城市河道黑臭水体治理方法及其含铁粉墙或含锰砂墙结构与流程

本发明涉及一种城市河道黑臭水体治理方法，尤其是涉及一种采用铁粉-锰砂耦合工艺对城市河道黑臭水体进行治理的方法及其含铁粉墙或含锰砂墙结构。

背景技术：

随着改革开放的深入，我国国民经济建设得到了飞速发展。但对经济建设的盲目追求，一度使我国的自然资源深度开采，同时也忽视了失衡发展对环境造成的巨大污染。目前我国的环境污染已严重威胁到了人民群众的生命安全和生活质量。

目前环保问题已是世界各国共同关注的目标。提倡绿色、环保的发展理念，坚持可持续发展战略，是目前经济建设必须注重的头等大事。

有目共睹的是，上世纪70/80年代还是河水清澈的河流，目前已是黑臭水遍地，满目狼藉。污染容易恢复难，现在已然到了为过去的过失付出代价的时候。全国各地在严厉打击乱排乱放的同时，都加强了对污染河道的治理，以恢复水清草绿的面貌。当前，对污染河道以及黑臭水体的治理，已成为相关技术人员致力的热门课题。

黑臭水体颜色呈黑色或泛黑色并散发出刺激的气味，严重影响了我国的形象，成为影响生态安全的重大环境问题。水体黑臭的成因复杂，复氧与耗氧失衡导致水相和沉积相氧化还原环境变化，造成铁、硫化合物的化学/生物转化机制及其产物的变化。有研究发现水体悬浮颗粒物中铁含量高并且亚铁是水体致黑的主要原因，水体逸出的恶臭气体中主要为硫化氢。目前黑臭水体治理方法有物理法（增氧曝气）、化学法（投加絮凝剂、氧化剂等）和生物法（生态浮床、生物酶和人工湿地等）。

水体曝气是采用人工方式加速水体的复氧过程，提高水中好氧微生物的活力，增强河流自净能力，以改善水质。人工增氧在泰晤士河(英)、Berlin河(德)、清河(北京)、绥宁河(上海)和白马支河(福州)都曾采用。王美丽等利用黑臭河道模拟装置对比研究了在静置和人工曝气两种方式下底泥污染释放特征及对上覆水水质的影响。结果表明，与静置释放相比，人工曝气促使实验前期底泥污染物快速释放，使得上覆水体中的各项污染物指标上升；随着水体中DO浓度的增加；硝化细菌、嗜磷菌等好氧细菌的活性增强，水体中的COD、氨氮、TN和TP得到降解或转化，浓度快速下降。因此，该技术适合黑臭河道的水体修复。钱小燕等通过高锰酸钾强化PAC混凝工艺处理温瑞塘河黑臭水体，预氧化时间5 min后投加混凝剂PAC1.5mg/L，水质明显改善。上海市浦东咸塘港东支流的工程，经过十二个月的生物酶治理，整个河道具备一定的自净能力，水体及底泥恢复到自然状态，水质指标接近III~IV地表水标准。其原因是造成水体黑臭的有机物和无机还原性物质都被降解和氧化，水体中耗氧有机物和还原性物质减少，减轻水体溶氧负荷，实现水体反应的良性循环，从而达到消除黑臭的目的。

