幸福河水環(huán)境治理研究

劉 偉

(江蘇省環(huán)境工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019)

自2016年以來(lái)，全國(guó)各地如火如荼地開(kāi)展了城市黑臭水體整治工作。截至2020年底，全國(guó)地級(jí)及以上城市已消除98.2%的黑臭水體。然而，對(duì)于長(zhǎng)江沿線及部分重點(diǎn)湖泊區(qū)域，根據(jù)《安徽省水環(huán)境功能區(qū)劃(報(bào)批稿)》，安徽省境內(nèi)的長(zhǎng)江干流水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類(lèi)，長(zhǎng)江流域其他主要河流水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅳ類(lèi)，與較高的斷面水質(zhì)要求相比，河道治理仍然任重道遠(yuǎn)。本研究以設(shè)有國(guó)控?cái)嗝?Ⅳ類(lèi))的來(lái)河支流——幸福河為研究對(duì)象，以其主要水質(zhì)指標(biāo)(CODcr、NH3-N、TP)達(dá)到Ⅳ類(lèi)進(jìn)行水環(huán)境治理工程設(shè)計(jì)，并希望通過(guò)相關(guān)工程的實(shí)施，提高國(guó)控?cái)嗝娴乃|(zhì)達(dá)標(biāo)率。

1 現(xiàn)狀及主要問(wèn)題

1.1 區(qū)域概況

本研究中的河道(幸福河)位于安徽省滁州市來(lái)安縣水口鎮(zhèn)，鎮(zhèn)域內(nèi)以農(nóng)村用地為主，耕地約占鎮(zhèn)域面積的70%。農(nóng)田溝渠交織密布，通過(guò)若干條排水干渠于鎮(zhèn)區(qū)匯入幸福河。幸福河長(zhǎng)約1.3km，平均寬度約40m，在其末端設(shè)有閘門(mén)用于控制排澇。鎮(zhèn)區(qū)建設(shè)用地約7km2，人口約2萬(wàn)，鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)居民住宅以自建房為主，建有學(xué)校、小型商業(yè)區(qū)、行政辦公區(qū)、菜市場(chǎng)等公共設(shè)施，配備自來(lái)水、燃?xì)?、通信設(shè)施及生活污水處理廠。幸福河及其支流分布見(jiàn)圖1。

1.2 存在的主要問(wèn)題

a.幸福河水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，部分支流水質(zhì)差。經(jīng)檢測(cè)，幸福河現(xiàn)狀主要水質(zhì)指標(biāo)(CODCr、NH3-N、TP)為劣Ⅴ類(lèi)，不滿足Ⅳ類(lèi)水質(zhì)要求，主要超標(biāo)因子為CODCr及NH3-N。雖然部分農(nóng)田溝渠冬季水質(zhì)指標(biāo)(CODCr、NH3-N、TP)優(yōu)于Ⅳ類(lèi)，但部分幸福河支流為劣Ⅴ類(lèi)。

b.管網(wǎng)系統(tǒng)不完善，管道缺陷嚴(yán)重。鎮(zhèn)域內(nèi)雖已建立部分排水管網(wǎng)，但排水系統(tǒng)仍不健全。主要問(wèn)題包括：?在面積較大的農(nóng)村地區(qū)基本無(wú)污水管網(wǎng)，在幸福河及其支流沿線污水直排入河；?鎮(zhèn)區(qū)內(nèi)管網(wǎng)大多為合流制，雨季溢流嚴(yán)重，大量雨水進(jìn)入污水管網(wǎng)導(dǎo)致污水處理廠進(jìn)水量激增，最高達(dá)到年均值的1.7倍；?在分流制區(qū)域存在混接錯(cuò)接；?管網(wǎng)缺陷問(wèn)題普遍，河水入滲污水管道，鎮(zhèn)區(qū)污水處理廠進(jìn)水濃度偏低，全年平均進(jìn)水CODCr小于100mg/L。

