初級(jí)小海綿社區(qū)建設(shè)意義及技術(shù)探索

袁東日

（上海軒浦凈化科技有限公司，上海 201108）

0.引言

2015年10月國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)海綿城市建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》加快部署和推進(jìn)我國(guó)海綿城市建設(shè)方面的工作，2016年3月住建部也印發(fā)了《海綿城市專項(xiàng)規(guī)劃編制暫行規(guī)定》要求各市海綿城市建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃草案要按時(shí)出爐[2]。

海寧市屬全國(guó)百?gòu)?qiáng)縣市，經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)好，海綿城市建設(shè)是當(dāng)時(shí)政府重點(diǎn)工作任務(wù)之一。目前，環(huán)境治理也在緊鑼密鼓地開(kāi)展，根據(jù)全省“五水共治”要求，海寧市出臺(tái)了海委辦發(fā)〔2013〕128號(hào)《海寧市農(nóng)村生活污水治理工作實(shí)施意見(jiàn)》，以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，以整治水環(huán)境、遏制水污染、保護(hù)水資源、保障水安全為工作目標(biāo)，堅(jiān)持“因地制宜、實(shí)事求是”的原則，結(jié)合星級(jí)美麗鄉(xiāng)村的創(chuàng)建同步進(jìn)行。類似柏士社區(qū)農(nóng)房高度集中、出租情況普遍、室外雨污混流、初期雨水污染嚴(yán)重的城鄉(xiāng)結(jié)合處，環(huán)境治理是難點(diǎn)，是五水共治的“重點(diǎn)”，也是未來(lái)海綿城市建設(shè)的邊緣地帶，海綿城市建設(shè)專項(xiàng)規(guī)劃應(yīng)將環(huán)境治理納入其中，并鼓勵(lì)由點(diǎn)集面逐步逐年推進(jìn)的方式。

海綿城市建設(shè)主要采取低影響度開(kāi)發(fā)方式，而對(duì)于建設(shè)緊簇的老舊社區(qū)利用合理的地下空間實(shí)現(xiàn)蓄水消峰則是另一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)海綿城市建設(shè)的重要技術(shù)舉措，地下空間對(duì)初期雨水或地表匯流的少量臟水的收集正是環(huán)境治理的薄弱環(huán)節(jié)，急需補(bǔ)足的短板，實(shí)現(xiàn)海綿城市建設(shè)與環(huán)境治理同步規(guī)劃同步施工的提前部署，可大大減少重復(fù)建設(shè)的財(cái)政資金投入。城市每個(gè)角落的建設(shè)作為海綿城市建設(shè)的一部分，結(jié)合水環(huán)境治理同步進(jìn)行，利用社區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施改造和環(huán)境治理的便利逐步實(shí)現(xiàn)海綿城市建設(shè)，可緩解市財(cái)政投資壓力，且降低新技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，初級(jí)小海綿社區(qū)建設(shè)理念的提出正基于此，它代表的是城市建設(shè)的那個(gè)角落，可為類似老舊社區(qū)建設(shè)與改造提供可復(fù)制可實(shí)施的參考范例。

1.初級(jí)小海綿社區(qū)建設(shè)過(guò)程提煉

1.1 基本情況

海寧市柏士社區(qū)位于馬橋街道西側(cè)，居民696戶，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。社區(qū)早期建有雨污分流系統(tǒng)，廚房、衛(wèi)生間污水經(jīng)排水管道收集進(jìn)入市政管網(wǎng)，但因居民生活習(xí)慣問(wèn)題，大部分居民會(huì)自建室外地下水井和洗滌板，則另有大量室外洗衣、洗菜、保潔等洗滌廢水匯入室外雨水管網(wǎng)流入社區(qū)河道；店面小型飯館污水的任意傾到，會(huì)導(dǎo)致大量污染物經(jīng)雨水管道進(jìn)入社區(qū)河道；初期雨水對(duì)地面沖刷，也將大量污染物帶入社區(qū)河道，逐步破壞河道生態(tài)系統(tǒng)，造成底泥堆積，漂浮物增多，影響正常泄洪排澇，暴雨期間偶爾短時(shí)出現(xiàn)河水倒灌現(xiàn)象（圖1）。

