城市封閉性黑臭水體綜合治理方案

韋 東

(合肥市排水管理辦公室，安徽合肥 230001)

隨著城市化進程加速發展，城市生態環境不斷破壞，水體逐漸變黑變臭。城市水體因位置、環境、污染源等不同，水體黑臭成因復雜、影響因素多，治理方法差異很大。因此，城市黑臭水體整治應通過“控源截污、內源治理、生態修復”等綜合措施，科學制定水體整治方案和長效保持技術路線[1]。

由于城市水資源短缺，大部分城市水體除降雨外，無外來水源補給，水體流動性差，且污染物常年累積，導致水體黑臭嚴重，治理難度大。本文以大蜀山森林公園南湖(以下簡稱南湖)治理為案例，對城市封閉性黑臭水體治理進行研究探討。

1 項目背景

南湖位于合肥市大蜀山東麓，原狀水域面積約73 333 m2，其中灘涂約40 000 m2，除降雨外無外來水源，為封閉性水體。由于湖體受到沿岸雨水排口少量污水和地表雨水徑流污染；污染物以及水體動植物殘體常年積累，底泥淤積嚴重；平時無清潔水源補給，水體缺乏流動；且水體生態系統失衡、趨于沼澤化等諸多原因，南湖水體富營養化、自凈能力喪失以及黑臭等問題。

2 水體污染成因分析

在進行水體治理前，首先是通過現場排查和相關資料調研，系統分析水質水量特征及污染物來源，在此基礎上結合環境條件與控制目標，確定水體整治的技術路線。

2.1 點源污染

我國城市水體普遍存在“下雨就黑”的問題，其根源是雨水從雨水排水口、合流排水口溢流造成了污染[2]。經現場勘查，南湖原狀沿岸共有6個雨水排水口(圖1)，其中，東邊、南邊小區較為密集，且各排水口均有少量污水匯入。通過對雨水口旱季污水量測算以及國家相關技術規則確定的污水污染物濃度參數，計算每年排入水體的污水污染物含量約為：CODCr=21.5 t、NH3-N=2.92 t、TN=3.65 t、TP=0.26 t。

2.2 面源污染

南湖唯一的水源為降雨，匯水范圍約為2.1 km2，大部分為公園綠化，少部分為城市居住區，初期雨水所攜帶的污染富集，造成水環境惡化。根據匯水范圍內降雨量及國家相關技術規則確定的污染物濃度參數，估算出地表雨水徑流每年排入水體的污染物含量約為CODCr=46.6 t、NH3-N=0.7 t、TN=2.1 t、TP=0.1 t。

注：①、②-黃山路南側雨水口；③-玉蘭大道及西側 雨水口；④、⑤-望江路雨水口；⑥-瀾溪鎮雨水口圖1 沿岸雨水排水口Fig.1 Rainwater Outlets along the River

2.3 內源污染

南湖水體不斷容納外界排入的各種污染物，以及動植物腐敗后的大量沉積物，內源污染較為嚴重。經現場勘測，南岸底泥厚度約為40～50 cm，中度黑臭，顏色偏深；黃山路側的顏色偏黃，臭味明顯。水體底泥成分檢測如表1所示，底泥中氮磷及有機質含量高，清淤十分必要。

表1 水體底泥營養物含量分析Tab.1 Analysis of Nutrient Load in Sediment of Water Body

2.4 生態系統失衡

南湖水系水質為劣Ⅴ類，浮游植物密度達109 ind./L，主要種類為水華微囊藻和銅綠微囊藻。藍藻大面積暴發、水華現象嚴重，水體北側藻類、水生動植物死亡后腐爛；水體水生植物系統單一，水體自我凈化能力低；加上水體嚴重缺乏管理養護，水生態系統亟待完善，基本喪失了娛樂、生態功能，水體原狀如圖2所示。

圖2 水體原狀圖Fig.2 Original State of the Water Body

3 治理措施

依據南湖原狀條件，按照“源頭減排、過程控制、系統治理”的治水理念，采用污水截流系統、雨水收集處理系統、生態清淤及水生生態凈化系統等綜合治理措施，以實現“改善水環境、修復水生態、涵養水資源、保障水安全”的多重目標。

3.1 控源截污

3.1.1 截污納管

“黑臭在水里，根源在岸上，關鍵在排口”[3]，截污納管是水體治理最直接有效的工程措施。根據現場條件，沿南湖岸線鋪設污水截流管，將黃山路南側雨水口、玉蘭大道及西側雨水口、望江路雨水口、瀾溪鎮雨水口等旱季污水截流，通過污水泵站提升至香樟大道污水管，送入污水廠處理。經測算：旱季污水量為17.52 m3/h，取截流倍數2，設置截污泵站的規模為1 300 m3/d。

3.1.2 過程控制

對于徑流污染，除了靠地面保潔外，更重要的是充分利用LID技術和海綿城市理念，從源頭減少污染物量[2]。因此，在南湖匯水范圍內構建雨水收集處理系統，采用“沉淀溝—氧化塘—潛流濕地”組合模式(圖3)，在徑流過程中控制初期雨水、冰雪融水、地表固體廢棄物等入湖污染源。

