物理-生态复合修复技术在黑臭河道治理中的应用

王 璐 杨明强 郭伟忠

(1.南京市三汊河河口闸管理处，江苏 南京 210036；2.南京市黑臭河道整治工作指挥部办公室，江苏 南京 210036；3.南京市水务局，江苏 南京 210036)

城市河流作为城市的命脉，不仅有水体循环、水土保持、贮水调洪、水质涵养等功能，而且还能调节温湿度、改善城市小气候，健康的城市水体环境是城市可持续发展的重要保障。2010年环境状况公报显示我国地表水体已达到严重污染状态[1]。随着城市的快速发展和人口急剧增加，许多城市内河出现季节性或常年性的水体黑臭现象[2]，河流生态环境严重受损，已经严重超过了河流自净能力所承受的范围[3]。

清江东沟是南京城市中心的一条河道，起于裕盛东路，终至里圩河，河道全长892m(汉江路至裕盛东路为箱涵段，638m)，上口宽4m。周围有龙凤花园、苏城北苑等小区，河道整体呈南北走向。由于生活垃圾乱倒、河道周边餐饮企业污水长期直排河道，造成该河道水质越来越差，河床底泥越来越厚，淤积严重。河道平缓，枯水期进水量少，水体置换速度慢，水体丧失自净能力，发黑发臭。因此，城市黑臭水体整治已经成为各级地方人民政府改善城市人居环境的重要内容和工作。

目前，水环境质量修复的技术多种多样，黑臭河道治理技术主要有物理法、化学法、生物法和生态修复技术4类[1]。物理法主要包括清淤、引水冲污和曝气等。化学法在黑臭水体治理中是限制应用技术，主要包括加入混凝沉淀剂、除藻剂等化学药剂。生物法依靠微生物作用，环境友好，因此得到广泛应用，主要包括植物法、微生物法和生物膜技术等[4]。生态修复技术具有可持续性，能够增强系统自身的能力，主要包括生态浮床技术和人工湿地技术等[1]。由于黑臭水体受污染情况复杂，单用一种修复方法往往不能达到理想的效果[5]。因此，本文结合相关研究[5-6]，探讨采用河道清淤、污水截流、微纳米曝气增氧和人工生态纳污浮床为主的物理-生态复合修复技术应用于南京市黑臭河道治理中的治理效果。

1 河道概况

鼓楼龙江地区的中保河、中保北河、里圩河、龙江河、龙江东河、清江北沟、清江南沟、清江沟、清江东沟9条河道互相连通，简称为“五河四沟”，其中江东北路西侧的中保河、中保北河、清江北沟、清江南沟和清江沟主要通过中保泵站流入长江，东侧的里圩河、龙江河、龙江东河、清江东沟主要通过里圩泵站和小陡门泵站流入秦淮河。清江东沟属于河西水系的龙江片区，见图1，龙江片区“五河四沟”相互连通，河道平缓，汇水面积1.15 km2，规划流量6.51m3/s。治理前，生活垃圾乱倒、河道周边餐饮企业污水长期直排河道，城市降雨所携带的污染负荷也直接进入河道，污染水体，降低河道水质。清江东沟汇水区域内的龙江污水泵站处于高水位运行状态，污水通过各种路径渗入雨水系统汇集下河，污染河道，导致河道自净能力减弱，呈现发黑发臭现象，被列入2016年南京市黑臭水体整治清单。治理前河道水质为重度黑臭，水质监测结果见表1，水质状况见图2。

图1 清江东沟位置示意图

图2 清江东沟治理前状况

表1 治理前清江东沟水质监测结果

2 物理-生态复合修复技术

2016年3月，清江东沟开始工程治理，全面梳理沿河排水单元、排水状态，针对排水不达标单位采取封堵排污口、将排河污水管道接入污水管网方式治理。同时采取河道清淤、微纳米曝气增氧和人工生态纳污浮床方式进行治理。

