城市內(nèi)河水體感觀透明度提升試驗(yàn)研究

程順健

（福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001）

1 研究背景

福州市自2017 年啟動(dòng)城區(qū)水系綜合治理以來(lái)，44 條黑臭水體已全面消除，2018 年經(jīng)生態(tài)環(huán)境部、住建部聯(lián)合評(píng)定為“全國(guó)黑臭水體治理示范城市”。城區(qū)已建成的內(nèi)河均已進(jìn)入正常管養(yǎng)，水質(zhì)持續(xù)提升，2022 年80%以上城區(qū)內(nèi)河水質(zhì)主要指標(biāo)（COD、氨氮）達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。雖然福州市城區(qū)大部分內(nèi)河水質(zhì)主要指標(biāo)已達(dá)到地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，但內(nèi)河水體透明度普遍不高，內(nèi)河水體雖然已經(jīng)不黑不臭，但整體觀感仍未恢復(fù)到水體被污染前，水草豐茂、魚(yú)翔淺底的狀態(tài)。

隨著我國(guó)社會(huì)主要矛盾的轉(zhuǎn)化，生態(tài)環(huán)境在人民群眾生活幸福指數(shù)中的權(quán)重不斷提高，人民群眾從過(guò)去“盼溫飽”到現(xiàn)在“盼環(huán)?！?、從過(guò)去“求生存”到現(xiàn)在“求生態(tài)”，期盼享有更加優(yōu)美的生態(tài)環(huán)境。建設(shè)生態(tài)文明既是民意所指，也是民生所求；既能增進(jìn)民生福祉，也能讓群眾公平享有發(fā)展成果。要堅(jiān)持生態(tài)惠民、生態(tài)利民、生態(tài)為民，切實(shí)提高生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，深入實(shí)施水污染防治行動(dòng)計(jì)劃，還老百姓清水綠岸、魚(yú)翔淺底的景象是我國(guó)為增進(jìn)民生福祉的新時(shí)代要求。所以如何有效提升內(nèi)河水體透明度就成了當(dāng)前福州市生態(tài)環(huán)境提升的重要課題。

本文以福州市打鐵港河水體透明度提升試驗(yàn)為例，分析影響水體透明度的因素，探究適合福州城區(qū)水體透明度提升的技術(shù)措施，并進(jìn)一步探索提高福州城區(qū)眾多內(nèi)河與湖體的感觀透明度及水質(zhì)的技術(shù)路線。這也助于福州市整體生態(tài)環(huán)境品質(zhì)提升，對(duì)深化生態(tài)文明建設(shè)具有十分重要的意義。

2 透明度影響因素分析

水體感觀透明度是水質(zhì)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵生態(tài)指標(biāo)，它是一個(gè)能夠較為直觀反映水體的渾濁程度以及水體光傳輸能力的常用物理特性指標(biāo)［1］，也可以作為評(píng)價(jià)水體富營(yíng)養(yǎng)化和水生態(tài)健康的重要指標(biāo)［2］。水體透明度的高低主要受水中浮游生物和懸浮顆粒物影響，浮游生物和懸浮顆粒物越多，水體透明度越低［3］。藻類等內(nèi)源性生產(chǎn)是懸浮顆粒物和總有機(jī)碳的重要來(lái)源；水溫、氮磷比和風(fēng)速主要通過(guò)調(diào)節(jié)水體中的總有機(jī)碳含量和葉綠素a 含量對(duì)水體透明度產(chǎn)生間接影響［4］。

不同水體影響透明度的因素及受到的影響程度可能均不同。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，影響福州打鐵港河感觀透明度的主要原因有：

（1）打鐵港河來(lái)水為晉安河河水，來(lái)水感觀透明度不佳。

（2）水中藻類較多，懸浮物較多，屬于藻型濁水態(tài)水體，水體呈綠色較為渾濁。

（3）水中缺乏生態(tài)位，存在大量羅非魚(yú)，攪動(dòng)底泥引起底泥懸浮，水體缺乏自凈能力。

影響內(nèi)河水體感觀透明的直接原因是水中懸浮物多造成的水體渾濁。為此，本次研究利用打鐵港河補(bǔ)水泵站設(shè)置了原位混凝沉淀的試驗(yàn)，初步探索了改善內(nèi)河水體感觀透明度的方法。

