原位生物处理在城市断头河水质改善中的应用
城市断头河因长期水体滞留普遍存在着水质较差的问题，它严重影响了城市整体水环境。原位生物处理技术在扬州市城市内河杨庄河水质改善中的应用，收到了很好的效果。
1 杨庄河水系概况及水环境现状分析
1．1 水系
杨庄河地处扬州市中心城区，东连蒿草河，西接新城河（排涝河），蒿草河北端与瘦西湖相连（有坝控制），南端与荷花池、安墩河相通，新城河南端与古运河相通，北端为断头河。新城河、蒿草河的上游（北端）无来水，南端与古运河相连处均有闸门控制，水体处于静止状态。因此，在非降雨期，杨庄河无流量，水体处于静止状态。
杨庄河总长1450 m，东端与蒿草河自然连接，西端与新城河通过暗管相连，并有闸门控制，实际河段长度1236 m。两岸为石驳岸，岸坡形式为斜坡或直立，河宽7.5～14 m。
1．2 水环境现状
杨庄河水存在水体黑臭、生态效果差两方面的问题。杨庄河污染重，承受着污水排放、底泥污染释放、生活垃圾倾倒等三方面的污染，而且水体又不流动，无水生生物，自净能力差，使水体处于黑臭状态。河道为硬质驳岸，沿岸无生物，生态效果差。
杨庄河沿岸主要是居住用地，东段为杨庄农家庭院式住宅，排水系统不完善，沿河污水截流不彻底，有分散污水口直排河道。两岸还有部分种植用地，种植蔬菜等农作物，存在面源污染。杨庄河西端两侧为四季园小区，排水体制混乱，且直排河道。正在实施的杨庄河截污工程，将截流大部分的直排污水，使污染源大大减少，但分散式庭院排水难以完全截流，将继续对河道产生污染。由于长期的污水排放，河底沉积了高污染底泥，平均厚度达到20 cm以上，成为高强度污染源。
由于污染源的存在，以及低下的自净能力，截流后的杨庄河水质仍将维持在较差的水平。
2 水质净化
在实施截污工程后，杨庄河仍然存在外源和内源污染，而且由于自净能力差，将难以维持较好的水质。因此，在实施截污工程后，应继续实施水质净化改善工程，才能将水质维持在较好的水平。可以从两个方面提高水体的自净能力：一方面引客水入杨庄河，使水流流动；另一方面，种植水生植物，培育水生生态环境，提高自净能力，同时也改善了景观效果。
引水措施是从杨庄河一端引水，从另一端排出。水生植物净化措施包括：在水面设置生物浮床、水岸种植湿生植物、投放低等级动物。由于杨庄河两端的引水水质均较差，因此，还应对引水水质进行适当处理。
2.1 引水
“治理河流的基本标准是‘不污不竭’，即一定要有活水，一定不要污染。”因此，应有常年流量20%的水均匀流过，使河流在流量、泥沙输移、宽深比等方面达到动态平衡。所以，该项目前提是选择补给水源。
2.1.1水源
杨庄河引水水源在两端相连的河道中选择。西端的新城河北段为断头河，南端与古运河相连，有闸门控制，且古运河水位低于新城河，因此，两端均无水源。东端的蒿草河，其北端与瘦西湖相连，南端与荷花池相连，因而与瘦西湖活水工程相通。瘦西湖活水工程的部分水体从荷花池南下，经安墩闸进入古运河。如果杨庄河引水方案从蒿草河引水，由西端排入新城河，再排入古运河，实际上是分流了一部分瘦西湖活水工程的出水，使其经过瘦西湖/ 荷花池——蒿草河——杨庄河——新城河——古运河，这就扩大了活水工程的活水范围，使沿途的蒿草河、杨庄河、新城河均受益。因此，杨庄河引水水源选择蒿草河。
2.1.2实施方法
在与蒿草河相交处的杨庄河上建低坝，抬高杨庄河水位。用潜水泵将蒿草河水抽入杨庄河后，自东向西自流进入新城河，再由新城河排入古运河。
控制水位：由杨庄河末端出口闸门（现有）控制河内水位，使水位到达直立/ 斜坡驳岸的坡脚，以便在斜坡岸脚种植水生植物，制造水岸衔接效应，需提水高度约0.8 m。
