城市封閉性黑臭水體綜合治理方案

韋 東

(合肥市排水管理辦公室，安徽合肥 230001)

隨著城市化進(jìn)程加速發(fā)展，城市生態(tài)環(huán)境不斷破壞，水體逐漸變黑變臭。城市水體因位置、環(huán)境、污染源等不同，水體黑臭成因復(fù)雜、影響因素多，治理方法差異很大。因此，城市黑臭水體整治應(yīng)通過“控源截污、內(nèi)源治理、生態(tài)修復(fù)”等綜合措施，科學(xué)制定水體整治方案和長效保持技術(shù)路線[1]。

由于城市水資源短缺，大部分城市水體除降雨外，無外來水源補(bǔ)給，水體流動性差，且污染物常年累積，導(dǎo)致水體黑臭嚴(yán)重，治理難度大。本文以大蜀山森林公園南湖(以下簡稱南湖)治理為案例，對城市封閉性黑臭水體治理進(jìn)行研究探討。

1 項目背景

南湖位于合肥市大蜀山東麓，原狀水域面積約73 333 m2，其中灘涂約40 000 m2，除降雨外無外來水源，為封閉性水體。由于湖體受到沿岸雨水排口少量污水和地表雨水徑流污染；污染物以及水體動植物殘體常年積累，底泥淤積嚴(yán)重；平時無清潔水源補(bǔ)給，水體缺乏流動；且水體生態(tài)系統(tǒng)失衡、趨于沼澤化等諸多原因，南湖水體富營養(yǎng)化、自凈能力喪失以及黑臭等問題。

2 水體污染成因分析

在進(jìn)行水體治理前，首先是通過現(xiàn)場排查和相關(guān)資料調(diào)研，系統(tǒng)分析水質(zhì)水量特征及污染物來源，在此基礎(chǔ)上結(jié)合環(huán)境條件與控制目標(biāo)，確定水體整治的技術(shù)路線。

2.1 點源污染

我國城市水體普遍存在“下雨就黑”的問題，其根源是雨水從雨水排水口、合流排水口溢流造成了污染[2]。經(jīng)現(xiàn)場勘查，南湖原狀沿岸共有6個雨水排水口(圖1)，其中，東邊、南邊小區(qū)較為密集，且各排水口均有少量污水匯入。通過對雨水口旱季污水量測算以及國家相關(guān)技術(shù)規(guī)則確定的污水污染物濃度參數(shù)，計算每年排入水體的污水污染物含量約為：CODCr=21.5 t、NH3-N=2.92 t、TN=3.65 t、TP=0.26 t。

2.2 面源污染

南湖唯一的水源為降雨，匯水范圍約為2.1 km2，大部分為公園綠化，少部分為城市居住區(qū)，初期雨水所攜帶的污染富集，造成水環(huán)境惡化。根據(jù)匯水范圍內(nèi)降雨量及國家相關(guān)技術(shù)規(guī)則確定的污染物濃度參數(shù)，估算出地表雨水徑流每年排入水體的污染物含量約為CODCr=46.6 t、NH3-N=0.7 t、TN=2.1 t、TP=0.1 t。

注：①、②-黃山路南側(cè)雨水口；③-玉蘭大道及西側(cè) 雨水口；④、⑤-望江路雨水口；⑥-瀾溪鎮(zhèn)雨水口圖1 沿岸雨水排水口Fig.1 Rainwater Outlets along the River

2.3 內(nèi)源污染

南湖水體不斷容納外界排入的各種污染物，以及動植物腐敗后的大量沉積物，內(nèi)源污染較為嚴(yán)重。經(jīng)現(xiàn)場勘測，南岸底泥厚度約為40～50 cm，中度黑臭，顏色偏深；黃山路側(cè)的顏色偏黃，臭味明顯。水體底泥成分檢測如表1所示，底泥中氮磷及有機(jī)質(zhì)含量高，清淤十分必要。

表1 水體底泥營養(yǎng)物含量分析Tab.1 Analysis of Nutrient Load in Sediment of Water Body

2.4 生態(tài)系統(tǒng)失衡

南湖水系水質(zhì)為劣Ⅴ類，浮游植物密度達(dá)109 ind./L，主要種類為水華微囊藻和銅綠微囊藻。藍(lán)藻大面積暴發(fā)、水華現(xiàn)象嚴(yán)重，水體北側(cè)藻類、水生動植物死亡后腐爛；水體水生植物系統(tǒng)單一，水體自我凈化能力低；加上水體嚴(yán)重缺乏管理養(yǎng)護(hù)，水生態(tài)系統(tǒng)亟待完善，基本喪失了娛樂、生態(tài)功能，水體原狀如圖2所示。

