张桐 赵航 马林 王香莲 陈彤 胡清
摘 要：该项目采用的强化OHR微纳米曝气技术和碳纤维生态草相结合的创新工艺，对河流水生态提升过程进行了实践探索。君兰河在经过原位治理后水质得到了明显提升，水中氨氮等的污染指标显著下降，水体从地表劣V类水达到V类水质的标准。该技術的成功应用为河流水生态的治理与恢复提供了良好的示范，未来有望得到进一步的推广和应用。
关键词：水生态 微纳米曝气 碳纤维 生态浮岛
中图分类号：X019 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）04（a）-0001-05
Preliminary Practice and Exploration of River Ecology Improvement
ZHANG Tong1，2 ZHAO Hang1，2 MA Lin1，2 WANG Xianglian CHEN Tong1，2 HU Qing1，2
（1.School of Environmental Science and Engineering， Southern University of Science and Technology， Shenzhen， Guangdong Province， 518055 China; 2.Engineering Technology Innovation Center
（Beijing） of South University of Science and Technology， Beijing， 100083 China）
Abstract： In this project， an innovative process of strengthening OHR micro-/nano-aeration technology and carbon fiber ecological grass was carried out in order to explore the process of river ecology improvement. The water quality of Junlan river has been significantly improved after an in-situ treatment process， and some pollution indexes in the water decreased significantly. The current water quality of Junlan river is better than class V of surface water quality standard. The successful application of this technology provides a good demonstration for river ecology management， which is expected to be further spread and applied in near future.
Key Words： Water ecology; Micro-/nano-aeration; Carbon fiber; Ecological floating island
河流水环境的治理主要可以通过减少外源污染物输入、控制内源污染物释放、水质净化、生态修复和补水活水几种方式[1]。对于已被污染的河道，对水体进行水质净化并提升水生态功能是经常采用的治理方式。
高级氧化由于其所产生的羟基自由基等超氧分子的氧化能力强，反应速度快，产物无二次污染、可提高水体含氧量等优点，可以应用于富营养化和黑臭水体治理中[2]。鲁秀国等研究者采用臭氧高级氧化的方法处理黑臭水体，在pH=7～10、臭氧添加量为90～150 mg/L时，对COD的去除率为40%左右[3]。缪恒锋[2]用实验室自制研发的太阳能水处理系统，以太湖某一水体为处理对象，研究臭氧在实际环境中对富营养化水体的治理效果，经15天的处理，水质颜色明显变清，蓝藻消退，COD去除率为78.9%。氨氮降低了50.6%，水体溶解氧达到6.2 mg/L。然而，臭氧的直接氧化能力弱于其所衍生的超氧分子，其在水中的传质效率也很有限。因此，可采用微纳米曝气的方式，该种方式产生的气泡直径在数十纳米和几微米之间，提高了气泡在水中的停留时间和气体传质效率等[4]。相较于传统曝气方式，微纳米曝气对氨氮的去除效率有明显提高，在处理相同水量的情况下，其能耗也更低[5]。
