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城市黑臭水体治理方案设计

黑臭水体治理技术选择原则

城市黑臭水体整治技术的选择应遵循“适用性、综合性、经济性、长效性和安全性”等原则:

(1)适用性:地域特征及水体的环境条件将直接影响黑臭水体治理的难度和工程量,需要根据水体黑臭程度、污染原因和整治阶段目标的不同,有针对性地选择适用的技术方法及组合。

(2)综合性:城市黑臭水体通常具有成因复杂、影响因素众多的特点,其整治技术也应具有综合性、全面性。需系统考虑不同技术措施的组合,多措并举、多管齐下,实现黑臭水体的整治。

(3)经济性:对拟选择的整治方案进行技术经济比选,确保技术的可行性和合理性。

(4)长效性:黑臭水体通常具有季节性、易复发等特点,因此整治方案既要满足近期消除黑臭的目标,也要兼顾远期水质进一步改善和水质稳定达标。

(5)安全性:审慎采取投加化学药剂和生物制剂等治理技术,强化技术安全性评估,避免对水环境和水生态造成不利影响和二次污染;采用曝气增氧等措施要防范气溶胶所引发的公众健康风险和噪音扰民等问题。

城市黑臭水体治理方案设计

黑臭水体治理常用技术及其特点

1.2.1控源截污

1.2.1.1截污纳管

适用范围:从源头控制污水向城市水体排放,主要用于城市水体沿岸污水排放口、分流制雨水管道初期雨水或旱流水排放口、合流制污水系统沿岸排放口等永久性工程治理。

技术要点:截污纳管是黑臭水体整治最直接有效的工程措施,也是采取其他技术措施的前提。通过沿河沿湖铺设污水截流管线,并合理设置提升(输运)泵房,将污水截流并纳入城市污水收集和处理系统。对老旧城区的雨污合流制管网,应沿河岸或湖岸布置溢流控制装置。无法沿河沿湖截流污染源的,可考虑就地处理等工程措施。严禁将城区截流的污水直接排入城市河流下游。实际应用中,应考虑溢流装置排出口和接纳水体水位的标高,并设置止回装置,防止暴雨时倒灌。限制因素:工程量和一次性投资大,工程实施难度大,周期长;截污将导致河道水量变小,流速降低,需要采取必要的补水措施。截污纳管后污水如果进入污水处理厂,将对现有城市污水系统和污水处理厂造成较大运行压力,否则需要设置旁路处理。


1.2.1.2面源控制

适用范围:主要用于城市初期雨水、冰雪融水、畜禽养殖污水、地表固体废弃物等污染源的控制与治理。

技术要点:可结合海绵城市的建设,采用各种低影响开发(LID)技术、初期雨水控制与净化技术、地表固体废弃物收集技术、土壤与绿化肥分流失控制技术,以及生态护岸与隔离(阻断)技术;畜禽养殖面源控制主要可采用粪尿分类、雨污分离、固体粪便堆肥处理利用、污水就地处理后农地回用等技术。

限制因素:工程量大,影响范围广;雨水径流量及径流污染控制需要水体汇水区域整体实施源头减排和过程控制等综合措施,系统性强,工期较长;工程实施经常受当地城市交通、用地类型控制、城市市容管理能力等因素制约。


1.2.2内源治理

1.2.2.1垃圾清理

适用范围:主要用于城市水体沿岸垃圾临时堆放点清理。技术要点:城市水体沿岸垃圾清理是污染控制的重要措施,其中垃圾临时堆放点的清理属于一次性工程措施,应一次清理到位。

