苏南某城市郊区乡镇河道黑臭水体整治设计

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　　摘要：近年來，苏南地区城镇化迅速发展，使原本距城市较远的乡镇变成了非规划中的“城市郊区”，乡镇城市化高速发展的同时，日益增多的生活污水、工业废水和初期雨水导致水质变化，形成黑臭水体。以苏南某城市郊区乡镇黑臭河道为例，经现场调查之后，依据河道生物相、底泥底质及水质现状，并融合江南村镇水景观设计理念，将河道分为5个治理段，分别采用不同的物理-生物-生态组合工艺（清淤、截污、复氧、湿地造流活水、生态提升）进行设计、施工。工程完工6个月后的检测结果表明，所采用的治理工程可对重污染河道中的污染物氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）等有较高的去除效果，可使其浓度保持在1.5、2.0、0.3、34.7 mg/L左右，去除率分别为66.52%、79.21%、44.44%、42.55%，河道整体水质达到了《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）V类要求。同时，河道中的溶解氧（DO）、透明度、氧化还原电位稳定在5 mg/L、60 cm、50 MV左右，经公众评议黑臭消除，创造了一个自然、活泼、美丽的镇区生态景观。经核算，工程总投资约120万元，年运行费用6.1万元，NH3-N、TN、TP、COD年减排量分别可达36.09、92.28、2.91、310.86 t。
　　关键词：乡镇河道;苏南;黑臭水体;复合型湿地;原位生态修复
　　中图分类号：X703         文献标识码：A
　　文章编号：0439-8114（2020）01-0049-05
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.01.010           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Abstract： In recent years， the urbanization of southern Jiangsu province has developed rapidly， turning the towns and towns far away from the city into unplanned “urban suburbs”. At the same time as the rapid development of towns and villages， increasing sanitary sewage， industrial wastewater and initial rainwater which makes the water worse are the causes of black and odorous rivers. This project took the black and odorous river in the suburbs of a city in southern Jiangsu as an example. After a field investigation of the river， the river was divided into five parts according to biological phase， sediment， water quality and integrating the water landscape design concept of Jiangnan villages and towns. Each part adopted different physical-bio-ecological combination processes （desilting， interception， re-oxygenation， wetlands produce running water， ecoenhancement） for design and construction. Engineering test results showed that the remediation plan can have higher removal efficiency on pollutants including ammonia nitrogen （NH3-N）， total nitrogen（TN）， total phosphorus（TP）， chemical oxygen demand （COD）， etc. in heavy polluted rivers. NH3-N， TN， TP， COD