趙俊昌，宋國(guó)晗，王子諾，杜仲泓，霍祥志

（中國(guó)煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056000）

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)對(duì)于水生態(tài)環(huán)境治理技術(shù)有了很大的提升，對(duì)于河道治理一般采用的措施和處理技術(shù)有：河道內(nèi)人工“疏浚、清淤”、河道曝氣生態(tài)凈化法［1-2］、污水穩(wěn)定床處理技術(shù)、底泥生物氧化技術(shù)、多功能河道生態(tài)工程修復(fù)技術(shù)［3］、異位處理技術(shù)和原位選擇性激活生態(tài)修復(fù)技術(shù)等。根據(jù)污染水體情況、水量大小、污染物濃度高低等情況的不同選用的處理方法和技術(shù)也不同。如黑臭水體可選用底泥生物氧化技術(shù)，此技術(shù)特點(diǎn)是無需人工清淤，凈化效果好，運(yùn)行成本高、見效周期長(zhǎng)等特點(diǎn)；再如要求景觀與凈化功能并存的城市河道可選用多功能河道生態(tài)工程修復(fù)技術(shù)，此技術(shù)特點(diǎn)是長(zhǎng)效治理、建立穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)、景觀和凈化功能并存，投資成本和建設(shè)費(fèi)用較高的特點(diǎn)［4］。因此，根據(jù)地理環(huán)境、位置、水體污染情況，當(dāng)?shù)卣畬?duì)水生態(tài)環(huán)境治理要求和當(dāng)?shù)刎?cái)政情況等的不同選擇治理思路和水體修復(fù)技術(shù)也有差異。盡管水體修復(fù)技術(shù)種類較多，最終要達(dá)到長(zhǎng)效穩(wěn)定的目的。從根源上控源截污，選擇生態(tài)修復(fù)技術(shù)，才能真正意義達(dá)到水體自凈，建立良好的水生態(tài)環(huán)境。

本文根據(jù)山西省陽泉市郊區(qū)溫河水體污染情況，以治理水質(zhì)提升工程為例，研究其低成本高效的修復(fù)河道生態(tài)環(huán)境治理技術(shù)。

1 溫河污染現(xiàn)狀

溫河發(fā)源于盂縣南婁鎮(zhèn)的方山東麓，郊區(qū)境內(nèi)起點(diǎn)為河底鎮(zhèn)東村林場(chǎng)，終點(diǎn)為蔭營(yíng)鎮(zhèn)辛莊村，主干流全長(zhǎng)20.09km，流域面積272km2，燕龕河、山底河、葦泊河、白巖河、三郊河、小花溝等，山底河、蔭營(yíng)河、葦泊河均是溫河的一級(jí)支流［5］（圖1）。自溫河灌區(qū)至辛莊斷面在辛莊廟東跨界斷面水質(zhì)呈現(xiàn)透明或沉淀后透明，無色至淺黃色，無味。溫河水體污染源主要為上游山底河匯入，同時(shí)沿岸有零散生活污水、生活垃圾入河現(xiàn)象以及沿岸農(nóng)業(yè)面源污染。

圖1 溫河流域水系Figure 1 Wen River basin hydrology

山底河流域有大量煤礦，多年來煤礦的無序開采，使得個(gè)別煤礦高礦化度礦井水不經(jīng)過處理就直接排放，對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤斐闪艘欢ǔ潭鹊奈廴?。?dāng)?shù)氐叵滤糜诘貐^(qū)的工業(yè)生產(chǎn)。地下水的大量開采，造成地下水資源的短缺［6］。煤礦、洗煤廠產(chǎn)生的廢水直接排入山底河，煤矸石無序堆放，直接導(dǎo)致治理河段的水體受到嚴(yán)重污染，水環(huán)境質(zhì)量為Ⅴ類、劣Ⅴ類，并造成河道內(nèi)及兩岸岸坡、農(nóng)田遭受污染破壞，岸坡、農(nóng)田的水質(zhì)變黃、變紅，并且因Fe2+對(duì)水體中的氧消耗，造成魚類、浮游生物、藻類等死亡，加之沿河村莊居民將生活污水、旱廁、養(yǎng)殖廢水（液）、甚至生活垃圾等污染物直排入河現(xiàn)象嚴(yán)重，使河水中氨氮、COD 等有機(jī)污染物指標(biāo)也存在不同程度的超標(biāo)，溫河流呈現(xiàn)出多重污染的特征。嚴(yán)重影響沿線老百姓的正常生活。

