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朱红祥:城市内河生态修复技术探讨

——以民歌湖、竹排江为例

发布时间:2014年11月02日 来源:《水城南宁》


    南宁市共有18条城市内河,均汇入邕江,其中有9条流经南宁中心城区或人口密集区域,这些内河大多受纳着城区生活污水、企业废水、城郊结合部的农业及畜禽养殖污水,造成部分内河的污染状况较为明显,并且随着城市的快速发展,这一问题将日趋突出。竹排江是南湖—竹排江环的重要组成部分,而民歌湖是竹排江上最重要的湖泊。民歌湖水体修复工程(水质改善部分),主要针对民歌湖、竹排江中下游河道开展水体修复工作。水体修复范围包括:民歌湖湖体、竹排江区域下至汇春路南侧水闸、竹排江区域上至茶花园路。其中,民歌湖总面积约 10万平方米,平均水深3米;竹排江河段全长 4.46公里,河道宽度 30-60米,平均宽度 40米,水面面积 16 万平方米。民歌湖水体修复工程(水质改善部分)完成后,对南宁城市建设、生态文明建设、居民生活环境改善都具有重要意义。

    一、城市内河污染成因及民歌湖、竹排江污染现状

   (一)城市内河外源污染。一是城市面源污染。面源污染是指引起水体污染的排放源分布在广大的面积上,与点源污染相比,它具有很大的随机性、不稳定性和复杂性,受外界气候、水文条件的影响很大。面源污染有城市面源污染、农业面源污染、农村面源污染等分散污染源,通过径流过程而汇入受纳水体(包括河流、湖泊、水库和海湾等)造成水体富营养化或有毒有害等形式的污染。城市内河的面源污染主要来自上游农村分散型生活污水、生活垃圾、厕所污水等未经处理直接排入河道;上游没有被沿河菜地、农田吸收的化肥、农药等随雨水进入水体。这些污染物进入水体后,会对城市内河造成严重污染。二是初期雨水污染。初期雨水污染的过程为降雨初期,雨水对大气进行洗刷,这使雨水中溶解了空气中的大量酸性气体、汽车尾气、工厂废气等污染性气体,降落地面后,又洗刷沥青油毡屋面、沥青混凝土道路、建筑工地等,使得雨水中又含有大量的有机物、病原体、重金属、油脂、悬浮固体等污染物质。初期雨水的污染程度很高,通常超过了普通的城市污水的污染程度。经全国许多城市研究证实,前 30 分钟初期溢流雨水所携带的污染物占全部雨水径流所携带污染物的绝大部分,因此初期雨水径流也是城市内河污染的一个重要来源。三是生活污水污染。内河是城市的重要组成部分,但由于忽视城市内河整治及规划,城市内河成了城市建筑侵占目标和纳污的容器。城市内河沿岸有许多的排污口,肆意把未经处理的污水直接排入河道,生活污水中含有大量的有机污染物,这些物质直接进入水体后,通过微生物的生物化学作用而分解为简单的无机物质二氧化碳和水,在分解过程中需要消耗水中的溶解氧,在缺氧条件下污染物就发生腐败分解、恶化水质,形成内河的水体污染。生活污水中还含有大量的氮磷等植物营养物质,长期在水体中积累,会引起水体富营养化,甚至导致水体植物疯长,造成水体中溶氧量减少使水体发臭。四是工业废水污染。一些城市内河沿岸会有较多的工厂,工业废水中含有大量的有毒有害物质、难降解有机物、重金属等,严重破坏了水体生态环境,会对内河水体造成严重污染。此外,一些内河周边是繁华的商业区,会产生废水和杂物进入城市内河。此类污染物油脂含量高、氨氮和有机物含量严重超标,容易造成水体恶臭。

    (二)河道底泥内源污染。内源污染主要是指河道内多年沉积的淤泥对水体造成的持续污染。随着多年污染物的排放和径流冲刷,大量污染物沉积在河道底部,并逐渐腐烂和向水体中扩散污染物,形成持续的内源污染。内源污染的危害包括:向河水中不断扩散污染物质,降低河水中的溶解氧,形成厌氧环境,导致硫化氢、硫醇、氨等有害物质含量上升,使沉水植物和鱼类等水生动物锐减,挺水植物、浮叶植物逐步减少,水葫芦疯长,滋生蚊蝇影响景观,并导致天然河流应有的自净能力随之消失殆尽。同时还抬高了河床,削弱了行洪能力。

