城市河道黑臭水体综合治理工程实例分析

岳志芳，岳丽芳，陈 勇，王家福，王彦隽，闫永利

(1.内蒙古农业大学 职业技术学院，内蒙古 包头 014109； 2.唐山学院 土木工程学院，河北 唐山 063000； 3.中国电建西北勘测设计研究院有限公司，西安 710000； 4.内蒙古自治区水利水电勘测设计院，呼和浩特 010000)

城市黑臭水体是指城市区域内呈现令人不悦的颜色和(或)散发令人不适气味的水体[1]。近年来，随着城镇化、工业化的快速发展，城市污水排放量日益增加，城市河段受到了不同程度的污染[2]。同时，由于个别城市排水系统能力不足或少数企业受利益驱使、部分居民环保意识淡薄，大量未经有效处理的污染物直接排放至河道的现象仍有发生，河水及河道底泥污染严重，从而造成城市黑臭水体的出现[3-4]。城市黑臭水体不仅破坏了河流生态系统，损害了附近居民的生活环境，而且严重影响了城市景观与城市形象。因此，消除城市黑臭水体、改善城市水环境质量是城市生态环境改善和生态文明建设亟须解决的关键问题。

目前，国内黑臭水体治理的常用技术主要有物理法、化学法和生物-生态法等[5-8]。其中物理法主要包括增氧曝气、河底清淤和引水冲污等；化学法主要包括氧化剂氧化、絮凝沉淀、化学药剂脱氮除磷等；生物-生态法主要包括植物法、生物挂膜技术和微生物法等。以上三种治理方法各有其适用的局限性，而且不同城市黑臭水体受污染情况不尽相同，因此，任何单一治理技术都达不到完全理想的治理效果，需要根据城市黑臭水体的特性及污染物的特点加以综合应用。鉴于此，本文对“膜生物反应器(MBR)一体化工艺、补氧+生物膜、人工清淤”综合治理技术应用于广东省某市黑臭河道治理工程的实例进行分析，以解决实际问题，并为治理城市黑臭水体提供经验和参考。

1 工程概况

某市有一河道穿过市区，河道两岸排污口较多，其多数口径较小，河道脏、乱、差、臭等现象严重。该河道全长3.39 km，最宽处约0.03 km，流域面积2.16 km2，上游已经加盖，整治长度已完成1 km。本次黑臭水体的治理范围为明渠段，治理河长为0.51 km。明渠上游段现状堤岸为直立挡墙，基本完好，下游河口段为土质堤岸。

2 污染源调查及分析

2.1 外源污染

经现场调查发现，河道两岸居民房密集，生活垃圾无害化处理设施欠完善，存在简易填埋、露天堆放等现象。沿河部分居民及生产建设单位的水法意识、环保意识、清洁意识不强，使得生活垃圾、工业废渣、建筑垃圾等弃置河边或入河现象屡禁不止。降雨发生时，垃圾全部随径流进入河道，造成河道污染、河床淤积。同时，该区域内大部分管网采用雨水、污水合流制，导致雨水与污水在降雨集中时段混合并溢流进入河道，造成河道内水质污染。现场取水样进行检测，结果显示，水体中化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和总磷(TP)的平均质量浓度分别为363.54 mg/L，41.34 mg/L和8.03 mg/L，均低于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅴ类水标准[9]。

2.2 内源污染

河道底泥受到污染，导致其水生生态系统结构退化，水生动物、植物种类减少。河底淤积的底泥比较薄，厚度为20 cm，黑色，流塑状。对底泥进行现场取样检测，结果表明，底泥中氨氮和磷的含量分别为58.3 mg/kg和5 903.9 mg/kg，氨氮和磷的含量较高，水体发生黑臭的概率增大。

3 黑臭水体治理方案

鉴于河道污染的复杂性，在调查分析外源污染与内源污染的基础上，借鉴国内外城市河道水质治理净化的成功经验，采用综合技术消除水体黑臭。首先，将河道附近截流后的污水通过MBR一体化设备就地处理，处理后的出水作为补充水增加河涌的流动性，以防止污染物沉积；其次，在河道中设置微生物载体，并与人工曝气组合应用，以维持水体中高等级生物的生存，改善其生存环境，提高水体自净能力，保持良性生态循环；最后，采用人工清淤的方式处理底泥，消除内源污染。

4 具体工程设计

4.1 MBR一体化工艺

4.1.1 处理规模及进、出水水质

治理的河道明渠段长度为510 m，平均宽度为10 m，控制有效水深为0.8 m。计量河道补水流量为816 m3/d，考虑一定的余量，MBR一体化设备停留时间设置为5 d，处理规模为1 000 m3/d，取部分暗涵截流污水。

根据现场监测水质数据确定MBR一体化设备设计进水水质，设计出水水质达到《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T18921-2019)的要求水质，其中COD指标要求达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅴ类标准。具体设计进、出水水质如表1所示。

表1 设计进、出水水质 mg/L

4.1.2 工艺流程

河道中的黑臭污水经过提升泵提升至格栅以去除较大颗粒，然后通过斜管沉淀池去除悬浮物，斜管沉淀出水进入MBR一体化设备，膜池中加入除磷剂(PAC)。MBR膜生物反应器处理后的出水经消毒池消毒后回补河道，工艺流程详见图1。

