多污染水体水质提升工程设计分析

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摘要：随着社会的发展，许多城市在发展经济的同时，忽略了对城市河道的保护，使得3河道遭受不同程度的污染，严重阻碍了城市生态的可持续发展，近年来由于人们生态环保意识的提升，有关城市河道水质提升技术的研究工作也得到了相应的发展。文章以太平河综合生态治理为背景，针对太平河水质污染类型多样的情况，采用尾水湿地处理工艺和亲水型生态系统工艺，分析两种工艺在太平河水质提升工程中的设计应用。结果表明，两种工艺可以大大削减太平河的污染负荷，改善区内水生态景观。

关键词：水质提升；潜流湿地；亲水型

生态系统河道水质净化工程是一项理论复杂、因素众多、操作困难的系统工程[1]，需要根据特定河道的水质情况、污染情况等实际情况，科学合理地选择、设计河道修复工艺及方法，根据修复机理不同，可以分为物理修复、化学修复及生态修复三种修复类别[2]。随着水环境治理技术的日益发展，专门技术建设典型示范工程也开始普及，环境治理技术开始向改善河流生态系统及功能的方向发展，在发挥现有水利工程作用的同时，开始强化天然或人工水域的自然恢复能力或自净能力，如人工湿地系统[3]、氧化塘[4]、人工强化型悬浮物载体生物移动床[5]、生态浮岛[6]等。针对太平河水质污染类型多样的情况，本文将人工潜流湿地系统与亲水型生态系统相结合，分析了两种工艺结合在太平河水质净化提升工程中的应用，希望为同类工程的河道治理提供一定的参考。

1项目背景

1.1工程概况

太平河位于西安市西部，是皂河的一级支流，自高新区市政箱涵出水口至入皂河口，为西安市城市排水系统中，皂河排水系统的重要组成部分。太平河改造总长度为23.84km，项目整体包含水利工程、水生态工程及水质提升工程，重点打造一条水清、岸绿、景美的城中河，打造构筑“城市生态长廊”，创造“水、林、城”于一体的特色风景线。

1.2太平河河道水环境现状

1.2.1水质情况太平河综合水质是劣Ⅴ类，主要污染物为总磷、氨氮以及生化需氧量。虽然河流自净能力能降解部分污染物，但河流多段水质仍为劣Ⅴ类，而水环境对污染物的容纳有一定限度，当污染物持续进入并在环境中不断累积，一旦超过其容纳限值必然导致水质恶化，水环境被破坏。因此，要保护水环境，保持水体自净化能力和维护水生态系统，应在太平河各个污水厂出水口处及河道内采取相应的水质治理和改善措施，降低对下游河道的污染贡献度，同时必须对太平河沿线村寨生活污水排放及农田面源污染进行重点治理，做好全线截污纳管工作。1.2.2河道排污情况河道周围排污口较多，但大部分排污口已经被封死，不再排污，仍有部分排污口排放生活污水进入河道，排污管管径由15cm~100cm不等，仍在排污的主要有9处。沿河城镇生活污水截污不完全，处理能力不足，存在雨水混流入河、管道老化失修等问题。1.2.3污水处理厂情况太平河沿线有四个污水处理厂，分别为第六污水处理厂（尾水出水量20万m3/d）、第七污水处理厂（尾水出水量14万m3/d），沣东南污水处理厂（尾水出水量20万m3/d）、沣东北污水处理厂（尾水出水量20万m3/d），出水标准都为一级A标，总出水量74万m3/d，需要作为太平河的补水水源，全部排入太平河内。

2方案设计

2.1总体思路

本工程主要从污水厂尾水处理、河道水质净化两个方面进行方案设计，方案总体思路为通过潜流湿地系统去除污水厂尾水中的污染物，待出水达到标准后排入河道，然后利用亲水型生态系统提升河道水质，改善河道生态环境，从而达到水质净化提升、生态可持续发展的目的。

2.2尾水湿地处理工程设计

2.2.1工程工艺简介潜流湿地是本项目的核心净化工艺，是包含植物—填料—微生物系统的复合人工池体，污水流经潜流湿地，通过植物—填料—微生物这一复合生态系统中物理、化学及生物三者共同作用，去除水体中的污染物，实现对水体的高效净化。原水自底部进入潜流湿地，均匀的流过湿地内部的生态料后，自顶部排除潜流湿地，在这个过程中，通过顶部种植的挺水植物、植物根部和生态填料表面附着的微生物的共同作用，实现了水质净化的目的。2.2.2进出水质确定①湿地进水水质根据污水处理厂设计处理标准，污水厂尾水水质满足污水排放一级A标准，如表1所示。②湿地出水水质污水厂尾水经湿地处理后用于太平河补水，太平河规划水质目标为地表水Ⅴ类水质。各分段工程设计湿地出水除总氮外，其他指标满足地表水Ⅴ类水质排放标准，通过湿地内各处理单元的净化作用，对出水水质设计见表2所示。2.2.3湿地占地面积计算潜流湿地面积设计依据《人工湿地污水处理工程技术规范》（HJ2005-2010）有关规定进行。城镇生活污水、城镇污水处理厂出水及生活污水性质相近的其他污水处理工程，可采用潜流湿地进行处理，其主要设计参数见表3所示。湿地的面积设计主要依据最大污染负荷与水力负荷，分别计算最大污染负荷与水力负荷取最大值。①按照污染负荷计算获得面积湿地污染负荷有CODcr表面负荷、NH3-N表面负荷、TP表面负荷，用污染负荷计算湿地面积：A=Q×(Co-Ce)N式中：Q—污水流量，m3/d；Co—进水污染物浓度，mg/L；Ce—出水污染物浓度，mg/L；N—污染物表面负荷，g/m2·d。②按照最大日流量水力负荷计算湿地面积：A=QNq式中：Nq—水力负荷，L/m2·d。作为湿地污水处理的系统设计，水力负荷也是需要考虑的一个重要因素，即单位时间、单位面积应用水的体积需多大量进入湿地才能达到理想的效果。潜流型湿地的水力负荷范围如表3所示，其具体参数根据预处理程度、水量选取。本工程采用较高的水力负荷750L/m2·d计算，第六污水厂、沣东南污水厂、沣东北污水厂、第七污水厂尾水净化所需湿地面积分别为266667m2、266667m2、266667m2、186667m2。以上计算方法选取最大值，则理论上潜流湿地的占地总面积为986668m2，第六污水厂、沣东南污水厂、沣东北污水厂、第七污水厂尾水净化所需湿地面积分别为266667m2、266667m2、266667m2、186667m2。工程考虑占地、运行管理、景观效果等因素，采用潜流湿地处理工艺，综合上述潜流湿地占地面积理论计算结果，工程湿地占地总面积至少为98.67万m2。

