汾河干流水系水质改善工程措施

冯慧春

（山西省汾河水库管理局，山西 太原 030302）

1 工程概述

2013年财政部、环境保护部组织了江河湖泊生态环境保护工作竞争，竞争包括省级推荐、初步审核和现场评审三个主要环节，汾河水库的生态环境保护工程顺利入选2013年度江河湖泊生态环境保护工作国家重点支持项目。

目前汾河作为汾河水库上游主要来水水源，其水质现状已不能满足汾河水库入库水质要求，为了更好地保护汾河水库的生态环境，确保汾河水库饮用水源地水质安全，为人民群众提供优质的饮用水水源，需要改善汾河水库上游汾河入库水质，建设汾河干流水系水质改善工程。

工程位于娄烦县汾河入库口石峡沟汾河干流与岚河交汇处上游东侧滩涂，处理规模为36万m3/d，出水水质达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）Ⅲ水质标准，服务范围主要为净化汾河水库上游汾河流域的来水，降低汾河注入汾河水库的各项污染物浓度，对提高饮用水水源水质安全起到工程保障作用[1]。

2 汾河干流污染成因分析

汾河干流是流域内最大的河流，河道流量大，水面宽。对三条入库河流污染物分析发现（图1），汾河干流接纳的污染物量最高，其中COD占54%，氨氮占34%，主要原因是宁武、静乐、岚县、娄烦沿河村庄的生活污水及汾河流域的面源污染。引黄南干线出水在宁武县头马营汇入汾河干流，引黄入晋工程源头的万家寨水库，由于受到水库上游黄河干流沿岸污染排放的影响，使输送到头马营的引黄水水质也不能达到稳定的地表水环境的要求，主要超标污染物为氨氮和总氮。COD主要来自生活源和农业源，各县氨氮排放70%以上来自生活源[2-3]。

图1 主要河流纳污分析

3 工程措施

结合汾河水系规划，减少河道外土地占用，尽量利用现有河道滩涂用地进行整体布局，环境和景观等做到美观大方，并充分考虑与周边总体环境相协调。选择技术可行的河道水处理工艺和流程，对汾河干流来水进行深度净化，保证处理出水水质，工艺流程图详见图2。

3.1 河道平流沉砂

借鉴我国著名“都江堰”水利工程的“分水鱼嘴”和“飞沙堰”的设计理念，建设“分水墩”将汾河干流一分为二，右侧修建长40.0 m，高3.0 m液压坝抬升主河道水位，减缓河道流速，部分泥砂在液压坝前沉积。另左侧开挖新建一条平流沉沙河道段，沉沙段长180.0 m，宽20.0 m，工作水深2.0 m，水平流速0.1～2.0 m/s，用于河水沉沙预处理，沉沙预处理后的河水进入河道西岸的后续处理系统。河道平流沉沙段淤积的泥沙和淤泥采用移动式清淤设备清理外运，保持沉砂段的有效水深[4]，工程平面布置图见图3。

图2 工艺流程

3.2 除藻生物栅

汾河水库的藻类种群比较丰富，但并没有一种藻类具有绝对优势，也没有一种藻类一直为优势种群，在不同的季节和月份中藻类有不同的优势种群。而汾河干流来水中氮磷等污染物浓度较高，外来营养物质的输入，导致汾河水库存在爆发水华的风险。水华是淡水水体中藻类大量繁殖的一种自然现象。因而需采取相应的措施减少藻类爆发的风险，在氮磷污染物的去除基础上，还应考虑对藻类进行协同去除。

“除藻生物栅”是一种在不进行水体投药和外加菌剂条件下进行的，自然复合填料生态基除藻技术，综合了物化法和生物除藻机理，对水体中藻类有较好的去除效果。新型生物材料由多种特殊耐水纤维织造，形成密集网状结构，孔隙率和生物附着性优良，可长期浸泡于水中，使用寿命大于5年，能清除河水中大量的浮游生物及藻类，减轻后续工段的处理负荷，减少出水段中的藻类物质含量。且多种填料采用特定结构排布，可采用集成设备的形式，也可采用生物绳的形式现场布设，污水流经特殊设置的不同配比的多种填料，填料中可富集大量的微生物和水生植物，更容易形成生物膜，增加污染物的去除效果[5]。

“除藻生物栅”净化单元布置于河道平流沉砂段中，水流流速较缓0.1～0.2 m/s，水中藻类易附着于生物材料上生长从而被去除。

3.3 增强型MBBR生物系统

汾河干流河水中氮磷浓度较高，本工程预处理单元中采用较节能的增强型MBBR（Super MBBR）工艺。首先建一座（分4组）容积为6万m3的土池结构加土工防渗膜的构筑物，依靠生物膜系统去除来水中的有机污染物和氨氮，然后以过滤的方式去除生物菌膜及部分浮游生物等，保证系统最终的出水达标。

3.3.1 Super MBBR填料

以聚氨酯海绵为基础，使其吸附20%～30%的粉末活性碳，载体负载的粉末活性炭具有强大的吸附能力，比表面积达到20 000 m2/m3以上，孔隙率大于97%，挂膜时间1～2 h，适宜温度0℃～40℃度，使用寿命大于10年，数量为6 000 m3，微生物菌群附着其表面能大量繁殖，迅速形成高生物活性的生物膜；同时活性炭粉末可有效吸收氮磷等污染物供微生物利用降解，提高系统处理出水的稳定性。

