河道曝氣技術(shù)在蘇州地區(qū)河流污染治理中的應(yīng)用

1、第22卷第1期2006年1月水資源保護(hù)WATER RESOURCE S PROTEC TION Vol.22No.1Jan.2006基金項(xiàng)目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863資助項(xiàng)目(2003AA601070作者簡(jiǎn)介:徐續(xù)(1977,男,江蘇宜興人,碩士,從事水環(huán)境保護(hù)及水資源評(píng)價(jià)及規(guī)劃工作。E -mail:mic hael xuxu河道曝氣技術(shù)在蘇州地區(qū)河流污染治理中的應(yīng)用徐 續(xù)1,操家順2(1.蘇州熱工研究院環(huán)保所,江蘇蘇州 215004; 2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇南京 210098摘要:根據(jù)河道曝氣技術(shù)控制河流水環(huán)境污染的基本原理以及在國內(nèi)外的應(yīng)用進(jìn)展,結(jié)合蘇州河流污染的實(shí)際情況,分析了

2、在蘇州地區(qū)利用河道曝氣技術(shù)的可能性、可行性。針對(duì)蘇州河道的特征,應(yīng)選用相應(yīng)的模型來計(jì)算需氧量并選擇不同的充氧設(shè)備進(jìn)行曝氣復(fù)氧,同時(shí)配合多種措施來提高河道曝氣復(fù)氧的效果。合理運(yùn)用河道曝氣技術(shù)可以快速提高溶解氧、改善水體黑臭現(xiàn)象、凈化水質(zhì),在蘇州這樣的河網(wǎng)城市具有較為廣闊應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:河流污染治理;河道曝氣;蘇州市中圖分類號(hào):X522 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004O 6933(200601O 0030O 04Application of river aeration technology in river pollution control of Suzhou areaX U Xu 1,

3、CAO Jia -shun2(1.Environmental Protection Department,Suzhou Nuclear Po wer Research Institute Co.,Ltd,Suzhou 215004,China;2.College o f Environmental Science and Engineering ,Hohai University ,Nanjing 210098,ChinaAbstract:The possibility and feasibility of river aeration technique in river pollution

4、 control in Suzhou area were analyzed according to the principle and the development of the technique at home and abroad.According to the characteristics of rivers in Suzhou City,suitable oxygen requirement models and proper aeration equipments should be selec ted.Other river pollution control metho

5、ds can be used to obtain a better effect.Reasonable application of river aeration technology can increase DO rapidly,alleviate the situation of black water and bad smell,and purify water.There will be a bright future for river aeration technology in such river -net city of Suzhou.Key words:river pol

6、lution control;river aeration;Suzhou City 隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和人口迅速增加,蘇州水環(huán)境受到嚴(yán)重污染,河流富營養(yǎng)化不斷加劇。近年來人們正在探索各種河流污染的治理措施,如推廣河道強(qiáng)化凈化技術(shù)、進(jìn)行水生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與重建、底泥疏浚和引水沖淤等措施,其中河道曝氣技術(shù)也逐步引起了人們的關(guān)注。河道曝氣技術(shù)是充分利用天然河道和河道已有建筑就地處理污水的一種方法。該法綜合了曝氣氧化塘和氧化溝的原理,結(jié)合推流和完全混合這兩種流態(tài)的特點(diǎn),有利于克服短流和提高緩沖能力;同時(shí)也有利于氧的傳遞、液體混合和污泥絮凝,是一種有效的河流水質(zhì)凈化方法。1 國內(nèi)外河道曝氣技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)

7、介1,2從20世紀(jì)五六十年代起,英、德、美等發(fā)達(dá)國家就開始考慮解決日益嚴(yán)重的河道污染問題。其中,河道曝氣技術(shù)作為一種投資少、見效快的河流污染治理技術(shù),在很多國家被優(yōu)先采用。英國的Thames,德國的Ruhr 與Saar,澳大利亞的Swan 和美國的Home wood 等河流就先后利用河道曝氣技術(shù)改善河流的水質(zhì)。目前,河道曝氣技術(shù)在我國水環(huán)境質(zhì)量綜合治理中尚不多見,但近年來在一些大中城市已經(jīng)進(jìn)行了一定規(guī)模的河道人工曝氣復(fù)氧試驗(yàn),如北京的清河環(huán)境改善工程、上海的蘇州河河道曝#30#氣復(fù)氧工程、上澳塘和新涇港的曝氣工程試驗(yàn)、重慶的桃花溪曝氣措施等。國內(nèi)外的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,在河道中進(jìn)行充氧不但能改善