图1 黑臭污水处理工艺流程

4.1.3 主要设计参数

设置2台提升泵(1用1备)，单台流量50 m3/h，扬程10 m，单机功率2.2 kW。格栅为不锈钢材质，尺寸B×H=1.2 m×1.2 m，栅条宽度10 mm，安装角度75°。斜管沉淀池平面尺寸L×W=5.5 m×5.3 m，有效水深5 m，表面负荷1.98 m3/(m2·h)。MBR尺寸L×B×H=34 m×6 m×3 m，采用浸没式超滤膜，2套膜组件，膜通量0.4～0.5 m3/(m2·d)。配置消毒储液罐1套，消毒液加药泵流量60 L/h，功率0.35 kW。

4.1.4运行效果

本工程自运行以来，处理效果良好，近半年的运行数据表明，出水水质符合设计要求。对处理效果进行一个月的连续监测，结果如图2，图3和图4所示。

图2 运行过程中COD的变化

图3 运行过程中NH3-N的变化

图4 运行过程中TP的变化

由图2可知，运行过程中MBR进水COD值浮动在109～136 mg/L之间，MBR出水COD值稳定在40 mg/L以下，COD平均去除率可达到70%以上，处理效果较好。MBR膜组件高效的泥水分离能力和反应器内较高的污泥浓度是影响COD去除的主要因素。

由图3可知，MBR出水中NH3-N平均值为4.6 mg/L，NH3-N平均去除率为76%。MBR膜生物反应器可以对水力停留时间及污泥停留时间进行单独控制，通过维持较长的污泥停留时间实现硝化细菌富集，从而实现较好的脱氮效果。

由图4可知，进水TP有一定波动，出水TP平均值为0.45 mg/L，TP平均去除率可达到75%左右。TP的去除主要通过MBR膜池除磷剂与活性污泥协同作用实现。

4.2 补氧+生物膜

4.2.1 需氧量计算

根据现场勘测可知，河道平均水位为1.0 m，按雨后河水中雨水、污水比例1∶1的浓度进行需氧量计算，则长100 m，宽10 m的河道所需补氧量为349 m3/h。

4.2.2 补氧方式及主要设备

本工程选用低压风机-纳米曝气管的补氧方式。补氧设备采用2台罗茨风机(1用1备)，单台流量350 m3/h，扬程2 m，单机功率5.5 kW。同时，贴河床布置60 cm高生物膜载体仿生水草，总面积为1 440 m2。河道沿岸每100 m布置1组曝气+填料模块，至河道下游入海口前100 m。

4.3 人工清淤

河道上游底部进行过抛石挤淤护底，新近堆积物厚度20～40 cm，以砂为主，松散，局部呈悬移质。河道下游段两侧堤岸内侧已做木桩基处理，现已发生倾斜，河底进行过抛石挤淤护底，底泥厚度0～20 cm，以黏土为主。本工程硬化河床采用全部清淤方式，以淤泥厚度平均为30 cm进行计算，总清淤量为1 530 m3。清淤污泥外运至附近的河道污泥处理厂进行处理，将污泥含水率降低至40%后，运送至填埋场进行填埋。

5 运行费用

工程运行费用主要包含电费、药剂费、检测化验费、人工费及日常检修维护费等。该工程电耗每年为180 456 kW·h，电价按0.68元/(kW·h)计算，电费合计12.27万元/年；药剂费合计0.40万元/年；检测化验费按每两周河道断面上下游各取一个水样计，每年共50个水样，每个水样化验费按800元计，合计4.00万元/年；配备人员5人，人均工资及福利按6 000元/(人·月)计，人工费合计36.00万元/年；日常检修维护费为17.72万元/年。综上所述，该市河道黑臭水体综合治理运行费用合计为70.39万元/年。

6 工程设计特点

(1)MBR一体化工艺的出水水质好，流程简短；设备占地面积小，自动化程度高，可做到无人值守，运行成本较低。

(2)补氧采用微孔曝气，曝气气泡直径小，气液界面直径小、面积大，气泡扩散均匀，不会产生孔眼堵塞；设备耐腐蚀性强。

(3)在不影响防洪、排滞及河道其他功能的条件下，河道中直接增加人工微生物载体仿生水草，大大提高了河道的接触氧化面积和生物接触氧化能力，强化了好氧微生物的氧化分解能力，使污染河水得到了充分净化。

7 结论

从“改善补水、生态修复、清除内源”的角度出发，本工程采用“MBR一体化工艺、补氧+生物膜、人工清淤”综合治理技术进行河道黑臭水体的治理工作。截流的污水经MBR一体化设备处理后，COD值小于40 mg/L，NH3-N平均值为4.6 mg/L，TP平均值为0.45 mg/L，出水水质各指标均满足《城市污水再生利用 景观环境用水水质》(GB/T18921-2019)要求，其中COD值达到了《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中的Ⅴ类标准，可回补至河道。补氧与生物膜组合应用，在有效能耗条件下发挥了最大的消除黑臭作用，消除河道水体的黑臭现象效果明显。而且通过人工清淤消除了河道的内源污染。本工程对于改善区域水环境质量和城市景观环境具有积极的作用，对于改善城市居民的生活环境有明显的促进作用。