水专项研讨会魏源送：旁路离线河流净化器的应用研究

　　在“水专项”总结收官之年，各个课题板块都正在开展标志性成果凝练总结工作。这也是一个非常宝贵的成果集成、复盘和总结过程。同期举办的水专项系列研讨会，旨在推动水专项标志性成果的总结集成工作与行业积极互动，以此促进水专项技术成果的宣传、总结和推广。

　　上周两场以“湿地技术在京津冀水专项的实践应用”为主题的线上交流活动，累计有六百多位行业同仁以线上参加的方式“围观”参与了水专项技术成果的凝练总结过程。为突破线上会议对参与人数的限制，让水专项宝贵实践经验得到更广泛传播，我们将在会后同水专项课题承担单位——中持水务的同仁们一起，根据各位专家分享内容进行系统整理，再由专家亲自修正，形成系列报告文章陆续发布。

　　在此感谢各位专家的修改指导和同事们的精心整理。

　　《北运河水系中游段生态治理关键技术与示范》课题属于国家“十一五”“水体污染控制与治理科技重大专项”河流主题海河项目，由中国科学院生态环境研究中心主持，本课题负责人——中国科学院生态环境研究中心魏源送研究员近日在以“湿地技术在京津冀水专项的实践应用”为主题的研讨会中，分享了“旁路离线河流净化器的应用研究”的主题报告。

　　河流水质改善总体思路

　　北运河水系中段(温榆河)的主干河道全长47.5km，流域面积2478 km2，是北京市城区主要防洪和排水道，是北运河湖水系绿色生态走廊的重要组成部分。它具有以非常规水源补给(污水处理厂出水)为主、非连续性、多闸坝控制的特点。北运河生态治理需要经历水质改善、生态恢复阶段，最终成为健康河流。课题以河流水质改善为项目目标，开展旁路离线河流净化器的关键技术研究，并选择龙道河、罗马湖和清河进行以生物-生态净化为主的综合集成示范，并据此提出污染河流水质改善综合实施方案，为非常规水源补给河流生态治理提供科技支撑。

　　治河如治病，开展河流形态、水质、水文和生态的综合诊断，是河流水质改善开展的首要步骤。以史为鉴，分析温榆河30年水质的时空演变。课题组结合现场采样调研，系统分析了1980-2010年温榆河的COD、氨氮变化，30年来温榆河呈现以氨氮为主导的水污染特征，且通过时间序列模型进行预测，到2015年，温榆河水质仍不能达到功能区划要求。

　　目前来看，这些结论和推论得到了时间的印证。温榆河水化学类型主要为CCaII型，呈盐渍化趋势。因这条河是非常规水源补给河流，我们也关心它的微生物污染，调查研究发现温榆河两大主要支流清河和坝河的微生物SC噬菌体含量处于高水平，分别为430~2460 pfu/ml和300~580pfu/ml，推测其主要原因与污水处理厂排水和分散污水排放方式有关，河流微生物污染不能忽视。

　　确定入河污染负荷。分析温榆河干流水量特征，总结发现干流入河污染负荷污染来源较为单一，点源污染是最主要的污染来源;支流输入的污染负荷主要来自污水处理厂排水，分别占入河总COD的69%和总氨氮的77%。

　　明确水生态退化特征。分别调研温榆河的浮游植物、浮游动物、底栖动物、鱼类和水生植物现状，表明温榆河水生态状况与水质调研结果一致，呈现水体富营养化，水生态系统呈现退化状况。

　　关键技术研发

　　针对北运河中游段的非常规水源补给为主和氨氮为主导的水污染特征，结合北运河中游段平原地区灌渠繁多、干流行洪压力大的特点，课题以水质改善为核心目标，结合上述研究，创新地研发了“旁路离线河流净化器”关键技术与系统。

　　该技术基于“干流生态治理与恢复始于支流，因地制宜”的原则，通过工程措施将一部分干流中的污染河水引入支流，利用支流、已有/废弃坑塘等开展污染河水的生物、生态净化技术研究，可系统集成在线、离线河流水质净化技术的优点。

　　课题组经过三年多的技术攻关，建立了旁路离线河流净化器的设计体系，主要包括以塘-湿地组合水质净化技术和拟自然河道技术。结合生态工程技术、环境工程技术和水力工程技术手段，对氨氮浓度15-20mg/L及以下的低污染河流特别有效。

　　塘-湿地组合水质净化技术。由塘和湿地组成，构建要点是基于水系及其地理特征，因地制宜，充分利用已有/废弃坑塘，以串联形式有机组合塘-湿地系统，使二者在净化功能上相辅相成，在结构上互为耦合，实现污染河流的水质净化。

　　湿地为竖向层叠式复合潜流湿地结构型式，其主要结构特点包括：表层波浪型间歇流布水系统、下行垂直流与底部双层水平流耦合、营养平衡补给井及退水调控井，具有结构紧凑、水力负荷大、配水灵活、硝化-反硝化作用效果显著等优点。

　　湿地技术研发要点：①植物优选：通过在季节性、基质适应性、抑藻能力、根系发达程度、死亡二次污染等方面进行考察，芦苇均优于香蒲。②填料优选：脱氮填料沸石最优;除磷填料钢渣最优，还开发了新的除磷材料-镁橄榄石。③结构优化：采用间歇流运行、上部垂直流、下部水平流的耦合工艺。同时考察了人工湿地的病毒去除效果，在0.2 m/d水力负荷下，连续水平、连续垂直、间歇水平、间歇垂直对f2噬菌体对数去除率依次为1.25、1.79、0.39和0.56 log pfu/ml，去除率分别为91.02%、97.09%、51.22%和65.24%。表明湿地连续运行优于间歇运行;垂直潜流优于水平潜流。

