汨羅市黑臭水體治理技術(shù)應(yīng)用研究

孔瑞華

(湖南建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

隨著城市經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，由于水資源供需矛盾，常常導(dǎo)致水生態(tài)系統(tǒng)被破壞，進(jìn)而影響人居環(huán)境[1]。國(guó)家先后發(fā)布《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》《城市黑臭水體治理攻堅(jiān)戰(zhàn)實(shí)施方案》，支持各地開(kāi)展黑臭水體整治工作。治水是一項(xiàng)長(zhǎng)期且復(fù)雜的工作，主要內(nèi)容包括合流制系統(tǒng)整治和合流制溢流(以下簡(jiǎn)稱CSO)污染控制以及城市面源污染控制等[2]。

湖南汨羅市城西排水渠、小橋湖、涂家套排口，承擔(dān)了城區(qū)70%以上雨水和污水儲(chǔ)存及轉(zhuǎn)輸?shù)墓δ堋Ｓ晏欤罅可钗鬯蛷搅魑廴荆唇?jīng)處理，經(jīng)排漬泵站排至汨羅江，對(duì)汨羅江水源地造成很大的危害。徹底治理沿江排口，是有效改善汨羅江水環(huán)境質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是保證流域當(dāng)?shù)鼐用耧嬘盟踩闹匾e措。下文以城西排水渠排口整治工程為例，并對(duì)工程技術(shù)方案的應(yīng)用和治理成效進(jìn)行了探討，以期為類似城區(qū)黑臭水體治理工程提供參考與借鑒。

1 概況

1.1 城區(qū)流域水系

汨羅市城市水系格局為“一江兩水多河渠”，“一江”，指汨羅江；“兩水”，為羅水和湄水；“多河渠”，指李家河、友誼河、上馬溪、叢羊渠、團(tuán)山渠、新書(shū)渠等。汨羅江是洞庭湖水系中僅次于湘江、資江、沅江、澧水的第五大水系，是重要的水源保護(hù)地，水質(zhì)改善對(duì)洞庭湖污染削減有重要意義。

1.2 排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

汨羅江是汨羅市城區(qū)主要排水系統(tǒng)的受納水體，城區(qū)排漬泵站均沿江而建，現(xiàn)狀排漬站總規(guī)模為13m3/s。城西排水渠排口涉及匯水區(qū)面積約4km2，為城市截污干管末端的溢流排口，匯水量主要為合流污水和污水處理廠尾水，建設(shè)范圍約0.085km2。場(chǎng)地多處坑塘，最大水體為李家河，河流北岸及東南邊分散著一些住戶，現(xiàn)狀場(chǎng)地內(nèi)基本未開(kāi)發(fā)。李家河通過(guò)東側(cè)低排涵和百丈排漬泵站排水，含城西排水渠和鐵西排水渠2個(gè)子匯水區(qū)。

2 問(wèn)題及成因

汨羅市中心城區(qū)合流制排口溢流問(wèn)題尤為突出，給汨羅江水環(huán)境的有效治理與改善帶來(lái)難度。中心城區(qū)排水系統(tǒng)及污水處理問(wèn)題體現(xiàn)在4個(gè)方面。

2.1 污水收集率低

因城郊地區(qū)截污系統(tǒng)建設(shè)時(shí)序不一致，排水管網(wǎng)建設(shè)缺少統(tǒng)一協(xié)調(diào)，部分集污主干管滯后于支管建設(shè)，造成合流污水直排水體。在分流制區(qū)域，因污水管建成后無(wú)出路，只能混接到雨水管渠中，造成該區(qū)域管線交雜嚴(yán)重，污水走向不明，收集困難。根據(jù)汨羅市城市污水廠2018年1月至2019年6月污水進(jìn)水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀污水廠進(jìn)水量(生活污水)均值為1.75萬(wàn)t/d，與以現(xiàn)狀供水量估算出的2.81萬(wàn)t/d，以及人均綜合用水指標(biāo)估算出的2.48萬(wàn)t污水量差距較大。城區(qū)為雨污合流制系統(tǒng)，排水末端實(shí)行截流，截流倍數(shù)只達(dá)到1，達(dá)不到規(guī)范2～5倍的截流倍數(shù)要求。現(xiàn)狀截污，通過(guò)設(shè)置截污坎，形式不規(guī)范，且雨天截污量無(wú)法確定。