3 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)利用福州打鐵港河補(bǔ)水泵站作為藥劑混合攪拌設(shè)施，利用天然河道作為沉淀段，開(kāi)展原位混凝沉淀試驗(yàn)，探究最佳的混凝沉淀工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，并分析該技術(shù)在福州市城區(qū)的適用性。

3.1 河道概況

打鐵港河河道平均寬度約20～25 m，上游接瓊東河，下游接新港河，總長(zhǎng)度約1.4 km，平均水深約1.8 m，主要補(bǔ)水來(lái)自打鐵港補(bǔ)水泵站。打鐵港補(bǔ)水泵站位于群眾東路與六一中路交叉口，主要功能是引晉安河水調(diào)配打鐵港河，泵站現(xiàn)有補(bǔ)水泵3 臺(tái)（單臺(tái)2.7 m3/s，日常開(kāi)啟2 臺(tái)，漲潮期間停機(jī)）。打鐵港河兩側(cè)遮陰約50%，補(bǔ)水泵開(kāi)啟時(shí)河道流速較快。水藻滋生，底泥易漂浮，觀感透明度約60 cm。

3.2 水體透明度測(cè)量方法

本次試驗(yàn)采用塞氏盤測(cè)定水體透明度。將塞氏盤沉入待測(cè)水體中，直至恰好看不清塞氏盤的深度時(shí)，記錄水面處的刻度，即可測(cè)得此處水體的透明度。

3.3 水體透明度本底值

水體透明度本底值是指在沒(méi)有人為干擾或污染的情況下，水體自然狀態(tài)下的透明度水平。它代表了健康水體的理想透明度，并且對(duì)于評(píng)估水質(zhì)和環(huán)境狀況至關(guān)重要。水體透明度主要受到以下3 個(gè)因素的影響：

（1）懸浮物。懸浮物包括沉積物、泥沙、藻類等微小顆粒，它們會(huì)使水體變得渾濁并降低透明度。在自然環(huán)境中，懸浮物的含量通常是有限的，對(duì)水體透明度的影響較小。

（2）溶解物質(zhì)。水中的溶解物質(zhì)如酸、堿、鹽等無(wú)機(jī)物以及有機(jī)化合物等，可以吸收光線并降低透明度。然而，在適度的濃度下，這些溶解物質(zhì)對(duì)水體的透明度影響相對(duì)較小。

（3）藻類和浮游生物。過(guò)多的藻類和浮游生物在水體中繁殖會(huì)導(dǎo)致水體變綠或渾濁，從而降低其透明度。這種情況通常發(fā)生在富營(yíng)養(yǎng)化的水體中，由于過(guò)量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)，藻類和浮游生物得到了大量生長(zhǎng)。

透明度本底值的確定通常是通過(guò)對(duì)沒(méi)有明顯污染源的自然水體進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采樣得出的。這可以作為水體健康狀態(tài)的1 個(gè)參考點(diǎn)，并與日后的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，以評(píng)估水質(zhì)是否發(fā)生變化。

在實(shí)際應(yīng)用中，透明度本底值的測(cè)定有助于判斷水體受到污染或人類活動(dòng)影響的程度。當(dāng)水體透明度低于本底值時(shí)，可能意味著存在懸浮物、溶解物質(zhì)或富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等污染因素，需要進(jìn)一步調(diào)查和采取措施保護(hù)水體環(huán)境。該項(xiàng)目試驗(yàn)開(kāi)始前，在打鐵港河多個(gè)位置測(cè)量透明度均為60 cm 左右。

3.4 試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)

