城市河道黑臭水體綜合治理工程實例分析

岳志芳，岳麗芳，陳 勇，王家福，王彥雋，閆永利

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014109； 2.唐山學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 唐山 063000； 3.中國電建西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710000； 4.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，呼和浩特 010000)

城市黑臭水體是指城市區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)令人不悅的顏色和(或)散發(fā)令人不適氣味的水體[1]。近年來，隨著城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的快速發(fā)展，城市污水排放量日益增加，城市河段受到了不同程度的污染[2]。同時，由于個別城市排水系統(tǒng)能力不足或少數(shù)企業(yè)受利益驅(qū)使、部分居民環(huán)保意識淡薄，大量未經(jīng)有效處理的污染物直接排放至河道的現(xiàn)象仍有發(fā)生，河水及河道底泥污染嚴(yán)重，從而造成城市黑臭水體的出現(xiàn)[3-4]。城市黑臭水體不僅破壞了河流生態(tài)系統(tǒng)，損害了附近居民的生活環(huán)境，而且嚴(yán)重影響了城市景觀與城市形象。因此，消除城市黑臭水體、改善城市水環(huán)境質(zhì)量是城市生態(tài)環(huán)境改善和生態(tài)文明建設(shè)亟須解決的關(guān)鍵問題。

目前，國內(nèi)黑臭水體治理的常用技術(shù)主要有物理法、化學(xué)法和生物-生態(tài)法等[5-8]。其中物理法主要包括增氧曝氣、河底清淤和引水沖污等；化學(xué)法主要包括氧化劑氧化、絮凝沉淀、化學(xué)藥劑脫氮除磷等；生物-生態(tài)法主要包括植物法、生物掛膜技術(shù)和微生物法等。以上三種治理方法各有其適用的局限性，而且不同城市黑臭水體受污染情況不盡相同，因此，任何單一治理技術(shù)都達(dá)不到完全理想的治理效果，需要根據(jù)城市黑臭水體的特性及污染物的特點加以綜合應(yīng)用。鑒于此，本文對“膜生物反應(yīng)器(MBR)一體化工藝、補氧+生物膜、人工清淤”綜合治理技術(shù)應(yīng)用于廣東省某市黑臭河道治理工程的實例進(jìn)行分析，以解決實際問題，并為治理城市黑臭水體提供經(jīng)驗和參考。

1 工程概況

某市有一河道穿過市區(qū)，河道兩岸排污口較多，其多數(shù)口徑較小，河道臟、亂、差、臭等現(xiàn)象嚴(yán)重。該河道全長3.39 km，最寬處約0.03 km，流域面積2.16 km2，上游已經(jīng)加蓋，整治長度已完成1 km。本次黑臭水體的治理范圍為明渠段，治理河長為0.51 km。明渠上游段現(xiàn)狀堤岸為直立擋墻，基本完好，下游河口段為土質(zhì)堤岸。

2 污染源調(diào)查及分析

2.1 外源污染

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河道兩岸居民房密集，生活垃圾無害化處理設(shè)施欠完善，存在簡易填埋、露天堆放等現(xiàn)象。沿河部分居民及生產(chǎn)建設(shè)單位的水法意識、環(huán)保意識、清潔意識不強，使得生活垃圾、工業(yè)廢渣、建筑垃圾等棄置河邊或入河現(xiàn)象屢禁不止。降雨發(fā)生時，垃圾全部隨徑流進(jìn)入河道，造成河道污染、河床淤積。同時，該區(qū)域內(nèi)大部分管網(wǎng)采用雨水、污水合流制，導(dǎo)致雨水與污水在降雨集中時段混合并溢流進(jìn)入河道，造成河道內(nèi)水質(zhì)污染?，F(xiàn)場取水樣進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示，水體中化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和總磷(TP)的平均質(zhì)量濃度分別為363.54 mg/L，41.34 mg/L和8.03 mg/L，均低于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)[9]。