2.2 污水處理廠進(jìn)水水量及水質(zhì)波動(dòng)大

根據(jù)污水廠2018年1月至2019年6月進(jìn)水污水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，污水廠進(jìn)水流量在0.795～2.86萬(wàn)t/d，污水進(jìn)水量約2.25萬(wàn)t/d，峰值流量為最低流量的3.6倍，其間，約有58.7%的天數(shù)污水廠處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。污水廠COD、TN、NH3-N、TP進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)幅度較大，大部分時(shí)段各指標(biāo)進(jìn)水水質(zhì)低于設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)。汨羅市部分地區(qū)排水管道修建較早且建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，管網(wǎng)老化破損嚴(yán)重，引發(fā)高地下水位的地下水滲入量較嚴(yán)重，導(dǎo)致污水進(jìn)水水質(zhì)偏低。

2.3 雨天排口溢流污染嚴(yán)重

城區(qū)采用截流式合流制，雨天有部分混合污水通過(guò)溢流井直接排入水體，又因截流倍數(shù)較低，造成雨季溢流次數(shù)較多，溢流量大，水體污染嚴(yán)重。

2.4 泵站及調(diào)蓄池排水行澇能力不足

部分地段地勢(shì)低洼，暴雨時(shí)容易積水受淹，管渠過(guò)水能力有限，以及排漬泵站及其配套調(diào)蓄水體規(guī)模不足，導(dǎo)致內(nèi)澇。根據(jù)《汨羅市城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》(2013—2020年)，百丈排漬泵站設(shè)計(jì)規(guī)模為11.57m3/s，配套調(diào)蓄水體容積為20萬(wàn)m3，而實(shí)際上，百丈排漬泵站現(xiàn)狀規(guī)模僅3.9m3/s，李家河排水行澇能力則嚴(yán)重不足。

3 綜合整治方案

3.1 技術(shù)路線

根據(jù)城區(qū)排水渠排口的地理位置和周邊環(huán)境，構(gòu)建“以控制合流制溢流為基礎(chǔ)、以達(dá)到消除黑臭為目標(biāo)、以生態(tài)修復(fù)為特色”的功能定位，確定了“合流制溢流控制、濕地處理、活水循環(huán)”的綜合治理，技術(shù)路線如圖1所示，提升污染物削減率，恢復(fù)生態(tài)功能。具體路線為：城西排水渠排口→分流井→格柵沉沙池→CSO調(diào)節(jié)池→高密度沉淀池、加藥及污泥處理系統(tǒng)→多級(jí)生物濾池(以下簡(jiǎn)稱WTS)→出水濕地→李家河。

圖1 綜合整治技術(shù)路線圖

3.2 CSO控制

通過(guò)合理確定污水截污倍數(shù)、控制降雨場(chǎng)次頻率、降雨深度和年溢流體積控制率，確定處理水量。進(jìn)水水質(zhì)，參考城市污水廠近半年的平均進(jìn)水水質(zhì)，出水水質(zhì)，目標(biāo)設(shè)定為地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)污水廠處理規(guī)模和現(xiàn)狀截污情況，設(shè)置截污設(shè)施分流井，通過(guò)水位、水質(zhì)智能設(shè)施調(diào)節(jié)流量以及閥門啟閉。旱季污水，通過(guò)分流井直接截流至附近汨羅城市污水處理廠進(jìn)行處理。雨季時(shí)，將部分合流污水截流至汨羅城市污水處理廠進(jìn)行處理。

根據(jù)CSO水量變化較大及其初期沖刷污水中懸浮物含量較高的特點(diǎn)，設(shè)置格柵沉沙池，截留浮渣和大顆粒泥沙，去除污水中比重較大的無(wú)機(jī)顆粒(相對(duì)密度ρ≥2.65，粒徑Φ≥0.2mm的沙粒)，以減輕對(duì)管道的堵塞及下游環(huán)節(jié)設(shè)施的磨損，便于后續(xù)生化處理。設(shè)置CSO調(diào)節(jié)池，提高溢流控制體積。對(duì)前期已進(jìn)入調(diào)蓄池較臟的合流水進(jìn)行調(diào)蓄，通過(guò)污水泵，提升至一體化應(yīng)急處理設(shè)備進(jìn)行處理，提高水處理凈化效果。在雨量較大時(shí)，CSO調(diào)節(jié)池有調(diào)蓄峰值及沉淀作用，減少后續(xù)處理設(shè)施超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，提高水處理效率。CSO調(diào)節(jié)池提升泵運(yùn)行時(shí)，接提升泵來(lái)水，進(jìn)入高密度沉淀池、加藥間及經(jīng)過(guò)污泥脫水設(shè)備進(jìn)行處理；提升泵不運(yùn)行時(shí)，在格柵沉沙池未進(jìn)水時(shí)，可根據(jù)出水濕地和水體水質(zhì)情況，開(kāi)啟循環(huán)泵，接入一體化應(yīng)急處理設(shè)備，進(jìn)行循環(huán)處理。處理后，接入WTS系統(tǒng)后排出，形成良性循環(huán)。

