东北某地黑臭水体治理工程的设计和应用

■ 中国中建设计集团有限公司 郭福龙

1.前言

我国北方地区暴雨多集中于夏秋两季，导致地面很多污染物没有被处理就冲进河湖水域，污染了水质。而春冬季少雨，河湖水位不高，水体自净能力下降，外加人为污染因素影响，水体严重富营养化，形成季节性或常年性黑臭水体。2018年9月，住房和城乡建设部联合生态环境部发布《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》，提出全面整治城市黑臭水体，加快补齐城市环境基础设施短板，确保用3年左右时间使城市黑臭水体治理明显见效。

2.工程实例设计说明

该工程所在地为东北某区，属于大陆性季风气候，夏季炎热多雨、冬季寒冷干燥。近30年来，当地平均降水量约为495mm，降水特征具有年际变化大、季节分配不均、地区分布不均衡、暴雨强度大等特点。工程为市内某河道，总长约22km，上开口约1.5m ～4m，河道总汇水面积171.64公顷，流域总汇水面积约81.55km2，涉及水系串联相通10多处公园、湖泊、水库、灌渠等开阔水体。

通过前期现场调查，确定河道点源污染存在的问题包括：污水直排、溢流污染、污水私接乱搭排放、合流污水、初期雨水及后期雨水入河，河道污染物浓度升高，水体污染负荷增大，河道水质遭受严重污染。内源污染存在的问题包括：水体底泥中所含有的污染物以及水体中各种漂浮物、悬浮物、未清理的水生植物或水华藻类等所形成的腐败物。面源污染存在的问题包括：沿线生活垃圾、建筑垃圾、工业废弃物、畜禽粪便等垃圾堆积，通过浸泡、渗漏、降雨冲刷等进入河流和湖库，严重影响水体水质。上述污染源的存在，导致水生态系统不完善、功能性植被缺失、水体自净能力变差。

该工程的治理目标为：2020年前完成黑臭水体治理，使其优于《地表水环境质量标准》 （GB3838-2002）中地表V 类水质。

3.设计条件确定

水环境容量计算是该工程设计的基本条件，现状河水主要来源为降水、合流污水及溢流入的非稳定水源等。随着黑臭水体治理的实施，水体将在雨少的季节干涸，因此需对水体进行人为补水。最低生态补水量由蒸发量、渗漏量及灌溉用水量来决定。水体每年总蒸发量为254.38万m3，枯水期月最小蒸发量为1.54万m3，丰水期月最大蒸发量为50.53万m3。水体每年渗漏量为正常水深水体体积的20%，为654.54万m3，枯水期月最小渗漏量为41.99万m3，丰水期月最大渗漏量为63.52万m3。灌溉用水量、城市园林及绿化用水定额取3.5L/（m2·d），农业用水量为5L/（m2·d），绿化灌溉天数183d，农业灌溉天数为214d，2020年年灌溉需水量为356.1万m3。维持河道水生生物正常生长的需水量，4月～9月流量百分比采用15%，10月～3月流量百分比采用30%。河道每年总水生态系统需水量为407.06万m3，最大月水生态系统需水量为95.18万m3。

最低生态补水量包含蒸发量、渗漏量、灌溉用水量及水生态需水量，2020年、2030年的每天最低生态补水量分别为8.60万m3、8.64万m3。根据城市近30年的降雨资料，通过PCSWMM 模型模拟计算出河道流域2020年径流入河量为454.53万m3，2030年径流入河量为390.84万m3，年径流入河量无法满足最低生态需水量的要求。

汛期（6月—8月）降雨量约占全年降雨量的76.6%，同时径流入河量远小于生态环境需水量，差值最大为7万m3/d，全部由再生水厂补给，保证河道水力停留时间在20天以内。

水环境容量的计算公式为：

其中，Cs为水质目标，C0为断面起始浓度，Q0为河流流量，u 为平均流速，K 为综合降解系数，x 为第m 个污染源距控制断面的距离，qm为第m 个污染源的流量。

利用河海大学环水所的水环境容量计算模型模拟，包含枯水期、丰水期取值和目标水质要求。结合现状河道水体相关参数取值，丰水期COD 降解系数为0.020，NH3-N 降解系数为0.017，TP 降解系数为0.015；枯水期COD 降解系数为0.011，NH3-N 降解系数为0.010，TP 降解系数为0.01。河道总COD 水环境容量为1511.40t/a，氨氮水环境容量为99.48t/a，TP 水环境容量为19.13t/a。

4.黑臭水体治理设计

该工程采用了多种技术措施消除黑臭，包括外源减排技术（截污纳管、面源控制、直排污水原位处理），内源控制技术（清淤疏浚、水生植物残体清理），水质净化技术（人工增氧、絮凝沉淀、微生物强化净化、人工湿地、生态浮岛、水生植物塘），补水活水技术（清水补给、再生水补给、水动力保持），生态修复技术（水华藻类控制、水生生物恢复），考核监测等技术的相互协调实施。

