王凡，潘鈞，劉丹妮，衛(wèi)毅梅，彭文博，魏文昌，柏楊巍*

1.中國環(huán)境科學研究院流域水環(huán)境污染綜合治理研究中心 2.貴陽市生態(tài)環(huán)境局

水體黑臭現(xiàn)象是近年來我國許多城市水體面臨的重要水環(huán)境問題之一[1-2]。城市黑臭水體是城鎮(zhèn)化高速發(fā)展過程中基礎(chǔ)設(shè)施不完善引發(fā)城市病的集中體現(xiàn)[3-4]，由于污水和垃圾大量入河，引起水體黑臭，不僅破壞河流生態(tài)系統(tǒng)[5]，影響居民飲用水水質(zhì)，而且污染大氣環(huán)境，危害人體健康[6-8]。為解決城市黑臭水體問題，國務(wù)院將城市黑臭水體整治列為《水污染防治行動計劃》的重點任務(wù)之一[9]。2018年貴陽市按照《城市黑臭水體整治工作指南》[10]要求，組織開展了為期1個月的黑臭水體大排查，確定了29個黑臭水體，并實施了黑臭水體綜合治理。筆者選取治理成效良好的七彩湖作為典型案例，分析水體黑臭的成因、治理方案與措施、典型治理技術(shù)及治理后的成效，以期為我國南方喀斯特地貌特點地區(qū)黑臭水體的治理提供借鑒。

1 匯水區(qū)概況與主要水環(huán)境問題

1.1 七彩湖匯水區(qū)概況

七彩湖位于貴陽市白云區(qū)大山洞片區(qū)、鋁廠片區(qū)、大川白金片區(qū)三區(qū)交匯地段，地處高山河(洗馬河)上游，匯水區(qū)面積為4.8 km2。七彩湖源頭為白云公園綠漪湖，周邊用地主要為貴鋁文體活動中心、白云寺村和白金一號樓盤，人口較為密集，總?cè)丝诩s9.4萬人。七彩湖水體流動緩慢，與外界水體水量交換小、透明度低、水質(zhì)污染嚴重。七彩湖黑臭段起點為鋁建路金義酒店，終點為同心路體育館，黑臭水體長0.7 km，面積為0.051 km2。根據(jù)2017年4月水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果(表1)，對照《城市黑臭水體整治工作指南》[10]中的標準限值，七彩湖黑臭等級為重度黑臭。

表1 七彩湖水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 1 Water quality monitoring data of Qicai Lake mg/L

1.2 主要水環(huán)境問題

七彩湖原為白云區(qū)艷山紅鎮(zhèn)雞場村的2口廢棄魚塘，由于城市管網(wǎng)不完善，環(huán)湖截污溝年久失修、淤積堵塞，周邊人口的快速集聚使外源污染大幅增加，大量混合水長期排入湖內(nèi)，加之生活垃圾任意丟棄，致使七彩湖富營養(yǎng)化嚴重，藻類滋生，水質(zhì)變差乃至黑臭，沿湖景觀較差。

1.2.1污水收集和處理設(shè)施狀況

七彩湖匯水區(qū)上游存在雨污合流現(xiàn)象，合流制區(qū)域面積約391 hm2，分流制區(qū)域面積約89 hm2。雖然上游大部分市政道路已建有污水管，但在大山洞片區(qū)、鋁廠片區(qū)、白云寺村等老舊居民小區(qū)和城中村以及鋁建路、同心路兩側(cè)新建樓盤存在管網(wǎng)未覆蓋區(qū)，高山排洪渠兩側(cè)也未建污水管網(wǎng)，耐火廠片區(qū)污水主管未實施，未實施管網(wǎng)段面積約占七彩湖匯水區(qū)總面積的24.5%。

根據(jù)貴陽市提供的調(diào)研和監(jiān)測資料，2018年整治前七彩湖上游有7個污水直排口，日均污水入河量約 2萬m3/d。2018年底，高山排洪渠截污管及大路河截污管修建完成后，麥架河污水廠接納的混合水量為 6.5萬～7.0萬m3/d，已超出設(shè)計處理能力(5萬m3/d)，造成七彩湖匯水區(qū)部分污水未經(jīng)處理直接溢入河道。