2020 年1 月1 日至6 月30 日陽泉市生態(tài)環(huán)境局郊區(qū)分局在辛莊溫河跨界斷面的監(jiān)測(cè)站在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［7］（圖2）顯示，溫河在郊區(qū)界主要污染物是總氮、氨氮。尤其為枯水季含量較高。

圖2 溫河氨氮、總氮及流量變化曲線Figure 2 Ammonia nitrogen，total nitrogen，and flow variation curves of the Wen River

2 治理技術(shù)研究

短期內(nèi)采取快速有效的措施，如截污納管、生態(tài)穩(wěn)定塘、老窯水治理、河底清淤、河堤維護(hù)、生物修復(fù)等，明顯改善地表水中的COD、氨氮、懸浮物等主要指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)出境跨界斷面水質(zhì)退出劣Ⅴ類的目標(biāo)。治理效果要實(shí)現(xiàn)出水總磷、總氮、氨氮、化學(xué)需氧量（COD）等主要水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足《山西省地表水環(huán)境功能區(qū)劃》（DB14）辛莊段Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。即COD≤30mg/L，總磷≤0.3mg/L，總氮≤1.5mg/L，氨氮≤1.5mg/L。

根據(jù)流域水環(huán)境現(xiàn)狀采用傍河治理思路進(jìn)行治理。選擇適合于溫河水質(zhì)提升的治理方案，采用水生態(tài)復(fù)合生物膜微生物技術(shù)，即“高效生態(tài)浮島+復(fù)合曝氣生物膜修復(fù)”多方位立體式水生態(tài)凈化技術(shù)和新型綠色修復(fù)技術(shù)。以復(fù)合生物膜微生物治理為核心，同時(shí)輔助生態(tài)浮島、曝氣復(fù)氧等組合進(jìn)行水質(zhì)提升。在傍河修建擋水堰、凈化塘。凈化塘內(nèi)底部采用新型復(fù)合MABR 曝氣生物膜進(jìn)行曝氣復(fù)氧，提升河水中的溶解氧，中部采用生物膜，利用微生物降解有機(jī)污染物，頂層水面敷設(shè)生態(tài)浮島栽種挺水水生植物吸附金屬離子。

2.1 生物膜微生物技術(shù)

生物膜微生物技術(shù)是在水體中安裝、懸掛載體，使菌群在載體上繁殖生長(zhǎng)形成微生物屏障，利用形成的生物屏障吸附、消化、降解水體中的有機(jī)物和污染物。

在微生物的培養(yǎng)方面，在凈化塘中就地激活、大量繁殖土著微生物和菌種。土著微生物以水體中的有機(jī)物及污染物為養(yǎng)分，并在載體上進(jìn)行繁殖形成微生物屏障，水體通過載體上形成的生物膜，分解、消化、降解有機(jī)物和污染物。由于微生物的不斷繁殖增長(zhǎng)，生物膜的厚度不斷增加，當(dāng)膜厚度增加到一定程度后，氧氣不能透入到膜內(nèi)側(cè)深部，內(nèi)部呈厭氧狀態(tài)，形成厭氧層。微生物在好氧層新陳代謝產(chǎn)生的H2O 通過附著水層進(jìn)入流動(dòng)水層，產(chǎn)生的CO2和厭氧層生成的H2S、NH3以及CH4等氣態(tài)代謝產(chǎn)物從水層逸出進(jìn)入大氣中［8］。厭氧層在達(dá)到一定厚度后，產(chǎn)生的氣態(tài)代謝增多，當(dāng)氣態(tài)代謝通過好氧層，破壞好氧層生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)，失去兩種膜層之間的平衡關(guān)系，減弱了生物膜在惰性載體上的固著力，此時(shí)的生物膜即為老化生物膜，老化生物膜功能性差容易脫落后生成新的生物膜［9］。如此循環(huán)，達(dá)到水體凈化的目的。

本工程生物膜載體選用性能良好的纖維有機(jī)類生物填料，規(guī)格型號(hào)為60mm×700mm。懸掛在SS304 不銹鋼膜架上，懸掛間距為120～150mm，形成一個(gè)膜組件固定在池底。每組膜組件懸掛生物填料2.4m3，凈化塘內(nèi)膜組件共有144 組。依池體兩列并排為一個(gè)小單元布置，共計(jì)12個(gè)小單元。每個(gè)小單元間距為4m。此布局考慮分段運(yùn)行，在正常運(yùn)行條件下，每段繁衍與進(jìn)入本段水質(zhì)相適應(yīng)的微生物，形成優(yōu)勢(shì)菌屬，有利于微生物新陳代謝功能的充分發(fā)揮和有機(jī)污染物的降解。

