黑臭水體治理中多技術(shù)綜合運(yùn)用案例分析

蔣欣源，司馬勤，聶俊英

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

城市黑臭水體是指城市建成區(qū)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的統(tǒng)稱(chēng)。城市黑臭水體不僅給群眾帶來(lái)了極差的感官體驗(yàn)，也是直接影響群眾生產(chǎn)生活的突出水環(huán)境問(wèn)題[1]。城市黑臭水體問(wèn)題成因復(fù)雜，主要包括過(guò)度向水體中排放污染物、水體動(dòng)力不足、底泥長(zhǎng)期沉積腐敗等因素[2-3]。城市黑臭水體的治理需要采取系統(tǒng)性措施，源頭減排、過(guò)程控制與末端治理相結(jié)合的模式，將黑臭水體治理與海綿城市建設(shè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)黑臭水體消除與水質(zhì)的長(zhǎng)效保持。

安徽省池州市是國(guó)家首批海綿城市建設(shè)試點(diǎn)城市之一，黑臭水體整治工程是池州市海綿城市建設(shè)清溪河流域水環(huán)境綜合整治PPP項(xiàng)目的重要構(gòu)成。趙圩位于池州市老城區(qū)西部，2016年水體嚴(yán)重黑臭，通過(guò)對(duì)趙圩雨水排水系統(tǒng)的綜合分析，結(jié)合排水系統(tǒng)內(nèi)海綿城市建設(shè)，并通過(guò)多技術(shù)綜合運(yùn)用以及海綿設(shè)施的合理運(yùn)維，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)趙圩水體長(zhǎng)治久清的目標(biāo)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目背景

池州市海綿城市建設(shè)清溪河流域水環(huán)境綜合整治PPP項(xiàng)目包含海綿城市改造、黑臭水體整治、清溪污水廠尾水濕地建設(shè)、部分區(qū)域景觀亮化、監(jiān)測(cè)平臺(tái)建設(shè)等內(nèi)容，其中黑臭水體整治工程主要針對(duì)趙圩等7個(gè)黑臭水體。趙圩水體整治工程作為項(xiàng)目子項(xiàng)之一，主要包括外源污染控制、內(nèi)源污染治理、岸線整治、水質(zhì)凈化、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)等內(nèi)容。

1.2 水體概況

趙圩位于池州市西部，正常蓄水位11.0m，水體面積約9.6hm2，流域匯水面積約0.77km2。項(xiàng)目實(shí)施前水體設(shè)有一座排澇閘（1孔2.5×2.0m鋼筋混凝土箱涵式結(jié)構(gòu)），無(wú)抽排功能，外河高水位情況下需通過(guò)臨時(shí)機(jī)組抽排。

1.3 水質(zhì)檢測(cè)

項(xiàng)目實(shí)施前，對(duì)趙圩水質(zhì)進(jìn)行了取樣檢測(cè)，通過(guò)分析判定趙圩水體屬于劣V類(lèi)、重度黑臭。趙圩治理前水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 趙圩治理前水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果 單位：mg/L

2 問(wèn)題分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，趙圩水體重度黑臭的主要原因包括外源污染、內(nèi)源污染、水動(dòng)力不足等多個(gè)因素。

2.1 外源污染分析

趙圩水體受到的外源污染主要來(lái)源于三個(gè)方面：市政污水污染、初期雨水污染和農(nóng)業(yè)面源污染。

（1）市政污水污染：趙圩沿岸共有12處排口，其中有污水排口5處；雨水排口中有2處晴天有污水排出。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于區(qū)域污水管網(wǎng)建設(shè)滯后，趙圩片區(qū)部分污水管路無(wú)出路，市政污水需通過(guò)直接排入水體或混接入雨水排口排入水體，造成嚴(yán)重污染。如圖1所示，可清晰觀察到生活污水污染。

圖1 趙圩旱季雨水排口實(shí)景圖

（2）初期雨水污染：趙圩流域匯水面積約0.77km2，匯水范圍內(nèi)主要是居民區(qū)。通過(guò)片區(qū)綠化、硬化地面、屋面及水體面積統(tǒng)計(jì)，核算得出趙圩片區(qū)綜合徑流系數(shù)為0.54。現(xiàn)狀趙圩流域匯水范圍降雨時(shí)雨水通過(guò)管網(wǎng)直接排入水體，對(duì)水體水質(zhì)造成不利影響。

（3）農(nóng)業(yè)面源污染：趙圩岸線被大面積農(nóng)業(yè)種植侵占，如圖2所示。施肥、灌溉、農(nóng)藥噴灑等農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重影響趙圩水體水質(zhì)，且明顯增加氮磷污染物，雨天通過(guò)地面徑流進(jìn)入趙圩水體。

