贵阳市七彩湖黑臭水体治理案例分析

王凡，潘钧，刘丹妮，卫毅梅，彭文博，魏文昌，柏杨巍*

1.中国环境科学研究院流域水环境污染综合治理研究中心 2.贵阳市生态环境局

水体黑臭现象是近年来我国许多城市水体面临的重要水环境问题之一[1-2]。城市黑臭水体是城镇化高速发展过程中基础设施不完善引发城市病的集中体现[3-4]，由于污水和垃圾大量入河，引起水体黑臭，不仅破坏河流生态系统[5]，影响居民饮用水水质，而且污染大气环境，危害人体健康[6-8]。为解决城市黑臭水体问题，国务院将城市黑臭水体整治列为《水污染防治行动计划》的重点任务之一[9]。2018年贵阳市按照《城市黑臭水体整治工作指南》[10]要求，组织开展了为期1个月的黑臭水体大排查，确定了29个黑臭水体，并实施了黑臭水体综合治理。笔者选取治理成效良好的七彩湖作为典型案例，分析水体黑臭的成因、治理方案与措施、典型治理技术及治理后的成效，以期为我国南方喀斯特地貌特点地区黑臭水体的治理提供借鉴。

1 汇水区概况与主要水环境问题

1.1 七彩湖汇水区概况

七彩湖位于贵阳市白云区大山洞片区、铝厂片区、大川白金片区三区交汇地段，地处高山河(洗马河)上游，汇水区面积为4.8 km2。七彩湖源头为白云公园绿漪湖，周边用地主要为贵铝文体活动中心、白云寺村和白金一号楼盘，人口较为密集，总人口约9.4万人。七彩湖水体流动缓慢，与外界水体水量交换小、透明度低、水质污染严重。七彩湖黑臭段起点为铝建路金义酒店，终点为同心路体育馆，黑臭水体长0.7 km，面积为0.051 km2。根据2017年4月水质监测结果(表1)，对照《城市黑臭水体整治工作指南》[10]中的标准限值，七彩湖黑臭等级为重度黑臭。

表1 七彩湖水质监测数据Table 1 Water quality monitoring data of Qicai Lake mg/L

1.2 主要水环境问题

七彩湖原为白云区艳山红镇鸡场村的2口废弃鱼塘，由于城市管网不完善，环湖截污沟年久失修、淤积堵塞，周边人口的快速集聚使外源污染大幅增加，大量混合水长期排入湖内，加之生活垃圾任意丢弃，致使七彩湖富营养化严重，藻类滋生，水质变差乃至黑臭，沿湖景观较差。

1.2.1污水收集和处理设施状况

七彩湖汇水区上游存在雨污合流现象，合流制区域面积约391 hm2，分流制区域面积约89 hm2。虽然上游大部分市政道路已建有污水管，但在大山洞片区、铝厂片区、白云寺村等老旧居民小区和城中村以及铝建路、同心路两侧新建楼盘存在管网未覆盖区，高山排洪渠两侧也未建污水管网，耐火厂片区污水主管未实施，未实施管网段面积约占七彩湖汇水区总面积的24.5%。

根据贵阳市提供的调研和监测资料，2018年整治前七彩湖上游有7个污水直排口，日均污水入河量约 2万m3/d。2018年底，高山排洪渠截污管及大路河截污管修建完成后，麦架河污水厂接纳的混合水量为 6.5万～7.0万m3/d，已超出设计处理能力(5万m3/d)，造成七彩湖汇水区部分污水未经处理直接溢入河道。

1.2.2底泥污染状况

七彩湖水流缓慢，底泥淤积严重，淤积底泥中的污染物可在雨季再次释放至水体中[11-12]，导致水体二次污染[13-14]。底泥中黑臭物质的控制对于改善生态景观、重塑水环境十分重要[15]。根据贵阳市提供的勘察与检测资料，2018年七彩湖底泥淤积深度超过0.5 m的区域面积达5万m2，底泥中各项重金属指标均未超过GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中标准限值，但感官较黑，有机质浓度达5%，易对上覆水产生不利影响。

1.2.3沿河生活垃圾收集状况

汇水区上游沿河居民区、村民点较为密集，沿河缺少垃圾收集设施，雨季附近居民随意丢弃的生活垃圾被冲刷入河，对水体造成污染。根据贵阳市提供的现场调研数据，2018年整治前七彩湖周边共有垃圾堆放点4处，面积约50 m2，河道内垃圾堆积量约20 m3。

