王國(guó)青 焦懷金 高鵬杰

（1. 北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京 100048 2. 北京市水利建設(shè)管理中心 北京 100036）

1 動(dòng)物園湖現(xiàn)狀及主要

北京動(dòng)物園園內(nèi)水面由6個(gè)湖泊串聯(lián)而成，全長(zhǎng)1000余m，較大的湖面有6處，分別為暢觀樓西湖、暢觀樓東湖、黑鸛湖、水禽湖、天鵝湖、迎湖，總水面面積4.4萬(wàn)m2，總水量6.5萬(wàn)m3，其中水禽湖、天鵝湖為園內(nèi)各種珍稀野生水禽的主要棲息地，水禽湖面積為1.1萬(wàn)m2，水深1~1.6m；天鵝湖面積0.7萬(wàn)m2，水深1.2~1.8m。通過(guò)調(diào)查可知，與大多數(shù)北京城市河湖一樣，動(dòng)物園湖水環(huán)境主要問(wèn)題為：（1）補(bǔ)水水源水質(zhì)不穩(wěn)定，水質(zhì)波動(dòng)較大，主要為BOD、TP、TN超標(biāo)，TP、TN為劣Ⅴ類水體。（2）水體年補(bǔ)水量較少，大部分時(shí)間水體處于封閉狀態(tài)，水體基本不流動(dòng)，夏季經(jīng)常發(fā)生水華。（3）動(dòng)物糞便、暴雨徑流進(jìn)入湖泊造成污染。（4）游人投喂動(dòng)物、樹(shù)木落葉，導(dǎo)致湖泊污染。

2 膜-生物反應(yīng)器工藝特點(diǎn)

膜-生物反應(yīng)器（Membrane-Bioreactor，簡(jiǎn)稱MBR）是一種將膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)污水生物處理工藝有機(jī)結(jié)合的新型高效污水處理與回用工藝，近年來(lái)在水處理技術(shù)領(lǐng)域得到了較大的推廣和應(yīng)用。該技術(shù)通過(guò)膜組件的高效分離作用，大大提高了泥水分離效率，并且由于曝氣池中活性污泥濃度的增大和污泥中優(yōu)勢(shì)菌的出現(xiàn)，提高了生化反應(yīng)速率。同時(shí)，該工藝能大大減少剩余污泥的產(chǎn)量，從而基本解決了傳統(tǒng)生物方法存在的剩余污泥產(chǎn)量大、占地面積大、運(yùn)行效率低等突出問(wèn)題。14

在膜生物反應(yīng)器中，由中空纖維膜組成的膜組件浸放于好氧曝氣區(qū)中，由于中空纖維膜0.2μm的孔徑可完全阻止細(xì)菌的通過(guò)，所以將菌膠團(tuán)和游離細(xì)菌全部保留在曝氣池中，只將過(guò)濾過(guò)的水匯入集水管中排出，從而達(dá)到泥水分離，免除了二沉池，各種懸浮顆粒、細(xì)菌、藻類、濁度、氮磷和 COD及有機(jī)物均得到有效地去除。由于微濾膜的近乎百分之百的菌種隔離作用，可使曝氣池中的生物濃度達(dá)到一萬(wàn)毫克/升以上，這樣不僅提高了曝氣池抗沖擊負(fù)荷的能力，而且大大減少了所需的曝氣池容積。池容積的縮小又相應(yīng)大比例降低了生化系統(tǒng)的土建投資費(fèi)用。

和傳統(tǒng)的活性污泥法比較，MBR工藝主要有以下特點(diǎn)：（1）膜生物反應(yīng)器采用PVDF膜，其孔徑只有 0.1～0.4μm，能夠高效地進(jìn)行固液分離，懸浮物和濁度接近于零；（2）運(yùn)行控制更加靈活穩(wěn)定。膜的高效截流作用，使微生物完全截流在反應(yīng)器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器水力停留時(shí)間（HRT）和污泥齡（SRT）的完全分離；（3）對(duì)水質(zhì)水量的變化適應(yīng)力強(qiáng)，耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)；（4）膜分離使污水中的大分子難降解成分，在體積有限的生物反應(yīng)器內(nèi)有足夠的停留時(shí)間，有利于專性菌的培養(yǎng)，大大提高了難降解有機(jī)物的降解效率，COD去除率高；（5）模塊化設(shè)計(jì)易于擴(kuò)容，具有可移動(dòng)性；（6）系統(tǒng)采用PLC控制，可實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化控制，運(yùn)行管理方便。

3 水華治理總體方案設(shè)計(jì)

