石花水库水质提升治理技术方案初探
肖翔 阚飞
(四川省水利科学研究院，四川 成都 610072)
1 研究背景
由于工业化、城市化和现代农业的快速发展以及人类活动的不断干扰，导致大量的营养元素(N、P等)及有机物排入一些面积较小、流动性差的小微水体，这些受污染的小微水体会随着洪水或在高水位时流入大水体，影响到大河道乃至整个流域的整体水质状况。主要表现为环境水体中的溶解氧减少、透明度下降、藻类频繁爆发、水质发黑发臭、水生态功能退化、水质性缺水日趋严重。这不仅会导致水体中的动植物和微生物的大量死亡，还会严重威胁到水生态安全，并通过食物链危害人类的健康。
石花水库位于四川省内江市东兴区三烈乡境内，是一座以灌溉为主，工业和生活供水为辅的水利工程。其所在的肖家湾支沟及三烈镇污水处理厂尾水处总磷浓度超标，但由于其集雨面积较大、水库换水补水率较高，因此需对水库水质进行综合治理。
针对石花水库地理、水文、水质、气象、内外源污染和水生态现状等方面，采用与水库管理人员和当地乡镇干部座谈、村民走访、资料收集、实地观测和样品采集相结合的方法，对水库开展了水环境现状调查和治理前期准备工作。
2020年3月，采用RTK对石花水库污染源进行复核调查及现场测量工作，用以细化面源污染治理设计方案，并初定了以面源污染控制为主的生态化治理思路；2020年8月，采用无人机测量技术对石花水库进行数字航空摄影及污染源细部调查，完成水库正射影像图、数字线划图及三维模型的制作，并基于此形成试点水库面源污染治理设计方案；2020年10月，四川省水科院项目组成员前往内江市对石花水库进行面源污染控制点位确定及工作量复核，并同时开展相关治理工作，主要工程措施包括生态沟渠、生态浮岛、植物篱、岸坡生态修复及水生植物缓冲带等。石花水库调查样点平面布置见图1。
图1 石花水库调查样点平面布置
2 方法简介
针对石花水库特点，摸清各种现状(水库类型及形态、污染源、水质、水深、水下地形、底泥及其污染物释放原因、水生态等)基础上，采用物理、化学、生物等多种技术手段对水库底泥、水体及外源入库径流污染进行治理，使底泥污染物释放得以控制(或底泥污染物得以消纳削减)、水体目标污染物得以净化、外源入库径流污染得以拦截，从而使水库的水质从劣V类转为非劣V类，达到水库水质提升目的。
2.1 底泥治理
综合利用底泥原位覆盖、化学钝化、深层曝气和微生物等修复技术，控制底泥污染物的释放。
2.2 水体净化
以移动平台或浮床为载体，采用曝气、生物膜、絮凝沉淀等技术，净化库区水体污染物。
对于库区污染严重部位(如库湾、岸线外源径流入库区等)，实施生态浮岛、生态网膜等技术。
2.3 面源径流拦截
在库区岸线外源径流入库的关键部位构建生物强化减污渠，截留外源径流污染物。
图2 水库水质提升治理技术路线
3 技术方案
3.1 底泥治理
查明底泥污染物释放的主要原因，如果由于过多鱼类扰动造成的底泥污染物释放，需要减控鱼类数量。结合待治理水库类型、底泥污染特征、水深及水下地形等特点，采用物理、化学、生物等技术手段对水库底泥污染进行治理，使底泥污染物释放得以控制或底泥污染物得以消纳削减。
3.1.1 磷污染底泥治理
针对总磷污染底泥的处理，采用原位覆盖或原位钝化治理方式。
3.1.1.1 原位覆盖
原位覆盖材料选用生态覆盖毯与生态草组合的构型。生态覆盖毯与生态草的组合方式见图3，将生态草下端固定在生态覆盖毯上，上端悬挂于浮球上。铺设方法：将覆盖材料通过深水施工设备平铺到沉积物表层，利用不锈钢锚将覆盖材料四周固定。若原位物理覆盖造成局部厌氧环境时，根据需要，结合深层曝气技术，提高沉积物微环境中溶解氧，以防止厌氧条件加速沉积物中内源磷的释放。
图3 原位覆盖技术示意
3.1.1.2 原位钝化
采用锁磷剂对表层底泥中的磷进行原位钝化，在浅水水体，采用直接喷洒投加的方式；在深水水体，先将锁磷剂配制成悬浊液，通过深水施工设备直接投加至表层底泥。投加锁磷剂可同时絮凝沉淀水体和底泥中的磷。
3.1.2 有机污染底泥治理
针对有机污染底泥的处理，采用深层曝气(或施用溶解氧缓释剂)和微生物修复技术结合的方式，直接吸收和降解污染物。
3.1.2.1 深层曝气方案
水库周边具备电力条件时，曝气机固定安装于岸上，通过铺设曝气管网，进行深层曝气，电源供应采用交流电，曝气方式采用间歇曝气。水库周边不具备电力条件时，采取施用溶解氧缓释剂的方式。在浅水水体，采用直接喷洒投加的方式；在深水水体，通过深水施工设备直接施入库底水-泥界面。
3.1.2.2 微生物修复方案
针对待治理水库底泥的污染情况，以及土着菌的丰富度和活性，选择采用微生物菌剂(专性优势菌)处理底泥，还是通过对部分土着菌进行增富培养，提高其在湖泊微生物中的比重，以及对部分污染物的降解专性，从而降解底泥中有机污染物。