圖2 岸線農(nóng)業(yè)面源污染

2.2 內(nèi)源污染分析

趙圩內(nèi)源污染是湖內(nèi)水體底泥污染和水體中各種漂浮物、懸浮物、岸邊垃圾、未清理的水生植物或水華藻類(lèi)等產(chǎn)生的腐敗物所造成的污染。趙圩水體受外源污染長(zhǎng)期影響，水體有機(jī)物含量過(guò)高，容易形成缺氧甚至厭氧環(huán)境，兼性厭氧微生物分解復(fù)雜有機(jī)物，產(chǎn)生的小分子有機(jī)物質(zhì)可以作為電子受體，參與硫酸鹽和鐵（錳）等氧化物的還原反應(yīng)，沉積物中的Fe、Mn等物質(zhì)與還原態(tài)的硫結(jié)合，在揮發(fā)性有機(jī)物等作用下上浮進(jìn)入上覆水中，形成大量黑臭物質(zhì)[4]。

2.3 水動(dòng)力不足分析

趙圩水體無(wú)活水水源，補(bǔ)水主要依靠降雨及周邊生活污水匯流，水體缺少流動(dòng)，自?xún)裟芰Σ睿斐伤|(zhì)的進(jìn)一步惡化。

3 技術(shù)方案

城市黑臭水體成因復(fù)雜，其長(zhǎng)效治理必須采取系統(tǒng)性的技術(shù)方案，綜合運(yùn)用多方面技術(shù)。本次趙圩黑臭水體治理工程采用“外源減排、內(nèi)源清淤、水質(zhì)凈化、生態(tài)恢復(fù)，統(tǒng)籌考慮防洪排澇”的基本技術(shù)路線，其中外源減排和內(nèi)源清淤是基礎(chǔ)與前提，水質(zhì)凈化是階段性手段，生態(tài)恢復(fù)是長(zhǎng)效保障措施。

3.1 外源污染控制方案

對(duì)于三個(gè)不同方面的外源污染，分別采取有針對(duì)性的技術(shù)方案。

3.1.1 市政污水污染控制技術(shù)方案

為解決趙圩片區(qū)市政污水無(wú)出路的問(wèn)題，配合趙圩片區(qū)沿江路建設(shè)工程新建污水管網(wǎng)及污水泵站，并對(duì)現(xiàn)狀雨污水混接點(diǎn)進(jìn)行雨污分流改造，將區(qū)域污水輸送至污水處理廠處理。

在確保區(qū)域污水出路的前提下，對(duì)趙圩沿岸的污水排口和冒溢點(diǎn)進(jìn)行封堵，將污水改排進(jìn)入同期海綿城市建設(shè)過(guò)程總完善的市政污水系統(tǒng)，以阻止污水直排進(jìn)入趙圩水體。

3.1.2 初期雨水污染控制技術(shù)方案

區(qū)域初期雨水污染主要通過(guò)源頭海綿城市改造及末端調(diào)蓄兩方面措施進(jìn)行控制。

為控制初期雨水污染，對(duì)趙圩流域源頭區(qū)域進(jìn)行海綿城市改造，主要通過(guò)在各地塊內(nèi)設(shè)置雨水花園、植草溝、透水鋪裝等海綿設(shè)施，提高片區(qū)徑流控制總量，降低徑流污染。改造后片區(qū)年徑流總量整體控制率達(dá)到75%，通過(guò)海綿化改造源頭削減40%污染物（TSS計(jì)），區(qū)域海綿城市改造情況如圖3所示。

圖3 趙圩片區(qū)海綿改造示意圖

3.1.3 農(nóng)業(yè)面源污染控制技術(shù)方案

為長(zhǎng)期有效控制農(nóng)業(yè)面源污染，在工程建設(shè)過(guò)程中對(duì)紅線內(nèi)所有農(nóng)業(yè)種植進(jìn)行整治和清除，工程完工后加強(qiáng)維護(hù)和管理，避免岸線再次出現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植。

3.2 內(nèi)源污染控制方案

根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，趙圩底部最大淤泥厚度為1.44m，平均厚度為0.76m，清淤方量約為7.5萬(wàn)m2。工程清淤采用干式施工，清出淤泥瀝干后外運(yùn)至指定地點(diǎn)進(jìn)行處置。

