张 炜，叶新霞

(1.河海大学设计研究院有限公司，江苏南京 210098；2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225127)

“生态兴则文明兴，生态衰则文明衰”。水作为生命之源、文明之要、生态之基，承载重要的生态功能。“水十条”2030年目标为:力争全国水环境质量总体改善，水生态系统功能初步恢复。21世纪中叶目标为生态环境质量全面改善，生态系统实现良性循环。河流系统作为水陆联系的重要纽带以及自然、社会、人文的综合载体，注重生态要素的水质提升是生态环境部重点流域水生态环境保护“十四五”规划编制的重要内容。

针对水质提升的技术，除控源截污完善、面源治理管控和水系流通外，目前常用的技术主要从物理、化学和生态等方面进行研究和应用。物理方法最常用的方法是清淤、引水补水和曝气等[1-4]；通过混凝沉淀剂、除藻剂、除磷剂、脱色剂等进行水质净化的方法是化学处理[5-7]；物理和化学处理方法的效果是短期和应急的，长效的处理方法则是采用生态方法，通过构建植物法、微生物法和生物膜的生态系统来净化水质[8-11]。目前，生态系统净化水质技术主要有生态浮床、生态湿地和生态塘等，但处理效果不仅受季节影响，而且受泄洪、汛期等水位变化的影响，在河道泄洪、水质净化方面应用具有一定的风险。

本工程结合先前的工程经验和生物过滤技术，主要采用生态滤墙+仿生水草等技术方法，针对水体中CODMn、氨氮和TP主要污染物进行吸收、吸附、截留，并利用微生物的生化降解作用，削减水体中的N、P、有机物等污染物，从而有效隔离、削减连通水体以及暗涵段水体中的污染物质对河道可能造成的污染，从而保证水源地水质达标且稳定，采用旋转装置和半墙布局等综合设置，从而也保障河道泄洪、汛期等水位变化的影响，减少河道的安全风险。

1 项目背景

徐州境内河流众多且水系密布，其中大沙河不仅具有防洪排涝功能，而且还是工业用水和生活饮用水的水源地。目前，受上游来水及沿线支流、排污口污染排放等因素的影响，大沙河草庙水源地——李口涵闸入库河口区部分河段水质指标如CODMn、氨氮和TP等超标，水体明显颜色暗黄和轻微黑臭等现象发生，严重影响大沙河草庙水源地保护区的水质稳定。

大沙河周边的大部分区域已经完成截污工作，但是控源截污不是很彻底和完善，仍有部分生活污水和工业污水排入河道，影响大沙河取水水质。污染源的来源主要有：1)生活污水入河，大沙河流域涉及生活污水入河的村庄有15处，平均每个村庄存在2处生活排口；2)农业面源污染，大沙河区域化肥、农药施用强度大，且不少养殖场存在排污不规范的问题，涉及到河流近堤坡种植、养殖的村庄有7处；3)补水通道水质不达标，梁西河作为大沙河草庙水源地的补水通道，存在水质不达标现象；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。

采集并检测李口涵闸进水口和涵闸上游水样，由检测结果可知，李口涵闸进水口及上游部分水质指标超标，如CODMn、氨氮和TP，此外，水体透明度也较差。大沙河取水口和华山闸断面CODMn、氨氮和TP指数也在5月—6月出现超标现象，这可能是李口涵闸闸口上游进水水质较差引起的。李口涵闸及闸口上游具体水质指标如表1所示。

表1 李口闸取水水质Tab.1 Water Quality of Likou Sluice

由表1可知，李口涵闸进水口及上游部分水质指标超标，如CODMn、氨氮和TP都不满足饮用水源地地表水Ⅲ类水标准限值，需要采取措施进行治理，为大沙河水源地达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类水标准提供保障。

2 工程技术措施

本次大沙河水源地水质提升水环境整治，主要是通过生态措施改善李口涵闸闸口上游入库区水质，为达到Ⅲ类水标准提供保障。目前主要的生态净化技术有浮动湿地、人工浮岛等措施，但这些技术措施在河道处于汛期水位变化大时往往难以适应，造成净化效果的缺失。而生态滤墙+仿生水草具有比表面积大、接触均匀、传质速度快和水头损失低的优点，滤墙可采用旋转方式不会因为水流的冲击而移动，当汛期来临时，可以打开固定装置，通过旋转机构，将滤墙旋转到岸边，达到泄洪的目的。从水质提升效果以及行洪安全性的角度考虑，生态滤墙+仿生水草方案优于其他方案，故本工程采用生态滤墙+仿生水草的方案。

本次水质提升工程采用生态滤墙+仿生水草结合的方案，布置范围为梁西河末端，共计约262 m(图1)。本次共布置6道生态滤墙，其中5道滤墙采用半断面形式，最后1道采取全断面布置(图2)。在6道生态滤墙间隔及前后河道段底部布置面积为10 500 m2的复合仿生水草，含仿生水草、曝气风机、控制系统。为保障生态滤墙微生物驯化，在河岸侧建设微生物驯化间1座，面积为45 m2，单层砖混结构房2间，同时作为控制间与仓储用房。

