黑臭水體治理技術初探
——以湘潭市江麓西干渠為例

周海燕，陳璽如，王 澤，劉 亮，李國卿

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

1 引言

水環境質量反映了城市品質，也體現了生態文明建設水平。近年來，由于城鎮化發展進程加快、城鎮人口增多和環?；A設施建設滯后等因素，我國多數城市水環境問題日益突出，并逐步制約了城市的可持續發展。開展城市污染水體治理，特別是黑臭水體治理，實現水清、岸綠、景美，對促進城市生態文明和美麗中國建設具有重要意義。

城市黑臭水體是城市建成區內呈現令人不悅的顏色(黑色或泛黑色)和(或)散發出令人不適氣味(臭或惡臭)的水體的統稱[1]。水體黑臭現象產生的本質就是一種生化反應現象。城市水體以有機污染為主，水體中有機物在氧化分解中耗氧速率超過復氧速率，使水體逐步呈缺氧狀態，厭氧微生物厭氧分解逐步活躍，并產生硫化氫、甲烷、氨氣等惡臭氣體，導致水體發臭[2]。水體中鐵、錳物質在氧氣不足情況下發生還原反應，使得鐵、錳物質與水中的硫物質反應結合，形成硫化亞鐵、硫化錳等物質，導致水體發黑[3]。

“十三五”期間，我國對黑臭水體的治理提交了一份較為滿意的成績單，根據生態環境部公布的數據，截至2020年底，全國295個地級以上城市，90%以上的黑臭水體比較穩定地解決了黑臭的問題。這份成績單與控源截污、補水活水、生態修復、智慧管控等大批治理技術[4～7]在黑臭水體治理工程中得到充分實踐密不可分。

本文以湘潭市江麓西干渠黑臭水體治理為例，通過污染源調研分析，提出沿岸截污、生態清淤、生態修復等總體治理思路，有效削減生活源污染、徑流污染和河道內源污染，以達到消除黑臭、提升水體自凈能力和逐步恢復河道生態系統的目的。

2 項目概況

江麓西干渠位于湘潭市雨湖區，起于湘潭廣播電視大學南側窯塘，終點在唐興橋排漬泵站，晴天進入河西污水處理廠，雨天溢流進入湘江，全長5.42 km，其中明渠0.76 km(占13.7%)，暗渠4.66 km(占86.3%，含南嶺路分支0.28 km)，是湘潭市雨湖區重要的排洪渠。但由于老城區內管網覆蓋率低，渠道附近的生活污水基本直排進入渠道，西干渠已然成為一條排污溝，水體呈現不同程度黑臭，且該渠道周邊的江麓中心村、韶山西路段經常發生內澇，嚴重影響當地居民的生產生活，人民群眾的治理愿望強烈。

江麓西干渠匯水面積5.61 km2，可分為南嶺路和大湖路2個匯水片區，其中南嶺路片區匯水面積1.63 km2，大湖路片區匯水面積3.98 km2，其中大湖路片區是西干渠主要匯水區，詳見圖1所示。

圖1 江麓西干渠匯水分區現狀

3 現狀問題識別

江麓西干渠位于湘潭市老城區，沿線共布設10處水質監測點位進行現狀取樣，根據現場調研及相關資料分析，江麓西干渠現狀水質為劣V類，主要超標因子為COD、NH3-N和TP。主要污染源有生活污水、農田面源、城市面源(初期雨水污染)以及底泥內源污染。由于水體水質差，污染嚴重，西干渠被列全國黑臭水體名單，整體為輕度黑臭，部分河段為重度黑臭。

3.1 水質現狀

根據2016年10、11月份水質監測結果分析，結合《城市黑臭水體整治工作指南》，西干渠呈劣Ⅴ類水體，整體屬輕度黑臭，其中8#韶山路檢查井段為重度黑臭。主要超標指標為COD(超0.05～5.5倍)、NH3-N(超2～9.5倍)、TN(超3.5～10倍)、TP(超0.5～2.7倍)，其中湘黔鐵路明渠起點至先鋒鄉鎮府上側明渠起點、中心村明渠終點至韶山路西干渠檢查井段、白石公園上側高標路處西干渠檢查井至南嶺路西干渠終點等暗渠段污染更嚴重(表1、表2)。

