辐射井技术在富营养化水体中的应用研究

赵立新 吴晓辉 胡秀琳 许志兰 廖日红

摘要 目前大量的再生水被广泛运用到城市景观水体中。由于再生水中的氮、磷含量较高，加之景观水体相对封闭，流动性差，往往会发生水体的富营养化。治理水体富营养化是世界性的难题。利用辐射井成井技术，根据土地处理污水的原理，研究了辐射井技术在富营养化水体中的运用效果，从而提出辐射井技术在富营养化水体运用的可行性，为治理富营养化水体提出了新的思路和新方法。

关键词 辐射井技术 富营养化水体 治理

中图分类号S2734  文献标志码B  文章编号1673-4637（2011）01-0056-04

1 辐射井技术介绍

辐射井是由一口大直径的集水井和自集水井内的任一高程和水平方向向含水层打进具有一定长度的多层、数根至数十根水平辐射集水管所组成。集水井又称竖井，是水平辐射集水管施工、集水和安装水泵将水排出井外的场所。辐射井集水井井径一般为（2.5 ～6.0） m。水平辐射管是用来汇集含水层地下水至竖井内，又称水平辐射管，简称辐射管、水平管。由于这些水平辐射管分布呈辐射状，故这种井称为辐射井。

辐射井技术在调控地下水抽咸换淡、以灌代排和治碱方面应用广泛，但在水体富营养化防治方面未见报道。

2 辐射井技术防治水体富营养化原理

当富营养化水体进入土壤后，经过土壤的过滤、吸附、化学反应与沉淀及微生物的代谢、分解后，渗入水平管，再由集水井中抽出利用。

2.1 物理过滤

土壤颗粒间的孔隙具有截留、滤除水中悬浮颗粒的性能，污水流经土壤，悬浮物被截留，污水得到净化。土壤颗粒的大小、颗粒间孔隙的形状和大小、孔隙的分布以及污水中悬浮颗粒的性质、多少与大小是影响土壤物理过滤净化效果的因素。

2.2 物理吸附与物理化学吸附

在非极性分子之间的力的作用下，土壤中黏土矿物颗粒能够吸附土壤中的中性分子。污水中的部分重金属离子在土壤胶体表面，因阳离子交换作用而被置换吸附并生成难溶性的物质被固定在矿物的晶格中。

重金属离子与土壤中的无机胶体和有机胶体颗粒，由于螯合作用而形成螯合化合物；有机物与无机物的复合而生成复合物以类聚重金属离子与土壤颗粒之间进行阳离子交换而被转换吸附；某些有机物与土壤中重金属生成可吸性螯合物而固定在土壤矿物的晶格中。

2.3 化学反应与化学沉淀

重金属离子与土壤中的某些组分进行化学反应生成难溶性化合物而沉淀；如果调整、改变土壤中的氧化还原电位，能够生成难溶性硫化物；改变pH 值，能够生成金属氢氧化物；某些化学反应还能生成金属磷酸盐等物质，而沉淀于土壤中。

2.4 微生物代谢作用下的有机物分解

土壤中生存着各类繁多、数量巨大的土壤微生物，它们对土壤颗粒中的有机固体和溶解性有机物具有强大的降解与转化能力，这也是土壤具有强大的自净化能力的原因。

3 试验地点及水质检测

3.1 试验地点

本试验依托北京市科委项目“潮白河（顺义段）水质改善和保护关键技术研究与示范”中的辐射井示范工程进行。位于潮白河彩虹桥两侧的左右河岸，两岸各有2 眼辐射试验用井。辐射井竖井平均深12m，水平辐射集水管长（9~15）m。

3.2 取样及水质检测

取样时间从2009 年4 月至9 月，每15d 取样1次，每次取样均在上午10：00 点左右。水样送至水利部水质监督检验测试分中心进行检测，检测指标的方法按国家标准进行。

4 辐射井技术净化富营养化水体效果评价

4.1 评价依据

由于本项研究依托北京市科委《潮白河（顺义段）水质改善和保障关键技术研究与示范》项目，根据项目任务书中的规定：确定示范区内的水质不低于引温济潮来水的水质标准，（除总氮外其他大部分指标达到地表水环境质量标准的Ⅲ类限值）引温济潮工程设计水质标准如表1。

表1 引温济潮工程设计调水水质mg/L

4.2 评价方法

由于受水区周边属于水环境敏感区域，本次地表水水质评价采用单因子指标法对受水区地表水进行评价，以摸清各项水质指标的达标情况。根据引温济潮工程设计水质，拟对氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（CODCr）、生化需氧量（BOD5）等主要水质指标进行评价。