4.1 控源截污

控源截污是黑臭水体治理中最有效的工程措施，是其他治理措施的前提。对当地采取雨污分流改造，沿河现状污水全部就近接入市政污水管网，对现状合流制雨水口排出口上游适当位置采用修建单座双室双浮球阀截留井，既能保证上游截留管内污水在遇到下游截留井后不产生溢流，又能控制雨季时通过截留井进入截留干管的污水量。工程设计4.4km截污干管，改建15km 污水管线，开槽部分采用HDPE 塑钢缠绕管（环刚度SN10），顶管部分采用钢承口橡胶圈Ⅲ级钢筋混凝土圆管。（图1）

图1 单座双室双浮球阀截留井平面示意图

城区大面积汇水区现状雨水排出口设置初期雨水调蓄池，并在有倒灌可能的部位安装鸭嘴阀。一般降雨量达到10mm 时，径流水质已基本稳定；当调蓄初期8mm 降雨时，可控制80%左右的污染量。该工程对初期雨水进行截留调蓄至污水厂处理，当截流倍数n 取22倍时，截流量占降雨量的比例曲线出现明显拐点，进一步提高截流倍数则截流效益不明显。工程共设计11座调蓄池，其中，合流制调蓄池6座、初期雨水调蓄池5座。调蓄池进水管接雨水主干管，放空管接截污主干管，池体容积根据室外排水规范中调蓄池相关公式计算确定，设进水闸门及粉碎性格栅、附属管理用房，外立面风格与周边环境相互协调，内部设置配电柜及控制柜，放空采用水泵，池底部为廊道式采用智能喷射器冲洗装置。调蓄池超高设置为1.0m，池顶覆土不小于1.5m，满足地面种植要求。

中小面积汇水区末端雨水排出口设置初期雨水弃流措施，考虑到小汇水区输入污染物较少，能满足水环境容量，暂不考虑采取措施。弃流雨水排入污水厂，其余雨水采用“雨水排出口—过滤氧化塘—潜流湿地—潜流湿地—表面流湿地—出水至河道”。

弃流井主要设备包含雨量计、升降式截流橡胶瓣止回阀（电动或液动）和控制箱，三者之间形成联动。止回阀一般处于常开状态，道路产生的人为污水可直接通过弃流管进入污水管道。当降雨开始时，雨量计根据设置的初期雨水汇集时间，关闭止回阀使后期雨水通过管道排放至自然水体，两场雨间隔时间较短时中途不弃流。（图2）

图2 初期雨水弃流井示意图

4.2 内源治理工程

（1）清淤措施

内源污染源淤泥108万m3，采用长臂挖掘机械自上游至下游、先中央后两侧的顺序进行清淤，一部分填埋。填埋场的底部采用单层土工膜防渗结构，约有20%的淤泥浸出液的重金属超标，需要采用添加重金属稳定剂的方式加以处理。

（2）垃圾清理

河道内及周边的生活垃圾、枯枝落叶，河岸和水体存在管理死角地方的腐败物均属于存量面源污染物，不仅影响市容，渗滤液的产生还会破坏土壤及河道原有的活性，需全部清理至垃圾处理厂处理。为避免向河道扔垃圾，在村庄与河岸间设置约1.9km 长的围栏，在河道开口线两侧30m 以内的区域加强管理与维护。

（3）底泥修复

工程采用生物—生态修复技术，在原地直接吸收、降解污染物，运用水生植物和微生物共同组成的生态修复系统，能够有效地祛除多环芳烃的污染，高等水生植物可提供微生物生长所需的碳源和能源，根系周围好氧菌数量多，使得水溶性差的芳香烃，在根系旁边迅速降解。种植水生植物的根茎能够控制底泥中营养物的释放，而在生长后期又能较方便地去除、带走部分营养物质。

4.3 生态修复

（1）岸带修复

工程尽量减少硬质护坡，采用宾格石笼护砌与草皮护坡相结合的方式，设计河道护坡与20年一遇洪水位平齐，20年一遇洪水位以上采用草皮护坡，石笼采用5%锌铝合金钢丝包塑。结合生态护坡，在河道两岸结合现状补种行道树，间距为4m。

（2）生态净化

河道水体的环境条件和治理修复要求，该项目采用的水域生态构建和水质保障技术系统是由底质改良技术、微生物系统调控技术、水生植被系统构建技术和曝气增氧技术有机整合而成的综合治理和水域生态修复技术系统，总体构建水域面积超过157万m2。

采用沉水植物为主、挺水植物为辅的水生态修复方案，以提高水体的透明度，植物进行光合作用吸收水中过剩的营养，产生大量天然的氧气，有效抑制藻类的疯涨，从而使底栖动物和水生昆虫生态得以恢复，建立良性循环的生物多样性和生态自净能力。沉水植物栽种于水深在2.5m 以内的区域，25丛/m2。挺水植物择种植旱伞草（30株/m2）、千屈菜（16株/m2）和水烛（16株/m2），主要种植在水深1m 以内，挺水植物的生长率为40t/(hm2·a)，其中植物体氮含量为15g/kg，含磷量为2.0g/kg。