2.3清水型生态系统设计

为保证景观水体观赏效果，将水华爆发的风险降至最低，公园湿地采用清水型生态系统进行水质净化，补水水源为污水厂尾水经过湿地净水后的水体，景观湖进水水质为Ⅴ类水，设计目标位Ⅳ类水，透明度大于1.5m。2.3.1清水型生态系统净化参数设计生态系统净化效率：沉水植物为生态系统的初级生产者，代表了整个水体的生产力，是生态系统的核心环节，本设计以沉水植物指标表征生态系统综合净化效率进行设计，沉水植物生长繁殖周期为一年，其净化效率以全年计算，水质净化目标以《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）TP、TN类计算。①削减污染负荷入水水质采用《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）TP、TN主要控制富营养化指标进行设计。湖区第一年运行的主要污染物负荷总量TN为386.06kg/a，TP为77.22kg/a。②湖泊生态系统表面营养盐负荷2.3.2高等水生植物—微生物功能群设计①高等水生植物高等水生植物为生态系统最重要的初级生产力及核心组成部分，包括挺水植物、浮叶植物、沉水植物，不同的群落结构起到不同的功能。水生植物功能群选择原则：a.促进悬浮物沉降，防止再悬浮；b.净化能力强，四季净化；c.生态安全，非外来物种；d.生态景观良好。结合项目所在地的气候、地质地貌以及区域情况，沉水植物拟选择苦草群丛，挺水植物拟选择水生美人蕉、梭鱼草、花菖蒲等，浮叶植物拟选择睡莲等。配置原则：沉水植物群丛式单一品种片植，挺水植物单一品种片植，观花观叶交错配置，浮叶植物单一品种株植。②微生物微生物为生态系统核心净化功能群，其增加方式：a.直接投加；b.利用水生植物种植营造生境，通过水生植物根际—植株效应增加有益微生物系统。由于直接投加微生物无法持续净化水质，且在地表水中因缺乏碳源无法充分发挥水质净化作用，本方案采用种植水生植物，营造生境，促进系统有益微生物生长并且持续发挥净化能力。2.3.3水生动物功能群设计①沉水植物—底栖动物相生功能群湖区水体中的悬浮物容易造成沉水植物附着物过厚影响其光合作用，导致沉水植物生长减缓，净化效果不佳，构建附着物清除系统可以改善沉水植物生长缓慢的情况，从而加强其净化效果。通过原地试验发现，环棱螺可明显降低单位面积附着生物的生物量。同时，环棱螺食主要摄食附着物、有机碎屑，对植物活体无害，根据项目所在地气候、湖区水质条件，本方案拟采用梨形环棱螺品种。②底栖动物—有机质分解功能群生态系统运行后，各水生植物会有死亡、沉降、在湖底形成沉积物的过程，因此，有机物循环功能群在生态系统工程设计中至关重要。基于本文所依托项目湖泊为新建湖且无外源污染，其沉积物积累较慢，从生态系统完整性考虑，需投放具有有机碎屑摄食能力的不同梯度的有机物分解功能群。本设计底栖动物选择无齿蚌，根据无齿蚌放养密度及浮游植物控制作用设计，本方案全湖投放黄颡鱼。2.3.4生物操控—浮游动物—鱼类功能群设计湖泊生态系统中浮游动物种群增加有两个途径：①浮游动物直接添加，此种方法适合蓝藻水华或富营养化非常严重，藻类非常多且杂食性鱼类很少的水体中，否则浮游动物很难存活且发生作用；②通过典型生物操控，构建肉食性鱼类群落，控制杂食性鱼类群落，从而壮大浮游动物种群，实现对浮游植物的摄食，此种方法适合于水域面积中等至较小且杂食性鱼类较多的湖泊。根据项目景观湖的具体情况，浮游植物生物量控制通过典型生物操控实现。

3结语

通过人工潜流湿地与亲水型生态系统的综合运用，发挥了水系净化功能，改善了污水厂尾水水质，通过该项工程，完善了水系湿地净化系统，引污水厂尾水进入湿地系统，经处理后排入太平河，大大削减了太平河的污染负荷。同时，通过该项工程的建设，对该区域的生态修复及太平河周围景观起到了美化作用，使湿地系统产生景观效应。

作者：印锡平 马江红 杜荣波 夏新波 梁鑫 单位：中电建路桥集团有限公司 中国水利水电第三工程局有限公司