8、水體黑臭狀況,而且能使上層底泥中還原性物質(zhì)得到氧化或降解。曝氣在河底沉積物表層形成了一個(gè)以兼性菌為主的環(huán)境,并使沉積物表層具備了好氧菌群生長(zhǎng)刺激的潛能,從而能夠在較短的時(shí)間內(nèi)降低水體中有機(jī)污染物,提高水體溶解氧的濃度,增強(qiáng)水體的自凈作用,改善水環(huán)境。2河道曝氣技術(shù)的應(yīng)用形式3根據(jù)需曝氣河道水質(zhì)改善的要求(如消除黑臭、改善水質(zhì)、恢復(fù)生態(tài)等、河道條件(包括水深、流速、河道斷面形狀、周邊環(huán)境條件等、河段功能要求(如航運(yùn)功能、景觀功能等、污染源特征(如長(zhǎng)期污染負(fù)荷、沖擊污染負(fù)荷等的不同,河道曝氣復(fù)氧一般采用固定式充氧站和移動(dòng)式充氧平臺(tái)兩種形式。2.1固定式充氧站2.1.1鼓風(fēng)曝氣即在河岸上設(shè)置一個(gè)固定

9、的鼓風(fēng)機(jī)房,通過管道將空氣或氧氣引入設(shè)置在河道底部的曝氣擴(kuò)散系統(tǒng),達(dá)到增加水中溶解氧的目的。這種曝氣形式一般由機(jī)房(內(nèi)置鼓風(fēng)機(jī)、空氣擴(kuò)散器和相關(guān)管道組成。2.1.2純氧曝氣純氧曝氣系統(tǒng)的氧源可采用液氧(LOX或利用制氧設(shè)備(PSA制氧。分兩種形式:¹純氧微孔布?xì)庠O(shè)備曝氣系統(tǒng)(由氧源和微孔布?xì)夤芙M成;º純氧混流增氧系統(tǒng)(由氧源、水泵、混流器和噴射器組成。2.1.3機(jī)械曝氣將機(jī)械曝氣設(shè)備(多為浮筒式結(jié)構(gòu)直接固定安裝在河道中對(duì)水體進(jìn)行曝氣,以增加水體中的溶解氧。也分兩種形式:¹葉輪吸氣推流式曝氣器;º水下射流曝氣器。2.2移動(dòng)式充氧平臺(tái)即在需要曝氣增氧的河段上

10、設(shè)置的不影響河道航運(yùn)功能,并且可以自由移動(dòng)的曝氣增氧設(shè)施。國外報(bào)道較多的是曝氣船,主要用于在緊急情況下對(duì)局部河段實(shí)施有目的復(fù)氧。曝氣船可由渡輪改裝,通常采用液氧為氧源。3蘇州河道水環(huán)境及污染現(xiàn)狀a.地理及水系特征。受長(zhǎng)江和太湖的影響,蘇州城市水系非常復(fù)雜。蘇州市地處太湖為中心的淺碟形平原的底部,以平緩的平原地形為主。從水系分布上看,蘇州地處長(zhǎng)江、太湖下游,境內(nèi)湖泊、河道眾多,河湖串通,是典型的江南水網(wǎng)地區(qū)。蘇州古城區(qū)內(nèi)河道縱橫密布,園林池塘水體自成體系,水是城市的主要特點(diǎn)之一。b.水環(huán)境特征。蘇州古城區(qū)的水質(zhì)惡化非常嚴(yán)重,均為劣Õ類水質(zhì)。水體的B OD5、NH3-N、TN和TP4項(xiàng)指