湖泊水華的產(chǎn)生原因是一個(gè)綜合性的問(wèn)題。通常是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)、水體流動(dòng)性、高溫悶熱的天氣、不完善的生態(tài)系統(tǒng)、水體自潔凈能力等諸多因素聯(lián)合作用的結(jié)果。從動(dòng)物園湖水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，動(dòng)物園湖在很多時(shí)候處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。另外補(bǔ)水量較少也使得湖泊基本處于靜止，湖泊的流動(dòng)性較差。因此，造成湖泊水華的主要原因是湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化和流動(dòng)性差兩個(gè)不利因素的疊加。因此削減水體中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，增強(qiáng)水體流動(dòng)性是防止水華的基本條件。

按照上述分析，設(shè)計(jì)采用“提升泵站＋管道循環(huán)+MBR”綜合措施對(duì)湖水進(jìn)行治理。主體工程是水體末端的MBR設(shè)施，依靠MBR系統(tǒng)的降解和截留作用去除水中的污染物，增加水體透明度。湖水采用遠(yuǎn)抽近排循環(huán)管線進(jìn)入MBR系統(tǒng)凈化之后，再次流入湖中，水質(zhì)凈化的同時(shí)也使得湖水循環(huán)流動(dòng)起來(lái)，改善湖泊水動(dòng)力條件。MBR在本工程中起著關(guān)鍵的作用，其好似一個(gè)生化反應(yīng)凈水廠，可去掉湖中大部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，減小湖泊水華發(fā)生的概率。

圖1 動(dòng)物園湖治理措施布置圖

4 膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 工藝流程

MBR循環(huán)凈化設(shè)施布置在動(dòng)物園東北角，循環(huán)湖水采用遠(yuǎn)抽近排的水體循環(huán)方式，將湖水從水質(zhì)較差的黑鸛湖和水禽湖通過(guò)泵站和管道輸送到MBR處理站，MBR設(shè)計(jì)規(guī)模5000m3/d。循環(huán)管道總長(zhǎng)度為1130m，僅有迎湖至MBR處理站180m長(zhǎng)的管道采取開(kāi)挖方式施工，最大限度地減少了施工對(duì)游人和動(dòng)物的影響。在MBR處理站湖水首先進(jìn)入混合池，混合池內(nèi)投加PAC，通過(guò)機(jī)械攪拌使藥劑充分均勻的擴(kuò)散在水中，混合后自流進(jìn)入網(wǎng)格絮凝池；網(wǎng)格絮凝池內(nèi)，在水流作用下使微絮粒相互接觸碰撞，以形成更大的絮粒，絮凝池出水通過(guò)穿孔花墻整流后進(jìn)入膜池；混合液在膜池內(nèi)進(jìn)行生物反應(yīng)，去除有機(jī)物等污染物質(zhì)，同時(shí)膜池內(nèi)置膜組器，由抽吸泵將清水通過(guò)膜過(guò)濾抽吸完成泥水分離，出水再經(jīng)臭氧消毒后通過(guò)生態(tài)溝渠回流到迎湖內(nèi)。

圖2 MBR工藝流程圖

4.2 分 設(shè)計(jì)

（1）提水泵站：提水泵站設(shè)置在黑鸛湖西側(cè)位置，從泵站開(kāi)始沿湖底向東鋪設(shè)沉管。

（2）遠(yuǎn)抽近排循環(huán)管道：循環(huán)管道從位于黑鸛湖的泵站開(kāi)始鋪設(shè)，鋪設(shè)方式為沉管施工。從迎湖東上岸后的管道采用明挖鋪設(shè)方式。設(shè)計(jì)采用DN300PE管；總長(zhǎng)度1130m。

（3）混合池：混合是將藥劑充分均勻地?cái)U(kuò)散于水體的工藝過(guò)程。來(lái)水經(jīng)提升除雜后進(jìn)入混合池，在池內(nèi)投加PAC，內(nèi)置機(jī)械攪拌器進(jìn)行攪拌混合。

（4）網(wǎng)格絮凝池：混合出水自流進(jìn)入絮凝池。絮凝池設(shè)計(jì)采用網(wǎng)格絮凝池，分三段運(yùn)行。

（5）膜池：膜池為本工藝的核心處理構(gòu)筑物，絕大部分有機(jī)污染物、氮、磷的去除都在此完成。膜池利用膜對(duì)含泥污水進(jìn)行過(guò)濾，實(shí)現(xiàn)泥水分離。膜池分為3個(gè)系列運(yùn)行，可以滿足不同工況的運(yùn)行要求，以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。