2 治理方案和措施

针对七彩湖存在的水环境问题，贵阳市提出控源截污、内源治理，活水循环、清水补给，生态修复、景观打造的治理思路，广泛听取与接纳群众诉求，实现政府、群众、企业、舆论多方联动，共治水环境，共享生态美。

2.1 控源截污

2.1.1污水处理厂建设

按照分散治理为基础，集中处理为保障的原则，贵阳市在七彩湖建设污水处理厂1座，最大程度地对污水及初期雨水进行收集与处理，降低污染物直接入湖量。七彩湖污水处理厂选址在艳山红村，占地面积约2.17 hm2，建设规模为 2万m3/d，出水水质不低于GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，其中出水化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)与总磷(TP)、氨氮(NH3-N)浓度达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中Ⅳ类水质标准(表2)。七彩湖污水处理厂服务面积约480 hm2，2020年服务人口为4万人。

表2 七彩湖污水处理厂设计进出水水质Table 2 Design inlet and outlet water quality of Qicai Lake sewage treatment plant

2.1.2环湖截污管网建设

在七彩湖环湖开展截污管网建设，截污管上下游连通高山排洪渠截污管，同时收集沿线的散排污水。其中，七彩湖右岸逆坡收集沿线散排水、白金片区污水、耐火厂排水干线污水至七彩湖污水处理厂进行处理。

2.1.3面源污染控制

由于七彩湖汇水区土地利用类型以建设用地为主，污染物来源以城市面源为主，因此通过海绵城市建设的低影响开发技术，利用渗透、滞留等措施从源头有效解决大概率、小降雨事件带来的面源污染问题。全面推广和应用海绵城市建设理念，创新海绵城市建设、运行和管理各项制度，统筹解决七彩湖汇水区水资源、水安全、水环境、水生态问题，为将贵阳市建设成为我国南方地区喀斯特地貌特点的绿色海绵、山地海绵、生态海绵于一体的生态文明示范城市提供支撑。

2.2 内源治理

七彩湖水域分为3部分：鸡场村水域、白金水域及贵铝水域。根据测算，七彩湖鸡场村水域底泥淤积量为1.25万m3，白金片区水域为6.25万m3，贵铝水域为2.5万m3，因此底泥清淤总量约为10万m3。清淤主要采用机械脱水方式脱水至含水率低于60%，经检测评估合格后运输至靛山弃土场进行填埋或绿化。同时，在七彩湖附近的铝建路共设置15个垃圾收集点和30个垃圾桶，压缩车收运后直接进入比例坝垃圾场进行处置。

2.3 活水循环、清水补给

引七彩湖污水处理厂尾水入与七彩湖污水处理厂同时开工建设的人工湿地，该湿地位于七彩湖公园内，面积为9 500 m2。尾水经湿地处理后污染物浓度进一步降低，湿地设计出水水质达到Ⅳ类，满足GB/T 18921—2002《城市污水再生利用景观环境用水水质》中观赏性景观环境用水要求。将湿地出水作为优质活水引入七彩湖，以增加湖体水动力条件，保障湖区水生态环境质量。根据贵阳市生态环境局提供的水质监测数据，七彩湖进水水质如表3所示。

表3 七彩湖进水水质Table 3 Influent water quality of Qicai Lake mg/L

2.4 生态修复

2.4.1生境营造

七彩湖湖底多为自然硬质基底，自然生境较差。为实现七彩湖生物多样性保护，需实施生境改善工程，主要包括抛石、设置潜水堰和砾石生物巢。抛石选用粒径为20～50 cm的块石，抛石区面积不超过河底面积的1%～3%，在黑臭区域共设计500处抛石，投放块石方量约为500 m3。潜水堰是设置在常水位以下，用圆木或块石营造的横式建筑物潜入水表层形成的一定深度的过水堤堰，通过设置潜水堰形成多稳态水流，在相对枯水期，使水流充满多样性，增加水体溶解氧浓度，阻拦砾石并沉砂。在七彩湖设置砾石生物巢1 000处，每组砾石生物巢一般包括3～7块砾石，间距为15～100 cm，砾石方量约为500 m3。

2.4.2生态系统修复

针对七彩湖沉水植物物种单一、鱼类及底栖动物缺失等问题，设置水生态系统修复工程，主要包括沉水植物系统构建、水生动物群落构建2个方面。沉水植物是水体的初级生产者，在水生态系统中具有不可替代的作用[16]，沉水植物生物量较大时，呈现水体清澈、溶解氧浓度高、藻类密度低、生物多样性高的“草型清水态”。选择苦草、狐尾藻、小茨藻等沉水植物种类，在七彩湖种植密度为100株/m2，种植面积为57 540 m2。水生动物群落构建包括投放鱼类、底栖动物及滤食性浮游动物等[17]，选择鲢鱼、鳙鱼、黄颡鱼、乌鳢作为鱼类系统构建的品种，大型底栖动物选择螺类、蚌类和虾类。