2.2 內(nèi)源污染

河道底泥受到污染，導(dǎo)致其水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)退化，水生動物、植物種類減少。河底淤積的底泥比較薄，厚度為20 cm，黑色，流塑狀。對底泥進(jìn)行現(xiàn)場取樣檢測，結(jié)果表明，底泥中氨氮和磷的含量分別為58.3 mg/kg和5 903.9 mg/kg，氨氮和磷的含量較高，水體發(fā)生黑臭的概率增大。

3 黑臭水體治理方案

鑒于河道污染的復(fù)雜性，在調(diào)查分析外源污染與內(nèi)源污染的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外城市河道水質(zhì)治理凈化的成功經(jīng)驗，采用綜合技術(shù)消除水體黑臭。首先，將河道附近截流后的污水通過MBR一體化設(shè)備就地處理，處理后的出水作為補充水增加河涌的流動性，以防止污染物沉積；其次，在河道中設(shè)置微生物載體，并與人工曝氣組合應(yīng)用，以維持水體中高等級生物的生存，改善其生存環(huán)境，提高水體自凈能力，保持良性生態(tài)循環(huán)；最后，采用人工清淤的方式處理底泥，消除內(nèi)源污染。

4 具體工程設(shè)計

4.1 MBR一體化工藝

4.1.1 處理規(guī)模及進(jìn)、出水水質(zhì)

治理的河道明渠段長度為510 m，平均寬度為10 m，控制有效水深為0.8 m。計量河道補水流量為816 m3/d，考慮一定的余量，MBR一體化設(shè)備停留時間設(shè)置為5 d，處理規(guī)模為1 000 m3/d，取部分暗涵截流污水。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測水質(zhì)數(shù)據(jù)確定MBR一體化設(shè)備設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)，設(shè)計出水水質(zhì)達(dá)到《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T18921-2019)的要求水質(zhì)，其中COD指標(biāo)要求達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。具體設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)如表1所示。

表1 設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì) mg/L

4.1.2 工藝流程

河道中的黑臭污水經(jīng)過提升泵提升至格柵以去除較大顆粒，然后通過斜管沉淀池去除懸浮物，斜管沉淀出水進(jìn)入MBR一體化設(shè)備，膜池中加入除磷劑(PAC)。MBR膜生物反應(yīng)器處理后的出水經(jīng)消毒池消毒后回補河道，工藝流程詳見圖1。

圖1 黑臭污水處理工藝流程

4.1.3 主要設(shè)計參數(shù)

設(shè)置2臺提升泵(1用1備)，單臺流量50 m3/h，揚程10 m，單機功率2.2 kW。格柵為不銹鋼材質(zhì)，尺寸B×H=1.2 m×1.2 m，柵條寬度10 mm，安裝角度75°。斜管沉淀池平面尺寸L×W=5.5 m×5.3 m，有效水深5 m，表面負(fù)荷1.98 m3/(m2·h)。MBR尺寸L×B×H=34 m×6 m×3 m，采用浸沒式超濾膜，2套膜組件，膜通量0.4～0.5 m3/(m2·d)。配置消毒儲液罐1套，消毒液加藥泵流量60 L/h，功率0.35 kW。

4.1.4運行效果

本工程自運行以來，處理效果良好，近半年的運行數(shù)據(jù)表明，出水水質(zhì)符合設(shè)計要求。對處理效果進(jìn)行一個月的連續(xù)監(jiān)測，結(jié)果如圖2，圖3和圖4所示。

圖2 運行過程中COD的變化

圖3 運行過程中NH3-N的變化

圖4 運行過程中TP的變化

由圖2可知，運行過程中MBR進(jìn)水COD值浮動在109～136 mg/L之間，MBR出水COD值穩(wěn)定在40 mg/L以下，COD平均去除率可達(dá)到70%以上，處理效果較好。MBR膜組件高效的泥水分離能力和反應(yīng)器內(nèi)較高的污泥濃度是影響COD去除的主要因素。

由圖3可知，MBR出水中NH3-N平均值為4.6 mg/L，NH3-N平均去除率為76%。MBR膜生物反應(yīng)器可以對水力停留時間及污泥停留時間進(jìn)行單獨控制，通過維持較長的污泥停留時間實現(xiàn)硝化細(xì)菌富集，從而實現(xiàn)較好的脫氮效果。

