生态基和人工浮岛在杭州河道治理工程中的应用.pdf

第4 o卷第 5期 2 0 1 2年 3月 广州化工 Gu a n g z h o u Ch e mi c a l I n d u s t r y Vo 1 4 0 No 5 Ma r c h 2 0 1 2 生态基和 人工浮 岛在杭 州河道治理工程 中的应 用 张腾飞，陈勤(中国联合工程公 司，浙江杭 州3 1 0 0 0 0)摘 要：通过杭州市的河道治理工程，介绍了生态基和人工浮岛技术。高分材料编织的生物基分为上浮型和下沉型两种，可填 充活性炭。人工浮岛由种植在浮盆上的挺水植物和圈养在浮岛中的浮水植物构成。生物基和人工浮岛结合净化河水，美化河道景 观。文中介绍了设计方法。通过工程实例，分析常见的问题，提出解决方案。关键词：河道修复；水生植物；生态基 中图分类号：X 5 2 2 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 1 9 6 7 7(2 0 1 2)0 5 0 1 3 2 0 4 Th e Ap p l i c a t i o n o f At t a c h Gr o wt h Bi o r i b bo n a nd Aqu a t i c Pl a n t s i n Ri v e r Re me d i a t i o n En g i n e e r i n g i n Ha n g z h o u Z H A N G死 一 f e i，C H E N Q i n (C h i n a U n i t e d E n g i n e e ri n g C o r p o r a t i o n，Z h e j i a n g H a n g z h o u 3 1 0 0 0 0，C h i n a)Abs t r a c t：The t e c hn o l o g y o f a t t a c h g r o wt h b i orib b o n a n d a q u a t i c pl a n t s i n riv e r r e me di a t i o n wa s i n t r o d u c e d by s e v e r a l e n g i n e e ri n g p r o j e c t s i n H a n g z h o u f r o m 2 0 1 0 t o 2 0 1 1 T h e a t t a c h gro w t h b i ori b b o n i n c l u d e d t w o t y p e s o f fl o a t i n g t y p e a n d s i n k i n g t y p e，w h i c h we r e b a s i c a l l y f a b ri c a t e d b y p o l y me r ma t e ria l a n d fi l l e d u p w i t h a c t i v a t e d c a r b o n Aq u a t i c p l a n t s i n c l u d e d e me r g e n t p l a n t s g r o wn o n flo a t i n g i s l a nd，a n d fl o a t i n g p l a n t s gro wn b e t we e n i s l a n dBy i n t r o d u c i n g t h e a t t a c h gro w t h b i or i b b o n a n d a q u a t i c p l a n t s，t h e wa t e r q u a l i t y a n d t h e l a n d s c a p e o f ri v e r we r e i mp r o v e d s i g n i fi c a