以土壤沟槽渗滤系统为主体的组合工艺技术在污染河道治理中的应用效果

朱一丹，袁海平，郑寨生，王方园，杨春山

(1. 金华市农业科学研究院，浙江金华 321017;2. 上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240;3. 浙江师范大学，浙江金华 321004;宁波市洁源环保科技发展有限公司，浙江宁波 315040)

河流系统是自然界重要的生态系统之一，具有输水、泄洪、景观、航运和养殖等多种功能［1，2］。随着城市化进程的加快以及农村面源污染的加剧，河流污染逐渐成为环境问题的焦点。河道污染主要是由过量的耗氧有机物、氮、磷及有毒物质等进入河流水体引起，当污染物浓度超过水体生态环境的自净能力，可破坏河流的功能和水生态平衡［3］。依据2008 年发布的中国环境状况公报可知我国七大水系200 条河流的409 个地表水监测断面中，IV 类及以下的断面比例高达45%，因此当前在我国开展河流修复技术研究显得尤为迫切。

河道生态修复是近年来在河道整治领域引入的比较先进的技术。根据美国土木工程师协会对河道生态修复的定义为一种环境保护行动，其目的是促进河道系统恢复到较为自然的状态。国内外在修复河流自然形态方面主要成功的措施有恢复缓冲带、重建植被、修建人工湿地、降低河道边坡、重塑浅滩和深潭、修复水边湿均沼泽地森林、修复池塘［4-7］、河道曝气、底泥生态疏浚、生态护坡技术、水质生态修复技术等［8］。北京凉水河生态治理工程、上海苏州河的水环境综合治理、南京秦淮河整治工程等都是比较典型的治理工程。

以土壤沟槽渗滤为主体的组合工艺处理技术是采用生态学原理维护河道水质的一种新型实用技术。该系统将河水从下游抽取，投配到装载有多介质并具有良好渗透性的复合材料处理层中，借处理层进行物理吸附与化学沉积、微生物降解与转化等作用，使河水中的有机物得到降解、磷与氨氮浓度得到控制，从而使河道水质尤其是静态河道的水质得以改善。经过土壤沟槽渗滤系统处理后的河水，从河道上游直接排入河道中，也可通过河道堤岸布水槽进行均匀排放回到河道。与其他传统的一些污染水体处理方法相比较，土壤沟槽渗滤系统作为主体的污水生态处理方法具有处理成本较低、易于操作和管理等优点。

本文以浙江省宁波市江东区的邹家河河道修复情况作为应用实例，详细介绍了该技术对污染河道的治理效果，为污染河道的综合整治提供理论和技术上的支持。

1 污染河道修复技术工艺流程

该组合工艺具体流程如图1 所示。在原有河道一侧开辟一个生化处理区，并在其下游河道的进水端设置一个生物过滤箱，生物过滤箱内装填一定数量的填料，利用栖附在填料上的微生物和充分供应的氧气，通过生物氧化作用，将河水中的有机物氧化分解，同时利用填料的拦截作用，将悬浮物(SS)截留，达到净化目的。生物过滤箱的水力停留时间为0.5 ～1.0 h。鉴于河道水质较差，水体通过生物过滤箱过程中，其中的SS 被截留，SS 中无机组分以及长期运行导致填料表面产生的生物膜，容易引起生物过滤箱的堵塞，所以必须每隔半年或者一年对其进行必要的清理。从生物过滤箱出来的河水进入土壤沟槽渗滤系统，该系统装载有多介质并具有良好渗透性的复合材料处理层，借助处理层进行物理吸附与化学沉积、微生物分解与转化等作用，使污染河水中的有机物得到进一步的削减、磷与氨氮浓度得到有效控制，从而使河道水质尤其是静态河道的水质得以改善。经过处理后的河水，进入两侧的流水槽，流入原河道的上游，达到净化水质的目的。土壤沟槽渗滤系统填料的最优配比:原位土壤为6%、河砂为59.6%、聚氨酯泡沫材料为36.8%和铁矿石为3%(质量百分比)。该系统最大进水水力负荷为30 cm/d，且保持处理介质的饱和渗透率长期稳定在4.5 ×10-4～9.0 ×10-4cm/s。此外，针对传统渗滤系统出水磷溶出等问题，该系统通过铁屑固磷、除磷技术可使整个系统磷击穿时间从原来的4 年延长至40 年。该系统可以较好地实现污水处理零污泥排放，并很好地解决了系统堵塞的问题。

河道水质改善后，河道底泥释放的污染物会对水质构成影响。为此研究团队采用外源投加稳定剂的底泥原位稳定法，控制底泥磷等污染物的释放，这在一定程度上对底泥其他污染物的扩散形成起到物理阻隔作用。底泥稳定剂的主要成分和比:石灰为8%、石膏为8%，聚合氯化铝为21%、高岭土为63%。根据河道水文特性、底泥性质等因素，确定药剂的最佳投加量为0.03 ～0.1 kg/m2。

图1 土壤沟槽渗滤处理系统示意图Fig. 1 Schematic Diagram of Soil Trench Filtration System

2 宁波市江东区邹家河河道生态修复示范工程

2.1 工程背景

邹家河位于宁波市江东区，该河的水质较差，氮、磷及有机物含量相对较高，远远超出了河道本身的自净能力，原有水生生态系统遭到严重破坏，藻类死亡后散发出的腥臭味及底泥厌氧后产生的恶臭味，严重损害了当地居民的生活质量和身体健康。