3.2 水体净化技术
3.2.1 曝气
曝气方式根据需要和现场条件，可选择固定式曝气或移动式曝气(移动式曝气适用于表层曝气；固定式曝气可用于表层或深层曝气)。
3.2.1.1 固定式曝气方案
曝气机固定安装于岸上，通过在表层或深层铺设曝气管网，进行间隔曝气，电源供应采用交流电。
3.2.1.2 移动式曝气方案
移动平台上搭载曝气机在水体表层进行曝气，电源供应选择蓄电池或太阳能，曝气方式采用间歇曝气。
3.2.1.3 曝气强度和曝气间隔时间的选择
通过定期监测水体中溶解氧含量，调整曝气强度和曝气间隔时间，即当溶解氧含量低于3mg·L-1时，开始提高曝气强度和缩短曝气间隔时间。
3.2.2 生物膜水质净化
生物膜水质净化根据需要和现场条件，可选择固定式生物膜水质净化或移动式生物膜水质净化。固定式生物膜水质净化方案：生物膜载体选用聚氨酯泡沫或生态网，采用生态浮岛等形式固定安装于岸线浅层水体，结合表层曝气技术进行固定式生物膜水质净化，曝气机的电源供应选择交流电或太阳能电源。
图4 固定式生物膜水质净化
3.2.3 化学沉淀
综合考虑技术效果、成本和生态风险等因素。建议以喷洒锁磷剂为主、铁碳微电解法为辅，净化库区水体磷。
3.2.3.1 喷洒锁磷剂
实际应用中，先将锁磷剂按照比例与水混合形成均匀的悬浊液，以水上施工船或者二代移动平台为载体，然后用投加泵将悬浊液通过喷洒管均匀地喷洒到水体表面。
3.2.3.2 铁碳微电解法
针对铁碳微电解产生的絮体颗粒小、沉降慢，导致水体浑浊发黄等问题，以移动平台或浮床为载体，安装铁碳微电解系列装置，并优化铁碳微电解技术工艺，缩短水力停留时间，提高处理能力。
具体技术工艺流程：在铁碳微电解的下一工序中投加聚合氯化铝PAC以及聚丙烯酰胺PAM，增加絮凝效果，加快沉降；经过初沉后，在后续工序中用吸附材料(如聚氨酯填料)安装斜板，通过斜板沉淀沉降、吸附材料吸附细颗粒絮凝体，从而降低水体浊度，提高除磷效率；斜板沉淀处理后的水进入循环池，达标后外排，否则泵回至铁碳微电解装置。
在优化后的技术工艺下，预期达到的效果为处理总磷浓度为1.0mg·L-1以下的水体，可将水力停留时间(水体在铁碳微电解除磷工艺系统中的停留时间)缩短至4h以内。
3.2.4 生态浮岛或生态网
对于库区关键部位(如污染严重的库湾、岸线外源径流入库区等)，采用生态浮岛或生态网并结合上述相关技术，强化治理修复。
图5 生态浮岛布设示意图及其立体图
3.3 外源入库径流拦截
在库区岸线外源径流入库的关键部位构建生物强化减污渠，截留外源径流污染物。具体而言，结合待整治水库外源径流入库的位置、地形、径流量、污染物浓度等特点，充分利用已有的排水沟渠，经适当整治改造，在沟渠中合理布置对氮、磷等污染物具有吸附作用的砂砾石、生物衬砌材料和黏土矿物等基质材料，栽植可高吸附氮磷的乡土沟渠植物5～8种，设置具有除氮、固磷、分解有机污染物等作用的仿生植物——碳纤维生态草，从而形成具有物理化学吸附、生物吸收、微生物分解和固定等多种功能的生物强化减污渠。
4 结语
本文以石花水库水质提升工程为例，介绍了主要的水质提升治理措施，对于确保库区水体不再持续恶化并恢复自净能力有较大的促进作用。水库主要治理对象是库区底泥、水体及部分面源(包括库周的水田、鱼塘、村镇污水处理厂尾水等)入库径流磷污染物。
对于磷污染底泥而言，通过减控水库底层鱼类的数量，并在重点污染部位(如坝前区域)采用原位覆盖或原位钝化治理，即可有效控制底泥磷的释放。
对库区水体而言，局部实施曝气，可显着增加水体溶解氧水平，改善水体环境并增强其自净能力，能够抑制底泥磷的释放；磷污染严重区(如坝前区域)，通过喷洒锁磷剂，可快速净化水体磷，且无生态环境负效应。对于库区关键部位(如磷污染严重的库湾、岸线外源径流入库区等)，采用生态浮岛或生态网，强化治理修复效果较好。
对库区面源径流入库磷污染物，采用生物强化减污渠、人工湿地、植物篱等，能够显着削减去除面源径流磷，效果好，成本较低。
在精准治污、水质总体改善的基础上，利用调整水生生物群落结构的方法对水库实施生物操纵，可达到长效维持水库水质的目标。
综上所述，通过对库区磷污染底泥、水体、面源径流磷污染物实施针对性的治理、削减、拦截等技术措施，并配合生物操纵技术，可以达到提升水库水质、恢复水库水体自净能力并长效维持水质的目的。
本文由 @ 修订发布于 2024-11-25 20:51:11
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