太湖流域河网水体生态修复工程及其效果

陈永高, 张瑞斌

(1.浙江工业职业技术学院, 浙江 绍兴 312000; 2.南京大学 环境学院,

江苏 南京 210023; 3.江苏龙腾工程设计有限公司, 江苏 宜兴 214206)

太湖流域河网水体生态修复工程及其效果

陈永高1, 张瑞斌2,3

(1.浙江工业职业技术学院, 浙江 绍兴 312000; 2.南京大学 环境学院,

江苏 南京 210023; 3.江苏龙腾工程设计有限公司, 江苏 宜兴 214206)

摘要：[目的] 对太湖流域河网水体生态修复工程及其效果进行对比分析，为该流域环境管理及水质改善提供基础。 [方法] 以太湖流域的夏庄浜、洛西河、凤沟河三条河流为例，通过在河道中分别实施复合塔式生物滤池处理工艺、五级负荷削减治理工艺、生态景观修复工艺，对3个工程的运行效果进行比较，研究出适用于流域河网地区的生态修复技术。 [结果] 三条河流生态修复工程的处理效果由强到弱依次为：夏庄浜>洛西河>凤沟河，由此可得3种生态修复工艺的去除污染物能力顺序为：复合塔式生物滤池处理工艺>五级负荷削减治理工艺>生态景观修复工艺。 [结论] 污染物去除效果表明，3种工艺对河道中氮、磷等污染物质的去除效果均较好，并具有良好的生态景观效果，通过进一步优化，可形成适用于河网地区的水质改善关键技术。

关键词：太湖流域; 河网; 生态修复工程; 效果分析

近年来，随着太湖流域经济快速发展和人口高度集聚，造成流域污染负荷不断增加，加快了流域水环境恶化和湖体富营养化。2007—2009年太湖水质为劣Ⅴ类，处于中度富营养化水平；2010—2012年太湖水质指标有所改善，但总氮、总磷超标严重，水质总体仍为劣Ⅴ类[1-2]。湖泊受到污染的根源在于流域大量低污染水的排放[3]，由于太湖流域城镇化的快速发展以及环境基础设施建设的滞后性，使得大量的城市生活污水直接排入河道，使河网水体成为太湖流域水污染防治的重点。国内外生态修复技术研究[4-6]已有大量报道，但大多数研究仍停留在试验阶段，对于各种生态修复工艺实施效果的研究较少[7-10]。本研究以太湖流域的夏庄浜、洛西河、凤沟河三条河流为研究对象，对治理河段的水环境状况及区域概况进行对比，在三条河流分别实施复合塔式生物滤池处理工艺、五级负荷削减治理工艺、生态景观修复工艺，对三个修复工程的实施效果进行分析，研究出适用于太湖流域河网水体的污染防治关键技术，为太湖流域水质改善提供科技支撑。

1研究区概况

研究区域位于江苏省常州市，区域内河网密布、流速缓慢、河流相互贯通且流向不定，属于太湖流域典型的自流水网，主要包括烧香河、大浦港、乌溪港及陈东港等19条入湖河流，此外还有众多支流。选择夏庄浜、洛西河、凤沟河三条河流进行生态修复工程研究。夏庄浜汇入漕桥河后流入太湖，洛西河、凤沟河汇入武进港后流入太湖，河道岸边均有居民区和农田，均有往复流现象，三条河流速均较缓慢，下垫面均为淤泥，水深均在1.5～4.5 m之间，因此，三条河水动力、水质条件相似。夏庄浜位于雪堰镇，河道长度为1 460 m，水面面积约13 470 m2，服务人口约1 430人，服务面积61.5 hm2，农业面源、生活污水及企业达标排放尾水等污水排放量为917 m3/d，污水处理后流进漕桥河。夏庄浜施工长度是820 m，宽度是16 m，多年平均水位是3.9 m，枯水期水深是2.6 m，为太湖流域典型的纳污河道，藻类疯长，水质恶臭，且已丧失通航功能。洛西河位于洛阳镇，治理工程将位于S232两边，水流方向从西向东，全长约950 m，宽约14～18 m，面积约7 300 m2。治理段刘家村桥西段河岸部分为混凝土挡墙驳岸、东段为自然土驳岸。水深1.2～2.6 m，透明度约为30 cm，水体流速较为缓慢。水体中有浮萍、水花生等水生植物，水体季节性的在富营养化水体与浊水藻水体之间变换。凤沟河治理段为横林镇凤沟村，服务人口739人，服务面积72.13 hm2，生活污水排放量126 m3/d，污水经处理后排入武进港。随着河道两岸工农业生产的发展以及人口快速增长，污染源增加，其中的点源和面源的污水排放量大幅度增加，而水环境保护措施严重落后，使河流中大量的有机污染物和含氮、磷的营养盐类继续排入武进港。