n t l y T h r a n g h t h r e e e n g i n e e r i n g e x a mp l e s，t h e e x p e ri e n c e a n d p r o b l e ms i n d e s i g n i n g a n d i mp l e me n t i n g w e r e d i s c u s s e d i n d e t a i l s Ke y wo r d s：ri v e r r e me d i a t i o n t e c h n o l o g y；a q u a t i c p l a n t s；a t t a c h g r o wt h b i ori b b o n 杭州市水资源丰富，市区内有很多兼具景观和蓄洪功能的 河流，其纵横交错，构成杭州市的河网系统。然而，随着城市居 民生活水平的提高，而旧的雨污合流管道截污不彻底，市内河水 被生活污水污染，其 B O D 、总氮和总磷浓度长期超过 V类标准，河道恶臭现象比较普遍。为了改善杭州市区内河道水质，笔者 在2 0 1 0年至 2 0 1 1 年的生态修复工程中采用了原位河道治理技 术。主要技术为投放生 态基和人工浮 岛，优先控制 河水 中的 B O D 和氨氮污染，从水质和景观两方面改善河道水质。通过工 程实践，分析了上述技术在河道治理工程中发挥的作用和存在 的问题。1 治理技术 1 1 生态基技术概述 生态基是一种 较新 型的有机高分 子材料 编织成 的生物 膜载 体。通常有两面编织材料中间夹泡沫组成上浮型的生态基，或 均匀填充颗粒状活性炭组成下沉型生态基。高分子编织材料通 常有两种，一种是编织较密实的，有利于挂膜的材料，另一种是 编织较疏松，便于 吸附藻类 生在的材料 J，两种 编织材料 可 以 自 由组合，如一面密实一面疏松，或下部密实上部疏松。生物基编 织材料的比表面积可以高达 2 5 0 m m ，如在两层生态基间填充 活性炭，可以会提高生态基的比表面积和短期吸附污染物的能 力，实现短期吸附去除水中污染物，长期通过生物降解吸附的污 染 物的效果。在工程 中，生态基可以通过两种方 式安 置在河 道 中，一种 是 通过在生物基的一端固定套筒，套筒中填充素混凝土或鹅卵石，将生物基沉入河水中。常用在上浮型生态基的施工中。其优点 是施工简单方便，布置形式多样(可垂直河水流向布置，亦可平 行于河水流向布置)，生态基随水流飘动，不影响河道通航。缺 点是，生态基锚固不牢，汛期到来时，生态基容易被水流拖动，造 成处理系统损坏，影响处理效果。另一种是，将生物基固定在钢丝或高分材料缆绳上，然后将 钢丝或缆绳两端锚固在河道两边的驳坎上。常用在下沉型生态 基的施工中。其优点是，生物基锚 固效果好，间距容易控制，便 于检修和补充脱落的生物基。缺点是，布置形式单一，影响河道 通航，枯水期时，生物基会露出水面，影响河道美观。据报道，生态基在满足相似的技术指标前提下，基建和运行 费用比传统的河道处理技术，如投放菌剂，砾石接触氧化等，更 为经济。并且具有施工方便，管理简单，不阻碍行洪，能耗低，污 泥量少等优点 J。同时，生物基的微观结构研究表明，生物基可 提供均匀的好氧、缺氧、厌氧生境，为硝化反应和反硝化反应提 供了积极的条件 J。通讯作者：张腾飞(1 9 8 8一)男，硕士，助理工程师，主要从事水环境污染 防治设计研究工作。第 4 0卷第 5期 张腾飞等：生态基和人工浮岛在杭州河道治理工程中的应用 1 3 3 1 2 人工浮岛技术概述 人工浮岛，是一种成本较低、能持续吸收并去除 自然水体中 过量氮磷等营养物质的循环型水质净化技术。其原理是在人工 构建的浮床中种植栽培多种观赏型水生植物，通过植物过滤、微 生物降解、水生植物吸收水体中的氮磷污染物、有机污染物和部 分藻类等。一般选用茎秆和根系发达的水生植物将水中悬浮态 的污染物和藻类通过过滤作用从水 中去除。