生态措施在水质提升中的设计及应用

梁 艳，贺 彪，孙 丹

(河海大学设计研究院有限公司，南京 210000)

水源地进水水质的好坏对水源地水质的稳定达标具有较大影响，大沙河草庙水源地是丰县境内第二水源，日供水量为10万t，梁西河上的李口涵闸是草庙水源地唯一的水源进水口，二者的正常运行对社会和经济的稳定起到巨大作用。目前大沙河草庙取水口CODMn指标超Ⅲ类水标准，水源地李口涵闸入库河口区河段部分水质指标超标较为频繁，水体透明度较差。为提升大沙河草庙水源地水质，采用生态措施对李口涵闸闸口河段水质进行治理。

1 现状问题及分析

大沙河草庙水源地进水源头为微山湖，进水通过梁寨闸并经李口涵闸控制。李口涵闸闸口宽度约35m，位于梁西河上，距离水源地取水口约4.5km。进水口涵闸位置示意图，见图1。

图1 进水口涵闸位置示意图

1.1 水质现状

1)大沙河取水口水质：2020年全年大沙河取水口水质总体基本可达到地表Ⅲ类水标准，但部分月份水质出现超标情况，其中超标月份主要在10-11月，超标指标主要是CODMn。

2)华山闸和夹河闸国控断面水质：大沙河华山闸国控断面2019年1月-2020年9月逐月水质均满足III类水标准，其中高锰酸盐指数大部分在III类水标准，部分达到Ⅱ类水标准；氨氮指标大部分可达到Ⅰ类水标准，部分达到Ⅱ类水标准；总磷指标全部在Ⅱ类水标准。

3)李口涵闸闸口及上游水质：对李口涵闸进水口和涵闸上游进行水样采集并检测，部分水质指标超标，如有机物和总氮，此外水体透明度较差。

4)重点断面水质：2020年11月，对大沙河上几个重点断面进行高锰酸盐指数监测发现，几个断面均出现高锰酸盐指数超标现象。

1.2 污染源分析

1)生活污水入河：大沙河流域涉及生活污水入河村庄15处，平均每处村庄存在2处生活排口。乡镇污水收集管网不完善，污水收集率低，进水浓度低。各乡镇污水进水已满负荷，实际处理工艺为A/O工艺，处理能力低于污水处理量需求。以华山镇镇区1.7万人为例，平均每天产生>1000t污水，现有设施并不能完全收集处理，处理能力严重不足。

2)农业面源污染：大沙河区域化肥、农药施用强度大，秸秆产生量多，涉及秸秆堆积入河的村庄有26处。秸秆腐解产物随径流入河，造成严重的有机污染，近堤坡种养殖的村庄有7处，养殖场存在排污不规范的问题。

3)垃圾堆放处理：垃圾收运及处置能力薄弱，体系不完善，部分村庄存在垃圾就地填埋情况，乡镇垃圾转运站渗滤液处理不规范。

4)河道自净能力差：上游河道自身水质净化能力较差，导致入河的污染物质不能及时降解。

2 治理思路

水质提升治理重在治本，通过生态治理，加强水体自身净化能力，从自然、环保、绿色的角度既能满足治理要求，又兼顾环保需求。

本工程设计思路通过采取生态措施，即设置入库前置水质净化区(生态滤墙系统+底层复氧生物载体)，强化水体中污染物降解，在水源地补水最小流量(12.33m3/s)的情况下，使李口涵闸闸口上游入库区(梁西河下游至李口涵洞闸250m)有机物、氨氮和总磷等水体指标有所改善，透明度有所提升，保障草庙水源地水质稳定达地表水III类水《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)标准。

3 设计方案

3.1 生态技术

3.1.1 生态滤墙

生态滤墙在河道治污和保持生态多样性修复上有很好的成效，是治理中小河流水体污染的一个有效的技术手段[1]。生态滤墙以多孔载体填料为核心，通过不同孔径的多孔载体，对水体中泥沙、颗粒物、悬浮物质、污染物质等进行过滤、吸附和降解。同时，生态滤墙能够降低水体流速，增加水力停留时间，促进水体中泥沙、颗粒物等的沉降[2]。

由浮体、框架、太阳能光电板、多孔载体、曝气系统、控制系统等组成，一般设置于河道支流与主流相交处，对水体中泥沙、颗粒物、悬浮物、氨氮、COD等污染物质进行过滤、吸附和降解，直接净化水源；采用漂浮式结构，适应水位波动；模块化组装，不存在旁路处理系统，降低泵提水的电能消耗；采用太阳能曝气，节能环保。曝气作用，既能加速多孔载体填料上附着生物膜的生长，促进悬浮态有机物降解，又能降低清水生态滤墙堵塞风险；采用土著微生物，利于生态安全。

浙江嘉兴海盐县千亩荡应急备用水源工程湖区水域面积0.79km2。由于上游河网来水不佳，水体本身自净能力和复氧能力差，导致水体富营养程度高，蓝藻水华爆发的风险较大。

