城市半封闭河道水体生态恢复试验

城市半封闭河道水体生态恢复试验*摘要：利用复合生态滤床、底泥生物氧化、水体生物修复和河道生态恢复等技术，对上海漕溪河富营养水体进行治理。结果表明，在每隔7-10天间歇性流量300-400m3/次的污水补水进量下，通过生物治理，消除了水体富营养和黑臭现象，从每个污水补给周期开始，3－4天后CODcr、NH3-N、TP除去率分别达到50%、40%、55%以上，水体清澈见底。从2005年3月到2005年5月，河道生物多样性逐步增加，先后出现枝角类、桡足类动物和鱼类。表明对于已截污的城市半封闭河道，利用浸没式复合生态滤床对污水进行预处理，在此基础上，通过底泥生物氧化、水体增氧、河道生态恢复等措施，进行生物治理，可取得良好治理效果。本研究为城市半封闭河道的治理和养护提供了一套切实可行的方法。关键词：城市半封闭河道；生物修复；底泥生物氧化；复合生态滤床THEEXPERIMENTATIONOFECOLOGICALRESTORATIONINWATERBODYOFHALF-CLOSEDCITYRIVERAbstract：Multifunctionecologicalfilterbed,biologicaloxidationofthesediment,bioremediationofwaterandecologicalrestorationofriverwerecombinedandappliedtocontrolthepollutionofCaoxiriver,aEutrophicorblack-odorwaterinShanghai.Theresultshowedthatthephenomenonofblack-odororeutrophywaterintheriverwerebeeliminated,underthehydraulicloadofintermittentsewagesupplyashighas300~400m3/timeevery7-10days.Thecolorofthewaterwascleartothebottom,wheretheremovalrateofCODCr,NH3-N,TPisabove50%,40%and55%respectivelyin3-4daysfromthedayofsewagesupply.Itindicatedthatthebiologic-diversityofriverwasalsorecoveredthattheamountofcladocera,copepodaandfishescameoutbysteadyoperationfromMarchtoMay2005.Thisresearchshowedthatthecombinedprocessincludingbiologicaloxidationofthesediment,aeration,andbioremediationofthewaterbasedonbiologicalpretreatmentbyimmersedmultifunctionecologicalfilterbedcouldeffectivelyeliminatethepollution.ThisprocesswouldbeafeasibletechnologytocontrolandmanagementthepollutionofHalf-closedcityriver.Keywords:Half-closedcityriver;Bioremediation;Biologicaloxidationofthesedimentintheriver;multifunctionecologicalfilterbed水体黑臭是我国城市河网的普遍现象，继苏州河干流水体基本消除黑臭以后，上海市水环境整治进入到一个新的历史阶段。苏州河综合整治工程（21－25），特别是城市截污工程阻隔了苏州河干流和6支流以及其他小河道的水系沟通，形成许多通过翻水泵站与苏州河支流沟通的“断头浜”，河道水体基本不流动，但受纳两岸定期或不定期的污水补给，呈现半封闭河道特征。