（3）人工增氧

水质调控型微生物菌剂（0.43kg/m2），生物强化措施中碳素纤维草20g/束，针对水中溶解氧含量低，解决水体普遍缺氧的问题。采用生物岛礁、人工水草和跌差为1.15m 的一级跌水，同时配合曝气机，提高了水体的复氧功能，强化了水体的净化功能。

水生态建设初期（通常为45天左右）为了保证水生植被的成活率，曝气时间平均约8h/d。单纯依靠曝气机可在24h内恢复并保持水体溶解氧在4mg/L 以上，增氧装置增氧效率取值80%。工程设置溶氧效率为3200g/h 的提水式曝气机93台，600g/h 的浮水喷泉曝气机24台，3000g/h 的强力造流曝气机36台。

（4）水生态修复

水体中投加的多孔性材料为培养基的载体化芽孢杆菌、光合细菌、EM 菌，能够将黑臭底泥逐渐分解为活性污泥，为水生植被生长提供一个良好底质环境。再投加经过特殊驯化的复合菌、异养菌及其生长所需要的营养来提高生物活性，促进底泥微生物繁殖、有机物质迅速分解，释放出氨氮、硫化氢等有害气体，使得底泥好氧层加厚、泥层减薄，加快底泥微量营养的释放。投加量为0.43kg/m2，同时还需要经验丰富的水生态工程师进行现场监测用量。配合沉水植物覆盖水体底层，阻止了已沉积底泥的再悬浮，并对底泥进行输氧，吸收有机质，进一步降低污染物的含量。待水下生态修复系统基本稳定后放养青虾、螺（净化效果较好的的环棱螺或萝卜螺）、土著鱼类，完善水体生态系统。

丰水期水生态净化率COD 为1.6 1.8(g/m2·d)，NH4-N 为0.05 0.06(g/m2·d)，TP 为0.04(g/m2·d)。丰水期物强化措施净化率COD 为0.013 0.016(g/m2·d)，NH4-N 为0.006 0.008(g/m2·d)，TP 为0.0003(g/m2·d)。

4.4 中水补给及蓄水工程

工程通过新建引水泵站，经2.6km 长的DN300mm 压力管线向河道上游补水，管线平均埋深2m。

河道现已有11座堰坝，在此基础上新增4座合页生态堰，该坝具有自动控制、结构简单、维护简单、施工周期较短、耐冰凌等优点，特别适用于北方地区。用以提升未来河道的常水位高度至少为0.6米，能够满足水生态种植的要求，并保证停留时间20天内的及时换水。

4.5 人工湿地工程

人工湿地通常用来处理污水处理厂排出水或者初期雨水，通过表流、潜流交替式人工湿地对污染物进行削减，需保证在污染最严重月削减量大于污染物带入量[1]。该工程在去除TP 方面，采用砂+黏性土壤为主要介质，在足够停留时间以上可对污水中磷的理论去除率达90%以上。在去除COD、NH3-N 方面，采用沸石+陶粒填料，理论去除率分别可达到70%与95%以上。实际通过人工湿地对COD、NH3-N、TP 的进出水检测， 去除率分别在40%56%、50% 63%、49% 60%。流域水质提升湿地总面积452421m2，湿地平均处理量为0.3m3/(d·m2）。

人工湿地的一般工艺流程为：

进水→过滤池→氧化塘→潜流人工湿地→表面流人工湿地→出水

湿地基本参数水力负荷0.2 0.42 （m3/m2·d），有机负荷50 118 （kg/km2·d）， 其中COD 去除率51% 64%，NH3-N 去除率40% 60%，TP 去除率52% 64%。

4.6 污水厂提标改造

对现污水处理厂进行水质处理提升改造，将原污水处理厂排放一级A 标准提升至《城镇污水处理厂出水污染物排放标准》（DB11/890-2012）中的B 标准，改造后污水处理工艺为：粗格栅及提升泵站+细格栅及曝气沉砂池+斜管沉淀池+改良型A2O 池+二沉池+高效澄清池+纤维转盘滤池+二氧化氯消毒。污泥处理工艺：污泥缓冲池+板框压滤机，含水率降到80%。臭气处理工艺：除臭生物滤池。

4.7 智慧水务工程及防洪影响

根据河道汇集点及区域考核断面的要求，并满足该地区智慧水务总体需求，设置在线水质监测系统和数据上传系统，设置多个水质监测断面。

由于原水面线的土渠糙率n=0.025[2]，结合生态治理布置方案，采用综合糙率n=0.028。经计算，水位比未种植生态草之前高0.10m。原河道堤顶超高为0.80m，现堤顶超高0.70m，满足相关要求。

5.结论分析

该项目的实施，全面落实了《水污染防治行动计划》和《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》关于河道污染治理的要求，消除了黑臭水体，改善了当地居民的生活环境。通过对黑臭河道治理，大大降低了入河COD、氨氮总量，通过多种措施综合治理每年可削减COD 量17284.03t、氨氮量1660.58t、TP328.97t。同时，当地居民自觉地保护环境才是不产生黑臭水体的持久保障。（本文在收集资料、写作过程中得到了有关单位和同志的支持和帮助，在此表示感谢）