1.2.2底泥污染狀況

七彩湖水流緩慢，底泥淤積嚴重，淤積底泥中的污染物可在雨季再次釋放至水體中[11-12]，導致水體二次污染[13-14]。底泥中黑臭物質(zhì)的控制對于改善生態(tài)景觀、重塑水環(huán)境十分重要[15]。根據(jù)貴陽市提供的勘察與檢測資料，2018年七彩湖底泥淤積深度超過0.5 m的區(qū)域面積達5萬m2，底泥中各項重金屬指標均未超過GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)》中標準限值，但感官較黑，有機質(zhì)濃度達5%，易對上覆水產(chǎn)生不利影響。

1.2.3沿河生活垃圾收集狀況

匯水區(qū)上游沿河居民區(qū)、村民點較為密集，沿河缺少垃圾收集設(shè)施，雨季附近居民隨意丟棄的生活垃圾被沖刷入河，對水體造成污染。根據(jù)貴陽市提供的現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)，2018年整治前七彩湖周邊共有垃圾堆放點4處，面積約50 m2，河道內(nèi)垃圾堆積量約20 m3。

2 治理方案和措施

針對七彩湖存在的水環(huán)境問題，貴陽市提出控源截污、內(nèi)源治理，活水循環(huán)、清水補給，生態(tài)修復、景觀打造的治理思路，廣泛聽取與接納群眾訴求，實現(xiàn)政府、群眾、企業(yè)、輿論多方聯(lián)動，共治水環(huán)境，共享生態(tài)美。

2.1 控源截污

2.1.1污水處理廠建設(shè)

按照分散治理為基礎(chǔ)，集中處理為保障的原則，貴陽市在七彩湖建設(shè)污水處理廠1座，最大程度地對污水及初期雨水進行收集與處理，降低污染物直接入湖量。七彩湖污水處理廠選址在艷山紅村，占地面積約2.17 hm2，建設(shè)規(guī)模為 2萬m3/d，出水水質(zhì)不低于GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，其中出水化學需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)與總磷(TP)、氨氮(NH3-N)濃度達到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅳ類水質(zhì)標準(表2)。七彩湖污水處理廠服務(wù)面積約480 hm2，2020年服務(wù)人口為4萬人。

表2 七彩湖污水處理廠設(shè)計進出水水質(zhì)Table 2 Design inlet and outlet water quality of Qicai Lake sewage treatment plant

2.1.2環(huán)湖截污管網(wǎng)建設(shè)

在七彩湖環(huán)湖開展截污管網(wǎng)建設(shè)，截污管上下游連通高山排洪渠截污管，同時收集沿線的散排污水。其中，七彩湖右岸逆坡收集沿線散排水、白金片區(qū)污水、耐火廠排水干線污水至七彩湖污水處理廠進行處理。

2.1.3面源污染控制

由于七彩湖匯水區(qū)土地利用類型以建設(shè)用地為主，污染物來源以城市面源為主，因此通過海綿城市建設(shè)的低影響開發(fā)技術(shù)，利用滲透、滯留等措施從源頭有效解決大概率、小降雨事件帶來的面源污染問題。全面推廣和應用海綿城市建設(shè)理念，創(chuàng)新海綿城市建設(shè)、運行和管理各項制度，統(tǒng)籌解決七彩湖匯水區(qū)水資源、水安全、水環(huán)境、水生態(tài)問題，為將貴陽市建設(shè)成為我國南方地區(qū)喀斯特地貌特點的綠色海綿、山地海綿、生態(tài)海綿于一體的生態(tài)文明示范城市提供支撐。

2.2 內(nèi)源治理

七彩湖水域分為3部分：雞場村水域、白金水域及貴鋁水域。根據(jù)測算，七彩湖雞場村水域底泥淤積量為1.25萬m3，白金片區(qū)水域為6.25萬m3，貴鋁水域為2.5萬m3，因此底泥清淤總量約為10萬m3。清淤主要采用機械脫水方式脫水至含水率低于60%，經(jīng)檢測評估合格后運輸至靛山棄土場進行填埋或綠化。同時，在七彩湖附近的鋁建路共設(shè)置15個垃圾收集點和30個垃圾桶，壓縮車收運后直接進入比例壩垃圾場進行處置。