11、標(biāo)均高于地面水Õ類標(biāo)準(zhǔn),其中,NH3-N、TN和TP的最大超標(biāo)倍數(shù)分別達(dá)1415、6154和4155倍,屬重污染程度,部分河段時(shí)有黑臭現(xiàn)象發(fā)生。c.水動(dòng)力條件。古城區(qū)內(nèi)的水體滯流現(xiàn)象非常嚴(yán)重。由于整個(gè)市區(qū)地勢(shì)平坦,河道坡降僅為十萬分之一,除大運(yùn)河外,主要河道水流十分緩慢,一般在011m/s以下。在自然情況下,內(nèi)城河大多呈滯流狀態(tài)。d.河道特征。正常水位情況下,蘇州的航道主干河道水深為2315m,非航道的其他河道水深在12m之間。市區(qū)河道寬窄懸殊,運(yùn)河河寬在50m 以上,內(nèi)城河河寬一般不足10m,環(huán)城河最寬斷面達(dá)135m,最窄斷面只有9m。e.污染源的特征。生活污水污染負(fù)荷較大。蘇州古

12、城區(qū)民居多為前面臨街后面靠河,生活污水直接排入河道的現(xiàn)象較為普遍。另外,古城區(qū)目前實(shí)行的是截流式合流制,雨天大量的未經(jīng)處理的生活污水也直接排入了河道。綜上可知,蘇州河道水環(huán)境的污染已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重,部分河流僅僅依靠天然的大氣復(fù)氧作用已經(jīng)很難有效改善河流水質(zhì)。另外,由于蘇州河道水流紊動(dòng)性小,氧的傳遞和擴(kuò)散速率慢,河水的自凈過程非常緩慢。因此,必須依靠河道曝氣技術(shù)進(jìn)行人工復(fù)氧,避免出現(xiàn)缺氧或厭氧河段,使整個(gè)河道自凈過程始終處于好氧狀態(tài),并有效改善、緩和水體的污染程度。4蘇州河道曝氣技術(shù)應(yīng)用探討4.1蘇州水系概況a.外城河水系。京杭大運(yùn)河從市區(qū)西北向東南穿城而過。蘇州古城區(qū)由環(huán)城河環(huán)繞。從西北流入環(huán)城河

13、的河流有胥江、楓津河、上塘河、十字洋河和元河塘。向東南出流的有大龍港、葑門塘、婁江和外塘河。環(huán)城河通過上述進(jìn)出水河流與外部水域相通,上承大運(yùn)河、太湖補(bǔ)給來水,下泄出水入長(zhǎng)江和大運(yùn)河。b.城區(qū)河道。蘇州古城區(qū)內(nèi)有三縱三橫的內(nèi)城河。入流古城區(qū)內(nèi)城河的河道有胥門新開河、閶門小河、平門小河、齊門小河等,中有節(jié)制閘,和環(huán)城河形成/三縱三橫一環(huán)0的河道布局。針對(duì)蘇州不同河流的特征,需要選用合適的模型計(jì)算其需氧量,并選用相應(yīng)的曝氣充氧設(shè)備。#31#4.2 需氧量計(jì)算污染水體的需氧量主要取決于幾類因素:¹水體的類型,按水流狀態(tài)分為靜止水體(如湖泊、水庫和流動(dòng)水體(如河流;º水體目前的水質(zhì),

14、即設(shè)計(jì)水質(zhì);»所要達(dá)到的預(yù)定目標(biāo),即改善后水體的水質(zhì)。其中水體類型的不同決定了需氧量計(jì)算方法的不同。通常水體需氧量計(jì)算可以表述如下:需氧量=還原物質(zhì)耗氧+生化耗氧+硝化耗氧+底泥耗氧-大氣復(fù)氧-藻類復(fù)氧4.2.1 組合式推流反應(yīng)器模型4較長(zhǎng)河道通常采用較簡(jiǎn)便的組合式推流反應(yīng)器計(jì)算模型進(jìn)行需氧量計(jì)算。假定各污染源只是在各反應(yīng)器首端集中進(jìn)入,各污染源入流水質(zhì)、水量恒定,各污染源進(jìn)入反應(yīng)器后立即同進(jìn)水均勻混合。其計(jì)算原理由圖1表示。 圖1 組合式推流反應(yīng)器模型計(jì)算原理4.2.2 箱式模型5對(duì)于小型靜止水體(如公園、居住小區(qū)的景觀湖泊或園林池塘,以及眾多滯流型的小河道、河段和斷頭浜,由于其面