进入河流的污染物中只有1%以下的污染物能溶解于水中，其它则经过长期沉降累积在底泥中。故底泥淤积了大量的耗氧性物质、重金属污染物、持久性有机污染物和Ｎ、Ｐ营养盐等污染物。当外来污染源得到改善，上覆水体水质有所好转时，底泥中污染物质会向上覆水体释放，河道底泥成为向上覆水体不断释放污染物的“源”，影响上覆水体的水质。2016年5月郑州市经三路附近的东风渠因两年未清淤导致水面上绿藻泛滥严重。因此，根本上解决河流湖泊的污染问题不仅要从源头上切断污染源，更重要的是要修复受污染底泥。根据处理过程中是否需要移动底泥，可将底泥修复技术分为原位修复和异位修复两大类：（1）异位修复技术：主要是挖掘出受污染的底泥并寻找场地进行堆放和处置。该技术工程量巨大且花费不菲，而且很容易造成二次污染。参考浙江和江苏的整治投资单价，每公里河道整治资金平均为3500万~4500万元(包括污染源治理、截污、污水厂建设、清淤、引水活水等建设内容)，投资巨大。（2）原位修复技术：包括①原位覆盖技术：直接采用砂石等材料在底泥上方形成一层或多层覆盖物，从而阻止底泥与上覆水的接触，防止受污染底泥中的有害物质扩散到水体中。原位覆盖技术能够有效阻止底泥中的污染物进入水体，对水质改善具有显著作用，适用范围较广，成本低廉，便于施工。但也存在减小水体容量、改变河道及湖底坡度等缺陷，不适合水流速较快、水动力较强的区域；②原位生物修复技术：利用水生植物、微生物等的生命活动，对水体中的污染物进行吸附、转移、转化和降解作用，从而净化水体并重建水生生态系统。该技术工程造价相对较低，无污染且修复效果较好，有利于水体生物多样性的恢复；③原位化学修复技术：原位化学修复技术是向受污染的水体中投放多种化学药剂，通过化学反应消除底泥中的污染物或改变原有污染物的性状，为后续微生物降解作用提供有利条件。这种方法费用低、见效快，目前应用较为广泛。

总体而言，我国城市水体整治有其特殊性，起步较晚，成功案例不多，突出表现在治理手段单一，往往护岸、筑坝、搞人造景观等“三板斧”，目标往往与水质改善虚挂；不少治理项目采取“河道加盖”、“建设闸坝”、“三面光”等过多的“强干预”的非生态化措施，以综合治理为名，行生态系统破坏之实。缺乏“水环境问题分析、方案目标确定、解决措施”之间的逻辑论证，没有理清水体黑臭的根本原因，导致措施与问题缺乏关联、各项目之间缺少关联性、项目建设内容不能有效支撑项目目标等问题。目前国内许多河流湖泊的污染程度都比较严重，污染物种类复杂，在实际操作中单一的原位修复技术很难胜任，往往是将多种原位修复技术联合应用。

技术实现要素：

本发明针对城市河道黑臭水体严重的现状，以湛河平顶山市西杨村河段污染水为研究对象，提出了一种城市河道黑臭水体的原位治理方法。

根据我国环保部《黑臭水体治理技术政策》中鼓励开发应用的新材料与制剂政策引导，围绕城市黑臭水体分级的评价指标透明度、溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）和氨氮（NH₃-N）、磷（P），开发出适合我国城市黑臭水体治理的绿色材料，研究治理黑臭水体及稳定底泥的曝气-反应墙协同作用机理及其技术应用。通过考察原位投加铁粉及锰砂治理黑臭水治理效果，考察模拟反应墙技术治理黑臭水的效果，结果表明单独投加铁粉对黑臭水的氨氮、磷酸盐、COD的去除率分别为25％、27.15％、18.17％；单独投加锰砂对黑臭水的氨氮、磷酸盐、COD的去除率分别为28.92％、10.81％、28.75％，说明单独投加铁粉和锰砂对黑臭水体的总体去除率并不是很高。

本发明所采用的技术方案：

一种城市河道黑臭水体治理方法，利用铁粉-锰砂耦合工艺去除河道内黑臭水中的氨氮、磷酸盐、COD，实现过程如下：1）顺水流方向，依次设置含锰砂墙、含铁粉墙或含锰砂墙、含铁粉墙二者的相互组合；2）对依次通过含锰砂墙、含铁粉墙或其组合处理后的黑臭水，进行曝气处理。

一种实现所述城市河道黑臭水体治理方法所使用的含铁粉墙或含锰砂墙结构，所述含锰砂墙、含铁粉墙由箱体式结构的反应单元堆砌而成，所述箱体式结构的反应单元顺水流方向的前、后两个面均匀布置孔径为5-50mm的通孔，箱体式结构的反应单元内填充的铁粉或锰砂的颗粒大于所述通孔的孔径，所述铁粉或锰砂的颗粒不大于100mm。