表1 城市黑臭水體污染程度分級標準

表2 水質監測結果

3.2 污染源現狀

3.2.1 生活源

西干渠中上游匯水區域內幾乎未敷設排水管道，附近居民(學校)生活污水直接排入西干渠；下游段建有較完善的污水管網，但排水體制為雨污合流制，仍存在雨季雨污水從溢流井溢出進入西干渠的現象。未經處理生活污水污染物濃度按照城鎮生活污水污染物濃度計算，故進入西干渠的生活污水量約12238.5 m3/d，COD排放量達1116.8 t/a，NH3-N排放量達134.0 t/a，主要發生在王家塘至韶山西路段(表3)。

表3 生活污水污染源統計

3.2.2 農業面源

西干渠匯水面積內農田徑流和農田排水造成的農田化肥和農藥流失是面源污染的主要因素，西干渠附近菜園灌溉面積約550畝，主要集中在王家塘至干子塘段。根據《第一次全國污染源普查：農業污染源肥料流失系數手冊》相關經驗參數，并結合江蘇省、淮河流域等同類地區實驗成果進行比較分析，以南方丘陵地區標準對進入西干渠的農田面源污染物計算，其污染物入河總量COD為0.82 t/a，NH3-N為0.73 t/a；其中窯塘至王家塘段(上游)灌溉面積10畝，農田面源污染物入河量COD為0.01 t/a，NH3-N為0.01 t/a；王家塘至韶山西路(中游)灌溉面積540畝，農田面源污染物入河量COD為0.81 t/a，NH3-N為0.72 t/a。

3.2.3 城市面源

城市雨水徑流污染具有晴天累積、雨天排放、隨機性強、突發性強、污染徑流量大且面廣的特點，初期徑流污染最為嚴重。根據相關研究及經驗值[8,9]，城市雨水徑流COD濃度約25 mg/L，SS濃度約40 mg/L，氮磷含量較低。西干渠匯水面積內，約0.04 m3/s的徑流直排入西干渠，COD入河量約31.0 t/a。污染物通過城市徑流排入西干渠，造成了一定程度的水質污染，城市面源污染是西干渠水體黑臭的污染源之一。

3.2.4 底泥內源污染

西干渠上游窯塘、王家塘、韶山西路以下渠段底泥淤積厚度約0.5～1.0 m，中下游渠段明渠水面垃圾漂浮。根據王家塘明渠起點處底泥監測結果，底泥鎘、汞、砷重金屬超過土壤二級標準，超標倍數分別為6.5倍、4.2倍和1.4倍，雖然上覆水體未出現重金屬超標現象，但底泥污染物釋放是西干渠主要污染源之一。

3.2.5 工業污染源

西干渠沿岸幾乎無企業，廢水排放量較小。

3.2.6 污染負荷解析

進入西干渠污染源有生活污染源、農業污染源、城市面源，其中主要污染源為生活污染源，其污染物COD、NH3-N排放占比分別為97.2%和99.5%，需優先進行控制。污染負荷情況見表4。

表4 不同污染源污染負荷情況一覽

3.3 主要問題分析

江麓西干渠位于湘潭市老城區，四周分布城中村，農貿市場、菜地、垃圾轉運站等，且大部分匯水區域未建污水收集管網，其作為排水通道，周邊污水就近排入西干渠，外部污染源直接排入或隨雨水排入，河道污染負荷過大，破壞河道自凈能力，污染物在河道累積，最終造成水體黑臭。

現狀污染源調查分析表明，江麓西干渠黑臭的外部污染來自生活污染源、城市面源和少量的農業污染源，其中生活污染源為主要污染源，COD和NH3-N排放量占比分別為97.2%和99.5%，應該優先進行控制?？梢?，截污控源是西干渠黑臭水體綜合治理的關鍵。

4 治理方案

本工程統籌海綿城市建設、城市更新要求，以問題為導向，以截污控源為關鍵，因地制宜，綜合施策，調查分析流域內污染的現狀條件，掌握流域污染特點、污染負荷和水體黑臭成因，采取沿岸截污、清淤工程、生態修復等工程措施，結合監管、環保宣傳等非工程措施，消除黑臭，改善水體水質，打造生態濕地，提升周邊景觀效果。

4.1 治理目標

根據渠道現狀、存在的問題，按相關規劃的要求，通過清淤截污基礎治理和改造，近期西干渠水體不黑不臭，遠期滿足地表水Ⅳ類水質目標，并逐步恢復調蓄、排洪、生態功能，成為一條城市綠色生態廊道。