3.3 防洪排澇與水動(dòng)力提升方案

鑒于趙圩外河白洋河水質(zhì)良好，可利用趙圩排澇泵站進(jìn)行水體補(bǔ)水。白洋河常水位13.79m，趙圩蓄水常水位11.0m，設(shè)計(jì)控制水位11.3m，最低運(yùn)行水位10.3m。排澇泵站與水體治理設(shè)施同步建成，排澇泵站設(shè)有連通箱涵，箱涵底標(biāo)高7.8m。根據(jù)內(nèi)外水位差，在白洋河水位高于趙圩水位且高于7.8m時(shí)，趙圩水體可開(kāi)啟連通箱涵進(jìn)行重力補(bǔ)水；白洋河水位超過(guò)10.3m，但低于或等于趙圩水位時(shí)，可啟動(dòng)排澇泵站，將趙圩水位抽低至10.3m，再關(guān)閉泵組、開(kāi)啟連通箱涵進(jìn)行補(bǔ)水。

3.4 水質(zhì)凈化技術(shù)方案

為進(jìn)一步改善水體水質(zhì)、增強(qiáng)水體應(yīng)對(duì)旱流污染及初期雨水污染的能力，在趙圩沿岸建設(shè)一座綜合處理設(shè)施，平面布置如圖4所示。

圖4 綜合處理設(shè)施示意圖

綜合處理設(shè)施包含截流井、調(diào)節(jié)塘、提升泵井及潛流人工濕地。各部分功能如下。

（1）截流井：設(shè)置于趙圩沿岸最大雨水排口前端，井內(nèi)設(shè)置水力拍門(mén)及溢流堰，將旱流污水及初期雨水截流至調(diào)節(jié)塘，避免對(duì)趙圩水體造成直接污染。

（2）調(diào)節(jié)塘：通過(guò)在原趙圩水體內(nèi)設(shè)置擋水墻，結(jié)合岸線合圍形成調(diào)節(jié)塘，調(diào)蓄量約4800m3（對(duì)應(yīng)服務(wù)范圍內(nèi)8mm降雨）。調(diào)節(jié)塘分為前置塘及主塘，平面布置如圖5所示。采用卵石壩將前置塘與主塘分隔，以避免市政雨水管中的垃圾隨水流進(jìn)入主塘，便于調(diào)節(jié)塘的維護(hù)和清理。于北側(cè)擋水墻設(shè)置電動(dòng)閘門(mén)，可根據(jù)運(yùn)行工況需要進(jìn)行開(kāi)閉。

圖5 調(diào)節(jié)塘平面布置圖

（3）提升泵井：在調(diào)節(jié)塘西南側(cè)設(shè)置提升泵井，開(kāi)啟后可將調(diào)節(jié)塘內(nèi)的通過(guò)沉淀預(yù)處理的水提升進(jìn)入潛流人工濕地進(jìn)行處理。

（4）潛流人工濕地：結(jié)合現(xiàn)狀岸線地形設(shè)置潛流人工濕地，濕地設(shè)計(jì)最大處理量為3500m3/d，處理后重力流補(bǔ)給水體，平面布置如圖6所示。填料厚度60cm，種植土厚度30cm。濕地植物采用美人蕉、翠蘆利、蓑衣草等本地化植物，既有較強(qiáng)的去污能力，又具有一定的觀賞性，目前已經(jīng)形成郊野公園。

圖6 潛流人工濕地平面布置圖

綜合處理設(shè)施運(yùn)行工況：旱季時(shí)，截流井將旱流污水截入調(diào)節(jié)塘前置塘，后提升污水管網(wǎng)，調(diào)節(jié)塘主塘電動(dòng)閘門(mén)保持開(kāi)啟，利用軸流泵井將趙圩湖水經(jīng)由調(diào)節(jié)塘抽入人工潛流濕地進(jìn)行循環(huán)凈化處理，推動(dòng)水體→調(diào)節(jié)塘→潛流人工濕地→水體的內(nèi)部水循環(huán)，增強(qiáng)水動(dòng)力；降雨預(yù)告發(fā)布時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)閘門(mén)，利用軸流泵井將調(diào)節(jié)塘抽空，為上游降雨預(yù)留調(diào)蓄空間；降雨發(fā)生時(shí)，調(diào)節(jié)塘前置塘中污水與少量初期雨水進(jìn)入污水系統(tǒng)，調(diào)節(jié)塘前置塘隨著雨量增加水位上升，通過(guò)溢流堰進(jìn)入調(diào)節(jié)塘主塘進(jìn)行調(diào)節(jié)，主塘到達(dá)設(shè)計(jì)水位后，前置塘中雨水超越進(jìn)入水體，雨水中污染物含量已經(jīng)明顯減少；降雨結(jié)束后利用軸流泵井將調(diào)節(jié)塘主塘內(nèi)調(diào)蓄的雨水抽入人工潛流濕地進(jìn)行處理。