    (三)民歌湖、竹排江水环境现状。民歌湖上游河段流域的污水管尚未完全改造完毕,造成大量周边生活污水流入上游,进而流入民歌湖水体,导致民歌湖水质恶化,底泥发酵冒泡。竹排江由北至南穿过市区流入邕江。竹排江上游有沙江河、那考河等支流。竹排江河道全长 38.8 公里,坡降 1.95‰,年径流总量 4761 万立方米,流域面积 105.3 平方公里,流域现有人口 26.2 万人。竹排江上游农田化肥、农药等随雨水进入水体、畜禽粪便等未经处理直接排放及大量生产、生活废水的排放造成竹排江水体各种有害污染物长期积累。经实地踏勘,竹排江河道沿岸有大量排污口向河道排放污水,致使上游河段水体发黑发臭,严重影响了周边居民生活,造成上游两边河岸风景宜人,却鲜有居民在河边散步的现象。

    二、城市内河生态修复的技术路线探讨

    城市内河由于多种污染的综合作用,逐渐导致河道的黑臭,影响城市景观及居民生活。针对内河水体的情况,通过对内河进行曝气复氧,使用微生物进行强化修复,逐步建立内河水体完整生物系统是有效的生态修复技术路线。

   (一)城市内河曝气复氧。内河中溶解氧来源有三种,空气中的氧气通过气液交换作用溶于水中,水生植物通过光合作用产生部分溶解氧,通过人工曝气设备充入溶解氧。但是在水体受到严重污染的河流中,由于需要大量的溶解氧来满足微生物分解代谢污染物的生态活动,通过自然来源的溶解氧气往往满足不了河水的自然净化需求量,这时候就显得添加人工曝气技术的重要性,必须依靠曝气充氧技术进行人工强化复氧来强化河流的自净能力。

    在自然条件下,溶解氧在河流的自我净化过程中起着十分重要的作用。所有河流都具备一定的自我净化能力,河水中溶解的氧气一般可以满足自然状态下河流中微生物分解代谢有机物的需要。但是河流在受到比较严重的污染或者重复污染后,大量的污染物质排入,超过了河流的自我净化能力,河水中的溶解氧会逐渐下降可能导致被消耗殆尽,通过自然来源的溶解氧往往不能及时补充,从而使原来的水生生态系统平衡被打破。河水中的溶解氧含量不足之后,好氧微生物逐渐失去优势地位,厌氧微生物或兼性厌氧微生物会逐渐占据优势地位,河水中的有机物分解就从有氧分解转为无氧分解。由于有机物的无氧分解会生成NH3、H2S、FeS等致死致臭致黑物质,使河流的水生生态系统遭到严重破坏,造成河水发黑发臭现象,使河流无法进行自我修复。

    国内外的系列工程和试验结果实践证明,人工曝气充氧技术是治理污染河流一种高效快速的创新性技术。人工曝气不仅可以迅速地提高水中的溶解氧含量,还可以有效去除水中的致死致臭致黑物质,使水体的自我修复能力提高,完成水生生态系统的重构和恢复。

   (二)城市内河微生物强化修复。目前,微生物强化修复技术已在发达国家成为环保领域的主流,该技术被鉴定为国际上最佳水体污染治理技术。微生物修复技术因其具有效率高、速度快、成本低、生物安全性、反应条件温和、消耗低以及不产生二次污染等显著优点而备受关注,微生物在环保行业、农林牧渔业等方面发挥着巨大作用。在解决棘手的环境问题上,微生物强化修复技术是一个纯生态的过程,具备显著的优越性及独特功能,充分体现了可持续发展的战略思想。

    作为微型食物链的重要组成者以及淡水湖泊的分解者,微生物对于受污染水体的净化具有重要意义,是降解废水废物的主力军,不仅能将有机物质分解矿化,还能将C、N、P、S代谢分解。微生物强化修复技术能否成功,与具备降解能力的微生物的数量及其生长繁殖速度密切相关。在我国城市内河治理中,广泛应用的微生物制剂有产自中国的光合细菌、硝化细菌、美国的Clear-Flo系列菌剂以及来自日本的有效微生物菌群(Effective microorganism, EM)。