图1 生态滤墙+仿生水草位置平面图Fig.1 Location Plan of Ecological Filter Wall + Bionic Water Grass

图2 生态滤墙+仿生水草断面图Fig.2 Section Layout of Ecological Filter Wall + Bionic Water Grass

(1)生态滤墙

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(图3)。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、颗粒物等沉降。

图3 生态滤墙构造示意图Fig.3 Structure Diagram of Ecological Filter Wall

生态滤墙中运用的多孔载体具有比表面积大、接触均匀、传质速度快和水头损失低等优点，该载体为独立研发的多孔填料。滤墙中的多孔载体采用大孔、中孔和微孔设计，大孔保持良好的接触条件和防堵塞能力，能够截留大颗粒物及其所携带的营养物质；中孔和微孔中设计多种活性基团，有利于原水中微生物的附着，其中包括硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌等有利于氮、磷等营养物质去除的微生物。同时，附着的微生物能够产生生物膜絮体，该絮体具有较强的吸附作用，能够在较短的停留时间下显著降低水体中浑浊度、CODMn、氨氮和TP的含量。另外，通过对多孔载体内水体进行曝气，促进附着微生物数量的增殖，从而加速水体悬浮有机物质的降解，降低载体堵塞风险。

不同孔径的多孔载体其持水量可达2 500%，孔隙率约为98%，比表面积可达到0.35～1.00 m2/g，与常规的生物技术相比，可以高出10～20倍的生物量，使用寿命为10～15年。生态滤墙所用的载体填料是在食品级日用清洁海绵和过滤材料的基础上经过特殊工艺研制而成，具有透气性好、耐腐蚀、耐老化等优点。

生态滤墙共计6道。①半段面滤墙5道：设计上宽为22 m，下底宽为14 m，高度为2.7 m，底部不透水围隔布0.5 m，滤墙厚度为1 m，有效体积为48.6 m3；②全断面滤墙1道：设计上宽为30 m，下底宽为14 m，高度为2.7 m，底部不透水围隔布0.8 m，滤墙厚度为1 m，有效体积为59.4 m3；③填料：多孔网泡改性填料；④太阳能光电板为1 m；⑤生态滤墙配置1块光电板曝气头：Φ=215 mm，1个/m2；⑥生态滤墙框架：SUS304材质；⑦生态滤墙浮体：尺寸及材料：0.5 m×0.5 m×0.4 m，高分子聚乙烯材料。

(2)仿生水草

仿生人工水草为微生物营造更加优越的生存空间，除提供更多的生长附着空间外，其精确设计的微孔结构有序地引导微生物的种类，数百倍放大微生物的数量，培养高效的微生物系统，快速降解水体中的污染物，从而大大强化水体的自净能力，提高水体的环境容量。仿生人工水草技术的核心是用特殊工艺编织成的高效生物载体，模仿水草形态。

辫带式仿生人工水草下端固定在河床底或塘底、湖底，上端呈自由飘游状态(图4)。当河水被净化澄清透明后，这些填料由于其表面附着生长藻类而呈绿色，左右漂游像水草。

仿生水草特征描述：①比表面积大、空隙率高，使得启动挂膜快、脱膜更新容易；②能有效切割气泡，提高氧转移率和；③模拟天然水草形态，不易纳藏污泥，安装方便，使用寿命长，耐高负荷性冲击。

图4 辫带式仿生人工水草实景图Fig.4 Real Scene of Braided Belt Artificial Bionic Water Grass

3 研究结果与讨论

该工程从2020年10月开始运行，运行情况良好，针对李口涵闸闸口上游入库区水质进行检测，并对此进行水质分析。为了便于水质检测的稳定性和准确性，滤墙前段、中段和后段的取样距离在135 m左右。污染物去除率计算如式(1)。

q=[(SO-Se)/SO]×100%

(1)

其中：q——去除率；

SO——进水污染物质量浓度，mg/L；

Se——出水污染物质量浓度，mg/L。

3.1 水体中CODMn处理效果

图5是工程运行后滤墙前段、中段、后段的水体中CODMn处理效果。

图5 水体中各段CODMn处理效果Fig.5 Treatment Effect of CODMn in Each Water Body Section

由图5可知，水体中的CODMn质量浓度(滤墙前段)在5.8～13.8 mg/L，并且CODMn随着季节的变化而变化。春秋季的CODMn一般比较高，质量浓度(滤墙前段)一般在8.6～13.8 mg/L；冬季溶解氧溶解度高和污染物减少等因素，造成CODMn一般比较低，质量浓度(滤墙前段)一般在5.8～8.6 mg/L。对滤墙前段、中段、后段的CODMn分别进行测定，利于分析滤墙和水草的处理效果。通过对比滤墙不同阶段的处理效果，则CODMn去除率在27.3%～41.2%；滤墙中段和后段的CODMn去除率在17.5%～36.5%；总CODMn去除率在44.0%～60.4%。由此可知，春秋季的CODMn的本值相对较高，而且滤墙中的微生物比较活跃，相对冬季的CODMn去除率来说要高。同时，出水的CODMn质量浓度在3.3～5.6 mg/L，总体出水效果优于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中III类水的水质，说明采用生态滤墙和仿生水草对于CODMn的处理效果是比较显著的。

