城市河流“多污染水體”水質(zhì)提升工程設(shè)計與應(yīng)用

印錫平，馬江紅，杜榮波，夏新波，梁鑫

（1.中電建路橋集團有限公司，北京 100160；2.中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710024）

0 前言

河道水質(zhì)凈化工程是一項理論復雜、因素眾多、操作困難的系統(tǒng)工程[1]，需要根據(jù)特定河道的水質(zhì)情況、污染情況等實際情況，科學合理地選擇、設(shè)計河道修復工藝及方法，根據(jù)修復機理不同，可以分為物理修復、化學修復及生態(tài)修復三種修復類別[2]。隨著水環(huán)境治理技術(shù)的日益發(fā)展，專門技術(shù)建設(shè)典型示范工程也開始普及，環(huán)境治理技術(shù)開始向改善河流生態(tài)系統(tǒng)及功能的方向發(fā)展，在發(fā)揮現(xiàn)有水利工程作用的同時，開始強化天然或人工水域的自然恢復能力或自凈能力，如人工濕地系統(tǒng)[3]、氧化塘[4]、人工強化型懸浮物載體生物移動床[5]、生態(tài)浮島[6]等。

針對太平河水質(zhì)污染類型多樣的情況，本文將人工潛流濕地系統(tǒng)與親水型生態(tài)系統(tǒng)相結(jié)合，分析了兩種工藝結(jié)合在太平河水質(zhì)凈化提升工程中的應(yīng)用，希望為同類工程的河道治理提供一定的參考。

1 項目背景

1.1 工程概況

太平河位于西安市西部，是皂河的一級支流，自高新區(qū)市政箱涵出水口至入皂河口，為西安市城市排水系統(tǒng)中，皂河排水系統(tǒng)的重要組成部分。太平河改造總長度為23.84km，項目整體包含水利工程、水生態(tài)工程及水質(zhì)提升工程，重點打造一條水清、岸綠、景美的城中河，打造構(gòu)筑“城市生態(tài)長廊”，創(chuàng)造“水、林、城”于一體的特色風景線。

1.2 太平河河道水環(huán)境現(xiàn)狀

1.2.1 水質(zhì)情況

太平河綜合水質(zhì)是劣Ⅴ類，主要污染物為總磷、氨氮以及生化需氧量。雖然河流自凈能力能降解部分污染物，但河流多段水質(zhì)仍為劣Ⅴ類，而水環(huán)境對污染物的容納有一定限度，當污染物持續(xù)進入并在環(huán)境中不斷累積，一旦超過其容納限值必然導致水質(zhì)惡化，水環(huán)境被破壞。因此，要保護水環(huán)境，保持水體自凈化能力和維護水生態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)在太平河各個污水廠出水口處及河道內(nèi)采取相應(yīng)的水質(zhì)治理和改善措施，降低對下游河道的污染貢獻度，同時必須對太平河沿線村寨生活污水排放及農(nóng)田面源污染進行重點治理，做好全線截污納管工作。

圖1 太平河水質(zhì)現(xiàn)狀

1.2.2 河道排污情況

河道周圍排污口較多，但大部分排污口已經(jīng)被封死，不再排污，仍有部分排污口排放生活污水進入河道，排污管管徑由15cm～100cm不等，仍在排污的主要有9處。沿河城鎮(zhèn)生活污水截污不完全，處理能力不足，存在雨水混流入河、管道老化失修等問題。

1.2.3 污水處理廠情況

太平河沿線有四個污水處理廠，分別為第六污水處理廠（尾水出水量20萬m3/d）、第七污水處理廠（尾水出水量14萬m3/d），灃東南污水處理廠（尾水出水量20萬m3/d）、灃東北污水處理廠（尾水出水量20萬m3/d），出水標準都為一級A標，總出水量74萬m3/d，需要作為太平河的補水水源，全部排入太平河內(nèi)。

2 方案設(shè)計

2.1 總體思路

本工程主要從污水廠尾水處理、河道水質(zhì)凈化兩個方面進行方案設(shè)計，方案總體思路為通過潛流濕地系統(tǒng)去除污水廠尾水中的污染物，待出水達到標準后排入河道，然后利用親水型生態(tài)系統(tǒng)提升河道水質(zhì)，改善河道生態(tài)環(huán)境，從而達到水質(zhì)凈化提升、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的目的。

2.2 尾水濕地處理工程設(shè)計

2.2.1 工程工藝簡介

潛流濕地是本項目的核心凈化工藝，是包含植物—填料—微生物系統(tǒng)的復合人工池體，污水流經(jīng)潛流濕地，通過植物—填料—微生物這一復合生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學及生物三者共同作用，去除水體中的污染物，實現(xiàn)對水體的高效凈化。

