物理-生物-生态技术相结合治理污染河道水体研究
摘要：针对清河下游现状水污染特点, 采用物理- 生物- 生态技术相结合的组合工艺, 对河道污染水体进行处理, 有效地去除水中的有机物污染和黑臭, 减少水体中营养物质含量, 改善水色及透明度, 探索河道污染水体治理的有效途径。
关键词：湿地污染河道生态技术研究
1 任务来源及项目背景
随着首都经济的飞速发展, 水污染问题也越来越突出, 生态环境日趋恶化, 严重影响了居民的正常生产生活。为了改善北京城市的水环境, 为广大市民提供优美健康的生存环境, 北京不断加大污水治理力度,限制进入河中的污染物, 实施截污工程, 对河流水质改善起到了巨大的作用。但由于历史的原因, 污水处理厂的排放标准与河流地表水质标准并不一致,污水厂排水仍不能够满足河道水功能区划标准。城市建设长期发展的积累, 众多规模较小的排污口无法纳入到截污工程之中, 零散分布的点源污染往往直接入河, 对水质造成破坏。
清河下段就是上述污染河流之一, 由于清河流域污水截流工程及污水处理厂的建设还不完善, 上游污水量超出了现有污水处理厂的处理能力, 未经处理的污水顺河排向下游, 造成下游、尤其是河口处水质恶化、臭气弥漫, 严重影响了周边环境以及当地机关单位和居民的正常生产和生活。目前污水处理厂的处理工艺已日趋成熟, 而对于大河道内的污染水体, 至今还没有较完善的解决方案。
为了摸索出一套解决河道水体污染的行之有效的办法, 改善河道水质, 消除河道臭味, 选择清河下游黑臭河道作为试点进行研究。经现场勘察, 项目地点选定在沈家坟闸上游右岸。此处原来是清河故道, 现状地势低洼, 芦苇丛生, 面积约16 万m2。由于该处是垃圾填埋场, 现状沟槽内垃圾遍地, 近1 / 2 的坑塘被填埋。通过对该地区进行疏挖治理, 并充分利用现状坑塘, 形成湿地, 将河道污水引入其中, 经过人工和生物处理后再返回下游河道, 从而改善河道水质。水位可以通过现状沈家坟闸控制, 调节湿地水位, 利于水生植物的生长。
通过选择合理工艺, 并进行试验观测和分析, 总结经验作为黑臭河道治理的样板, 推广应用。
2 研究内容及预期目标
本项目主要任务根据污染河道水体的水质状况,选择经济、合理、可行的处理工艺, 消除河水黑臭,确定运行管理方案。
处理流量采用平常年份平均流量。进水水质由实测数据和以往河道水质指标推算确定。出水水质根据采用工艺流程、现场可利用面积、工艺采用的参数经计算确定。
(1) 处理流量7.5 m3 / s, 即64.8 万m3 / d, 按工程区地质、气候( 降水、气温等) 衡量, 总损失水量为2 400 m3 / d。
(2) 进水水质: CODCr 为100 mg/L, BOD5 为35mg/L,NH3- N 为24 mg/ L, 溶解氧为0.2 mg/ L。
(3) 夏秋季全部河水经本工艺处理后, 达到以下水质指标: ①河水无臭味; ②CODCr 为70～80 mg / L,BOD5 为25 ～28 mg / L, NH3- N 为12 mg / L, 溶解氧为2 mg/ L。
3 技术路线及工艺选择
针对清河下游河道水质污染现状, 综合考虑处理工艺的有效性、长效性、经济性和生态兼容性等, 将各种处理技术合理结合, 充分发挥各种技术的优越性, 对河道污染水体进行处理, 力求持续发挥和强化河流自身的净化能力, 减少能源消耗和二次污染, 同时与亲水景观建设结合, 使处理工艺亲切自然, 更富人性化。
从现场调查的结果看, 造成清河水质恶化变臭的根源在于清河上游大量的生活和工业污水排放入河,大量有机污染物消耗了河水的溶解氧, 全河道形成厌氧环境, 河面不断形成硫化氢、甲烷等臭味气体释放,使清河变成了臭河。解决河水发臭的途径是增加河水的溶解氧含量, 减少河水的耗氧有机物和氨氮, 把河道水体从厌氧状态转变成好氧状态, 从而消除发臭气体的产生。
根据实际情况, 本项目确定以物理— 生物—生态技术相结合的综合处理工艺, 对清河污水进行治理。主要包括人工曝气、生物稳定塘、模拟自然河流通道、渗滤坝净化、表流湿地、水生植物等。
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(1) 人工曝气是提高水体溶解氧浓度的有效措施,一方面在水中形成好氧环境, 抑制厌氧微生物的作用;消除河水臭味。另一方面用来强化降解河水中的有机污染物。
(2) 利用天然的低洼坑塘、荒地等蓄水, 营造水生植物、微生物, 以及水生动物等生物群落形成生物稳定塘和人工湿地, 通过自然力的过程, 达到去除有机物、悬浮物、氮、磷、金属物质和病原体等污染物,实现污水净化的目的。
(3) 在生物稳定塘内, 利用细菌和藻类等微生物的共同作用来处理污水, 通过稀释、沉淀和絮凝作用、微生物的代谢作用、浮游生物的作用、水生维管束植物的作用, 构建微型塘生态系统, 增进整个河流生态系统的稳定。
(4) 在一定的溶解氧浓度下, 人工湿地可以有效地消除有机物污染和黑臭, 减少水体营养物质含量,改善水色及透明度。
(5) 利用较狭窄的地段, 模拟自然河流通道, 在通道内布置渗滤坝、卵石护岸及本土水生植物等, 利用地形落差自然曝气, 而卵石、水生植物表层的生物膜可以有效地降解有机污染物, 同时起到物理吸附、沉降、过滤作用。