2.2 新型復(fù)合MABR曝氣生物膜復(fù)氧技術(shù)

新型復(fù)合MABR 曝氣生物膜復(fù)氧技術(shù)是一種通過微米級(jí)復(fù)合材料將空氣切割成細(xì)微氣泡技術(shù)和附著生物降解技術(shù)相結(jié)合的新型水凈化技術(shù)。微生物菌群附著在曝氣生物膜外側(cè)表面，空氣通過曝氣生物膜為生物菌群供氧形成微生物膜，水中氨氮和有機(jī)物被微生物膜近距離吸收和分解，最終水質(zhì)得到凈化?？焖俑咝г鲅?、凈化，增強(qiáng)水體生態(tài)系修復(fù)能力，實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。

在本工程中復(fù)合MABR 曝氣生物膜主要作用是曝氣復(fù)氧，平鋪于生物膜架（SS304 不銹鋼）底部。由于復(fù)合MABR 曝氣生物膜材質(zhì)為改性高分子復(fù)合材料，屬中空絲線狀，規(guī)格為210mm×2.0m（每簾膜面積為5m2）。2023 年3 月初開始安裝，安裝于凈化塘生物膜架底部，每組膜架底下并聯(lián)連接5 簾MABR 膜，共720 簾。相對(duì)于傳統(tǒng)的曝氣增氧技術(shù)，曝氣膜曝氣技術(shù)具有效率高、見效快、易維護(hù)、低能耗等特點(diǎn)。

由于MABR 曝氣膜膜孔直徑0.05～0.1μm，而傳統(tǒng)曝氣膜直徑在0.5～2mm。通過壓力將空氣輸入管道，經(jīng)曝氣膜將空氣切割成微小氣泡分散在水中，微小氣泡在上升過程中，空氣中的氧氣逐漸溶于水中，經(jīng)過水流擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)氧。曝氣膜曝氣孔越小，氣泡切割越小，氣泡越分散，氧氣的傳遞效率越高，水中溶解氧就越高。對(duì)于曝氣設(shè)備能耗就越小。MABR曝氣膜的優(yōu)勢(shì)在于曝氣孔小，氧氣利用率高，能耗相對(duì)小。對(duì)于生態(tài)修復(fù)治理更有利（圖3、圖4）。

圖3 復(fù)合MABR曝氣生物膜示意Figure 3 Schematic of composite MABR aeration biofilm

圖4 生物膜分層結(jié)構(gòu)Figure 4 Biofilm stratification structure

2.3 高效生態(tài)浮島技術(shù)

高效生態(tài)浮島技術(shù)是利用無土栽培種植的挺水植物，利用人工生物浮床形成人工植物浮床，通過挺水植物發(fā)達(dá)的根系，吸附和吸收水中污染物作為挺水植物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，達(dá)到凈化水質(zhì)的效果。水面挺水植物和水中復(fù)合生物膜上的微生物屏障互相作用，形成立體處理效果，提高處理效率。

生態(tài)浮島選用經(jīng)過馴化的水草，具有很強(qiáng)的吸收水中有機(jī)污染物的功能，植入自制的漂浮載體栽培槽中，使植物生長(zhǎng)在類似于無土栽培的環(huán)境中，根系自然伸長(zhǎng)，懸浮于水中，吸附水體中的污染物、氮、磷等有機(jī)污染物，為魚類、蝦以及水體中微生物的生存和附著提供了條件，同時(shí)也為水草、蝦并釋放化合物，對(duì)藻類生長(zhǎng)有抑制作用。在植物、動(dòng)物、昆蟲和微生物的共同作用下，可以凈化水質(zhì)，修復(fù)和重建水生態(tài)系統(tǒng)［10］（圖5）。

圖5 高效生態(tài)浮島示意Figure 5 Concept of high-efficiency ecological floating island

本工程選用適合山西地區(qū)的西伯利亞鳶尾作為高效生態(tài)浮島水生植物，栽培方式為植入漂浮浮板栽培槽中置于凈化塘水面之上，浮板連接呈間隔性布置，共12 排，平均每排面積為90m2，總面積為1 080m2，水生植物栽培數(shù)量為9 720 杯（9 杯/m2，每杯2～3株）。