can maintain its concentration at 1.5 mg/L， 2.0 mg/L， 0.3 mg/L， 34.7 mg/L， removal rates were 66.52%， 79.21%， 44.44%， 42.55% when 6 months after completion of the construction. At the same time， dissolved oxygen （DO）， transparency and redox potential in the river were stable at 5 mg/L， 60 cm， 500 MV. The quality of the river has reached the requirements of Class V of the Surface Water Environmental Quality Standards. After public comments， black and odorous rivers will be eliminated to create a natural， lively and beautiful ecological landscape of the town. According to the calculation， the total investment of the project is about 1.2 million， the annual operating cost is 61 000， and the emission reductions of NH3-N， TN， TP and COD are up to 36.09 t/a， 92.28 t/a， 2.91 t/a， 310.86 t/a，respectively. 　　Key words： village rivers; south Jiangsu; black and smelly water; complex wetland; in situ ecological restoration
　　近年来，苏南地区城镇化发展迅速，多数道路硬化，成排商品房新建，大批工商业企业入驻，大量外来人口涌入，使原本距城市较远的乡镇变成了非规划中的“城市郊区”。苏南乡镇河网密布，河流大多介于长江和太湖之间，河流间水力联系密切，水量受季节影响，区域内排入河道的污染物总量超出水环境容量[1，2]，部分水体纳污水平有限，导致水质变化，形成黑臭水体。黑臭水体不仅影响居民的感观体验，也直接影响到社会生产和人民生活。
　　目前城市黑臭水体整治已经成为地方各级人民政府改善城市人居环境工作的重要内容，但城镇黑臭水体整治措施还未广泛实施。对照《国务院关于印发水污染防治行动计划的通知》和江苏省《“两减六治三提升”专项行动方案》（简称“263”行动），江苏省太湖流域等重点区域将在2020年实现Ⅴ类水的比例控制在30%以下，地级及以上城市建成区河道的黑臭现象控制在10%以内。
　　本研究以距离城市主城区约10 km的苏南某乡镇黑臭河道雁荡河为例，针对雁荡河周边截污管道不完善、雨污分流不到位导致的氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）浓度超标等问题，采取河道清淤、管道截污、曝气复氧、人工湿地活水、设生态浮岛与投加生态填料等治理措施，达到净化水质，实现水清岸绿景美的目的，以期为苏南城市郊区乡镇河道黑臭水体整治和水景观设计提供参考。
　　1  治理思路
　　1.1  水环境提升区域概况
　　水環境提升区域为雁荡河南延段，位于雁荡河、北漕河的交汇处与中巷河之间，河流自西向东流动，上游为雁荡河和北漕河，下游为中巷河。雁荡河南延段长约850 m，平均宽约12 m，平均水深约1.8 m，河道面积1.02 hm2。水环境提升工程将雁荡河南延段分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ治理段，治理段总体布局如图1所示。
　　1.2  水环境现状调查及存在问题
　　1.2.1  河道生物相分析  5个治理段内的浮游植物均以蓝藻（Cyanobacteria）为主，浮游动物以原生动物为主，优势种为旋回侠盗虫（Strobilidium gyrans）;水生高等植物以芦苇（Phragmites communis）、野菱（Trapa incisa）为主，水生低等植物以水花生（Alternanthera philoxeroides）等为主。
　　1.2.2  河道底泥底质分析  治理段底质结构包括浮泥层、污泥层和淤泥质土3层，总厚度约1.3 m，主要包含死亡藻类、树叶、垃圾等沉积物，经检测满足《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB 15618—2018）的要求。
