城市半封閉河道水體生態(tài)恢復(fù)試驗(yàn)

城市半封閉河道水體生態(tài)恢復(fù)試驗(yàn)*摘要：利用復(fù)合生態(tài)濾床、底泥生物氧化、水體生物修復(fù)和河道生態(tài)恢復(fù)等技術(shù)，對上海漕溪河富營養(yǎng)水體進(jìn)行治理。結(jié)果表明，在每隔7-10天間歇性流量300-400m3/次的污水補(bǔ)水進(jìn)量下，通過生物治理，消除了水體富營養(yǎng)和黑臭現(xiàn)象，從每個污水補(bǔ)給周期開始，3－4天后CODcr、NH3-N、TP除去率分別達(dá)到50%、40%、55%以上，水體清澈見底。從2005年3月到2005年5月，河道生物多樣性逐步增加，先后出現(xiàn)枝角類、橈足類動物和魚類。表明對于已截污的城市半封閉河道，利用浸沒式復(fù)合生態(tài)濾床對污水進(jìn)行預(yù)處理，在此基礎(chǔ)上，通過底泥生物氧化、水體增氧、河道生態(tài)恢復(fù)等措施，進(jìn)行生物治理，可取得良好治理效果。本研究為城市半封閉河道的治理和養(yǎng)護(hù)提供了一套切實(shí)可行的方法。關(guān)鍵詞：城市半封閉河道；生物修復(fù)；底泥生物氧化；復(fù)合生態(tài)濾床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水體黑臭是我國城市河網(wǎng)的普遍現(xiàn)象，繼蘇州河干流水體基本消除黑臭以后，上海市水環(huán)境整治進(jìn)入到一個新的歷史階段。蘇州河綜合整治工程（21－25），特別是城市截污工程阻隔了蘇州河干流和6支流以及其他小河道的水系溝通，形成許多通過翻水泵站與蘇州河支流溝通的“斷頭浜”，河道水體基本不流動，但受納兩岸定期或不定期的污水補(bǔ)給，呈現(xiàn)半封閉河道特征。隨著城市截污工程逐步向中小河道推進(jìn)，半封閉河道的生物修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)治理已提到議事日程。為了探索城市半封閉河道治理技術(shù)，我們在上海市徐匯區(qū)漕溪河進(jìn)行了生態(tài)恢復(fù)試驗(yàn)。圖1:漕溪河1-3#采樣點(diǎn)示意圖圖1:漕溪河1-3#采樣點(diǎn)示意圖Fig1:ThesketchmapofCaoxiriversamplingpoints1#3#2#復(fù)合生態(tài)濾床水流方向回流井回流管增氧系統(tǒng)增氧系統(tǒng)污水補(bǔ)給口1試驗(yàn)工程概況及技術(shù)路線1．1河道概況1工程試驗(yàn)概況1．1試驗(yàn)河道漕溪河位于上海徐匯區(qū)軌道交通三號線漕溪路站附近，起點(diǎn)為汽車隊(duì)，訖點(diǎn)為明珠線，長度180米，寬度12－13米，為淀北水利控制片。通過疏浚、截污、生態(tài)護(hù)岸等工程，沿線的污水已基本被截流，整治后的漕溪河底寬2米、邊坡1:2.5、底標(biāo)高1.5米，3米水位的槽蓄容量近1300立方米。但該河道與其它城市水系阻隔，只能通過雨水和漕溪支流（未經(jīng)治理的黑臭或富營養(yǎng)河道）污水定期補(bǔ)給，特別是旱季，約7－10天補(bǔ)給污水一次，每次補(bǔ)給污水量為總水量的20％，約260立方米，補(bǔ)水水質(zhì)CODcr﹥160mg/l，NH3－N﹥25mg/L，由于定期的污水補(bǔ)給，整治后的漕溪河水仍然呈現(xiàn)黑臭或富營養(yǎng)狀態(tài)。1．2技術(shù)路線本研究應(yīng)用河道生物修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)原理，通過淹沒式復(fù)合生態(tài)濾床、河道水體推流和增氧技術(shù)、底泥生物氧化和河道生態(tài)恢復(fù)恢復(fù)技術(shù)等，對上海漕溪河進(jìn)行治理。1．3試驗(yàn)裝置和工程項(xiàng)目漕溪河生態(tài)恢復(fù)試驗(yàn)由淹沒式復(fù)合生態(tài)濾床、河道水體增氧和推流、底泥生物氧化和河道生態(tài)恢復(fù)等工程項(xiàng)目組成。(圖1)1.3.1、浸沒式復(fù)合生態(tài)濾床浸沒式復(fù)合生態(tài)濾床是一種新型的垂直流人工濕地系統(tǒng)（11－20），其特點(diǎn)是①生態(tài)濾床直接布置于河道中，并浸沒于水中，不需布水系統(tǒng)，河水直接自上而下自流，通過布置于河床的集水系統(tǒng)，進(jìn)入集水回流井。