双阳河干流碳纤维生态带治理实验研究

张爱民

(黑龙江省卫星运河管护中心，克山 161635)

1 总 论

1.1 工程概况

双阳河位于黑龙江省松嫩平原中部，是乌裕尔河左岸一级支流。双阳河流域总面积4772km2，双阳河为季节性河流，多年平均年径流量1.57×108m3，多年平均径流深33mm。拜泉县境内双阳河流域内幅员面积1793.4km2，流经6个乡镇，双阳河堤防在拜泉县境内堤防总长度98.54km[1]。

本次实验研究选在拜泉县环保监测断面上游7km的主河道上进行水生态治理。治理的措施是对入监测断面上游干流段采取生态措施进行水生态治理实验研究。

1.2 项目意义

实施拜泉县双阳河干流水生态治理实验研究项目，以环境保护工作为重点，以提高水质为核心，以水安全为保障，开展好生态环境保护工作，推进县域生态环境质量稳步提升。通过齐齐哈尔市拜泉县双阳河干流水生态治理实验研究，创新河流污染治理模式。

1.3 治理目标

双阳河干流水生态治理实验研究针对双阳河水质不达标，河道内废水排放、农业面源污染、残留化肥农药和畜禽粪便对河流水体的污染，采用碳纤维生态带等措施作为治理河流水质的应急处理设施，改善双阳河流域生态环境，提升河流水质。

1.4 污染现状

根据双阳河《水质检测报告》分析，水质监测结果表明，主要是化学需氧量、氨氮2项指标超标。氨氮指标超标是村镇生活污水、农村固体废弃物、农药、化肥、除草剂、农村禽畜粪便、生活垃圾等有机或无机物质造成的面源污染，另外还有大量、日积月累的污染物沉积在土壤中，通过降雨汇入河道所致。

沿河地区的城镇和村屯排污口所排放的工业和生活污水，以及建设项目在施工期间所产生的污染物，污染水体，破坏河道的水生态环境[2]。

1.5 项目实验研究方案

针对双阳河干流试验段水体现状特点和污水负荷、水体水质状况。本次研究试验方案主要采用碳纤维生态带措施作为治理本河流水质的应急处理设施。

碳纤维生态带设置以单条碳素纤维生态草为单位，其密度、数量与各项水质指标提升效果成正比。本次试验段只选取双阳河干流环保监测断面上游段进行重点研究。

2 工程技术简介

2.1 工艺流程

将碳素纤维生态草直接放置在自然河道水体中，碳纤维材料制造过程中的氧化、碳化过程中表面形成很多微孔，比表面积大，吸附率高；表面富含氧官能团，具有氧化还原功能，能很好的对有机物、有毒物、重金属进行有效降解。投放碳素纤维生态草后，光合作用加强，可修复土著微生物和土著动植物，保持生态平衡，使水体透明度提高，形成健康的生态系统。工艺流程见图1。

图1 综合工艺

2.2 技术简介

该产品主要技术优势如下：

1)施工容易，施工工期短，布设方式简单，工程量小、投资省。

2)处理各种污染物指标有效果，透明度改善迅速，提高水质类别效率高，速度快。

3)原位生态修复效果好，生物多样性好，生态效益高；近自然生态修复，快速提升水体自净能力。

4)材料易得，使用寿命长达6a，长期有效，持续可控，无能耗，无运行成本。

5)无需经常更换，维护简单，管理方便。

6)适应范围广，即可解决内源与外源污染，也可以治理点源与面源，与其它污水处理技术容易结合。

7)碳纤维含氧官能团、碳铁微电池效应、光催化作用等的氧化还原作用，可有效处理难降解污染物，污染物的转化效率高。

3 治理方案

3.1 设计思路

考虑污水主要沿深泓河道流动，结合碳纤维借助太阳自然光修复生态系统提高水体自净能力的原理，实验研究优选施工工艺，在深泓河道利用碳纤维生态带拦截污水引流自浅水区碳纤维-生物-生态净化实的施方案，并结合适当工程措施、植物措施既保证了双阳河主河道水质的改善，又提高了水质净化能力和生物生态修复效果。

3.2 总体设计

双阳河干流水生态治理实验研究项目采用“碳纤维物理-生物-生态联合处理工艺”，工程投放碳素纤维生态草。实施地点在双阳河干流环保监测断面上游约7km范围内的主河槽内。按碳素纤维生态草处理能力，每日处理1t污水需投入碳素纤维生态草10条，投放碳素纤维生态草45000条处理能力为4500t/d。丰水期双阳干流河水较多，碳纤维结合大水运行时，可有效改善双阳河水环境状况，水质可以提升。枯水时，结合其他措施，碳纤维处理后水质标准也可以改善。

