黑臭水體治理中多技術綜合運用案例分析

蔣欣源，司馬勤，聶俊英

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

城市黑臭水體是指城市建成區內，呈現令人不悅的顏色和（或）散發令人不適氣味的水體的統稱。城市黑臭水體不僅給群眾帶來了極差的感官體驗，也是直接影響群眾生產生活的突出水環境問題[1]。城市黑臭水體問題成因復雜，主要包括過度向水體中排放污染物、水體動力不足、底泥長期沉積腐敗等因素[2-3]。城市黑臭水體的治理需要采取系統性措施，源頭減排、過程控制與末端治理相結合的模式，將黑臭水體治理與海綿城市建設相結合，實現黑臭水體消除與水質的長效保持。

安徽省池州市是國家首批海綿城市建設試點城市之一，黑臭水體整治工程是池州市海綿城市建設清溪河流域水環境綜合整治PPP項目的重要構成。趙圩位于池州市老城區西部，2016年水體嚴重黑臭，通過對趙圩雨水排水系統的綜合分析，結合排水系統內海綿城市建設，并通過多技術綜合運用以及海綿設施的合理運維，目前已經實現了對趙圩水體長治久清的目標。

1 項目概況

1.1 項目背景

池州市海綿城市建設清溪河流域水環境綜合整治PPP項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、部分區域景觀亮化、監測平臺建設等內容，其中黑臭水體整治工程主要針對趙圩等7個黑臭水體。趙圩水體整治工程作為項目子項之一，主要包括外源污染控制、內源污染治理、岸線整治、水質凈化、監測系統建設等內容。

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。項目實施前水體設有一座排澇閘（1孔2.5×2.0m鋼筋混凝土箱涵式結構），無抽排功能，外河高水位情況下需通過臨時機組抽排。

1.3 水質檢測

項目實施前，對趙圩水質進行了取樣檢測，通過分析判定趙圩水體屬于劣V類、重度黑臭。趙圩治理前水質見表1。

表1 趙圩治理前水質檢測結果 單位：mg/L

2 問題分析

根據現場調研，趙圩水體重度黑臭的主要原因包括外源污染、內源污染、水動力不足等多個因素。

2.1 外源污染分析

趙圩水體受到的外源污染主要來源于三個方面：市政污水污染、初期雨水污染和農業面源污染。

（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。經調研發現，由于區域污水管網建設滯后，趙圩片區部分污水管路無出路，市政污水需通過直接排入水體或混接入雨水排口排入水體，造成嚴重污染。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，匯水范圍內主要是居民區。通過片區綠化、硬化地面、屋面及水體面積統計，核算得出趙圩片區綜合徑流系數為0.54。現狀趙圩流域匯水范圍降雨時雨水通過管網直接排入水體，對水體水質造成不利影響。

（3）農業面源污染：趙圩岸線被大面積農業種植侵占，如圖2所示。施肥、灌溉、農藥噴灑等農業面源污染嚴重影響趙圩水體水質，且明顯增加氮磷污染物，雨天通過地面徑流進入趙圩水體。

圖2 岸線農業面源污染

2.2 內源污染分析

趙圩內源污染是湖內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等產生的腐敗物所造成的污染。趙圩水體受外源污染長期影響，水體有機物含量過高，容易形成缺氧甚至厭氧環境，兼性厭氧微生物分解復雜有機物，產生的小分子有機物質可以作為電子受體，參與硫酸鹽和鐵（錳）等氧化物的還原反應，沉積物中的Fe、Mn等物質與還原態的硫結合，在揮發性有機物等作用下上浮進入上覆水中，形成大量黑臭物質[4]。

2.3 水動力不足分析

趙圩水體無活水水源，補水主要依靠降雨及周邊生活污水匯流，水體缺少流動，自凈能力差，造成水質的進一步惡化。

3 技術方案

城市黑臭水體成因復雜，其長效治理必須采取系統性的技術方案，綜合運用多方面技術。本次趙圩黑臭水體治理工程采用“外源減排、內源清淤、水質凈化、生態恢復，統籌考慮防洪排澇”的基本技術路線，其中外源減排和內源清淤是基礎與前提，水質凈化是階段性手段，生態恢復是長效保障措施。

