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城市黑臭水體內源污染治理技術

發布時間:2021-1-24 7:56:45  中國污水處理工程網

  隨著我國社會經濟的快速發展和城鎮化進程的加速,城鎮規模和人口不斷增加,人類生產和生活污水排放量日益增大,進入水體的污染物濃度超過水體自凈能力。好氧微生物通過新陳代謝作用消耗水體中氧氣,使水體處于缺氧或厭氧狀態,此時大量繁殖的厭氧微生物與有機物發生腐敗、分解和發酵等反應,產生有機硫化物、氨氮和甲烷等14000多種致臭氣體。同時水體中鐵、錳等重金屬被還原,與硫離子結合形成FeS、MnS等黑色沉淀使水體變黑。另外,城市水體流動性差,水動力不足,導致水環境惡化,污染物積累,水體黑臭狀況加重。

  根據黑臭程度不同,《城市黑臭水體整治工作指南》將城市黑臭水體分為“輕度黑臭”和“重度黑臭”兩級(表1)。

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  截至2016年12月,全國295個地級以上城市中,70%以上的城市存在黑臭水體,黑臭水體總認定數已達2100個。黑臭水體的存在不僅給人們帶來了惡劣的感官刺激,也直接對人們的飲水、用水安全構成了嚴重的威脅。

  目前,治理城市黑臭水體主要包括物理治理技術、化學治理技術以及生物生態治理技術。黑臭水體治理雖然廣泛運用3種治理技術,但各自都有不同的優缺點,單獨運用某種技術可能不會保證其長久有效性。因此,多種技術聯合運用于黑臭河道的治理取得了較好的效果。其中,黑臭內源治理是基礎措施。

  一、內源污染的形成及危害

  外來污染物進入水體后經過長期的積累、沉淀和固化以及水體中死亡生物體的沉降,積于水底底泥,形成內源污染源。底泥中含有大量的有機物和氮磷營養鹽,它們在一定條件下會從底泥中釋放出來,對水體水質造成二次污染,嚴重影響了城市水體環境,加大了水體黑臭程度。

  二、內源污染治理技術

  目前,黑臭水體底泥的治理方法分為異位和原位兩大類技術。

  2.1 異位治理技術

  異位治理技術以底泥清淤最為典型。底泥清淤是去除底泥中有害物質的最快速簡便的方法。其原理是通過采取人工、機械的方法移除水體底部污泥,以削減累積在底部的氮、磷、有機物等污染物質,從而增加河道水體容量和降低內源污染,改善水體水質。工程上,一般在當底泥中污染物濃度超出本底值3~5倍且潛在危害人類及水生生態系統的情況下,優選進行清淤異位治理技術。目前,底泥清淤包括3種方法:干水作業、帶水作業、環保清淤。不同清淤方式對水環境的影響不同。其中,環保清淤是帶水作業的一種特殊方式,主要清除水底表層20~40cm的淤泥層,在施工工程中注重保護物種和生物多樣性,且為后續生態修復工程創造較好的基底條件。根據污染源和底泥的厚度,可將河道底泥從上到下分為浮泥層、淤泥層和老土層。為保證河流生態系統的完整性,底泥清淤通常是清除浮泥層和淤泥層的底泥,保留老土層底泥。

  江蘇省滆湖北部區通過底泥疏浚后,與未疏浚區域相比,疏浚區TN、TP和有機質的平均含量減少了51.4%、51.2%和72.0%,浮游植物密度和生物量分別減少了19.8%~28.1%和19.5%~50.2%。江蘇省太湖東部湖區通過底泥疏浚工程措施,表層沉積物中營養物質得到有效去除,底泥重金屬含量及潛在生態風險明顯降低。但對不同類型湖區而言,底泥疏浚對水質和生物群落結構的影響存在明顯差異。在實施環保疏浚后,江蘇蠡湖表層沉積物中有機質、TN和TP含量分別下降了51.48%、2.52%和77.39%,為水生植物生態修復營造了良好的生長環境。