由圖4可知，進(jìn)水TP有一定波動，出水TP平均值為0.45 mg/L，TP平均去除率可達(dá)到75%左右。TP的去除主要通過MBR膜池除磷劑與活性污泥協(xié)同作用實現(xiàn)。

4.2 補氧+生物膜

4.2.1 需氧量計算

根據(jù)現(xiàn)場勘測可知，河道平均水位為1.0 m，按雨后河水中雨水、污水比例1∶1的濃度進(jìn)行需氧量計算，則長100 m，寬10 m的河道所需補氧量為349 m3/h。

4.2.2 補氧方式及主要設(shè)備

本工程選用低壓風(fēng)機-納米曝氣管的補氧方式。補氧設(shè)備采用2臺羅茨風(fēng)機(1用1備)，單臺流量350 m3/h，揚程2 m，單機功率5.5 kW。同時，貼河床布置60 cm高生物膜載體仿生水草，總面積為1 440 m2。河道沿岸每100 m布置1組曝氣+填料模塊，至河道下游入?？谇?00 m。

4.3 人工清淤

河道上游底部進(jìn)行過拋石擠淤護(hù)底，新近堆積物厚度20～40 cm，以砂為主，松散，局部呈懸移質(zhì)。河道下游段兩側(cè)堤岸內(nèi)側(cè)已做木樁基處理，現(xiàn)已發(fā)生傾斜，河底進(jìn)行過拋石擠淤護(hù)底，底泥厚度0～20 cm，以黏土為主。本工程硬化河床采用全部清淤方式，以淤泥厚度平均為30 cm進(jìn)行計算，總清淤量為1 530 m3。清淤污泥外運至附近的河道污泥處理廠進(jìn)行處理，將污泥含水率降低至40%后，運送至填埋場進(jìn)行填埋。

5 運行費用

工程運行費用主要包含電費、藥劑費、檢測化驗費、人工費及日常檢修維護(hù)費等。該工程電耗每年為180 456 kW·h，電價按0.68元/(kW·h)計算，電費合計12.27萬元/年；藥劑費合計0.40萬元/年；檢測化驗費按每兩周河道斷面上下游各取一個水樣計，每年共50個水樣，每個水樣化驗費按800元計，合計4.00萬元/年；配備人員5人，人均工資及福利按6 000元/(人·月)計，人工費合計36.00萬元/年；日常檢修維護(hù)費為17.72萬元/年。綜上所述，該市河道黑臭水體綜合治理運行費用合計為70.39萬元/年。

6 工程設(shè)計特點

(1)MBR一體化工藝的出水水質(zhì)好，流程簡短；設(shè)備占地面積小，自動化程度高，可做到無人值守，運行成本較低。

(2)補氧采用微孔曝氣，曝氣氣泡直徑小，氣液界面直徑小、面積大，氣泡擴(kuò)散均勻，不會產(chǎn)生孔眼堵塞；設(shè)備耐腐蝕性強。

(3)在不影響防洪、排滯及河道其他功能的條件下，河道中直接增加人工微生物載體仿生水草，大大提高了河道的接觸氧化面積和生物接觸氧化能力，強化了好氧微生物的氧化分解能力，使污染河水得到了充分凈化。

7 結(jié)論

從“改善補水、生態(tài)修復(fù)、清除內(nèi)源”的角度出發(fā)，本工程采用“MBR一體化工藝、補氧+生物膜、人工清淤”綜合治理技術(shù)進(jìn)行河道黑臭水體的治理工作。截流的污水經(jīng)MBR一體化設(shè)備處理后，COD值小于40 mg/L，NH3-N平均值為4.6 mg/L，TP平均值為0.45 mg/L，出水水質(zhì)各指標(biāo)均滿足《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T18921-2019)要求，其中COD值達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)中的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，可回補至河道。補氧與生物膜組合應(yīng)用，在有效能耗條件下發(fā)揮了最大的消除黑臭作用，消除河道水體的黑臭現(xiàn)象效果明顯。而且通過人工清淤消除了河道的內(nèi)源污染。本工程對于改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量和城市景觀環(huán)境具有積極的作用，對于改善城市居民的生活環(huán)境有明顯的促進(jìn)作用。