中小河流水质监测调控治理方案研究

张红武 赵晨苏 冯长松 张罗号

摘要：在分析水治理现状的基础上，针对我国推行河长制后水质必须达标的需求，以所研发的污水、污泥处理技术为基础，提出了中小河流水质监测调控治理方案。即运用复相系统高效捕捉原理，按照“无毒、稳定、特效、自然、经济”5个条件寻觅除污材料，按一定配方加工成对水中致污物质具有极强“捕捉”能力的“澄净粉”，使水质的理化特性和水环境中的生物特性、组成等改良，从而促使水质达标。采用复相系统绿色处置法及物理处置法并举治理的技术途径，结合物联网的水质监测系统，实现拟治理河段水质的预警预报，并且智能确定“澄净液”的最佳配置组成与调控治理方案，从而形成一套完整的自动监测、物联网设备监测、科学调控的绿色治理体系。

关键词：中小河流;水质监控;水质污染;调控治理

中图分类号：X522 文献标志码：A

1 背景

1.1 问题的提出

我国中小河流受自然地理环境和人类社会影响，多属季节性河流，汛期可能出现洪水，非汛期来流量小，常不能保证最小生态流量，水体污染严重，枯水季节水质达标十分困难川。为便于调节，防止断流，便于引水，以及尽量在城区段保持一定的蓄水水面等，一般在河道县界断面设置水闸，仅在洪水期根据防洪需要开闸排洪，河道水文要素与水质变化很大[1]。

2018年是打好污染防治攻坚战的开局之年，各地政府大干快治，中央环保督察紧逼，水治理工作得到有力推进。但在技术水平与财政实力不足的条件下，中小河流水治理更多的是表面治理，至多是追求监测断面有较高的达标率。调查表明，每逢雨季全国不少企业和污水处理厂趁机将难以计数的污水偷排。以我国某城市为例，政府将某环保公司作为特许经营废弃物集中处置单位，前些年市内企业都将所产生的污泥交给该公司处理，取得很大经济收益。而今受政策变化影响，污泥“做”成的肥料不允许用到公共绿地，毕竟会将重金属长期保留在土壤中;焚烧炉也不让再建，毕竟排出废气中二（口恶）英（简称PCDDs）的影响对公众心理压力太大。于是，该环保公司不再接收郊区中小企业的污泥，污泥成了“烫手山芋”，那些企业只得将污泥擅自处理。

长期以来，环保学科与关键技术没得到实质性突破，治理效果一般是事倍功半，尤其现实中污/废水处理投入大于回报，导致出现只注重短期治理不考虑长期效果的局面。个别实验室研发的污泥治理技术，成本远远高于现实中政府和企业能接受的价格，实际治理时难以采用，因此多为名义上治理、实质上应付甚至是污染转移的治理模式[2]。全国各地处理污水产生的大量没有经过治理的污泥，含大量有毒有害物质，势必成为引爆环境危机的隐患[3]。同时一窝蜂的盲目治理，相关设备设施和落后技术的投入造成了巨大浪费。以燃煤脱硫为例，仅2017年就需要从我国青山上开采1亿t优质石灰石用于燃煤脱硫，脱硫后给后人留下1.7亿t废弃石膏。

目前县级及以上河长负责组织对下一级河长进行考核，实行生态环境损害责任终身追究制，各地压力较大。为此，根据我国推行河长制之后水质必须达标的需求，在分析水治理现状的基础上，就中小河流水質达标需求，通过创新研发污水污泥处理技术，对水质监测调控治理方案开展研究。

1.2 水治理现状

（1）水质治理现状。中央环保督察发现，广东佛山市为使漫水河断面水质达标，在漫水河人北江的河口上游约50m处安置曝气增氧机，提高下游监测断面溶解氧浓度，从而达到考核要求[4]。广东清远市为了应付澜水河、海仔大排档、龙沥大排坑和黄坑河的治理任务，不进行截污与清淤，而是采用临时调水稀释的对策。这种单纯应付断面水质监测的行为暴露出当地政府假治理的问题。