  雖然底泥疏浚能快速轉移部分污染物,但存在一些不足。比如底泥清淤花費巨大,滇池一期二期工程總計投資為4.275×108元。底泥清淤會對水底生態系統造成破壞,具體表現為水生植物和底棲動物種類、豐富度與生物量的減少等方面。同時,表層污染物在施工過程中通過擾動擴散作用對周邊水體產生不利影響,浙江省寧波市對月湖進行底泥清淤一段時間后,兒童公園附近水域TN濃度上升150.0%,TP濃度上升13.5%。此外,被清淤的底泥具有量大、含水率高及污染物成分復雜等特點,容易給環境帶來二次污染。

  2.2 原位治理技術

  原位治理技術是指原位保留底泥,采取工程措施阻止或削弱底泥中污染物進入上覆水體。與底泥清淤異位治理技術相比,其具有對底泥擾動小、可避免底泥清淤過程中底泥再懸浮對水體的污染等特點。

  2.2.1 底泥覆蓋

  底泥覆蓋是通過在污染底泥上部鋪設一層或多層材料,隔斷底泥與上覆水,達到阻止或減弱底泥中污染物釋放的效果。常用的覆蓋材料包括天然材料(如細沙、紅土,方解石和石英砂等)及改性礦石。在工程上,一般采用表層傾倒和表層撒布等方式,將覆蓋材料鋪設在底泥上,但使用時需考慮一些條件:(1)水體的外污染源已經得到控制。(2)底泥污染物具備低毒性和低遷移率時才能考慮此技術。(3)覆蓋材料現成易得。(4)水體流速較緩。(5)覆蓋后不會影響現今或將來的建設和水路使用。

  利用河道中粗糙沙礫對華盛頓塔科馬航道中含PAHS、苯酚等有機物的底泥進行原位覆蓋工程,10年的監測表明未見污染物遷移。利用紅壤,原位覆蓋成都清水河黑臭底泥,抑制底泥中氮、磷污染物的釋放,發現60d后上覆水中TN、氨氮、TP和SRP的釋放抑制率分別為77%、63%、60%和65%。郭赟等對太湖流域梁塘河進行底泥原位活性覆蓋實驗室模擬研究,發現通過方解石+沸石組合覆蓋,底泥中TN和TP的平均釋放抑制率為60%,達到穩定削減氮磷釋放量的目的。

  底泥原位覆蓋能夠適用于多種污染底泥,具有環境潛在危害小等優點,但存在一些不足和局限。一方面,覆蓋工程量大,投加覆蓋材料會減少水體庫容,改變湖底坡度。另一方面,底泥原位覆蓋并沒有將水體中的污染源清除,仍存在污染物釋放到水體的風險。

  2.2.2 投加化學藥劑

  投加的化學藥劑通過與沉積物中的污染物發生氧化、還原、沉淀、水解、絡合、聚合等反應,降低底泥中污染物含量或轉化低毒甚至無毒形態。目前,常用的化學藥劑有鋁鹽、鐵鹽、生石灰、Ca(NO3)2、CaO2、H2O2和KMnO4等。其中,鋁鹽、鐵鹽、生石灰投入水體后,鋁離子、鐵離子和鈣離子3種金屬離子通過在底泥表面形成活性層,與底泥中的磷反應形成沉淀,減少甚至抑制向水體擴散的磷含量。Ca(NO3)2中的鈣離子能與底泥中的磷酸鹽反應形成穩定的鈣結合態磷,減弱了底泥中磷的釋放。張華俊等向黑臭水體中投放硝酸鈣,與空白組相比,有效降低了上覆水中TP的含量。CaO2的強氧化性能改變重金屬的形態,其強堿性能與重金屬發生化學沉淀,二者可共同降低沉積物中重金屬污染風險。王熙等在試驗中通過向黑臭水體投加CaO2,泥-水界面處的亞鐵離子含量降低了21.22%。同時,CaO2具有緩釋氧氣的功能,能強化底泥微生物新陳代謝的能力,促進微生物對黑臭底泥的修復。H2O2和KMnO4可通過強氧化性提高底泥的氧化還原電位,減少硫化物的酸揮發性,有效改善底泥黑臭。

  然而,投放化學藥劑會帶來一些風險。首先,化學藥劑可能增加水體毒性。研究發現,向水體中投加鋁鹽后,當水體中鋁濃度超過2μmol/L時,對魚類存在潛在毒性風險。其次,化學藥劑的投放可能造成污染物的異常釋放和穩態變化,容易改變水體中的生物和生態環境。因此,投放化學藥劑一般用于應急處理情況。

