从某工程机埠改造和人工生态湿地的配套建设看德国汉诺威水协的治污理念

郑孝云　陈红文

摘要：随着城市化的不断加速，很多原来的外环水系成了内河水系，在城市建设中，大量雨、污排水管道存在锚接、漏接现象，大部分城市污水经过雨水机埠调蓄池简单的沉淀后，排人了这些内河水系，使这些内河水系成了藏污纳垢的臭水沟，水系河道内的生态系统被破坏殆尽，水体恶臭，对沿岸市民生活造成很大的影响，也严重的影响了城市的发展和城市的形象。城市的管理者们已经充分的认识到这一点，通过采取各种方法系统地改造城市的排水系统，对城市污水进行有效的治理，让城市逐步恢复到原有的生态，净化城市环境。

关键词：生态系统；排水系统；城市污水；治理

中图分类号：TU992.3

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2013）06-0117-03

1 序言

某市城市水系环境的破坏和水质的恶化与作为旅游城市的定位极不协调。2006年某市的决策者通过考察，决定引进德国汉诺威水协的治污理念对城市水系进行综合治理。随后德国汉诺威水协对某市的管网、水文、气候、地理、人口、人们生活习惯进行了详细的普查，并查阅了大量的历史资料，针对某市的情况制定了水敏性城市发展和可持续性水资源利用框架，设计了对结合管网模拟的机埠改造及配套的人工生态湿地的治污工程综合治理方案，且已陆续开始施工建设，部分工程已经接近尾声，笔者通过对某机埠改造和人工生态湿地配套建设，领略到德国汉诺威水协针对城市治污理念一些特点。

2 通过对现有管网进行普查和建立水力/水文数学模型模拟后，对现有机埠的运行方式的改变及对调蓄池的改造，实现了截污和对不明污水及初期雨水进行预处理

2.1 机埠现状及改造前后的运行情况：目前接近完工的机埠改造工程机埠总汇水面积为415hm²，城市硬化径流面积为290hm²，机埠有两个进水口，一个9712m²的调蓄池，非降雨期来水量平均约0.5m³/S，原机埠的总抽排能力为12.6m³/S，调蓄池的水排向一条长17.3km的城市水系，由于某市的雨、污排水管道存在错接、漏接现象，形成雨污合流现象，由于雨、污水未有效的分离，两个进入机埠污水口CoD浓度最高仅296mg/L和154mg/L，最低时还只有93mg儿和53mg/L，所以送往污水处理厂的污水COD浓度过低造成污水处理厂负荷过重，有时机埠在应急时污水未经任何处理就直接排入了城市水系，且随着城市的发展该水系已经逐渐成为某市城市中心的水系，近年来由于沿岸机埠排污形成了水体恶臭、水生植物消失、栖息动物绝迹的臭水沟，与某市旅游城市的定位极不协调，在短时间内解决雨、污排水管道错接、漏接短期难以实现，针对雨、污合流及水系污染的实际情况，汉诺威水协提出了终端治污的理念，即改造现有的排水机埠和调蓄沉淀池，对来水进行预处理，然后对预处理的水进行分流。首先将原敞开式调蓄池改造成为两个调蓄池，一个为封闭式，一个为敞开式。在非降雨情况下，不明污水在封闭式调蓄池内沉淀、隔离污染物，然后将COD浓度较高的污水直接送往污水处理厂，溢流后COD浓度较低的污水通过人工生态湿地进行生态处理后再排向城市水系，在降雨情况下，从沉淀池溢流的未水进入敞开式调蓄池，再通过排洪渠排入水系内，这种根据来水水质和水量进行区别对待的处理方式，最大限度的解决了雨、污水合流的问题，城市管网中的来水不再是只经过简单的沉淀就直接排入城市水系，同时因送往污水处理厂的污水浓度提高、水量减少而使污水处理效益更佳，且这种终端治污的方式也为很多老城区未雨污分离的城市提供了一个示范。