    通过微生物菌体的同化作用能将部分有机污染物转化为自身物质,大分子有机物被微生物分泌的胞外酶快速分解,从而将水体中的有机污染物降解去除。通过硝化细菌、反硝化细菌以及氨化细菌的作用,将水体中过量的N以气体的形式释放,实现水体中氮素的生物地球化学循环。硝化细菌不仅能去除C、N,还能降解农药,将水体中的有机碎屑及有机重金属絮凝。嗜烃菌可在短时间内将大部分油污转化为菌体蛋白和CO2,从而将其去除。光合细菌能充分利用水中残留的HS、NH等有机物作为氢的供体进行光合作用,将水中的有害物质分解,水中的溶解氧达到提高,从而改善水质。磷素可通过微生物的同化作用将水体中的有效磷转化为微生物菌体自身的有机磷,通过食物链将水体中的磷素传递出去。投加微生物,对藻类同样具有很好的抑制作用。通过复合微生物的协同作用,水体中的N、P浓度降低,以营养竞争的方式抑制了藻类的生长,水质得以改善,浮游动物物种群的生长繁殖可有效捕食藻类。

    接触氧化填料因其具有巨大的比表面积,能有效将微生物固定,为微生物的生长栖息繁殖提供载体,避免随水流失,附着在上面的微生物能够更充分的与水中有机物进行接触,从而使微生物能更充分的降解水中有机污染物,提高净水能力,改善水质。对于世代时间较长的微生物如硝化细菌,通过形成生物膜生长附着在填料上得以长期保留,使生物膜不仅具有降解有机物的功能,还具有脱氮的潜能;此外,生物膜上的原生、后生动物能提高内河水体的稳定性与自净能力。由此可见,投加接触氧化填料为微生物提供良好的生存环境是一种高效的水处理工艺。由人造聚合物的纯惰性材料制成的阿科蔓生态基,1平方米生态基可为微生物的附着提供250 平方米的比表面积,且具有寿命长、难分解、亲和性好等优良特性。阿科蔓生态基上适宜的大孔结构为自养生物如藻类所设计,微孔结构为异样生物如异养型细菌所设计;内部封闭式的泡沫具有很好的浮力,可使生态基自由在水中矗立。阿科蔓生态基主要安装在围堰内及曝气区域,对于河道的微生物具有良好的固定效果,提高水体净化能力。

   (三)建立内河水体完整生物系统。目前大部分的内河水体受到严重污染,水体微环境受到严重破坏,供给水体生物生存的营养源严重失衡,使一些耐毒性的蓝、绿藻出现爆发性的大量繁殖,单一种类个体数剧增,水体中生物的多样性锐减,水体中以及水体周边的许多生物链被破坏,导致水体及周边的生态系统遭受严重的打击,甚至瘫痪。内河水体生态链的破坏不仅造成微生物生存环境受到威胁,同时体现了水体中“C、N、P”等的失衡。因此,完善水生生物链对水体环境的影响至关重要。

    完善的水生生物链和多样性的物种,不仅能够抵御因环境变化对整个生态体系的破坏,可避免蓝、绿藻出现爆发性发展,而且还是维系水体健康稳定的保障。为了确保内河水生生物的多样性发展,除了进行曝气充氧与微生物强化修复之外,还需要解决水体本身的微环境问题,建立起一个完整的生态系统,只有完善水生生态食物链,保持各营养级之间适宜的数量比和能量比,同时提供给水生生物赖以生存的空间才能发展水生生物多样性,从而确保内河的水体水质。

    建设一个良好的生态平衡系统的流域,恢复和维持水体的自洁能力,使水体进入比较良好的状态。内河水体生态修复的主要任务就是如何恢复稳定健康的水体微环境,还水生生物一个生存家园。在治理区域外围设浮动围堰,治理区域内安装增氧等设备和微生物载体填料等。通过在浮动围堰内增加排污口的水力停留时间,在区域内进行微生物的强化处理,投放的微生物菌剂通过逐步驯化、增殖、转代、繁衍从而形成适合水体特定生态环境的相对平衡和完备的优势菌群,达到菌相平衡,同时接触氧化填料为微生物生长提供载体,附着在上面的微生物能够更充分的与水中有机物进行接触,从而使微生物能更充分的降解水中有机污染物,提高净水能力,改善水质。