2.1 河道清淤

按照河道规划断面对河道进行清淤，疏通水系，改善河道水力条件，增加河道的水环境容量，加大河道的自净能力。

清淤量由河道断面测绘图与规划清淤断面相减，得出清除淤泥的断面面积，再利用断面法，计算清淤量。具体计算公式如下：

Vi=(A0-Ai)Li

(1)

式中：Vi为河道清淤体积,m3；A0为典型断面清淤前横断面面积,m2；Ai为典型断面规划的横断面面积,m2；Li为河道长度,m。

清淤方式有3种：湿法(水冲法)、干法和水下清淤法。湿法是通过高压泵水枪冲洗泥浆表面，使其形成水潭，放下泥浆泵抽吸泥浆，送到排泥区，最后通过泥浆车清运淤泥。该法特点是施工周期短，投资少，施工方便，对河道本身的排水影响较小。干法是将河道内的水体抽干后，对河底裸露的淤泥进行曝晒，使淤泥中的水分蒸发后形成固态的土壤，最后通过挖掘机将淤泥挖除，并通过渣土车运至指定弃土场。干法施工周期较长，且施工期必须在非雨季，对河道本身的排水影响较大，并要有供挖掘机作业的通道及场地。水下清淤法采用绞吸船或气动吸泥泵船水上吸泥，直接管道输泥，至泥水分离设备后将处置后脱水的污泥直接装车外运，尾水处理至原河。该法设备占地面积小，移动方便，对作业季节要求低，周期不长，但需要揽泥船或吸泥船等大型设备，并且需要在可通航的河流上作业，对场地要求高。河道清理的淤泥需外运至经有关部门许可的场地，集中地点堆放及处置，资源化利用，注意防止发生二次污染。

综合分析河道清淤方式，清江东沟整治工程要求2016年12月完工，施工周期较短，同时清江东沟位于城市中心，汛期有排水要求，且河道上口较窄，故采取湿法清淤。采用清塘见底、徒步检查、封袋装填、密闭运输等措施进行河道清淤，清淤总量7801m3，铺设卵石护底，既可以控制后期再次清淤时的河底标高，也能增大水与生物的接触面积，增强水体的自净能力。

2.2 曝气增氧

曝气增氧技术是一种通过增加河道水体内部交换强度，实现溶解氧含量较高的水面水向底部转移，从而加快底部耗氧物质的分解去除；同时加速溶解氧含量较低的底部水向水面的转移，使空气与水面间产生较大的氧浓度梯度，加速了空气中的氧向水体的转移，改善水体缺氧状况，从而实现水体增氧的技术。

曝气充氧技术从20世纪80年代开始推广使用，1989年美国在Hamewood运河口安装曝气设备，增加了水体的溶解氧，丰富了河道生物量。1994年德国在Beriln河上使用了曝气充氧设备，充气能力为5t/d，提高了水体净化功能，改善了水质[8]。周志华等[9]在清河口应用人工曝气技术对河道水体进行处理，清河水质得到有效净化,可基本消除河水臭味，溶解氧可达到3mg/L，极大地改善了清河的污染现状。目前国内外已有多种曝气设备应用于工程实践中。按曝气设备氧源，曝气装置分为纯氧曝气和空气曝气两种。按工作原理，曝气装置可分为纯氧微孔管曝气系统、纯氧混流增氧系统、鼓风机微孔布气管曝气系统、叶轮吸气推流式曝气器、水下射流曝气设备、叶轮式增氧机等[10]。常见的曝气充氧方式对比见表2。

表2 曝气充氧方式对比

上述几种曝气方法对黑臭水体有一定的处理效果，但是不能从根本上解决问题。限制曝气技术应用的主要因素是经济成本。微孔曝气虽较叶轮曝气效率高，但其运行管理难度更大，投资高；纯氧曝气效率最高，但制氧的成本比较高，故不能广泛应用。高效节能是曝气净化技术的重要研究方向。微纳米曝气机产生的微纳米气泡直径在几十微米甚至达到纳米级，具有比表面积大、停留时间长、强化传质效率等特点，可显著加快氧气分子在气液界面的传递速率，曝气效果良好且高效节能[10]。陆晖等[11]将微纳米曝气与鼓风微孔曝气进行对比，发现微纳米曝气氧总体积传质系数高于鼓风微孔曝气，微纳米曝气具有很好的氧传递性，平均含气率为1.09%，能够较好地去除水体中的污染物。