2.1.1 机埠改造前后平面布置对比（图1、图2）

2.1.2 排水机埠改造前后运行流程对比（图3、图4）

2.2 调蓄池和泵房改造后的运行原理

此次设计将原来全部敞开的调蓄池分封闭式和敞开式两个调蓄池，来水首先进入封闭式调蓄池，在非降雨期，来水的COD浓度平均约为140mg/L，在进水渠初步沉淀，通过闸门和水位标高的控制，新建的非降雨期泵房以300L/S送往污水处理厂进行处理，这时抽往污水处理厂的都是来水沉淀下来的污水，上层COD浓度较低的污水通过底板较高的闸门进入封闭式调蓄池沉淀池，封闭式调蓄池沉淀池分为A、B池，来水首先到达A池，在A池沉淀且达到一定水位后通过设置在A池上部三根设有渗水孔的渗透管溢流到B池，（渗透管起到隔离漂浮物及控制水位的作用）再次进行沉淀调蓄，（通过实践证明污水在沉淀池沉淀一小时污水的COD浓度可以减少20%），然后以每两天一次，每次3000m3的频率通过非降雨期泵房抽向人工生态湿地进行生态处理过滤，最后排入城市水系，当B池及人工生态湿地全部注满后，如水位继续上涨，沉淀后的污水通过设置在A、B池尾端的溢流堰溢流到敞开式调蓄池，然后通过降雨期泵房排向人工生态湿地及城市水系，溢流堰能够阻隔污水中的漂浮物及杂物。在小雨时，未水混杂着雨水，COD浓度较低，水位持续上升后开启进水渠通往B池的两个闸门，水流在A、B池沉淀后通过A、B池尾端的溢流堰溢流到敞开式调蓄池。如果在暴雨期，水位上涨过快，在进水渠还设置了一道45m长的溢流堰，污水通过溢流堰溢流至敞开式调蓄池，保证了封闭式调蓄池的安全，这时来水的COD浓度已经很低了，在敞开式调蓄池蓄满后可直接通过排洪渠排入城市水系。降雨结束后，为了清理A、B池廊道内沉淀下来的污泥及杂物，在清空A、B池后，通过设置在A、B池尾端溢流区的冲洗水收集池蓄满的水，开启冲洗门产生一股很强的水浪将封闭式调蓄池沉淀池廊道内淤积物及杂物冲往非降雨期泵房，经过自动格栅隔离较大的沉淀物和漂浮物后抽往污水处理厂进行处理。封闭式调蓄池内产生的臭气则由生态处理装置进行净化后再排出。图5、图6是调蓄池示意图。

3 通过配套人工生态湿地的建设，对预处理后的污水实现生态净化

此次把人工生态湿地建设在原有的河道上，分为六个分区，为垂直潜流式人工生态湿地，面积约为8300m²，改造后泵房把经过调蓄池沉淀、杂物隔离的不明污水及初期雨水通过管道输送到人工生态湿地的配水渠，配水渠采用溢流的方式把来水集中、均匀的一次性分配到每个分区（配水渠的作用是均匀的分配污水，且在进水口设置了消力装置，避免损伤人工生态湿地内的水生植物），在人工生态湿地的池床上层由一米厚过滤砂组成过滤层，过滤砂下面则是根据不同级配铺设卵石层，以防过滤砂渗入卵石层内的带孔过滤水收集管网，所选的过滤砂必须按照级配铺设，其含钙量、孔隙率、阳离子含量都有明确规定，达不到要求则需进行相应的调配，如含钙量达不到要求则需铺设石灰石等措施，在过滤砂上根据特定的间隔种植芦苇等水生植物，可有效吸附、拦截悬浮物。同时其发达的根系能使过滤砂内产生空隙，补给氧气，避免产生厌氧环境，使过滤砂发臭板结。将污水投放到人工建造的类似于沼泽的湿地上。当以富营养化为主的污水流过一定长宽比及底面有坡度的生态滤池时，经石英砂填料床过滤，污水可以在床体的过滤砂缝隙中曲折流动，或在床体表面流动，最后通过收集管网排向城市水系，污水的BOD5（生物5日需氧量）去除率为85%，SS（固体悬浮物）去除率为87%，T-P去除率为85%，氨氮去除率为54%，污水中的无机污染物（重金属）和有机物也很大限度的被湿地芦苇吸收，且水生植物根际的多种微生物活动，增加了湿地基质的透水性，与周围环境的原生动物、微生物等形成各种小环境，通过氧的传递，更加增强了净化废水的能力。生态湿地的显著特点之一是其对有机污染物有较强的降解能力，因此更适用于处理生活污水以及城市污水一类。生态滤池可分别处理废水中的不溶性有机物与可溶性物质。不溶性有机物通过湿地构造中的过滤砂层被沉淀、过滤、截留，进而被微生物利用，而可溶性有机物则可直接通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程而被分解、去除。每天向生态湿地输送3000m³污水，可在24小时内处理完毕，全部排向城市水系，出水COD可以达到约30mg/L至40mg/L。人工生态湿地放空后通过水生植物根系重新补氧，然后再次注水使用。当城市水系水位连续三天高出人工生态湿地水位而无法排出时，配水渠还设置了紧急排空装置，通过开启闸门，人工生态湿地的水可以经过一根输送管回流到敞开式调蓄池，再通过水泵排出。人工生态湿地的结构示意图如图7。