    人工浮岛技术是应用无土栽培的原理,把具有净水、观赏及经济价值的高等水生植物或经改良驯化后的陆生草本、木本植物移栽到富营养化水体的水面种植,利用可漂浮在水面并能够承受较大重量的生态浮板作为载体,通过植物深入水中强大根系的吸收、吸附、截留作用(挺水植物如美人蕉、梭鱼草等,浮水植物如水金钱、狐尾藻等),物种竞争相克的机理,以及微生物的生化降解等作用,削减富营养化水体中的N、P 及有机物质,并以收获植物体的形式将其搬离水体,达到净化水质的效果,从而为高等水生生物的生存、繁衍创造生态环境条件,为水生态系统的良性恢复提供可能。

    三、民歌湖、竹排江水体修复工程工艺

    依据城市内河生态修复的技术路线,对民歌湖、竹排江进行了修复工程,工程包括底泥钝化、充氧曝气、浮动围堰强化处理、微生物治理、投加生物填料、建设人工浮岛和对颗粒污染物拦截等工程。

    根据现场勘查,在茶花园段底泥较多,使用聚合氯化铝对底泥进行钝化处理,减少底泥的内源污染;在流域沿线共安装了104台曝气设备,包括表面曝气机、喷泉式曝气机、扬水式曝气机,其中在竹排江上游污染浓度高段加大曝气量进行强化处理,在民歌湖安装35台喷泉式曝气设备,在曝气同时增加景观效果;在主要的排污口设置了两处浮动围堰区域,面积约500平方米;采用诺维信公司提供的BioRemove5150生物增效剂进行微生物强化修复,该菌种通过二级生物扩培后投放到水体中,主要投放区域是浮动围堰强化治理区、曝气区和一些污染较严重区域;设置阿科蔓生态基,主要安装在围堰内及曝气区域;此外,设置了两处人工浮岛,面积为130平方米,建立完整的生态链,在净化水质同时增加景观效果。

    四、民歌湖、竹排江治理结果与分析

    民歌湖、竹排江水体修复工程在施工及运行过程中对水质进行持续检测,其中民歌湖段水质数据如下:

CODcr(mg/L)

透明度(cm)

数值

消减率

治理启动前

48

35

启动后3天

31

35.42%

40

启动后7天

17

64.58%

55

启动后10天

26

45.83%

50

启动后14天

26

45.83%

50

启动后20天

20

58.33%

55

平均

50.00%

民歌湖水质跟踪数据

    可以看出,以治理启动前的数据作为本底值,自工程主体完成后水质有较大改善,COD最大消减率达64.58%,平均达到50%;民歌湖的透明度也有提高,从原来的35厘米达到了50厘米,并且消除了河道沿线的臭味。本工程依据城市内河生态修复的技术路线,采用生物—生态法对黑臭河道进行治理,采用的工艺能提高河道的微生物量及活性,足够的充氧曝气有利于好氧微生物降解有机物,提高水体透明度。


    结语:随着我国城市建设的发展,更加注重城市的生态文明,而城市内河作为城市的重要组成部分,由于长期受纳各种污染形成的黑臭河道的治理逐渐被重视。在民歌湖、竹排江通过底泥钝化、充氧曝气、浮动围堰强化处理、微生物治理、投加生物填料、建设人工浮岛和对颗粒污染物拦截等工程进行治理,水质跟踪监测显示,民歌湖的COD消减了50%,透明度有所提高。说明受污染的城市内河通过曝气充氧、微生物强化修复、建立完善的生态链技术路线能够有效得到生态修复,使城市黑臭内河有较好的处理效果,能够有效地消减河道的营养物质,使城市内河不黑不臭,提升景观,改善居住环境,为城市生态文明建设提供了技术思路。



(作者系广西博世科环保科技股份有限公司、

广西大学环保科学研究所)