c.河道底泥富營(yíng)養(yǎng)化，內(nèi)源污染嚴(yán)重。由于生活污水入河、農(nóng)業(yè)種植、畜禽養(yǎng)殖及漁業(yè)養(yǎng)殖等原因，導(dǎo)致污染物大量沉積于河底，底泥富營(yíng)養(yǎng)化。幸福河及大部分支流多年未清淤，底泥淤積較厚，內(nèi)源釋放不容小覷。

d.農(nóng)業(yè)種植面積廣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染貢獻(xiàn)大。幸福河匯水范圍內(nèi)農(nóng)田面積約28km2，且以種植水稻為主。在農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生大量農(nóng)田退水，沿河居民利用部分支流進(jìn)行畜禽養(yǎng)殖和漁業(yè)養(yǎng)殖，均對(duì)河道水質(zhì)產(chǎn)生不利影響。

e.水生態(tài)系統(tǒng)不健全，水體凈化能力低。幸福河及其大部分支流水系內(nèi)水生植物匱乏，幾乎無(wú)水生植物生長(zhǎng)，水生態(tài)系統(tǒng)不健全，對(duì)污染物的自凈能力較低。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 總體思路

該工程目標(biāo)治理河道幸福河雖然只有1.3km，但其主要支流總長(zhǎng)超過(guò)10km，匯水范圍約32km2。因此，宜從流域角度對(duì)幸福河開(kāi)展源頭治理和系統(tǒng)治理。針對(duì)上述問(wèn)題，該工程以削減入河污染為基礎(chǔ)、以恢復(fù)河道自然生態(tài)為核心、以旁路凈化為支撐，通過(guò)相關(guān)工程的實(shí)施，保障幸福河主要水質(zhì)指標(biāo)(CODCr、NH3-N、TP)達(dá)到地表水Ⅳ類(lèi)。

根據(jù)以上分析，確定的該工程的技術(shù)路線見(jiàn)圖2。

2.2 控源截污工程

“黑臭在水里，根源在岸上”，雖然幸福河現(xiàn)狀為非黑臭水體，但控源截污仍然是水質(zhì)達(dá)標(biāo)的基本前提?？卦唇匚酃こ讨饕ㄑ睾咏匚酃こ?、鎮(zhèn)區(qū)市政管網(wǎng)完善工程、小區(qū)雨污分流工程及片區(qū)末端截污工程，實(shí)施范圍涵蓋幸福河的整個(gè)匯水范圍。

2.2.1 沿河截污納管工程

按照污水來(lái)源，沿河污水排口可分為沿河居民生活污水排口、市政排口、企事業(yè)單位排口。對(duì)于鎮(zhèn)區(qū)沿河居民生活污水直排口，沿河新建污水管道收集直排生活污水，并接至污水管網(wǎng)；對(duì)于非鎮(zhèn)區(qū)沿河村莊居民直排生活污水，通過(guò)管道收集后就近采用一體化污水處理設(shè)施進(jìn)行處理，處理達(dá)標(biāo)后排入附近農(nóng)田溝渠，經(jīng)農(nóng)田溝渠進(jìn)一步凈化后進(jìn)入河道。對(duì)于市政排口，采用末端截污方式將污水接入污水管網(wǎng)；對(duì)于企事業(yè)單位排口，就近接入污水管網(wǎng)。同時(shí)，對(duì)于高程較低的排口，在截污的同時(shí)考慮設(shè)置防倒灌設(shè)施，避免河道高水位時(shí)河水倒灌入污水管網(wǎng)。《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014—2021)推薦截留倍數(shù)為2～5，考慮到水質(zhì)目標(biāo)及在采取沿河截污納管的同時(shí)將會(huì)進(jìn)行管網(wǎng)改造工程，對(duì)于沿河污水直排口中的合流制管道截留倍數(shù)取2。