4 通过对河床断面结构的改造及对已经破坏了的河道生态系统进行修复，达到进一步净化水质的作用

原有河道堤岸较陡，驳岸风光带建设在堤岸的外面，采用刚性护坡的方式进行护坡，对河床生态系统有较大的破坏，河道内淤泥较多，河道内的沉水植物已经消失。德国汉诺威水协通过这次改造把堤岸后移，这样一来，缓坡式柔性河岸同时也成为了驳岸风光带，解决了市民休闲的时候无法亲水的问题，同时也增大河床的调蓄容积，发挥防洪功效，河岸浸水区铺设椰棕植物垫及椰棕植物辊进行护坡，防止波浪冲刷堤岸，同时在河滩和植物垫上栽种水生植物，河道内进行清淤后栽种沉水植物，还在水上安装若干人工浮游岛，上面栽种浮水植物，通过这些水生植物根系的吸收，不同的水生植物对水体中各种污染物有吸收、富集效果，达到进一步净化水质的作用。河道堤岸改造前后断面对比示意图如图8、图9。

5 通过驳岸景观与净水系统的一体化的建设，做到了既留住了雨水又净化了初期雨水，同时也美化和改善了环境

通过水系驳岸风光带建设，在景区建设大量的草地式洼地，表面上看起来与一般草地无异，但实际上暗藏玄机，这些洼地具有蓄水和净水功能，景区的雨水通过洼地下层的卵石层过滤后由渗透管收集后才允许排往河道内，同时也能保证洼地内水生植物的水分，且和景观融为一体，这种方式还可以扩展到整个城市建设，在城市道路绿化带、居民小区绿化带等区域广泛的建设带有蓄水和净化功能的洼地、沟渠，对城市道路及硬化地区产生径流所含的硫及重金属有很好的吸收和净化作用，且能对雨水进行调蓄，减少城市水系因暴雨所带来的压力。这些洼地、沟渠的建设除具有调蓄功能外，储存下来的水还可以回收利用，如浇花、洗车等，而且在干旱少雨季节通过蒸发有利于缓解当地的气候炎热和无水的问题，这也就是汉诺威水协提出的“水敏性城市”即“海绵城市”的理念。（图10）

6 结语

汉诺威水协的治污理念在不能短期内优化某市地下排水管网的前提下，提出了这样一个方案，通过科学的水力/水文数学模型、精准的水位水量控制、巧妙的封闭式调蓄池运行原理，最大限度的把雨、污水分离开，降低了送往污水处理厂的水量及提高浓度。通过人工生态湿地及驳岸风光带的建设，这些既是景观又是天然的污水处理系统，净化了水系水质，也为生物提供栖息地，在提高城市生物多样性等方面发挥巨大的作用，同时也扩大城市绿化面积、为人们提供了更加多样化的休闲场所。本项目中采用的几项关键技术和设备均为德国的成熟技术，项目完成后可产生广泛的经济、社会和环境效益。