3.1 外源污染控制方案

對于三個不同方面的外源污染，分別采取有針對性的技術方案。

3.1.1 市政污水污染控制技術方案

為解決趙圩片區市政污水無出路的問題，配合趙圩片區沿江路建設工程新建污水管網及污水泵站，并對現狀雨污水混接點進行雨污分流改造，將區域污水輸送至污水處理廠處理。

在確保區域污水出路的前提下，對趙圩沿岸的污水排口和冒溢點進行封堵，將污水改排進入同期海綿城市建設過程總完善的市政污水系統，以阻止污水直排進入趙圩水體。

3.1.2 初期雨水污染控制技術方案

區域初期雨水污染主要通過源頭海綿城市改造及末端調蓄兩方面措施進行控制。

為控制初期雨水污染，對趙圩流域源頭區域進行海綿城市改造，主要通過在各地塊內設置雨水花園、植草溝、透水鋪裝等海綿設施，提高片區徑流控制總量，降低徑流污染。改造后片區年徑流總量整體控制率達到75%，通過海綿化改造源頭削減40%污染物（TSS計），區域海綿城市改造情況如圖3所示。

圖3 趙圩片區海綿改造示意圖

3.1.3 農業面源污染控制技術方案

為長期有效控制農業面源污染，在工程建設過程中對紅線內所有農業種植進行整治和清除，工程完工后加強維護和管理，避免岸線再次出現農業種植。

3.2 內源污染控制方案

根據測量結果可知，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m2。工程清淤采用干式施工，清出淤泥瀝干后外運至指定地點進行處置。

3.3 防洪排澇與水動力提升方案

鑒于趙圩外河白洋河水質良好，可利用趙圩排澇泵站進行水體補水。白洋河常水位13.79m，趙圩蓄水常水位11.0m，設計控制水位11.3m，最低運行水位10.3m。排澇泵站與水體治理設施同步建成，排澇泵站設有連通箱涵，箱涵底標高7.8m。根據內外水位差，在白洋河水位高于趙圩水位且高于7.8m時，趙圩水體可開啟連通箱涵進行重力補水；白洋河水位超過10.3m，但低于或等于趙圩水位時，可啟動排澇泵站，將趙圩水位抽低至10.3m，再關閉泵組、開啟連通箱涵進行補水。

3.4 水質凈化技術方案

為進一步改善水體水質、增強水體應對旱流污染及初期雨水污染的能力，在趙圩沿岸建設一座綜合處理設施，平面布置如圖4所示。

圖4 綜合處理設施示意圖

綜合處理設施包含截流井、調節塘、提升泵井及潛流人工濕地。各部分功能如下。

（1）截流井：設置于趙圩沿岸最大雨水排口前端，井內設置水力拍門及溢流堰，將旱流污水及初期雨水截流至調節塘，避免對趙圩水體造成直接污染。

（2）調節塘：通過在原趙圩水體內設置擋水墻，結合岸線合圍形成調節塘，調蓄量約4800m3（對應服務范圍內8mm降雨）。調節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入主塘，便于調節塘的維護和清理。于北側擋水墻設置電動閘門，可根據運行工況需要進行開閉。

圖5 調節塘平面布置圖

（3）提升泵井：在調節塘西南側設置提升泵井，開啟后可將調節塘內的通過沉淀預處理的水提升進入潛流人工濕地進行處理。

（4）潛流人工濕地：結合現狀岸線地形設置潛流人工濕地，濕地設計最大處理量為3500m3/d，處理后重力流補給水體，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，既有較強的去污能力，又具有一定的觀賞性，目前已經形成郊野公園。