换水周期及换水量：换水周期应综合考虑水质改善效果、投资和运行费用。为了保证换水周期内水体溶解氧不小于1 mg /L，水质不发臭，首先对换水进行适当的处理和充氧，使水体BOD5降低到10 mg /L 以下，溶解氧恢复到6 mg /L 以上。水体在杨庄河流动过程中还发生着底泥耗氧和水面覆氧，30℃条件下底泥耗氧速率按2400 mg /（m2·d）考虑，水面覆氧按3000 mg /（m2·d）考虑，平均水深1.8 m。则河水溶解氧平衡为：
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为了保证末端水体溶解氧大于1mg / L，则水体停留时间（换水周期）为：
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因此，建议换水周期为3 d。河道水体总体积26440 m3，则换水流量为0.102 m3 / s。
不同换水周期时的换水量和运行费用见表1。
2.1.3工程内容
a. 钢筋混凝土低坝：7.2 m×0.8m×3.5 m。
b. 低扬程潜水泵2 台（1 用1 备）。
2.2 水质净化
为了保证换水水质，降低引水耗氧量，增加水体溶解氧，采取曝气、原位生物接触氧化、生态净水砖等3 项水质净化措施。
2.2.1曝气
为了提供原位生物接触氧化需氧量，并保证向后输送的水体有较高的溶解氧，使整个河道不致发生厌氧状态，应向引水中曝气。
a. 曝气方法。可供选择的曝气方法有：鼓风曝气、潜水曝气、转盘曝气。鼓风曝气需要新建鼓风机房，并在水底安装曝气管和曝气头；潜水曝气在水底安装潜水曝气机；转盘曝气在水面安装转刷曝气机。各种曝气方式的优缺点比较见表2。
经比较，选择转盘曝气方案。
b. 设计充氧量。引水溶解氧按2mg / L 考虑，充氧后溶解氧达到8mg / L，使得水体经过原位生物接触氧化后，仍有6 mg / L 的维持溶解氧。引水流量0.102 m3/ s，则需要的充氧量为2.2 kg /h。
c. 设备选择。由于需要的充氧量较小，定制1 台小型的转盘曝气机，直径1400 mm，长度9 m，功率11kW。
2.2.2原位生物接触氧化方案
a. 设计水质。引水水源含有易于生物降解的有机物，消耗水中氧气，使水体产生色度和嗅味，因此，应对引水水质进行适当的处理，降低水中的BOD 含量。根据扬州市环保局的监测结果，内城河水质为劣Ⅴ类，BOD5平均值为11.1 mg / L，最劣为129 mg /L。经过水质净化工程后，水质应达到Ⅴ类水质标准。因此，取设计进水水质BOD5＝20 mg /L，出水水质BOD5＝10 mg /L。
b. 工艺选择。为了节省造价，节约用地，将水处理设施设置于河道中。生物降解水中有机物的方法包括：活性污泥法和生物膜法。活性污泥法工艺复杂，不适合在河道中设置，应此采用生物膜法。生物膜法包括：生物接触氧化、生物过滤。由于生物过滤的水头损失较大，因而采用生物接触氧化法。
c. 填料选择。生物接触氧化填料的类型有：立体弹性填料、软性填料、空心球填料等。立体弹性填料和软性填料均为纤维状，容易沾附悬浮物，易产生污泥，生物膜更新需要较强的水力搅动条件和曝气条件，安装也较麻烦。因而，采用多面空心球填料，其比表面积大，污泥产量少，安装容易。
d. 停留时间及填料体积。要将引水BOD5从20 mg/L 降低到10 mg /L，去除率为50%，约需要水力停留时间2 h。多面空心球填料的堆放孔隙率为92％，经计算，需要填料体积为798 m3。
河道横断面积为19 m2，因而生物填料区的布置河长为42 m。
e. 安装方法及工程内容。在生物接触氧化区河底铺设一层素混凝土，在两端河横断面设格栅，围护生物填料，河面设顶格栅，防止填料上浮。河中心设8 根支撑柱，支撑顶格栅。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生态净水砖