我国袭用欧美国家的污染治理手段，从经济与治理效果方面，一般不适用于我国环保问题历史欠账多、污染程度高状况下的治理，且受学科发展限制，实际治理采用的技术、方法问题较多。例如，在中小河流水质改良与黑臭水体的治理中，欧美国家习用生物修复技术[5]，利用特定的生物吸收、转化、清除或降解环境中的污染物，使受污染水体与底泥能够较多恢复到原初状态。通过培育微生物、水生植物对水质进行净化，并辅以河道曝气、稳定塘等技术进行污染治理[6-7]。但实践中发现生物法仍有问题。以生态浮岛技术[8]为例，有如下局限：污染程度较高时，生物法处理速度慢且效果差;微生物生存状态及水处理效果对水温变化比较敏感[6-7，9];受河流水沙条件影响，生态治理效果不稳定，生物菌剂难以适应河水流态变化，难以持续发挥作用[9-10];河中设置浮岛，明显减小了排洪断面，对河道行洪排涝有影响，且洪水容易将浮岛冲毁[3]。故该治理技术在河流水质改良与黑臭水体治理中不宜运用。至于化学药剂法主要是投加铁盐、钙盐、铝盐等药剂，使之与水体中溶解态磷酸盐形成不溶性的固体沉淀[10]。化学药剂具有一定毒性，处理后水中含盐量难去除且成本过高，最后产生较多的沉积物易形成二次污染，在自然河渠水质治理中更不可使用。

（2）污泥治理。近年来，随着生态环保意识的不断提高，针对污泥处置中面临的问题，中央及地方各级环保、住建、发改等部门先后出台了相关政策、法规和指南，明确了污泥处理的重要性。“水十条”要求现有污泥处理处置设施于2017年年底前基本完成达标改造。但受多重因素掣肘，我国一批污泥消化设施安装了国外普遍采用的效果并不理想的厌氧消化装置，能够稳定运行的目前只有一半。现实中各地将污水处理系统和污泥处理系统剥离开来，甚至为了追求污水处理率，都尽可能简化污泥处理处置环节。

由于我国污泥的泥质含量高、有机物含量低，因此干化焚烧和厌氧消化都不可行，为降低污泥处理成本，很多污泥运往垃圾处理场直接填埋，不仅土地填埋成本较高，而且大量垃圾填埋场防渗建设不合格，未经处理的污泥中重金属等超标，对地下水有长期影响[11]。随着垃圾填埋场的饱和，不少污水处理厂产生的污泥暴露在临时堆积场，甚至堆积在江河旁，下雨后造成二次污染，环境隐患突出[12]。近年来，国家有关部门对此问题陆续出台了相关政策、法规，污泥从过去单一的填埋处置兼而走上农艺运用、建材制造、焚烧消化等新的处置出路。

新的污泥处理技术还不成熟，成本高。例如，一般中型城市污水处理厂过去将污泥外运，填埋处理只花费约30元/t，如今运往具有特许经营权的环保公司后，可能将部分污泥运至当地水泥厂焚烧处理，需要付处置费约300元/t，甚至更高[11]。随着城区人口日益增长和污水管网日益完善，污泥产量远超水泥厂处理能力，扩建污泥焚烧设备，处理费用还将上涨。我国污水处理厂运营公司在投标时，水价折算往往将污泥处理按最经济的填埋方式考虑，特许经营协议期间，由于各种成本增加与政府调增水价难度大，因此政府与企业很难再加大对污泥处置设施建设和运行的资金投入。

农艺运用会使重金属长期保留在土壤中，制造建材产生的放射性物质对人体有害，而焚烧消化成本和技术要求很高。利用现有发电厂与水泥厂的焚烧炉对污泥进行混合焚烧处理较多，但是有些发电厂不愿接收污泥，因此很多水务集团试图单独建立焚烧设施。需要强调的是，焚烧炉废气二（口恶）英、汞及其化合物、砷镍及其化合物等即使能够达标排放，也存在大气污染问题。原因是，所排放的二（口恶）英占其总排放量的75%以上，是目前为止发现的毒性最强的物质，更何况现实中二（口恶）英常超标排放。