随着城市截污工程逐步向中小河道推进，半封闭河道的生物修复和生态恢复治理已提到议事日程。为了探索城市半封闭河道治理技术，我们在上海市徐汇区漕溪河进行了生态恢复试验。图1:漕溪河1-3#采样点示意图图1:漕溪河1-3#采样点示意图Fig1:ThesketchmapofCaoxiriversamplingpoints1#3#2#复合生态滤床水流方向回流井回流管增氧系统增氧系统污水补给口1试验工程概况及技术路线1．1河道概况1工程试验概况1．1试验河道漕溪河位于上海徐汇区轨道交通三号线漕溪路站附近，起点为汽车队，讫点为明珠线，长度180米，宽度12－13米，为淀北水利控制片。通过疏浚、截污、生态护岸等工程，沿线的污水已基本被截流，整治后的漕溪河底宽2米、边坡1:2.5、底标高1.5米，3米水位的槽蓄容量近1300立方米。但该河道与其它城市水系阻隔，只能通过雨水和漕溪支流（未经治理的黑臭或富营养河道）污水定期补给，特别是旱季，约7－10天补给污水一次，每次补给污水量为总水量的20％，约260立方米，补水水质CODcr﹥160mg/l，NH3－N﹥25mg/L，由于定期的污水补给，整治后的漕溪河水仍然呈现黑臭或富营养状态。1．2技术路线本研究应用河道生物修复和生态恢复原理，通过淹没式复合生态滤床、河道水体推流和增氧技术、底泥生物氧化和河道生态恢复恢复技术等，对上海漕溪河进行治理。1．3试验装置和工程项目漕溪河生态恢复试验由淹没式复合生态滤床、河道水体增氧和推流、底泥生物氧化和河道生态恢复等工程项目组成。(图1)1.3.1、浸没式复合生态滤床浸没式复合生态滤床是一种新型的垂直流人工湿地系统（11－20），其特点是①生态滤床直接布置于河道中，并浸没于水中，不需布水系统，河水直接自上而下自流，通过布置于河床的集水系统，进入集水回流井。②滤床填料分二种，植物种植区（沿河道垂直方向成行排列）采用沸石、粉煤灰陶粒等吸氮聚磷填料，沸石采用缙云沸石，吸氨量为1.6mmol/g，粉煤灰陶粒为自制产品，磷素饱和吸附量为1673.2mg/kg,以保证植物根区的营养盐供应，便于植物对氮磷的吸收；其它区域采用10mm－15mm石砾，辅之以一定的吸氮聚磷填料，以加快填料挂膜。③复合生态滤床种植的植物具有多样性，可以是挺水植物，也可以沉水植物。④通过管道电控系统，在一定的时间内改变水流方向，定期对床体进行反冲，避免床体堵塞。⑤滤床水体流速大，滤床的净化功能主要通过水体连续不断的循环接触氧化实现。⑥滤床和河道推流增氧系统有机结合，经过滤床生化过滤的水体可直接通过回流井、回流管回流至河道上游。漕溪河浸没式复合生态滤床分为30m2的3个区域，共计90m2，从上游到下游，3个区域床体低于正常水位的水面约380mm、200mm、100mm,分别种植沉水植物和浮叶植物如金鱼藻、睡莲等、高杆挺水植物如水葱、香蒲等、低杆挺水植物如黄菖蒲等，既美化环境，又强化了滤床的去污功能。1.3.2、河道增氧和推流河道推流、增氧是城市黑臭河道最常用的治理技术（2－10），将浸没式复合生态滤床和河道推流系统连接，通过水泵和回流管将集水池水体推到上游，使水体保持从上游到下游的单向流动，沿河道设置二组曝气区，每组曝气区由一台水车式增氧机（N=1.3kw，清水充氧量：1.4kgO2/h）和一台提升式增氧机（N=1.5kw，清水充氧量：2.59kgO2/h）组成，水车式增氧机主要起到增氧和推流作用，提升式增氧机主要起到混流，强化底泥的吸附和絮凝沉淀作用，通过河道增氧和推流，使河道水体保持一定的溶解氧和流态，有利于河道底泥氧化和河道水体的有机污染降解，促进底泥对水体中营养盐的吸附和沉淀，抑制水体富营养发生。漕溪河河道推流增氧系统推流量为30t/h，总增氧量为7.98kgO2/h。