本发明的有益效果：

1、本发明城市河道黑臭水体治理方法，治理黑臭水体成本低廉。本发明采用原位治理技术，除汛期需要将反应墙材料及装置移出河道外，其余时间均能有效治理黑臭水体，异位修复技术成本参考浙江和江苏的整治投资单价，每公里河道整治资金平均为3500万~4500万元(包括污染源治理、截污、污水厂建设、清淤、引水活水等建设内容)，投资巨大，本发明所有成本(包括材料、装置及人工等)仅为异位修复技术的20~30%，所用材料为绿色环保材质，不会产生二次污染。

2、本发明采用反应墙技术布置在河道上，黑臭水按一定顺序流经铁反应墙/锰砂反应墙/以及太阳能曝气等反应工序，降低了黑臭水的氨氮、磷酸盐、COD等有害指标。采用的锰砂来自于国产的天然锰矿，粉碎过筛即可；铁为环境友好元素，所用的工业铁粉不会对环境造成危害。

3、本发明治理黑臭水体效果显著。通过对铁粉和锰砂处理工艺顺序进行优化：（1）选用铁粉-锰砂耦合工艺，其对黑臭水的氨氮、磷酸盐、COD的去除率分别为39.40％、42.86％、45.25％；（2）太阳能驱动扬水曝气耦合铁粉-锰砂试验提高了黑臭水的净化速率，其对黑臭水的氨氮、磷酸盐、COD的去除率分别为60.16％、63.23％、66.87％。结果表明通过氧化剂锰砂和还原剂铁粉强化黑臭水体中有机物的矿化，太阳能驱动扬水曝气耦合铁粉-锰砂试验处理后的黑臭水水质指标有很大改善,说明该工艺对黑臭水体治理效果良好，治理成本较低，潜在的反应墙修复工程应用前景较大。

4、本发明城市河道黑臭水体治理方法，通过削减氨氮、磷酸盐、COD等水质黑臭的根本性指标入手，治本清源，使水质恶臭治理的速度大于底泥释放的速度，经过一定时间，帮助水体恢复自净能力,从而彻底修复黑臭水体。我国城市黑臭水体整治起步较晚，问题突出表现在治理手段单一，往往护岸、筑坝、搞人造景观等“三板斧”，目标往往与水质改善虚挂；不少治理项目采取“河道加盖”、“建设闸坝”、“三面光”等过多的“强干预”的非生态化措施，以综合治理为名，行生态系统破坏之实。本发明通过水环境问题分析→方案目标确定→解决措施之间的逻辑论证，理清水体黑臭的根本原因，项目建设内容有力支撑项目目标。多种原位修复技术联合应用确保能够有效修复水体黑臭。

附图说明

图1是本发明城市河道黑臭水体治理方法工艺平面图；

图2是本发明城市河道黑臭水体治理方法工艺剖面图；

图3是本发明的含锰砂、含铁粉墙结构示意图；

图4是本发明的含锰砂、含铁粉墙剖视结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

参见图1、图2，本发明城市河道黑臭水体治理方法，利用铁粉-锰砂耦合工艺去除河道内黑臭水中的氨氮、磷酸盐、COD，实现过程如下：

1）顺水流方向，依次设置含锰砂墙2、含铁粉墙3；

2）对依次通过含锰砂墙、含铁粉墙或其组合处理后的黑臭水，进行曝气处理。

实施例2

参见图1、图2，本实施例的城市河道黑臭水体治理方法，与实施例1的不同之处在于：含锰砂墙、含铁粉墙采用含铁粉墙、含锰砂墙、含锰砂墙、含铁粉墙依次排列的组合方式。

不同的铁粉墙、锰砂墙及曝气工艺的有机复式组合，净化效果明显提高。例如铁-锰-锰-铁-曝气的效果要比铁-锰-曝气-铁-锰-曝气效果提高9%，比锰-铁-曝气-锰-铁-曝气效果提高13%，组合工艺能及时根据水中污染物的形态变化，及时提供最优化的降解净化工艺，提高了黑臭水体治理效果，能帮助黑臭水体快速恢复自净能力。