15、積較小、水深較淺,且外界輸入污染負(fù)荷一般較小,因此可以采用基于一級(jí)反應(yīng)的箱式模型。此外,在缺乏水質(zhì)模型和污染源資料不全的情況下,還可以考慮通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)確定設(shè)計(jì)水體的耗氧特性曲線,來計(jì)算河流需氧量。根據(jù)蘇州不同水體的特征,可以選用相應(yīng)的模型來計(jì)算其需氧量,各模型的適用情況見表1。表1 蘇州水體需氧量計(jì)算模型的適用情況模型名稱特 點(diǎn)可適用的水體組合式推流反應(yīng)器模型分段越多結(jié)果越精確外城河、內(nèi)城河等箱式模型針對(duì)靜止水體或滯流型河道園林池塘、斷頭浜、小區(qū)景觀水體等4.3 充氧設(shè)備選型各種河道曝氣充氧設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍見表2。由表2可以看出:a.當(dāng)河水較深,需要長(zhǎng)期曝氣復(fù)氧,且曝氣河段有航運(yùn)功能要

16、求或有景觀功能要求時(shí),一般宜采用鼓風(fēng)曝氣或純氧曝氣的形式。但是,該充氧形式投資成本太大,鋪設(shè)微孔曝氣管需抽干河水、整飭河底,工程量很大,在鋪設(shè)過程中水平定位施工精度要求較高。另外,目前蘇州城區(qū)的部分河道還存在附表2 充氧設(shè)備特性曝氣類型曝氣設(shè)備特 點(diǎn)適用范圍鼓風(fēng)曝氣鼓風(fēng)機(jī)O 微孔布?xì)夤苷嫉孛娣e大,投資大,施工要求高,噪音大郊區(qū)不通航河流純氧O 微孔布?xì)庠O(shè)備占地省,運(yùn)行可靠,無噪音,充氧效率高有航運(yùn)需要的干流機(jī)械曝氣葉輪吸氣推流曝氣器占地省,安裝維修方便;葉輪易被堵塞纏繞,易起泡沫,影響美觀和航運(yùn)水下射流曝氣器不占地,噪音小,充氧效率高;維修麻煩城區(qū)小型河道,尤其是居民區(qū)的河道移動(dòng)曝氣曝氣船可自

17、由移動(dòng),經(jīng)濟(jì)、高效,有航運(yùn)要求城區(qū)主干河道近居民隨意傾倒垃圾的現(xiàn)象,容易導(dǎo)致布?xì)夤軗p壞,布?xì)夤軗p壞后維修又相當(dāng)困難。因此,目前在蘇州城區(qū)應(yīng)用鼓風(fēng)曝氣的充氧形式不太適合,當(dāng)技術(shù)成熟、市民環(huán)保意識(shí)顯著提高后,可以在蘇州城區(qū)合適的河段中運(yùn)用純氧微孔布?xì)庠O(shè)備曝氣系統(tǒng)進(jìn)行曝氣復(fù)氧。b.當(dāng)河道較淺,沒有航運(yùn)功能要求或景觀要求,主要針對(duì)短時(shí)間的沖擊污染負(fù)荷時(shí),一般采用機(jī)械曝氣的形式。這種曝氣形式優(yōu)點(diǎn)明顯,又非常適合蘇州市中小河道的特點(diǎn),可以考慮在蘇州城區(qū)中廣泛運(yùn)用。但對(duì)機(jī)械曝氣的設(shè)備還需要進(jìn)一步改進(jìn),尤其需重點(diǎn)考慮如何消除曝氣產(chǎn)生的泡沫、與周圍景觀相協(xié)調(diào)需重點(diǎn)考慮。c.當(dāng)曝氣的河段有航運(yùn)功能要求,需要根據(jù)水

18、質(zhì)改善的程度機(jī)動(dòng)靈活地調(diào)整曝氣量時(shí),必須考慮可以自由移動(dòng)的曝氣增氧設(shè)施。對(duì)于蘇州城區(qū)較大型的主干河道,當(dāng)水體出現(xiàn)突發(fā)性污染,溶解氧急劇下降時(shí)可以考慮利用曝氣船曝氣復(fù)氧。選擇曝氣船充氧設(shè)備時(shí),考慮到充氧效率、工程河道情況、曝氣船的航運(yùn)及操作性能等因素,通常選擇純氧混流增氧系統(tǒng)。另外,對(duì)于曝氣船的研發(fā)以及運(yùn)行管理可以參考上海蘇州河環(huán)境整治的成功經(jīng)驗(yàn)6。在蘇州城區(qū)大規(guī)模應(yīng)用河道曝氣技術(shù)治理水體污染時(shí),還需要重視工程的環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià),即合理設(shè)定水質(zhì)改善的目標(biāo),以恰當(dāng)?shù)剡x擇充氧設(shè)備。如景觀水體的治理,在沒有外界污染源進(jìn)入的條件下可以分階段制定水體改善的目標(biāo),然后根據(jù)每一階段的水質(zhì)目標(biāo)確定所需的充氧設(shè)備