限制因素:城市水体沿岸垃圾存放历史较长的地区,垃圾清运不彻底可能加速水体污染。


1.2.2.2生物残体及漂浮物清理

适用范围:主要用于城市水体水生植物和岸带植物的季节性收割、季节性落叶及水面漂浮物的清理。

技术要点:水生植物、岸带植物和落叶等属于季节性的水体内源污染物,需在干枯腐烂前清理;水面漂浮物主要包括各种落叶、塑料袋、其他生活垃圾等,需要长期清捞维护。

限制因素:季节性生物残体和水面漂浮物清理的成本较高,监管和维护难度大。


1.2.2.3清淤疏浚

适用范围:一般而言适用于所有黑臭水体,尤其是重度黑臭水体底泥污染物的清理,快速降低黑臭水体的内源污染负荷,避免其他治理措施实施后,底泥污染物向水体释放。

技术要点:包括机械清淤和水力清淤等方式,工程中需考虑城市水体原有黑臭水的存储和净化措施。清淤前,需做好底泥污染调查,明确疏浚范围和疏浚深度;根据当地气候和降雨特征,合理选择底泥清淤季节;清淤工作不得影响水生生物生长;清淤后回水水质应满足“无黑臭”的指标要求。

限制因素:需合理控制疏浚深度,过深容易破坏河底水生生态,过浅不能彻底清除底泥污染物;高温季节疏浚后容易导致形成黑色块状漂泥;底泥运输和处理处置难度较大,存在二次污染风险,需要按规定安全处理处置。


1.2.3生态修复技术

1.2.3.1岸带修复

适用范围:主要用于已有硬化河岸(湖岸)的生态修复,属于城市水体污染治理的长效措施。

技术要点:采取植草沟、生态护岸、透水砖等形式,对原有硬化河岸(湖岸)进行改造,通过恢复岸线和水体的自然净化功能,强化水

体的污染治理效果;需进行植物收割的,应选定合适的季节。

限制因素:工程量较大,工程垃圾处理处置成本较高;可能减少水体的亲水区,降雨或潮湿季节,岸带危险性可能增加;生态岸带植物的收割和处理处置成本较高、维护量较大。


1.2.3.2生态净化

适用范围:可广泛应用于城市水体水质的长效保持,通过生态系统的恢复与系统构建,持续去除水体污染物,改善生态环境和景观。

技术要点:主要采用人工湿地、生态浮岛、水生植物种植等技术方法,利用土壤-微生物-植物生态系统有效去除水体中的有机物、氮、磷等污染物;综合考虑水质净化、景观提升与植物的气候适应性,尽量采用净化效果好的本地物种,并关注其在水体中的空间布局与搭配;需进行植物收割的,应选定合适的季节。

限制因素:应用生态净化技术要以有效控制外源和内源污染物为前提,生态净化措施不得与水体的其他功能冲突;生态净化措施对严重污染河道的改善效果不显著;植物的收割和处理处置成本较高。


1.2.3.3人工增氧

适用范围:作为阶段性措施,主要适用于整治后城市水体的水质保持,具有水体复氧功能,可有效提升局部水体的溶解氧水平,并加大区域水体流动性。

技术要点:主要采用跌水、喷泉、射流,以及其他各类曝气形式有效提升水体的溶解氧水平;通过合理设计,实现人工增氧的同时,辅助提升水体流动性能;射流和喷泉的水柱喷射高度不宜超过1米,否则容易形成气溶胶或水雾,对周边环境造成一定的影响。

限制因素:重度黑臭水体不应采取射流和喷泉式人工增氧措施;人工增氧设施不得影响水体行洪或其他功能;需要持续运行维护,消耗电能。


1.2.4其他治理措施

1.2.4.1活水循环

适用范围:适用于城市缓流河道水体或坑塘区域的污染治理与水质保持,可有效提高水体的流动性。

技术要点:通过设置提升泵站、水系合理连通、利用风力或太阳能等方式,实现水体流动;非雨季时可利用水体周边的雨水泵站或雨水管道作为回水系统;应关注循环水出水口设置,以降低循环出水对河床或湖底的冲刷。

限制因素:部分工程需要铺设输水渠,工程建设和运行成本相对较高,工程实施难度大,需要持续运行维护;河湖水系连通应进行生态风险评价,避免盲目性。


1.2.4.2清水补给

适用范围:适用于城市缺水水体的水量补充,或滞流、缓流水体的水动力改善,可有效提高水体的流动性。

技术要点:利用城市再生水、城市雨洪水、清洁地表水等作为城市水体的补充水源,增加水体流动性和环境容量。充分发挥海绵城市建设的作用,强化城市降雨径流的滞蓄和净化;清洁地表水的开发和利用需关注水量的动态平衡,避免影响或破坏周边水体功能;再生水补水应采取适宜的深度净化措施,以满足补水水质要求。

