城市封闭性黑臭水体综合治理方案

韦 东

(合肥市排水管理办公室，安徽合肥 230001)

随着城市化进程加速发展，城市生态环境不断破坏，水体逐渐变黑变臭。城市水体因位置、环境、污染源等不同，水体黑臭成因复杂、影响因素多，治理方法差异很大。因此，城市黑臭水体整治应通过“控源截污、内源治理、生态修复”等综合措施，科学制定水体整治方案和长效保持技术路线[1]。

由于城市水资源短缺，大部分城市水体除降雨外，无外来水源补给，水体流动性差，且污染物常年累积，导致水体黑臭严重，治理难度大。本文以大蜀山森林公园南湖(以下简称南湖)治理为案例，对城市封闭性黑臭水体治理进行研究探讨。

1 项目背景

南湖位于合肥市大蜀山东麓，原状水域面积约73 333 m2，其中滩涂约40 000 m2，除降雨外无外来水源，为封闭性水体。由于湖体受到沿岸雨水排口少量污水和地表雨水径流污染；污染物以及水体动植物残体常年积累，底泥淤积严重；平时无清洁水源补给，水体缺乏流动；且水体生态系统失衡、趋于沼泽化等诸多原因，南湖水体富营养化、自净能力丧失以及黑臭等问题。

2 水体污染成因分析

在进行水体治理前，首先是通过现场排查和相关资料调研，系统分析水质水量特征及污染物来源，在此基础上结合环境条件与控制目标，确定水体整治的技术路线。

2.1 点源污染

我国城市水体普遍存在“下雨就黑”的问题，其根源是雨水从雨水排水口、合流排水口溢流造成了污染[2]。经现场勘查，南湖原状沿岸共有6个雨水排水口(图1)，其中，东边、南边小区较为密集，且各排水口均有少量污水汇入。通过对雨水口旱季污水量测算以及国家相关技术规则确定的污水污染物浓度参数，计算每年排入水体的污水污染物含量约为：CODCr=21.5 t、NH3-N=2.92 t、TN=3.65 t、TP=0.26 t。

2.2 面源污染

南湖唯一的水源为降雨，汇水范围约为2.1 km2，大部分为公园绿化，少部分为城市居住区，初期雨水所携带的污染富集，造成水环境恶化。根据汇水范围内降雨量及国家相关技术规则确定的污染物浓度参数，估算出地表雨水径流每年排入水体的污染物含量约为CODCr=46.6 t、NH3-N=0.7 t、TN=2.1 t、TP=0.1 t。

注：①、②-黄山路南侧雨水口；③-玉兰大道及西侧 雨水口；④、⑤-望江路雨水口；⑥-澜溪镇雨水口图1 沿岸雨水排水口Fig.1 Rainwater Outlets along the River

2.3 内源污染

南湖水体不断容纳外界排入的各种污染物，以及动植物腐败后的大量沉积物，内源污染较为严重。经现场勘测，南岸底泥厚度约为40～50 cm，中度黑臭，颜色偏深；黄山路侧的颜色偏黄，臭味明显。水体底泥成分检测如表1所示，底泥中氮磷及有机质含量高，清淤十分必要。

表1 水体底泥营养物含量分析Tab.1 Analysis of Nutrient Load in Sediment of Water Body

2.4 生态系统失衡

南湖水系水质为劣Ⅴ类，浮游植物密度达109 ind./L，主要种类为水华微囊藻和铜绿微囊藻。蓝藻大面积暴发、水华现象严重，水体北侧藻类、水生动植物死亡后腐烂；水体水生植物系统单一，水体自我净化能力低；加上水体严重缺乏管理养护，水生态系统亟待完善，基本丧失了娱乐、生态功能，水体原状如图2所示。

图2 水体原状图Fig.2 Original State of the Water Body

3 治理措施

依据南湖原状条件，按照“源头减排、过程控制、系统治理”的治水理念，采用污水截流系统、雨水收集处理系统、生态清淤及水生生态净化系统等综合治理措施，以实现“改善水环境、修复水生态、涵养水资源、保障水安全”的多重目标。

3.1 控源截污

3.1.1 截污纳管

“黑臭在水里，根源在岸上，关键在排口”[3]，截污纳管是水体治理最直接有效的工程措施。根据现场条件，沿南湖岸线铺设污水截流管，将黄山路南侧雨水口、玉兰大道及西侧雨水口、望江路雨水口、澜溪镇雨水口等旱季污水截流，通过污水泵站提升至香樟大道污水管，送入污水厂处理。经测算：旱季污水量为17.52 m3/h，取截流倍数2，设置截污泵站的规模为1 300 m3/d。