原水自底部進入潛流濕地，均勻的流過濕地內(nèi)部的生態(tài)料后，自頂部排除潛流濕地，在這個過程中，通過頂部種植的挺水植物、植物根部和生態(tài)填料表面附著的微生物的共同作用，實現(xiàn)了水質(zhì)凈化的目的。

2.2.2 進出水質(zhì)確定

圖2 潛流濕地工藝原理示意圖

①濕地進水水質(zhì)

根據(jù)污水處理廠設(shè)計處理標準，污水廠尾水水質(zhì)滿足污水排放一級A標準，如表1所示。

濕地進水水質(zhì)標準 表1

②濕地出水水質(zhì)

污水廠尾水經(jīng)濕地處理后用于太平河補水，太平河規(guī)劃水質(zhì)目標為地表水Ⅴ類水質(zhì)。各分段工程設(shè)計濕地出水除總氮外，其他指標滿足地表水Ⅴ類水質(zhì)排放標準，通過濕地內(nèi)各處理單元的凈化作用，對出水水質(zhì)設(shè)計見表2所示。

出水水質(zhì)設(shè)計計算 表2

2.2.3 濕地占地面積計算

潛流濕地面積設(shè)計依據(jù)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》（HJ2005-2010）有關(guān)規(guī)定進行。城鎮(zhèn)生活污水、城鎮(zhèn)污水處理廠出水及生活污水性質(zhì)相近的其他污水處理工程，可采用潛流濕地進行處理，其主要設(shè)計參數(shù)見表3所示。濕地的面積設(shè)計主要依據(jù)最大污染負荷與水力負荷，分別計算最大污染負荷與水力負荷取最大值。

垂直潛流濕地主要設(shè)計參數(shù) 表3

①按照污染負荷計算獲得面積

濕地污染負荷有CODcr表面負荷、NH3-N表面負荷、TP表面負荷，用污染負荷計算濕地面積：

式中：Q—污水流量，m3/d；

Co—進水污染物濃度，mg/L；

Ce—出水污染物濃度，mg/L；

N—污染物表面負荷，g/m2·d。

②按照最大日流量水力負荷計算濕地面積：

式中：Nq—水力負荷，L/m2·d。

作為濕地污水處理的系統(tǒng)設(shè)計，水力負荷也是需要考慮的一個重要因素，即單位時間、單位面積應(yīng)用水的體積需多大量進入濕地才能達到理想的效果。潛流型濕地的水力負荷范圍如表3所示，其具體參數(shù)根據(jù)預(yù)處理程度、水量選取。本工程采用較高的水力負荷750L/m2·d計算，第六污水廠、灃東南污水廠、灃東北污水廠、第七污水廠尾水凈化所需濕地面積分別為 266667m2、266667m2、266667m2、186667m2。

以上計算方法選取最大值，則理論上潛流濕地的占地總面積為986668m2，第六污水廠、灃東南污水廠、灃東北污水廠、第七污水廠尾水凈化所需濕地面積分別為266667m2、266667m2、266667m2、186667m2。工程考慮占地、運行管理、景觀效果等因素，采用潛流濕地處理工藝，綜合上述潛流濕地占地面積理論計算結(jié)果，工程濕地占地總面積至少為98.67萬m2。

2.3 清水型生態(tài)系統(tǒng)設(shè)計

為保證景觀水體觀賞效果，將水華爆發(fā)的風險降至最低，公園濕地采用清水型生態(tài)系統(tǒng)進行水質(zhì)凈化，補水水源為污水廠尾水經(jīng)過濕地凈水后的水體，景觀湖進水水質(zhì)為Ⅴ類水，設(shè)計目標位Ⅳ類水，透明度大于1.5m。

2.3.1 清水型生態(tài)系統(tǒng)凈化參數(shù)設(shè)計

生態(tài)系統(tǒng)凈化效率：沉水植物為生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者，代表了整個水體的生產(chǎn)力，是生態(tài)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，本設(shè)計以沉水植物指標表征生態(tài)系統(tǒng)綜合凈化效率進行設(shè)計，沉水植物生長繁殖周期為一年，其凈化效率以全年計算，水質(zhì)凈化目標以《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）TP、TN類計算。

①削減污染負荷

入水水質(zhì)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838-2002）TP、TN主要控制富營養(yǎng)化指標進行設(shè)計。湖區(qū)第一年運行的主要污染物負荷總量TN為386.06kg/a，TP為77.22kg/a。