限制因素:再生水补源往往需要铺设管道;需加强补给水水质监测,明确补水费用分担机制;不提倡采取远距离外调水的方式实施清水补给。


1.2.4.3就地处理

适用范围:适用于短期内无法实现截污纳管的污水排放口,以及无替换或补充水源的黑臭水体,通过选用适宜的污废水处理装置,对污废水和黑臭水体进行就地分散处理,高效去除水体中的污染物,也可用于突发性水体黑臭事件的应急处理。

技术要点:采用物理、化学或生化处理方法,选用占地面积小,简便易行,运行成本较低的装置,达到快速去除水中的污染物的目的;临时性治理措施需考虑后期绿化或道路恢复,长期治理措施需考虑与周边景观的有效融合。

限制因素:市场良莠不齐,技术选择难度大;需要费用支持和专业的运行维护;部分化学药剂对水生生态环境具有不利影响。


1.2.4.4旁路治理

适用范围:主要适用于无法实现全面截污的重度黑臭水体,或无外源补水的封闭水体的水质净化,也可用于突发性水体黑臭事件的应急处理。

技术要点:在水体周边区域设置适宜的处理设施,从污染最严重的区段抽取河水,经处理设施净化后,排放至另一端,实现水体的净化和循环流动;临时性治理措施需考虑后期绿化或道路恢复,长期治理措施需考虑与周边景观的有效融合。

限制因素:需要费用支持和专业的运行维护。


本项目治理技术具体实施方案

1、以控源截污及内源治理为主,有条件的河道结合河道的具体特点考虑生态修复等其他治理措施。

2、控源截污的截流污水优先考虑就近进入现状已建污水收集及处理系统进行处理;当现状污水收集及处理系统能力有限时考虑择址新建污水处理站(厂)。

3、充分利用现状河道周边空地,考虑设置初雨调蓄池或合流污水调蓄池收集、调蓄污水后进行处理。

4、内源治理的清淤污泥考虑采用脱水机压滤脱水后运至集中地处置,与脱水机配套设置移动式物化处理设备,用于处理脱水滤液。

5、对于以暗涵为主的黑臭水体、河道两侧居民建筑密集,没有铺设截污管道条件的黑臭水体,考虑直接抽取河道内水采用物化方式进行处理。


1.3.1截污纳管措施实施方案

截污管收集的截流污水优先考虑就近接入已建污水处理系统,当现状污水处理设施处理能力不足、沿程管道输水能力有限或者河道截污后对河道水源影响很大时,考虑择址新建污水处理厂(站),处理出水做为河道水源补充。

对截流的直排口的污水,统一采用生化方法进行处理。

对规模较大的生化污水处理厂,其处理工艺根据用地、水量规模确定;对于小规模的污水处理站,优先考虑采用一体化设备就地处理、就地排放。

对河道为暗涵、或者河道两侧为密集的居民建筑,没有铺设截污管条件时,在暗涵出口或者在河岸稍有空地处,择址建设物化污水处理厂,直接抽取河道内的水进行简单处理。通过简化处理工艺,提高处理量来改善水体水质。


1.3.2面源控制措施实施方案

1.3.2.1初雨调蓄池的建设原则

初期雨水调蓄池建设时应遵循如下原则:

1、尽量将沿线雨水排放口纳入初雨调蓄池,使沿线雨水排放口的高污染物浓度初期雨水不再排入楞塘冲。

2、尽量减小初期雨水调蓄池深度、降低施工难度、减小投资。

3、在有条件的情况下应控制单个调蓄池服务面积,不宜过大,避免错峰叠加导致的雨水初期效应不明显。

4、初期雨水调蓄池用地应与城市总体规划协调,尽量建设于绿地内,无条件时也可考虑建设于水体下方或者与建筑物合建。

5、初期雨水调蓄池应考虑复合利用,在上方建设绿地、停车场等公用设施。

6、初期雨水调蓄池应不影响雨水排放口原有排水能力。


1.3.2.2初雨调蓄池形式选择

普通的初雨调蓄池易淤积,运行调度不够灵活,导致初雨调蓄池并未发挥其应有的保护水体的效果。为避免普通初雨调蓄池易淤积等问题,本方案建议采用带自清洗功能及可远程操控的智能型初雨调蓄池。与普通初雨调蓄池相比,该种智能型初雨调蓄池带有自清洗水平格栅、智能喷射器、水力自动闸门、潜水排污泵以及监控、检测仪表等设备。