本发明城市河道黑臭水体治理方法，含锰砂墙、含铁粉墙由箱体式结构的反应单元垒集构成，选用粒径在5-100mm的铁粉或锰砂颗粒放置在所述箱体式结构的反应单元内，箱体式结构的反应单元的壳体顺水流方向的前、后两个面或前、后、左、右四个面均匀布置直径5-50mm的圆孔，所述圆孔的直径小于铁粉或锰砂颗粒的粒径。

实施例3

本实施例的城市河道黑臭水体治理方法，与实施例1的不同之处在于：含锰砂墙2、含铁粉墙3中铁粉或锰砂的粒径在5-100mm，箱体式结构的反应单元1内的填料孔隙率不小于30%，既保证了反应速率，又减少了水头损失，保证了河道的正常流速。

实施例4

参见图3、图4，本实施例公开了一种实现城市河道黑臭水体治理方法所使用的含铁粉墙或含锰砂墙结构，所述含锰砂墙2、含铁粉墙3由箱体式结构的反应单元1堆垒构成，所述箱体式结构的反应单元壳体上设有孔径为5-50mm的通孔，箱体式结构的反应单元内填充的铁粉或锰砂的颗粒大于所述通孔的孔径，所述铁粉或锰砂的颗粒不大于100mm。箱体式结构的反应单元内的填料孔隙率不小于30%。

实施例5

本实施例含铁粉墙或含锰砂墙结构，与实施例4的不同之处在于：所述箱体式结构的反应单元设有盖子及匹配扣紧件，装入铁粉或锰砂后扣紧盖子，所述箱体式结构的反应单元的壳体顺水流方向的前、后两个面或四个面均匀布置孔径为5-50mm的通孔，所述箱体式结构的反应单元的壳体上设有方便吊装的连接件。

实施例6

参见图3、图4，本实施例的含铁粉墙或含锰砂墙结构，与实施例4或实施例5进一步的不同之处在于：包括设置在两侧河沿的混凝土基础槽4（预制不锈钢槽），所述混凝土基础槽4内两侧设有格栅挡板（图中未示出，或采用三角铁焊接的架子），所述箱体式结构的反应单元1堆砌在所述混凝土基础槽内及两侧的格栅挡板之间构成墙体。混凝土基础槽两侧设有钢筋混凝土支墩8，两侧河沿的混凝土基础槽上方设有龙门吊装置7。图4中标号9为沙袋。沙袋9的作用是弥补支撑框架（混凝土基础槽4）与河岸的孔隙，防止水流经过。为方便拆卸移动，也为汛期疏浚河道时方便取出，钢筋混凝土槽和河岸可以不是一体的固定连接，而是可以拆卸移动的。

本发明含铁粉墙或含锰砂墙结构，方便反应物铁粉块/锰砂的更换以及汛期河道疏浚。采用太阳能曝气的方式，采取扬水式或者射流式曝气，增加了水中的溶解氧，帮助黑臭水体恢复自我净化能力，从而最终彻底修复河道黑臭水体。太阳能电池板布置在岸边，扬水曝气的多个电机布置在水面以下5-30cm的不同深度，电机的平面布置按一定规律，保证河道宽度方向上都能扬水曝气。图1、图2中，标号5为太阳能电池板，标号6为曝气装置，a表示河岸，b为河底，c为水面。

本发明针对黑臭水体中氨氮、磷酸盐、COD含量过高，超出了其恢复自净的能力，利用锰砂的强氧化性、铁粉的强还原性对造成水体黑臭的有机物和无机还原性物质进行降解和氧化，水体中耗氧有机物和还原性物质减少，减轻水体溶氧负荷，实现水体反应的良性循环，帮助黑臭水体恢复自净能力，从而达到最终消除黑臭的目的。