19、的能力和數(shù)量,而不必一次性備足充氧能力,以免造成資金、物力、人力上的浪費(fèi)。5 提高蘇州河道曝氣處理效果的方法上海蘇州河的部分支流采取曝氣措施以來,黑臭現(xiàn)象略有好轉(zhuǎn),但效果不盡如人意。究其原因主#32#要有三點(diǎn):¹沒有徹底斷絕污染源(蘇州城區(qū)河道也有類似情況;º水體中微生物數(shù)量少,污染物降解慢,污染物的降解速度低于輸入速度;»充氧量不足,在工程上由于考慮到河道曝氣的成本,往往充氧不足。此外,還有一些其他因素,如溫度、曝氣量、微生物與水的混合程度、微生物的活性等。借鑒上海蘇州河經(jīng)驗(yàn),可以采取以下措施來提高蘇州地區(qū)河流人工復(fù)氧效果。5.1生物膜技術(shù)在一些沒有航運(yùn)需求、條

20、件適宜的河道中,可以利用生物膜技術(shù)來增加河流中的微生物數(shù)量。即在曝氣器周圍設(shè)置優(yōu)選的填料,并通過接種活性污泥的方法使填料上附著生長(zhǎng)大量微生物。把生物膜法跟曝氣復(fù)氧技術(shù)相結(jié)合運(yùn)用于污染河道的水質(zhì)改善,就形成了河道曝氣+生物膜原位凈化技術(shù)。在河道中應(yīng)用生物膜技術(shù)也存在一定的缺陷,比如生物膜脫落后會(huì)形成底泥淤積,因此需要對(duì)生物膜進(jìn)行定期的清理。5.2生物制劑應(yīng)用河道治理的生物修復(fù)技術(shù),可通過直接向水體投加生物菌種,依靠這些特種生物菌種的作用來降解水中特種污染物質(zhì);也可以向水體投加生物促生劑,通過促使水體/土著0微生物的生長(zhǎng)繁殖,達(dá)到凈化水體的作用。5.3浮床水上花卉通過在曝氣區(qū)域附近設(shè)置浮床水上花卉

21、,能夠有效阻隔由于曝氣造成的泡沫,改善曝氣帶來的景觀問題。常見的浮床水上花卉種類有美人蕉、黃花菖蒲等。如果管理得當(dāng),水上花卉既可以凈化水質(zhì),又能成為一道美麗的水上景觀。5.4其他生態(tài)化工程措施生態(tài)化措施主要是通過恢復(fù)河岸植被和河岸天然濕地,種植蘆葦、浮萍、睡蓮和水草等濕地水生植物提高水域凈化能力;為有效地控制水中藻類、水生植物的過度繁殖,致使水體缺氧,可以放養(yǎng)適量的魚類、河蚌和螺螄,通過生態(tài)系統(tǒng)中多條食物鏈的物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化和能量的逐級(jí)傳遞,將有機(jī)物和營養(yǎng)物進(jìn)行降解和轉(zhuǎn)化,達(dá)到去除污染的效果。生態(tài)化工程措施與河道曝氣復(fù)氧技術(shù)相結(jié)合將有利于河道生態(tài)的恢復(fù),有助于控制和減輕河道的污染狀況,也有助于河道的綠化美觀。5.5間歇曝氣運(yùn)行方式在保證曝氣段河水中的溶解氧大于110mg/L (不發(fā)生黑臭的前提下,可采取間歇曝氣的方式進(jìn)行處理,既減少能耗、節(jié)省運(yùn)行成本,又具有一定硝化反硝化脫氮的效果。在實(shí)際運(yùn)用中如果能結(jié)合自動(dòng)監(jiān)控設(shè)備,在水體溶解氧到達(dá)臨界目標(biāo)值時(shí)