圖1 室外水井/洗滌板

1.2 設(shè)計(jì)理念

海綿城市建設(shè)以低影響開(kāi)發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建為基本原則，降雨時(shí)起到滲、滯、蓄的作用，雨后則凈、用、排加以釋放。柏士社區(qū)為已建成熟社區(qū)不適合再做低影響開(kāi)發(fā)建設(shè)，但社區(qū)水環(huán)境治理則需要對(duì)初期雨水、污水進(jìn)行收集儲(chǔ)存、凈化，按兩者相同功能的需求，設(shè)計(jì)同時(shí)達(dá)到要求的空間，實(shí)現(xiàn)蓄、凈、用同樣的目的。社區(qū)內(nèi)大型地下空間開(kāi)挖并不現(xiàn)實(shí)，非影響性地下空間建設(shè)最具可行的辦法是利用河道底部含水率低于80%的污泥層敷設(shè)容積管渠，建設(shè)過(guò)程不破壞社區(qū)現(xiàn)狀，不擾民，滿足消峰和凈水功能需求，降低投資成本。

以城邊街道或村鎮(zhèn)為建設(shè)對(duì)象，結(jié)合市級(jí)海綿城市建設(shè)整體規(guī)劃，做好街道社區(qū)先期規(guī)劃和布局，街道或社區(qū)海綿建設(shè)作為海綿城市建設(shè)的預(yù)建功能區(qū)，分段實(shí)施，不斷改進(jìn)，步調(diào)統(tǒng)一，目標(biāo)一致，在建設(shè)、改造、更新過(guò)程中，采用逐漸成熟的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，與前期建設(shè)項(xiàng)目保持一貫性可銜接性。初級(jí)小海綿城鎮(zhèn)或社區(qū)建設(shè)理念的形成，賦予了海綿城市建設(shè)方式方法的多樣性和靈活性，可采取不同方法措施實(shí)現(xiàn)蓄水、凈水、用水和排水的綜合效能，以最小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，建設(shè)以“蓄和凈”字為主的初級(jí)小海綿村鎮(zhèn)或社區(qū)，并解決河道水質(zhì)凈化、生活污水治理、早期雨水收集及治理等3個(gè)方面的問(wèn)題。

1.3 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)柏士社區(qū)河道水質(zhì)問(wèn)題，結(jié)合當(dāng)時(shí)雨污收集管網(wǎng)建設(shè)情況，圍繞海綿城市建設(shè)整體規(guī)劃綱要，制定科學(xué)可行的建設(shè)方案?；舅悸防矛F(xiàn)有河道，在河底含水率低于80%的泥土層內(nèi)敷設(shè)容積式管渠的方式，達(dá)到蓄水和調(diào)容的目的，滿足調(diào)蓄初期雨水，收集室外洗滌污水，兼顧處理河水。三水匯流處是容積式管渠調(diào)節(jié)充滿度的關(guān)鍵點(diǎn)，必須設(shè)置可以預(yù)沉、調(diào)節(jié)雨污水、河水補(bǔ)水的截污棄流井（圖2）以調(diào)節(jié)容積管渠內(nèi)的充滿度，目的在于控制洗滌污水與河水補(bǔ)水量的總和小于容積管渠總?cè)莘e量減去暴雨時(shí)初期雨水的匯流量，以保證暴雨時(shí)管渠起到蓄水消峰的作用。

圖2 截污棄流井

凈水系統(tǒng)首要選擇綠色處理方案，具有污水處理功能的綠色處理設(shè)施屬新工藝、新技術(shù)，多方位比選后選擇具有“污水處理站”之稱的多生態(tài)項(xiàng)濾床污水濕地處理工藝（圖3）。河岸兩側(cè)景觀綠化帶是唯一可用之地，該濕地處理工藝與綠地景觀融合建設(shè)，并實(shí)現(xiàn)室外洗衣、洗菜、保潔等廢水及初期雨水的蓄存、凈化、回用和排放。多生態(tài)項(xiàng)濾床生活污水處理效果能達(dá)到國(guó)家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)；初期雨水、河道水多生態(tài)項(xiàng)濾床處理效果，出水可按地表水指標(biāo)提升兩級(jí)。

圖3 多生態(tài)項(xiàng)濾床濕地

2.技術(shù)方案確定

2.1 數(shù)據(jù)采集與測(cè)算

2.1.1 室外生活污水

項(xiàng)目所收集的污水以室外洗衣、保潔等污水為主，則根據(jù)室外洗衣、保潔用水量測(cè)算污水產(chǎn)水量，依居民實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)測(cè)算每戶每天用水量達(dá)200L/d，居民696戶，該部分污水基本通過(guò)地表漫流排入雨水篦子，因此污水收集率相對(duì)較低，收集系數(shù)取0.7，地下水入滲系數(shù)取0.1，該社區(qū)靠近工業(yè)區(qū)，有一定數(shù)量外來(lái)人口無(wú)法確切統(tǒng)計(jì)，需要增加1.2倍富裕系數(shù)。