②濾床填料分二種，植物種植區(qū)（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，沸石采用縉云沸石，吸氨量為1.6mmol/g，粉煤灰陶粒為自制產(chǎn)品，磷素飽和吸附量為1673.2mg/kg,以保證植物根區(qū)的營養(yǎng)鹽供應(yīng)，便于植物對氮磷的吸收；其它區(qū)域采用10mm－15mm石礫，輔之以一定的吸氮聚磷填料，以加快填料掛膜。③復(fù)合生態(tài)濾床種植的植物具有多樣性，可以是挺水植物，也可以沉水植物。④通過管道電控系統(tǒng)，在一定的時間內(nèi)改變水流方向，定期對床體進(jìn)行反沖，避免床體堵塞。⑤濾床水體流速大，濾床的凈化功能主要通過水體連續(xù)不斷的循環(huán)接觸氧化實(shí)現(xiàn)。⑥濾床和河道推流增氧系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，經(jīng)過濾床生化過濾的水體可直接通過回流井、回流管回流至河道上游。漕溪河浸沒式復(fù)合生態(tài)濾床分為30m2的3個區(qū)域，共計(jì)90m2，從上游到下游，3個區(qū)域床體低于正常水位的水面約380mm、200mm、100mm,分別種植沉水植物和浮葉植物如金魚藻、睡蓮等、高桿挺水植物如水蔥、香蒲等、低桿挺水植物如黃菖蒲等，既美化環(huán)境，又強(qiáng)化了濾床的去污功能。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術(shù)（2－10），將浸沒式復(fù)合生態(tài)濾床和河道推流系統(tǒng)連接，通過水泵和回流管將集水池水體推到上游，使水體保持從上游到下游的單向流動，沿河道設(shè)置二組曝氣區(qū)，每組曝氣區(qū)由一臺水車式增氧機(jī)（N=1.3kw，清水充氧量：1.4kgO2/h）和一臺提升式增氧機(jī)（N=1.5kw，清水充氧量：2.59kgO2/h）組成，水車式增氧機(jī)主要起到增氧和推流作用，提升式增氧機(jī)主要起到混流，強(qiáng)化底泥的吸附和絮凝沉淀作用，通過河道增氧和推流，使河道水體保持一定的溶解氧和流態(tài)，有利于河道底泥氧化和河道水體的有機(jī)污染降解，促進(jìn)底泥對水體中營養(yǎng)鹽的吸附和沉淀，抑制水體富營養(yǎng)發(fā)生。漕溪河河道推流增氧系統(tǒng)推流量為30t/h，總增氧量為7.98kgO2/h。1.3.3、底泥生物氧化和河道生態(tài)恢復(fù)底泥生物氧化對河道生物修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)是必不可少的（6、9），將土著微生物培養(yǎng)液(細(xì)菌含量1×106MPN/mL)，和一定量共代謝底物等輔助藥劑（底泥生物氧化劑）一起共75mg/L，和Bioenergizer（簡稱BE）生物促生液7mg/L、Micatrol（簡稱MIC）生物解毒劑1.5mg/L，用河水稀釋混合后，通過靶向給藥技術(shù)直接噴射于河道底泥內(nèi)，以促進(jìn)河道底泥氧化，同時開動增氧和回流系統(tǒng)。此過程連續(xù)進(jìn)行4d。在第一階段底泥生物氧化基礎(chǔ)上，連續(xù)5－10d均勻潑灑3mg/LBE和50mg/L微生物培養(yǎng)液，同時啟動水體增氧設(shè)施，藥劑施用量根據(jù)當(dāng)天污水流量和流入污水CODcr、NH3-N等指標(biāo)作適當(dāng)調(diào)整，同時將周邊富營養(yǎng)湖泊的水體1000kg，底泥10kg接種于河道，開動增氧和回流系統(tǒng)，待水體透明度達(dá)到400mm后，在浸沒式復(fù)合生態(tài)濾床種植沉水植物、挺水植物，以逐步恢復(fù)河道自然生態(tài)系統(tǒng)。圖2各取樣點(diǎn)水體圖2各取樣點(diǎn)水體CODcr、NH3-N平均值變化Fig2:CODcr、NH3-NchangingofwaterbodyonAverageof1#-2#3#samplingsit圖3各取樣點(diǎn)水體CODcr、NH3-N平均值變化Fig3:clarity、DOchangingofwaterbodyonAverageof1#-2#3#samplingsit1．4試驗(yàn)過程試驗(yàn)從2005年2月26日開始施工，3月底完成施工和設(shè)備安裝，4月1日進(jìn)入工程調(diào)試階段，至4月13日，河道生態(tài)基本建立，河道進(jìn)入正常的試驗(yàn)和運(yùn)行階段。