虽然高级氧化可以在短时间内快速降解水中包括氨氮、COD在内的污染物，然而恢复河道的生态功能，提高水体的自净能力，是河道水环境长期得到保障的关键。另外，水中的总氮、总磷等污染物一般也无法通过高级氧化过程进行去除，而提高河道中生物的多样性，可以进一步提升水质，使生态系统得到恢复。利用植物和微生物的吸收、吸附、生长代谢等过程，可以去除水体中氮、磷、有机物等[6]。例如：生态浮岛的植物根系充分与水体接触，植物的光合作用可提高水体溶解氧含量，而发达根系的存在，为好氧微生物提供了良好的生存条件，在纲和科水平改变细菌优势菌群的群落结构，提高微生物生物多样性[7]，从而有效地降低水体营养化的污染程度，抑制了藻类的生长，提高了透明度[8-10]。
福州市将城区白马支河每天接纳约5 000 t的污水，污水水质BOD5在80～120 mg/L之间，采用提高植物和微生物多样性的方式进行治理后，BOD5可降低至11 mg/L以下，恶臭现象也逐渐消失[8]。2007年9月至2008年3月，上海市白莲泾世博园段构建了鱼类、贝类和植物组合的人工浮岛，以改善此段河道水质，经过人工生态系统的适应、稳定期后，水质得到明显改善，浮岛内水体溶解氧含量由原来的5 mg/L左右提高至8 mg/L以上，溶解性悬浮物降低75%以上，总氮和氨氮的含量相对于浮岛外降低了2.0 mg/L和3.0 mg/L，总磷浓度由原来的0.15 mg/L以上降低至0.006 mg/L[10]。
该研究侧重于利用原位生态修复组合技术对于水体质量进行全面提升，并兼顾河道景观的改善，构建低成本可持续的水生态体系，提升河道的纳污和自净能力。
1 河道基本情况
1.1 河道位置情况
实验河流君兰河，位于北滘镇君兰社区，东起上涌河，西至北滘沙河，属于受潮汐和水利调度共同影响的双向流河道，长约2 500 m，平均宽度15 m，君兰河河床底标高约为-1.0～-1.5 m，河道低水位为-0.5 m，常水位为0.9 m，平均水深2 m。君兰河与上涌河交汇段为配合美的大道隧道的修建进行了改道，改道后河涌绕过隧道并顺接上涌河河道。河涌改道采用了箱涵暗渠形式，君兰河剩余自然河道的实际长度约为1 900 m。图1为河道位置情况图。
1.2 河道水质现状
君兰河在实施“一河一策”方案后，已实施清淤、岸线整理和部分截污工程，其岸线靠近美的大道一侧已密布市政公用管线。现场调查发现，君兰河局部河段水生植物密集，水体较为浑浊。根据2019年5月顺德区环境运输和城市管理局北滘分局提供的数据，君兰河及其连通的北滘沙河，以及与上涌河连通的细海河均为劣V类水，主要超标因子為氨氮。
1.3 河道水利情况
君兰河河道内水流受潮汐和水利调度的影响形成双向流，当涨潮时河水从潭州水道回流北滘沙河后进入君兰河，使君兰河自西向东流动;落潮或水利部门进行调度时，河水从顺德水道依次经细海河、林头下涌、上涌河进入君兰河，使君兰河自东向西流动。水利调度规律性不强，主要根据河道行洪和景观蓄水的要求进行调度，调度时河道流量最低约为5 m/s，平时为9 m/s（流速约为0.3 m/s）。
2 水生态提升技术设计
2.1 预期目标
通过河道水生态修复治理技术的实施，确保君兰河水质污染状况总体减轻，各项水质指标达标，特别是氨氮指标稳定达到Ⅴ类水体标准，其他水质指标在现有基础上得到提升;生态环境和水体感官性状明显改善，消除水体臭味，水体透明度明显提升。
2.2 设计原则
（1）执行国家相关法规、政策，服从城镇总体规划，符合君兰河水环境的功能定位。
（2）根据项目河道的特点及建设目标，科学诊断河道存在的问题，有针对性地、有重点地采取措施进行生态治理。
（3）遵循流域规划，在保证河道天然使用功能的前提下，充分考虑河流的生态功能、水质净化功能和景观功能。
（4）采用水体原位生态治理技术，以就地处理、持续维护为主，不实施清淤等工程措施，减少二次污染，降低投资，技术措施要注重与河道沿线整体风貌相协调。
（5）恢复河道自然水生态系统生境，以自然修复为主，人工干预为辅，因地制宜，充分利用现状河道的形态、地形、水文等条件，构建具有较强自我维持及稳定能力的水生态系统。
（6）实现河道可持续性的生态修复，统筹前期建设与后期管护，采用符合当地实际条件且节能高效的技术，尽可能降低前期建设投资和后期维护成本。
2.3 设计方案