4.2 沿岸截污

4.2.1 設計原則

(1)分段截污納管。由于沿線建筑密集，大部分為暗渠，暗渠上方多為房屋或道路。全程截污難以實現，故分段截污?，F階段根據現場條件，能截污多少就截污多少。

(2)減少重復處理。當上游設污水處理設備處理西干渠的出水時，其出水也將排至西干渠，而當沿線無法全程截污時，渠道里的混合污水最終還是被送往城市污水處理廠，造成重復處理。故本項目中不在沿線設置污水處理設備，以減少重復處理。

(3)污水管網改造。沿線無法截污的部分，進行污水管網改造，將污水視為若干個集中排放口，重力或壓力排至現有市政排水管網。

(4)近遠期結合。結合城市建設，近期實施有條件進行截污的部分，遠期根據規劃，完成西干渠沿線的雨污分流改造，徹底解決西干渠直排污染問題。

4.2.2 排水體制

當前西干渠雨污水干管還沒有形成，現階段西干渠沿線有條件新建截污管道的區域采用截留式合流制。其他區域后期結合城市建設進行雨污分流改造。

4.2.3 平面布置

根據收集到的排水管網資料及現場查勘，西干渠上、中游匯水區域內幾乎未敷設排水管道，附近居民(學校)生活污水直接排入西干渠；下游段建有較完善的污水管網，排水體制為雨污合流制。工程實施分段截污。針對西干渠中上游(明渠段，即中心村以上區域)，周邊的市政管網現狀已滿管運行，難以接納更多污水量，故中上游段采用沿線截污，并將截流收集的污水通過重力流進入2處一體化處理設備(2000 m3/d、1000 m3/d)處理，出水排入西干渠，作為其西干渠生態補水；而針對西干渠(中心村以下)下游段，現狀全為暗渠，設計要求干渠兩側片區進行雨污分流改造，杜絕污水直排至西干渠的現象(圖2)。

圖2 截污工程布局

4.3 生態清淤

西干渠為老渠，多年未清理，渠內有較多磚渣、家具等大件垃圾及一定厚度的淤泥。由于西干渠超過80%渠段為暗渠，暗渠清淤方式選擇及清淤施工是本次工程的重難點。

4.3.1 清淤厚度

通過現狀調查，西干渠全線均有一定積淤，淤泥淤積厚度約0.5～1.0 m。其中西干渠上游明渠段、窯塘、王家塘及韶山西路下游段積淤量較大。本次工程規劃對西干渠進行全線清淤，清淤深度0.5～1.0 m，清淤量約4.2萬m3。

4.3.2 清淤方案

西干渠斷面尺寸在1.0 m×0.5 m～4 m×3 m，平均寬度在1.0～4.0 m之間，西干渠渠道較窄，絞吸挖泥船、生態智能清淤設備等需水上作業的機械無法開展工作，推薦主要采用人工清淤與機械清淤相結合的方案。對于西干渠段，作業區排干后，采用人工配合和水力沖挖方式清淤，按50～100 m左右(暗渠段根據實際情況適當調整)分段圍堰，渠道排干實施；對于窯塘和王家塘，采用水陸兩用攪稀泵進行環保清淤。清理的淤泥采用機械脫水固結一體化工藝進行脫水，再運至湘潭黑臭水體底泥臨時堆場，待生態濕地建設時，考慮回用于擬建生態濕地綠化回填土。其余泥沙、土、建筑垃圾(磚、石頭等)運往湘潭市指定建筑垃圾堆場處理。

4.3.3 暗渠清淤施工注意事項

(1)通風口及出泥口應充分利用現有的檢查井進行通風和出泥。但因既有檢查井間距較遠，難以保證充分通風，應根據實際情況開挖通風口，兩通風口間距不超過100 m。

(2)施工人員進入檢查井前，井室內必需使大氣中的氧氣進入檢查井中或用鼓風機進行換氣通風，測量井室內氧氣的含量，施工人員進入井內必需佩戴安全帶、防毒面具及氧氣罐[10]。