西伯利亞鳶尾屬鳶尾科多年生草本植物，耐寒又耐熱，在淺水、濕地、林蔭、旱地或盆栽均能生長(zhǎng)良好，而且抗病性強(qiáng)，尤其抗根腐?。?1］。

2.4 塘內(nèi)設(shè)計(jì)

對(duì)于生物膜、高效生態(tài)浮島和復(fù)合曝氣生物膜的安裝并不是滿塘敷設(shè)，應(yīng)符合微生物降解規(guī)律的原則鋪設(shè)和安裝［12-13］。即遵循微生物的消化與反硝化作用進(jìn)行設(shè)置。在凈化塘內(nèi)共分成12 組串聯(lián)安裝，每組又分為曝氣區(qū)和厭氧區(qū)，曝氣區(qū)占2/3，曝氣區(qū)底部安裝和新型復(fù)合MABR 曝氣生物膜，中部安裝生物膜載體，水體在曝氣區(qū)進(jìn)行硝化作用；厭氧區(qū)占1/3，水體上部安裝高效生態(tài)浮島，微生物通過水生植物根系進(jìn)行反硝化作用。此多級(jí)排列安裝是為了更加有效的去除和降解水體中的有機(jī)物和污染物（圖6、圖7）。

圖6 凈化塘管線及設(shè)備安裝剖面Figure 6 Section diagram of purification pond pipeline and equipment installation

圖7 復(fù)合MABR曝氣生物膜安裝Figure 7 Installation of composite MABR aeration biofilm

復(fù)合曝氣生物膜長(zhǎng)久運(yùn)行后也存在被泥沙和生物膜堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，為避免被堵塞，安裝有復(fù)合曝氣生物膜的反沖洗系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)（圖8），反沖洗和清洗系統(tǒng)可不定期運(yùn)行，每次開啟只需低于30min可完成反沖洗和清洗。

圖8 反沖洗和清洗系統(tǒng)Figure 8 Backwash and cleaning system

為了防止泥沙進(jìn)入塘體沉積塘底堵塞曝氣生物膜，在塘底鋪設(shè)空氣沖洗管道，定期對(duì)塘體沖洗從排沙口排除泥沙。所有操作可實(shí)現(xiàn)PLC 自動(dòng)化控制。

3 處理效果

2023 年3 月開始對(duì)凈化塘內(nèi)微生物菌種2 個(gè)月的培養(yǎng)，并連續(xù)6 個(gè)月在本工程擋水堰進(jìn)水口處采取原水水樣，在凈化塘出水口處采取出水水樣進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比。原水與出水每次取5 組水樣，檢測(cè)值去異常值取平均值（圖9）。

圖9 溫河凈化塘進(jìn)出水氨氮、總氮濃度變化曲線Figure 9 Wen River purification pond inflow and outflow ammonia nitrogen，total nitrogen concentration variation curves

從圖9 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，主要污染物氨氮和總氮都已達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析

山西省陽泉市郊區(qū)溫河治理水質(zhì)提升工程建成后，無需專人值守，電氣設(shè)備少，無需加入水處理藥劑，運(yùn)行成本低，運(yùn)行可靠，出水穩(wěn)定，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作等。綜合運(yùn)行費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用，運(yùn)行成本為0.12 元/m3，維護(hù)主要包括清沙清淤，對(duì)水生植物的收割清理，日常的設(shè)施維護(hù)等，費(fèi)用為24 000 元/a。水生植物的收割和回收還可以產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也可成為附近居民休閑、健身娛樂的好去處。綜上所述，復(fù)合生物膜微生物修復(fù)河道水環(huán)境技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，值得推廣。

5 結(jié)論

為了保證水環(huán)境質(zhì)量要求，通過采用“高效生態(tài)浮島+復(fù)合曝氣生物膜修復(fù)”多方位立體式水生態(tài)凈化技術(shù)和新型綠色修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫河的水質(zhì)提升。利用微生物修復(fù)技術(shù)去除水體中的污染物，保證水體得到有效的凈化。此技術(shù)處理效果顯著，無二次污染，對(duì)水生植物的收割能夠產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了水生態(tài)平衡，達(dá)到水生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)修復(fù)和治理的目的。