　　1.3  现状水质检测与评价
　　经过对雁荡河南延段和上、下游河道进行调查采样和水质检测，所得水质特征如表1所示。从检测结果可以看出，该河水中NH3-N、TN、TP、COD均高于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中V类水的指标浓度，为劣V，氧化还原电位依据《城市黑臭水体整治工作指南》为轻度黑臭的指标范围。
　　1.4  整治方案设计路线
　　依据水质检测结果，提出雁荡河南延段整治方案，设计路线见图2。
　　1.5  黑臭水体消除评价方法
　　黑臭水体消除评价参照《城市黑臭水体整治工作指南》第五章“城市黑臭水体整治效果评估”中的方法，从公众评议、水质监测、工程竣工资料、政策机制建设4个方面进行评估，即同时满足4个条件：①工程竣工后，完成调查问卷满意度在90%以上;②对黑臭水体进行连续6个月水质监测，达到消除黑臭的目标;③提供全部工程或措施的完工证明材料及必要的影像资料;④建立河道或沟塘长效管理机制，确保水体长治久清。
　　2  工程方案设计
　　依据河道生物相、底泥底质及水质现状将河道分为5个治理段，分别采用不同的物理-生物-生态组合工艺进行设计，采取“清淤+截污+复氧+人工湿地+生态提升”工程措施治理镇区河道。
　　现有湿地为表流单一湿地，不仅景观效果单一，同时对水体的净化能力也有限（图3a）。现将原来的表流湿地改成由潜流湿地、表流湿地、沉水沉淀区组成的复合型湿地工程（图3b），最大程度地发挥工程效应。
　　2.1  集水沉淀段（Ⅰ）
　　该段长110 m，宽12～15 m不等，水深1.0～2.0 m，水面面积约1 430 m2。首先，对该段河道中浮生植物及其他漂浮物进行打捞，河底淤泥进行清理、外运、处理;然后，设置围隔拦截河水形成沉水区;最后，设置水力推流器将该处理段的河水排放至Ⅱ处理段。
　　2.2  湿地净化段（Ⅱ）
　　植物科普区：该段长150 m，宽约12 m，水深1.0～1.8 m，水面面积约1 800 m2。在湿地四周修建蓄水挡墙，湿地建成台阶式，通过提升泵将雁荡河南延段的水提升入湿地内。根据水位选种浮叶植物和挺水植物，以名牌说明植物名称、特性、功能。据不同植物所在的不同生长季节，合理控制植物之间的间距。植物培植的初期以人工培养为主，以物种多样性为目标，使各个物种均衡生长，经过一段时间，生态系统便趋于多样性，人工辅助行为可逐渐撤离，从而净化水质，提高水体透明度[3]。
　　2.3  跌水曝气段（Ⅲ）
　　听雨戏水区：该段长约200 m，宽12～15 m，水深1.5～2.0 m，水面面积约2 800 m2。在雁荡河南延段与童子河南段交汇处沿原来的河岸线建挡墙作为水位提升区，挡墙内建跌水景观亭，河水用泵提升由亭顶以雨瀑状下落至亭外回廊，下落过程自然复氧。跌水景观亭后段构建表流湿地，末端构建景观鱼池，鱼池起到蓄水和观赏的作用。 　　2.4  曝气复氧段（Ⅳ）
　　表流净化区：该段长约230 m，宽10～12 m，水深1.0～1.2 m，水面面积约2 300 m2。前半部分以挺水植物为主建表流湿地，后半部分由于不适合植物生长，所以构建水流雕塑跌水区，经过表流湿地的水，流入一串形似花瓣的莲花石溪，利用落差产生的冲力，充分地曝气充氧，增强水中的含氧量，极富动感和观赏价值。尾部构建沉水植物展示区，搭配睡莲造景。
　　2.5  植物景观净化段（Ⅴ）
　　沉水观景区：该段长约160 m，宽10～12 m，水深1.2～1.5 m，水面面积约1 870 m2。原先种植大量芦苇，但由于季节原因，冬季芦苇呈枯萎状态，严重影响整体景观效果。现改为种植沉水植物，沉水植物因扎根底泥中，可以直接从底泥中吸收营养，从而起到去除NH3-N、TP的作用[4]。同时以高大挺水植物为背景构造清水平台廊道，也能作为游览者取景的良地。
　　2.6  河道自净能力生态提升
　　在水域相对开阔、流速较缓、水深大于2 m的水域范围内每隔20 m设置1个半径约为5 m的浮岛，利用浮岛中的水生植物吸收水体中的N、P等营养元素，吸附、截留藻类等悬浮物[5，6]。浮岛中的水生植物可选择风车草、再力花混合种植，对TN、TP的去除率最高[7]。
　　在种植沉水植物之前按0.05 kg/m2的平均浓度在雁荡河投放底质改良剂510 kg，投放时均匀泼洒。底质改良剂由微生物制剂（主要为本地菌种）和惰性载体组成。微生物可以分解底泥中的有机物，改良底泥基质[8]。然后，在水深为0.5～1.5 m的区域两侧1 m范围內种植沉水植物，进一步去除残留的N、P。
　　为了更好地发挥植物与微生物的协同作用，植物根际区形成利于营养盐输出的微生物群落，有效分解水中有机物[9]，共布设长度为1 m的弹性填料约24 000根。具体布设方式为每组曝气头两边各布置一组生态填料，布设448组，每组规格为2 m×2 m，布设9根/m2，累计布设约16 000根弹性填料;此外，生态浮床下布设9根/m2，累计悬挂约8 000根。为了更好地发挥填料的作用，将填料布设在曝气头上方（图4）。
