河流生態(tài)修復(fù)組合工藝的應(yīng)用研究

摘要：河流污染不僅會(huì)破壞水環(huán)境，還會(huì)影響城市發(fā)展和人民生活質(zhì)量。目前主要采用傳統(tǒng)工藝改善河流水質(zhì)，如曝氣、生態(tài)浮島和異位處理等，但傳統(tǒng)工藝影響河流行洪，對(duì)水量有一定要求。以福建省漳州市某河流為例，采用“生態(tài)因子調(diào)控+功能性生態(tài)礁石凈化+原位微生物調(diào)控”組合工藝，通過(guò)工程措施提升水質(zhì)。結(jié)果表明，組合工藝應(yīng)用后，河流溶解氧含量提升47.4%，氨氮及總磷含量分別降低63.5%和56.5%，水體指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水質(zhì)要求。該組合工藝環(huán)境友好，可用于提升河流水質(zhì)。

關(guān)鍵詞：河流；生態(tài)修復(fù)；水質(zhì)提升；原位治理

中圖分類號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）09-0-03

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Application research on combined technology of river ecological restoration

WU Yinrong

（Xiamen Yuhuang Water Ecological Technology Co.， Ltd.， Xiamen 361000， China）

Abstract： River pollution not only damages the water environment， but also affects urban development and people’s quality of life. At present， traditional processes are mainly used to improve river water quality， such as aeration， ecological floating islands， and ex-situ treatment， however， traditional processes affect river flooding and have certain requirements for water quantity. Taking a river in Zhangzhou city， Fujian province as an example， a combination process of “ecological factor regulation + functional ecological reef purification + in-situ microbial regulation” is adopted to improve water quality through engineering measures. The results show that after the application of the combined process， the dissolved oxygen content in the river increases by 47.4%， while the ammonia nitrogen and total phosphorus content decreases by 63.5% and 56.5%， respectively， and the water quality indicators stably meet the Class Ⅲ water quality requirements of the Environmental Quality Standards for Surface Water （GB 3838—2002）. This combination process is environmentally friendly and can be used to improve river water quality.

Keywords： river; ecological restoration; improvement of water quality; in-situ treatment

河流是城市的重要水源，是城市的發(fā)展命脈。然而，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化的加速，部分城市面臨嚴(yán)重的水環(huán)境污染。河流水環(huán)境遭到嚴(yán)重的破壞，自凈能力缺失，溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）含量下降，水生動(dòng)植物減少，水體出現(xiàn)劣Ⅴ類水質(zhì)，甚至形成黑臭現(xiàn)象，影響生態(tài)環(huán)境、居民生活質(zhì)量及飲用水安全。溶解氧是表征地表水自凈能力的重要指標(biāo)之一。水體中，氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量不高，但溶解氧含量較低，水體持續(xù)處于缺氧狀態(tài)，對(duì)水生物產(chǎn)生不良影響，最終破壞水生態(tài)系統(tǒng)的食物鏈穩(wěn)定。在一定條件下，若河流持續(xù)缺氧，底泥沉積物中氮、磷、重金屬等可能會(huì)大量釋放，增加水污染風(fēng)險(xiǎn)，極易造成水體缺氧和水質(zhì)惡化的循環(huán)。當(dāng)溶解氧含量大于5 mg/L時(shí)，底泥難以向水體中釋放氮、磷及有機(jī)物，從而改善水質(zhì)[1]。目前，河流溶解氧提升技術(shù)主要有強(qiáng)化耦合微泡曝氣膜、空氣泵結(jié)合微孔曝氣盤、推流曝氣機(jī)及噴泉曝氣系統(tǒng)等[2]。這些方法適用于湖泊、池塘以及流速較緩、水量較少的河流，而對(duì)于水量大的河流，治理效果差。結(jié)合現(xiàn)狀工藝特點(diǎn)，采用“生態(tài)因子調(diào)控+功能性生態(tài)礁石凈化+原位微生物調(diào)控”組合工藝進(jìn)行原位修復(fù)，提高河流自凈能力，促進(jìn)污染物的降解，提升水體溶解氧含量。

1 河流概況

某河流位于福建省漳州市，全長(zhǎng)為172 km，寬度約為300 m，水深約為3 m，流域面積較大，流量大。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）[3]，水體氨氮（NH3-N）、總磷（Total Phosphorus，TP）和溶解氧含量需要達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)要求。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2020—2021年，溶解氧含量未達(dá)標(biāo)月份較多，2020年，全年水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為50.0%，2021年，全年水質(zhì)達(dá)標(biāo)率為41.6%。