2水环境现状

由于夏庄浜河道附近没有污水处理厂，周边居民的生活污水基本上没有处理，一般都是直接排入附近的小河小塘里；卫生间和洗澡的污水及其它一些废水排入化粪池然后被排入村河中。河道两岸居民生活污水未经有效处理而汇入夏庄浜，使夏庄浜水质呈恶化趋势，主要污染指标为COD、氨氮、总氮，污染源主要为生活污水和农业面源，属于地表水劣Ⅴ类。通过对洛西河的实地调查发现，农户和集市中生活污水以及生活垃圾依然没有得到处理，村中生活污水直接排到村中的八段河中，沿河堆满了生活垃圾，夏季能闻到刺鼻的臭气，沿河周围地下水已不能饮用，环境状况很差。该河流污染源以生活污水和农业面源为主，主要超标因子为COD(化学需氧量)、总磷、SS(悬浮物浓度)。凤沟河沿岸分布有大量的制造企业及造纸企业，粪便污水、生活污水、工业废水等无组织排放污染了凤沟河水体。污染源主要是生活污水和工业废水。由凤沟河河水水质监测结果可以看出，水质为地表水环境质量标准劣Ⅴ类，主要污染指标为COD、氨氮、总氮、总磷。

3生态修复工程设计方案

2012—2013年在夏庄浜、洛西河、凤沟河实施了生态修复工程，在河道中分别实施复合塔式生物滤池处理工艺、五级负荷削减治理工艺、生态景观修复工艺。

3.1　夏庄浜复合塔式生物滤池处理工艺方案

根据夏庄浜水体污染特点，在河道中实施生物—微生物—植物—填料的协同作用于一体的复合塔式生物滤池生活污水处理技术[11]。该技术由水解酸化池、塔式蚯蚓生态滤池、人工湿地三个单元组成，具有土地处理系统、蚯蚓构建生态系统以及人工湿地优点，有效解决了污水处理中充氧、反硝化阶段的碳源补充、滤池内填料与土壤板结、污泥消化等问题和有机物降解矿化等关键性技术难题[12]。

复合塔式生物滤池系统的主要技术参数为：处理能力10～100 m3/d；占地面积50～200 m2；水力负荷1.5 m3/(m2·d)；停留时间2～4 h；装置成本2 500～3 500元/t；运行费少于0.15元/t。系统面向广大农村地区农民使用，动力需求小，操作过程简单，维护方便。复合塔式生物滤池污水处理效果好，出水水质稳定，达到城镇污水厂出水一级A标准。

新型复合塔式生物滤池充分利用了蚯蚓与微生物的协同作用，蚯蚓活动增加了通气性，能够更好地分解有机物、更有效地处理污水。蚯蚓在滤池内通过其砂囊研磨与肠道的生物化学作用降解有机物，促进C，N，P的转化与矿化，蚯蚓在土壤活动层内的机械疏松对滤床起物理清扫作用，防止土壤板结、堵塞，还能有效提高微生物数量及微生物活性，促进有机物质的分解转化[13]。