1.3.3内源治理控制措施实施方案

内源治理的主要内容是清淤疏浚,本方案清淤深度及清淤方式拟确定如下。


1.3.3.1清淤深度

水体清淤深度通常应通过勘察与采样分析确定,不同的区域清淤深度可能存在较大的差别。合适的清淤深度应在清除污染物浓度高的底泥同时,不破坏原有生态系统,并避免重金属、总氮、总磷等沉积污染物的释放。本次黑臭水体治理工程清淤断面设计按照“清除污染层、保留老土层、维持河岸稳定”的原则进行设计。在清淤深度的定上,结合各条河道的实测污泥断面,按清除河底实测污泥计算。


1.3.3.2清淤方式

目前国内常用的内河(渠)清淤一般采用围堰干挖、绞吸式挖泥船、机械疏挖、水力冲挖等方案。

1、围堰干挖

围堰干挖是将河渠分段截流排干水体后,使底泥晒干滤水,采用机械与人工相结合的办法,将淤泥集中后再利用反铲挖掘机挖装土,然后由自卸车外运。主要工艺流程:

该方案施工简单、直观、彻底,可利用周边堆场堆放淤泥,费用较低,但工期较长,且淤泥转运时对运输车密封要求较高,转运时对城市道路环卫产生一定影响,环境影响较大。


2、绞吸式挖泥船

绞吸式挖泥船是目前在清淤工程中运用较广泛的一种船舶,它是利用吸水管前端围绕吸水管装设旋转绞刀装置,将河底泥沙进行切割和搅动,再经吸泥管将绞起的泥沙物料,借助强大的泵力,由沿岸布置的排泥管输送到泥沙物料堆积场,它的挖泥、运泥、卸泥等工作过程,可以一次连续完成,它是一种效率高、成本较低的挖泥船,是良好的水下挖掘机械。其中,小型绞吸式挖泥船船体尺寸为:12×4.0×0.9至15×5×1.5m,每小时抽泥100~200方,输送距离1~2km。绞吸式挖泥船的优点在于基本不影响河道正常运行,挖泥船开进河道便可以开始施工,淤泥由排泥管封闭输送,对渠道水质、交通及周边环境影响较小,基本不会破坏河渠绿化,适合沿河人口密度较大,公共设施密集的河渠清淤;缺点是压力管道安装费用较高,运行及维护要求较高。其工艺流程如下:


3、机械疏挖

对于较宽的河渠,可以采用机械方式进行疏挖,目前较为常用的机械为水上挖机。水上挖机适用于松软地带、沼泽地、浅水区作业,可用于河渠清淤、鱼塘清淤及升级改造、湖泊分割、围堤加固、滩涂开发等工程。水上挖机一般具备水陆两用功能。水陆挖掘机的行走装置采用双体船式浮箱结构履带架及密封的箱形履带板,保证能在水上安全游弋。由于水陆挖掘机的浮箱高度限制,在不超过两米的水深都可以施工,如果水太深,水陆挖掘机会浮在水面上导致挖机斗无法工作。


4、水力冲挖

水力冲挖是一种简便易行的施工方式,广泛应用于滩涂吹填、湖泊鱼塘清淤,机组由高压水泵、水枪和泥浆泵组成。施工时高压水泵抽水加压形成的高压水流将淤泥冲击混合成均匀泥浆(浓度40~60%),泥浆泵抽吸泥浆,管道输送至排泥场。该方案对施工环境要求较高,施工程序繁琐,施工人员劳动强度大,但该方案具有清淤彻底、操作简单、控制容易、施工噪音低等特点。