3.1.2 过程控制

对于径流污染，除了靠地面保洁外，更重要的是充分利用LID技术和海绵城市理念，从源头减少污染物量[2]。因此，在南湖汇水范围内构建雨水收集处理系统，采用“沉淀沟—氧化塘—潜流湿地”组合模式(图3)，在径流过程中控制初期雨水、冰雪融水、地表固体废弃物等入湖污染源。

图3 雨水处理系统流程Fig.3 Process of Rainwater Treatment System

(1)初级沉淀沟

根据南湖西侧地形及林间沟渠现状，修建旱溪式沉淀沟。在绿化较好及开阔地带采用植草浅沟，提高对初级雨水中悬浮物及泥沙颗粒的沉降作用。根据地形相应变化，植草浅沟设计深度为20～50 cm，草本植物的栽培密度为150株/m2。在光照条件不适宜植物生长时，采用碎石沟渠，达到分流及过滤的功能。碎石粒径依据水流通路的不同设计不同粒径(d=20～40 cm)，进水前段设计大粒径(d=40 cm)，后端设计小粒径(d=20 cm)。当雨水流经植草浅沟、碎石沟渠时，经过沉淀、过滤、渗透、植物吸收及生物降解等作用，可有效削减径流中的污染物，同时缓冲暴雨峰值流量。

(2)氧化塘

为了控制南湖汇水区域内地表径流雨水以及雨天溢流污水污染，项目设计6个氧化塘(图4)，总面积为8 144 m2，其中，表流湿地带面积为1 278 m2，形成缓冲带，沉水植物净化区面积为6 866 m2。通过在氧化塘种植水生植物，在以太阳能为初始能量的推动下，利用生物氧化塘中多条食物链降解和转化水体中有机污染物。氧化塘形成的缓冲带，有效减缓了入湖水体流速，并对水体携带杂质有一定的削减作用。

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

(3)潜流湿地

因氧化塘不能充分处理排入南湖水体的污染物，在水量和水质负荷较大的玉兰大道及西侧雨水口和望江西路雨水口设置“氧化塘+潜流湿地”(图5)，对入湖水源进一步处理，减小南湖水体的自净压力。污水在潜流湿地床内部流动，利用填料表面生长的生物膜、丰富的根系及表层土和填料截流过滤等作用，提高其处理能力和效果；同时，利用植物根系的输氧作用，对悬浮物、有机物和重金属等也有较好的去除效果。

图5 “氧化塘+潜流湿地”效果示意图Fig.5 Schematic Effect of "Oxidation Pond + Subsurface Wetland"

本案潜流湿地A设计面积为249 m2，湿地B设计面积为211 m2，湿地滤料设计深度为1.5 m，滤料是粒径为5 cm的滤石，滤料上覆土工布后覆20 cm种植土。植物选择低矮品种的香菇草。潜流湿地建设采用Ф15 cm木桩构成框体，湿地顶标高高于常水位20 cm，内侧竹排的布设确保密排，禁止出现较大的空隙，并在滤料与竹排间铺设土工布。

3.2 生态清淤

水体黑臭的另一原因是内源污染问题没有得到根治，没有建立起良性的生态系统，自净能力欠缺[4]。通过对南湖底泥污染物含量及底泥粒径检测分析得知：底泥中的碳氮磷等营养物质丰富，含量较高，土壤粒径具有垂直变化的特征，表层土壤粒径为0.005～0.01 mm，中层为0.01～0.05 mm，下层为0.05～0.15 mm。为了清除底泥污染源及提供水生植物的生长基础环境，底泥清淤采取分层分段逐片进行开挖。根据水生植物的生长需求及水质需要，表层底泥氮磷等营养物质丰富，但颗粒小，结构松散易悬浮，会加速水体富营养化，选择清淤外运；中层底泥营养物质较丰富，但土壤粒径过小，不利于水生植物根部呼吸作用，因此，选择清淤至湖滨带与原状土混匀，用作周边绿化；下层土壤营养物质较少，土壤粒径大小适宜，采取沉水植物栽培的方式进行原位净化吸收。通过以上措施，基本实现了南湖底泥污染的内部吸收净化，有效保护了周边生态环境。

3.3 水生态系统构建

新开挖的湖体缺乏完善生态系统所需的生物环境及营养级联关系，需要人工构建配合水系景观的净水水生态系统，运用生态操纵技术有效进行水质净化，并通过调整使生态系统长期保持稳定状态[5]。本项目通过模拟自然水体的水生态系统组成，构建由生产者(水生植物)—消费者(水生动物)—分解者(微生物)组成的水生态系统，利用物质及能量的转换，削减污染水体中的营养盐，最终实现水体的净化。