3.2　洛西河五级负荷削减治理工艺方案

洛西河接纳污染物以生活污水与农田面源污染为主，根据河道自然状况和水质特点，采用五级负荷削减治理工艺。该方案治理工艺流程如图1所示。

图1　凤沟河污水处理工艺流程图

(1) 河岸生态缓冲区。河道岸边种植柳树、水杉、柳杉、杨树、枫树等乔木树种，边坡种植灌木如玫瑰、黄杨、魔力等以及孔雀草、点地梅、山葡萄等草皮，与挺水植物共同构成水陆生态系统，实现对降雨径流中污染物的拦截。

(2) 岸边湿地拦截系统。采用浮岛式人工湿地和表面流人工湿地，在洛西河布置潜没式湿地185 m2，人工浮流式湿地200 m2，植物配以花叶芦竹、荸荠、莲、水芹、茭白荀、荷花、西伯利亚鸢尾等。

(3) 入河口生态拦截。为防止水面杂物进入河中污染河道，在工程两侧建造植物栅；同时设置净化浮岛，上部种植浮水植物，下部垂挂生物绳网，拦截、吸收污染物质。

(4) 生物绳接触氧化技术。在工程段布置150 m3日本TBR公司生产的PP+K45型生物绳，结合好氧与厌氧过程，通过硝化反硝化过程去除水体氮磷营养。

(5) 植物净化集成技术。选用浮岛与挺水植物组合，形成生态浮岛。挺水植物选用花叶芦竹、鸢尾、菖蒲、美人蕉、千屈菜、再力花等；构建净化浮岛，上部种植浮水植物，下部为垂向移动式生态床。

在治理段投放底质改良剂962 kg，采用专业工具泼洒。治理段河道各面源污染点附近放置处设置生物柵382 m3，生物栅以捶挂于净化浮岛下形式设置。生态浮岛设计长为2 m，宽为1 m，在河道中放置两列，每两个之间的间隔为2 m，采用驳岸牵拉的形式进行固定，种植旱伞草、美人蕉、香蒲、水浮莲等，浮岛水下部分放置微生物载体，其上布满高效脱氮细菌(氨化，硝化、亚硝化、反硝化细菌)。生物绳接触氧化技术采用PP+K45型生物绳，生物接触氧化床长为2 m，宽为1 m，高为0.6 m，河道中放置两列，每两个之间的间隔为2 m。

3.3　凤沟河生态景观修复工艺方案

采用生态景观型多功能堤岸技术构建缓冲带、生态护坡等，削减河口段入河污染物。河道上游种植大型水生植物(芦苇，香蒲、柳条等)，建成植物格栅，对生活污水或地表径流中的体积较大的漂浮物、泥沙等进行拦截，使部分悬浮物质沉降下来。经过沉降后的污水进入接触氧化池，该单元使用高性能接触过滤材料——生物绳，污水与生物绳相接触使微生物附着在生物绳上形成生物膜，在生物绳表面附着的微生物使污水中的有机物被氧化分解而达到水质净化。在生物绳的中心附近，由于溶解氧气减少，这类微生物可以消耗掉水中的硝酸盐氮类，从而达到脱氮的效果。然后污水再进入垂直流人工湿地单元，湿地系统中存在的好氧、缺氧、厌氧状态，保证了既有植物吸收作用，又有硝化、反硝化作用，去除更加彻底。河道两岸构建由乔灌草组成的立体植物缓冲带，确保水陆生态系统的连续性；护岸工程采用的透水材料，有利于营造生物的生育环境，对河道中的河水进行降解，去除悬浮物质澄清水质，确保出水水质达标排放。利用浮水植物来进一步改善水质，可以降低水中的营养盐，提高河流的生态环境质量，达到强化净化的效果[14]。在凤沟河上设置面积为30 m2的生态浮床30个，设置浮床总面积为900 m2，浮床上种植菖蒲、鸢尾等。在河道岸边建设一段长200 m，宽4 m，坡度0.5的生态护坡，种植垂柳、杜鹃、果桃、蔷薇、月季等植物。系统出水的COD、总氮、总磷的去除率一般可达90%以上。