根据清江东沟整治工程高效节能的治理要求，考虑到河道位于城市中心，周围居民区较多，采用高效、低噪的曝气增氧系统——微纳米曝气增氧设备[12]。选择沿河道布置3台设备，每台功率为4kW。微纳米曝气设备可以产生直径在50μm和数十纳米之间的微小气泡，不受空气在水中溶解度的影响，可快速溶于水体中[13]。曝气装置见图3。

图3 曝气装置

2.3 生态修复技术

单一曝气效果有限[14]，将曝气和其他处理方法，如与生态浮床等生态修复技术相结合，可以起到相互促进的作用，能够得到更好的效果。

目前较为常用的水体生态修复技术有生态浮床、人工湿地和生态护岸，见表3。

人工湿地只适用于轻度污染水体，对重度污染水体效果较差；生态护岸对河道蓝线和经济预算要求高；生态浮床具有强可操作性，高效率、少投资，能达到标本兼治,是应用最为广泛的一种生态修复技术。

表3 常见生态修复技术对比

根据生态浮床的特点和使用范围，清江东沟选择在河道内种植生态浮床150m2，浮床水生植被为圆币草，设计成矩形，均匀分布在河道内,见图4。通过圆币草分泌的克藻物质抑制藻类生长，最后通过收割圆币草的形式，将其移出水体，从而达到净化水质的目的[1]。清江东沟整治后效果见图5。

图4 生态浮床

图5 清江东沟整治后效果

3 治理成果

清江东沟整治工程于2016年12月完成，完成后委托第三方检测机构定期对水质进行监测，分析理化指标(溶解氧、氨氮、透明度和氧化还原电位)。监测时间为2017年1—10月，每月4次。监测数据及分析情况见图6、图7。

图6 运行期间溶解氧和氨氮的浓度变化

图7 运行期间透明度和氧化还原电位数值的变化

3.1 溶解氧与氨氮

河道治理完成后，经过10个月的连续监测，溶解氧从初始的0增加到2.08mg/L，氨氮由初始的16.60mg/L降到0.83mg/L，氨氮的最高去除率达到95%。运行初期为春季，水温低，抑制了厌氧菌繁殖，溶解氧含量较高。随着夏季来临，温度升高，水体各类微生物活动频繁，溶解氧含量有所降低。由于存在曝气增氧措施，全年溶解氧含量存在波动。清江东沟的污染源是生活污水，特征污染物为氨氮[4]，河道清淤与截污对氨氮含量的降低效果显著，可快速清除水体的内源污染，初期氨氮去除率较高。总体趋势上，水体中溶解氧与氨氮保持在非黑臭水质标准范围内，河道整体水质状况良好。

3.2 透明度和氧化还原电位

水体透明度从初始的5cm提升至42cm，水质感官明显改善。综合10个月的监测统计数据来看，透明度存在波动，但平均值在25cm左右，达到非黑臭水质标准。氧化还原电位最高到135mV，平均值保持在80mV左右，达到非黑臭水质标准。数据存在波动，与温度、季节对生态措施的影响有关，河道整体水质状况良好。

3.3 公众评议情况

在河道治理结束1年后，河道主管部门开展了黑臭河道整治效果公众满意度调查。调查范围为清江东沟周边半径500m范围内社区居民、商户和过路群众，有效问卷100份，公众满意度达92%。

4 结 论

在实施物理-生态复合修复技术后，清江东沟的氨氮、溶解氧、透明度和氧化还原电位等水质指标显著改善。对比治理前，治理后河道水体透明度明显改善，透明度最高提升至42cm，氨氮的最高去除率达到95%，整治成效公众满意度达92%，黑臭现象消除，整治成效显著。工程在消除黑臭的同时，应用生态浮岛的修复技术，还能起到城市河流的景观美化作用。