m3/d。根據(jù)蕭太后河的水文資料，計算出人工濕地參數(shù)的具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 人工濕地具體參數(shù)

蕭太后河的人工濕地采用階梯式布局，利用高程差為濕地運轉提供能源，除抽水泵需要電力驅動，其他處理環(huán)節(jié)均不需要外界動力，實現(xiàn)低碳環(huán)保。蕭太后河的人工濕地布局如圖5所示。

圖5 蕭太后河階梯式人工濕地布局

圖5中，人工濕地被分為5個部分，四級濕地和一個臭氧池。其中，三級表流濕地是池塘濕地，四級表流濕地是淺沼澤濕地，每個濕地單元進行串聯(lián)運行，同周邊功能區(qū)域通過棧道和石板路連接。在功能上，一級潛流濕地和二級潛流濕地都是沙礫灘過濾區(qū)，由一定比例的土壤、粗砂、礫石、鵝卵石組成，在里面栽種菖蒲等成活率高、抗水性強、生長周期長、美觀且具有一定經(jīng)濟價值的水生植物，能夠有效去除水面上的懸浮顆粒。臭氧池的作用是對水質進行穩(wěn)定調節(jié)，提高水體的含氧量，為動植物提供更優(yōu)秀的生存環(huán)境。三級和四級地表濕地的作用是依靠生物膜、豐富的植物根系進一步提高治理效果，通常采用挺水、漂浮混合種植的布置形式。

2.2 立體水深設計和碎石駁岸設計

城市河流位于城市，城市的特殊性決定了城市河流相較于其它河流具有更多的意義[11]。蕭太后河的濕地建設充分考慮到了對水體的凈化能力，但一定程度上忽視了人工濕地的生態(tài)、觀賞功能。為了進一步對蕭太后河沿岸人工濕地進行優(yōu)化，從水體深度設計、駁岸設計兩個角度進行改進。在蕭太后河流域中，動植物種類較為豐富，對水體的深度需求跨度較大。國際城市野生生物研究所的研究結果表示，在水體深度到達0.4～0.6m且水域面積為25%～50%的環(huán)境中，設計深度滿足水體深度為0.9～1.2m且水域面積達到50%～75%，濕地生物的生態(tài)價值可達到最大值[12]?？紤]到蕭太后河水域及流域內的特殊水文、氣候、地質條件，以淺水水體設計為主，平均水深為1.0m，局部水深小于0.15m，又因為華北地區(qū)冬季會有較厚冰層，故最深為1.2m。若部分河段存在深水魚類或者甲殼類生物，水深需增加到3～4m。人工濕地水體深度改進如圖6所示。

圖6 人工濕地水體深度改進

由于蕭太后河的底層土質結構較為松散，為了保證常年有水，部分河道需要做防滲透處理。目前采用的防滲手段為鋪設防滲膜，但長期鋪設防滲膜會使水體惡化，嚴重影響水體的各種功能，盡管防滲膜的鋪設價格僅為10～15元/m2，但造成的間接經(jīng)濟損失非常大。因此，建議改用膨潤土防滲，膨潤土具有自我修補能力，可以防止植物根系穿刺，兼顧水生動植物生長，本身對人體和環(huán)境無害，北京地區(qū)的市場價格為900～1800元/t，鋪設深度要求為400mm，取壓實評價為90%，密度0.9，造價相當于850～1700元/m2。蕭太后河使用的駁岸處理方式共有4種，見表4。

表4 駁岸處理方式

針對剛性結構存在的問題，提出一種碎石水岸代替剛性結構。碎石水岸是一種復合處理方法，利用山石、石塊、卵石、生態(tài)袋、覆土石籠等多種材料進行搭建，并輔以丁字植物壩加固，以植物和石頭結合的護岸工法，不僅能夠節(jié)約工程量，減少工程對生態(tài)的影響，為部分水生生物提供棲息地，還能增加駁岸的觀賞性。

3 結論

對北京市城市水域的生態(tài)治理并不是一項能夠一蹴而就的工程，而是在治理過程中不斷改進不斷完善的過程。對蕭太后河的治理工程只是一個縮影，但由于蕭太后河受污染程度高，水文相對復雜，流經(jīng)區(qū)域跨度較大，因為具有較強的代表性，其治理過程中應用的技術和方法可以被其他城市借鑒并因地制宜地改進。研究在蕭太后河現(xiàn)有的治理基礎上提出一定的改進措施，能夠提升治理的生態(tài)、經(jīng)濟和景觀效應。研究的創(chuàng)新點在于生態(tài)擋板的構筑方案和人工濕地的改進方案，研究的不足之處在于對于人工濕地建設的研究不夠深入，未探討植被種植選擇、生物引入品種等細致問題，可作為日后工作的改進方向。