本次試驗(yàn)采用混凝沉淀技術(shù)提升水體透明度。

混凝是向水中投加藥劑，通過(guò)快速混合，使藥劑均勻分散在廢水中，然后慢速混合形成大的可沉絮體。膠體顆粒脫穩(wěn)碰撞形成微粒的過(guò)程稱為“絮凝”。將混合、凝聚、絮凝合起來(lái)稱為混凝，它是水處理的重要環(huán)節(jié)?；炷a(chǎn)生的較大絮體通過(guò)后續(xù)的沉淀從水中分離出來(lái)的方法稱為混凝沉淀法。

一般來(lái)說(shuō)，混凝沉淀法常用于城鎮(zhèn)污水和工業(yè)廢水處理，本項(xiàng)目創(chuàng)新地將混凝劑聚合氯化鋁（PAC）用于內(nèi)河水體透明度提升。當(dāng)混凝劑投入到內(nèi)河水體中時(shí)，混凝劑水解形成的高價(jià)態(tài)的聚合離子，能迅速與懸浮物的負(fù)電荷發(fā)生電中和作用，從而吸附在顆粒表面上。繼續(xù)投加混凝劑，足夠數(shù)量的異號(hào)離子吸附在顆粒表面上，可以使顆粒表面的電荷減少到某個(gè)臨界值，這時(shí)候靜電斥力無(wú)法阻止顆粒之間的接觸，于是發(fā)生凝聚。如果投入過(guò)量的混凝劑，超額的異號(hào)離子吸附到顆粒物表面，引起表面電荷發(fā)生變號(hào)，當(dāng)表面電荷變得足夠高時(shí)，膠體會(huì)發(fā)生重新穩(wěn)定的現(xiàn)象。因此本項(xiàng)目將重點(diǎn)聚焦于混凝劑（PAC）的投加量。

3.5 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)分為采樣試驗(yàn)和原位試驗(yàn)2 個(gè)部分。

3.5.1 采樣試驗(yàn)

從打鐵港河中取水樣送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，測(cè)試不同PAC 投加量下水樣濁度的降低效果，得出理想狀態(tài)下的最佳PAC 投加量。

3.5.2 原位試驗(yàn)

在打鐵港補(bǔ)水泵站的進(jìn)水池投加PAC，并在河道距泵站100 m 和150 m 處各設(shè)置1 道攔網(wǎng)以攔截絮凝作用產(chǎn)生的礬花。

在不同河段設(shè)置5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)加藥后的水體透明度進(jìn)行觀測(cè)，分析最佳的工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。1 號(hào)點(diǎn)距離加藥點(diǎn)約200 m；2 號(hào)點(diǎn)距離約600 m；3 號(hào)點(diǎn)距離約1 km；4 號(hào)點(diǎn)距離約1.4 km；5 號(hào)點(diǎn)距離1.6 km。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 采樣試驗(yàn)結(jié)果

本次在打鐵港上游取水樣，實(shí)驗(yàn)前測(cè)定源水濁度為8.1 NTU，使用ZR4-6 型混凝試驗(yàn)攪拌機(jī)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，混凝劑使用10%的PAC 溶液，混凝程序設(shè)置參數(shù)為：第1 階段30 s 350 r/min；第2 階段150 s 250 r/min；第3 階段240 s 150 r/min；第4 階段360 s 80 r/min；第5 階段600 s 0 r/min。測(cè)試不同混凝劑投加量下水樣濁度的降低效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 混凝攪拌實(shí)驗(yàn)記錄表

從表1 可知，混凝劑投率達(dá)到6.5 mg/L 時(shí)（每升水樣投加6.5 mg10%的PAC 溶液），沉淀水濁度可達(dá)到1.6 NTU，已接近《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）要求的供水濁度（≤1.00 NTU）。因此得出結(jié)論：理想狀態(tài)下打鐵港河的水樣在混凝劑投加量達(dá)到6.5 mg/L 時(shí)即可達(dá)到較好的透明度提升效果。

