原位生物处理在城市断头河水质改善中的应用
城市断头河因长期水体滞留普遍存在着水质较差的问题,它严重影响了城市整体水环境。原位生物处理技术在扬州市城市内河杨庄河水质改善中的应用,收到了很好的效果。
1 杨庄河水系概况及水环境现状分析
1.1 水系
杨庄河地处扬州市中心城区,东连蒿草河,西接新城河(排涝河),蒿草河北端与瘦西湖相连(有坝控制),南端与荷花池、安墩河相通,新城河南端与古运河相通,北端为断头河。新城河、蒿草河的上游(北端)无来水,南端与古运河相连处均有闸门控制,水体处于静止状态。因此,在非降雨期,杨庄河无流量,水体处于静止状态。
杨庄河总长1450 m,东端与蒿草河自然连接,西端与新城河通过暗管相连,并有闸门控制,实际河段长度1236 m。两岸为石驳岸,岸坡形式为斜坡或直立,河宽7.5~14 m。
1.2 水环境现状
杨庄河水存在水体黑臭、生态效果差两方面的问题。杨庄河污染重,承受着污水排放、底泥污染释放、生活垃圾倾倒等三方面的污染,而且水体又不流动,无水生生物,自净能力差,使水体处于黑臭状态。河道为硬质驳岸,沿岸无生物,生态效果差。
杨庄河沿岸主要是居住用地,东段为杨庄农家庭院式住宅,排水系统不完善,沿河污水截流不彻底,有分散污水口直排河道。两岸还有部分种植用地,种植蔬菜等农作物,存在面源污染。杨庄河西端两侧为四季园小区,排水体制混乱,且直排河道。正在实施的杨庄河截污工程,将截流大部分的直排污水,使污染源大大减少,但分散式庭院排水难以完全截流,将继续对河道产生污染。由于长期的污水排放,河底沉积了高污染底泥,平均厚度达到20 cm以上,成为高强度污染源。
由于污染源的存在,以及低下的自净能力,截流后的杨庄河水质仍将维持在较差的水平。
2 水质净化
在实施截污工程后,杨庄河仍然存在外源和内源污染,而且由于自净能力差,将难以维持较好的水质。因此,在实施截污工程后,应继续实施水质净化改善工程,才能将水质维持在较好的水平。可以从两个方面提高水体的自净能力:一方面引客水入杨庄河,使水流流动;另一方面,种植水生植物,培育水生生态环境,提高自净能力,同时也改善了景观效果。
引水措施是从杨庄河一端引水,从另一端排出。水生植物净化措施包括:在水面设置生物浮床、水岸种植湿生植物、投放低等级动物。由于杨庄河两端的引水水质均较差,因此,还应对引水水质进行适当处理。
2.1 引水
“治理河流的基本标准是‘不污不竭’,即一定要有活水,一定不要污染。”因此,应有常年流量20%的水均匀流过,使河流在流量、泥沙输移、宽深比等方面达到动态平衡。所以,该项目前提是选择补给水源。
2.1.1水源
杨庄河引水水源在两端相连的河道中选择。西端的新城河北段为断头河,南端与古运河相连,有闸门控制,且古运河水位低于新城河,因此,两端均无水源。东端的蒿草河,其北端与瘦西湖相连,南端与荷花池相连,因而与瘦西湖活水工程相通。瘦西湖活水工程的部分水体从荷花池南下,经安墩闸进入古运河。如果杨庄河引水方案从蒿草河引水,由西端排入新城河,再排入古运河,实际上是分流了一部分瘦西湖活水工程的出水,使其经过瘦西湖/ 荷花池——蒿草河——杨庄河——新城河——古运河,这就扩大了活水工程的活水范围,使沿途的蒿草河、杨庄河、新城河均受益。因此,杨庄河引水水源选择蒿草河。
2.1.2实施方法
在与蒿草河相交处的杨庄河上建低坝,抬高杨庄河水位。用潜水泵将蒿草河水抽入杨庄河后,自东向西自流进入新城河,再由新城河排入古运河。
控制水位:由杨庄河末端出口闸门(现有)控制河内水位,使水位到达直立/ 斜坡驳岸的坡脚,以便在斜坡岸脚种植水生植物,制造水岸衔接效应,需提水高度约0.8 m。