据报道，对富营养 化的河水作为直接试验对象时，水生植物在夏季能帮助水体进 行好氧硝化过程，将氨氮转成硝态氮，同时水生植物能吸收大量 的硝态氮和磷酸盐等营养性污染物M J。报道表明，水生植物对 总氮和总磷去除率不低于7 0 和6 0 J。植物 作用 溆、合成有机 物 移出水 体：；S S、P 有 机物 吸 附、沉淀、过滤 好 氧硝化脱 氨 微生 物、藻 类、小 鞋动物 附着 载体 机N、P 的无机化 吸收营 养盐 图 1 人工浮 岛净化机理示意 图 Fi g 1 Th e me c h a n i s m o f r e h a b i l it a t i o n o f fl o a t i n g i s l a n d 1 3适用于生物基的曝气技术概述 生态基河道原位处理中常用的曝气技术有以下三种，现分 述 如下：(1)鼓风微孔曝气技术 鼓风微孔曝气技术包括鼓风机，曝气管道系统和微孔曝气 系统组成，和污水处理厂的鼓风曝气系统类似。该曝气技术的优点是：曝气均匀，曝气效率高，平均能耗低，工程投资低，适用于较宽河道的曝气。其缺点是：微孔曝气头容 易堵塞或脱落，鼓风机运行噪音大，建设机房占用土地。按照 工业企业噪音控制设计规范(G B J 8 78 5)的规定，居民、文 教区附件 的噪音应小 于 5 0 d B(夜 间小于 4 O d B)。因此，鼓风曝气机宜布置在交通干线道路的两侧(昼间小于 7 0 d B，夜 间小于 5 5 d B)，并在鼓风机房内安装减振降噪材料，如悬挂吸音 板，有罩面的吸音材料等，或在夜间暂停运行曝气设备。(2)潜水射流曝气技术 潜水射流曝气技术主要由潜水射流曝气机和附属支架构成。该曝气技术的优点是：不占用土地，施工方便，运行噪音低。其缺点是：曝气不均匀，曝气效率低，平均能耗高，不适宜用于较 宽 的河道。潜水射流曝气机通常采用膨胀螺丝和角钢支架固定在河道 驳坎上，垂直于河水流向曝气。个别情况下，亦可固定在河道中 央，平行于河水流向曝气。(3)浮床式喷泉(叶轮)曝气技术 浮床式喷泉(叶轮)曝气技术，构造简单，和人工浮岛类似，设备可以漂浮在水面上，通过拉索或桩杆固定。其优点是：改善 河道景观效果，施工方便，运行噪音低。其缺点是：曝气效率低，阻碍河道通航。浮床式喷泉(叶轮)曝气技术，受设备自重和尺寸限制，曝气 充氧效率低于射流曝气和鼓风曝气，但如果和人工浮岛结合布 置，会显著提升河道的景观效果。因此，特别适用于城市广场，公园等场所的水体中。2设计 方法 2 1 生态基用量的设计方法 河道治理的生态基用量通常 由两部分组成，分别为：(1)封 闭水体生态基用量；(2)开放型河道的生态基增加量。(1)封闭水体的生态基用量 降解治理河段水体中的污染物浓度，改善水体水质，初步建 立水体生态系统所需要的生态基用量。计算公式如下：A=KT X 式中：A 封闭水体生态基用量，m K 温度校正系数，取值范围 1 01 5 Q 水体容积，m s 水体维护标准校正系数，取值范围0 81 2 c 水体维护生态基平均用量参数，m m ，通常根 据生态基的种类，结合河流的水体体积和气候 因素等实际情况确定，取值范 围在 8 02 5 0 m m 之间(2)开放型河道的生态基增加量 实施河段的生态基的布置考虑到该段内水流速等水文条件 的影响，计算生态基河道治理试验的经验公式公式为：，Q(S 0 一S 1)A2 T 式中：A 开放型河道的生态基增加量，m K 温度校正系数，范围在 1 01 5之间 Q 污水处理规模，即处理的河水流量，t n d S。河流进水 断面 B O D 浓度，msL S。河流出水断面 B O D 浓度，msL q 生态基对 B O D 5的表面去除负荷，g B O D m d，根据 B D F型生态基产品种类，取值范 围在 1 0 02 5 0 g B O D m d之 间 综合上述，设计生态基总用量为：A：Al+A 2(m 2)2 2需氧量的设计方法 考虑水体的优先控制污染物为 B O D 和氨氮，同时污染物质 主要来 自本底污染和流人处理区域的污染，因此每天的需氧量 由四部分组成：(1)去除治理区域水体 B O D 的需氧量；(2)去除 治理区域水体氨氮的需氧量；(3)去除断面流入的 B O D 需氧 量；(4)去除断面流人的氨氮需氧量。