表1-1河渠清淤方案比选表

1.3.3.3淤泥处理方案

河道清淤的污泥一般含水率较高,需经脱水固化后方可外运。常用的淤泥脱水方案有自然干化、脱水固结一体化、污泥固化、真空预压法等几种。


1、自然干化

自然干化传统的处置方式大致如下:选择农用地或者鱼塘,清淤产生的淤泥或泥浆通过泥浆车运输倾倒在该地块上,自然干化后的泥土,作为农用土使用。黑臭水体河底淤泥中的污染物浓度含量较高,会对堆放场地的土壤和水产生污染,且淤泥往往含有恶臭,散发异味气体,造成堆放场地周边空气污染。


2、脱水固结一体化

脱水固结一体化处理系统是清淤泥浆经管道输送至调节池,采用沉淀池自行沉淀后,用泥浆泵送至“脱水固结一体化”处理系统(材料添加、均化池、泥水分离系统)进行泥浆的调理与泥水分离的处理系统。通过该种工艺对淤泥进行脱水固结处理,处理后淤泥含水率≤60%,体积减量约60%,并可根据需要完成对重金属、微生物、细菌等有害物质的消毒、钝化或固结。

具体流程如下:

①采用绞吸船将泥浆通过管道输送至岸上沉淀池重力分选,将较大颗粒粒径碎石、砖块、生活垃圾用格栅机拦截清除。

②通过格栅拦截下来的杂物采用固化剂进行固化处理。

③浓度调节:采用立式泵将浓缩池的泥浆泵送至待压罐,并在泵送的过程中完成对泥浆的调理。

④材料添加:加入污泥调理剂,改变污泥性质,便于泥水分离。

⑤调浆均化:通过均化池对泥浆进行调理调质,使材料充分均化和反应。

⑥泥水分离和干化:将完成调质调理后的泥浆通过进料泵送至板框压滤机进行泥水分离。

该工艺的主要优势包括:实现淤泥的减量化、无害化、稳定化,避免污染转移和造成二次污染;处理后的淤泥可用于工程回填用土,实现淤泥的资源化利用和最终处置,化害为利、变废为宝;直接对接疏浚排泥设备,做到淤泥疏挖、脱水减量、固结改性一次性完成,实现工程的流水线式连续作业;实现环保清淤、清洁生产、规范管理,

不扰民,确保社会和人居环境和谐;可通过优化施工工艺和厂区布置,缩减施工用地,避免不利天气影响,确保施工进度和工程质量。


3、淤泥固化处理

淤泥固化处理是将疏浚淤泥经过浓缩沉淀后,输送至围堰内,然后在淤泥中添加适量淤泥固化剂,使淤泥含水率快速降低,抗压强度增加。淤泥固化剂主要是由结构剂、矿化剂、促凝剂和偶联剂按照一定的配比配置而成的混合体,其固化机理是向淤泥中加入固化剂,利用固化剂中活性成分与淤泥中水分及颗粒物质发生快速胶凝反应,在淤泥体中快速形成骨架结构,宏观上表现出含水率降低、有机质降低、良好的抗压抗剪能力。通过一系列复杂的理化反应(如水化反应、矿化反应、污染物螯合反应等),将淤泥转化成类似土壤或胶结强度很大,且无二次环境污染的固化体,以实现淤泥的无害化处理。


4、真空预压法

真空预压法是在需要加固的软土地基表面先铺设砂垫层,然后埋设垂直排水管道,再用不透气的封闭膜使其与大气隔绝,密封膜端部进行埋压处理,通过砂垫层内埋设的吸水管道,使用真空泵或其他真空手段抽真空,使其形成膜下负压,增加地基的有效应力。

①原理

当抽真空时,先后在地表砂垫层及竖向排水通道内逐步形成负压,使土体内部部与排水通道、垫层之间形成压差。在此压差作用下,土体中的孔隙水不断由排水通道排出,从而使土体固结。主要反映在以下几个方面:薄膜上面承受等于薄膜内外压差的荷载;地下水位降低,相应增加附加应力;封闭气泡排出,土的渗透性加大。

真空预压是通过覆盖于地面的密封膜下抽真空,使膜内外形成气压差,使粘土层产生固结压力。即是在总应力不变的情况下,通过减小孔隙水压力来增加有效应力的方法。真空预压和降水预压是在负超静水压力下排水固结,称为负压固结。