圖6 潛流人工濕地平面布置圖

綜合處理設施運行工況：旱季時，截流井將旱流污水截入調節塘前置塘，后提升污水管網，調節塘主塘電動閘門保持開啟，利用軸流泵井將趙圩湖水經由調節塘抽入人工潛流濕地進行循環凈化處理，推動水體→調節塘→潛流人工濕地→水體的內部水循環，增強水動力；降雨預告發布時，關閉電動閘門，利用軸流泵井將調節塘抽空，為上游降雨預留調蓄空間；降雨發生時，調節塘前置塘中污水與少量初期雨水進入污水系統，調節塘前置塘隨著雨量增加水位上升，通過溢流堰進入調節塘主塘進行調節，主塘到達設計水位后，前置塘中雨水超越進入水體，雨水中污染物含量已經明顯減少；降雨結束后利用軸流泵井將調節塘主塘內調蓄的雨水抽入人工潛流濕地進行處理。

綜合處理設施綜合運用多技術，通過截污、初期雨水調蓄、沉淀、人工濕地實現了旱流污染防治、初期雨水調蓄及處理、水動力提升、景觀亮化等多種功能。

3.5 生態恢復技術方案

在前述工程措施實施完成的基礎上，于水體岸線進行統一生態化治理，通過在淺水區種植沉水、浮葉與挺水植物，白洋河補水引入本土動物與微生物，推動水體生態逐步恢復，提高自凈能力，保障水體的長效治理。

4 效果預期

趙圩進行黑臭水體治理前，水質平均COD為157.44mg/L，湖體蓄水量約為235200m3，存在超標COD污染負荷約29974kg；市政污水污染負荷約583.2kgCOD/d；初期雨水污染負荷約149.8kgCOD/次降雨；農業面源污染負荷約17.7kgCOD/d；湖體本底有機質污染約5590kg。

工程建成后，在多種技術手段的綜合作用下，處理效果預期如下：本底COD污染在建設調試期內予以去除；將市政污水截流進入城市污水管網，市政污水污染相應消除；對流域范圍內地塊進行海綿改造，海綿改造完成后將削減雨水污染40%，進入趙圩的雨水量為710mm，則改造完成后進入趙圩的年雨水污染負荷約為89.9kgCOD/d；對水體周邊農業種植予以清除，同時優化管理，農業面源污染相應消除；底泥清淤完成后，湖體本底有機質污染相應消除；綜合處理設施建成后，系統處理負荷能達到181.7kg-COD/d以上。

綜合入流污染總量及系統處理負荷，預計趙圩水體能夠有效應對污染變化，實現水體的長治久清。

5 實際效果

2018年4月趙圩黑臭水體治理工程完工并投入運行。根據運營單位連續監測結果顯示，對照地表水IV類水標準，趙圩水體溶解氧、氨氮、總磷指標達標率達到95%，水體黑臭已得到全面消除。趙圩進行黑臭水體治理工程前與黑臭水體治理后的現場對比圖如圖7、圖8所示。

圖7 黑臭水體治理工程實施前項目現場圖

圖8 黑臭水體治理工程實施后項目現場圖

6 技術經濟分析

趙圩黑臭水體整治工程概算總投資1928.84萬元，其中第一部分工程費1618.07萬元。各種工程技術類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，綜合處理設施建設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年沒有做底泥清淤，淤泥量大。綜合處理包括截污、初期雨水調節與處理，是水體長效保持的關鍵。

7 結語

通過分析趙圩水體黑臭的成因，提出“外源減排、內源清淤、水質凈化、生態恢復”的治理方案。采用多技術綜合運用的工程措施，有效消除趙圩水體的黑臭現象，水質日益改善，生態逐步恢復，水質已經基本滿足地表水IV類水標準。

為進一步鞏固水體治理的成效，應著重建立水質監測系統，并將流域管網養護及檢查與城市水體水質緊密聯系，注重水體周邊植物收割及岸線維護，定期維護調節塘、潛流人工濕地等調蓄及處理設施，實現水體的長治久清。