原位生物處理在城市斷頭河水質改善中的應用
城市斷頭河因長期水體滯留普遍存在著水質較差的問題，它嚴重影響了城市整體水環境。原位生物處理技術在揚州市城市內河楊莊河水質改善中的應用，收到了很好的效果。
1 楊莊河水系概況及水環境現狀分析
1．1 水系
楊莊河地處揚州市中心城區，東連蒿草河，西接新城河（排澇河），蒿草河北端與瘦西湖相連（有壩控制），南端與荷花池、安墩河相通，新城河南端與古運河相通，北端為斷頭河。新城河、蒿草河的上游（北端）無來水，南端與古運河相連處均有閘門控制，水體處于靜止狀態。因此，在非降雨期，楊莊河無流量，水體處于靜止狀態。
楊莊河總長1450 m，東端與蒿草河自然連接，西端與新城河通過暗管相連，并有閘門控制，實際河段長度1236 m。兩岸為石駁岸，岸坡形式為斜坡或直立，河寬7.5～14 m。
1．2 水環境現狀
楊莊河水存在水體黑臭、生態效果差兩方面的問題。楊莊河污染重，承受著污水排放、底泥污染釋放、生活垃圾傾倒等三方面的污染，而且水體又不流動，無水生生物，自凈能力差，使水體處于黑臭狀態。河道為硬質駁岸，沿岸無生物，生態效果差。
楊莊河沿岸主要是居住用地，東段為楊莊農家庭院式住宅，排水系統不完善，沿河污水截流不徹底，有分散污水口直排河道。兩岸還有部分種植用地，種植蔬菜等農作物，存在面源污染。楊莊河西端兩側為四季園小區，排水體制混亂，且直排河道。正在實施的楊莊河截污工程，將截流大部分的直排污水，使污染源大大減少，但分散式庭院排水難以完全截流，將繼續對河道產生污染。由于長期的污水排放，河底沉積了高污染底泥，平均厚度達到20 cm以上，成為高強度污染源。
由于污染源的存在，以及低下的自凈能力，截流后的楊莊河水質仍將維持在較差的水平。
2 水質凈化
在實施截污工程后，楊莊河仍然存在外源和內源污染，而且由于自凈能力差，將難以維持較好的水質。因此，在實施截污工程后，應繼續實施水質凈化改善工程，才能將水質維持在較好的水平。可以從兩個方面提高水體的自凈能力：一方面引客水入楊莊河，使水流流動；另一方面，種植水生植物，培育水生生態環境，提高自凈能力，同時也改善了景觀效果。
引水措施是從楊莊河一端引水，從另一端排出。水生植物凈化措施包括：在水面設置生物浮床、水岸種植濕生植物、投放低等級動物。由于楊莊河兩端的引水水質均較差，因此，還應對引水水質進行適當處理。
2.1 引水
“治理河流的基本標準是‘不污不竭’，即一定要有活水，一定不要污染。”因此，應有常年流量20%的水均勻流過，使河流在流量、泥沙輸移、寬深比等方面達到動態平衡。所以，該項目前提是選擇補給水源。
2.1.1水源
楊莊河引水水源在兩端相連的河道中選擇。西端的新城河北段為斷頭河，南端與古運河相連，有閘門控制，且古運河水位低于新城河，因此，兩端均無水源。東端的蒿草河，其北端與瘦西湖相連，南端與荷花池相連，因而與瘦西湖活水工程相通。瘦西湖活水工程的部分水體從荷花池南下，經安墩閘進入古運河。如果楊莊河引水方案從蒿草河引水，由西端排入新城河，再排入古運河，實際上是分流了一部分瘦西湖活水工程的出水，使其經過瘦西湖/ 荷花池——蒿草河——楊莊河——新城河——古運河，這就擴大了活水工程的活水范圍，使沿途的蒿草河、楊莊河、新城河均受益。因此，楊莊河引水水源選擇蒿草河。
2.1.2實施方法
在與蒿草河相交處的楊莊河上建低壩，抬高楊莊河水位。用潛水泵將蒿草河水抽入楊莊河后，自東向西自流進入新城河，再由新城河排入古運河。
控制水位：由楊莊河末端出口閘門（現有）控制河內水位，使水位到達直立/ 斜坡駁岸的坡腳，以便在斜坡岸腳種植水生植物，制造水岸銜接效應，需提水高度約0.8 m。