從4月15日至6月14日，每7－9天補(bǔ)水1次，6月15到8月12日，每10－12天補(bǔ)水1次，共進(jìn)行12個補(bǔ)水周期試驗(yàn)，每天測試河道水體CODcr、NH3-N、DO、透明度等理化指標(biāo)1．5采樣點(diǎn)及采樣方法河道水樣采樣點(diǎn)1#--3#（圖1），河道理化和生物學(xué)指標(biāo)以3個樣品的平均值計(jì)算。水樣用500ml取樣瓶直接取樣，并于當(dāng)天測定各項(xiàng)指標(biāo)，底泥采樣點(diǎn)同水體樣點(diǎn),用自制底泥采樣器(直徑15cm玻璃柱)取河床表面20cm泥柱，在30℃烘箱24小時烘干，取烘干泥樣測底泥TOC和底泥生物活性（G值）。1．6原水水質(zhì)及測定方法（1）處理前原水水質(zhì)如下：CODcr為126mg/L左右，NH3-N為30mg/L，水體表現(xiàn)為深綠色，有時表現(xiàn)為黑臭狀態(tài)。水體理化指標(biāo)測試方法見參考文獻(xiàn)12試驗(yàn)結(jié)果與分析2．1CODcr和NH3-N去除效果漕溪河屬于典型的城市半封閉河道，無補(bǔ)水水源，除通過自然降水補(bǔ)充河道水分蒸發(fā)和下滲外，需要間歇性地補(bǔ)充污水以維持其作為城市生態(tài)景觀功能的正常水位。間歇性補(bǔ)充污水時間周期為7--10天左右。這就要求河道推流增氧和復(fù)合生態(tài)濾床等系統(tǒng)對河道沖擊性污染負(fù)荷具有較高的處理效率，能快速有效除去CODcr、SS和NH3-N。從4月13日系統(tǒng)正常運(yùn)行后，4月15日開始補(bǔ)給外源污水，補(bǔ)水后6天內(nèi)，河水CODcr從110mg/L降到58mg/L，除去率為47％，NH3-N從16mg/L降到9mg/L，去除率為44％，4月21日進(jìn)入第二個補(bǔ)水周期，污水補(bǔ)給后，CODcr和NH3-N分別從58mg/L、9mg/L上升至89mg/L、13mg/L，隨后降低，在9天時間內(nèi)，CODcr、NH3-N分別降至43mg/L和5.7mg/L，去除率分別為52％和56％，超過第一個補(bǔ)水周期。第3個補(bǔ)水周期為10天，在第3個補(bǔ)水周期內(nèi)，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。這是由于隨著時間的推移，復(fù)合生態(tài)濾床填料掛膜越來越好，所種植的植物根系越來越發(fā)達(dá)，這些都促進(jìn)了復(fù)合生態(tài)濾床對CODcr和NH3-N的處理效率。從圖2可以看出，CODcr、NH3-N、隨間歇性污水的排入而增加，隨污水停留時間增加而又逐漸降低。2.2水體透明度和溶解氧變化4月13日系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束后，河道水體透明度已達(dá)40cm左右，4月15日污水補(bǔ)給后，透明度下降至30cm，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，河水透明度顯著上升，至4月20日河水清澈見底，第二個補(bǔ)水周期和第三個補(bǔ)水周期也表現(xiàn)同樣的趨勢，只是隨著河道生物修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)的進(jìn)程，水體透明度上升顯著加快，污水補(bǔ)給對河道水體透明度的影響越來越?。▓D3）。在漕溪河治理工程實(shí)施前，河道水體溶解氧一直在2mg/L以下。隨著生物修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)進(jìn)程，河道水體溶解氧穩(wěn)步提高，至4月13日工程調(diào)試完成后，河水溶解氧已升至7mg/L左右，隨后的試驗(yàn)中，從4月15日到5月9日3個補(bǔ)水周期內(nèi)，河水溶解氧均表現(xiàn)為隨污水補(bǔ)給有所下降，隨后迅速上升的趨勢。2．3水體生物相變化對水體中細(xì)菌總數(shù)觀察計(jì)數(shù)結(jié)果表明，隨著水體生物修復(fù)和水質(zhì)的改善處理河道異養(yǎng)細(xì)菌總數(shù)較修復(fù)前少了1個數(shù)量級，（修復(fù)前異養(yǎng)菌總數(shù)為3.5～6.6×106MPN/mL，修復(fù)后污水補(bǔ)給的第3天異養(yǎng)菌總數(shù)即可降為0.1～0.5×105MPN/mL）。對水體微型動物觀察表明，各樣點(diǎn)的變形蟲、鞭毛蟲、纖毛蟲、輪蟲等種類和數(shù)量隨著細(xì)菌和藻類的生長高峰而呈增加的趨勢。