　　在黑臭河道中设置曝气复氧系统，提高水体中的溶解氧含量，为生态浮岛和底质改良剂提供氧气。本项目的曝气分成3种类型，一种为底部曝气，在距池底180～200 mm处布设曝气支管，距池底230～250 mm布设曝气器，在Ⅰ治理段布置2台功率为0.75 kW/台的微纳米气泡复氧设备（一备一用）间歇曝气;另一种为简易式喷泉曝气，在Ⅳ治理段20 m布置1个;还有一种灯光景观喷泉，在Ⅴ治理段设置1个，可在曝气的同时塑造美化河面景观。
　　3  减排及经济投资分析
　　3.1  黑臭水体消除评价结果
　　按照国家住建部《城市黑臭水体整治工作指南》中城市黑臭水体整治效果评估方法进行了评价，结果如下。
　　1）问卷部分。对雁荡河南延段影响范围内的121名社区居民、商户等进行调查问卷，114份问卷答复“满意”或“非常满意”，满意率为94.2%。
　　2）水质部分。工程竣工后，连续6个月的水质监测数据显示河道中的污染物NH3-N、TN、TP、COD浓度可保持在1.5、2.0、0.3、34.7 mg/L左右（表2），达到了消除黑臭水体的目的。
　　3）验收部分。具备全部工程或措施的完工证明材料。
　　4）政策机制建设部分。已落实“河长制”，由专人负责巡查河道情况;完成了雁荡河“一河一策”行动计划。
　　由上述公众评议、水质监测、工程竣工资料、政策机制4个方面完成情况评价，达到《城市黑臭水体整治工作指南》的黑臭消除要求，工程治理效果明显。
　　3.2  减排分析
　　根据治理前的采样检测结果得出雁荡河南延段上游河道水质明显好于下游河道水质，说明本河段仍存在污染物输入，经过治理后，本河段污染物浓度明显下降，为更直观地了解本工程的减排效果，按照设计年均流速为0.05 m/s，从污染物去除率和污染物削减量两个方面进行分析。本工程的污染物去除率和污染物削减量计算公式如下：
　　本工程的污染物减排量=（治理前浓度-治理后浓度）×河宽×河高×年均流速×3 600 s×24 h×365 d×10-6
　　按照设计要求治理后，NH3-N去除率为66.52%，TN去除率为79.21%，TP去除率为44.44%，COD去除率为42.55%，雁荡河南延段水质整体提升。NH3-N、TP可满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅳ类水水质标准，TN、COD可满足Ⅴ类水水质标准。NH3-N年减排量为36.09 t，TN年减排量为92.28 t，TP年减排量为2.91 t，COD年减排量为310.86 t，雁荡河南延段污染物明显削减，溶解氧（DO）、透明度以及氧化还原电位提高（表2）。
　　3.3  经济投资分析
　　采用静态经济评价方法[10，11]，本工程一次性总投资为120万元。以水面面积10 200 m2计，单位费用为117.65元/m2。
　　本工程运行费用：①电费（E1）。提升泵站用电负荷为20 kW（每天实际运行时间按8 h计）;曝气系统用电荷为0.75 kW（每天实际运行按6 h计），电价按0.6元/（kW·h）计，则用电成本为98.7元/d。②人工费（E2）。提升泵站设1人兼职管理，人均月工资按1 200.0元计，则人工费用为40.0元/d。③设备日常维护管理费（E3），以每年0.24万元计，则日常维护管理费为6.6元/d。④湿地植物养护费（E4）。用于植物的更换、修建、收割的费用以每年0.8万元计，则该项费用成本22.0元/d。 　　城镇沿河段整个治理区域年每天运行费用为E=E1+E2+E3+E4=98.7+40.0+6.6+22.0=167.3元，年运行费用为61 064.5元。
　　4  小结
　　本工程采用“清淤+截污+复氧+湿地造流活水+生态提升”的方法治理乡镇黑臭污水河道，可使河水中NH3-N、TN、TP、COD浓度分别稳定在1.5、2.0、0.3、34.7 mg/L，水体水质维持《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）V类水质。年减排NH3-N为36.09 t，TN为92.28 t，TP为2.91 t，COD为310.86 t。同时，河道水质也达到《城市黑臭水体整治工作指南》的黑臭消除要求，工程治理效果明显。经测算，该工程总投资120万元，约为117.65元/m2，年运行总费用为61 064.5元，约为6元/m2。本工程位于非规划中的“城市郊区”，实现了苏南某城镇黑臭河道的水环境生态修复和生态自然演替，具有工程示范作用和应用推广价值。
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