（6）臭氧接觸池：臭氧與抽吸泵的出水同時(shí)進(jìn)入接觸消毒池完成消毒、脫色過(guò)程。所需臭氧發(fā)生及投加系統(tǒng)設(shè)于臭氧間內(nèi)。在接觸池池頂安裝尾氣破壞器，以消除臭氧對(duì)環(huán)境的影響。

（7）MBR系統(tǒng)廠房：本工程設(shè)計(jì)MBR系統(tǒng)均置于廠房?jī)?nèi)。MBR系統(tǒng)廠房還包括膜池設(shè)備間、鼓風(fēng)機(jī)房、臭氧間及控制室和中控室。MBR處理機(jī)房設(shè)計(jì)以滿足生態(tài)處理系統(tǒng)的功能為主，平面布置分為控制室、鼓風(fēng)機(jī)房、臭氧間、中控室及 MBR設(shè)備間，結(jié)構(gòu)形式為框架結(jié)構(gòu)。

（8）污泥降解池：在污水處理系統(tǒng)中每天會(huì)產(chǎn)生少量的污泥，即生物處理段產(chǎn)生的剩余污泥和絮凝階段產(chǎn)生的沉淀污泥。排泥方式為間歇式排泥，污泥降解池的作用是貯存和生物降解污泥，貯泥池上清液每天定期回流至絮凝反應(yīng)池。

5 工程效果

經(jīng)過(guò)近兩年的運(yùn)行可以看出，MBR對(duì)湖水的處理效果穩(wěn)定明顯，對(duì)減少水華發(fā)生，改善湖泊景觀效果起到了決定性作用。

（1）顯著降低了水體的污染物濃度。2011年對(duì)動(dòng)物園湖從西向東共 12個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行了水質(zhì)取樣化驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果表明MBR工藝對(duì)污染物質(zhì)有較高的去除效率，動(dòng)物園湖水經(jīng)MBR工藝處理后出水主要水質(zhì)指標(biāo)優(yōu)于地表水Ⅲ類水質(zhì)指標(biāo)，其中對(duì)葉綠素的去除率達(dá)在90%左右，對(duì)BOD的去除率在65%左右，對(duì)總磷的去除率在60%左右，氨氮的去除率40%左右，出水水質(zhì)達(dá)到了設(shè)計(jì)出水水質(zhì)要求，迎湖和天鵝湖的水質(zhì)也基本達(dá)到地表水 III類標(biāo)準(zhǔn)。（2）增加了水體透明度。經(jīng) MBR系統(tǒng)處理后的出水濁度可以達(dá)到1NTU以下，位于水體最東側(cè)，距離MBR出水口最近的迎湖透明度最大達(dá)到91cm，比黑鸛湖的透明度增加了 52cm。（3）增強(qiáng)了水體的循環(huán)流動(dòng)。結(jié)合過(guò)濾凈化設(shè)施，通過(guò)在湖體中布置提水泵站和鋪設(shè)循環(huán)管道，理論上可以使湖水平均每 13天循環(huán)一次，徹底改變了工程實(shí)施前靜止不動(dòng)的狀態(tài)，對(duì)抑制水華的發(fā)生，防止水體發(fā)黑、發(fā)臭產(chǎn)生有了重要作用。

觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，水體污染物濃度在公園湖泊從西向東有一個(gè)明顯的降低過(guò)程，透明度逐漸增加，水體循環(huán)凈化效果明顯。

6 結(jié)論

MBR系統(tǒng)在動(dòng)物園湖水質(zhì)改善工程中起到了關(guān)鍵作用，該系統(tǒng)去除了大量的污染物。通過(guò)與其它水體改善措施的配合實(shí)施，使動(dòng)物園湖的生態(tài)系統(tǒng)更加完整，水體水質(zhì)得到有效凈化，自凈能力得到強(qiáng)化。良好的水面，為游客提供了優(yōu)美的觀賞空間，改善了局地小氣候。MBR系統(tǒng)不僅有利于改善園內(nèi)水禽的生存環(huán)境，更是為全國(guó)的青少年創(chuàng)造了優(yōu)美的科技活動(dòng)基地，水處理站也成為一個(gè)新的科普?qǐng)@地，社會(huì)影響廣泛巨大，社會(huì)效益明顯深遠(yuǎn)。

治理方案有效抑制了動(dòng)物園湖水華的發(fā)生，顯著提高了水的透明度，解決了北京城市湖泊水華治理的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，在目前全國(guó)各大城市水華頻繁發(fā)生的情況下，具有一定的推廣價(jià)值；同時(shí)對(duì)相關(guān)部門(mén)的投資決策具有重大參考意義。