换水周期及换水量:换水周期应综合考虑水质改善效果、投资和运行费用。为了保证换水周期内水体溶解氧不小于1 mg /L,水质不发臭,首先对换水进行适当的处理和充氧,使水体BOD5降低到10 mg /L 以下,溶解氧恢复到6 mg /L 以上。水体在杨庄河流动过程中还发生着底泥耗氧和水面覆氧,30℃条件下底泥耗氧速率按2400 mg /(m2·d)考虑,水面覆氧按3000 mg /(m2·d)考虑,平均水深1.8 m。则河水溶解氧平衡为:
为了保证末端水体溶解氧大于1mg / L,则水体停留时间(换水周期)为:
因此,建议换水周期为3 d。河道水体总体积26440 m3,则换水流量为0.102 m3 / s。
不同换水周期时的换水量和运行费用见表1。
2.1.3工程内容
a. 钢筋混凝土低坝:7.2 m×0.8m×3.5 m。
b. 低扬程潜水泵2 台(1 用1 备)。
2.2 水质净化
为了保证换水水质,降低引水耗氧量,增加水体溶解氧,采取曝气、原位生物接触氧化、生态净水砖等3 项水质净化措施。
2.2.1曝气
为了提供原位生物接触氧化需氧量,并保证向后输送的水体有较高的溶解氧,使整个河道不致发生厌氧状态,应向引水中曝气。
a. 曝气方法。可供选择的曝气方法有:鼓风曝气、潜水曝气、转盘曝气。鼓风曝气需要新建鼓风机房,并在水底安装曝气管和曝气头;潜水曝气在水底安装潜水曝气机;转盘曝气在水面安装转刷曝气机。各种曝气方式的优缺点比较见表2。
经比较,选择转盘曝气方案。
b. 设计充氧量。引水溶解氧按2mg / L 考虑,充氧后溶解氧达到8mg / L,使得水体经过原位生物接触氧化后,仍有6 mg / L 的维持溶解氧。引水流量0.102 m3/ s,则需要的充氧量为2.2 kg /h。
c. 设备选择。由于需要的充氧量较小,定制1 台小型的转盘曝气机,直径1400 mm,长度9 m,功率11kW。
2.2.2原位生物接触氧化方案
a. 设计水质。引水水源含有易于生物降解的有机物,消耗水中氧气,使水体产生色度和嗅味,因此,应对引水水质进行适当的处理,降低水中的BOD 含量。根据扬州市环保局的监测结果,内城河水质为劣Ⅴ类,BOD5平均值为11.1 mg / L,最劣为129 mg /L。经过水质净化工程后,水质应达到Ⅴ类水质标准。因此,取设计进水水质BOD5=20 mg /L,出水水质BOD5=10 mg /L。
b. 工艺选择。为了节省造价,节约用地,将水处理设施设置于河道中。生物降解水中有机物的方法包括:活性污泥法和生物膜法。活性污泥法工艺复杂,不适合在河道中设置,应此采用生物膜法。生物膜法包括:生物接触氧化、生物过滤。由于生物过滤的水头损失较大,因而采用生物接触氧化法。
c. 填料选择。生物接触氧化填料的类型有:立体弹性填料、软性填料、空心球填料等。立体弹性填料和软性填料均为纤维状,容易沾附悬浮物,易产生污泥,生物膜更新需要较强的水力搅动条件和曝气条件,安装也较麻烦。因而,采用多面空心球填料,其比表面积大,污泥产量少,安装容易。
d. 停留时间及填料体积。要将引水BOD5从20 mg/L 降低到10 mg /L,去除率为50%,约需要水力停留时间2 h。多面空心球填料的堆放孔隙率为92%,经计算,需要填料体积为798 m3。
河道横断面积为19 m2,因而生物填料区的布置河长为42 m。
e. 安装方法及工程内容。在生物接触氧化区河底铺设一层素混凝土,在两端河横断面设格栅,围护生物填料,河面设顶格栅,防止填料上浮。河中心设8 根支撑柱,支撑顶格栅。共需多面空心球生物填料600 m3,混凝土70 m3,砌石5 m3。