(1)去除治理区域水体 B O D 的需氧量 计算公式如下：，、(L i L h Va f)u 1 一 式中：O l 每 日治理区域水体 B O D 5 需氧量，k g O d L i 水体的现状 B O D 浓度，k g m L 水体的治理目标 B O D 浓度，k s i n V 治理区域水体容积，m a 氧化 每千 克 B O D 所 需 氧 的 千 克数，k g O k g B O D ，一般取值范围在 0 4 2 0 5 3之间 地表水体治理修正系数，和当地气候条件有关，一般取值为 1 21 6之间 d 水体治理达到目标 的天数，结合水生植物生长 周期确定，一般取值为 3 0 6 0天 端嚣：释 L 1 3 4 广州化工 2 0 1 2年 3月 (2)去除治理区域水体氨氮的需氧量 计算公式如下：式中：0 每日治理区域水体氨氮需氧量，k g o d N。水体现状氨氮浓度，k s m N 水体的治理目标的氨氮浓度，k g m V 一治理区域水体容积，m f _ 一地表水体治理修正系数，和当地气候条件有关，一般 取值为 1 21 6之 间 d 水体治理达到 目标的天数，结合水生植物生长 周期确定，一般取值为 3 0 6 O天(3)去除断面流入的 B O D 需氧量 O 3=(L i L h)Qa f 式中：O。每日去除断面流入的 B O D 需氧量，k g O 2 d L；水体的现状 B O D 浓度，k g m L。水体的治理 目标 B O D 浓度，k m Q 河道断面流量，m d a 氧化 每 千 克 B O D 所 需 氧 的 千 克数，k g O：k g B O D ，一般取值范围在 0 4 2 0 5 3之间 f-_一地表水体治理修正系数，和当地气候条件有关，一般取值为 1 21 6之间(4)去除断面流入的氨氮需氧量 计算公式如下：O 4=4 5(N 0 一N )Q f 式中：O 每日治理区域水体氨氮需氧量，k g O：d N 水体现状氨氮浓度，k g m N 水体的治理目标的氨氮浓度，k s m Q 河道断面流量，m d f-_一地表水体治理修正系数，和当地气候条件有关，一般取值为 1 21 6之间 综合上述，设计治理区域的耗氧量为：O=O l+O 2+O 3+O 4(k g O 2 d)3工程应用 3 1 杭州市西溪河水环境改善工程 西溪河为一条南北走向的城市景观河道，距离西湖景区约 1 5 k m，河道全长约2 7 k m，宽度约 1 5 m，平均水深2 0 m，日平均流量为 3万 r I 1 3 d。治理前监测断面各项水质指标全年平均值如表 1。表 1 2 0 1 0年 西溪河水质指标 由于西溪河沿线仍存在私接污水管道到雨水管中，以及早期建 设的居民区雨污合流，截污工程不彻底，到夏季时，河水有 明显 的臭味。因此西溪河的水质指标尚未实现 地表水环境质量标 准(G B 3 8 3 8 2 0 0 2)规定的类水质标准，氨氮指标未达到 V 类水质标准。为改善西溪河的水质、消除黑臭、美化环境，工程设计采用 了上 浮型生态基 1 2 0 0 m ，规 格为 1 5 m2 0 m(高 宽)，垂 直 于河水流向布置，每排布置 5片生态基，各排间距 2 0 m。工程 实施 长度为 1 6 0 m。工程采用 的曝气 方式 为潜水射 流曝气，8台 射流曝气机交错布置在河道两侧。同时，工程设计了4 5 0 m 的人工浮岛，种植花叶美人蕉、千 屈菜、花菖蒲、鸢尾、香菇草、旱伞草和风眼莲等兼具景观效果和 纳污能力的水生植物。浮床规格为 1 0 0 m1 5 m(长 宽)，通 过拉索方式固定在驳坎上。沿线布置，美化河道景观。工程于 2 0 1 0年 8月份施工，l O月施工结束，在 2 0 1 1年西溪 河检 测断面的水质指标如表 2。表 2 2 0 1 1 年 西溪河水质指标 由于水体溶解氧含量恢复到较高水平，即使在夏季河水也 无黑臭情况发生。