2 工程措施

該河流集雨面大，常年受生活面源、農(nóng)業(yè)面源污染，底泥累積，水體存在底泥污染物的釋放，加劇污染。整體來(lái)看，生態(tài)系統(tǒng)脆弱，溶解氧含量低，無(wú)法保證削減有機(jī)物的耗氧量，其他指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)升高。該河流采用“生態(tài)因子調(diào)控+功能性生態(tài)礁石凈化+原位微生物調(diào)控”組合工藝進(jìn)行原位修復(fù)，提升溶解氧含量，重塑生態(tài)系統(tǒng)。項(xiàng)目位于國(guó)控?cái)嗝嫔嫌? km處，共布設(shè)浮埋式陣列可控納米溶氧盤100套、埋沒(méi)式微納米擴(kuò)散功能礁石40套、水生態(tài)因子調(diào)控系統(tǒng)5套、原位微生物調(diào)控系統(tǒng)1套和中央控制系統(tǒng)1套。

2.1 生態(tài)因子調(diào)控技術(shù)

生物的生理過(guò)程一般由基因調(diào)控，生物體內(nèi)基因的表達(dá)有精密的調(diào)控機(jī)制，以保證功能的有序性。生態(tài)環(huán)境因子調(diào)控讓生物體內(nèi)基因表達(dá)過(guò)程在時(shí)間、空間上處于有序狀態(tài)，以保證生物的生命活動(dòng)正常?；蜣D(zhuǎn)錄水平受生態(tài)環(huán)境影響。環(huán)境變化超過(guò)機(jī)體的承受水平時(shí)，某些酶的活性被抑制或消失，同時(shí)一些酶的活性增強(qiáng)或被誘導(dǎo)，在代謝活動(dòng)中，蛋白質(zhì)重新被合成，機(jī)體可馴化適應(yīng)環(huán)境能力較強(qiáng)的微生物。通過(guò)中央控制系統(tǒng)、水生態(tài)因子調(diào)控設(shè)備的聯(lián)動(dòng)，可根據(jù)反饋的水質(zhì)狀態(tài)，程序性選擇水體生態(tài)因子基因調(diào)控方案，并自動(dòng)執(zhí)行。調(diào)控水體底部及上層溶解氧含量，對(duì)水體中微生物及酶種類及活性進(jìn)行調(diào)控，提高水體的氧化還原電位，保證pH處于合適范圍，控制水體底部沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽釋放量。可調(diào)節(jié)納米氣泡，控制水體上下及水平線性流速、溫度梯度及溶解氧梯度。從水體微生物量、水溫分布、水體流態(tài)、氧化還原電位和溶解氧含量等方面進(jìn)行環(huán)境因子控制，結(jié)合微生物，改變水生態(tài)的環(huán)境因子。在良性環(huán)境因子的調(diào)控下，促進(jìn)有益微生物的生長(zhǎng)繁殖，提高水生物活性，加速水生物對(duì)污染物的降解，最終改善水體生態(tài)環(huán)境。

2.2 功能性生態(tài)礁石凈化技術(shù)

功能性生態(tài)礁石采用天然材料作為主體基質(zhì)，結(jié)合微生物固有載體及微納米氣泡擴(kuò)散裝置對(duì)水質(zhì)進(jìn)行凈化，其原理主要是利用微生物自然生長(zhǎng)的習(xí)性，給微生物提供厭氧、缺氧、好氧的生存環(huán)境。在代謝循環(huán)過(guò)程中，微生物可吸收水體中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽供給自身生長(zhǎng)。微生物吸收水體中氮、磷等物質(zhì)，將水體中的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為水、二氧化碳或無(wú)毒的中間代謝產(chǎn)物，從而改善水質(zhì)。功能性生態(tài)礁石浸沒(méi)在水中，能為微生物提供良好的生物膜載體，提高凈化效率。功能性生態(tài)礁石在水體中能附著底棲生物，可為魚類提供生長(zhǎng)、繁殖、索餌及庇護(hù)的場(chǎng)所，增加生物多樣性，凈化水質(zhì)，促進(jìn)水資源的可持續(xù)發(fā)展。

2.3 原位微生物調(diào)控技術(shù)