圖3 雨水處理系統流程Fig.3 Process of Rainwater Treatment System

(1)初級沉淀溝

根據南湖西側地形及林間溝渠現狀，修建旱溪式沉淀溝。在綠化較好及開闊地帶采用植草淺溝，提高對初級雨水中懸浮物及泥沙顆粒的沉降作用。根據地形相應變化，植草淺溝設計深度為20～50 cm，草本植物的栽培密度為150株/m2。在光照條件不適宜植物生長時，采用碎石溝渠，達到分流及過濾的功能。碎石粒徑依據水流通路的不同設計不同粒徑(d=20～40 cm)，進水前段設計大粒徑(d=40 cm)，后端設計小粒徑(d=20 cm)。當雨水流經植草淺溝、碎石溝渠時，經過沉淀、過濾、滲透、植物吸收及生物降解等作用，可有效削減徑流中的污染物，同時緩沖暴雨峰值流量。

(2)氧化塘

為了控制南湖匯水區域內地表徑流雨水以及雨天溢流污水污染，項目設計6個氧化塘(圖4)，總面積為8 144 m2，其中，表流濕地帶面積為1 278 m2，形成緩沖帶，沉水植物凈化區面積為6 866 m2。通過在氧化塘種植水生植物，在以太陽能為初始能量的推動下，利用生物氧化塘中多條食物鏈降解和轉化水體中有機污染物。氧化塘形成的緩沖帶，有效減緩了入湖水體流速，并對水體攜帶雜質有一定的削減作用。

圖4 氧化塘水流示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Water Flow in Oxidation Pond

(3)潛流濕地

因氧化塘不能充分處理排入南湖水體的污染物，在水量和水質負荷較大的玉蘭大道及西側雨水口和望江西路雨水口設置“氧化塘+潛流濕地”(圖5)，對入湖水源進一步處理，減小南湖水體的自凈壓力。污水在潛流濕地床內部流動，利用填料表面生長的生物膜、豐富的根系及表層土和填料截流過濾等作用，提高其處理能力和效果；同時，利用植物根系的輸氧作用，對懸浮物、有機物和重金屬等也有較好的去除效果。

圖5 “氧化塘+潛流濕地”效果示意圖Fig.5 Schematic Effect of "Oxidation Pond + Subsurface Wetland"

本案潛流濕地A設計面積為249 m2，濕地B設計面積為211 m2，濕地濾料設計深度為1.5 m，濾料是粒徑為5 cm的濾石，濾料上覆土工布后覆20 cm種植土。植物選擇低矮品種的香菇草。潛流濕地建設采用Ф15 cm木樁構成框體，濕地頂標高高于常水位20 cm，內側竹排的布設確保密排，禁止出現較大的空隙，并在濾料與竹排間鋪設土工布。

3.2 生態清淤

水體黑臭的另一原因是內源污染問題沒有得到根治，沒有建立起良性的生態系統，自凈能力欠缺[4]。通過對南湖底泥污染物含量及底泥粒徑檢測分析得知：底泥中的碳氮磷等營養物質豐富，含量較高，土壤粒徑具有垂直變化的特征，表層土壤粒徑為0.005～0.01 mm，中層為0.01～0.05 mm，下層為0.05～0.15 mm。為了清除底泥污染源及提供水生植物的生長基礎環境，底泥清淤采取分層分段逐片進行開挖。根據水生植物的生長需求及水質需要，表層底泥氮磷等營養物質豐富，但顆粒小，結構松散易懸浮，會加速水體富營養化，選擇清淤外運；中層底泥營養物質較豐富，但土壤粒徑過小，不利于水生植物根部呼吸作用，因此，選擇清淤至湖濱帶與原狀土混勻，用作周邊綠化；下層土壤營養物質較少，土壤粒徑大小適宜，采取沉水植物栽培的方式進行原位凈化吸收。通過以上措施，基本實現了南湖底泥污染的內部吸收凈化，有效保護了周邊生態環境。

3.3 水生態系統構建

新開挖的湖體缺乏完善生態系統所需的生物環境及營養級聯關系，需要人工構建配合水系景觀的凈水水生態系統，運用生態操縱技術有效進行水質凈化，并通過調整使生態系統長期保持穩定狀態[5]。本項目通過模擬自然水體的水生態系統組成，構建由生產者(水生植物)—消費者(水生動物)—分解者(微生物)組成的水生態系統，利用物質及能量的轉換，削減污染水體中的營養鹽，最終實現水體的凈化。