(3)用吸污車將兩檢查井內淤泥抽吸干凈，兩檢查井剩余少量的淤泥向井室內用高壓水槍沖擊井底淤泥，再一次進行稀釋，然后進行抽吸完畢。

(4)在下井施工前對施工人員安全措施和安排完畢后，先進行暗涵兩側穩固措施，再對檢查井內剩余的磚、石、部分淤泥等殘留物進行人工清理，直到清理完畢為止。

4.4 生態修復

人工濕地是人工構建和監督控制的具有天然濕地功能和構造的體系[11]。由于人工濕地氮磷去除效果好、投資低、耐沖擊負荷能力強、維護管理簡便和生態景觀性能好等優點，已被廣泛應用于污水廠尾水深度處理和微污染水體水質凈化[12]。通過項目現場查勘，西干渠上游分布有窯塘、王家塘等天然水塘，為了進一步的保障和提升西干渠水質，結合土地利用現狀及規劃情況，對窯塘、王家塘進行生態濕地構建，凈化進入西干渠的污染水體。窯塘濕地主要處理經電大污水站(西干渠源頭水)出水，王家塘濕地主要處理西干渠上游來水及王家塘周邊原進入西干渠的匯水區污水及初期雨水。為保障各濕地進水水質及濕地正常運行，要求電大對內部生活污水集中處理，出水水質達到一級A排放標準后進入窯塘濕地。

4.4.1 濕地進出水水質

濕地進水來自西干渠，出水再回到西干渠下游段。西干渠近期(2018年)和遠期水質目標分別為V類和IV類，且濕地水體將作為景觀水體，因此人工濕地出水應與西干渠水質目標保持一致。

4.4.2 濕地設計水量

根據濕地所在片區匯水面積及人工規模估算匯入各濕地徑流量和污水排放量，可得進入各濕地流量，因此，窯塘和王家塘濕地設計水量分別為6000 m3/d和8000 m3/d，詳見表5。

表5 濕地進出水量

4.4.3 濕地形態選擇

人工濕地污水處理系統按水流方式可分為表面流、水平潛流和垂直潛流濕地。如果單獨采用“表面流人工濕地”“水平潛流人工濕地”工藝，所需占地面積較大，現狀用地難以實現。根據不同類型人工濕地的特點[13～15]、現狀西干渠水體污染物特點(氨氮濃度嚴重超標)和水塘有效面積，窯塘濕地采用垂直潛流—表面流復合型濕地系統，王家塘濕地采用表面流濕地形式。

4.4.4 植物配置

水生植物特別是挺水植物的選擇會影響人工濕地處理效果[16]。本工程基于因地制宜、本土和強凈化能力、生物多樣性、經濟效益和景觀協調的基本原則，垂直潛流濕地區選擇蘆葦、菖蒲、鳶尾、紙莎草等4種挺水和濕生植物；表面流區選擇挺水植物千屈菜、小香蒲、燈芯草以及浮/沉水植物：睡蓮、黑藻、菹草。同時，在表流區設置生態浮床4000 m2(其中王家塘布設3000 m2，窯塘布設1000 m2)。在窯塘、王家塘進出口區域鋼板壩，通過跌水對水體充氧，同時在窯塘、王家塘采用噴泉式曝氣充氧，尺寸約70 mm×70 mm×65 mm，共8處，如圖3～6所示。

圖3 窯塘生態濕地平面布置

5 結論與建議

江麓西干渠是湘潭市老城區連通水系之一，也是老城區主要排澇通道。沿岸截污將有效杜絕生活污水直排，減少污染入河量；生態清淤及生態修復則有效改善西干渠水動力條件和排澇環境，提高水體自凈能力。工程整體實施后，水質將得到明顯改善，水體消除黑臭，溝渠逐步恢復河道生態功能。目前，沿岸截污、生態清淤部分基本完成，生態修復仍在實施階段，水質改善效果逐步顯現。

圖4 王家塘濕地公園平面布置

圖5 窯塘生態濕地治理后效果

圖6 王家塘濕地公園治理后效果

為進一步改善和鞏固黑臭水體治理成效，實現水體長治久清，提出了以下建議。

(1)在沿岸截污的基礎上，進一步結合片區雨污分流、老城區改造、海綿城市建設等工程，消除污染入河量。

(2)定期開展水質與生態監測，根據監測結果，評估水質及生態狀況，及時進行管網探查并修復、補充水生動植物等，防止水體返黑返臭。

(3)貫徹落實河長制，積極推進公眾參與環境管理，促進環境改善和社會的和諧進步。