城市黑臭水體長效治理方法初探
——以福州市茶亭河為例

陳龍照，羅曉華，趙思睿，林曉暉，沈開和，陳建民，陳寶明，程揚健，陳鄭榕，賴正生

(1.中國冶金地質(zhì)總局第二地質(zhì)勘查院，福建 福州 350108；2.中源環(huán)凈(福建)科技有限公司，福建 福州 350008；3.中國冶金地質(zhì)總局二局，福建 福州 350108；4.福州大學(xué) 先進(jìn)制造學(xué)院,福建 泉州 362200)

隨著我國城鎮(zhèn)化快速發(fā)展，城鎮(zhèn)居民素質(zhì)相對落后，城市黑臭水體問題日益嚴(yán)重，輕則破壞城市景觀，重則影響居民日常生活，威脅居民的健康[1-3]。自2015年以來，國家發(fā)布一系列政策，投入大量的專項治理資金，高度重視黑臭水體治理。關(guān)于城市黑臭水體治理的方法很多，但大部分方法治理和維護(hù)費用高，長效治理困難[4-5]。福州是一座河網(wǎng)密布、溝汊縱橫的城市，早在2009年，福州市制定了《福州市城區(qū)內(nèi)河綜合整治行動計劃》，并按計劃開展全市內(nèi)河綜合整治工作。至2014年，內(nèi)河整治工作取得了一定的成效，但部分河道治理后仍出現(xiàn)返淤、返臭現(xiàn)象。2018年10月，福州市被國家3個部委評選為“2018年城市黑臭水體治理示范城市”。2019年出臺了《福州市打好城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)實施方案》，進(jìn)一步明確了福州市黑臭水體整治的目標(biāo)和任務(wù)。縱觀現(xiàn)在黑臭水體的治理技術(shù)，單一的物理、化學(xué)技術(shù)修復(fù)被廣泛運用于治理黑臭水體，但僅采取截污控源、清淤疏浚、換水技術(shù)方案和手段，并沒有對水體底泥內(nèi)源進(jìn)行全面、有效控制，不能提升水體自凈能力，水體容易返淤、返臭，從而導(dǎo)致黑臭水體治理陷入反復(fù)治理的惡循環(huán)。本文以福州市茶亭河黑臭水體治理為例，探索城市黑臭水體的長效治理方法。

1 茶亭河概況及水質(zhì)現(xiàn)狀

茶亭河是流經(jīng)鬧市區(qū)的內(nèi)河，沿岸為古老文化小食街和醫(yī)院，建筑密集(圖1)。

圖1 茶亭河及周邊環(huán)境示意Fig.1 Sketch map of the Chating River and its surroundings

茶亭河(B)由東西河(A)分支自北向南流動，全長約160 m，河床寬約6.5 m，水深1.5～2.0 m，是一條承載防汛和景觀要求的河道。此次治理的茶亭河河道從東西河交叉處至茶中路橋，河道納入沿河周邊流入的雨水、生活污廢水等，水源復(fù)雜，水質(zhì)較差。河道駁岸縫隙多處存在因歷史遺留的雨污混流滲漏，河道范圍內(nèi)幾乎無任何動植物生存，水體黑臭，主要特征見表1。

表1 河道分段特征Tab.1 Channel segmentation characteristics

2 茶亭河黑臭原因分析

此次治理前，東西河及茶亭河已完成了沿河的截污納管、駁岸修復(fù)和清淤疏浚等一系列工程。據(jù)地質(zhì)勘察報告，河道清淤已達(dá)設(shè)計要求標(biāo)高，河床沉淀淤積的浮泥仍有0.60～1.60 m。試水后不久河道出現(xiàn)返淤冒泡，繼而又轉(zhuǎn)為黑臭(圖2)。

圖2 茶亭河道治理前現(xiàn)狀Fig.2 Current situation before treatment of the Chating River

通過底泥采樣檢測分析，茶亭河底泥的有害組分嚴(yán)重超標(biāo)(表2)。

就茶亭河而言，前期治理底泥是采用石塊擠淤的辦法控制內(nèi)源，由于石塊間隙大，淤泥流動性和可塑性，下沉擠壓石塊，使大量的富含有機物和有毒有害物質(zhì)、營養(yǎng)鹽(表2)的淤泥沿著石塊間隙上浮河床。在大量的厭氧生物菌(如真菌、革蘭氏陰性菌群和放線菌)的作用下，大量消耗有限的水體溶解氧，改變了水體及其底泥的狀態(tài)，使之處于長期的厭氧(還原)環(huán)境。舊河床滋生大量的厭氧微生物種群，分解大量的有機質(zhì)污染物，產(chǎn)生了有毒有害氣體,如硫化氫、氨態(tài)氮、甲烷及其臭味素等冒泡逸出污染空氣，同時產(chǎn)生各種氨氮、磷等有機、無機營養(yǎng)鹽和有害化合物溶解，造成河流水質(zhì)下降、變黑變臭。因此，如果底泥未完全清除或做好有效控制，將無法實現(xiàn)黑臭水體長效治理。