3.2 水体中氨氮处理效果

图6是工程运行后滤墙前段、中段和后段水体中氨氮的处理效果。

图6 水体中各段氨氮处理效果Fig.6 Treatment Effect of Ammonia Nitrogen in Each Water Body Section

由图6可知，水体中的氨氮质量浓度(滤墙前段)在0.8～2.2 mg/L，且氨氮随着季节的变化而变化。春秋季水体中的氨氮一般比较高，质量浓度(滤墙前段)一般在1.1～2.2 mg/L；冬季受污染物减少等影响，氨氮一般比较低，质量浓度(滤墙前段)一般在0.8～1.1 mg/L。同时，对滤墙前段、中段和后段的氨氮分别进行测定。根据测定结果分析，通过对比滤墙前段和中段的氨氮处理效果，则去除率在25.0%～44.4%；滤墙中段和后段氨氮的去除率为25.0%～44.4%；氨氮总去除率在50.0%～66.7%。由此可知，春秋季的氨氮本值相对较高，而且滤墙中的微生物比较活跃，相对冬季的氨氮去除率较高;同时，出水的氨氮质量浓度在0.4～0.8 mg/L，总体出水水质效果优于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中III类水，说明采用生态滤墙和仿生水草对氨氮的处理效果比较显著。

3.3 水体中TP的处理效果

图7是工程运行后滤墙前段、滤墙中段和滤墙后段水体中TP的处理效果。

图7 水体中各段TP处理效果Fig.7 Treatment Effect of TP in Each Water Body Section

由图7可知，水体中TP质量浓度(滤墙前段)在0.15～0.65 mg/L，且TP是随着季节的变化而变化。春秋季的TP一般比较高，质量浓度(滤墙前段)一般在0.30～0.65 mg/L；冬季受污染物减少等影响，TP一般比较低，质量浓度(滤墙前段)一般在0.15～0.30 mg/L。分别进行测定滤墙前段、中段和后段的TP，便于分析滤墙和水草的处理效果。滤墙前段和中段的TP去除率在33.3%～50.0%；滤墙中段和后段的TP去除率也在20.0%～50.0%；总TP去除率在46.7%～70.0%。由此可知，春秋季的TP的本值相对较高，而且滤墙中的微生物比较活跃，相对冬季的TP去除率来说要高；同时，出水的TP质量浓度在0.08～0.20 mg/L，总体出水效果优于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中III类水的水质，说明采用生态滤墙和仿生水草对于TP的处理效果比较显著。

3.4 主要经济技术指标

本工程投资经济费用：土建费用为14.5万元；设备安装费用为478.68万元；总投资费用为493.18万元。运行维护费用：底层复氧生物载体的曝气电费为8.5万元/a；生态滤墙和底层复氧生物载体维护费用为15.0万元/a；人工费用为5.0万元/a；最终直接运行费用约为28.5万元/a。技术指标：生态滤墙长度为262 m；仿生水草面积为10 500 m2；驯化间面积为45 m2。

4 结论

采用的旋转系统保障具有行洪、泄洪的入库河段安全，同时河段设置的生态滤墙和仿生水草等生态净化设施对主要污染物CODMn、氨氮和TP的去除率比较显著，且工程建设费用和运行费用较节省。

(1)根据技术经济指标分析可知，本工程的措施对于入库河段具有技术可行性，相比较于固定的生态浮床等生态处理技术，由于旋转系统的设置，保障了泄洪安全，同时也对水质进行净化。经济上合理，技术上可行，适合于泄洪河道的水质净化。

(2)采用生态滤墙和仿生水草对于大沙河中的主要污染物CODMn、氨氮和TP的去除率为44.0%～60.4%、50.0%～66.7%和46.7%～70.0%，整体处理效果还比较显著，而且出水水质效果优于《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中III类水。

(3)工程的建设费用为14.5万元，设备安装费用为478.68万元，总投资费用为493.18万元；运行维护费用测算直接费用约为28.5万元/a。考虑环境效益，削减的CODMn、氨氮和TP可以大大减轻水环境容量，大大提高水源地的环境保护和安全。

(4)工程采用旋转装置、生态滤墙和仿生水草等综合设置，适合于河道泄洪、汛期等水位变化大，且对水质有净化要求的项目，具有很好的推广价值。同时，为了更好净化水质，建议下一步研究和优化生态滤墙和仿生水草的间距和搭配比例。