3.3.1 水生森林系统构建

(1)沉水植物净化系统

沉水植物是水体生物多样性赖以维持的基础，其所产生的环境效应是生态系统稳定和水环境质量改善的重要依据。考虑南湖公园的整体定位及水系特点，沉水植物选择净水能力强、景观效果好、维护简单的种类，栽植方式为群落形式。根据南湖水下地形设计及沉水植物等深线分布，将南湖分为浅水初步净化区及深水深度净化区。在浅水区域内设计景观效果好、净水能力强的矮生耐寒苦草；在深水区域内，选择刺苦草、轮叶黑藻、马来眼子菜、伊乐藻等，与浅水区水下草皮结合形成层次丰富的水下植物景观，为水生动物提供丰富的生境条件。通过计算，本案沉水植物设计面积为58 025 m2，种植分布区如图6所示。

图6 沉水植物分布区Fig.6 Distribution of Submerged Plants

(2)滨水景观净化系统

挺水植物具有很好的造景功能，同时对暴雨冲刷还具有拦截作用，起到进一步保障水质的作用[5]。根据项目现状及功能定位，在东侧视线开敞区域设计精致型挺水植物，主要选择梭鱼草、水生美人蕉、旱伞草、泽泻及黄菖蒲，形成节奏明快、色彩艳丽的动感体验区；在西侧及南侧的林下半封闭区域设计野趣型挺水植物，主要选择常绿鸢尾、芦苇、水菖蒲，构建安静宜人的静态体验区。浮叶植物对于微气候具有明显的调节作用，因此，在南湖景观节点及视线焦点设计布置睡莲，营造层次丰富、色彩艳丽的水域景观。通过计算，本案滨水景观植物设计面积为4 681 m2，种植分布区如图7所示。

图7 滨水景观植物分布区Fig.7 Distribution of Waterfront Landscape Plants

各类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 水生动物系统构建

南湖水体氮磷含量丰富，易出现藻类大量繁殖的情况，在保护水生植物净水功能的前提下，为了完善水体中的食物链和食物网结构，科学放养滤食性鱼类、底栖动物和浮游生物，通过营养级联顶端控制蓝藻水华暴发和实现水质净化，构建水体微生态系统进行水质调控，提高水生生态系统的稳定性[5]。本案在水体中选取放养一定种类和数量的肉食性鱼类和底栖动物，与水中的细菌、单细胞藻类和原生动物，构建水生动物生态系统，初步估算水生生物投放量如表3所示。根据南湖的水体现状，水生动物的放养将充分考虑水生动物物种的配置结构(时空结构和营养结构)，科学合理地设计水生动物的放养模式(种类、数量、个体大小、食性、生活习性、放养季节、放养顺序等)。

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

3.3.3 微生物系统构建

南湖水体污染特性以NH3-N、硝酸盐氮及TN为主，通过激活水体中光合细菌、硝化细菌及反硝化细菌为主的土著微生物种群，吸收分解水中营养盐、有机物，进一步降解污染物。为了激活并引导土著微生物种群生长繁殖，在南湖水体中投放生态基，将原本存在于水体底泥、植物根系或悬浮于水中的微生物富集在生态基表面，使这些微生物找到更加适宜的居住空间，从而培养种类丰富、数量多的微生物。因此，在南湖不同水深区域设立了生物基点，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 水体自净能力提高

南湖水体通过水生森林净水系统、水生动物的放养、微生物系统的激活等措施，构建的水生态系统具有较好的污染负荷净化能力。经过对南湖水环境容量进行分析，并计算生态系统削减值、水环境容量值和南湖的年污染负荷入湖量(表5)，南湖经过生态系统修复后纳污能力大于污染负荷，可保持水体的水质及水景。

表5 污染物质平衡表Tab.5 Balance Sheet of Pollutants

4.2 水体环境明显改善

通过污水截流、雨水净化处理、内源修复、水生森林系统、微生物生态系统等治理措施后，经连续水质监测数据显示(表6)，基本达到国家地表水环境质量标准(GB 3838—2002)Ⅳ类标准，水体及周边环境得到了明显改善。

表6 水质监测数据对比Tab.6 Comparison of Water Quality Monitoring Data

5 总结

该水体治理方案结合海绵城市建设、黑臭水体治理和生态系统构建等技术理念，按照“源头减排、过程控制、系统治理”的治理思路，通过设置截污泵站，合理控制旱季污水和雨天溢流污染；并建立“沉淀沟—氧化塘—潜流湿地”组合的雨水收集处理系统，调节雨水径流的高峰流量的同时，有效控制了入湖水体污染物，实现“控源截污”目标。通过科学合理的配置，建立水生森林净化系统，辅以水生动物和微生物净化系统，构建完善、和谐、平衡的多级食物链，促进水体和底泥污染物质的循环转移，提升水体自身净化能力和调节功能，实现水质净化及景美、岸绿的治理效果。