3 黑臭水體治理

福州茶亭河上游東西河作為試驗對象，治理方法主要包括治理前的準(zhǔn)備工作、河床底泥的原位改性固化(阻隔病害底泥)、再造河床活性底泥(再造河床微生態(tài)系統(tǒng))和鋪設(shè)改性的天然礦石(保護(hù)活性層)[6-16]。

3.1 治理前準(zhǔn)備工作

提前勘察現(xiàn)場，進(jìn)行施工組織設(shè)計和工期安排，協(xié)調(diào)設(shè)備、材料場地和水、電接入工作。進(jìn)行河床底部標(biāo)高測量放樣、河床淤泥分段取樣檢測，并做好人員、材料等的進(jìn)場方面安排。對河床淤泥面層及兩側(cè)進(jìn)行垃圾和雜物清理，底泥改性治理前進(jìn)行河床殺毒滅菌。

3.2 河床底泥原位改性固化

底泥固化技術(shù)是將污染的底泥固定化穩(wěn)定在特定的層位里，隔絕或最大限度地減少污染物質(zhì)的釋放。河床底泥原位改性固化可以有效地阻隔病害的底泥，控制底泥污染源，是黑臭水體長效治理的關(guān)鍵手段。世界上首例覆蓋工程是1978年在美國實施的[2],隨后日本、挪威以及加拿大等國相繼實施了這一技術(shù)。國外原位覆蓋技術(shù)已經(jīng)在河道、近海岸、河口等區(qū)域廣泛使用,我國原位覆蓋技術(shù)還在探索、研究和小范圍應(yīng)用。

福州市內(nèi)河黑臭水體治理中，部分河道應(yīng)用了原位覆蓋技術(shù)，選用的是河沙和礫石實施覆蓋，覆蓋初期有一定效果，能夠較好地延緩底泥上泛造成對河水的污染。但是由于覆蓋材料河沙滲透性好，礫石質(zhì)量大，河道底泥有機物存量大，在覆蓋層下厭氧環(huán)境分解有機物，尤其在高溫天氣，大量的微生物作用，產(chǎn)生有毒有害氣體和污染物，隨著氣體上侵，反淤現(xiàn)象嚴(yán)重,再次變?yōu)楹诔?圖2)。此次底泥原位固化技術(shù)是通過有膠凝性質(zhì)的礦物質(zhì)原料或加入特殊功能的礦物原料，經(jīng)吸附、包裹、固化來穩(wěn)定底泥中的營養(yǎng)鹽、重金屬和其他有機污染物，從而減少營養(yǎng)鹽、重金屬和其他污染物釋放到水體中。河流底泥的改良不能僅考量整體的力學(xué)強度性質(zhì)，還要考量其隔擋性、吸附和離子交換性、微生物的活性以及抗沖刷性(抗洪防汛要求)等，不但要隔絕穩(wěn)定化下部底泥污染上泛，而且還要構(gòu)建生化消減污染的反應(yīng)場所和空間。因此，對于固化材料及其參與改良的集料，要求天然生態(tài)環(huán)保[1]。

從現(xiàn)場觀察，河床上淤泥為深灰黑色，臭味刺鼻，踩踏下陷0.60～1.20 m，局部1.60 m，上部20～30 cm為液相，下部為塑相，液、塑相沒有嚴(yán)格界限，漸變過渡。取樣分析見表3。

表3 河道殘存底泥基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.3 Basic physical properties of remaining bottom mud in the river

與實驗室內(nèi)采用的疏浚污泥的物理性質(zhì)指標(biāo)對比，現(xiàn)場的殘存底泥含水率高出疏浚淤泥幾個百分點，液限和塑限有較大變化，粒度更細(xì)，有機物含量高。根據(jù)現(xiàn)場的工況，考慮底泥變化，對礦物質(zhì)的粒度分布做了調(diào)整。殘存底泥顆粒很細(xì)，主要成分多為黏土礦物，因此調(diào)整物料中激發(fā)劑和調(diào)理劑的比例，激發(fā)污泥有效活性物質(zhì)，參與凝結(jié)固化穩(wěn)定化。

