東北某地黑臭水體治理工程的設(shè)計和應(yīng)用

■ 中國中建設(shè)計集團有限公司 郭福龍

1.前言

我國北方地區(qū)暴雨多集中于夏秋兩季，導(dǎo)致地面很多污染物沒有被處理就沖進河湖水域，污染了水質(zhì)。而春冬季少雨，河湖水位不高，水體自凈能力下降，外加人為污染因素影響，水體嚴(yán)重富營養(yǎng)化，形成季節(jié)性或常年性黑臭水體。2018年9月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部聯(lián)合生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)實施方案》，提出全面整治城市黑臭水體，加快補齊城市環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施短板，確保用3年左右時間使城市黑臭水體治理明顯見效。

2.工程實例設(shè)計說明

該工程所在地為東北某區(qū)，屬于大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨、冬季寒冷干燥。近30年來，當(dāng)?shù)仄骄邓考s為495mm，降水特征具有年際變化大、季節(jié)分配不均、地區(qū)分布不均衡、暴雨強度大等特點。工程為市內(nèi)某河道，總長約22km，上開口約1.5m ～4m，河道總匯水面積171.64公頃，流域總匯水面積約81.55km2，涉及水系串聯(lián)相通10多處公園、湖泊、水庫、灌渠等開闊水體。

通過前期現(xiàn)場調(diào)查，確定河道點源污染存在的問題包括：污水直排、溢流污染、污水私接亂搭排放、合流污水、初期雨水及后期雨水入河，河道污染物濃度升高，水體污染負荷增大，河道水質(zhì)遭受嚴(yán)重污染。內(nèi)源污染存在的問題包括：水體底泥中所含有的污染物以及水體中各種漂浮物、懸浮物、未清理的水生植物或水華藻類等所形成的腐敗物。面源污染存在的問題包括：沿線生活垃圾、建筑垃圾、工業(yè)廢棄物、畜禽糞便等垃圾堆積，通過浸泡、滲漏、降雨沖刷等進入河流和湖庫，嚴(yán)重影響水體水質(zhì)。上述污染源的存在，導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)不完善、功能性植被缺失、水體自凈能力變差。

該工程的治理目標(biāo)為：2020年前完成黑臭水體治理，使其優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 （GB3838-2002）中地表V 類水質(zhì)。

3.設(shè)計條件確定

水環(huán)境容量計算是該工程設(shè)計的基本條件，現(xiàn)狀河水主要來源為降水、合流污水及溢流入的非穩(wěn)定水源等。隨著黑臭水體治理的實施，水體將在雨少的季節(jié)干涸，因此需對水體進行人為補水。最低生態(tài)補水量由蒸發(fā)量、滲漏量及灌溉用水量來決定。水體每年總蒸發(fā)量為254.38萬m3，枯水期月最小蒸發(fā)量為1.54萬m3，豐水期月最大蒸發(fā)量為50.53萬m3。水體每年滲漏量為正常水深水體體積的20%，為654.54萬m3，枯水期月最小滲漏量為41.99萬m3，豐水期月最大滲漏量為63.52萬m3。灌溉用水量、城市園林及綠化用水定額取3.5L/（m2·d），農(nóng)業(yè)用水量為5L/（m2·d），綠化灌溉天數(shù)183d，農(nóng)業(yè)灌溉天數(shù)為214d，2020年年灌溉需水量為356.1萬m3。維持河道水生生物正常生長的需水量，4月～9月流量百分比采用15%，10月～3月流量百分比采用30%。河道每年總水生態(tài)系統(tǒng)需水量為407.06萬m3，最大月水生態(tài)系統(tǒng)需水量為95.18萬m3。

最低生態(tài)補水量包含蒸發(fā)量、滲漏量、灌溉用水量及水生態(tài)需水量，2020年、2030年的每天最低生態(tài)補水量分別為8.60萬m3、8.64萬m3。根據(jù)城市近30年的降雨資料，通過PCSWMM 模型模擬計算出河道流域2020年徑流入河量為454.53萬m3，2030年徑流入河量為390.84萬m3，年徑流入河量無法滿足最低生態(tài)需水量的要求。

汛期（6月—8月）降雨量約占全年降雨量的76.6%，同時徑流入河量遠小于生態(tài)環(huán)境需水量，差值最大為7萬m3/d，全部由再生水廠補給，保證河道水力停留時間在20天以內(nèi)。

水環(huán)境容量的計算公式為：

其中，Cs為水質(zhì)目標(biāo)，C0為斷面起始濃度，Q0為河流流量，u 為平均流速，K 為綜合降解系數(shù)，x 為第m 個污染源距控制斷面的距離，qm為第m 個污染源的流量。