換水周期及換水量：換水周期應綜合考慮水質改善效果、投資和運行費用。為了保證換水周期內水體溶解氧不小于1 mg /L，水質不發臭，首先對換水進行適當的處理和充氧，使水體BOD5降低到10 mg /L 以下，溶解氧恢復到6 mg /L 以上。水體在楊莊河流動過程中還發生著底泥耗氧和水面覆氧，30℃條件下底泥耗氧速率按2400 mg /（m2·d）考慮，水面覆氧按3000 mg /（m2·d）考慮，平均水深1.8 m。則河水溶解氧平衡為：
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為了保證末端水體溶解氧大于1mg / L，則水體停留時間（換水周期）為：
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因此，建議換水周期為3 d。河道水體總體積26440 m3，則換水流量為0.102 m3 / s。
不同換水周期時的換水量和運行費用見表1。
2.1.3工程內容
a. 鋼筋混凝土低壩：7.2 m×0.8m×3.5 m。
b. 低揚程潛水泵2 臺（1 用1 備）。
2.2 水質凈化
為了保證換水水質，降低引水耗氧量，增加水體溶解氧，采取曝氣、原位生物接觸氧化、生態凈水磚等3 項水質凈化措施。
2.2.1曝氣
為了提供原位生物接觸氧化需氧量，并保證向后輸送的水體有較高的溶解氧，使整個河道不致發生厭氧狀態，應向引水中曝氣。
a. 曝氣方法。可供選擇的曝氣方法有：鼓風曝氣、潛水曝氣、轉盤曝氣。鼓風曝氣需要新建鼓風機房，并在水底安裝曝氣管和曝氣頭；潛水曝氣在水底安裝潛水曝氣機；轉盤曝氣在水面安裝轉刷曝氣機。各種曝氣方式的優缺點比較見表2。
經比較，選擇轉盤曝氣方案。
b. 設計充氧量。引水溶解氧按2mg / L 考慮，充氧后溶解氧達到8mg / L，使得水體經過原位生物接觸氧化后，仍有6 mg / L 的維持溶解氧。引水流量0.102 m3/ s，則需要的充氧量為2.2 kg /h。
c. 設備選擇。由于需要的充氧量較小，定制1 臺小型的轉盤曝氣機，直徑1400 mm，長度9 m，功率11kW。
2.2.2原位生物接觸氧化方案
a. 設計水質。引水水源含有易于生物降解的有機物，消耗水中氧氣，使水體產生色度和嗅味，因此，應對引水水質進行適當的處理，降低水中的BOD 含量。根據揚州市環保局的監測結果，內城河水質為劣Ⅴ類，BOD5平均值為11.1 mg / L，最劣為129 mg /L。經過水質凈化工程后，水質應達到Ⅴ類水質標準。因此，取設計進水水質BOD5＝20 mg /L，出水水質BOD5＝10 mg /L。
b. 工藝選擇。為了節省造價，節約用地，將水處理設施設置于河道中。生物降解水中有機物的方法包括：活性污泥法和生物膜法。活性污泥法工藝復雜，不適合在河道中設置，應此采用生物膜法。生物膜法包括：生物接觸氧化、生物過濾。由于生物過濾的水頭損失較大，因而采用生物接觸氧化法。
c. 填料選擇。生物接觸氧化填料的類型有：立體彈性填料、軟性填料、空心球填料等。立體彈性填料和軟性填料均為纖維狀，容易沾附懸浮物，易產生污泥，生物膜更新需要較強的水力攪動條件和曝氣條件，安裝也較麻煩。因而，采用多面空心球填料，其比表面積大，污泥產量少，安裝容易。
d. 停留時間及填料體積。要將引水BOD5從20 mg/L 降低到10 mg /L，去除率為50%，約需要水力停留時間2 h。多面空心球填料的堆放孔隙率為92％，經計算，需要填料體積為798 m3。
河道橫斷面積為19 m2，因而生物填料區的布置河長為42 m。
e. 安裝方法及工程內容。在生物接觸氧化區河底鋪設一層素混凝土，在兩端河橫斷面設格柵，圍護生物填料，河面設頂格柵，防止填料上浮。河中心設8 根支撐柱，支撐頂格柵。共需多面空心球生物填料600 m3，混凝土70 m3，砌石5 m3。
2.2.3生態凈水磚
將具有高效凈水能力的微生物——發酵大豆桿狀菌與多孔礦物顆粒、強堿火山灰水泥拌和，制作成多孔隙的生態凈水磚。包埋固化在生態凈水磚中的微生物在水環境中能快速繁殖，并向水中釋放，起到長效凈化水質的功效。