4.3 评价结果

4.3.1氨氮的去除效果分析

辐射井氨氮出水水质见图1。

从图1 中可以看出，4 眼辐射井出水的氨氮值从小到大的顺序是： 1 号辐射井＜2 号辐射井＜3 号辐射井＜4 号辐射井，大部分时间氨氮值在(0.4~1.2) mg/L。如以地表水环境质量标准限值来衡量，在整个观测周期内，除4 号辐射井外，其他3 眼辐射井出水的氨氮均满足地表水环境质量标准的Ⅳ类限值标准（1.5 mg / L），2 号辐射井出水的氨氮值符合地表水环境质量的Ⅲ类限值标准。辐射井出水氨氮值差别较大的原因：①人为的活动是氨氮的主要来源，由于辐射井布置在潮白河顺义的城区段，自此段蓄水后，此段便成为人们消遣娱乐首选之地，人为活动的增多，随之带来污染水体氨氮值的增加。②从辐射井水平管所在层的地质条件分析， 1 号辐射井与2 号辐射井水平管所在层主要是粉细砂，而3 号辐射井与4 号辐射井水平管所在层主要是中砂为主，从出水量分析也能印证这种情况，所以分析得出这样的结论：辐射井水平管所在地下含水层地质条件的不同也是造成氨氮值不同的原因之一。

4.3.2总氮的去除效果分析

总氮是指水中有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的总称，总氮量的增加，主要导致微生物各藻类等水生植物大量繁殖，造成水体富营养化。总氮是衡量水体水质的重要指标之一。

辐射井总氮出水水质见图2。

从图2 可以看出，辐射井出水总氮（1.87 mg / L）相对于原水（5.64 mg / L）有去除作用，平均去除率为60.4%，其中最高可达83.5%。若以地表水环境质量标准限值比较，1号辐射井与2 号辐射井在多数情况下可满足地表水环境质量Ⅳ类限值标准，有时也能达到地表水环境质量Ⅲ类标准。虽然土壤对净化水质有一定的作用，但是，辐射井以抽取浅层地下水为主，原水的水质情况直接影响到净化的效果。

4.3.3总磷的去除效果分析

磷是藻类生长速率的主要限制性元素，是影响水体富营养化的关键因素。

辐射井出水总磷变化见图3。

从图3 辐射井出水总磷图中可以看出，辐射井对磷的去除率能够达到53%，4 眼辐射井出水中的总磷在0.3 mg / L 左右，最高能够达到0.6 mg / L，最低能够达到0.08 mg / L。能够达到地表水环境质量标准Ⅳ类的限值标准，满足北京市水体功能划分的功能要求。

分析4 眼辐射井总磷变化较大的原因：由于在土地处理中磷的去除主要是通过土壤颗粒的吸附作用、化学沉淀反应、微生物同化作用和植物吸收作用来完成的，这些去除作用与基质紧密相关。从4 眼辐射井总磷的含量水平来看，和氨氮值的排列是一样，因此可以认定辐射井水平管所在地下含水层的地质条件的不同是造成总磷值不同的原因。

4.3.4 COD 的去除效果分析

COD 是衡量水体有机物含量多少的指标，COD 越高就表明水体受有机污染越严重。

从图4 中可以看出，原水COD 值在（40～120） mg/ L，辐射井出水的COD 值在（10 ～ 70） mg / L，去除率达到50.48%～ 90.14%；从平均水平来看，辐射井出水COD值在30 mg / L 左右，能够达到地表水环境质量标准Ⅳ类限值标准；从整个监测周期来分析， 4 眼辐射井出水COD 变化受原水中COD 值影响比较明显，它是随着原水COD 的升高而升高，随着原水的降低而降低。

4.3.5 BOD 的去除效果分析

辐射井出水BOD 变化见图5。

从图5 中可以看出，原水BOD 在（5～17）mg / L，而辐射井出水的BOD 值在（0.2～3） mg / L 之间，BOD的去除率在42.17 % ～ 95.57 %；在整个监测周期原水BOD 平均在11 mg / L，而辐射井出水的BOD 平均在2mg / L，平均的去除率为83.70%。以地表水环境质量标准的限值来衡量，辐射井出水的BOD 值完全能够达到地表水Ⅰ类标准。

4.3.6水温

适宜的水温是富营养化水体发生水华不可缺少的条件之一，北方地区出现水华澡种以蓝澡为主，适宜的水温在25℃～30℃左右。从图6 中可以看出，在6-9月份河水平均水温在27.5℃，正是以蓝澡为主要澡种发生水华的最佳水温，而同期，辐射井出水水温平均在19.6℃，比河水水温低7℃～8℃，由此可知，辐射井的出水补充到河道，使适宜发生水华的原河水水温发生变化，具有抑制水华发生的作用。

4.4 综合分析评价

从表2 中可以看出，在一些主要的出水指标中，辐射井出水指标基本上满足设计的水质标准，有些出水指标还要低于设计值。

表2 主要水质指标对比评价（mg/L）

5 结论

（1）辐射井技术运用到富营养化水体中，可以有效防止富营养化水体水华的发生。

（2）在上述条件下，辐射井出水可完全达到地表水环境质量Ⅳ类水体，大部分时间可达到地表水环境质量Ⅲ类水体。

（3）辐射井出水相对于原河水污染物的总氮的去除率在60.4%～83.5%，总磷的去除率53%以上。

（4）辐射井出水水温平均低于河水7℃～8℃，对抑制水华的发生有促进作用。

参考文献

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作者简介：赵立新（1969—），男，工程师。