2.2.3生态净水砖
将具有高效净水能力的微生物——发酵大豆杆状菌与多孔矿物颗粒、强碱火山灰水泥拌和,制作成多孔隙的生态净水砖。包埋固化在生态净水砖中的微生物在水环境中能快速繁殖,并向水中释放,起到长效净化水质的功效。
将生态净水砖敷设于多面空心球生物接触区下游的河底上,敷设长度30 m,敷设面积256 m2。先在河底铺一层素混凝土块,在混凝土初凝前将生态净水砖放置在素混凝土上,每块净水砖之间留一定的间距,保持每块净水砖有5 个面向水中释放微生物。约需净水砖9.1 m3。水质净化工程布置见图1。
图1 水净化工程布置图
3 水质保持方案
杨庄河在引水输送过程中仍存在一定外源污染和底泥内源污染,为了保持河水水质,应沿河道采取一定的水质改善措施。目前,国内外已有采用生物浮床改善城市河道水质的案例,将水生或陆生植物安放固定在漂浮载体上,植物根系伸入水中,吸收水中污染物。同时,发达的植物根系是微生物天然的载体,并在根系周围形成微生物、浮游动物小型生态系统,对水质产生净化作用。
常用的浮床植物为美人蕉,其特点是花期长,景观效果好,但不能越冬,因此,对杨庄河浮床植物的选用需满足以下要求:a.根系发达;b.枝叶量小,四季常绿(半绿);c.生存能力较强;d.有一定的观赏性。
表1 引水工程不同周期的投资运行费用比较
表2 曝气方式比较
根据上述要求,综合考虑水质净化效果、价格和观赏性,选择3 种类型的浮床植物进行搭配,分别是:常绿植物——西伯利亚鸢尾,占45%;半常绿植物——黄菖蒲(鸢尾属),占45%;观赏植物——水生美人蕉,占10%。
西伯利亚鸢尾,叶片宽2~3cm,株高40~50cm。花期5~6 月,花色有兰色、紫红色、白色。该品种最大的特点是终年常绿,冬季的长势尤为好,在-15℃仍保持叶片翠绿,是水生花卉中难得的四季常绿品种。它有发达的须状根。
黄菖蒲又名水生黄花鸢尾,是水生鸢尾中的骄子。花色黄艳,花期5~6月份。叶剑形,株高60~120cm。可分根繁殖,也可种子繁殖。黄菖蒲具有发达的絮状根系。春、夏、秋三季长势良好,冬季处于半绿状态,能自然越冬,来年不需重新种植。
西伯利亚鸢尾和黄菖蒲共同的特点是,耐寒、枝叶量少、根系发达、生存能力较强。
浮床总面积3400 m2,布置的河段长度500 m。
4 岸坡绿化方案
1.水陆交界衔接带:沿水面线开设30 cm宽种植槽,夹种水菖蒲和水生美人蕉。既起到水质净化及水生态效果,又起到水陆衔接效果。
2.岸坡绿化:将水面、水岸绿化引向地面,改善石驳岸的生态效应。对较宽的斜坡,每隔20 m开设一条垂直于水面线的种植槽,槽宽1 m,种植美人蕉等植物,并夹种常青植物。对直立岸坡和较窄的斜坡(四季园),在岸肩种植常青藤、爬山虎,垂挂于岸坡,直接与水面绿化衔接。
5 低等级动物及鱼类的投放
考虑到目前杨庄河河体生物单一,约需投放本土低等级动物河蚌、河螺2000 kg,鲢鱼1000 尾,这样不仅可以控制浮游生物的生长,而且可以恢复河体生物的多样性。
6 投资估算
工程总投资估算315.635 万元;
运行电费:30000 元/ 年;
运行管理费:20000 元/ 年。
7 运行后的效果
项目运行2 个月后,水体黑臭现象消除,水质明显改善,水体澄清,可见度达50 cm。
水质改善情况:DO 由0.3 mg / L提高到4.2 mg / L;COD 由80 mg / L降低到25 mg / L;NH3—N 由3.5 mg / L降低到1.8 mg / L。水质改善效果明显。
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