利用河海大學(xué)環(huán)水所的水環(huán)境容量計算模型模擬，包含枯水期、豐水期取值和目標(biāo)水質(zhì)要求。結(jié)合現(xiàn)狀河道水體相關(guān)參數(shù)取值，豐水期COD 降解系數(shù)為0.020，NH3-N 降解系數(shù)為0.017，TP 降解系數(shù)為0.015；枯水期COD 降解系數(shù)為0.011，NH3-N 降解系數(shù)為0.010，TP 降解系數(shù)為0.01。河道總COD 水環(huán)境容量為1511.40t/a，氨氮水環(huán)境容量為99.48t/a，TP 水環(huán)境容量為19.13t/a。

4.黑臭水體治理設(shè)計

該工程采用了多種技術(shù)措施消除黑臭，包括外源減排技術(shù)（截污納管、面源控制、直排污水原位處理），內(nèi)源控制技術(shù)（清淤疏浚、水生植物殘體清理），水質(zhì)凈化技術(shù)（人工增氧、絮凝沉淀、微生物強化凈化、人工濕地、生態(tài)浮島、水生植物塘），補水活水技術(shù)（清水補給、再生水補給、水動力保持），生態(tài)修復(fù)技術(shù)（水華藻類控制、水生生物恢復(fù)），考核監(jiān)測等技術(shù)的相互協(xié)調(diào)實施。

4.1 控源截污

控源截污是黑臭水體治理中最有效的工程措施，是其他治理措施的前提。對當(dāng)?shù)夭扇∮晡鄯至鞲脑?，沿河現(xiàn)狀污水全部就近接入市政污水管網(wǎng)，對現(xiàn)狀合流制雨水口排出口上游適當(dāng)位置采用修建單座雙室雙浮球閥截留井，既能保證上游截留管內(nèi)污水在遇到下游截留井后不產(chǎn)生溢流，又能控制雨季時通過截留井進入截留干管的污水量。工程設(shè)計4.4km截污干管，改建15km 污水管線，開槽部分采用HDPE 塑鋼纏繞管（環(huán)剛度SN10），頂管部分采用鋼承口橡膠圈Ⅲ級鋼筋混凝土圓管。（圖1）

圖1 單座雙室雙浮球閥截留井平面示意圖

城區(qū)大面積匯水區(qū)現(xiàn)狀雨水排出口設(shè)置初期雨水調(diào)蓄池，并在有倒灌可能的部位安裝鴨嘴閥。一般降雨量達到10mm 時，徑流水質(zhì)已基本穩(wěn)定；當(dāng)調(diào)蓄初期8mm 降雨時，可控制80%左右的污染量。該工程對初期雨水進行截留調(diào)蓄至污水廠處理，當(dāng)截流倍數(shù)n 取22倍時，截流量占降雨量的比例曲線出現(xiàn)明顯拐點，進一步提高截流倍數(shù)則截流效益不明顯。工程共設(shè)計11座調(diào)蓄池，其中，合流制調(diào)蓄池6座、初期雨水調(diào)蓄池5座。調(diào)蓄池進水管接雨水主干管，放空管接截污主干管，池體容積根據(jù)室外排水規(guī)范中調(diào)蓄池相關(guān)公式計算確定，設(shè)進水閘門及粉碎性格柵、附屬管理用房，外立面風(fēng)格與周邊環(huán)境相互協(xié)調(diào)，內(nèi)部設(shè)置配電柜及控制柜，放空采用水泵，池底部為廊道式采用智能噴射器沖洗裝置。調(diào)蓄池超高設(shè)置為1.0m，池頂覆土不小于1.5m，滿足地面種植要求。

中小面積匯水區(qū)末端雨水排出口設(shè)置初期雨水棄流措施，考慮到小匯水區(qū)輸入污染物較少，能滿足水環(huán)境容量，暫不考慮采取措施。棄流雨水排入污水廠，其余雨水采用“雨水排出口—過濾氧化塘—潛流濕地—潛流濕地—表面流濕地—出水至河道”。

棄流井主要設(shè)備包含雨量計、升降式截流橡膠瓣止回閥（電動或液動）和控制箱，三者之間形成聯(lián)動。止回閥一般處于常開狀態(tài)，道路產(chǎn)生的人為污水可直接通過棄流管進入污水管道。當(dāng)降雨開始時，雨量計根據(jù)設(shè)置的初期雨水匯集時間，關(guān)閉止回閥使后期雨水通過管道排放至自然水體，兩場雨間隔時間較短時中途不棄流。（圖2）