河水表观为浅绿色，较清澈透明。西溪河水环境改善工程总投资约 1 0 0万元，年综合运行管 理费用 5 0万元。3 2 杭州市十号河水环境改善工程 十号河原名丰收水库，位于杭州市江干区和余杭区交界处，后随城市化进程而废弃，作用从农业水库转换为城市景观水体。河道全长 1 2 5 k m，最 宽处 为 8 0 m，最窄处 为 1 0 m，水 深约 1 5 m，水域面积 5 3 5 8 7 m ，日平均流量 3 5 0 0 m d，属于静态水 体。十号河水质指标如表 3。表 3 2 0 1 1年 3月份十号河水质指标 显然，由于多年持续排放的污染，十号河已经严重富营养 化。在工程中，设计 了 1 8 0 0 m 的上浮型生态基，规格为 5 0 I n 1 0 m(宽 高)。每排布置间距 1 0 m，平行于河水流向布置。生态基布置在十号河上游 1 2 0 0 m 的水域范围内。用于拦截和 降解上游来水中的污染物。在河岸上设置鼓风曝气机和风管，在水体中设置微孔曝气盘，间距 5米均匀布置在生态基之间。同时，工程设计种植 1 2 5 0 0 m 的水生植物，其中包含种植在 浮岛上的挺水植物，如水生美人蕉、西伯利亚鸢尾、金线石菖蒲、水芹和菰、芦苇等，共计8 3 0 0 m ，以及被浮岛圈养种植的浮水植 物，如香菇草、聚草、欧亚萍蓬草、红睡莲等，共计4 2 0 0 m 2。浮岛 通过桩杆 固定在河道 中。工程于 2 0 1 1 年 7月施工，至 2 0 1 1年 1 0月竣 工。工 程投 资 规模 1 7 0 0万元，年综合运行管理 费用 3 5万元。3 3 杭州市古荡湾河水环境改善工程 古荡湾河，是一条南北走向的城市景观河道，距西湖风景区 约 1 0 k m，南起沿山河，北至余杭塘河，河道全长约 2 5 k m，最宽 处为 2 5 I n，最 窄 处 为 1 2 m，平 均水 深 2 2 0 i n，水 域 面 积 1 57 0 8 9 m2。河水流量：2 6万 m d。检测断面水质指标如表4。表 4 2 0 1 0年古荡湾河水质指标 第 4 0卷第 5期 张腾飞等：生态基和人工浮岛在杭州河道治理工程中的应用 l 3 5 古荡湾河沿线生活小区众多，因此未被截留的雨污合流管 道众多，全年水质指标氨氮明显偏高，消耗水体中大量溶解氧，到夏季水体发黑，底泥上浮，引发恶臭，最终影响沿线居 民的生 活。在工程中采用了2 4 0 0 m 的下沉型生态基，通过拉索方式固 定在河道驳坎上。其中 1 6 8 0 m。生态基用于好氧处理段，7 2 0 m 生态基用于厌氧缺氧处理段。好氧段布置在宽 2 5 i n的河段内，采用 2 O 0 m x1 5 m(长 宽)的生态基，每排间距 0 5 m，共计 布置 5 6 I n。厌氧缺氧段布置在宽 1 3 m的河段内，采用 1 0 0 m 1 5 m(长 宽)的生态基，每排布置间距 1 0 Il l，共计布置 2 4 m。两段生态基间距4 0 0 m(河道渐宽段)。曝气采用鼓风曝气，由布置在河岸上的鼓风机，风管和布置 在水体中的微孔曝气盘组成。曝气盘问距 5 0 i n布置，均匀布 置在生态基之 间。同时，工程设计种植 4 0 0 0 m 的水生植物，其中包含种植在 浮 岛上的挺水植物，如水生美人蕉、西伯利亚鸢尾、金线石菖蒲、水芹和菰，共计 3 0 0 0 m ，以及被浮岛圈养种植的浮水植物，如香 菇草和聚草，共计 1 0 0 0 m 。河道中央浮岛通过桩杆固定在河道 中，河道边缘浮岛通过拉索固定在驳坎上。工程于2 0 1 1 年 9月施工，至 2 0 1 1年 1 1月竣工。工程投资 规模约 1 0 0 0万元，年综合运行管理费用 5 0万元。4结论和 建议 工程实践表明投放生态基和布置人工浮岛是种见效快，施 工简单的河水原位修复治理技术。该治理技术在削减河道污 染，恢复河道生态功能的同时，美化河道景观，改善城市居住环 境。在工程实践中，该治理技术常遇到如下问题：(1)采用毛竹和育苗架拼接的人工浮床，自重大，浮力不足，需要在浮床中填充泡沫材料增加浮力，一般不建议在工程中使 用。