4 工程布置
按照不同的功能, 将整个工程区划分为厌氧水解区、强化复氧区、生物稳定塘、表流湿地系统等4 个区域。4 区整合在一起, 形成一体化、功能化、园艺景观化、自然生态化的生物通道。
(1) 厌氧水解区。利用现状沈家坟闸拦水后, 在沈家坟闸与湿地系统进水闸之间形成一段面积3 万m2的相对流动减缓的区域, 由于流速减缓, 河水形成上层兼氧、下层厌氧的水体, 对污水起到沉淀和水解酸化作用, 增大污水的可生化性。
(2) 强化复氧区。强化复氧区容积的设计依据曝气系统和水力停留时间计算, 强化复氧区长400 m、宽40 m 左右, 总面积2 万1 592 m2, 设计水深3 m。在复氧区底部设曝气单元共4 个, 每单元尺寸平均长48 m, 平均宽30 m, 可通过岸上的调节气阀控制曝气气量, 河水在流经曝气段的停留时间为2 h。曝气系统采用镀锌钢管输气、微孔软管曝气的方式。曝气装置选用以化纤增强改良塑料为材料的软性管状曝气器。软管周径表面都有气孔, 都能曝气, 在水中产生中、微气泡。气泡上升速度慢, 布气均匀, 氧利用率高,气道短而直, 气压损失小。利用人工曝气的方式迅速提高污水的溶解氧含量, 使污水在此区得到较好的微生物降解。
(3) 生物稳定塘。生物稳定塘位于强化复氧区之后, 下游接表流湿地, 面积2 万3 330 m2, 有效水深4 m, 设计停留时间2.5 h。其核心作用为沉淀强化复氧区内产生的污泥。生物稳定塘与表流湿地共同形成相辅相成的生态处理系统, 一方面生物稳定塘在深水厌氧条件下对污染物进行水解, 提高可生化性; 另一方面表流湿地在去除污染物的同时对污水进行复氧,提高溶解氧浓度。复氧后的污水经生物稳定塘进行沉降、分离。稳定塘中以自然生长植物为主, 周边及单元衔接表流湿地中以挺水植物为主, 共同构成生物稳定塘多样性生态系统。
(4) 表流湿地区。人工表流湿地系统占地面积约为10 hm2, 为适应表流湿地植物耐受水深特点, 保证实际运行能达到各参数标准, 对表流湿地结构进行优化布置, 将表流湿地划分为8 个单元, 每个区均采取深浅槽布置, 水深0.2 ～1.0 m。为了提高系统的稳定性, 增加污染物处理途径, 延长水路和污水与植物接触时间, 人工湿地系统模仿自然湿地, 即建造尽可能多的小环境, 使水流路径曲折多样。根据水体流经的不同地段, 栽种芦苇、蒲草、雨久花、荷花等水生植物, 通过土堤、植物带、渗滤坝等隔离形成不同植物功能区组合式污水净化系统, 建立水生生态系统, 使生物净化效果达到最高。
5 成果与分析
分别对进出水水质指标进行了取样检测, 检测环境在室温15.0 ~ 22.0 ℃、湿度30.0 %~ 50.0 %下进行,检测结果如图2。
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根据上述检测结果, 采用本工艺可有效处理河水中的有机物污染和黑臭, 减少水体中营养物质含量, 改善水色及透明度, 使清河下段水环境的水质有效净化, 对地下水环境也产生有利影响。全部河水经工程系统处理后, 可基本消除河水臭味, 悬浮物由28.0 mg / L 降至20 mg / L, 总磷由2.4 mg / L 降至1.07 mg / L, 总氮由32.2 mg / L 降至20.4 mg / L, CODCr由96 mg / L 降至51.1 mg / L, BOD5 由23.0 mg / L 降至6.1 mg/ L, NH3- N 由27.0 mg/ L 降至13.5 mg / L, 溶解氧可达到10.9 mg/L, 主要污染物去除率在30 %～75 %范围。
经本工艺处理后, 较大程度地改善了清河下段的污染状况, 恢复了清河下游的生态环境功能, 提高了河道自净能力。清河不再是往日的污水河、臭水河, 又能正常参与空气的净化和沿河两岸气候的调节。
6 结论
(1) 技术的有效性: 根据水质特点, 首次在大河上采取物理- 生物- 生态技术相结合的综合处理工艺,包括微孔曝气、生物稳定塘、模拟自然河流系统、渗滤坝、表流湿地、水生植物等, 安全有效地去除黑臭河道水体的污染物, 效果显著。
(2) 技术的生态相容性与长效性: 采用生态措施,模拟河流天然生态系统, 恢复并进而发挥河流自身生态系统的功能, 近期的物理措施与远期的生物- 生态措施相结合, 随着河道两岸污水截流工程的逐步完善,以及本系统生态系统的建立, 生态处理工艺将占主导地位, 长期有效地改善河道水质, 达到河流污染控制的长期保持。
(3) 技术的景观协调性: 因地制宜, 充分利用现有地形, 布置景观设施, 绿化美化, 改善当地生态环境, 同时, 景观叠石、景观植物又起到改善水质的作用。
(4) 技术的经济性: 采用综合的处理工艺, 一次性投资少, 运行维护费用低廉, 根据上游来水水质的变化, 调整设备运行时间, 充分发挥生物系统处理的功能, 从而进一步降低运行成本。
参考文献
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作者简介: 周志华( 1969 — ) , 男, 高级工程师。
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