真空预压施工前,应充分作好施工准备工作,制定施工技术措施。检验沙袋、聚氯乙烯薄膜及中粗砂是否符合技术标准及设计要求,并将检验报告提交监理工程师审核批准。在取得监理工程师批准后,开始进行真空预压的下一步施工。


②施工流程

测量放线→铺设主支滤排水管→铺设上层砂垫层→砂面整平→铺设聚氯乙烯薄膜→施工密封沟→设置测量标志→安装真空泵→抽真空预压固结土层。

表1-2常用淤泥处理方案比较表

1.3.4生态修复措施实施方案

河道治理过程中采用的生态修复措施主要包括水生植物系统的构建、水生动物系统的构建及水体复氧。


1.3.4.1水生植物系统构建

水生植物构建包括沉睡植物净化系统构建、挺水植物净化系统构建、浮叶植物系统构建。

(1)沉水植物净化系统构建

沉水植物是指植株全部或大部分沉没于水下的植物,是水体生物多样性赖以维持的基础,其所产生的环境效应是生态系统稳定和水环境质量改善的重要依据。作为景观水处理的沉水植物,种植时必须首先满足三个条件:一是净水能力强,二是景观效果好,三是能够有效控制、不会恣意泛滥生长的种类。


(2)挺水植物净化系统构建

挺水植物是指茎、叶挺出水面的植物,一般种植在景观水体岸边或水深低于0.3m以内的浅水处。挺水植物具有很好的造景功能,而且沿岸带的挺水植物对暴雨冲刷还具有拦截作用,阻截外源污染。挺水植物选择水质净化效果好、成活率高、生长周期长、根系发达、美观及具有经济价值的水生植物。挺水植物布置以带状分布为主体,并与陆域景观结合。


(3)浮叶植物系统构建

浮叶植物即根系或者地下部分固定在土壤中,而叶子漂浮在水面的植物,以荇菜、睡莲等为代表。适量配植观赏价值高的浮叶植物,能增添水体景观效果,浮叶植物一般选用睡莲。浮叶植物可以在一些弯角处进行布置,以提升水域景观效果。


1.3.4.2水生动物系统构建

水生动物群落的构建将充分考虑水生动物物种的配置结构(营养级结构和空间结构),科学合理,因地制宜的设计水生动物投放模式(种类、数量、个体大小、食性、放养季节,放养比例,放养顺序等),完善生物链。

(1)鱼类

选择滤食性鱼类(白鲢、花鲢)和杂食性鱼类为主,通过水体中上层鱼类对藻类的摄食以及水底水生植物对营养物质的吸收、水生动物对营养物质的转移及富集达到水质净化目的。同时投加一些色彩鲜艳的观赏鱼类,如丽鱼科的地图鱼、花罗汉,增加湖体景观。


(2)底栖动物

底栖动物根据其摄食习性选择螺、贝类作为群落调控主要种类。


(3)虾类

岸边落叶、湖中水草等形成的有机碎屑以及水生动物的粪便、尸体等形成的有机物质易污染景观水体,在湖中放养一定数量和性比的青虾以摄食有机碎屑,起到净化水质的作用。


(4)食藻浮游动物

投放轮虫、枝角类等滤食性浮游动物,滤食水中的细菌,单细胞藻类和原生动物,起到滤食藻类的作用。另外,水生动物也能与景观相结合,例如白鲢遇障碍物喜欢跃出水面,虾类喜栖息于水体弯角处,这些都可成为游人驻足观赏的对象。


1.3.4.3水体复氧

曝气复氧技术是一种快速、高效、简便易行的污染水体治理技术,既可以有效去除水中的致黑臭技术,改善水质,又可以提高水体中的溶解氧含量,强化水体的自净环境,促进水体生态系统恢复。常用水体充氧设备包括移动式与固定式两大类,其中固定式常用设备有微孔管曝气系统、纯氧混流增氧系统、叶轮吸气推流式曝气器、水下射流曝气器以及叶轮式增氧机等。曝气充氧设备的具体形式根据河道的具体特点因地制宜地选择。

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