河道生态修复与治理研究

2014-10-10杨智强高剑平

长春工业大学学报 2014年4期

杨智强，高剑平

（漳州职业技术学院，福建漳州 363000）

0 引言

三湘江是漳州市芗城区的内河，其3条支流沟通漳州市芗城区西片区，承担芝山镇和漳州旧城西片区的蓄水、排洪任务。90年代初，三湘江河水清澈、环境良好。随着采砂行为加剧，九龙江河床水位逐年下降，康山村水闸无法引水，三湘江水流流量减少，加之沿线生活污水、工业废水、养殖污水的注入，三湘江水质污染日益严重，河道萎缩，原先的生态系统遭到严重破坏。进入21世纪以来，三湘江历经河段清理、截弯取直改造、护坡加固修护和清淤等多轮整治，但是没有形成长效机制和良好的生态维护系统，污染问题仍然存在，因此，需要进行综合治理，改善水体环境，尽快实现河畅水清。

1 三湘江的污染情况

1.1 河道情况分析

三湘江属小河系，流经金峰开发区、西院、金峰、上墩、下碑、西洋坪等自然村及漳州高校园区，河流断面小，现存主流长度不大（仅9.17km），流量小致枯水期水体经常滞留不动；各支流在闽南师范大学附近汇流，再通过西区排涝站排入九龙江。

1.2 污染源分析

三湘江的污染源主要为沿线村庄的生活垃圾、生活污水、养殖业污水、村内小工厂和工业区无序排放的部分工业废水。由于现在生活水平提高，农村私宅多建有化粪池，排放到三湘江的生活污水多为化粪池出水及洗涤、盥洗和清洁排水，混合沿线的村内小作坊和部分工厂污水，通过农村雨水管道直排三湘江，来源复杂，排放点分散，呈面污染状。水质随排污口分布呈不规则变化，如图1所示。

图1 三湘江现有河道水体情况

水体在排污口下游发黑、发臭，或由于水体富营养化，藻类滋生严重，水体发绿。河道内凹处几乎没有更新，水质恶化严重（见图1中②处）。

1.3 水质污染指标分析

2013年9月至2014年5月的水质分析，分别在上游（前山村）、中下游（西院村西瑶社，图1中①下游30m）上墩村④及闽南师范学院⑧后最后一个排污口后约500m处（此处距西区排涝站排出口约300m），在河中心采集水样，从早上8点至12点分别到4个取样口取样，取样时间间隔约1h，在西区污水厂进行测定分析，主要指标见表1。

对比郑永裕［1］2004－2005年及黄泱［2］2006年5月水质资料，其中溶解氧、BOD和COD等项目发生了较大的变化，水质呈现恶化趋势，除前山段外，其它采样点DO值在1.26～1.55mg／L之间，低于Ⅴ类水标准，BOD，COD，TN，NH3－N，TP等均高于Ⅴ标准，水质污染严重，且以有机物污染为主，细菌含量超标。由于沿线均有污水排入，河段有部分水生植物，水体有一定的自净作用，主河道以西院村段测得的水质污染指标最高，西院村后，由于河道有水生杂草和底部生物污泥对水体的净化作用，在金峰花园段的汇流后，即上墩村段水质有所改善，排涝站出水口出水质最好，但仍然超出《地表水环境质量标准》GB3838－2002规定的Ⅴ类水水质标准，属超Ⅴ类的劣质水体。水体中污染物以有机物为主，水体含氧量低，水生生物少，水体自净能力低。

表1 主河道各采样点水质指标

4个取样口水质指标变化如图2所示。

图2 4个取样口水质指标变化

2 治理方案与技术应用

整治方案可以从降低污染物浓度、减少污染物排入总量上入手，利用水处理原理和生物修复技术处理有机污染物，降低水中TN，TP，BOD5，COD等含量，提高水中溶解氧含量，恢复三湘江的良好生态环境；在排入九龙江前进行一定的曝气、沉淀并消毒，减少微生物及病毒的排放总量。

整体治理方案简图如图3所示。

整体考虑源头提水引水增加水量，选取关键节点设置曝气增氧设施；沿线种植水生植物，最后一个排污口后约20m处设置粗格栅拦截污染物，设置水面曝气装置，在西区排涝站前池处改造成沉淀池，再有组织出水。达到物理修复技术和生物－生态修复技术相结合，净化水质同时修复三湘江景观生态的目的。