在4月15日河道中出現(xiàn)了大量枝角類水蚤（紅蟲），隨后投放20kg左右的小型魚類和螺、蚌等濾食性軟體動物。隨著河道高等生物的出現(xiàn)，好氧潔凈微生物區(qū)系的建立，處理河段生物多樣性不斷增加，生物鏈不斷延長，生物由低等向高等演替，其結(jié)果消除了水體的富營養(yǎng)甚至黑臭現(xiàn)象，使水體透明度由13cm左右增加至清澈見底，水體色澤由濃綠色或黑色轉(zhuǎn)為碧綠色。3．討論人工濕地技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于污水處理（11－20），由于其施工簡單、能耗低、具有良好的去污效果和獨(dú)特的生態(tài)功能而成為污水處理技術(shù)的研究熱點(diǎn)，特別是垂直流人工濕地，已被成功應(yīng)用于湖泊治理等水環(huán)境生物修復(fù)領(lǐng)域。但由于其占地面積大、水力負(fù)荷小，在城市河道治理中應(yīng)用存在一定局限。我們根據(jù)半封閉河道特征，對垂直流人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出浸沒式復(fù)合生態(tài)濾床，該系統(tǒng)施工簡單，勿需設(shè)置布水系統(tǒng)；可直接構(gòu)建于河道中，占地面積??；可種植不同的沉水植物、挺水植物，增加水生植物多樣性，一定程度上抑制藻類生長，同時有利于河道景觀建設(shè)；該系統(tǒng)濾速快，去污效率高，可和河道水體增氧推流系統(tǒng)結(jié)合起來，既可快速處理半封閉水體突發(fā)性污染負(fù)荷，也可針對不流動水體進(jìn)行循環(huán)治理。我們將此技術(shù)應(yīng)用于漕溪河生態(tài)恢復(fù)，取得了明顯得治理效果，在每隔7-10天間歇性流量300-400m3/次的污水補(bǔ)水沖量下，通過生物治理，消除了水體富營養(yǎng)和黑臭現(xiàn)象，從每個補(bǔ)水周期開始，7－10天內(nèi)，CODcr除去率達(dá)50%以上，NH3-N除去率為40%，水體清澈見底。研究表明，復(fù)合生態(tài)濾床對城市半封閉河道生態(tài)恢復(fù)治理具有十分重要的意義。參考文獻(xiàn)1、國家環(huán)保局編.水和廢水分析監(jiān)測方法.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1997年；2、徐亞同，史家墚，袁磊.上澳塘水體生物修復(fù)試驗(yàn).上海環(huán)境科學(xué)，2000年，19（10）：480－484；3、黃民生，徐亞同，戚仁海.蘇州河污染支流――綏寧河生物修復(fù)試驗(yàn)研究.上海環(huán)境科學(xué)，2003年，22（6）：384－488；4、劉志標(biāo)、李青、劉軍、陳洽群.朝陽涌黑臭水體生物修復(fù)試驗(yàn).廣州水利，2003年，（2）：36—41；5、董哲仁、劉倩、曾向輝.受污染水體的生物--生態(tài)修復(fù)技術(shù).水利水電技術(shù)，2002年，33（2）：1-4；6、陳華林、陳英旭.污染底泥修復(fù)技術(shù)進(jìn)展，農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù).2002年，21（2）：179—182；7、孫從軍、張明旭.河道曝氣技術(shù)在河流污染治理中的應(yīng)用.環(huán)境保護(hù)，2001年，（4）：12—20；8、周杰、章永泰、楊賢智.人工曝氣復(fù)氧治理黑臭河流.中國給水排水，2001年，17（4）：47—49；9、馮奇秀,謝駿,劉軍.底泥生物氧化與城市黑臭河涌治理.水利漁業(yè)，2003年，23（6）：42―44；10、劉永,郭懷成.城市湖泊生態(tài)恢復(fù)與景觀設(shè)計(jì).城市環(huán)境與城市生態(tài),2003年，16（6）：51－53；11、何成達(dá)，談玲，葛麗英，季俊杰，葉亞玲，何蓮，王惠民.波式潛流人工濕地處理生活污水的試驗(yàn)研究.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004年，23（4）：766-769；12、劉超翔,胡洪營,張建,黃霞,施漢昌,錢易.不同深度人工復(fù)合生態(tài)床處理農(nóng)村生活污水的比較.環(huán)境科學(xué)，2003年，24（5）：92-96；13、陳德強(qiáng),吳振斌,成水平,付貴萍,賀鋒.不同濕地組合工藝凈化污水效果的比較.中國給水排水，2003年，19(9)：12-15；14、吳振斌成水平賀鋒付貴萍金