2.3 活水循環(huán)、清水補給

引七彩湖污水處理廠尾水入與七彩湖污水處理廠同時開工建設(shè)的人工濕地，該濕地位于七彩湖公園內(nèi)，面積為9 500 m2。尾水經(jīng)濕地處理后污染物濃度進一步降低，濕地設(shè)計出水水質(zhì)達到Ⅳ類，滿足GB/T 18921—2002《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》中觀賞性景觀環(huán)境用水要求。將濕地出水作為優(yōu)質(zhì)活水引入七彩湖，以增加湖體水動力條件，保障湖區(qū)水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。根據(jù)貴陽市生態(tài)環(huán)境局提供的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，七彩湖進水水質(zhì)如表3所示。

表3 七彩湖進水水質(zhì)Table 3 Influent water quality of Qicai Lake mg/L

2.4 生態(tài)修復

2.4.1生境營造

七彩湖湖底多為自然硬質(zhì)基底，自然生境較差。為實現(xiàn)七彩湖生物多樣性保護，需實施生境改善工程，主要包括拋石、設(shè)置潛水堰和礫石生物巢。拋石選用粒徑為20～50 cm的塊石，拋石區(qū)面積不超過河底面積的1%～3%，在黑臭區(qū)域共設(shè)計500處拋石，投放塊石方量約為500 m3。潛水堰是設(shè)置在常水位以下，用圓木或塊石營造的橫式建筑物潛入水表層形成的一定深度的過水堤堰，通過設(shè)置潛水堰形成多穩(wěn)態(tài)水流，在相對枯水期，使水流充滿多樣性，增加水體溶解氧濃度，阻攔礫石并沉砂。在七彩湖設(shè)置礫石生物巢1 000處，每組礫石生物巢一般包括3～7塊礫石，間距為15～100 cm，礫石方量約為500 m3。

2.4.2生態(tài)系統(tǒng)修復

針對七彩湖沉水植物物種單一、魚類及底棲動物缺失等問題，設(shè)置水生態(tài)系統(tǒng)修復工程，主要包括沉水植物系統(tǒng)構(gòu)建、水生動物群落構(gòu)建2個方面。沉水植物是水體的初級生產(chǎn)者，在水生態(tài)系統(tǒng)中具有不可替代的作用[16]，沉水植物生物量較大時，呈現(xiàn)水體清澈、溶解氧濃度高、藻類密度低、生物多樣性高的“草型清水態(tài)”。選擇苦草、狐尾藻、小茨藻等沉水植物種類，在七彩湖種植密度為100株/m2，種植面積為57 540 m2。水生動物群落構(gòu)建包括投放魚類、底棲動物及濾食性浮游動物等[17]，選擇鰱魚、鳙魚、黃顙魚、烏鱧作為魚類系統(tǒng)構(gòu)建的品種，大型底棲動物選擇螺類、蚌類和蝦類。

2.5 景觀打造

在充分了解和分析七彩湖周邊用地現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)上，將改善水體生態(tài)環(huán)境、提升匯水區(qū)內(nèi)城市生活品質(zhì)作為景觀設(shè)計的聚焦點，打造3個景觀區(qū)域：健康生活區(qū)、七彩寶池區(qū)及原生鄉(xiāng)情區(qū)(圖1)。

圖1 七彩湖生態(tài)景觀工程平面布置Fig.1 Layout of ecological landscape projects in Qicai Lake

健康生活區(qū)以花為主題展開設(shè)計，結(jié)合貴陽花卉特色，種植蝶形花科、杜鵑花科等12種花卉，在入口微地形綠地上大面積種植花坪，打造花海風光帶，給人帶來精神和嗅覺以及視覺上的三維享受，并通過小品以及特色雕塑塑造多彩氛圍。七彩寶池區(qū)利用污水處理廠尾水打造生態(tài)濕地，在對尾水進一步凈化的過程中，使景觀有了再一次提升，結(jié)合地形利用植物過濾和吸收作用二次凈化水源，使流入湖泊的水流更純凈。原生鄉(xiāng)情區(qū)現(xiàn)狀部分原生植被較好，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化提升整體景觀效果，結(jié)合地形增設(shè)綠道等生態(tài)景觀措施，保障河水的進一步凈化。

3 典型治理技術(shù)

