張輝， 桂麗娟， 侯紅勛， 司家濟

（1.中節(jié)能國禎環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?， 合肥 230088； 2.城市生命線工程安全運行監(jiān)測中心， 合肥 230601）

近年來， 隨著《水污染防治行動計劃》的頒布實施， 城市水環(huán)境治理初見成效［1］。 但水環(huán)境治理仍存在系統(tǒng)協(xié)同不足和頂層規(guī)劃不合理等問題， 導致項目盲目投資、 治理后返黑返臭現(xiàn)象普遍存在［2-5］。根據(jù)2019 年中國環(huán)境狀況公報， 就整個地表水而言， 全國嚴重污染的劣Ⅴ類水體約3.6%， Ⅴ類水體約4.2%。 重點流域的劣Ⅴ類比例仍有3%， 全國水環(huán)境的形勢依然嚴峻， 開展流域水環(huán)境系統(tǒng)科學整治研究已經(jīng)非常迫切［6］。

本文以南方某城市重污染河流治理為研究對象， 通過污染源解析， 聚焦該流域的核心問題， 研究和模擬論證污水廠選址布局對河流水質(zhì)改善的影響， 并對污水廠建成后水質(zhì)改善成效進行評估， 以形成適于城市小流域系統(tǒng)治理的方法與經(jīng)驗， 為重點流域的城市水環(huán)境治理提供技術(shù)借鑒。

1 河流概況

十五里河位于合肥市西南郊， 為巢湖一級入湖支流， 自西北流向東南， 流經(jīng)合肥市主城區(qū)， 河道全長35 km， 流域面積為111.25 km2。 流域下游建有十五里河污水廠， 設(shè)計規(guī)模為10 萬t／d。 十五里河流域范圍如圖1 所示。

圖1 十五里河流域范圍Fig. 1 Watershed scope of Shiwuli river

2 水質(zhì)原狀及目標

治理前， 十五里河水質(zhì)長期處于劣Ⅴ類， 2015年國控斷面水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果顯示（見圖2）， COD 月均值范圍在17 ～ 33 mg／L， 氨氮月均值范圍5 ～ 22 mg／L， TP 月均值范圍在0.26～2.25 mg／L。

圖2 治理前國控斷面水質(zhì)（2015 年）Fig. 2 Water quality of national control section before treatment（2015 年）

依據(jù)《合肥市水環(huán)境質(zhì)量達標階段性工作方案》要求， 十五里河分階段主要水質(zhì)目標近期（2019年）執(zhí)行ρ（COD） ≤40 mg／L、 ρ（氨氮） ≤2.5 mg／L、 ρ（TP） ≤0.4 mg／L。 對比治理目標值， 氨氮超標3.3～14.6 倍， TP 超標約4.5 倍， COD 與目標值接近。 氨氮與TP 是該河流的主要污染因子， 氨氮同時也是黑臭水體的主要考核指標， 因此氨氮的削減是實現(xiàn)十五里河流域治理目標的關(guān)鍵。

3 問題與對策

3.1 流域污染主要問題

通過十五里河入河排口水質(zhì)水量監(jiān)測， 結(jié)合流域范圍內(nèi)污染源分布統(tǒng)計分析［7］， 對流域水質(zhì)污染核心問題診斷如下：

（1） 雨污混接嚴重， 污水處理能力不足。 十五里河流域旱季入河總水量約18 萬t／d， 其中污水直排7.2 萬t／d， 為氨氮主要來源， 氨氮污染負荷占比77.21%， 市政污水廠尾水入河10.8 萬t／d。 此外， 該流域內(nèi)每天有4 萬t 污水轉(zhuǎn)輸至其他污水廠處理。 該流域內(nèi)雨污混接嚴重、 污水量超過污水廠處理能力是水質(zhì)污染的直接原因。

（2） 下游污水干管頻繁破損致污水溢流直排。流域污染源多集中于上游， 而污水廠位于河流的下游， 污水需要通過污水干管長距離輸送至下游污水廠， 同時下游污水干管長期處于滿管流狀態(tài)， 造成下游污水管道水壓大， 導致污水干管頻繁破損， 大量污水經(jīng)破損處直排入河， 嚴重影響河道水質(zhì)。

（3） 上游無清潔補給水源。 十五里河上游來水主要為旱季直排污水和雨季合流制雨水， 因此若對上游進行截污后， 十五里河上游旱季將成干涸狀態(tài)。

3.2 治理對策

基于十五里河流域問題現(xiàn)狀， 應(yīng)打破污水廠在河流下游選址建設(shè)的傳統(tǒng)思維， 在十五里河流域上游新建污水廠（見圖3）， 就近截流收集上游污水，提升流域范圍內(nèi)污水處理能力， 避免因長距離輸送污水而造成管道頻繁破損問題， 新建污水廠出水就近排入十五里河上游， 做清潔補水水源， 保障河流的生態(tài)基流功能。 考慮流域范圍將來產(chǎn)業(yè)發(fā)展和人口增長， 同步實施下游污水廠擴建， 進一步改善河流水質(zhì)。

圖3 污水廠建設(shè)及優(yōu)化布局示意Fig. 3 Sewage plant construction and optimized layout

4 模擬論證分析

基于EFDC_Explorer8.3 軟件構(gòu)建十五里河流域水動力水質(zhì)模型［8-9］， 在模型校核基礎(chǔ)上， 模擬分析污水廠布局及出水水質(zhì)對河道水質(zhì)影響。