2.2.2 管網(wǎng)改造工程

鎮(zhèn)區(qū)大部分住宅為自建房，分布相對(duì)散亂，難以將各住戶的污水接出并匯入污水干管，實(shí)施系統(tǒng)的雨污分流工程。因此，擬結(jié)合污水主干管建設(shè)情況，將鎮(zhèn)區(qū)劃分為若干片區(qū)，在每個(gè)片區(qū)的出口設(shè)置截污設(shè)施，將片區(qū)內(nèi)的旱季污水截入污水主干管，雨季超過(guò)截留能力的合流污水則通過(guò)管道輸送至河道。為減少合流污水進(jìn)入污水管道，減小下游污水管道管徑，部分截留設(shè)施采用浮球閥或智能截留井對(duì)合流污水流量進(jìn)行控制。

對(duì)于鎮(zhèn)區(qū)少量的集中式住宅，具備雨污分流條件的盡量實(shí)施雨污分流工程，部分老舊小區(qū)結(jié)合拆遷改造計(jì)劃同步實(shí)施；由于空間狹窄等原因難以實(shí)施雨污分流的，在小區(qū)總出口設(shè)置截留設(shè)施，保證旱季污水全部接入市政污水管網(wǎng)，減少雨季高濃度合流污水進(jìn)入河道。

2.2.3 鎮(zhèn)區(qū)市政主管網(wǎng)完善工程

鎮(zhèn)區(qū)排水體制規(guī)劃為分流制，但現(xiàn)狀大部分管網(wǎng)為合流制。因此，結(jié)合規(guī)劃在分流制區(qū)域主要進(jìn)行市政主管道的病害修復(fù)及混接改造，尤其是對(duì)沿河污水干管加強(qiáng)修復(fù)、防滲措施；對(duì)合流制區(qū)域補(bǔ)建缺失的雨污管網(wǎng)；對(duì)無(wú)雨污管網(wǎng)的地區(qū)進(jìn)行雨污管網(wǎng)的同步完善，消除管網(wǎng)空白區(qū)。

2.3 內(nèi)源治理工程

底泥為河道內(nèi)水生植物、動(dòng)物、微生物的生存提供了便利條件，但生活污水、管網(wǎng)沉積物、枯枝落葉、農(nóng)田退水等污染源進(jìn)入河道后導(dǎo)致底泥污染，污染物主要包括氮、磷、有機(jī)質(zhì)及重金屬。研究表明：即使在外源污染輸入得到有效控制后，底泥中內(nèi)源污染物的釋放仍會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化[1]。幸福河及其部分支流多年未清淤，底泥淤積層較厚，局部超過(guò)50cm。因此，需開(kāi)展環(huán)保清淤，消除污染層，實(shí)施范圍為幸福河、一級(jí)支流、重要的和污染嚴(yán)重的二級(jí)支流。

底泥清淤的重點(diǎn)在于把握清淤深度，清淤深度過(guò)大易破壞河底生態(tài)，清淤太淺則不能有效清除底泥中的污染物[2]。依據(jù)《湖泊河流環(huán)保疏浚工程技術(shù)指南》[3]，環(huán)保清淤前采取柱狀樣進(jìn)行檢測(cè)，清淤深度結(jié)合氮、磷吸附-解析實(shí)驗(yàn)及Hankanson指數(shù)確定。該工程治理河流為內(nèi)河，水位較淺，便于排干作業(yè)。從節(jié)約成本考慮，采用干挖清淤與水力沖淤相結(jié)合的方式進(jìn)行清淤。

依據(jù)《固體廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 通則》(GB 34330—2017)及《固體廢物處理處置工程技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 2035—2013)，清淤底泥在處理處置前需首先判定是否屬于危險(xiǎn)廢物，并根據(jù)《一般工業(yè)固體廢物貯存和填埋污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18599—2020)進(jìn)一步判定其屬于Ⅰ類(lèi)還是Ⅱ類(lèi)工業(yè)固體廢物。該工程河道匯水范圍內(nèi)用地以農(nóng)田和居民住宅為主，基本無(wú)工業(yè)企業(yè)。從縮短檢測(cè)周期、減少檢測(cè)費(fèi)用角度考慮，底泥危險(xiǎn)廢物屬性鑒別結(jié)合底泥清淤深度指標(biāo)檢測(cè)同步進(jìn)行，重點(diǎn)檢測(cè)常見(jiàn)重金屬及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的農(nóng)藥。底泥若屬于危險(xiǎn)廢物，交由相應(yīng)有資質(zhì)單位進(jìn)行處理；若為一般固體廢物，可用于建筑材料、綠化種植土或進(jìn)行填埋處理，并應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)定。