圖2 水體原狀圖Fig.2 Original State of the Water Body

3 治理措施

依據(jù)南湖原狀條件，按照“源頭減排、過程控制、系統(tǒng)治理”的治水理念，采用污水截流系統(tǒng)、雨水收集處理系統(tǒng)、生態(tài)清淤及水生生態(tài)凈化系統(tǒng)等綜合治理措施，以實現(xiàn)“改善水環(huán)境、修復(fù)水生態(tài)、涵養(yǎng)水資源、保障水安全”的多重目標(biāo)。

3.1 控源截污

3.1.1 截污納管

“黑臭在水里，根源在岸上，關(guān)鍵在排口”[3]，截污納管是水體治理最直接有效的工程措施。根據(jù)現(xiàn)場條件，沿南湖岸線鋪設(shè)污水截流管，將黃山路南側(cè)雨水口、玉蘭大道及西側(cè)雨水口、望江路雨水口、瀾溪鎮(zhèn)雨水口等旱季污水截流，通過污水泵站提升至香樟大道污水管，送入污水廠處理。經(jīng)測算：旱季污水量為17.52 m3/h，取截流倍數(shù)2，設(shè)置截污泵站的規(guī)模為1 300 m3/d。

3.1.2 過程控制

對于徑流污染，除了靠地面保潔外，更重要的是充分利用LID技術(shù)和海綿城市理念，從源頭減少污染物量[2]。因此，在南湖匯水范圍內(nèi)構(gòu)建雨水收集處理系統(tǒng)，采用“沉淀溝—氧化塘—潛流濕地”組合模式(圖3)，在徑流過程中控制初期雨水、冰雪融水、地表固體廢棄物等入湖污染源。

圖3 雨水處理系統(tǒng)流程Fig.3 Process of Rainwater Treatment System

(1)初級沉淀溝

根據(jù)南湖西側(cè)地形及林間溝渠現(xiàn)狀，修建旱溪式沉淀溝。在綠化較好及開闊地帶采用植草淺溝，提高對初級雨水中懸浮物及泥沙顆粒的沉降作用。根據(jù)地形相應(yīng)變化，植草淺溝設(shè)計深度為20～50 cm，草本植物的栽培密度為150株/m2。在光照條件不適宜植物生長時，采用碎石溝渠，達(dá)到分流及過濾的功能。碎石粒徑依據(jù)水流通路的不同設(shè)計不同粒徑(d=20～40 cm)，進(jìn)水前段設(shè)計大粒徑(d=40 cm)，后端設(shè)計小粒徑(d=20 cm)。當(dāng)雨水流經(jīng)植草淺溝、碎石溝渠時，經(jīng)過沉淀、過濾、滲透、植物吸收及生物降解等作用，可有效削減徑流中的污染物，同時緩沖暴雨峰值流量。

(2)氧化塘

為了控制南湖匯水區(qū)域內(nèi)地表徑流雨水以及雨天溢流污水污染，項目設(shè)計6個氧化塘(圖4)，總面積為8 144 m2，其中，表流濕地帶面積為1 278 m2，形成緩沖帶，沉水植物凈化區(qū)面積為6 866 m2。通過在氧化塘種植水生植物，在以太陽能為初始能量的推動下，利用生物氧化塘中多條食物鏈降解和轉(zhuǎn)化水體中有機(jī)污染物。氧化塘形成的緩沖帶，有效減緩了入湖水體流速，并對水體攜帶雜質(zhì)有一定的削減作用。

圖4 氧化塘水流示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Water Flow in Oxidation Pond

(3)潛流濕地

因氧化塘不能充分處理排入南湖水體的污染物，在水量和水質(zhì)負(fù)荷較大的玉蘭大道及西側(cè)雨水口和望江西路雨水口設(shè)置“氧化塘+潛流濕地”(圖5)，對入湖水源進(jìn)一步處理，減小南湖水體的自凈壓力。污水在潛流濕地床內(nèi)部流動，利用填料表面生長的生物膜、豐富的根系及表層土和填料截流過濾等作用，提高其處理能力和效果；同時，利用植物根系的輸氧作用，對懸浮物、有機(jī)物和重金屬等也有較好的去除效果。

圖5 “氧化塘+潛流濕地”效果示意圖Fig.5 Schematic Effect of "Oxidation Pond + Subsurface Wetland"

本案潛流濕地A設(shè)計面積為249 m2，濕地B設(shè)計面積為211 m2，濕地濾料設(shè)計深度為1.5 m，濾料是粒徑為5 cm的濾石，濾料上覆土工布后覆20 cm種植土。植物選擇低矮品種的香菇草。潛流濕地建設(shè)采用Ф15 cm木樁構(gòu)成框體，濕地頂標(biāo)高高于常水位20 cm，內(nèi)側(cè)竹排的布設(shè)確保密排，禁止出現(xiàn)較大的空隙，并在濾料與竹排間鋪設(shè)土工布。