3.3 濕地處理系統(tǒng)

3.3.1 處理方案

從主要污染物指標(biāo)處理程度和處理效率方面考慮，采用類人工生態(tài)濕地技術(shù)(含WTS)進(jìn)一步控制CSO污染，削減污染物總量。人工濕地是通過(guò)模擬自然濕地而人為設(shè)計(jì)和建造的具有可控性和工程化特點(diǎn)的水處理系統(tǒng)[3]，利用系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化，也是實(shí)現(xiàn)雨水調(diào)蓄、雨水徑流處理、尾水生態(tài)凈化和地表水質(zhì)改善的重要技術(shù)手段。同時(shí)還能營(yíng)造出優(yōu)美、和諧的人工濕地生態(tài)景觀。目前，已被廣泛運(yùn)用于生活污水、污水廠尾水等處理過(guò)程中。根據(jù)布水方式的不同，人工濕地分為表面流和潛流兩種，而潛流又分為水平潛流和垂直潛流兩種[4]。WTS是結(jié)合植物景觀打造的生物濾池系統(tǒng)，李杰等[5]在鎮(zhèn)江市海綿公園生物濾池的生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)研究中得出，WTS對(duì)氨氮、懸浮物和總磷的去除率能分別達(dá)到59.7%、45.9%和41.7%。生物濾池技術(shù)在水處理中具有高水力負(fù)荷、運(yùn)行穩(wěn)定、良好的生態(tài)景觀效果等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)CSO進(jìn)行有效處理。

項(xiàng)目通過(guò)對(duì)不同濕地在水流方式、負(fù)荷能力、占地面積等參數(shù)進(jìn)行處理對(duì)比，顯示W(wǎng)TS處理能高效去除水體污染，提升水動(dòng)力，效果明顯優(yōu)于其他濕地系統(tǒng)，見(jiàn)表1。依據(jù)城西排水渠排口臨靠李家河的場(chǎng)地性質(zhì)，以及從后期運(yùn)維管理方面考慮，確定采用WTS+表面人工濕地的處理方案。

表1 濕地處理對(duì)比

3.3.2 WTS工藝

WTS包括礫間濾池與介質(zhì)濾池2個(gè)部分。礫間濾池為上向流布置，下部設(shè)置布水盲管，用于攔截及過(guò)濾顆粒懸浮物，防止介質(zhì)濾池堵塞，并起到均勻布水的作用。由下至上為：礫石層與火山巖層，底部設(shè)排泥槽，用于底部排泥。介質(zhì)濾池，上部為植物介質(zhì)層，間隔種植美人蕉、金森女貞、香蒲、海桐、水蔥、黃菖蒲等，可有效發(fā)揮對(duì)污染物的吸附、過(guò)濾、滯留及好氧/厭氧微生物降解作用；下部為礫石層及排水盲管，排水盲管與出水渠連通，出水渠設(shè)有可調(diào)堰板，可調(diào)節(jié)出水堰水位，合流污水處理后堰流至出水濕地后最終排至李家河。

WTS表層，采用碳化樹(shù)皮平鋪高約100mm的覆蓋層，起到粗過(guò)濾作用，進(jìn)一步攔截污染物和懸浮顆粒，大大減少了進(jìn)入WTS內(nèi)部填料的懸浮顆粒量，保證WTS的高度抗堵塞性能。內(nèi)部生物介質(zhì)，采用沙、種植土、椰糠、沸石等，按一定比例配置而成。椰糠具有很高的膨脹性，保證WTS在交替運(yùn)行過(guò)程中微生物得到較好地恢復(fù)，而沸石具有較大的比表面積和較好的吸附性能，可提高設(shè)施的污染物去除能力及有效防止堵塞。

3.4 活水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

CSO具有較強(qiáng)的季節(jié)分布特征，旱季時(shí)溢流污水的頻次與量大大降低。為維持水質(zhì)凈化系統(tǒng)微生物活性，保障設(shè)施處理效果，設(shè)置活水循環(huán)系統(tǒng)。李家河光照充分、通風(fēng)條件良好，通過(guò)設(shè)置曝氣充氧設(shè)備，種植水生植物荷養(yǎng)魚(yú)等強(qiáng)化設(shè)施，形成一個(gè)大容量的好氧塘，發(fā)揮出水濕地的兼性塘功能，利用水循環(huán)形成兼性塘與好氧塘多級(jí)串聯(lián)的多級(jí)生態(tài)庫(kù)塘系統(tǒng)，植物、菌、藻的共生系統(tǒng)對(duì)水體進(jìn)行凈化處理，進(jìn)一步改善水質(zhì)。

