基于底泥原位穩定與生物過濾聯動的污染河道修復技術

鄧文瀾

(上海博優測試技術有限公司，上海 201108)

1 引言

河道黑臭嚴重影響了生態環境和周邊居民的身心健康。導致河道黑臭的2個重要原因是水體富營養化和河流底泥污染[1,2]。根據修復原理的不同，污染河道水體修復技術可分為生物、化學及物理3大類[3]。物理法主要指通過曝氣或者引水換水的方法增加水體溶解氧等[4]。曝氣復氧需要通過風機向河水中曝氣，因此存在運行成本較高等問題；引水換水具有見效快的特點，但對于水力停留時間長、初期雨水未得到截留的半封閉水體而言，依然存在長效管理困難的局限性[5]。污染水體的化學處理方法主要有絮凝沉淀、氧化劑氧化及底泥污染物掩蔽等方法[6,7]。化學法一般用于河道突發污染事件，一般通過沉淀或者化學氧化的方式將污染物從水體去除，但化學法使用成本較高、長效管理難，并易對環境造成二次污染。污染水體的生物治理是指利用微生物對水體中的污染物進行降解或者利用特定的植物對水體中的污染物進行吸收轉化[8]，該措施一般還輔以生態護坡、修建人工濕地、重塑淺灘、修復水邊濕地沼澤地森林、修復池塘等處理手段，但盡管這類技術對于緩流水體修復具有效果好、運行成本較為低廉的優點，然而也存在較易受到底泥污染物濃度高時影響植物生長、暴雨及來水水質沖擊等問題[9]。可見，如何選擇既可以有效地清除或者減弱河流底泥中有機物對河水的污染，又能對污染河水進行治理的技術是需要慎重考慮的。

微生物修復與植物聯合修復的方法是污染河道水體常見的修復技術[10]，但該技術適用范圍有限。對于底泥厚度大及底泥污染物濃度高、水體發生黑臭且某些河段水深達2.0 m以上的水體，其環境條件難以支持沉水植物的生長；而常見的浮島技術，則因對污染物去除有限，適用性較差。本文以上海某黑臭河道治理為目標，不以植物修復為主，而是結合目前引水、換水工程措施下，采用微生物活性激發和生物過濾等聯用的技術對污染河道水體進行修復。

2 修復河流污染情況分析

2.1 河流形態分析

污染河流長度約1100 m，河流斷面呈倒梯形，河底寬約8 m，平均水深為2.5～2.8 m。該河流不僅可為周邊小區提供生態景觀作用，而且承擔著該區域生活小區的雨水泄洪功能。

2.2 水質情況

表1 修復前河道水體水質 mg/L

2.3 河道污染成因分析

該河流共流經2個小區，因此不可避免地會有部分小區居民的生活污水直接排入河道。降雨時，初期雨水中污染物濃度較高，這部分雨水不能及時地排入雨水管網而直接進入河流。因此，該河道水體水質指標差，污染嚴重的主要原因有以下幾點：

(1)河流流經區域住戶較多，居民排放的生活污水會有部分直接進入河流，而引起河流污染。

(2)河道附近居民和餐飲店較多，直接進入河流的初期雨水中污染物的含量較多。

(3)該河流常年處于靜止狀態，進入河道的懸浮物質在河道底泥中累積，這些沉積在底泥中的懸浮物質在底泥的缺氧環境中得不到完全降解，即在降解過程中會不斷向河水中釋放污染物[11]，而引起河流污染。

(4)河水靜止導致河水缺少流動復氧，河水中溶解氧常年低于2 mg/L，從而導致河水水質惡化。

3 污染河道修復技術方案

微生物修復與植物聯合修復的方法是污染河道水體常見的修復技術[12]，然而，該技術適用范圍局限。對于底泥厚度大及底泥污染物濃度高、水體發生黑臭且某些河段水深達2.0 m以上的水體，其環境條件難以支持沉水植物的生長；而常見的浮島技術，則因對污染物去除有限，適用性較差。因此，本方案將不以植物修復為主，而是結合目前引水、換水工程措施下，采用土著微生物活性激發并與曝氣生物過濾等聯用的技術對污染河道進行修復。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 水體修復工藝路線