在千亩荡入库河道、库区及取水口共安装20台太阳能水循环复氧设备，同时在主引水河道和取水口分别设置1组生态滤墙，在河道两侧设置滨水缓冲带组合方式对库区及入库河道水体进行水质提升。

经治理后，取水口水质有明显改善，溶解氧提升36%，氨氮下降55%，COD下降36%，浊度下降30%。

3.1.2 底层复氧生物载体

底层复氧生物载体主要由生物载体组件、生物载体组件架、气体管路和鼓风机。每个生物载体组件上有若干根膜丝，风机提供的氧气由每根膜丝扩散到河水中，提高水体溶解氧，同时每根膜丝上也会富集微生物膜，为水中微生物提供一个能供给高溶解氧的载体，结合本身特性，利于污染物快速降解，保持水体自净能力。

底层复氧生物载体中膜丝作为微生物膜附着载体并为生物膜微泡曝气，污水在附着生物膜的曝气膜周围流动时，水体中的污染物在浓差驱动和微生物吸附等作用下进入生物膜内，并经过生物代谢和增殖被微生物利用，使水体中的污染物同化为微生物菌体固定在生物膜上或分解成无机代谢产物，从而达到对水体的净化过程。氧气和污染物分别在生物膜的两侧向生物膜内传递并消耗，这使得生物膜内具有特殊的分层结构。

在大面积的高效的气体分离中空膜丝作用下，使得系统曝气效率高(利用率60%以上，传统技术氧气利用率在10%-20%之间)，单位体积曝气膜面积大，单一设备效率高，能耗也相应较低。在南京江宁河通过底层复氧生物载体填料系统对水体水质进行提升，水体中氨氮去除率达到45.5%、TP达到39.1%。

3.2 生态污染物计算

地表水体中有机物含量一般以CODMn为衡量指标，同时本次治理主要是针对有机物去除(保证大沙河水源地有机物含量达到地表Ⅲ类水标准)，因此文章中有机物相关计算采用CODMn指标。本次设计按照治理区域250m，CODMn7.5mg/L，目标CODMn指标达到6mg/L进行。

水量按照开1台水泵(12.33m3/s)，每次开24h，每月开10次的取水量(106.5万t/d，1065万吨/月)，李口涵闸上游水体中CODMn按7.5mg/L，治理目标按CODMn指标达到6mg/L计，CODMn污染物总需削减量为1597.5kg/d，为实现该削减目标，在梁西河李口涵闸闸口的入库口构建了一个以生态滤墙、底层复氧生物载体为主的前置处理区，前置处理区长250m(李口涵闸口至梁西河上游段)。

3.2.1 生态滤墙污染物削减计算

生态滤墙采取半断面形式，单道长度为20m，宽度为1m，滤墙CODMn总需去除量为798.7kg/d，生态滤墙负荷为3.16kg/(m3/d)，共需要252m3有效滤墙体积，每道滤墙按20m长，1m宽，2.5m高，单道滤墙有效体积为50m3，经计算共需要5道，考虑到延长水路路径情况，生态滤墙采用交叉式半断面拦截。

3.2.2 底层复氧生物载体污染物削减计算

底层复氧生物载体集曝气、生物载体和驯化微生物于一体，该系统曝气效率高达60%以上，CODMn负荷约为0.53kg/(m2/d)，根据底层复氧生物载体CODMn共需要削减798.7kg/d，经计算，底层复氧生物载体共需要约1500m2。

3.3 设计方案

设计范围为李口涵闸闸口至梁西河上游段，共计250m。

1)梁西河上设置5道生态滤墙，滤墙采用半断面拦截，每道长度为20m，宽度为1m，高度为2.5m，通过生态滤墙对河道中悬浮物进行拦截，通过生态滤墙填料载体上微生物对河道水体中污染物质进行快速降解。此外，在李口涵闸闸口上游梁西河200m处设置1套微生物驯化系统，以便为生态滤墙快速提供驯化微生物，强化生态滤墙的降解能力。

2)在新庄大沟与梁西河交汇处设置1道生态滤墙，滤墙长度为20m，宽度为1m，高度为2.5m，通过滤墙对新庄大沟河道水体进行净化处理，减小对梁西河水质的影响。

3)在设计范围内的梁西河上共设置1500m2底层复氧生物载体，单套300m2(含中空膜1.3*2m/组，膜面积30m2/组10组；1.5kw风机2套)。

平面布置图，见图2。

图2 平面布置图

4 总 结

1)农村污染水体的治理工程并非推倒重来的翻新重建，而是必须有针对性的提升，重点在于对细节的把控。工程设计中技术选用需因地制宜、对症下药，结合当地具体情况选用最合适的治理手段。

2)河道蓝线、绿线的保护和生态系统构建是农村污染水体彻底消除的根本保障[3]，在农村，大量的污染来自于生活养殖污水、农业面源污染及垃圾堆渗滤液等。在加强截污工程措施的情况下，应该同步实施岸线治理。