2.5 景观打造

在充分了解和分析七彩湖周边用地现状和发展规划的基础上，将改善水体生态环境、提升汇水区内城市生活品质作为景观设计的聚焦点，打造3个景观区域：健康生活区、七彩宝池区及原生乡情区(图1)。

图1 七彩湖生态景观工程平面布置Fig.1 Layout of ecological landscape projects in Qicai Lake

健康生活区以花为主题展开设计，结合贵阳花卉特色，种植蝶形花科、杜鹃花科等12种花卉，在入口微地形绿地上大面积种植花坪，打造花海风光带，给人带来精神和嗅觉以及视觉上的三维享受，并通过小品以及特色雕塑塑造多彩氛围。七彩宝池区利用污水处理厂尾水打造生态湿地，在对尾水进一步净化的过程中，使景观有了再一次提升，结合地形利用植物过滤和吸收作用二次净化水源，使流入湖泊的水流更纯净。原生乡情区现状部分原生植被较好，在此基础上优化提升整体景观效果，结合地形增设绿道等生态景观措施，保障河水的进一步净化。

3 典型治理技术

3.1 污水处理工艺

七彩湖污水处理厂采用以去除有机物为主、兼顾脱氮除磷优选的污水处理工艺——污水处理集成技术，该工艺综合考虑各种污染物之间的相互关系及其影响，处理后出水水质不低于GB 18918—2002一级A标准。七彩湖污水处理工艺包括预处理、生化处理、深度处理、污泥处理和消毒等环节(图2)，其中预处理采用箱体内设泥渣砂油(sludge sediment grit oil，SSgo)固液秒分离装置；生化处理采用固定床生物膜反应器(fluidized bed biological reactor，FBBR)工艺，SSgo固液秒分离装置出水直接进入FBBR，同时预留细格栅+曝气沉砂池+精细格栅土建位置；深度处理采用高效沉淀池+多介质流化过滤器+臭氧接触池工艺；污泥处理采用离心浓缩脱水工艺；消毒采用紫外线消毒工艺，厂区除臭采用高效生物除臭技术。SSgo固液秒分离技术和FBBR工艺是七彩湖污水处理工艺中的关键技术。

图2 七彩湖污水处理厂工艺流程Fig.2 Process flow of Qicai Lake sewage treatment plant

3.2 关键技术

3.2.1SSgo固液秒分离技术

SSgo固液秒分离技术是一种高效快速去除悬浮物(SS)的设备(图3)，可快速高效地去除污水中泥渣砂油，有效降低后续处理单元的污染物负荷，大大提高污水处理能力与效率，优化出水水质，是污水处理厂提标提效改造体系中的核心技术。SSgo固液秒分离机安装粗格栅之后，待过滤的污水从设备中部开口进入，从连续运转的高精度、高透水性滤带上透过，避免了传统预处理中的缠绕、堵塞等问题；污水中的SS可在5 s内迅速分离，有效防止污水停留带来的臭味逸散。淤积在滤网的杂质被滤网上的滤渣刮板及反洗装置冲洗到滤渣排放区，将污物冲洗至污物收集槽，然后通过管道输送至后续污泥处理区域。

图3 SSgo固液秒分离设备Fig.3 SSgo solid-liquid quick separation device

3.2.2FBBR工艺

FBBR工艺是改变了传统填料填充比例的连续流间歇式清洗工艺，它包含正常处理模式与正向冲洗模式(图4)。正常处理模式下，反应器中的填料填充度在90%以上，填料不能自由移动，生物膜中的微生物附着生长在填料表面，以污染物为食。FBBR工艺中的污水连续进入生物反应器，使用污水间歇清洗去除生物膜填料上过量的微生物，填料为微生物的生长与积累提供大量空隙体积(孔隙率通常为85%)，使清洗周期之间的运行时间最大化。在正向冲洗模式运行期间，反应器内的水位升高到生物膜填料刚好能自由移动的位置，过量的生物膜被流入的污水从反应器中冲洗去除。反应器在正向冲洗模式运行期间依然正常运行，可溶性有机物和营养物浓度与正常处理模式时一致。

图4 FBBR工艺的正常处理模式和正向冲洗模式Fig.4 Normal processing mode and forward flushing mode of FBBR process