據(jù)此計(jì)算污水量如下：

Qw=qh·λ ·（1+b）·c=0.2×696×0.7×1.1×1.2=128.64 m3/d，取值 130m3/d。

其中：

Qw—污水量（m3/d）；

qh—每戶日用水量（m3/d）；

λ—收集系數(shù)；

b—地下水入滲系數(shù)；

c—富裕系數(shù)。

2.1.2 初期雨水

初期雨水是指降雨初期的雨水。該部分雨水溶解了空氣中的大量酸性氣體、汽車(chē)尾氣、工廠廢氣等污染性氣體，降落地面后又因沖刷屋面、地面、道路等，使得該初期雨水污染物質(zhì)含量很高，甚至超出普通城市污水的污染程度，經(jīng)雨水管直排入河道，對(duì)水環(huán)境造成一定程度的污染。

根據(jù)《嘉興市低影響開(kāi)發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》初期雨水徑流量應(yīng)按下式計(jì)算：

Wi=10·δ ·F=10×3×20=600m3

其中：

Wi—雨水初期徑流量（m3）；

δ—初期徑流厚度（mm），根據(jù)嘉興市雨水水質(zhì)特點(diǎn)，屋面初期雨水徑流厚度宜為2mm～3mm，路面初期雨水徑流厚度宜為3mm～5mm，本工程取3mm；

F—匯水面積（hm2），柏士村現(xiàn)狀屋面及路面用地面積約 20hm2。

2.2 設(shè)計(jì)布局

2.2.1 水下容積管渠布置

污水來(lái)源主要包括室外洗衣、保潔等廢水和初期雨水，其總設(shè)計(jì)處理水量為：

Q總=130+600=730m3

沿河總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約910m，按容積法計(jì)算直徑：

管徑取DN1000，采用PE管材，管道水下固定使用擋桿錨固和混凝土基樁錨固混合形式（圖4），根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)含水率較低的河床底泥滲水性較差，對(duì)其他物體表面的黏附力相對(duì)較強(qiáng)（具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有待研究），因此對(duì)于具備此敷設(shè)條件的施工段采用不銹鋼橫桿或交叉桿錨固的輔助錨固手段，可節(jié)約一定資金和施工時(shí)間。

圖4 河床調(diào)蓄管道系統(tǒng)布置圖

2.2.2 多生態(tài)項(xiàng)濾床布置（圖5）

圖5 多生態(tài)項(xiàng)濾床濕地工藝布置圖

多生態(tài)項(xiàng)濾床技術(shù)處理初期雨水，濕地面積按日處理水量1.5倍取值，初期雨水收集水量約為600m3/d，則多生態(tài)項(xiàng)濾床最小設(shè)計(jì)面積約為900m2較為合適。

多生態(tài)項(xiàng)濾床處理技術(shù)處理生活污水，濕地面積按日處理水量4倍取值，生活污水收集水量約為130m3/d，則多生態(tài)項(xiàng)濾床最小設(shè)計(jì)面積約為520m2較為合適。

兩者取較大值，濕地面積宜定為900m2，可分別滿足室外生活污水和初期雨水處理的需求。

2.2.3 初級(jí)小海綿社區(qū)建設(shè)功能區(qū)總平圖

初級(jí)小海綿社區(qū)建設(shè)功能區(qū)總平圖是基于居民樓雨污分流已完成，室外用水及街邊店面存在雨污合流情況下規(guī)劃布置，如圖6所示。

圖6 功能區(qū)總圖

2.3 影響運(yùn)行效果因素

首先，要求施工階段對(duì)調(diào)容管渠、井嚴(yán)密性嚴(yán)格測(cè)試，滲流量控制在1%以內(nèi)；其次，截污棄流井預(yù)沉和補(bǔ)水裝置正確安裝；最后，充分考慮溫度因素對(duì)PE管材及多生態(tài)項(xiàng)濾床生態(tài)項(xiàng)運(yùn)行的影響。

3.關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)解析

3.1 截污棄流井設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)