2.4 農(nóng)田退水治理工程

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)農(nóng)田面源污染控制進(jìn)行了研究，除通過(guò)科學(xué)施肥從源頭減少施肥量進(jìn)而控制污染源釋放外，還可構(gòu)建農(nóng)田生態(tài)溝渠[4]或人工濕地[5-6]等發(fā)揮“滯”和“凈”作用。該工程治理河道上游農(nóng)田密布，無(wú)新建人工濕地空間，因此，設(shè)計(jì)構(gòu)建農(nóng)田生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田退水污染物進(jìn)行沿途削減。考慮到大部分農(nóng)田溝渠常年水深低于10cm甚至處于半濕潤(rùn)狀態(tài)，擬在幸福河匯水范圍內(nèi)的農(nóng)田斗溝、支溝、干溝中恢復(fù)本土生長(zhǎng)良好的茭白，在發(fā)揮水質(zhì)凈化功能的同時(shí)也可產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2.5 水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建工程

水生態(tài)修復(fù)工程主要包括水生植物恢復(fù)、水生動(dòng)物投放，其中水生植物主要包括沉水植物和挺水植物。研究表明：沉水植物不僅可直接吸收河道中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、光合作用產(chǎn)生溶解氧，還可通過(guò)化感作用抑制藻類(lèi)生長(zhǎng)，是淺水水體生態(tài)修復(fù)的核心[7]。挺水植物對(duì)氮、磷也具有較好的水質(zhì)凈化作用，甚至對(duì)部分重金屬、有機(jī)污染物具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力[8-9]，但大部分挺水植物形態(tài)高大，大面積種植時(shí)易對(duì)河道排澇造成不利影響。水生動(dòng)物主要包括濾食性魚(yú)類(lèi)及底棲動(dòng)物，它們可通過(guò)濾食作用控制氮、磷，凈化水質(zhì)[10]。水生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施范圍為幸福河及其一級(jí)、二級(jí)支流。

參照《內(nèi)陸水域“測(cè)水配方”水生態(tài)養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(DB37/T 4332—2021)，結(jié)合其他河道治理經(jīng)驗(yàn)[11]，沉水植物種植于水深0.5～2m的區(qū)域，種植面積約為水面面積的60%；挺水植物主要種植于河道最高排澇水位以上30cm內(nèi)，沿岸線帶狀間隔種植。水生植物優(yōu)先選擇耐污能力強(qiáng)、凈化效果好、便于管理的本土植物，淺水區(qū)水深(0.5～1.5m)沉水植物主要選用苦草、馬來(lái)眼子菜，水體較深處(水深大于1.5m)主要選用微齒眼子菜、狐尾藻、金魚(yú)藻、黑藻，同時(shí)搭配一定比例的菹草，以便冬季其他水生植物衰亡時(shí)為水體提供一定的溶解氧。挺水植物除考慮凈化能力外，還從植株高度、花期等景觀因素考慮，選擇菖蒲、燈芯草、旱傘草、水生美人蕉、再力花及本土物種茭白。水生動(dòng)物主要選擇鰱魚(yú)、鳙魚(yú)、銅銹環(huán)棱螺、河蚌，并搭配少量的鲴類(lèi)。

2.6 旁路凈化工程

即使在實(shí)施控源截污及內(nèi)源治理工程后，合流制溢流污染、地表徑流污染及超過(guò)生態(tài)溝渠凈化、調(diào)蓄能力的農(nóng)田退水進(jìn)入河道后仍會(huì)導(dǎo)致入河污染負(fù)荷大于河道環(huán)境容量。為盡快恢復(fù)雨后幸福河水質(zhì)，擬采取旁路凈化工程提升水體的凈化能力。