2.3.1 强化OHR的微纳米曝气技术
与通常的微气泡曝气技术不同，该技术生成的气泡直径更小，羟基自由基的含量更高，具有超强的氧化能力和持续性能，其技术的主要特点是：（1）除臭效果极好，可在短时间内消除水体的臭味;（2）氧化有机物的能力强，在很短的接触时间内就可以氧化分解大多数有机物;（3）除藻迅速，快速杀灭水体中蓝绿藻，提升水体感观;（4）效率高、能耗低，与常规的纳米曝气系统相比能耗降低35%～50%;（5）处理过程清洁，不产生任何有害的或需要处理的二次产物;（6）既可用于应急处理，也可以作为长期水质维护装置;（7）运行管理简单;（8）适合于低水温情况。OHR设备图片和技术原理图分别见图2和图3。
2.3.2 碳纤维生态草ACF技术
碳纤维（Carbon fiber）是含碳量高于90%～98%的纤维状碳素材料，经过特殊的改性工艺制造，碳素材料化学性质十分稳定。
与粉末活性碳（PAC）和颗粒活性碳（GAC）相比，经过表面活化改性的碳纤维比表面积更大、强度更高、吸附能力更强、生物亲和性更好，而且其规整化载体形状，更加有利于工程化应用。碳纤维草的吸附性能只是其特点之一，其最重要的功能是起到生物载体作用，相比于其他有机或无机类型生物填料，碳纤维草的生物挂膜性能高10倍以上。ACF生态草非常利于硝化菌的附着，实践证明，ACF体系对于氨氮的降解作用非常明显。
2.3.3 OHR与ACF组合技术
OHR纳米曝气技术与ACF碳纤维生态草相结合，充分发挥羟基自由基对污染物快速氧化的优势，同时利用碳纤维草优异的挂膜性能，使好氧微生物（特别是硝化细菌）逐步在碳纤维表面生长，形成生物粘膜和微生态系统，通过生物作用，将OHR未完全降解的污染物进行充分的生物降解，对氨氮进行消除，水质提升效果尤为显著。
2.4 设计方案
2.4.1 OHR与ACF生态藻场组合布置
在河道内污染相对严重且景观要求较低的区位组合布置OHR装置及ACF生态藻场，共2套，向河道内水体供应充足的溶解氧和含有羟基自由基的水，达到快速净化水体同时恢复生态平衡的效果。
2.4.2 加强增氧与ACF生态藻场组合布置
在河道内水质相对较差且景观要求较低的位置结合强化增氧技术铺设碳纤维ACF生态藻场，共3处。
2.4.3 局部强化曝气及ACF生态浮岛
对景观要求较的位置设置强化曝气增氧设施并配以碳纤维ACF生态浮岛，对河水的有机污染物和氨氮进行生态处理。
具体布置点位见图4。
3 监测结果与分析
图5为现场设施图，图5（a）～（d）分别为OHR发生器、ACF生态藻场、局部强化曝气和生态浮岛。对君兰河进行了定期定点采样，采样布设点见图6，并对水中的pH、氨氮、高锰酸钾指数、化学需氧量、总磷进行了测定。君兰河治理前后的水质检测结果分别见表1和表2。由表1显示，治理前君兰河超标的污染因子主要是氨氮，属于劣V类水质，其他污染因子均能达到地表水V类以上水质标准。从表2可以看出，经过一段时间治理，各污染物水平有了明显降低。其中，氨氮仅在2020年11月的3#点位和2021年01月的2#点位出现超过了地表水V类标准的现象，其余时间和点位均满足地表水V类标准。氨氮的下降可能主要归因于OHR微纳米曝气技术的应用，OHR在水中產生了大量羟基自由基等超氧分子，并通过微纳米气泡与污染物质直接进行反应，将氨氮转化为氮气或硝态氮。另外，由于君兰河未进行彻底的截污，虽经长时间严格管理，污水直接入河现象有所改观，但沿岸污水管道仍有污水不定期流入河道，造成水体中污染物瞬时超标严重，这也是部分时间和位点仍出现水质不达标情况的主要原因。COD和高锰酸钾指数在治理后有一定程度下降，一方面是OHR高级氧化所产生的作用，另一方面所使用的碳纤维生态草可以作为微生物的良好载体，通过好氧微生物作用的降低了水中有机物和氨氮的浓度。另外，总磷下降不明显，可能是由于生态浮岛布设数量有限，水生植物对水中磷的去除有限所导致。
4 结语
该项目采用强化OHR微纳米曝气与碳纤维生态草相组合的工艺，对君兰河水体进行了原位治理，治理效果明显，这为其他同类水体的水生态治理及可持续维护提供了参考，将极大地降低全镇水环境综合治理的工程量、投资和运行成本，具有重要的示范作用。然而，河道治理是一项综合性系统工程，在对水质进行直接治理的同时，也需要进行相应的截污以及增强水动力等工程措施，使河流水生态提升得到长效保障。
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