河流水環(huán)境缺乏載體，微生物極易流失。原位微生物調(diào)控技術(shù)是把微生物生長(zhǎng)、繁殖需要的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通過(guò)納米技術(shù)制成塊狀產(chǎn)品，然后投放在設(shè)備上，利用緩釋技術(shù)把這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)激活，緩慢釋放在水中，為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供能量和營(yíng)養(yǎng)，加強(qiáng)微生物的新陳代謝，縮短生長(zhǎng)繁殖時(shí)間[4]。這樣可以在最短時(shí)間內(nèi)大量補(bǔ)充微生物，解決水體流動(dòng)、雨水沖刷造成的微生物流失問(wèn)題。微生物進(jìn)入水體，快速建立高效的基礎(chǔ)分解菌群，通過(guò)自身的脫氮除磷機(jī)理和高效的食物鏈能力，改善水體、底泥中微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而高效降解水體及底泥中污染物，最終凈化水體，實(shí)現(xiàn)生態(tài)平衡。

3 工程運(yùn)行效果分析

溶解氧、總磷和氨氮是評(píng)價(jià)水質(zhì)凈化效果的主要指標(biāo)。項(xiàng)目運(yùn)行后，持續(xù)監(jiān)測(cè)河流不同區(qū)段的溶解氧、總磷和氨氮含量，月際變化如圖1所示。

3.1 水體溶解氧含量的變化

水體溶解氧含量的提升主要采用浮埋式陣列可控納米曝氣盤，空氣通過(guò)納米曝氣盤轉(zhuǎn)化成微納米氣泡，可以跟水體融合，全面提升水體的溶解氧含量。浮埋式陣列可控納米曝氣盤的氣泡上升速率為2 mm/s，則100套曝氣盤的氣泡接觸水量為0.048 m3/s，溶解氧提供量為1.95 g/s。溶氧效率按照30%計(jì)算，100套曝氣盤的溶解氧總量為0.028 08 g，2 km范圍內(nèi)遞減速率為98%，此時(shí)，曝氣盤的溶解氧提供量為0.000 561 6 g/s。

5—8月和1月溶解氧含量較低，因?yàn)橄募練鉁剌^高，導(dǎo)致河道底部污染物、浮游動(dòng)植物耗氧速率增加，消耗水體中大部分溶解氧；冬季較冷，微生物代謝較慢，導(dǎo)致溶解氧含量低[5-6]。夏季，可以加強(qiáng)設(shè)備的運(yùn)行，提升水體溶解氧含量，上游溶解氧含量較高時(shí)，可以減少曝氣或停止運(yùn)行設(shè)施。

3.2 水體氨氮含量變化

治理期間，在提升水體溶解氧含量的同時(shí)，氨氮得到降解。冬季，氨氮的去除較少，因?yàn)槲⑸锷L(zhǎng)代謝緩慢，繁殖能力降低，數(shù)量減少，影響氨氮的處理效果。另外，微生物群落隨著水流遷移，在湍流作用下，好氧環(huán)境與兼氧環(huán)境交替，達(dá)到脫氮效果。

3.3 水體總磷含量的變化

治理段總磷整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中，12月至次年2月（冬季）總磷降解效率較低，因?yàn)槎疚⑸锎x緩慢，總磷吸收少。另外，下游段總磷含量相比治理段有所回升，因?yàn)橹卫韰^(qū)域?yàn)楹拥?，受河流流速影響，上覆水與下覆水的交替導(dǎo)致總磷含量有時(shí)升高。

4 結(jié)論

河流可利用“生態(tài)因子調(diào)控+功能性生態(tài)礁石凈化+原位微生物調(diào)控”組合工藝，通過(guò)工程措施對(duì)污染物進(jìn)行原位降解，削減內(nèi)源污染，抑制有害物質(zhì)釋放，優(yōu)化水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。處理后，河流水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的Ⅲ類水質(zhì)要求。若用地緊張，河流生態(tài)修復(fù)采用異位處理工藝無(wú)法達(dá)到處理目標(biāo)，則可采用該組合工藝。可以采用原位生態(tài)修復(fù)治理黑臭水體，提升水質(zhì)。不同工藝可以靈活組合，可操作性和互補(bǔ)性較高，跟傳統(tǒng)工藝相比，組合工藝前后段互不干擾，它是流量較大的河流首選。冬季需要加強(qiáng)運(yùn)行管理，做好原位生物調(diào)控，微生物群落較少時(shí)，利用原位微生物調(diào)控設(shè)備投放微生物，保證微生物平衡，全面提升水環(huán)境質(zhì)量。

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