②湖泊生態(tài)系統(tǒng)表面營養(yǎng)鹽負荷2.3.2高等水生植物—微生物功能群設(shè)計

①高等水生植物

高等水生植物為生態(tài)系統(tǒng)最重要的初級生產(chǎn)力及核心組成部分，包括挺水植物、浮葉植物、沉水植物，不同的群落結(jié)構(gòu)起到不同的功能。

水生植物功能群選擇原則：a.促進懸浮物沉降，防止再懸??；b.凈化能力強，四季凈化；c.生態(tài)安全，非外來物種；d.生態(tài)景觀良好。

結(jié)合項目所在地的氣候、地質(zhì)地貌以及區(qū)域情況，沉水植物擬選擇苦草群叢，挺水植物擬選擇水生美人蕉、梭魚草、花菖蒲等，浮葉植物擬選擇睡蓮等。配置原則：沉水植物群叢式單一品種片植，挺水植物單一品種片植，觀花觀葉交錯配置，浮葉植物單一品種株植。

②微生物

微生物為生態(tài)系統(tǒng)核心凈化功能群，其增加方式：

a.直接投加；

b.利用水生植物種植營造生境，通過水生植物根際—植株效應(yīng)增加有益微生物系統(tǒng)。

湖泊表面營養(yǎng)鹽負荷計算表 表4

由于直接投加微生物無法持續(xù)凈化水質(zhì)，且在地表水中因缺乏碳源無法充分發(fā)揮水質(zhì)凈化作用，本方案采用種植水生植物，營造生境，促進系統(tǒng)有益微生物生長并且持續(xù)發(fā)揮凈化能力。

2.3.3 水生動物功能群設(shè)計

①沉水植物—底棲動物相生功能群

湖區(qū)水體中的懸浮物容易造成沉水植物附著物過厚影響其光合作用，導致沉水植物生長減緩，凈化效果不佳，構(gòu)建附著物清除系統(tǒng)可以改善沉水植物生長緩慢的情況，從而加強其凈化效果。通過原地試驗發(fā)現(xiàn)，環(huán)棱螺可明顯降低單位面積附著生物的生物量。同時，環(huán)棱螺食主要攝食附著物、有機碎屑，對植物活體無害，根據(jù)項目所在地氣候、湖區(qū)水質(zhì)條件，本方案擬采用梨形環(huán)棱螺品種。

②底棲動物—有機質(zhì)分解功能群

生態(tài)系統(tǒng)運行后，各水生植物會有死亡、沉降、在湖底形成沉積物的過程，因此，有機物循環(huán)功能群在生態(tài)系統(tǒng)工程設(shè)計中至關(guān)重要。基于本文所依托項目湖泊為新建湖且無外源污染，其沉積物積累較慢，從生態(tài)系統(tǒng)完整性考慮，需投放具有有機碎屑攝食能力的不同梯度的有機物分解功能群。本設(shè)計底棲動物選擇無齒蚌，根據(jù)無齒蚌放養(yǎng)密度及浮游植物控制作用設(shè)計，本方案全湖投放黃顙魚。

2.3.4 生物操控—浮游動物—魚類功能群設(shè)計

湖泊生態(tài)系統(tǒng)中浮游動物種群增加有兩個途徑：

①浮游動物直接添加，此種方法適合藍藻水華或富營養(yǎng)化非常嚴重，藻類非常多且雜食性魚類很少的水體中，否則浮游動物很難存活且發(fā)生作用；

②通過典型生物操控，構(gòu)建肉食性魚類群落，控制雜食性魚類群落，從而壯大浮游動物種群，實現(xiàn)對浮游植物的攝食，此種方法適合于水域面積中等至較小且雜食性魚類較多的湖泊。

根據(jù)項目景觀湖的具體情況，浮游植物生物量控制通過典型生物操控實現(xiàn)。

3 結(jié)語

通過人工潛流濕地與親水型生態(tài)系統(tǒng)的綜合運用，發(fā)揮了水系凈化功能，改善了污水廠尾水水質(zhì)，通過該項工程，完善了水系濕地凈化系統(tǒng)，引污水廠尾水進入濕地系統(tǒng)，經(jīng)處理后排入太平河，大大削減了太平河的污染負荷。同時，通過該項工程的建設(shè)，對該區(qū)域的生態(tài)修復及太平河周圍景觀起到了美化作用，使?jié)竦叵到y(tǒng)產(chǎn)生景觀效應(yīng)。