利用福建省內(nèi)功能性非金屬礦物麥飯石礦為主要原料，加入部分鋼渣來調(diào)理固化覆蓋。研究開發(fā)的覆蓋鈍化調(diào)理劑(Md-1)，將河床底部爛泥混合覆蓋(火山灰效應(yīng)原理)鈍化處理，河底淤泥改性鈍化厚度為30 cm后形成鈍化層，該層有效隔離了古老的、強污染的底泥，并且長期處于還原條件，使其穩(wěn)定在底層。

黑臭水體治理關(guān)鍵技術(shù)如圖3所示。

圖3 黑臭水體治理關(guān)鍵技術(shù)Fig.3 Key technologies of black and odorous water treatment

3.3 再造河床活性底泥

再造河床活性底泥即進(jìn)行河床底部良性微生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)，使得治理后的河道實現(xiàn)良性的自凈化生態(tài)系統(tǒng)。

根據(jù)設(shè)計的河床底標(biāo)高，在鈍化層面上鋪設(shè)由數(shù)種與微生物有親和性的天然礦物質(zhì)組成的顆粒材料，該材料是經(jīng)過有益菌(EM菌)活化改性的底泥改良劑(Md-2)。通過再造厚10 cm的河床活性底泥，在改性鈍化的淤泥層上提供穩(wěn)定的覆蓋面，構(gòu)建有益的水體微生物菌和水生植物生存繁衍的載體與場所，有效活化底泥，提高自凈能力和控制內(nèi)源污染釋放，徹底解決河床淤泥返淤冒黑泡造成的水體污染現(xiàn)象。

3.4 鋪設(shè)改性的天然礦石

采用天然塊狀麥飯石，在活性底泥河床面層鋪設(shè)塊狀改性的麥飯石礦石，可以有效地保護(hù)再造河床活性底泥。同時，在水體流動過程中，既可以吸附水中的氨氮、磷及其他有機物和重金屬，又可以不斷釋放出生物需要的常量元素，如K、Na、Ca、Mg、Al(OH)3、Fe(OH)等，起到凈水的效果。其次，改性麥飯石還可為恢復(fù)生態(tài)造氧藻類植物提供載體，提高河道自凈能力，同時提升河道景觀。

4 水質(zhì)長效治理效果分析

茶亭河底泥改性鈍化處理后，現(xiàn)場實際狀況表明：①河床底泥原位改性固化底泥鈍化(覆蓋)材料均能有效地控制原底泥中有機物向上覆水的釋放，可有效提高內(nèi)源污染控制，徹底解決現(xiàn)有河道底部淤泥反淤黑冒泡現(xiàn)象。②再造河床活性底泥能大大改善河床生態(tài)，創(chuàng)造水體好氧環(huán)境，持續(xù)生態(tài)的自然修復(fù)和恢復(fù)。③鋪設(shè)改性的天然礦石提高河流水體自凈能力,重建河道的生態(tài)平衡。

此次工程實施后，在2019年3—6月5次檢測中(表4)，試驗段河道溶解氧指標(biāo)相對上游河道皆有所提升，6月比3月提升10.7%；水體氧化還原電位趨于穩(wěn)定；氨氮濃度明顯下降，6月比3月下降5.8%；基本治理了河道返淤、冒泡返臭問題。茶亭河中試溶解氧和氨氮指標(biāo)對比如圖4所示。

表4 茶亭河中試主要監(jiān)測指標(biāo)Tab.4 Main monitoring indicators of the Chating River pilot test

圖4 茶亭河中試溶解氧和氨氮指標(biāo)對比Fig.4 Comparison of dissolved oxygen and ammonia nitrogen indexes in the pilot test of Chating River

5 結(jié)論

通過茶亭河的治理研究表明，在完成河道截污納管、駁岸修復(fù)和清淤疏浚等一系列工程的前提下，通過河床底泥的原位改性固化、再造河床活性底泥和鋪設(shè)改性的天然礦石等技術(shù)手段,可以全面有效地控制水體底泥污染，重建河道的自凈化生態(tài)系統(tǒng)，提升水體的自凈能力，達(dá)到黑臭水體長效治理的目標(biāo)。