正常处理模式时，填料移动受限，生物膜内出现高碳与营养物质浓度梯度。反应器内曝气时，气泡必须穿过填充率极高的填料，导致停留时间和到达反应器表面的路径变长，氧转移效率提高。高密度填充填料也可充当过滤器，减少正常处理模式时反应器出水中固体物质浓度，因此，FBBR工艺结合膜滤(微滤或超滤)、砂滤、气浮或高效沉淀池等先进分离技术进行污水处理与回用，能减少使用中间固液分离单元，如二沉池。正向冲洗时，FBBR反应器出水流向污泥浓缩装置或固液分离单元。图5为用于污水处理与回用的FBBR生物膜反应器+膜滤(可用砂滤、气浮或高效沉淀池代替膜滤)工艺流程。

图5 FBBR生物膜反应器+膜滤简化流程Fig.5 Simplified flow of FBBR biofilm reactor+membrane filter

FBBR工艺无需二沉池，占地面积相对较小，具有工艺运行稳定、出水水质好、耐水质水量冲击、脱氮除磷效率高、操作维护管理方便等优点。在该工艺的设计中，通过最佳工艺参数的选取、节能技术与设备的优先采用，能够最大限度地降低工程造价和运行费用，实现污水处理厂工艺方案的整体优化。

3.2.3多介质流化过滤器

多介质流化过滤器由多个多介质流化反硝化过滤器单元组成(图6)。该系统采用单级滤料，无需级配，无水力分布不均和初滤液等问题；不需要停机反冲洗，不需要反冲洗水泵及其停机切换用电动、气动阀门；无需单设混凝、澄清池，也无需混凝、澄清用机械设备。多介质流化过滤器具有如下特点：采用模块化设计，便于组合布置和施工；过滤连续运行，无需停机反冲洗，效率高；维护简单，无需反冲洗水泵、风机、冲洗水箱及阀门等；集混凝沉淀及过滤于一体，大大简化了工艺流程及占地空间，运行及维护费用低；对于高SS浓度的废水不需要预处理(进水SS浓度可达150 mg/L)；与常规砂过滤工艺相比，可节省30%～40%的化学药剂。

图6 多介质流化过滤器Fig.6 Multi-media fluidized filter system

4 治理成效

经过2018年下半年至2019年的综合治理，七彩湖汇水区消除了7个污水口直排现象和24.5%主管网服务面积空白区，使汇水区范围生活污水集中收集率提升了37.8个百分点，削减入河污染物BOD5约832.2 t/a、COD约1 606 t/a、TN约87.6 t/a、NH3-N约135.05 t/a、TP约19.71 t/a。随着雨污管网的完善，2019年年底七彩湖污水处理厂进水浓度显著提升，BOD5平均值已达120 mg/L以上。2019年12月七彩湖的水质监测数据(表4)显示，水体透明度、DO浓度、NH3-N浓度、氧化还原电位(ORP)4项指标均优于《城市黑臭水体整治工作指南》[10]中轻度黑臭标准限值，七彩湖已消除黑臭，水质稳定达标，水体清澈干净、美丽宜人(图7)。

表4 七彩湖治理后黑臭指标监测结果Table 4 Monitoring results of black and odorous indexes of Qicai Lake after treatment

图7 治理前后七彩湖实景Fig.7 Photographs of Qicai Lake before and after treatment

七彩湖治理过程中，通过构建良好的水生植物、水生动物和微生态系统功能群，种植植物10余种、引入多种鱼类与大型底栖动物，形成健康的清水型水生态系统，提高了七彩湖对污染物的降解能力，降低了水质达标的维护费用。七彩湖治理后消除了水体黑臭，七彩湖污水处理厂约2万m3/d处理后的尾水对七彩湖生态湿地和湖体进行不间断的活水补源，清澈干净、美丽宜人的七彩湖极大地改善了贵阳市的城市形象，也提高了民众的满意度。

5 结语

针对七彩湖水体黑臭的问题，贵阳市采取了控源截污、内源治理，活水循环、清水补给，生态修复、景观打造的治理思路开展综合整治，取得了良好的环境效益、经济效益和社会效益。七彩湖虽已完成整治，湖体黑臭消除，但由于上游主要为棚户区与老旧小区等，大部分区段雨污未分流。因此，雨季时仍有大量混合水溢流进入七彩湖排洪渠形成新的黑臭水体。建议后续对七彩湖上游片区进行雨污改造，以巩固七彩湖治理效果，确保“长治久清”。