3.2 生態(tài)清淤

水體黑臭的另一原因是內(nèi)源污染問題沒有得到根治，沒有建立起良性的生態(tài)系統(tǒng)，自凈能力欠缺[4]。通過對南湖底泥污染物含量及底泥粒徑檢測分析得知：底泥中的碳氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)豐富，含量較高，土壤粒徑具有垂直變化的特征，表層土壤粒徑為0.005～0.01 mm，中層為0.01～0.05 mm，下層為0.05～0.15 mm。為了清除底泥污染源及提供水生植物的生長基礎(chǔ)環(huán)境，底泥清淤采取分層分段逐片進(jìn)行開挖。根據(jù)水生植物的生長需求及水質(zhì)需要，表層底泥氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)豐富，但顆粒小，結(jié)構(gòu)松散易懸浮，會加速水體富營養(yǎng)化，選擇清淤外運(yùn)；中層底泥營養(yǎng)物質(zhì)較豐富，但土壤粒徑過小，不利于水生植物根部呼吸作用，因此，選擇清淤至湖濱帶與原狀土混勻，用作周邊綠化；下層土壤營養(yǎng)物質(zhì)較少，土壤粒徑大小適宜，采取沉水植物栽培的方式進(jìn)行原位凈化吸收。通過以上措施，基本實現(xiàn)了南湖底泥污染的內(nèi)部吸收凈化，有效保護(hù)了周邊生態(tài)環(huán)境。

3.3 水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建

新開挖的湖體缺乏完善生態(tài)系統(tǒng)所需的生物環(huán)境及營養(yǎng)級聯(lián)關(guān)系，需要人工構(gòu)建配合水系景觀的凈水水生態(tài)系統(tǒng)，運(yùn)用生態(tài)操縱技術(shù)有效進(jìn)行水質(zhì)凈化，并通過調(diào)整使生態(tài)系統(tǒng)長期保持穩(wěn)定狀態(tài)[5]。本項目通過模擬自然水體的水生態(tài)系統(tǒng)組成，構(gòu)建由生產(chǎn)者(水生植物)—消費者(水生動物)—分解者(微生物)組成的水生態(tài)系統(tǒng)，利用物質(zhì)及能量的轉(zhuǎn)換，削減污染水體中的營養(yǎng)鹽，最終實現(xiàn)水體的凈化。

3.3.1 水生森林系統(tǒng)構(gòu)建

(1)沉水植物凈化系統(tǒng)

沉水植物是水體生物多樣性賴以維持的基礎(chǔ)，其所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和水環(huán)境質(zhì)量改善的重要依據(jù)?？紤]南湖公園的整體定位及水系特點，沉水植物選擇凈水能力強(qiáng)、景觀效果好、維護(hù)簡單的種類，栽植方式為群落形式。根據(jù)南湖水下地形設(shè)計及沉水植物等深線分布，將南湖分為淺水初步凈化區(qū)及深水深度凈化區(qū)。在淺水區(qū)域內(nèi)設(shè)計景觀效果好、凈水能力強(qiáng)的矮生耐寒苦草；在深水區(qū)域內(nèi)，選擇刺苦草、輪葉黑藻、馬來眼子菜、伊樂藻等，與淺水區(qū)水下草皮結(jié)合形成層次豐富的水下植物景觀，為水生動物提供豐富的生境條件。通過計算，本案沉水植物設(shè)計面積為58 025 m2，種植分布區(qū)如圖6所示。

圖6 沉水植物分布區(qū)Fig.6 Distribution of Submerged Plants

(2)濱水景觀凈化系統(tǒng)

挺水植物具有很好的造景功能，同時對暴雨沖刷還具有攔截作用，起到進(jìn)一步保障水質(zhì)的作用[5]。根據(jù)項目現(xiàn)狀及功能定位，在東側(cè)視線開敞區(qū)域設(shè)計精致型挺水植物，主要選擇梭魚草、水生美人蕉、旱傘草、澤瀉及黃菖蒲，形成節(jié)奏明快、色彩艷麗的動感體驗區(qū)；在西側(cè)及南側(cè)的林下半封閉區(qū)域設(shè)計野趣型挺水植物，主要選擇常綠鳶尾、蘆葦、水菖蒲，構(gòu)建安靜宜人的靜態(tài)體驗區(qū)。浮葉植物對于微氣候具有明顯的調(diào)節(jié)作用，因此，在南湖景觀節(jié)點及視線焦點設(shè)計布置睡蓮，營造層次豐富、色彩艷麗的水域景觀。通過計算，本案濱水景觀植物設(shè)計面積為4 681 m2，種植分布區(qū)如圖7所示。