圖2 初期雨水棄流井示意圖

4.2 內(nèi)源治理工程

（1）清淤措施

內(nèi)源污染源淤泥108萬m3，采用長臂挖掘機械自上游至下游、先中央后兩側(cè)的順序進行清淤，一部分填埋。填埋場的底部采用單層土工膜防滲結(jié)構(gòu)，約有20%的淤泥浸出液的重金屬超標(biāo)，需要采用添加重金屬穩(wěn)定劑的方式加以處理。

（2）垃圾清理

河道內(nèi)及周邊的生活垃圾、枯枝落葉，河岸和水體存在管理死角地方的腐敗物均屬于存量面源污染物，不僅影響市容，滲濾液的產(chǎn)生還會破壞土壤及河道原有的活性，需全部清理至垃圾處理廠處理。為避免向河道扔垃圾，在村莊與河岸間設(shè)置約1.9km 長的圍欄，在河道開口線兩側(cè)30m 以內(nèi)的區(qū)域加強管理與維護。

（3）底泥修復(fù)

工程采用生物—生態(tài)修復(fù)技術(shù)，在原地直接吸收、降解污染物，運用水生植物和微生物共同組成的生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)，能夠有效地祛除多環(huán)芳烴的污染，高等水生植物可提供微生物生長所需的碳源和能源，根系周圍好氧菌數(shù)量多，使得水溶性差的芳香烴，在根系旁邊迅速降解。種植水生植物的根莖能夠控制底泥中營養(yǎng)物的釋放，而在生長后期又能較方便地去除、帶走部分營養(yǎng)物質(zhì)。

4.3 生態(tài)修復(fù)

（1）岸帶修復(fù)

工程盡量減少硬質(zhì)護坡，采用賓格石籠護砌與草皮護坡相結(jié)合的方式，設(shè)計河道護坡與20年一遇洪水位平齊，20年一遇洪水位以上采用草皮護坡，石籠采用5%鋅鋁合金鋼絲包塑。結(jié)合生態(tài)護坡，在河道兩岸結(jié)合現(xiàn)狀補種行道樹，間距為4m。

（2）生態(tài)凈化

河道水體的環(huán)境條件和治理修復(fù)要求，該項目采用的水域生態(tài)構(gòu)建和水質(zhì)保障技術(shù)系統(tǒng)是由底質(zhì)改良技術(shù)、微生物系統(tǒng)調(diào)控技術(shù)、水生植被系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)和曝氣增氧技術(shù)有機整合而成的綜合治理和水域生態(tài)修復(fù)技術(shù)系統(tǒng)，總體構(gòu)建水域面積超過157萬m2。

采用沉水植物為主、挺水植物為輔的水生態(tài)修復(fù)方案，以提高水體的透明度，植物進行光合作用吸收水中過剩的營養(yǎng)，產(chǎn)生大量天然的氧氣，有效抑制藻類的瘋漲，從而使底棲動物和水生昆蟲生態(tài)得以恢復(fù)，建立良性循環(huán)的生物多樣性和生態(tài)自凈能力。沉水植物栽種于水深在2.5m 以內(nèi)的區(qū)域，25叢/m2。挺水植物擇種植旱傘草（30株/m2）、千屈菜（16株/m2）和水燭（16株/m2），主要種植在水深1m 以內(nèi)，挺水植物的生長率為40t/(hm2·a)，其中植物體氮含量為15g/kg，含磷量為2.0g/kg。

（3）人工增氧

水質(zhì)調(diào)控型微生物菌劑（0.43kg/m2），生物強化措施中碳素纖維草20g/束，針對水中溶解氧含量低，解決水體普遍缺氧的問題。采用生物島礁、人工水草和跌差為1.15m 的一級跌水，同時配合曝氣機，提高了水體的復(fù)氧功能，強化了水體的凈化功能。

水生態(tài)建設(shè)初期（通常為45天左右）為了保證水生植被的成活率，曝氣時間平均約8h/d。單純依靠曝氣機可在24h內(nèi)恢復(fù)并保持水體溶解氧在4mg/L 以上，增氧裝置增氧效率取值80%。工程設(shè)置溶氧效率為3200g/h 的提水式曝氣機93臺，600g/h 的浮水噴泉曝氣機24臺，3000g/h 的強力造流曝氣機36臺。

（4）水生態(tài)修復(fù)