3.4.1 出水濕地

在WTS后設(shè)置2級(jí)表流濕地，出水濕地采用自然塘體，自然放坡，自然駁岸，出水濕地由進(jìn)水區(qū)、處理區(qū)、出水區(qū)組成，進(jìn)水區(qū)與WTS出水管相連，處理區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)的植物可以去除細(xì)顆粒和溶解性污染物，出水區(qū)采用堰流出水。

3.4.2 李家河好氧塘

采用人工增氧(太陽(yáng)能曝氣系統(tǒng))的方式向水體充氧，加速水體復(fù)氧過(guò)程，提高水體中好氧微生物的活力，有效改善和提升水質(zhì)。

3.4.3 水生植物帶

水生植物帶由河道水位變幅帶和水向輻射帶共同組成，通過(guò)水生植被的人工恢復(fù)、種群置換，加快濱岸帶生態(tài)系統(tǒng)的演替過(guò)程。根據(jù)濱岸帶水生植物生存特性，按水深，由淺入深，分為挺水植物帶、浮葉植物帶和沉水植物帶，結(jié)合濕生植物帶進(jìn)行修復(fù)。

3.4.4 水下生態(tài)系統(tǒng)

構(gòu)建“水下森林-水生動(dòng)物-微生物群落”共生系統(tǒng)，重新構(gòu)建水下生態(tài)系統(tǒng)，完善水生態(tài)系統(tǒng)食物鏈，長(zhǎng)效保障水質(zhì)。恢復(fù)水生植物群落，水生植物可以顯著提高富營(yíng)養(yǎng)水體的水質(zhì)，對(duì)有毒的有機(jī)污染也有明顯的凈化作用[6-7]，改善水體水質(zhì)及景觀效果，沉水植物主要種植苦草、小茨藻、黑藻、眼子菜等品種，配以挺水植物如水蔥、香蒲、黃菖蒲等，以及浮葉植物睡蓮等。同時(shí)在水體中投放優(yōu)選、養(yǎng)殖的水生動(dòng)物，如魚(yú)、蝦、螺、貝等，促進(jìn)水體的微循環(huán)，為其他水生物的生長(zhǎng)創(chuàng)造更佳條件。

4 治理成效

4.1 水質(zhì)效果

整治前，李家河地表水檢測(cè)中氨氮、總磷化學(xué)需氧量指標(biāo)為劣Ⅴ類，屬于輕度黑臭水體。經(jīng)過(guò)整治，在不同時(shí)間段進(jìn)行檢測(cè)，每次選擇3個(gè)取樣點(diǎn)，溶解氧、氨氮、透明度3個(gè)指標(biāo)的檢測(cè)值顯示，水體穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)出水水質(zhì)為地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)(TN除外)的目標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 2022年整治后水質(zhì)指標(biāo)

4.2 景觀效果

在WTS覆蓋土上種植大片植物營(yíng)造花海大地景觀，在出水濕地與李家河連接處，結(jié)合濕地植物，成功打造符合生態(tài)要求的濕地景觀。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)狀的林帶，設(shè)置觀景廊架，營(yíng)造休憩空間，在臨水處，設(shè)置親水木棧道，整體提升了河道生態(tài)景觀效果，實(shí)現(xiàn)排水渠排口與河道的良好銜接。

4.3 滿意度調(diào)查

通過(guò)第三方向政府相關(guān)部門及社會(huì)公眾(受益對(duì)象)開(kāi)展?jié)M意度調(diào)查，結(jié)果顯示：政府部門滿意度98%，社會(huì)公眾滿意度91%。

城西排水渠排口CSO污染得到有效控制，大幅度削減徑流污染物總量，顯著提升了區(qū)域的生態(tài)承載力及綜合生態(tài)效益，實(shí)現(xiàn)李家河水面不黑不臭的整治目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目核心處理設(shè)施，采用具有生態(tài)化特點(diǎn)的WTS，構(gòu)建出水濕地系統(tǒng)，凈化水質(zhì)，消除水面的黑臭現(xiàn)象，改善李家河及汨羅江水體環(huán)境，提升水體自身的凈化能力，提升區(qū)域的生態(tài)承載力及綜合生態(tài)效益。成為該區(qū)域成功打造CSO治理典范，具有良好的示范作用。不足之處：工程在設(shè)計(jì)處理規(guī)模時(shí)，采用相鄰地區(qū)的降雨數(shù)據(jù)，是按比例進(jìn)行調(diào)整后的數(shù)據(jù)。但考慮到水質(zhì)、水量的波動(dòng)直接影響溢流污染控制的效果，未來(lái)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用當(dāng)?shù)亟涤陻?shù)據(jù)，同時(shí)，將排口統(tǒng)一納入城市排水一體化，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)監(jiān)控，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，為推廣及應(yīng)用提供借鑒。