从水泥企业状况来看也不乐观。由于产能过剩以及环境成本提高等，因此不少水泥企业生存日趋艰难。如果最新修订的《水泥工业大气污染物排放标准》（GB4915-2013）[13]严格执行，那么不少中小型水泥企业更难生存，必须依靠地方政府的优惠政策才能勉强维持。根据相关鼓励政策，水泥企业消纳部分工业废弃物（占水泥产量的30%）可享受国家退免增值税的政策。

由此来看，污泥直接填埋占地多且易污染土壤，焚烧成本高且污染大气，农业利用（包括土壤改良）和园林绿化都难免有毒有害物质污染土壤。电动修复污泥的技术原理是对污染土壤施加直流电场，通过电渗、电迁移、电泳等机制使污染物在电极区富集，再将污染物进行集中处理或分离，从而实现重金属的分离。针对该技术采用贵金属电极成本昂贵等缺点，中持水务公司与清大动力水治理公司采用塑料复合电极，解决了降低成本与电极易腐蚀的难题。该技术缺点是易将恶臭气体转移至空气中，且修复成本较高，实际运用前须经过成本分析与方案比选。

2 技术方案

2.1 治理思路

采用的绿色技术，系基于复相系统高效捕捉原理与复相流理论的污水治理技术（该技术属于核心技术，目前尚未公开）。水流强度会对水污染程度和水生植物生存情况产生不同程度的影响，能判断水流强度对水质影响的面积型弗劳德数Fr_A[14]为式中：u为流速;g为重力加速度;A为过流断面面积;H为水深;B为河宽。

利用式（1）可定量判断水流特性对河流污染物沉降、扩散过程产生的影响，发现中小河流的上游段与中游段，流速大、过流断面面积小[15]，相应的Fr_A较大，水质一般不超标;而在其尾部段，流速小、过流断面面积大，相应的Fr_A较小，水质易超标。故经过计算判断后，利用复相系统高效捕捉技术治理的重点为河流尾部段。尾部段由于所设闸门不常开启，附近水体易出现水质恶化，因此在闸门上游河段一定范围内布设管路，采取循環复氧措施，产生充氧效果。

雨季入河漂浮污染物和垃圾多，需借助机动清污船清除漂浮污染物，同时利用设置的特殊设施与捕捉技术，清除水面有机污染物和垃圾。此外，采用河外土工编织沙袋布控等措施，对雨水进行沉淀处理，减少污染物与泥沙进入河流。在污染严重河段常因有机污泥厌氧发酵、底泥上浮而造成水体污染加重，气温高时，底泥对水治理效果影响更大。因此，在采取上述措施的同时，利用吸泥设施将底泥抽吸至岸边，并利用基于复相系统高效捕捉原理分离污染物的澄净塔，将底泥处理达标[3]。

该技术能够确保水治理成功并经济可行，体现改善水质的可持续性。如果是应急治理，那么方案实施后可立即见效。此外，由于采取的是绿色治理技术，因此散落在河底的沉降物对降低河道底泥污染物含量有良性作用，无须专门清理。

2.2 复相系统污水处理技术

20世纪90年代初期，张红武团队系统研究了微粒自然絮凝物理过程，发现微粒浓度超过临界浓度后，颗粒自然发育的絮团之间即联结成网状结构[16-17]。20世纪90年代中后期，该团队为解决黄河小沙湾取水工程高浊度水处理的技术难题，开展了水流紊动与加药（聚丙烯酞胺）反应效果的理论研究[12]，建立了加药量、水流强度与浊度之间的关系，并通过斜板预沉池模型试验，对不同工况下的去除率进行了试验[18]，小沙湾高浊度水处理厂至今运行良好。但近些年认识到化学药剂对水处理具有加大污泥毒性、体量的负面作用，会带来二次污染，便致力于研发水处理绿色技术。

