人工曝气与生态湿地相结合改善清河口水环境（周志华,薛文政,温明霞）

关键词：水环境 人工曝气 生态湿地

1 问题的提出

由于清河下段河道整治工程还未实施, 清河流域污水截流工程及污水处理厂的建设也在实施过程中, 上游污水量超出了现有污水处理厂的处理能力, 未经处理的污水顺河排向下游, 造成下游, 尤其是河口处水质恶化、臭气弥漫, 严重影响了周边环境以及当地机关单位和居民的正常生产和生活。

2004年年底, 清河污水处理厂的二期工程投入运行, 水质较原先监测数据有较大变化,2005年3月, 对沈家坟闸上游清河水质进行了最新监测, 详见表1。

结果表明, 由于冬季气温低, 微生物活动性弱, 水中溶解氧含量很高, 因此, 即使其他指标较高, 河水物理指标仍然很好, 臭味较小, 色度较好。按照以往水质监测站数据的年季变化规律, 随着春夏气温回升, 微生物活性增强, 河水表层溶解氧浓度又会回到0.3mg/L以下, 河道水质迅速恶化。但由于温度的提高、微生物活性增强及河道植物的生长使河道自净能力有很大提高, 河水的氨氮等水质指标又有一定程度的降低。因此, 根据以前的水质监测指标, 推测夏季河道水质指标, 详见表2。

为改善入河口段河道水质, 消除河道臭味,需采取一定的工程措施, 对现状河道污水进行处理, 同时, 应结合清河下段河道治理规划, 本着工程建设符合河道治理总体规划, 不影响行洪, 尽量利用现状坑塘、滩地及原河道设施, 减少重复投资、运行费用低、管理方便等原则, 对河道污水进行处理, 改善当地水环境。

2 工艺选择及流程

从现场调查的结果看, 造成清河水质恶化变臭的根源在于清河上游大量的生活和工业污水排放入河, 大量有机污染物消耗了河水的溶解氧, 全河道形成厌氧环境, 河面不断形成硫化氢、甲烷等臭味气体释放, 使清河变成了臭河。解决河水发臭的途径是增加河水的溶解氧含量, 减少河水的耗氧有机物和氨氮, 把河道水体从厌氧状态转变成好氧状态, 从而消除发臭气体的产生。

人工曝气是提高水体溶解氧浓度的有效措施。而利用天然的低洼坑塘、荒地等蓄水, 营造水生植物、微生物, 以及水生动物等生物群落形成人工湿地, 通过自然力的过程,达到去除有机物、悬浮物、氮、磷、金属物质和病原体等污染物, 实现污水净化的目的, 也是目前较为成熟的措施。在一定的溶解氧浓度下, 人工湿地可以有效地消除有机物污染和黑臭, 减少水体营养物质含量, 改善水色及透明度。因此, 确定以人工生态湿地技术为主线, 结合人工强化复氧技术(人工曝气), 对清河口污水进行治理。

工艺路线如图1。

河水在下游沈家坟闸处拦蓄, 使河水水位升高, 通过进水闸将水引入综合处理系统, 流量7.5m3/s, 经过处理后再进入清河河道。生态处理系统进水闸与出水闸间可利用高差为2.2m。

河水通过进水闸进入湿地处理系统, 先经过格栅去除水体中的大块漂浮物后进入强化复氧塘。

在强化复氧塘内进行强制曝气供氧, 供氧系统由先进高效的微孔曝气软管组成, 所供氧气一部分用来强化降解河水中的有机污染物, 另一部分用来提高水体的溶解氧浓度, 在河水中形成好氧环境, 抑制厌氧微生物的作用, 消除河水臭味。经强化复氧塘处理后, 河水有机物浓度有所降低, 臭味将得到较为彻底地去除, 然后进入生物稳定塘。

河水中的悬浮物和强化复氧塘内有机物降解产生的污泥在生物稳定塘内沉降、分离, 然后进入人工湿地。

在湿地系统中, 以表流湿地为主, 潜流湿地为辅, 根据人工湿地地段及地形不同, 通过人工建设多个不同类型的表流湿地和潜流湿地, 减缓水流流速, 延长水线, 充分发挥湿地的综合处理能力。选用植物上以强去污植物, 如芦苇、香蒲、风眼莲等为主, 建造良好的挺水和浮水植物群落。

在经过湿地系统处理后通过退水闸进入清河河道, 通过强化复氧塘曝气的控制, 使得河水进入清河河道直至进入温榆河时保持一定的溶解氧浓度。

总之, 清河污水先后经过复氧曝气、表流湿地、潜流湿地净化等一系列物理、生物生态处理后流入河道下游,在充分合理地利用各项单元功能后, 可以使得湿地内以及河道下游直至入河口段具有较高的溶解氧, 充分抑制厌氧微生物的繁殖, 使整个河道的臭味得到极大的改善, 同时可去除水体中的部分有机物, 减轻水体的污染负荷。