3.3.1 水生森林系統構建

(1)沉水植物凈化系統

沉水植物是水體生物多樣性賴以維持的基礎，其所產生的環境效應是生態系統穩定和水環境質量改善的重要依據?？紤]南湖公園的整體定位及水系特點，沉水植物選擇凈水能力強、景觀效果好、維護簡單的種類，栽植方式為群落形式。根據南湖水下地形設計及沉水植物等深線分布，將南湖分為淺水初步凈化區及深水深度凈化區。在淺水區域內設計景觀效果好、凈水能力強的矮生耐寒苦草；在深水區域內，選擇刺苦草、輪葉黑藻、馬來眼子菜、伊樂藻等，與淺水區水下草皮結合形成層次豐富的水下植物景觀，為水生動物提供豐富的生境條件。通過計算，本案沉水植物設計面積為58 025 m2，種植分布區如圖6所示。

圖6 沉水植物分布區Fig.6 Distribution of Submerged Plants

(2)濱水景觀凈化系統

挺水植物具有很好的造景功能，同時對暴雨沖刷還具有攔截作用，起到進一步保障水質的作用[5]。根據項目現狀及功能定位，在東側視線開敞區域設計精致型挺水植物，主要選擇梭魚草、水生美人蕉、旱傘草、澤瀉及黃菖蒲，形成節奏明快、色彩艷麗的動感體驗區；在西側及南側的林下半封閉區域設計野趣型挺水植物，主要選擇常綠鳶尾、蘆葦、水菖蒲，構建安靜宜人的靜態體驗區。浮葉植物對于微氣候具有明顯的調節作用，因此，在南湖景觀節點及視線焦點設計布置睡蓮，營造層次豐富、色彩艷麗的水域景觀。通過計算，本案濱水景觀植物設計面積為4 681 m2，種植分布區如圖7所示。

圖7 濱水景觀植物分布區Fig.7 Distribution of Waterfront Landscape Plants

各類水生植物栽培量如表2所示。

表2 水生植物栽培量Tab.2 Cultivation of Aquatic Plants

3.3.2 水生動物系統構建

南湖水體氮磷含量豐富，易出現藻類大量繁殖的情況，在保護水生植物凈水功能的前提下，為了完善水體中的食物鏈和食物網結構，科學放養濾食性魚類、底棲動物和浮游生物，通過營養級聯頂端控制藍藻水華暴發和實現水質凈化，構建水體微生態系統進行水質調控，提高水生生態系統的穩定性[5]。本案在水體中選取放養一定種類和數量的肉食性魚類和底棲動物，與水中的細菌、單細胞藻類和原生動物，構建水生動物生態系統，初步估算水生生物投放量如表3所示。根據南湖的水體現狀，水生動物的放養將充分考慮水生動物物種的配置結構(時空結構和營養結構)，科學合理地設計水生動物的放養模式(種類、數量、個體大小、食性、生活習性、放養季節、放養順序等)。

表3 水生生物投放量Tab.3 Amount of Delivery for Aquatic Organisms

3.3.3 微生物系統構建

南湖水體污染特性以NH3-N、硝酸鹽氮及TN為主，通過激活水體中光合細菌、硝化細菌及反硝化細菌為主的土著微生物種群，吸收分解水中營養鹽、有機物，進一步降解污染物。為了激活并引導土著微生物種群生長繁殖，在南湖水體中投放生態基，將原本存在于水體底泥、植物根系或懸浮于水中的微生物富集在生態基表面，使這些微生物找到更加適宜的居住空間，從而培養種類豐富、數量多的微生物。因此，在南湖不同水深區域設立了生物基點，生物基布置工程量如表4所示。

表4 生物基工程量Tab.4 Bio-Based Engineering Quantities

4 治理效果

4.1 水體自凈能力提高

南湖水體通過水生森林凈水系統、水生動物的放養、微生物系統的激活等措施，構建的水生態系統具有較好的污染負荷凈化能力。經過對南湖水環境容量進行分析，并計算生態系統削減值、水環境容量值和南湖的年污染負荷入湖量(表5)，南湖經過生態系統修復后納污能力大于污染負荷，可保持水體的水質及水景。

表5 污染物質平衡表Tab.5 Balance Sheet of Pollutants

4.2 水體環境明顯改善

通過污水截流、雨水凈化處理、內源修復、水生森林系統、微生物生態系統等治理措施后，經連續水質監測數據顯示(表6)，基本達到國家地表水環境質量標準(GB 3838—2002)Ⅳ類標準，水體及周邊環境得到了明顯改善。

表6 水質監測數據對比Tab.6 Comparison of Water Quality Monitoring Data

5 總結

該水體治理方案結合海綿城市建設、黑臭水體治理和生態系統構建等技術理念，按照“源頭減排、過程控制、系統治理”的治理思路，通過設置截污泵站，合理控制旱季污水和雨天溢流污染；并建立“沉淀溝—氧化塘—潛流濕地”組合的雨水收集處理系統，調節雨水徑流的高峰流量的同時，有效控制了入湖水體污染物，實現“控源截污”目標。通過科學合理的配置，建立水生森林凈化系統，輔以水生動物和微生物凈化系統，構建完善、和諧、平衡的多級食物鏈，促進水體和底泥污染物質的循環轉移，提升水體自身凈化能力和調節功能，實現水質凈化及景美、岸綠的治理效果。