將生態凈水磚敷設于多面空心球生物接觸區下游的河底上，敷設長度30 m，敷設面積256 m2。先在河底鋪一層素混凝土塊，在混凝土初凝前將生態凈水磚放置在素混凝土上，每塊凈水磚之間留一定的間距，保持每塊凈水磚有5 個面向水中釋放微生物。約需凈水磚9.1 m3。水質凈化工程布置見圖1。
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圖1 水凈化工程布置圖
3 水質保持方案
楊莊河在引水輸送過程中仍存在一定外源污染和底泥內源污染，為了保持河水水質，應沿河道采取一定的水質改善措施。目前，國內外已有采用生物浮床改善城市河道水質的案例，將水生或陸生植物安放固定在漂浮載體上，植物根系伸入水中，吸收水中污染物。同時，發達的植物根系是微生物天然的載體，并在根系周圍形成微生物、浮游動物小型生態系統，對水質產生凈化作用。
常用的浮床植物為美人蕉，其特點是花期長，景觀效果好，但不能越冬，因此，對楊莊河浮床植物的選用需滿足以下要求：a.根系發達；b.枝葉量小，四季常綠（半綠）；c.生存能力較強；d.有一定的觀賞性。
表1 引水工程不同周期的投資運行費用比較
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表2 曝氣方式比較
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根據上述要求，綜合考慮水質凈化效果、價格和觀賞性，選擇3 種類型的浮床植物進行搭配，分別是：常綠植物——西伯利亞鳶尾，占45％；半常綠植物——黃菖蒲（鳶尾屬），占45％；觀賞植物——水生美人蕉，占10％。
西伯利亞鳶尾，葉片寬2~3cm，株高40~50cm。花期5~6 月，花色有蘭色、紫紅色、白色。該品種最大的特點是終年常綠，冬季的長勢尤為好，在-15℃仍保持葉片翠綠，是水生花卉中難得的四季常綠品種。它有發達的須狀根。
黃菖蒲又名水生黃花鳶尾，是水生鳶尾中的驕子。花色黃艷，花期5～6月份。葉劍形，株高60~120cm。可分根繁殖，也可種子繁殖。黃菖蒲具有發達的絮狀根系。春、夏、秋三季長勢良好，冬季處于半綠狀態，能自然越冬，來年不需重新種植。
西伯利亞鳶尾和黃菖蒲共同的特點是，耐寒、枝葉量少、根系發達、生存能力較強。
浮床總面積3400 m2，布置的河段長度500 m。
4 岸坡綠化方案
1．水陸交界銜接帶：沿水面線開設30 cm寬種植槽，夾種水菖蒲和水生美人蕉。既起到水質凈化及水生態效果，又起到水陸銜接效果。
2．岸坡綠化：將水面、水岸綠化引向地面，改善石駁岸的生態效應。對較寬的斜坡，每隔20 m開設一條垂直于水面線的種植槽，槽寬1 m，種植美人蕉等植物，并夾種常青植物。對直立岸坡和較窄的斜坡（四季園），在岸肩種植常青藤、爬山虎，垂掛于岸坡，直接與水面綠化銜接。
5 低等級動物及魚類的投放
考慮到目前楊莊河河體生物單一，約需投放本土低等級動物河蚌、河螺2000 kg，鰱魚1000 尾，這樣不僅可以控制浮游生物的生長，而且可以恢復河體生物的多樣性。
6 投資估算
工程總投資估算315.635 萬元；
運行電費：30000 元/ 年；
運行管理費：20000 元/ 年。
7 運行后的效果
項目運行2 個月后，水體黑臭現象消除，水質明顯改善，水體澄清，可見度達50 cm。
水質改善情況：DO 由0.3 mg / L提高到4.2 mg / L；COD 由80 mg / L降低到25 mg / L；NH3—N 由3.5 mg / L降低到1.8 mg / L。水質改善效果明顯。
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