3.1.1 截污棄流井基本功能

截污棄流井主要截留污水和初期雨水，起到隔油、預(yù)沉處理的作用，防止油脂、無(wú)機(jī)顆粒物、漂浮物等進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)，造成管渠內(nèi)淤堵或多生態(tài)項(xiàng)濾床系統(tǒng)堵塞問(wèn)題。補(bǔ)水井位于截污棄流井內(nèi)部起到預(yù)沉河道泥砂和污泥回河的作用，補(bǔ)水井浮箱閥調(diào)節(jié)補(bǔ)水量不得超過(guò)工藝要求值，否則不利于管渠空間釋放影響調(diào)容效能。

3.1.2 截污棄流井關(guān)注控制點(diǎn)[3]

（1）截污棄流井尺寸需結(jié)合最大徑流量和顆粒物沉積性能確定，如圖7、圖8所示。（2）沉淀斜板裝置安裝高度與進(jìn)水孔標(biāo)高控制準(zhǔn)確，進(jìn)水孔標(biāo)高保持與堤岸齊平（堤岸標(biāo)高低于道路標(biāo)高為前提），盡量增加沉淀區(qū)高度提高沉淀效果，但不得造成污水排出困難。（3）井頂標(biāo)高按河水連續(xù)7d保持高水位的最高水位標(biāo)高加5cm設(shè)定。（4）截污棄流井總高度控制由最低位管道管底標(biāo)高確定。（5）截污棄流井與各進(jìn)出長(zhǎng)距離管道接口須采取雙軟密封圈配置形式，以便消除管道伸縮產(chǎn)生的軸向力。

圖7 截污棄流井平面圖

圖8 截污棄流立面圖

3.2 多生態(tài)項(xiàng)濾床濕地配置及性能分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)原理解析

多生態(tài)項(xiàng)濾床運(yùn)用了包括環(huán)境工程學(xué)、生態(tài)林業(yè)學(xué)、土木工程學(xué)等在內(nèi)的多學(xué)科多領(lǐng)域相關(guān)知識(shí)與技術(shù)，人工合成的凈水綜合體（圖9）。

圖9 生態(tài)綜合體

生態(tài)床系統(tǒng)通過(guò)床于基質(zhì)上微生物對(duì)污染物分解吸收，輔以水生植物調(diào)配物質(zhì)平衡以達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的效果。污染物總體遵循好氧、兼氧、厭氧降解過(guò)程（圖10），但各轉(zhuǎn)化過(guò)程并不是在整個(gè)濾床基質(zhì)內(nèi)均勻或單次發(fā)生，因此，配水方式上要求濾床系統(tǒng)以間歇式為主，以促使濾床內(nèi)部生物多樣性。植物根區(qū)氧由根部釋放并在周?chē)纬森h(huán)狀有氧區(qū)，富氧區(qū)半徑與水中BOD5含量成反向關(guān)系，生態(tài)床內(nèi)好氧、厭氧菌比例隨污水濃度、承載率及植物根部狀況變化而變化，根部區(qū)域是一個(gè)復(fù)雜多變的微生態(tài)系統(tǒng)，任何化學(xué)反應(yīng)、根系呼吸、微生物轉(zhuǎn)化都關(guān)系到污水處理最終出水質(zhì)優(yōu)劣。

圖10 基質(zhì)床基本氧分布情況

多生態(tài)項(xiàng)濾床運(yùn)作的核心是對(duì)有氧區(qū)域尺寸和數(shù)量的管理。通過(guò)選擇不同的介質(zhì)和根系，使得有氧或無(wú)氧生化反應(yīng)充分發(fā)揮作用，提高處理效率。

生態(tài)床系統(tǒng)基質(zhì)厚度分配從0.5m～1.5m不等，基質(zhì)材料種類4～6種，滲透系數(shù)一般選擇在kf=10-3～10-4m/s之間。植被配置需從污水性質(zhì)、植物富氧和自養(yǎng)功能特性、植物對(duì)氣候的適應(yīng)性、周?chē)坝^配套情況等多因素考慮，主要供選配的多年生水生植物有蘆葦、黃菖蒲、西伯利亞鳶尾、美人蕉、旱傘草、花葉蘆竹等，植物配置密度根據(jù)運(yùn)行階段不同保持10～6株/m2為宜。