綜合處理設(shè)施綜合運(yùn)用多技術(shù)，通過(guò)截污、初期雨水調(diào)蓄、沉淀、人工濕地實(shí)現(xiàn)了旱流污染防治、初期雨水調(diào)蓄及處理、水動(dòng)力提升、景觀亮化等多種功能。

3.5 生態(tài)恢復(fù)技術(shù)方案

在前述工程措施實(shí)施完成的基礎(chǔ)上，于水體岸線進(jìn)行統(tǒng)一生態(tài)化治理，通過(guò)在淺水區(qū)種植沉水、浮葉與挺水植物，白洋河補(bǔ)水引入本土動(dòng)物與微生物，推動(dòng)水體生態(tài)逐步恢復(fù)，提高自?xún)裟芰ΓＵ纤w的長(zhǎng)效治理。

4 效果預(yù)期

趙圩進(jìn)行黑臭水體治理前，水質(zhì)平均COD為157.44mg/L，湖體蓄水量約為235200m3，存在超標(biāo)COD污染負(fù)荷約29974kg；市政污水污染負(fù)荷約583.2kgCOD/d；初期雨水污染負(fù)荷約149.8kgCOD/次降雨；農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷約17.7kgCOD/d；湖體本底有機(jī)質(zhì)污染約5590kg。

工程建成后，在多種技術(shù)手段的綜合作用下，處理效果預(yù)期如下：本底COD污染在建設(shè)調(diào)試期內(nèi)予以去除；將市政污水截流進(jìn)入城市污水管網(wǎng)，市政污水污染相應(yīng)消除；對(duì)流域范圍內(nèi)地塊進(jìn)行海綿改造，海綿改造完成后將削減雨水污染40%，進(jìn)入趙圩的雨水量為710mm，則改造完成后進(jìn)入趙圩的年雨水污染負(fù)荷約為89.9kgCOD/d；對(duì)水體周邊農(nóng)業(yè)種植予以清除，同時(shí)優(yōu)化管理，農(nóng)業(yè)面源污染相應(yīng)消除；底泥清淤完成后，湖體本底有機(jī)質(zhì)污染相應(yīng)消除；綜合處理設(shè)施建成后，系統(tǒng)處理負(fù)荷能達(dá)到181.7kg-COD/d以上。

綜合入流污染總量及系統(tǒng)處理負(fù)荷，預(yù)計(jì)趙圩水體能夠有效應(yīng)對(duì)污染變化，實(shí)現(xiàn)水體的長(zhǎng)治久清。

5 實(shí)際效果

2018年4月趙圩黑臭水體治理工程完工并投入運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)營(yíng)單位連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，對(duì)照地表水IV類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，趙圩水體溶解氧、氨氮、總磷指標(biāo)達(dá)標(biāo)率達(dá)到95%，水體黑臭已得到全面消除。趙圩進(jìn)行黑臭水體治理工程前與黑臭水體治理后的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比圖如圖7、圖8所示。

圖7 黑臭水體治理工程實(shí)施前項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)圖

圖8 黑臭水體治理工程實(shí)施后項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)圖

6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

趙圩黑臭水體整治工程概算總投資1928.84萬(wàn)元，其中第一部分工程費(fèi)1618.07萬(wàn)元。各種工程技術(shù)類(lèi)型的投資及占比如表2所示。

表2 趙圩工程概算分配表

由表2可知，綜合處理設(shè)施建設(shè)及底泥清淤占工程投資的比例較高。主要原因在于趙圩水體約20年沒(méi)有做底泥清淤，淤泥量大。綜合處理包括截污、初期雨水調(diào)節(jié)與處理，是水體長(zhǎng)效保持的關(guān)鍵。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析趙圩水體黑臭的成因，提出“外源減排、內(nèi)源清淤、水質(zhì)凈化、生態(tài)恢復(fù)”的治理方案。采用多技術(shù)綜合運(yùn)用的工程措施，有效消除趙圩水體的黑臭現(xiàn)象，水質(zhì)日益改善，生態(tài)逐步恢復(fù)，水質(zhì)已經(jīng)基本滿足地表水IV類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。

為進(jìn)一步鞏固水體治理的成效，應(yīng)著重建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將流域管網(wǎng)養(yǎng)護(hù)及檢查與城市水體水質(zhì)緊密聯(lián)系，注重水體周邊植物收割及岸線維護(hù)，定期維護(hù)調(diào)節(jié)塘、潛流人工濕地等調(diào)蓄及處理設(shè)施，實(shí)現(xiàn)水體的長(zhǎng)治久清。