3 总体布置

利用现状沈家坟闸上游右岸堤外低洼地, 将其改造成生态湿地, 面积约16万m2, 通过沈家坟闸蓄水, 在闸上约800m处新建进水闸, 将河水引入湿地, 通过人工曝气增氧、生物净化以后, 在沈家坟闸下游经新建退水闸退入清河。按照不同的功能, 将整个工程划分为厌氧水解区、人工强化复氧区、生物稳定塘、表流湿地系统、潜流湿地等5个区域。5个区整合在一起, 形成一体化、功能化、园艺景观化、自然生态化的生物通道。

3.1 厌氧水解区

现状沈家坟闸设计为6孔, 单孔净宽5m, 总净宽30m,门高3.6m,闸底板高程25.00m, 最高蓄水位28.60m。考虑到平时上游来水情况及汛期防洪调度要求, 本次设计沈家坟闸蓄水高度2.6m, 水位27.60m。

沈家坟闸拦水后, 在沈家坟闸与湿地系统进水口闸之间形成一段面积3万m2的相对流动减缓的区域, 由于流速减缓, 河水形成上层兼氧, 下层厌氧的水体, 对污水起到沉淀和水解酸化作用, 增大污水的可生化性。

3.2 强化复氧区

人工强化复氧区面积1万9075m2, 设计水深3m,利用人工曝气的方式迅速提高污水的溶解氧含量, 使污水在此区得到较好的微生物降解。曝气池容积的设计, 依据曝气系统和水力停留时间计算, 曝气区长400m, 宽40m,布置4个独立单元, 河水在流经曝气段的停留时间为1.5h。布气系统采用镀锌钢管输气、微孔软管曝气的方式。风机选用5台出风量大, 能耗低的三叶罗茨风机。

3.3 生物稳定塘

生物稳定塘位于强化复氧区后, 面积9194m2,设计水深4m。设计停留时间1h。复氧后的污水经生物稳定塘进行沉降、分离。稳定塘中以自然生长植物为主, 周边及单元衔接表流湿地中以挺水植物为主, 共同构成生物稳定塘多样性生态系统。

3.4 表流湿地区

以挺水植物为主、浮水植物相辅, 根据不同地段宽度设计为不同水深植物的功能区, 对污水起到不同的功能作用。表流湿地总面积12万2335m2。在保证流速的情况下,延长水流线路。

根据沈家坟闸闸前水位27.6m, 可利用水头高差为2.1m。表流湿地分12个单元, 分别为Ⅰ-Ⅻ区。

在Ⅰ区-Ⅵ区, 地势比较开阔, 坡度较缓, 平均水深0.5m, 水深分布为0.2-0.8m, 主要植物由芦苇、蒲草及荷花组成。由于芦苇、蒲草耐受水深不一, 依据其特点, 床底采用波浪型设计, 浅处种植芦苇、深处种植香蒲。

在Ⅶ-Ⅻ区, 地势狭窄, 坡度较大, 平均水深0.5m, 水深分布0.2-0.8m, 以芦苇、香蒲为主。依植物特点, 种植方法同Ⅰ区-Ⅵ区。充分发挥植物降解、植物根系复氧及自然复氧作用, 可使水中有机物、氮磷进一步释放降解, 提高水体溶解氧含量。湿地Ⅻ区为出水区, 经过整个湿地系统的处理, 进入Ⅻ区的水流达到出水设计要求, 通过在Ⅻ区种植荷花, 放养鲤鱼等景观动植物的搭配, 形成出水景观区。

3.3 潜流湿地区

为了增加系统多样性, 提高系统的稳定性和污染物的处理效率, 在表流湿地中设计一块潜流湿地, 以表流湿地中污水为进水, 并通过综合布水系统提高使用效率, 潜流湿地设计面积1万1329m2,总处理污水量4000m3/d。设计时, 为避免水流短路, 将总设计面积均分成8个独立又相互联系的湿地单元, 形成组合式污水净化系统, 建立水生生态系统, 使生物净化效果达到最高。每个单元均由布水区、填料区和出水区组成, 填料采用30mm和60mm卵石各1层, 填料厚度0.8m。

潜流湿地的植物配置以根系发达的水生植物芦苇、香蒲为主。

潜流湿地系统的主要功能是强化污水净化效果, 进一步去除污水中悬浮物, 吸收水中的N、P等营养物, 并通过根系复氧, 提高水体中溶解氧浓度。

4 处理效果

采用本工艺可有效处理河水中的有机物污染和黑臭,减少水体中营养物质含量, 改善水色及透明度, 使清河下段水环境的水质达到有效净化, 对地下水环境也将产生有利影响。全部河水经工程系统处理后, 可基本消除河水臭味,CODcr降至70mg/L,BODs达到25mg/L,NH3-N为8mg/L, 溶解氧可达到3mg/L。将极大地改善清河下游的污染现状, 每年可削减清河下游中的污染物：总磷213t, 氨氮1993t, 生化需氧量2992t, 化学需氧量5705t, 悬浮物6593t；主要污染物削减率在18%-82%范围。这将恢复清河下游的生态环境功能, 提高其自净能力。

生态湿地的建设也将改善清河下段沿河景观, 为公众提供良好的、高品质的生活、学习和休闲环境, 使人们生活在舒适的环境中, 提高人民的身心健康水平, 提高了清河下游区域生态景观旅游价值。

来源：《北京水利》2005年第6期