常見(jiàn)的河道旁路凈化工藝包括混凝沉淀技術(shù)、超磁分離技術(shù)、曝氣生物濾池技術(shù)、生物接觸氧化技術(shù)[12]及人工濕地技術(shù)[13]?；炷恋怼⒊欧蛛x技術(shù)通常對(duì)于NH3-N沒(méi)有凈化效果；曝氣生物濾池技術(shù)需要對(duì)原水中的懸浮物進(jìn)行預(yù)處理防止系統(tǒng)堵塞，且反沖洗系統(tǒng)復(fù)雜[14]；而單獨(dú)采用人工濕地技術(shù)需要占用大量土地。結(jié)合河道主要超標(biāo)因子(CODCr、NH3-N)、周邊用地現(xiàn)狀及規(guī)劃(以農(nóng)田為主，局部位置分布水塘)，采用接觸氧化工藝，可充分利用河道周邊現(xiàn)有水塘，在不新增用地的前提下實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化。因此，該工程擬利用靠近幸福河面積較大的水塘，采用生物接觸氧化工藝去除CODCr及NH3-N，并在生物接觸氧化塘末端設(shè)置除磷單元，通過(guò)吸附材料對(duì)磷的物理化學(xué)作用將磷去除，保障出水中的磷穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

在無(wú)水源補(bǔ)給的情況下，河道基本處于不流動(dòng)狀態(tài)，旁路凈化后的水體難以與未處理的河水快速交換，容易呈現(xiàn)“一端好一端差”的現(xiàn)象。因此，在旁路凈化基礎(chǔ)上同時(shí)采取活水循環(huán)促進(jìn)水體流動(dòng)。從類(lèi)似工程來(lái)看，循環(huán)水通常采用15～30d的循環(huán)周期[12]。因此，考慮水體循環(huán)時(shí)間為20d，并得出旁路凈化工程的處理規(guī)模。參照《生物接觸氧化法污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ 2009—2011)，水力停留時(shí)間取4h，據(jù)此確定接觸氧化池塘體體積、填料量。

2.7 綜合調(diào)度

為使旁路凈化工程充分發(fā)揮作用，在雨季及農(nóng)田集中退水時(shí)節(jié)宜適當(dāng)降低河道水位，發(fā)揮河道自有調(diào)蓄作用，延長(zhǎng)污染物停留時(shí)間，以使污染物在旁路凈化系統(tǒng)中充分發(fā)揮降解作用。同時(shí)，為保障河道排澇功能、減小對(duì)旁路凈化區(qū)的沖擊，在汛期來(lái)臨時(shí)應(yīng)注意河道水位變化情況。當(dāng)超過(guò)預(yù)定水位時(shí)，及時(shí)打開(kāi)河道中的閘壩并關(guān)閉旁路凈化系統(tǒng)中的進(jìn)水系統(tǒng)，滿足河道排澇要求。

3 結(jié)論與建議

a.工程實(shí)施后極大地削減了入河污染負(fù)荷，水生態(tài)系統(tǒng)得以完善，提升了水體凈化能力，可保障幸福河主要水質(zhì)指標(biāo)(CODCr、NH3-N、TP)達(dá)到Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。

b.建議在鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展過(guò)程中，逐步建立起與人口、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境要求相適應(yīng)的排水及處理系統(tǒng)。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)鎮(zhèn)區(qū)排水設(shè)施監(jiān)管，嚴(yán)禁管道私接，禁止企業(yè)生產(chǎn)廢水接入雨水管道。

c.建議劃定河道保護(hù)范圍，嚴(yán)禁在保護(hù)范圍內(nèi)傾倒垃圾、種植、畜禽養(yǎng)殖及漁業(yè)養(yǎng)殖。

d.建議提供農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)，指導(dǎo)科學(xué)施肥、減少化肥使用量，從源頭減少污染物排放量。