水體中投加的多孔性材料為培養(yǎng)基的載體化芽孢桿菌、光合細菌、EM 菌，能夠?qū)⒑诔舻啄嘀饾u分解為活性污泥，為水生植被生長提供一個良好底質(zhì)環(huán)境。再投加經(jīng)過特殊馴化的復(fù)合菌、異養(yǎng)菌及其生長所需要的營養(yǎng)來提高生物活性，促進底泥微生物繁殖、有機物質(zhì)迅速分解，釋放出氨氮、硫化氫等有害氣體，使得底泥好氧層加厚、泥層減薄，加快底泥微量營養(yǎng)的釋放。投加量為0.43kg/m2，同時還需要經(jīng)驗豐富的水生態(tài)工程師進行現(xiàn)場監(jiān)測用量。配合沉水植物覆蓋水體底層，阻止了已沉積底泥的再懸浮，并對底泥進行輸氧，吸收有機質(zhì)，進一步降低污染物的含量。待水下生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)基本穩(wěn)定后放養(yǎng)青蝦、螺（凈化效果較好的的環(huán)棱螺或蘿卜螺）、土著魚類，完善水體生態(tài)系統(tǒng)。

豐水期水生態(tài)凈化率COD 為1.6 1.8(g/m2·d)，NH4-N 為0.05 0.06(g/m2·d)，TP 為0.04(g/m2·d)。豐水期物強化措施凈化率COD 為0.013 0.016(g/m2·d)，NH4-N 為0.006 0.008(g/m2·d)，TP 為0.0003(g/m2·d)。

4.4 中水補給及蓄水工程

工程通過新建引水泵站，經(jīng)2.6km 長的DN300mm 壓力管線向河道上游補水，管線平均埋深2m。

河道現(xiàn)已有11座堰壩，在此基礎(chǔ)上新增4座合頁生態(tài)堰，該壩具有自動控制、結(jié)構(gòu)簡單、維護簡單、施工周期較短、耐冰凌等優(yōu)點，特別適用于北方地區(qū)。用以提升未來河道的常水位高度至少為0.6米，能夠滿足水生態(tài)種植的要求，并保證停留時間20天內(nèi)的及時換水。

4.5 人工濕地工程

人工濕地通常用來處理污水處理廠排出水或者初期雨水，通過表流、潛流交替式人工濕地對污染物進行削減，需保證在污染最嚴(yán)重月削減量大于污染物帶入量[1]。該工程在去除TP 方面，采用砂+黏性土壤為主要介質(zhì)，在足夠停留時間以上可對污水中磷的理論去除率達90%以上。在去除COD、NH3-N 方面，采用沸石+陶粒填料，理論去除率分別可達到70%與95%以上。實際通過人工濕地對COD、NH3-N、TP 的進出水檢測， 去除率分別在40%56%、50% 63%、49% 60%。流域水質(zhì)提升濕地總面積452421m2，濕地平均處理量為0.3m3/(d·m2）。

人工濕地的一般工藝流程為：

進水→過濾池→氧化塘→潛流人工濕地→表面流人工濕地→出水

濕地基本參數(shù)水力負荷0.2 0.42 （m3/m2·d），有機負荷50 118 （kg/km2·d）， 其中COD 去除率51% 64%，NH3-N 去除率40% 60%，TP 去除率52% 64%。

4.6 污水廠提標(biāo)改造

對現(xiàn)污水處理廠進行水質(zhì)處理提升改造，將原污水處理廠排放一級A 標(biāo)準(zhǔn)提升至《城鎮(zhèn)污水處理廠出水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/890-2012）中的B 標(biāo)準(zhǔn)，改造后污水處理工藝為：粗格柵及提升泵站+細格柵及曝氣沉砂池+斜管沉淀池+改良型A2O 池+二沉池+高效澄清池+纖維轉(zhuǎn)盤濾池+二氧化氯消毒。污泥處理工藝：污泥緩沖池+板框壓濾機，含水率降到80%。臭氣處理工藝：除臭生物濾池。

4.7 智慧水務(wù)工程及防洪影響

根據(jù)河道匯集點及區(qū)域考核斷面的要求，并滿足該地區(qū)智慧水務(wù)總體需求，設(shè)置在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)，設(shè)置多個水質(zhì)監(jiān)測斷面。

由于原水面線的土渠糙率n=0.025[2]，結(jié)合生態(tài)治理布置方案，采用綜合糙率n=0.028。經(jīng)計算，水位比未種植生態(tài)草之前高0.10m。原河道堤頂超高為0.80m，現(xiàn)堤頂超高0.70m，滿足相關(guān)要求。

5.結(jié)論分析

該項目的實施，全面落實了《水污染防治行動計劃》和《城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)實施方案》關(guān)于河道污染治理的要求，消除了黑臭水體，改善了當(dāng)?shù)鼐用竦纳瞽h(huán)境。通過對黑臭河道治理，大大降低了入河COD、氨氮總量，通過多種措施綜合治理每年可削減COD 量17284.03t、氨氮量1660.58t、TP328.97t。同時，當(dāng)?shù)鼐用褡杂X地保護環(huán)境才是不產(chǎn)生黑臭水體的持久保障。（本文在收集資料、寫作過程中得到了有關(guān)單位和同志的支持和幫助，在此表示感謝）