2.1 污染源控制

在研究三湘江水整治方法时，考虑近远期三湘江水质变化的可能性，研究其未来可能的变化规律，再找出对策。现阶段主要进行污染源的清查、登记，控制沿线养殖、工业及生活污水的排入。远期在进行居住区设计和建设时，考虑雨、污水管道分流或截流，杜绝新污染源的排入，减轻初期雨水的污染。

2.2 设置提水泵站

在前山段设置提水水泵站，利用水泵提水进三湘江，加大三湘江水量，使水体由死水变为活水。引水冲污属物理修复技术，是用较清洁的水在短时间内（5～20d）稀释或完全替换污染较严重的水，以降低水体中的污染物浓度。引水冲污可在短时间内置换重污染河水，但是也可能冲起一部分沉积物，使已经沉淀的污染物重新进入水体，并造成出水口附近九龙江水质的恶化［3］；同时，引水流量太大，长期运行耗电量太大，若相隔长时间引水冲污，水质又会重新变质恶化。河水流速过慢，容易导致总氮的积累，根据顾俊［4］的研究，河水常年运行流速控制在1.5m／h以上才能有效防止城市内河总氮的积累，并有利于其降解。同时提水泵站流量不考虑冲起底部污泥，而是以生物－生态修复为目的，水流无需太大，考虑水生植物对N，P的处理达到90%以上，所需时间约为20d，水流的水力停留时间取30d，主河道9 170m，流速约12.7m／h。再结合河道断面尺寸推算，如图4所示。

图3 整体治理方案简图

图4 河道断面尺寸

日常运行中，流速取13m／h，枯水期河流水深保持2.5m，河道断面积约23.75～28.00m2，计算后流量约308.75～364.00m3／h之间，扬程约6.5m。因此，设置提水泵站，泵站的引水量应控制在一定范围，建议选择［5］4台轴流水泵，每台额定流量170m3／h。在运行初期4台水泵全开，15d后关闭2台水泵，转入正常运行。

2.3 部分河段拓宽改造

目前，三湘江有加固护坡的河道尚不完整，若要进行引水，必须先进行中上游河道的改造，对河道断面进行拓宽、延伸，与前山村段对接，对于无法新开河道对接的河段（见图1中B和C点），可埋设管道到现有河段的起端。同时，在进行河道改造的设计及施工中，应注意河道底高程的变化，防止因下游段高于上游段而导致澭水。

三湘江水深较小、水流平缓、水体类似兼性塘。河道改造中考虑水体自净的因素，在关键节点设置增氧措施，增加水体含氧量，利用水体上层好氧微生物和底泥厌氧微生物的代谢活动，降解水体有机污染物。

2.3.1 设置跌水曝气

在直线河道中间隔一段距离，在河道断面砌筑挡水堰，在保证河道各段一定水深的同时，运行中利用堰流跌水作用，增加水体含氧量。堰高的取值需满足河道泄洪流量要求，同时考虑沿线接入的雨污排水管高程，现场勘测后得出，堰体中间留一个泄水孔。

2.3.2 对接沿岸坑塘，进行推流曝气

如西院村段西瑶社庙前坑塘，水体不流动，污染物堆积，水质容易恶化；可在此前河道中设置挡水堰，或积水区安装推流曝气装置，在推动水体流动同时增氧。改造成类似于兼性塘的水塘，在入流段做导流设施，使水流能通过积水区往下游流动，避免积水区水流不流动导致水体恶化。

2.4 生物－生态修复

引水泵站设置，流量大的情况下可短期内使得水质达到Ⅲ类水标准，但是3～5d后水质又会恶化，若单纯依靠引水工程保证内河水质，工程量大且长期运行成本太高。

城市河流修复的［6］目的是为了恢复和强化河流在受到破坏之前的自净和生态功能，使河流能够通过自我调节达到自我维持的状态。为此，三湘江的整治除了控制外源污染外，还需结合生物修复技术，建立长效处理机制，维持河道良好生态。