1.3.3、底泥生物氧化和河道生态恢复底泥生物氧化对河道生物修复和生态恢复是必不可少的（6、9），将土著微生物培养液(细菌含量1×106MPN/mL)，和一定量共代谢底物等辅助药剂（底泥生物氧化剂）一起共75mg/L，和Bioenergizer（简称BE）生物促生液7mg/L、Micatrol（简称MIC）生物解毒剂1.5mg/L，用河水稀释混合后，通过靶向给药技术直接喷射于河道底泥内，以促进河道底泥氧化，同时开动增氧和回流系统。此过程连续进行4d。在第一阶段底泥生物氧化基础上，连续5－10d均匀泼洒3mg/LBE和50mg/L微生物培养液，同时启动水体增氧设施，药剂施用量根据当天污水流量和流入污水CODcr、NH3-N等指标作适当调整，同时将周边富营养湖泊的水体1000kg，底泥10kg接种于河道，开动增氧和回流系统，待水体透明度达到400mm后，在浸没式复合生态滤床种植沉水植物、挺水植物，以逐步恢复河道自然生态系统。图2各取样点水体图2各取样点水体CODcr、NH3-N平均值变化Fig2:CODcr、NH3-NchangingofwaterbodyonAverageof1#-2#3#samplingsit图3各取样点水体CODcr、NH3-N平均值变化Fig3:clarity、DOchangingofwaterbodyonAverageof1#-2#3#samplingsit1．4试验过程试验从2005年2月26日开始施工，3月底完成施工和设备安装，4月1日进入工程调试阶段，至4月13日，河道生态基本建立，河道进入正常的试验和运行阶段。从4月15日至6月14日，每7－9天补水1次，6月15到8月12日，每10－12天补水1次，共进行12个补水周期试验，每天测试河道水体CODcr、NH3-N、DO、透明度等理化指标1．5采样点及采样方法河道水样采样点1#--3#（图1），河道理化和生物学指标以3个样品的平均值计算。水样用500ml取样瓶直接取样，并于当天测定各项指标，底泥采样点同水体样点,用自制底泥采样器(直径15cm玻璃柱)取河床表面20cm泥柱，在30℃烘箱24小时烘干，取烘干泥样测底泥TOC和底泥生物活性（G值）。1．6原水水质及测定方法（1）处理前原水水质如下：CODcr为126mg/L左右，NH3-N为30mg/L，水体表现为深绿色，有时表现为黑臭状态。水体理化指标测试方法见参考文献12试验结果与分析2．1CODcr和NH3-N去除效果漕溪河属于典型的城市半封闭河道，无补水水源，除通过自然降水补充河道水分蒸发和下渗外，需要间歇性地补充污水以维持其作为城市生态景观功能的正常水位。间歇性补充污水时间周期为7--10天左右。这就要求河道推流增氧和复合生态滤床等系统对河道冲击性污染负荷具有较高的处理效率，能快速有效除去CODcr、SS和NH3-N。从4月13日系统正常运行后，4月15日开始补给外源污水，补水后6天内，河水CODcr从110mg/L降到58mg/L，除去率为47％，NH3-N从16mg/L降到9mg/L，去除率为44％，4月21日进入第二个补水周期，污水补给后，CODcr和NH3-N分别从58mg/L、9mg/L上升至89mg/L、13mg/L，随后降低，在9天时间内，CODcr、NH3-N分别降至43mg/L和5.7mg/L，去除率分别为52％和56％，超过第一个补水周期。第3个补水周期为10天，在第3个补水周期内，CODcr、NH3-N除去效率更高，速度更快，第10天CODcr已降至38mg/L，NH3-N降至6.2mg/L。这是由于随着时间的推移，复合生态滤床填料挂膜越来越好，所种植的植物根系越来越发达，这些都促进了复合生态滤床对CODcr和NH3-N的处理效率。从图2可以看出，CODcr、NH3-N、随间歇性污水的排入而增加，随污水停留时间增加而又逐渐降低。2.2水体透明度和溶解氧变化4月13日系统调试结束后，河道水体透明度已达40cm左右，4月15日污水补给后，透明度下降至30cm，随着系统的运行，河水透明度显著上升，至4月20日河水清澈见底，第二个补水周期和第三个补水周期也表现同样的趋势，只是随着河道生物修复和生态恢复的进程，水体透明度上升显著加快，污水补给对河道水体透明度的影响越来越小（图3）。在漕溪河治理工程实施前，河道水体溶解氧一直在2mg/L以下。