  2.2.3 微生物修復

  作為生態系統中的分解者,微生物通過代謝等作用將水體中的污染物進行削減。通過向黑臭水體底泥中投加治污高效菌,原位降解底泥中的有機污染物,重建嚴重受損的底端生物鏈,加速底泥的礦化進程,底泥被分解轉換和傳遞,底泥中有機物含量減少,體積和厚度也隨之降低和減少。

  微生物處理技術具有較好的處理效果、資金消耗較少、耗能較低以及后期運行成本低廉等特點。另外,該技術無需向污染水體投放藥劑,無二次污染風險。然而,目前利用微生物菌劑對黑臭底泥的治理還處于實驗室和中試水平。如吳光前等利用微生物制劑(主要成分:硝化細菌、桿菌、放線菌、真菌、絲狀菌)處理南京林業大學校內紫湖溪黑臭河水中的厭氧底泥,結果顯示底泥厚度由0.1m減少為0.02m,底泥CODCr由26640mg/kg降至1843mg/kg。涂瑋靈等向南寧市朝陽溪黑臭底泥中投加0.5g/m3的反硝化細菌制劑,6周后,底泥厚度得到有效降低,有機質降解率和生物降解能力得到顯著提高。姚宸朕等采用固定化微生物技術(主要包括乳酸菌、酵母菌群、光合菌群、Gram陽性桿菌群、硝化菌群)修復西安市某黑臭河道,3個月后黑臭底泥的厚度減少50%左右,底泥顏色從黑色變成土黃色,底泥的生化降解能力增強。因此,今后的工作應加強工程水平的研究。

  除直接投加微生物外,還可通過向底泥投加生物促生劑以刺激底泥中土著微生物的生長繁殖,加快微生物對污染物的降解速率。定期通過向受污染底泥中注入生物促進劑進行修復,能夠使底泥中原有異養菌的數量由105個/g(以干泥計)提高到106個/g(以干泥計),且反硫化細菌數量大大減少。

  2.2.4 底泥曝氣

  氧分子通過氣膜及液膜從氣相轉移到液相的過程為曝氣過程。黑臭水體有機物含量比較高,污染嚴重,底泥處于缺氧或厭氧的狀態,一方面,通過曝氣可以加快底泥復氧速度,增強底泥自凈能力。另一方面,曝氣可增強水體中的氧化能力,促進水體中發黑發臭物質(H2S、FeS和NH3等)氧化為高價態物質[Fe(OH)3和NO-3等物質],生成的沉淀物可在沉積物表面形成保護層,起到減弱上層底泥再懸浮和污染物擴散釋放的作用

  廣州郭村涌黑臭河道治理示范工程通過底泥曝氣有效氧化底泥中的硫化物,且運行1月后對其去除率達到了86.3%~92.1%,臭味基本被消除。許寬等研究底泥曝氣對南京九鄉河黑臭底泥氮形態的影響,發現在pH值=7的條件下,底泥曝氣對上覆水、間隙水和底泥中氨氮的去除率分別為94.31%、84.07%和68.29%。曝氣裝置安裝位置不同其處理效果存在不同,王美麗分別將曝氣頭放置于底泥下方5cm及15cm處進行曝氣,發現深度越大底泥中溶解氧含量下降越慢,處理效果越好。

  雖然大量試驗表明底泥曝氣能有效改善黑臭水體污染情況,但鑒于曝氣耗能高、處理不徹底以及受設備限制等因素,在實踐中底泥曝氣很少得到應用。

  三、結論與展望

  內源污染作為城市黑臭水體的重要污染來源,采用異位治理技術或原位治理技術均能取得一定的良好效果,但各有利弊。因此,在實際工程應用中,應加強以下方面的工作。

  (1)黑臭水體內源治理應結合水體污染現狀,依據不同治理技術的優缺點制定具體方案,以較經濟的方式達到最佳工程效果。

  (2)對黑臭水體底泥進行治理后,應輔以水生植物(尤其是沉水植物)恢復措施,加強底泥環境的穩定性。

  (3)逐步建立相關條例,加大對城市水體生態環境的監管力度,確保水體生態的長效性。(來源:中國市政工程中南設計研究總院有限公司)

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