3.1 污水處理工藝

七彩湖污水處理廠采用以去除有機物為主、兼顧脫氮除磷優(yōu)選的污水處理工藝——污水處理集成技術(shù)，該工藝綜合考慮各種污染物之間的相互關(guān)系及其影響，處理后出水水質(zhì)不低于GB 18918—2002一級A標準。七彩湖污水處理工藝包括預處理、生化處理、深度處理、污泥處理和消毒等環(huán)節(jié)(圖2)，其中預處理采用箱體內(nèi)設(shè)泥渣砂油(sludge sediment grit oil，SSgo)固液秒分離裝置；生化處理采用固定床生物膜反應器(fluidized bed biological reactor，F(xiàn)BBR)工藝，SSgo固液秒分離裝置出水直接進入FBBR，同時預留細格柵+曝氣沉砂池+精細格柵土建位置；深度處理采用高效沉淀池+多介質(zhì)流化過濾器+臭氧接觸池工藝；污泥處理采用離心濃縮脫水工藝；消毒采用紫外線消毒工藝，廠區(qū)除臭采用高效生物除臭技術(shù)。SSgo固液秒分離技術(shù)和FBBR工藝是七彩湖污水處理工藝中的關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 七彩湖污水處理廠工藝流程Fig.2 Process flow of Qicai Lake sewage treatment plant

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1SSgo固液秒分離技術(shù)

SSgo固液秒分離技術(shù)是一種高效快速去除懸浮物(SS)的設(shè)備(圖3)，可快速高效地去除污水中泥渣砂油，有效降低后續(xù)處理單元的污染物負荷，大大提高污水處理能力與效率，優(yōu)化出水水質(zhì)，是污水處理廠提標提效改造體系中的核心技術(shù)。SSgo固液秒分離機安裝粗格柵之后，待過濾的污水從設(shè)備中部開口進入，從連續(xù)運轉(zhuǎn)的高精度、高透水性濾帶上透過，避免了傳統(tǒng)預處理中的纏繞、堵塞等問題；污水中的SS可在5 s內(nèi)迅速分離，有效防止污水停留帶來的臭味逸散。淤積在濾網(wǎng)的雜質(zhì)被濾網(wǎng)上的濾渣刮板及反洗裝置沖洗到濾渣排放區(qū)，將污物沖洗至污物收集槽，然后通過管道輸送至后續(xù)污泥處理區(qū)域。

圖3 SSgo固液秒分離設(shè)備Fig.3 SSgo solid-liquid quick separation device

3.2.2FBBR工藝

FBBR工藝是改變了傳統(tǒng)填料填充比例的連續(xù)流間歇式清洗工藝，它包含正常處理模式與正向沖洗模式(圖4)。正常處理模式下，反應器中的填料填充度在90%以上，填料不能自由移動，生物膜中的微生物附著生長在填料表面，以污染物為食。FBBR工藝中的污水連續(xù)進入生物反應器，使用污水間歇清洗去除生物膜填料上過量的微生物，填料為微生物的生長與積累提供大量空隙體積(孔隙率通常為85%)，使清洗周期之間的運行時間最大化。在正向沖洗模式運行期間，反應器內(nèi)的水位升高到生物膜填料剛好能自由移動的位置，過量的生物膜被流入的污水從反應器中沖洗去除。反應器在正向沖洗模式運行期間依然正常運行，可溶性有機物和營養(yǎng)物濃度與正常處理模式時一致。

圖4 FBBR工藝的正常處理模式和正向沖洗模式Fig.4 Normal processing mode and forward flushing mode of FBBR process

正常處理模式時，填料移動受限，生物膜內(nèi)出現(xiàn)高碳與營養(yǎng)物質(zhì)濃度梯度。反應器內(nèi)曝氣時，氣泡必須穿過填充率極高的填料，導致停留時間和到達反應器表面的路徑變長，氧轉(zhuǎn)移效率提高。高密度填充填料也可充當過濾器，減少正常處理模式時反應器出水中固體物質(zhì)濃度，因此，F(xiàn)BBR工藝結(jié)合膜濾(微濾或超濾)、砂濾、氣浮或高效沉淀池等先進分離技術(shù)進行污水處理與回用，能減少使用中間固液分離單元，如二沉池。正向沖洗時，F(xiàn)BBR反應器出水流向污泥濃縮裝置或固液分離單元。圖5為用于污水處理與回用的FBBR生物膜反應器+膜濾(可用砂濾、氣浮或高效沉淀池代替膜濾)工藝流程。