4工程实施效果分析

2014年夏秋两季(4月至11月)对三个生态修复工程实施河段上、下游分别采样。每月采样1次，监测的水质指标及其方法为：SS采用光度测定法，COD采用重铬酸钾消解法测定，TP采用钼锑抗分光光度法测定，TN采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定，NH3—N采用纳氏比色法进行测定[15]。5—10月6次采样监测结果的平均值详见表1。

表1　水质监测数据平均值　mg/L

去除率(%)=(上游水质监测浓度值-下游水质监测浓度值)/上游水质监测浓度值×100。污染物去除率结果详见表2。

表2　工程污染物去除率计算结果　%

由表2可知，夏庄浜与洛西河的SS，COD，TN，TP，NH3—N去除率均高于20%，凤沟河的SS，COD，TN，TP，NH3—N去除率均低于50%，其中COD，NH3—N去除率低于20%，去除效果较差。COD，TN，TP，NH3—N去除率均是夏庄浜最高，凤沟河的SS去除率最高，洛西河的各项水质指标去除率均中等。因此，5种污染物的综合去除能力由强到弱依次为：夏庄浜>洛西河>凤沟河。

5结 论

夏庄浜、洛西河、凤沟河三条河流生态修复工程的处理效果由强到弱依次为：夏庄浜>洛西河>凤沟河，由此可得3种生态修复工艺的去除能力顺序为：复合塔式生物滤池处理工艺>五级负荷削减治理工艺>生态景观修复工艺。生态景观修复工艺效果较差可能是因为该工艺更多依赖植物的吸收作用，而缺少硝化反硝化所需的微生物，氨氮、总氮的去除能力受到一定影响。

通过复合塔式生物滤池处理、五级负荷削减治理、生态景观修复工程的实施，工程出水中COD，SS、氨氮、总氮、总磷的去除效果均较好。太湖流域为平原河网区，该区域类似夏庄浜、洛西河、凤沟河以接收生活污水、农业面源等低污染水为主的河流众多。本研究中的3种生态修复技术具有极大的推广前景。研究结果为太湖流域河网地区水体污染控制及水质改善提供了科学依据。

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Ecological Restoration Engineering and Its Effects of River Network in Taihu Lake Basin

CHEN Yonggao1, ZHANG Ruibin2,3

(1.ZhejiangIndustryPolytechnicCollege,Shaoxing，Zhejiang312000,China; 2.SchooloftheEnvironment,NanjingUniversity,Nanjing，Jiangsu210023,China; 3.JiangsuLong-leapingEngineeringDesignCo.,Ltd.,Yixing，Jiangsu214206,China)

Abstract：[Objective] The ecological restoration project for the river network of Taihu Lake basin and its effects were analyzed and compared in order to provid some bases for the environmental management and water quality improvement of the catchment. [Methods] Xiazhuang River, Luoxi River, Fenggou River of Taihu Lake basin were selected to carry out three projects as composite tower bio-filter treatment process, five-levels-load reduction treatment process and ecological landscape restoration process, respectively. After three rivers’ operation, the effects of these three demonstration projects were compared. [Results] The three ecological restoration projects had a effectiveness rank of Xiazhuang River>Luoxi River>Fenggou River. Thus, the ability of remove pollutants of the three ecological restoration processes ranked as : composite tower bio-filter treatment process>five-levels-load reduction treatment process>ecological landscape restoration process. [Conclusion] The three technologies can all effectively remove nitrogen, phosphorus and other pollutants of watercourse; They also have good ecological landscape. Considered the room of design and use optimization in river network, they could formed the key technologies of water quality improvement for river network.

Keywords:Taihu Lake basin; river network; ecological restoration engineering; effects analysis

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)06-0192-04

中图分类号：X522

收稿日期：2014-11-27修回日期：2015-03-03

资助项目：江苏省自然科学青年基金项目“低污染水生态净化技术模拟优选与效果评估”(BK20140603); 中央高校基本科研业务费专项(20620140486)

第一作者：陈永高(1984—),男(汉族),江苏省盐城市人，硕士，讲师，主要从事环境评价与工程管理方面的研究。E-mail:higaoge@163.com。