　　拟自然河道技术。针对河流“三化”问题(平面直线化、断面规则化、表面硬质化)，重构复合式河床人工湿地河道，即蜿蜒平面、复式断面、子槽边坡。采用生态袋替代无子槽护坡或者透水生态砼结构护坡，并通过水力调控，可在丰水期防止短路现象，净化水流。

　　现场实验装置的研究结果表明，设置挡水堰和选用细粒径填料(<5cm)均有助于减慢河水流速，使河水分布更均匀，氨氮和COD去除效果优异。龙道河400 m的拟自然河道试验工程表明，增加子槽后的河道断面稳定性更好，有助于水生态恢复。通过对底质、生境复杂性、速度和深度结合特性、堤岸稳定性等10个指标做综合评分，发现修复后的河道生境指数(151分)远优于修复前(91分)。

　　除塘-湿地组合水质净化技术和拟自然河道技术外，旁路离线河流净化器技术体系还包括河道内沉水植物群落重建技术、滨岸植被缓冲带技术等为辅的四项关键技术单元。在沉水植物群落构建中，从植物的耐污性、抗水力特性、根系特征和生活史筛选物种，选择合适的小生境定植，辅以闸控水文条件保障，示范工程应用效果良好。

　　示范工程应用

　　基于上述研究，课题组形成了“旁路离线河流净化器”关键技术与系统的框架与设计流程，并在罗马湖生态环境整治工程和龙道河生态治理工程得到成功应用，罗马东湖示范工程于2010年12月完工;龙道河示范工程于2011年12月完成;同时开展了清河河道内沉水植物群落重建示范研究。

　　构建了罗马东湖的“塘-湿地系统”。罗马东湖总占地15.91 hm2，形成水域面积8.91 hm2，滨水绿地7.0 hm2，对水岸线进行生态防护和回填必要的微地形，配置水陆生植物和水生动物;建设人工湿地5800 m2，设计处理规模3400m3/d，设计水力负荷为0.59m3/m2·d，以复合潜流湿地为主，湿地植物为芦苇，湿地基质包括石灰质碎石、沸石及焦渣等。由泵站扬水进入人工湿地，不仅净化罗马西湖来水水质，而且在罗马东湖湖区实现水体循环净化。

　　通过与罗马西湖来水的水质进行对照分析，罗马东湖“塘-湿地系统”的水质净化效果良好。以罗马西湖出口闸前监测点与东湖各监测点的时段算术平均值进行对比，塘-湿地系统中的氨氮由Ⅳ类提升到Ⅰ类，去除率达86.6%;总氮由劣Ⅴ类提高到接近Ⅳ类，去除率达54.5%;总磷由湖库标准Ⅴ类提高到Ⅳ类，去除率达54.5%;叶绿素a削减68.6%，对水华藻类起到了较好的抑制作用;BOB5也由Ⅴ类提升到Ⅳ类，去除率达54.3%。

　　龙道河拟自然河道示范段。根据河道不同特点及周边环境，分别对河床、河道坡脚、河道岸坡的空间尺度内集成了蜿蜒河道技术、河道内沉水植物群落重建技术、过滤型滨岸缓冲带技术和本土植物种子库技术。例如，龙道河下段火沙路附近，设计河道断面为复式断面，河底清淤后以河卵石干砌护底，河坡采用草皮护坡加麻椰固土毯，沉水植物选择篦齿眼子菜、菹草、金鱼藻等。

　　拟自然河道技术在龙道河综合整治工程中得到了成功应用，主要表现在以下几个方面：①河道断面发生了明显的改变，出现了二级子槽和由碎石床构成的漫滩，与修复前相比，河道加深了0.4米，可为龙道河蓄水、鱼类存活以及沉水植物的生长创造了必要条件。②河岸稳定。经历了2011年、2012年夏季强降雨后，河道坡脚稳固，未出现侵蚀和崩塌的现象。③氨氮浓度从5.5 mg/L经过300米的拟自然河道，降低至3.1mg/L，水质改善明显。④生境质量指数从修复前的“一般”(94分)等级提高到“好”等级(151分)。Hilsenhoff生物指数从9.68降至8.06，底栖动物群落得到改善。

　　第三方评估结果表明，旁路离线河流净化器示范工程具有良好的水质净化效果，其中氨氮去除率超过77%，平均达90.4%，总氮平均去除率达75.6%，总磷平均去除率达66.6%;COD平均去除率31.8%。该示范工程可削减污染负荷COD114.1吨/年、氨氮47.8吨/年、总磷 8.3吨/年。

　　【温榆河水质改善综合实施途径】

　　基于上述研究成果，课题组以氨氮为目标，采用QUAI2k水质模型对温楡河水质改善的综合实施途径进行情景分析。对照现状，情景分析包括综合方案A、B、C，1)方案A：干流污染源全部进行截污，建设3个旁路离线河流净化器，河道比硝化速率提高至0.2，蔺河沟、清河、坝河三条支流入河口的氨氮浓度削减至5 mg/L;2)方案B：在方案A的基础上，蔺河沟、清河、坝河三条支流的氨氮浓度削减至2 mg/L;3)方案C：在方案B的基础上，将沙河水库氨氮控制为2.0 mg/L。结果表明，综合方案C将会对温榆河干流的水质改善起到积极作用。