2.2 测定指标

主要针对河水中的CODCr、氨氮、BOD5、总磷等指标进行测定，具体测定方法参考《水和废水监测分析方法(第四版)》［9］。本试验的样品取水口位于土壤沟槽渗滤系统的出水口处，位于该河道的上游处。

3 试验结果与分析

据现场试验对进出水进行了近两个月的跟踪检测，在该河道的三个不同河段(包括悦盛桥段，小桥段和建兴桥段)取样，对水质进行分析，具体原始检测数据如表1 所示。

表1 邹家河河道治理之前水质情况Tab.1 Water Quality of Zoujia River before Treatment

由表1 可知该河道水质远远超过国家Ⅴ类水质标准［10］，属于劣Ⅴ类水质。各项指标均较高，容易造成富营养化污染，需要对其进行整治处理。

表2 为河道治理过程中CODCr的变化情况。

表2 河道治理过程中CODCr的变化情况Tab.2 Variations of CODCr during Remediation

由表2 可知经过近两个月邹家河河道的水质有了很大的改善，并且该河道的各个河段的CODCr沿着河道上游往下逐渐升高，但无明显差异。CODCr从治理前的95 ～114 mg/L 降至12 ～16 mg/L，总的COD 平均去除率达到81.8%。从治理后第四周开始，邹家河的水质已经接近IV 类水的标准了。从第六周开始，因河水中的有机物含量下降，导致COD的去除速率开始下降。从第八周起，邹家河河道CODCr基本稳定在15 mg/L 以下。

表3 为河道治理过程中氨氮的变化情况。

表3 河道治理过程中氨氮的变化情况Tab.3 Variations of Ammonia Ntrogen during Remediation

由表3 可知依据氨氮指标，虽然水质状况有了明显的改善，但是邹家河的水质还达不到Ⅴ类的水质标准。经过近两个月邹家河河道水体中的氨氮浓度从治理前的13.4 ～14.4 g/L 降低至3.88 ～4.12 mg/L，氨氮平均去除率达到67.05%，有效地防止水体富营养化污染的发生。从第八周起，邹家河的河道中的氨氮浓度基本为3 ～4 mg/L。水体中的氨氮需要通过微生物的硝化和反硝化反应变成氮气进行去除，基于该污染河道生态修复的技术特点，加上COD 的去除，水体中碳源物质的缺乏，导致水体氨氮的去除效果不佳，说明该河道生态修复技术在对河水氨氮的去除效果还有待进一步提高。

表4 为河道治理过程中总磷的变化情况。

表4 河道治理过程中总磷的变化情况Tab.4 Variations of TP during Remediation

由表4 可知经过近两个月总磷的浓度从处理前的1.50 ～1.72 mg/L 降至0.299 ～0.343 mg/L，水质状况达到了接近IV 类水的标准，总磷的平均去除率达到76. 74%。从第八周开始，邹家河的河道中的TP 稳定在0.3 ～0.4 mg/L，水质状况有了明显的改善，有效地防止了水体富营养化的发生。

表5 为河道治理过程中BOD5的变化情况。

表5 河道治理过程中BOD5 的变化情况Tab.5 Variations of BOD5 during Remediation

由表5 可知经过近两个月BOD5的浓度从处理前的21. 4 ～26. 4 mg/L 降至3. 22 ～4. 01 mg/L，BOD5的平均去除率达到了80. 0%。从第八周开始，邹家河的河道中的BOD5浓度稳定在3 ～4 mg/L，水质状况有了明显的改善。

4 工程建设及运行费用评价

邹家河河道长为1 200 m，河宽约5 m，平均深度为1 m，总的示范工程造价约37 万元。

示范工程的运行费用只发生在动力耗费上，而动力消耗只发生在河道下游处理水的提升过程中。按照示范工程日流量800 m3/d 计。本示范工程采用一台功率为0.75 kW·h 的潜水泵。日平均工作时间约24 h，水泵的工作效率为75%，电价每度为0.6 元，则动力费为

M1=24 ×0.75/0.75 ×0.6 =14.4(元/d)

每吨水的动力耗费为14.4/800 =0.018(元/t)

由上述可知平均每吨水的动力费仅需要0.018元。而利用传统河道生态修复技术进行治理，费用和成本较高，如利用曝气复氧进行河道治理，在最佳工艺条件下的直接运行成本为0.05 元/吨水［11］，本示范工程的运行费用约为其1/3。

5 结论

采用以土壤沟槽渗滤系统为主体的组合工艺对河水的污染治理是可行的，该技术是生物方法和化学方法相结合的办法。对污染河道中的CODCr、BOD5的去除率在80% 以上，对氨氮的去除率一般在65% 以上，对总磷的去除率在75% 以上。示范工程的运行成本为0.018 元/吨水。

土壤沟槽渗滤系统为主体的组合工艺以其低投资、低能耗、操作管理方便以及净化效果良好而受到重视。虽然目前在许多方面还有待于进一步研究，但其在城市河流污染治理和生态修复方面将有很大的发展空间。

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