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        城市封閉性黑臭水體綜合治理方案

        2020-08-18 10:49:06
        凈水技術(shù) 2020年8期
        關(guān)鍵詞:南湖底泥凈化

        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(zhǎng)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(dòng)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(jiǎn)稱南湖)治理為案例,對(duì)城市封閉性黑臭水體治理進(jìn)行研究探討。

        1 項(xiàng)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(dòng)植物殘?bào)w常年積累,底泥淤積嚴(yán)重;平時(shí)無清潔水源補(bǔ)給,水體缺乏流動(dòng);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(yíng)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(chǎng)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(diǎn)源污染

        我國(guó)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(chǎng)勘查,南湖原狀沿岸共有6個(gè)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(duì)雨水口旱季污水量測(cè)算以及國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)則確定的污水污染物濃度參數(shù),計(jì)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(guó)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(dòng)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(chǎng)勘測(cè),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(cè)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(yíng)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(dòng)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(shí)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(chǎng)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(cè)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(duì)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(jí)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(duì)初級(jí)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(jì)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(zhǎng)時(shí),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(jì)不同粒徑(d=20~40 cm),進(jìn)水前段設(shè)計(jì)大粒徑(d=40 cm),后端設(shè)計(jì)小粒徑(d=20 cm)。當(dāng)雨水流經(jīng)植草淺溝、碎石溝渠時(shí),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(shí)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(xiàng)目設(shè)計(jì)6個(gè)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(yáng)能為初始能量的推動(dòng)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(duì)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(duì)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(dòng),利用填料表面生長(zhǎng)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(shí),利用植物根系的輸氧作用,對(duì)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(jì)面積為249 m2,濕地B設(shè)計(jì)面積為211 m2,濕地濾料設(shè)計(jì)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(duì)南湖底泥污染物含量及底泥粒徑檢測(cè)分析得知:底泥中的碳氮磷等營(yíng)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(zhǎng)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(zhǎng)需求及水質(zhì)需要,表層底泥氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富,但顆粒小,結(jié)構(gòu)松散易懸浮,會(huì)加速水體富營(yíng)養(yǎng)化,選擇清淤外運(yùn);中層底泥營(yíng)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(yíng)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(shí)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(yíng)養(yǎng)級(jí)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(zhǎng)期保持穩(wěn)定狀態(tài)[5]。本項(xiàng)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(fèi)者(水生動(dòng)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(yíng)養(yǎng)鹽,最終實(shí)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(diǎn),沉水植物選擇凈水能力強(qiáng)、景觀效果好、維護(hù)簡(jiǎn)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(jì)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(jì)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(dòng)物提供豐富的生境條件。通過計(jì)算,本案沉水植物設(shè)計(jì)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(shí)對(duì)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(xiàng)目現(xiàn)狀及功能定位,在東側(cè)視線開敞區(qū)域設(shè)計(jì)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(dòng)感體驗(yàn)區(qū);在西側(cè)及南側(cè)的林下半封閉區(qū)域設(shè)計(jì)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(yàn)區(qū)。浮葉植物對(duì)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(diǎn)及視線焦點(diǎn)設(shè)計(jì)布置睡蓮,營(yíng)造層次豐富、色彩艷麗的水域景觀。通過計(jì)算,本案濱水景觀植物設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)物和浮游生物,通過營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)頂端控制藍(lán)藻水華暴發(fā)和實(shí)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(dòng)物,與水中的細(xì)菌、單細(xì)胞藻類和原生動(dòng)物,構(gòu)建水生動(dòng)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(dòng)物的放養(yǎng)將充分考慮水生動(dòng)物物種的配置結(jié)構(gòu)(時(shí)空結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)),科學(xué)合理地設(shè)計(jì)水生動(dòng)物的放養(yǎng)模式(種類、數(shù)量、個(gè)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(yíng)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(zhǎng)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(diǎn),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(dòng)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(duì)南湖水環(huán)境容量進(jìn)行分析,并計(jì)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(cè)數(shù)據(jù)顯示(表6),基本達(dá)到國(guó)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(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(shí),有效控制了入湖水體污染物,實(shí)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(dòng)物和微生物凈化系統(tǒng),構(gòu)建完善、和諧、平衡的多級(jí)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(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化及景美、岸綠的治理效果。

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