(2)采用桩杆固定的人工浮床，需增加活动套管，以应对汛 期来临时河水水位暴涨。套管可 由 UP V C管制作，套装在桩 杆上。(3)水生植物的种植最佳时期为春秋两季，夏季由于温度和 湿度偏高，紫外线强度大，不利于水生植物的生长，冬季则 由于 温度下降速率快，日照时间短，抑制水生植物的生长，不能安全 过 冬。(4)鼓风曝气系统噪音偏大，一般不建议在市区内的河道治 理项目中使用。若考虑鼓风曝气机运行能耗低，确实有必要使 用，则宜将风机房修建在地下，并做完善的消音减振措施。(5)工程需连续性的管理。挺水植物应经常修剪，防止 植株过高倒伏，浮水植物应经常打捞，防止泛滥。同时，通过修 剪和打捞，将有机物质从河道中去除，实现修复和净化河水的目 的。因此，在制定工程投资项目时，除考虑运行动力费和苗木更 替费外，还应根据当地法规要求，将人工管理费用计人综合运行 管理费中。参考文献 1 袁伟刚，樊智毅 阿克曼生态基技术在湖泊治理与维护中的应用 J 中国给排水排水，2 0 0 7，2 3(1 0)：J 1 一 J 4 2 程尘 生物飘带技术在新洲河污水处理中应用 J 东北水利水 电，2 0 0 7，2 5(1 0)：5 35 4 3 Wu W Z，L i u Y，Z h u Q，e t a 1 R e me d i a t i o n o f p o l l u t e d r i v e r w a t e r b y b i o l o g i c a l c o n t a c t o x i d a t i o n p r o c e s s u s i n g t w o t y p e s o f c a r r i e r s J I n t e ma t i o n al J o u rnal o f E n v i r o n m e n t a n d p o l l u t i o n，2 0 0 9，3 8(3)：2 2 3 2 3 4 4 宋海亮，吕锡武，李先宁，等 氮磷在阶式水生植物床中的去除效 果及组成变化 J 环境 污染治理技术 与设备，2 0 0 5，9(6)：5 4 5 7 5 宋海亮，吕锡武，稻森悠平 水生植物床预处理富营养化水源水中 试研究 J 给水 排水，2 0 0 4，3 0(8)：81 2 ；石 石 !；_、!糸!；!穹 !；!：!_、!(上接 第 1 3 1页)3结 论 对比了三种不同有机试剂不 同体积百分含量下，铅溶液的 浓度变化值及趋势，发现含2 丙酮的溶液试剂用量及仪器检测 性能最佳。此条件下的标准曲线线性关系与国标法标准曲线线 性关系基本无差别但斜率增大灵敏度提高；检出限较现有 I C P 国标方法低近一个数量级，降低了方法检 出限；精密度 1 一 1 2 和准确度 9 0 1 0 5 符合要求，为准确、有效检测含微量 铅水质提供新方法。参考文献 1 国家环境保护总局 水和废水监测分析方法 编委会 水 和废水监 测分析方法(第 四版)M 北京：中国环境科学出版社，2 0 0 2：3 7 93 7 9 2 姚琳，王志伟 I C P A E S同时测定水中的痕量钼、钴、硼、锑、钒和 钛 J 光谱实验室，2 0 0 9，2 6(3)：6 0 5 6 0 8 3 吴开华，杜林峰 电感耦合等离子体质谱法测定灌溉水中7种重金 属及其定性分析 J 现代科学仪器，2 0 1 1(1)：1 0 4 1 0 7 4 董发昕，胡怀明，贾婴奇 电感耦合等离子体原子发射光谱法测定 钛酸钡纳米粉体中7种杂质元素 J 理化检验：化学分册，2 0 0 8，4 4(8)：7 7 37 7 4 5 周永利，陈金忠，郭庆林，等 正丁醇对电感耦合等离子体发射光谱 的增敏作用 J 光谱实验室，2 0 0 6，2 3(6)：1 3 2 6 1 3 2 9 6 陈凤玲，陈金忠，丁振瑞，等 I C P A E S测定饮用水中5种重金属 元素 J 光谱实验室，2 0 1 0，2 7(3)：8 9 6 8 9 9