该团队近年的污水治理技术是基于复相系统高效捕捉原理自主研发的，其技术关键是按照“无毒、稳定、特效、自然、经济”5个条件寻觅除污材料，按一定配方研制加工成对水中致污物质（如水中的氨氮、盐分、微量元素、放射性物质等）具有极强“捕捉”能力的粉末，可称之为“澄净粉”[3]，使水质的理化特性和水环境中的生物特性、组成等得以改良，从而促使水质达标。中小河流水质治理适用的处置系统主要由澄净液（澄净粉搅拌后生成）生成装置与澄净液输送喷射装置组成，后者主要按照复相流理论确定具体工艺，为提高澄净粉在拟治理水体中同污染物质的遭遇概率创造条件。该技术利用温差异重流[17，19]原理，凌晨将温度较高的澄净液加入治理河段后，在较冷的河水表层流动，形成上层异重流，产生“水上漂”奇观，有利于澄净液在重力作用下，缓慢与下层河水中污染物充分接触，有效捕捉污染物后沉入河底。

2.3 水质监测与调控系统

（1）监测系统。基于物联网的水质实时监测系统，可及时评价中小河流水质水平，同时在综合考虑闸坝调度、污染物类型和气象条件等因素基础上，实现动态监测、调控治理。水质监测项目一般包括pH值、COD、氨氮、总磷和水温。通过pH值可初步鉴定污染物的种类;COD浓度越大，说明水体受有机物污染越严重;氨氮主要以游离氨（NH₃）和铵离子（NH⁺₄）形式存在于水体中，是主要耗氧污染物;磷会导致水体富营养化，引发藻类植物过度生长，消耗水体中的氧气。另外，汛期还要尽量对水文要素进行监测。

采集数据后，利用诸如指数评价法、人工神经网络模型等[20-21]对水质进行综合评价，并分析、预测水质指标时间序列，即时反馈至调控系统。

（2）调控系统。采用自动化水质监测与治理调控相结合的方法，根据拟治理河段水质表现与水质要求，设置水质预警值。当断面实时监测数据接近预警值时，立即根据河道水质与水沙状况（后者以Fr_A与浊度为指标），结合复相系统特殊运动需要，自动给出调控治理方案，智能确定澄净粉的投放量等参数。澄净液以最佳组合配置生成，在河水内以复相流运动形式弥散其中，促使水质达标。

可在监测断面上游500～700m岸边设置澄净液配送站，通过动力装置将澄净液输送到指定断面（称治理断面1），并利用“U”形管道向水中喷射澄净液，使澄净液遍布水体，“吸附”“捕捉”污染物。澄净粉搅拌和输送站占地面积50m²（5m×10m），主要将澄净粉搅拌后生成澄净液，再通过动力装置输送至待治理水体，见图1。

通过水质监测系统进行COD、氨氮的监测，根据对比分析及时出具治理进度阶段报告，实现调控治理。若断面1水质恶化，可通过动力装置与管道，将澄净液输送到上游断面（称为治理断面2），在机动清污船的配合下对下游水体进行治理。由于上述动力裝置能将高浓度澄净液输送至10km以外，因此对于断面2的上游河段，可在水质不达标时继续将澄净液输送到上游，对相应水体进行治理。

2.4 底泥的治理技术

由于污泥主要成分是各类污染物和一定粒径的泥沙，因此污泥可直接利用上述分离污染物的澄净塔分离技术进行治理。利用吸泥设施将底泥流直接抽人塔中，充分搅拌污泥流。泥沙沉至塔底，先将底部达标泥沙排出，再加入澄净粉，并将剩余污染物压入底部。如此操作后，含污染物污泥体量将大大减少，从而降低污泥处理费用，并保证水质持续达标。处理后底泥还可回收利用，例如可运用本团队研发的底泥生物固化技术，将底泥用于渠道护底，也可修建停车场等。

3 结论

通过梳理中小河流污染面临的问题，在阐述水治理现状的基础上，就我国推行河长制后水质必须达标的需求，在保证杜绝化学法治理的原则下，通过创新研发污水、污泥处理技术，对水质监测调控治理方案开展研究。首次提出采用复相系统绿色处置法及物理处置法并举治理的技术途径，实现水质与底泥达标。同时基于物联网的监测调控系统，实现拟治理河段水质的预警预报，并且智能确定澄净液的最佳配置组成与调控治理方案，从而形成一套完整的自动监测、物联网设备监测、科学调控的绿色治理体系。