3.3 治理措施

3.3.1 碳纤维生态带工程设置方案

设置范围在双阳河干流环保监测断面上游约7km范围内的选择3个河段作为设置段，每段长2.3km。

每个设置段布置5个分区，每个分区设10个基区，共设50个基区，每个基区是20m长，6m宽，300条碳素纤维生态草，每个设置段共放15000条碳纤维生态带。基区与基区之间间隔20m，分区之间间隔100m。

具体设计见图：碳纤维生态草分区大样图、碳纤维生态草分段布置图、基区组成设计图分别见图2、图3、图4。

图2 碳纤维生态草分区大样图

图3 碳纤维生态草分段布置图

图4 基区组成设计图

3.3.2 碳素纤维生态草设置密度

要合理进行水污染治理方案设计，明确需处理的水量和浓度，该水量和浓度是碳素纤维生态草设置量和设置密度的主要依据，。因此，设计密度是本次试验的主要研究内容，设计密度=每日进水水量/碳素纤维生态草数量。

碳纤维设置密度与去除率关系是复杂的，除与污染物指标有关外，还与河湖本底浓度、治理目标、产品质量、滞留时间等因素有关。由于双阳河干流比降较陡，流速较大，碳纤维接触污水时间短，不利于提高滞留时间和提高去除率。

3.4 施工设计

碳纤维生态带施工主要包括两部分：在现场直接安装施工技术和产品设备组装技术。碳素纤维生态草从工厂生产出厂后，施工单位要进行产品设备组装和现场固定安装两个施工环节。碳素纤维生态草组装施工技术与产品的布设方式和安装方式有关。

组装工艺：一般采用绳子、浮筒、扎带、坠环等将碳素纤维生态草、碳纤维生态带进行组装，构成浮动设备、连接设备、下垂设备。组装工艺需要人工较多，可在厂内组装，也可以在施工现场组装。

安装工艺：则是在施工现场将组装好的产品和固定设备进行安装施工。

组装设施和材料包括浮筒、绳索、固定架、坠环、扎带等，与碳纤维生态带一起组装成净水设施。

根据水深1-3m，考虑污水主要分布在垂向上部，设置方案施工按照2层布设，绳索悬挂2层U型碳纤维生态带安装组合。上、下层全部采用50连纵式连接组合碳纤维生态带和悬挂安装施工，一个系统悬挂碳素纤维生态草100条，施工需从水面至河底垂直悬挂。碳素纤维生态草通过绳子、浮筒、坠环、扎带等悬挂在绳子上；每条绳子22m长度，绳子上分2层，每层有50条碳素纤维生态草，每条绳子上共固定100条碳素纤维生态草。

先确定基区尺寸，本次设计全部基区长度、宽度尺寸相同，按照6m宽、20m长为一个基区。1个分区系统为10个基区，即每条绳子上碳素纤维生态草设置为100条。分上下两层设置，每个基区悬挂有300条碳素纤维生态草，且数量和密度相同。每个基区尺寸相同，绳子条数和碳纤维生态草数量相同。一般根据试验区地形边界形态长度、宽度、水深来确定基区设置量，还与试验段表面形态有关。

设计方式采用悬挂式方式，设置基区组装剖面图见图5。

图5 碳纤维净水系统组装施工设计图

3.5 运行期方案

3.5.1 运行期设计方案

工程建设完成并运行后，需要开展运行试验期1个月，查看生物膜修复程度，评定各运行方案实施效果。

日常对水质进行检测；水质参数检测指标为透明度、DO、氧化还原电位、氨氮、PH、透明度；检查碳纤维生态带两种设置方式的产品及设备受损情况；调查碳纤维修复土著微生物情况。

3.5.2 水质监测方案

水质监测方案：项目建成后，开展第1个月的水质检测，第1次结果不参评。监测频率：每月1次。

水质监测参数:水质监测参数包括氨氮、化学需氧量等。

水生态调查参数：包括微生物膜、浮游植物、维管束植物等反映水体生态状况的参数。

采样点：每段干流设置区上游进水口、中间段附近设置3个监测断面，每个断面布置1个采样点作为评估样点。

水质检测计划：每个月1次，共检测10次。同时观察生物、生态系统修复情况。

3.6 管理措施

1)对双阳河干流水体及流域内土壤污染物进行动态水质监测。

2)加强面源污染治理，加强工业、企业排污治理。

3)加强农村生活垃圾及养殖垃圾管理和处理。

4 结 语

本研究是以水中生态净化为基础，从自然性、生态性的角度出发，在中小河干流上开展的水中碳纤维生态草净化等综合治理措施的水环境治理试验。通过对双阳河干流水生态治理实验的研究，可以为本地区中小河流域的生态治理提供一种创新河流污染治理模式；为实现美丽河湖、生态河湖、生态走廊，创建美丽乡村，保障河流的生态安全提供经验借鉴。