4.1 污水廠上游新建與下游擴建對河道水質(zhì)的影響對比

對比單獨選擇上游新建和單獨選擇下游擴建10 萬t／d 污水廠對河流水質(zhì)的影響， 模擬結(jié)果如圖4 所示。

圖4 上下游污水廠對河道斷面水質(zhì)的影響Fig. 4 Influence of upstream and downstream sewage treatment plants on cross section water quality of river

模擬結(jié)果表明， 流域僅有下游污水廠， 且保持原規(guī)模時， 整個十五里河斷面氨氮質(zhì)量濃度均在4 mg／L 以上， 在中游重污染段氨氮質(zhì)量濃度在8 mg／L以上； 當下游污水廠進行擴建后， 污水廠上下游斷面氨氮均有所下降， 但中上游氨氮質(zhì)量濃度仍在7 mg／L 以上； 當選擇在上游新建污水廠， 在上游處理部分污水時， 中上游重污染河段改善效果明顯。

因此， 污水廠建在流域下游， 對下游水質(zhì)改善明顯， 但對十五里河上游水質(zhì)沒有改善， 對中游水質(zhì)改善較小。 在上游建設(shè)污水廠， 處理后尾水作為河流的補給水源， 使河流上中下游水質(zhì)均有顯著改善。

4.2 上下游污水廠同時作用與單座污水廠運行對河道水質(zhì)的影響對比

對比單獨上游新建、 下游擴建、 上下游同時新（擴）建污水處理廠對河流水質(zhì)的影響， 模擬結(jié)果如圖5 所示。

圖5 上下游污水廠同時作用與單座污水廠運行對河道斷面水質(zhì)的影響Fig. 5 Impact of simultaneous operation of upstream and downstream sewage plants and operation of single sewage plant on cross section water quality of river

模擬結(jié)果表明， 單獨擴建下游污水廠， 僅能改善河流下游水質(zhì)； 單獨新建上游污水廠， 對河流上中下游均有所改善， 但下游斷面氨氮指標仍難以達到考核目標要求； 上下游污水廠同時新（擴）建時，將進一步改善河流水質(zhì)， 國控斷面氨氮質(zhì)量濃度能夠達到2.5 mg／L 以下， 滿足近期治理目標要求。

4.3 污水廠排放標準對河道水質(zhì)的影響對比

在上游和下游同時新（擴）建污水處理廠條件下， 對比污水廠處理出水達到一級A 標準（ρ（氨氮） ≤5 mg／L）， 準Ⅳ類水標準（ρ（氨氮） ≤1.5 mg／L）和優(yōu)化運行（ρ（氨氮）≤1 mg／L）對河流水質(zhì)的影響， 模擬結(jié)果如圖6 所示。

圖6 污水廠出水水質(zhì)對河道斷面水質(zhì)的影響Fig. 6 Influence of effluent water quality of sewage treatment plants on cross section water quality of river

模擬結(jié)果表明， 污水廠升級改造后， 對于改善城市內(nèi)河的水環(huán)境具有積極影響。 出水標準由一級A 提升至準Ⅳ類標準后， 下游河道國控斷面氨氮平均質(zhì)量濃度由5.5 mg／L 降至3.5 mg／L 以下。 由于氨氮指標對于污水廠運營控制難度較小， 通過優(yōu)化運行， 充分發(fā)揮污水處理廠的潛力， 進一步降低出水氨氮濃度［10］， 使污水廠出水氨氮質(zhì)量濃度在1 mg／L 以下后， 能夠進一步降低上下游河道斷面氨氮濃度， 其中下游國控斷面氨氮質(zhì)量濃度將降低至2.5 mg／L 以下。

從各情境分析看， 通過在流域上游新建污水廠， 同步擴建下游污水廠， 并將污水廠出水氨氮質(zhì)量濃度控制在1 mg／L 以下， 能夠大大降低十五里河上中下游氨氮濃度， 實現(xiàn)國控斷面關(guān)鍵指標氨氮達到階段考核要求的目標。

5 實施成效

新建上游污水廠及下游污水廠擴建完成并投入運營后， 通過對十五里河上下游斷面沿程取樣檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 從上游污水廠出水入河斷面起， 中下游斷面氨氮指標均改善明顯， 氨氮質(zhì)量濃度在2.5 mg／L 以下， 下游國控斷面氨氮質(zhì)量濃度在2 mg／L 以下， 主要污染物指標氨氮達到該流域階段考核要求。

上游污水廠出水入河斷面氨氮濃度仍然較高，主要原因是由于上游多為合流式截流制管道， 降雨期合流制溢流污染較為嚴重， 且上游無清潔水源，上游河道蓄水主要為合流制溢流污水。 因此， 建議強化上游的降雨期合流制溢流污染治理， 進一步改善上游水質(zhì)， 發(fā)揮整個河流的生態(tài)價值。

6 結(jié)論

（1） 流域污染源調(diào)查分析結(jié)果表明， 該流域水質(zhì)污染的關(guān)鍵原因是系統(tǒng)污水處理能力不足以及原污水廠選址位于下游， 污水干管長距離輸送導致下游污水干管破損、 污水直排入河， 以及上游河道缺乏清潔補給水源。

（2） 河道水質(zhì)模擬論證結(jié)果表明， 打破污水廠在河流下游選址建設(shè)的傳統(tǒng)思維， 在十五里河流域上游新建污水廠， 能夠就近收集上游污水， 解決下游污水管網(wǎng)破損和上游清潔水源問題， 對十五里河流域水質(zhì)改善具有重要意義。

（3） 通過實施新建上游污水廠和擴建下游污水廠等治理措施， 十五里河流域中下游水質(zhì)改善明顯， 建議后續(xù)治理重點針對上游合流制溢流污染，進一步改善上游水質(zhì)。