2.4.1 微生物修复技术

适合于河流净化的微生物主要有硝化菌、有机污染物高效降解菌和光合细菌。三湘江水深2.0～2.5m，水流控制在13m／h左右，让水体呈缓流状态。这种状态下的河道具备兼性稳定塘的特征［7］。水体中细菌、藻类、原生动物、后生动物可构成具备厌氧、兼性氧、好氧分解的菌藻共生体系，对水中的污染物进行有效降解处理，并提供水生植物所需的营养物质［8］。上海、北京等地采用的复合酶生物促进剂原位生物－生态修复技术就是其中的一种形式。

2.4.2 设置河岸区植被保护带

利用地表植被消耗和转化易溶解的颗粒状营养物。植被保护带包括在河岸种植景观树和灌木、护坡种植水陆生景观类植物。如闽南师范大学岸边种植柳树，既美观环境，又有一定的生态修复功能。护坡植物可考虑美人蕉、短叶茳芏等水生植物。

2.4.3 种植水生植物［9］

利用植物的根系吸污纳垢，吸收溶解在水中的N，P，同时植物光合作用下能够释放氧气，增加水体含氧量。根据黄泱［2］2007年的研究，水葫芦对水体中磷的去除率为73.8%，对N的去除率为80.6%，CODcr为90.6%；蔡佩英［10－11］2010－2011年对7种水生植物去除水中N，P效果进行了研究，其中凤眼莲对NH3－N处理效果最高（98.97%），美人蕉对TN和TP去除率最高，分别达到75.35%和83.48% ，且对NH3－N也有较高的处理能力。考虑到水葫芦易大量繁殖，若不及时清理，其死亡腐烂后易导致水体水质恶化。水生植物首选美人蕉，为丰富水生植物种类，可在不同段种植长鬃蓼、美人蕉、短叶茳芏、鸭跖草、空心莲子草、风车草等南方常见的水生植物。种植方式首选生物浮床技术［12］。植物修复技术主要有以下优点：低投资、低能耗；处理过程与自然生态系统有着更大的相融性，无二次污染；能实现水体营养平衡，改善水体的自净能力，对水体的各种主要污染物均有良好的处理效果。

2.4.4 放养鱼类和螺蛳等水生动物

往三湘江内放养柳叶鱼、过山鱼、田螺等水生动物，丰富水体的生物食物链。利用鱼类和螺蛳的吞食作用、水体微生物的降解作用、水生植物的吸收作用及系统中的物理化学作用，降低水体的COD，BOD，N，P等污染指标，并维持在较低水平。

2.5 出水口前进行曝气、沉淀和消毒

在出水口前的河段适当拓宽，减缓水体流动，在拓宽部分前端设置挡水低堰或在拓宽前的河道设置水面机械曝气装置，增加水体DO值，强化微生物处理能力。并把原有的泵站前池和自流排出通道合并，加大、加宽前池，增强蓄水能力。在中间设置隔墙将前池分为前后两区（见图3），枯水季节隔墙起到导流作用，同时强化沉淀效果，延长水力停留时间。考虑雨季排洪需要，隔墙起端墙体不宜太高，河道高水位时能通过这部分墙体溢流到后区。靠泵房部分隔墙设低堰，保证上部清澈水体进入后区。若要保证三湘江排出水水质优于九龙江水，还可以在后区设置消毒设施，建议采用太阳能光催化消毒设施。

3 修复工艺控制

3.1 方案1

在河道改造后，泵站启动前，进行河道清淤，并对沿岸护坡及植物进行整理，分批种植水葫芦、美人蕉、短叶茳芏或风车草等水生植物。就绪后，水泵机组全部启动，使河道以最大水量冲淤，并将现有污染物排入九龙江。若冲淤效果不好，可考虑分支流处设水闸控制，支流分别冲淤。这个方案缺点是三湘江积累的污染物一次性短时间内排入九龙江，对九龙江的水质污染冲击较大。

3.2 方案2

河道清淤后，提水泵站机组先全部开启，并在排涝站处关闭水闸，待三湘江水位上涨到一定程度后，开启部分水闸，并关闭2台引水水泵，利用2台水泵的流量保持水流流动，同时控制污染物排入九龙江的量。在整个生态系统建立完善后，三湘江水质将得到大的改善。这个方案的优点是有利于生态修复系统的建立，并且在系统启动初期对九龙江的污染冲击较小。