3.1 底泥原位穩定

通過人工向河道中投加生物激發劑，通過該激發劑激發河道底泥中微生物的活性，加快底泥中微生物對底泥中有機污染物的降解。此外，生物激發劑中的無機組分可將底泥中可溶性的氮、磷轉化為不溶態，消除了底泥中氮、磷對河水的污染。

3.2 生物曝氣過濾系統

本工程采用開放式生物曝氣過濾系統，將生物曝氣過濾裝置置于河道中，使河道水體從過濾床內部和頂部通過，因此，該生物曝氣過濾系統不會影響河道原有的功能。河道內水體經過生物曝氣過濾系統后，水體中的懸浮物被截留，同時水體中的有機物通過微生物被部分降解。

3.3 水利推流系統

此外，在河道中還增加了水利推流系統，不僅可以改變河水的靜止狀態，增加河水的流動速度，而且可以通過水利攪動將河水定向導入生物過濾系統，加快了河水的凈化過程。

4 工程實施情況

項目的具體實施主要分為2個階段，分別為生物激發劑投加和生物曝氣過濾系統的安裝，具體情況如下。

4.1 生物激發劑投加及推流系統的安裝

通過人工投加的方式將生物激發劑直接投加至河道中，運用人工手段，在河水中混入生物激發劑，通過該激發劑激發河道底泥中微生物的活性，加快底泥中微生物對底泥中有機污染物的降解。此外，生物激發劑中的無機組分可將底泥中可溶性的氮、磷轉化為不溶態，消除了底泥中氮、磷對河水的污染。生物激發劑首次投加時間在2021年4月，第二次投加在2021年5月，總共投加2次。同時在2021年5月安裝了水利推流系統，不僅可以改變河水的靜止狀態，增加河水的流動速度，而且可以通過水利攪動將河水定向導入生物過濾系統，以加快河水的凈化過程。

4.2 曝氣生物過濾系統的安裝

如圖2所示，在河流的一端安裝了曝氣生物過濾系統。河道水體從濾床內部和頂部通過，水體中的懸浮物被截留在過濾系統中，同時水體中的有機物通過微生物被部分降解，從而使水體得到凈化。

圖2 生物曝氣過濾系統實物裝置

5 污染河道治理結果與分析

5.1 水體水質指標變化分析

圖3 修復過程中及TP濃度的變化

5.2 水體水質評價分析

為進一步了解河道水質的具體變化情況，采用水污染指數法對水體水質進行進一步的評價。以水質單因子評價法為基礎，采用內插方法計算水體水質的水污染指數(Water Pollution Index, WPI)[13]。WPI的計算公式如式(1)、式(2)所示，I～V類水質限值時，采用式1計算WPI值；水質劣于V類水時，采用式2計算WPI值，并采用最高WPI值作為水體水質評價參數[14,15]。WPI值與水質類別對應表如表2所示[16]。

表2 WPI值與水質類別對照

[C(i)-Ci(i)]

(1)

(2)

式(1)、(2)中，C(i)為第i個評價指標的濃度值；

Ci(i)為第i個評價指標的下限標準濃度值；Ch(i)為第i個評價指標的上限標準濃度值；WPIl(i)為第i個評價指標下限濃度值所對應的指數值；WPIh(i)為第i個評價指標上限濃度值所對應的指數值；WPI(i)為第i個評價指標所對應的指數值；C5(i)為第i個評價指標的Ⅴ類標準限值。

計算得到原黑臭水體(2020年12月份)、第一次投加生物激發劑(2021年4月份)、第二次投加生物激發劑(2021年5月份)及增加生物曝氣系統后(2021年7月份)河水水質的最高WPI值，如圖4所示。由圖4可知，修復前，河道水體屬于黑臭水體，第一次投加生物激發劑后，WPI值從425迅速降低至155，河道水體水質為劣Ⅴ類，第二次投加生物激發劑后，WPI值進一步降低至115，但仍為劣Ⅴ類水體，增加生物曝氣系統后，WPI值降低至86，河道水體水質為Ⅴ類水。

圖4 修復過程中WPI值的變化過程

6 結論