3.2.2 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

多生態(tài)項(xiàng)濾床對(duì)脫氮除磷效果明顯（表2），收集早期該地區(qū)三個(gè)村民組多生態(tài)項(xiàng)濾床農(nóng)村生活處理終端培育成熟后污染物消減率數(shù)據(jù)，氨氮最低去除效率90.2%，最高去除效率99.8%；CODcr最低去除效率95%，最高去除效率97%；TP最低去除效率78%，最高去除效率81.3%；該生態(tài)濕地污水處理系統(tǒng)對(duì)氨氮、CODcr、總磷去除率高達(dá)70%～90%，屬于該領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)突破。多生態(tài)項(xiàng)濾床在沒(méi)有其他任何藥劑輔助的情況下對(duì)污染物具有高去除率，維持正常的物質(zhì)轉(zhuǎn)移，保持穩(wěn)定生態(tài)平衡的情況下，會(huì)大大降低濾床堵塞幾率，相關(guān)實(shí)例已運(yùn)行15年。

表2 早期農(nóng)村生活污水多生態(tài)項(xiàng)濾床系統(tǒng)培育成熟后消減率數(shù)據(jù)分析

柏士社區(qū)初級(jí)小海綿社區(qū)建設(shè)后主要運(yùn)行費(fèi)用由多生態(tài)項(xiàng)濾床運(yùn)行電費(fèi)、月巡檢維護(hù)人工費(fèi)、植物修剪費(fèi)等組成。

日常運(yùn)行提升泵2臺(tái)，每臺(tái)流量150m3/h，每臺(tái)功率10.5kW，每天平均運(yùn)行時(shí)間為2h，耗電量21kW×2h=42度，農(nóng)業(yè)電價(jià)按0.5元/度計(jì)算，則電費(fèi)21元/天，折合每噸水運(yùn)行電費(fèi)21/600=0.035元/噸。

生態(tài)床系統(tǒng)維護(hù)人工費(fèi)，社區(qū)普通電工按月巡檢維護(hù)，巡檢維護(hù)費(fèi)用100元/次·月，折合噸水費(fèi)用0.005元/噸。

年植物修剪費(fèi)1元/m2·年，折合噸水0.004元/噸。

生態(tài)床年運(yùn)行成本合計(jì)0.035+0.005+0.004=0.044元/噸，運(yùn)行費(fèi)用非常低。

900m2生態(tài)床每年水生植物產(chǎn)出約為5400株，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值約為10800元，折合噸水0.049元/噸，與上述運(yùn)行耗費(fèi)用做減法，0.049-0.044≈0元/噸，基本實(shí)現(xiàn)零成本運(yùn)營(yíng)。

3.2.3 環(huán)境影響

柏士社區(qū)初級(jí)小海綿社區(qū)建設(shè)過(guò)程中保持原有社區(qū)風(fēng)貌，未對(duì)環(huán)境造成任何破壞，系統(tǒng)運(yùn)行90d后河道由劣Ⅴ類水體提升到Ⅳ類水體，河面少見(jiàn)漂浮物和油污，實(shí)現(xiàn)感官良好型轉(zhuǎn)變，河內(nèi)生態(tài)活性逐漸恢復(fù)。

4.結(jié)論

柏士社區(qū)初級(jí)小海綿社區(qū)建設(shè)不是獨(dú)立存在，作為整個(gè)海綿城市建設(shè)的一點(diǎn)，海綿城市建設(shè)應(yīng)該遵循由點(diǎn)集面循序漸進(jìn)的過(guò)程，該建設(shè)項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了暴雨消峰水質(zhì)凈化的基本功能，積極利用可用綠化帶，非通航河道等公共空間實(shí)現(xiàn)工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)，并采用新工藝、新技術(shù)凈化水質(zhì)，建設(shè)費(fèi)用屬于社區(qū)改造資金，運(yùn)營(yíng)綜合成本趨近于零，利用社區(qū)改造資金依海綿方式建設(shè)逐步實(shí)現(xiàn)城市海綿建設(shè)目標(biāo)。該案例具有可復(fù)制、可推廣、易實(shí)施的特點(diǎn)，海綿社區(qū)的建設(shè)應(yīng)因地制宜，不局限于只有綠地才是海綿建設(shè)，采取任何可行穩(wěn)妥的方式能夠到達(dá)消峰、凈化兩個(gè)基本功能都是可行的，具有長(zhǎng)效性穩(wěn)定性安全性，低運(yùn)行成本，對(duì)城市洪水災(zāi)害和環(huán)境污染有利的方式方法均可納入海綿城市建設(shè)方案，是對(duì)海綿城市建設(shè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的補(bǔ)充。