圖5 FBBR生物膜反應器+膜濾簡化流程Fig.5 Simplified flow of FBBR biofilm reactor+membrane filter

FBBR工藝無需二沉池，占地面積相對較小，具有工藝運行穩(wěn)定、出水水質(zhì)好、耐水質(zhì)水量沖擊、脫氮除磷效率高、操作維護管理方便等優(yōu)點。在該工藝的設(shè)計中，通過最佳工藝參數(shù)的選取、節(jié)能技術(shù)與設(shè)備的優(yōu)先采用，能夠最大限度地降低工程造價和運行費用，實現(xiàn)污水處理廠工藝方案的整體優(yōu)化。

3.2.3多介質(zhì)流化過濾器

多介質(zhì)流化過濾器由多個多介質(zhì)流化反硝化過濾器單元組成(圖6)。該系統(tǒng)采用單級濾料，無需級配，無水力分布不均和初濾液等問題；不需要停機反沖洗，不需要反沖洗水泵及其停機切換用電動、氣動閥門；無需單設(shè)混凝、澄清池，也無需混凝、澄清用機械設(shè)備。多介質(zhì)流化過濾器具有如下特點：采用模塊化設(shè)計，便于組合布置和施工；過濾連續(xù)運行，無需停機反沖洗，效率高；維護簡單，無需反沖洗水泵、風機、沖洗水箱及閥門等；集混凝沉淀及過濾于一體，大大簡化了工藝流程及占地空間，運行及維護費用低；對于高SS濃度的廢水不需要預處理(進水SS濃度可達150 mg/L)；與常規(guī)砂過濾工藝相比，可節(jié)省30%～40%的化學藥劑。

圖6 多介質(zhì)流化過濾器Fig.6 Multi-media fluidized filter system

4 治理成效

經(jīng)過2018年下半年至2019年的綜合治理，七彩湖匯水區(qū)消除了7個污水口直排現(xiàn)象和24.5%主管網(wǎng)服務(wù)面積空白區(qū)，使匯水區(qū)范圍生活污水集中收集率提升了37.8個百分點，削減入河污染物BOD5約832.2 t/a、COD約1 606 t/a、TN約87.6 t/a、NH3-N約135.05 t/a、TP約19.71 t/a。隨著雨污管網(wǎng)的完善，2019年年底七彩湖污水處理廠進水濃度顯著提升，BOD5平均值已達120 mg/L以上。2019年12月七彩湖的水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)(表4)顯示，水體透明度、DO濃度、NH3-N濃度、氧化還原電位(ORP)4項指標均優(yōu)于《城市黑臭水體整治工作指南》[10]中輕度黑臭標準限值，七彩湖已消除黑臭，水質(zhì)穩(wěn)定達標，水體清澈干凈、美麗宜人(圖7)。

表4 七彩湖治理后黑臭指標監(jiān)測結(jié)果Table 4 Monitoring results of black and odorous indexes of Qicai Lake after treatment

圖7 治理前后七彩湖實景Fig.7 Photographs of Qicai Lake before and after treatment

七彩湖治理過程中，通過構(gòu)建良好的水生植物、水生動物和微生態(tài)系統(tǒng)功能群，種植植物10余種、引入多種魚類與大型底棲動物，形成健康的清水型水生態(tài)系統(tǒng)，提高了七彩湖對污染物的降解能力，降低了水質(zhì)達標的維護費用。七彩湖治理后消除了水體黑臭，七彩湖污水處理廠約2萬m3/d處理后的尾水對七彩湖生態(tài)濕地和湖體進行不間斷的活水補源，清澈干凈、美麗宜人的七彩湖極大地改善了貴陽市的城市形象，也提高了民眾的滿意度。

5 結(jié)語

針對七彩湖水體黑臭的問題，貴陽市采取了控源截污、內(nèi)源治理，活水循環(huán)、清水補給，生態(tài)修復、景觀打造的治理思路開展綜合整治，取得了良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益。七彩湖雖已完成整治，湖體黑臭消除，但由于上游主要為棚戶區(qū)與老舊小區(qū)等，大部分區(qū)段雨污未分流。因此，雨季時仍有大量混合水溢流進入七彩湖排洪渠形成新的黑臭水體。建議后續(xù)對七彩湖上游片區(qū)進行雨污改造，以鞏固七彩湖治理效果，確?！伴L治久清”。