随着生物修复和生态恢复进程，河道水体溶解氧稳步提高，至4月13日工程调试完成后，河水溶解氧已升至7mg/L左右，随后的试验中，从4月15日到5月9日3个补水周期内，河水溶解氧均表现为随污水补给有所下降，随后迅速上升的趋势。2．3水体生物相变化对水体中细菌总数观察计数结果表明，随着水体生物修复和水质的改善处理河道异养细菌总数较修复前少了1个数量级，（修复前异养菌总数为3.5～6.6×106MPN/mL，修复后污水补给的第3天异养菌总数即可降为0.1～0.5×105MPN/mL）。对水体微型动物观察表明，各样点的变形虫、鞭毛虫、纤毛虫、轮虫等种类和数量随着细菌和藻类的生长高峰而呈增加的趋势。在4月15日河道中出现了大量枝角类水蚤（红虫），随后投放20kg左右的小型鱼类和螺、蚌等滤食性软体动物。随着河道高等生物的出现，好氧洁净微生物区系的建立，处理河段生物多样性不断增加，生物链不断延长，生物由低等向高等演替，其结果消除了水体的富营养甚至黑臭现象，使水体透明度由13cm左右增加至清澈见底，水体色泽由浓绿色或黑色转为碧绿色。3．讨论人工湿地技术已被广泛应用于污水处理（11－20），由于其施工简单、能耗低、具有良好的去污效果和独特的生态功能而成为污水处理技术的研究热点，特别是垂直流人工湿地，已被成功应用于湖泊治理等水环境生物修复领域。但由于其占地面积大、水力负荷小，在城市河道治理中应用存在一定局限。我们根据半封闭河道特征，对垂直流人工湿地系统进行了改进，在此基础上开发出浸没式复合生态滤床，该系统施工简单，勿需设置布水系统；可直接构建于河道中，占地面积小；可种植不同的沉水植物、挺水植物，增加水生植物多样性，一定程度上抑制藻类生长，同时有利于河道景观建设；该系统滤速快，去污效率高，可和河道水体增氧推流系统结合起来，既可快速处理半封闭水体突发性污染负荷，也可针对不流动水体进行循环治理。我们将此技术应用于漕溪河生态恢复，取得了明显得治理效果，在每隔7-10天间歇性流量300-400m3/次的污水补水冲量下，通过生物治理，消除了水体富营养和黑臭现象，从每个补水周期开始，7－10天内，CODcr除去率达50%以上，NH3-N除去率为40%，水体清澈见底。研究表明，复合生态滤床对城市半封闭河道生态恢复治理具有十分重要的意义。参考文献1、国家环保局编.水和废水分析监测方法.北京:中国环境科学出版社,1997年；2、徐亚同，史家墚，袁磊.上澳塘水体生物修复试验.上海环境科学，2000年，19（10）：480－484；3、黄民生，徐亚同，戚仁海.苏州河污染支流――绥宁河生物修复试验研究.上海环境科学，2003年，22（6）：384－488；4、刘志标、李青、刘军、陈洽群.朝阳涌黑臭水体生物修复试验.广州水利，2003年，（2）：36—41；5、董哲仁、刘倩、曾向辉.受污染水体的生物--生态修复技术.水利水电技术，2002年，33（2）：1-4；6、陈华林、陈英旭.污染底泥修复技术进展，农业环境保护.2002年，21（2）：179—182；7、孙从军、张明旭.河道曝气技术在河流污染治理中的应用.环境保护，2001年，（4）：12—20；8、周杰、章永泰、杨贤智.人工曝气复氧治理黑臭河流.中国给水排水，2001年，17（4）：47—49；9、冯奇秀,谢骏,刘军.底泥生物氧化与城市黑臭河涌治理.水利渔业，2003年，23（6）：42―44；10、刘永,郭怀成.城市湖泊生态恢复与景观设计.城市环境与城市生态,2003年，16（6）：51－53；11、何成达，谈玲，葛丽英，季俊杰，叶亚玲，何莲，王惠民.波式潜流人工湿地处理生活污水的试验研究.农业环境科学学报，2004年，23（4）：766-769；12、刘超翔,胡洪营,张建,黄霞,施汉昌,钱易.不同深度人工复合生态床处理农村生活污水的比较.环境科学，2003年，24（5）：92-96；13、陈德强,吴振斌,成水平,付贵萍,贺锋.不同湿地组合工艺净化污水效果的比较.中国给水排水，2003年，19(9)：12-15；14、吴振斌成水平贺锋付贵萍金