将具有高效净水能力的微生物——发酵大豆杆状菌与多孔矿物颗粒、强碱火山灰水泥拌和，制作成多孔隙的生态净水砖。包埋固化在生态净水砖中的微生物在水环境中能快速繁殖，并向水中释放，起到长效净化水质的功效。
将生态净水砖敷设于多面空心球生物接触区下游的河底上，敷设长度30 m，敷设面积256 m2。先在河底铺一层素混凝土块，在混凝土初凝前将生态净水砖放置在素混凝土上，每块净水砖之间留一定的间距，保持每块净水砖有5 个面向水中释放微生物。约需净水砖9.1 m3。水质净化工程布置见图1。
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图1 水净化工程布置图
3 水质保持方案
杨庄河在引水输送过程中仍存在一定外源污染和底泥内源污染，为了保持河水水质，应沿河道采取一定的水质改善措施。目前，国内外已有采用生物浮床改善城市河道水质的案例，将水生或陆生植物安放固定在漂浮载体上，植物根系伸入水中，吸收水中污染物。同时，发达的植物根系是微生物天然的载体，并在根系周围形成微生物、浮游动物小型生态系统，对水质产生净化作用。
常用的浮床植物为美人蕉，其特点是花期长，景观效果好，但不能越冬，因此，对杨庄河浮床植物的选用需满足以下要求：a.根系发达；b.枝叶量小，四季常绿（半绿）；c.生存能力较强；d.有一定的观赏性。
表1 引水工程不同周期的投资运行费用比较
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表2 曝气方式比较
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根据上述要求，综合考虑水质净化效果、价格和观赏性，选择3 种类型的浮床植物进行搭配，分别是：常绿植物——西伯利亚鸢尾，占45％；半常绿植物——黄菖蒲（鸢尾属），占45％；观赏植物——水生美人蕉，占10％。
西伯利亚鸢尾，叶片宽2~3cm，株高40~50cm。花期5~6 月，花色有兰色、紫红色、白色。该品种最大的特点是终年常绿，冬季的长势尤为好，在-15℃仍保持叶片翠绿，是水生花卉中难得的四季常绿品种。它有发达的须状根。
黄菖蒲又名水生黄花鸢尾，是水生鸢尾中的骄子。花色黄艳，花期5～6月份。叶剑形，株高60~120cm。可分根繁殖，也可种子繁殖。黄菖蒲具有发达的絮状根系。春、夏、秋三季长势良好，冬季处于半绿状态，能自然越冬，来年不需重新种植。
西伯利亚鸢尾和黄菖蒲共同的特点是，耐寒、枝叶量少、根系发达、生存能力较强。
浮床总面积3400 m2，布置的河段长度500 m。
4 岸坡绿化方案
1．水陆交界衔接带：沿水面线开设30 cm宽种植槽，夹种水菖蒲和水生美人蕉。既起到水质净化及水生态效果，又起到水陆衔接效果。
2．岸坡绿化：将水面、水岸绿化引向地面，改善石驳岸的生态效应。对较宽的斜坡，每隔20 m开设一条垂直于水面线的种植槽，槽宽1 m，种植美人蕉等植物，并夹种常青植物。对直立岸坡和较窄的斜坡（四季园），在岸肩种植常青藤、爬山虎，垂挂于岸坡，直接与水面绿化衔接。
5 低等级动物及鱼类的投放
考虑到目前杨庄河河体生物单一，约需投放本土低等级动物河蚌、河螺2000 kg，鲢鱼1000 尾，这样不仅可以控制浮游生物的生长，而且可以恢复河体生物的多样性。
6 投资估算
工程总投资估算315.635 万元；
运行电费：30000 元/ 年；
运行管理费：20000 元/ 年。
7 运行后的效果
项目运行2 个月后，水体黑臭现象消除，水质明显改善，水体澄清，可见度达50 cm。
水质改善情况：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。水质改善效果明显。
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