4.2 原位試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)直接在河道中將PAC 混凝劑投入水泵進(jìn)水前池中，利用水泵進(jìn)行混合攪拌，利用河道作為沉淀段，測(cè)試不同藥劑投加量及不同補(bǔ)水量下對(duì)于水體透明度提高的效果。

本次試驗(yàn)在不同工況下的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2～4。

表2 不同加藥量對(duì)水質(zhì)透明度提升的影響

表3 不同補(bǔ)水量對(duì)水質(zhì)透明度提升的影響

表4 最佳加藥量下，不同補(bǔ)水量下的沉淀距離

最佳工況下，加藥后河道透明度可達(dá)150 cm。

5 建議

（1）原位投加PAC 混凝劑可顯著提升內(nèi)河水體透明度，合適工況下水體透明度由60 cm 提升至150 cm 左右。加藥量和河道流速是影響透明度提升效果的主要因素，打鐵港河透明度提升的最佳工況為加藥量25～30 mg/L，河道流速0.053 m/s（補(bǔ)水量1.89 m3/s），最佳工況下水體透明度可達(dá)150 cm。應(yīng)盡量降低河道流速，河道流速與混合段的流速相差不要過(guò)大，可以提升混凝沉淀效果，實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)可通過(guò)適當(dāng)降低補(bǔ)水量將河道流速控制在0.05 m/s 以下。

（2）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，沉淀段的長(zhǎng)度主要與沉淀時(shí)間有關(guān)，沉淀時(shí)間大約1～2 h，針對(duì)打鐵港河，沉淀段的長(zhǎng)度建議控制在200～300 m 左右，可以在沉淀區(qū)末端設(shè)置活動(dòng)攔污壩或水平斜管等設(shè)施以提高沉淀效果。但原位投加混凝劑會(huì)引起河道沉淀區(qū)淤積，若長(zhǎng)期投加，則需設(shè)置常態(tài)化清淤措施。

（3）最佳工況下成品PAC 溶液的日消耗量約6～7 t，藥劑費(fèi)用約4 000～5 000 元/d。

（4）本次試驗(yàn)采用的原位混凝沉淀技術(shù)對(duì)提升水體透明度有較為明顯的效果，但也存在一些局限性：①僅對(duì)水體中的懸浮顆粒物有效果，無(wú)法有效降低水體藻類含量，水體整體顏色偏綠，透明度有效提升但觀感尚不理想。②無(wú)法改善水中生態(tài)環(huán)境，長(zhǎng)期向水體投加混凝劑可能對(duì)河道的生態(tài)產(chǎn)生影響。③原位投加混凝劑會(huì)引起河道沉淀段淤積，若長(zhǎng)期使用需定期進(jìn)行河底清淤。

（5）城區(qū)內(nèi)河水體感觀透明度不佳的直接原因是水中懸浮物與藻類過(guò)多，根本原因是水中生態(tài)位缺失，水體缺乏自凈能力。原位混凝沉淀技術(shù)可快速降低水中懸浮物，提高水體透明度，但不屬于生態(tài)手段，運(yùn)行成本高，且存在一定的生態(tài)隱患，不建議作為永久措施長(zhǎng)期使用，僅可作為應(yīng)急手段使用。建議針對(duì)不同河道特征采取切實(shí)可行的養(yǎng)護(hù)手段，例如微生物滅藻法，定期收割、更新沉水植物，生物調(diào)控等，可以有效改善水體中各種生物的數(shù)量，從而快速提高水體透明度，有效改善城市內(nèi)河水體環(huán)境［5］。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，原位混凝沉淀技術(shù)因地制宜，充分利用現(xiàn)有河道、泵站作為混凝沉淀用地，節(jié)省了投資且運(yùn)營(yíng)相對(duì)簡(jiǎn)單，解決了源頭補(bǔ)水渾濁、水中懸浮物多的問(wèn)題。相較于異位混凝沉淀技術(shù)，原位混凝沉淀技術(shù)節(jié)省了用地及設(shè)備投資，適用于一些河道補(bǔ)水前凈化工作或作為應(yīng)急措施在短期內(nèi)快速提升水體透明度。