圖7 濱水景觀植物分布區(qū)Fig.7 Distribution of Waterfront Landscape Plants

各類水生植物栽培量如表2所示。

表2 水生植物栽培量Tab.2 Cultivation of Aquatic Plants

3.3.2 水生動物系統(tǒng)構(gòu)建

南湖水體氮磷含量豐富，易出現(xiàn)藻類大量繁殖的情況，在保護(hù)水生植物凈水功能的前提下，為了完善水體中的食物鏈和食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)，科學(xué)放養(yǎng)濾食性魚類、底棲動物和浮游生物，通過營養(yǎng)級聯(lián)頂端控制藍(lán)藻水華暴發(fā)和實現(xiàn)水質(zhì)凈化，構(gòu)建水體微生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)調(diào)控，提高水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。本案在水體中選取放養(yǎng)一定種類和數(shù)量的肉食性魚類和底棲動物，與水中的細(xì)菌、單細(xì)胞藻類和原生動物，構(gòu)建水生動物生態(tài)系統(tǒng)，初步估算水生生物投放量如表3所示。根據(jù)南湖的水體現(xiàn)狀，水生動物的放養(yǎng)將充分考慮水生動物物種的配置結(jié)構(gòu)(時空結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)結(jié)構(gòu))，科學(xué)合理地設(shè)計水生動物的放養(yǎng)模式(種類、數(shù)量、個體大小、食性、生活習(xí)性、放養(yǎng)季節(jié)、放養(yǎng)順序等)。

表3 水生生物投放量Tab.3 Amount of Delivery for Aquatic Organisms

3.3.3 微生物系統(tǒng)構(gòu)建

南湖水體污染特性以NH3-N、硝酸鹽氮及TN為主，通過激活水體中光合細(xì)菌、硝化細(xì)菌及反硝化細(xì)菌為主的土著微生物種群，吸收分解水中營養(yǎng)鹽、有機(jī)物，進(jìn)一步降解污染物。為了激活并引導(dǎo)土著微生物種群生長繁殖，在南湖水體中投放生態(tài)基，將原本存在于水體底泥、植物根系或懸浮于水中的微生物富集在生態(tài)基表面，使這些微生物找到更加適宜的居住空間，從而培養(yǎng)種類豐富、數(shù)量多的微生物。因此，在南湖不同水深區(qū)域設(shè)立了生物基點，生物基布置工程量如表4所示。

表4 生物基工程量Tab.4 Bio-Based Engineering Quantities

4 治理效果

4.1 水體自凈能力提高

南湖水體通過水生森林凈水系統(tǒng)、水生動物的放養(yǎng)、微生物系統(tǒng)的激活等措施，構(gòu)建的水生態(tài)系統(tǒng)具有較好的污染負(fù)荷凈化能力。經(jīng)過對南湖水環(huán)境容量進(jìn)行分析，并計算生態(tài)系統(tǒng)削減值、水環(huán)境容量值和南湖的年污染負(fù)荷入湖量(表5)，南湖經(jīng)過生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)后納污能力大于污染負(fù)荷，可保持水體的水質(zhì)及水景。

表5 污染物質(zhì)平衡表Tab.5 Balance Sheet of Pollutants

4.2 水體環(huán)境明顯改善

通過污水截流、雨水凈化處理、內(nèi)源修復(fù)、水生森林系統(tǒng)、微生物生態(tài)系統(tǒng)等治理措施后，經(jīng)連續(xù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示(表6)，基本達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，水體及周邊環(huán)境得到了明顯改善。

表6 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比Tab.6 Comparison of Water Quality Monitoring Data

5 總結(jié)

該水體治理方案結(jié)合海綿城市建設(shè)、黑臭水體治理和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建等技術(shù)理念，按照“源頭減排、過程控制、系統(tǒng)治理”的治理思路，通過設(shè)置截污泵站，合理控制旱季污水和雨天溢流污染；并建立“沉淀溝—氧化塘—潛流濕地”組合的雨水收集處理系統(tǒng)，調(diào)節(jié)雨水徑流的高峰流量的同時，有效控制了入湖水體污染物，實現(xiàn)“控源截污”目標(biāo)。通過科學(xué)合理的配置，建立水生森林凈化系統(tǒng)，輔以水生動物和微生物凈化系統(tǒng)，構(gòu)建完善、和諧、平衡的多級食物鏈，促進(jìn)水體和底泥污染物質(zhì)的循環(huán)轉(zhuǎn)移，提升水體自身凈化能力和調(diào)節(jié)功能，實現(xiàn)水質(zhì)凈化及景美、岸綠的治理效果。