3.3.2 环保型复合生物活性填料

生物系统中配置了新型环保型复合生物活性填料，这种高效生物纤维填料是可更换的，由特殊材料和工艺织造而成，亲水、亲油，有储氧能力，吸附能力强，生物活性高，传质效率好，该填料密集网状布置于系统内，可截留MBBR工艺段脱落的生物膜，创造不同的环境（好氧、厌氧及兼氧），使微生物（如硝化菌、反硝化菌等）能够充分发挥各自效能。比表面积2 000～6 000 m2/m3，密度1.08～1.68 kg/m3，孔隙率＞99%，成膜重量100～300 kg/m3，耐日光性优良，数量3 000 m3，使用寿命＞10年。

3.4 强化复合式潜流湿地

强化复合式潜流湿地通过对传统填料强化改性，增加其除磷、脱氮能力，能提供一定量的碳源，大量的硝态氮利用碳源进行反硝化脱除。同时优化填料孔隙率，增大水力负荷，弥补普通潜流湿地填料性能不稳定的不足，充分发挥湿地处理的优点，而且占地面积小，对气候、水质类型、水力负荷等具有更强的适应性，在寒冷季节对水中的氮磷等物质仍有较强的去除能力。

潜流湿地面积20万m2，分成250个单元，每个单元面积为800 m2，长50.0 m，宽16.0 m，高1.6 m。水力负荷1.8 m3/（m2·d），水力停留时间8.4 h，有效水深1.3～1.4 m，墙体采用M 10浆砌石挡墙，底部用原土夯实，上面铺设400 g/m2“二布一膜”土工膜，再铺设100 mm黏土保护层；内部填料以强化型混合填料为主，填料层总厚度为1.5 m，孔隙率大于50%。

3.4.1 强化型混合填料

湿地填料以片石为主，辅以沸石、石灰石，并在关键通气部位和清淤段，设置便于清理维护的填料模块（由混合生物绳填料、树皮、中空球型多孔填料组成）。所用填料大部分为常见填料，但沸石、片石(页岩）、石灰石本身孔隙率较高易于微生物附着生长，对氮磷等特征污染物有较高的去除率，中空球型多孔填料可利用河道淤泥、粘土和作物秸秆烧制而成，孔隙率较大而成本很低，且有稳定的净化效率；填料中的树皮可作为处理单元中的反硝化碳源提供，促进水中的反硝化过程。

3.4.2 湿地防堵措施

湿地单元按分区设置排空点位，以保证湿地系统可做到定期落干轮休，以保证湿地基质层可充分处于好氧环境，利于基质层中有机污染物的分解，恢复湿地床体的渗透性。

综合考虑污染物的净化效率、填料粒径配比和级配的关系，尽可能采用孔隙率较高的填料，延长湿地堵塞的发生周期。

对于易于发生淤堵或淤堵严重的填料上层，采用对填料系统微爆气或更换部分填料修复其处理能力。3.4.3 构建湿地植物系统

湿地植物是湿地系统的重要组成部分，不仅能去除污染物，而且能美化环境，选择耐污力强，适应当地气候的水生植物芦苇、香蒲、黄花美人蕉、菖蒲、篦齿眼子菜等。结合处理单元，并考虑景观造型，形成大型的生态植物湿地系统。配备园林工程师和园艺工人进行栽培管理，及时捞出危害水生植物生长、发展的丝状藻类，处置死亡的水生植物残体，冬季收割部分水生植物。

3.5 光催化消毒

汾河干流中类大肠菌群超标，水库作为饮用水水源地，对于汇入水质有较严格的要求。本项目的前端处理工序，在对有机物、氮、磷去除时，也会协同截留去除部分治病菌群，但为了保证最终出水水质中类大肠菌群达标，必须在处理系统出口处加设消毒处理单元，以达到较好的消毒效果。

光催化消毒技术是在紫外消毒技术上的一种改良工艺，利用新型固载型光催化材料的光催化消毒。接触时间短，对细菌有效，病毒和芽孢部分有效；快速、无化学药剂，对浊度控制要求不高，虽然投资略高，但能耗和运行成本显著降低，可有效杀灭类大肠菌群。系统包括：不锈钢支架；光催化网系统，负载纳米二氧化钛；牺牲阳极系统，曝气清洗系统[6]。

4 结语

汾河水系水质工程的实施，减少了水库淤积，使河道水系生态、水库自然生态得以改善，为鸟类、鱼类提供丰富的食物和良好的生存繁衍空间，对物种保存和保护物种多样性发挥重要的作用，大大减少河水的水体污染，防止水体富营养化，改善汾河干流入汾河水库的水质，为汾河水库水质安全把关。改善了区域内的生态环境，培养了群众生态文明观念，促进经济建设“又快又好”发展。预计每年的污染物消减量：BOD5为788.4 t；COD为3 285 t；SS为3.85万t；NH3－N为131.4 t；TP为39.4 t。

［参 考 文 献］

［1］陈梦熊.论生态地质环境系统与综合性生态环境地质调查［J］.水文地质工程地质，1999（3）：3－6+12.

［2］蔡劲松，万新南.岷江上游生态地质环境概况及其质量的模糊评价［J］.水土保持研究，2004，11（2）：113－114+124.

［3］李岭，张振文.阜新市生态地质环境质量模糊综合评价［J］.环境科学与管理，2008，33（2）：188－190.

［4］蔡鹤生，唐朝晖，周爱国.地质环境容量评价指标初步研究［J］.水文地质工程地质，1998，（3）：23－25.

［5］任国林，林玉山，任鹰，等.闽南三角地区地质环境质量综合评价及分区［J］.水文地质工程地质，1991，18（5）：18－20+24.

［6］叶延琼，樊宏，陈国阶.岷江上游土地退化及其防治对策［J］.水土保持通报，2002，22（6）：56－70.