深圳市荔枝湖污染綜合治理工程實(shí)施效果分析

深圳市荔枝湖污染綜合治理工程實(shí)施效果分析

城市湖泊是城市的重要組成部分，如杭州西湖、南京玄武湖和深圳荔枝湖。這些湖泊具有景觀娛樂(lè)、改善城市生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存洪水的功能。隨著城市化的快速發(fā)展，頻繁的人類活動(dòng)給這些湖泊帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。城市湖泊面臨著嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化威脅。根據(jù)2005年中國(guó)環(huán)境狀況報(bào)告，五個(gè)城市的湖泊水質(zhì)低于類和iii類。輕度或中度富營(yíng)養(yǎng)化。城市湖泊的污染特點(diǎn)是，不僅有地表徑流污染，而且還有土壤和土壤。同時(shí)，存在一些問(wèn)題，如市政管網(wǎng)的連接，以及污水處理廠的滲透。近十多年來(lái),各地政府對(duì)城市湖泊進(jìn)行水污染治理,通過(guò)截污控制城市污水進(jìn)入湖泊、引水改善水質(zhì)、底泥清淤、以及采用不同生態(tài)修復(fù)等措施治理湖水.湖泊水體修復(fù)涉及許多因素和過(guò)程,采用組合技術(shù)也許更加有效,但有關(guān)組合技術(shù)的報(bào)道極少,對(duì)于治理工程實(shí)施后工程效果如何,文獻(xiàn)也鮮有介紹.本文以深圳市荔枝湖水污染綜合治理工程為例,通過(guò)歷時(shí)9個(gè)月的水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè),研究不同治理工藝的工程效果,為制定治理工程優(yōu)化運(yùn)行模式提供指導(dǎo),也為國(guó)內(nèi)外同類湖泊治理提供參考.1東南角雷雨污染荔枝湖位于深圳市中心荔枝公園內(nèi),湖面面積約為10.9×104m2,有效水深1.5m,主要由北湖、東湖、南湖和西湖所組成(圖1).該湖以收集流域內(nèi)雨水作為主要水源,雨水分別經(jīng)北、西、東三條雨水箱涵(分別位于北湖、西湖和南湖)干渠匯入湖內(nèi),然后由南湖南側(cè)出水口排入下游雨水/污水管道,具有蓄洪和排洪的作用.由于周邊污水管網(wǎng)與雨水管網(wǎng)的部分錯(cuò)接,以及大雨時(shí)污水管的泄漏,使荔枝湖受納雨水的同時(shí),也流入了大量污水,造成雨季時(shí)湖水快速惡化.從1989-2004年的15年時(shí)間內(nèi),荔枝湖先后經(jīng)過(guò)了3次專項(xiàng)整治,但未能徹底解決荔枝湖水污染狀況,水質(zhì)處于Ⅴ類或劣Ⅴ類(1).2005年,深圳市政府實(shí)施荔枝湖水污染綜合整治工程,針對(duì)荔枝湖“既有內(nèi)源污染,也有外源污染;既存在點(diǎn)源污染,也存在面源污染;湖水面積大,且湖形狀不規(guī)則;水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重”的特點(diǎn),提出“內(nèi)外結(jié)合、組合工藝、多點(diǎn)治理、長(zhǎng)短并重”的治理方案(1).整治工程包括外圍截污、補(bǔ)水、以及采用組合工藝治理湖水.組合工藝包括湖水循環(huán)處理系統(tǒng)、生態(tài)修復(fù)工程和人工濕地工程三部分,其中湖水循環(huán)系統(tǒng)包括自動(dòng)過(guò)濾系統(tǒng)、生物礫石床系統(tǒng)和臭氧滅藻系統(tǒng).在西湖北側(cè)通過(guò)泵站,將湖水提升至過(guò)濾機(jī)系統(tǒng),過(guò)濾出水部分流入生物礫石床處理,而后通過(guò)臭氧接觸池流入北湖,混合后由北湖流入東湖,再到南湖,南湖南側(cè)湖水以明渠方式流入西湖,形成湖水循環(huán).各工藝規(guī)模和湖水循方式如圖2,設(shè)計(jì)參數(shù)見報(bào)告(1).為研究整治后荔枝湖水質(zhì)變化情況,湖面大范圍布置16個(gè)取樣點(diǎn)(圖1),包括湖面控制斷面,同時(shí)在過(guò)濾、生物礫石床、和人工濕地等工藝進(jìn)、出水位置取樣.取樣深度一般為水面下0.5m,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合.采樣及測(cè)定方法參照文獻(xiàn).監(jiān)測(cè)時(shí)間于2006年4-12月,歷時(shí)9個(gè)月,現(xiàn)場(chǎng)采樣,每周一次.本文主要以CODCr和總磷(TP)為指標(biāo)分析水質(zhì)治理效果.2不同技術(shù)效果分析以下主要分析過(guò)濾系統(tǒng)、生物礫石床、人工濕地和生態(tài)基等工藝水處理現(xiàn)場(chǎng)效果.2.1過(guò)濾前后水質(zhì)的變化和去除率過(guò)濾工藝主要是原水通過(guò)濾層,過(guò)濾掉水中顆粒物而到達(dá)凈化湖水的作用.通過(guò)對(duì)16號(hào)取樣點(diǎn)和過(guò)濾出水取樣對(duì)比,說(shuō)明過(guò)濾工藝的效果.TP和COD通過(guò)過(guò)濾工藝前后水質(zhì)變化見圖3.過(guò)濾出水的TP、COD較16號(hào)進(jìn)水有一定程度的降低(圖3).湖水通過(guò)過(guò)濾工藝前后TP和COD去除率見表1.過(guò)濾工藝TP最大去除率為60.2%,最小為5.4%,平均為33.6%;COD最大去除率為57.1%,最小為-42.1%,平均為16.2%.過(guò)濾過(guò)程可以去除油類、懸浮性污染物與生成的藻類,而水體中顆粒物數(shù)量的減少對(duì)TP、COD的降低有貢獻(xiàn).2.2生物礫石床進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)生物礫石床工藝的設(shè)計(jì)目標(biāo)是脫氮除磷,湖水通過(guò)填料層好氧去除氨氮、磷和厭氧去除有機(jī)物而達(dá)到水質(zhì)凈化的目的.生物礫石床進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)如圖4.水體經(jīng)過(guò)礫石床后TP、COD均有所降低.由表1可知,生物礫石床TP最大去除率為73.62%,最小為18.2%,平均為39.0%;COD最大去除率為41.1%最小為-4.6%,平均為21.3%.由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看,生物礫石床對(duì)TP、COD均具有去除效果.2.3生態(tài)基投放量過(guò)生態(tài)修復(fù)工藝包括生態(tài)基安放、種植水生植物、魚類放養(yǎng)和微生物菌種投放等,本文以AquaMats生態(tài)基為例說(shuō)明生態(tài)修復(fù)工藝效果.生態(tài)基安放總面積2100m2,以西湖水域最為典型,取樣點(diǎn)15號(hào)與16號(hào)之間安放面積為1000m2.非雨期湖水循環(huán)流動(dòng)時(shí),15號(hào)點(diǎn)為上游,16號(hào)為下游,TP和COD通過(guò)生態(tài)基后水質(zhì)變化見圖5.從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看,水體經(jīng)過(guò)生態(tài)基水質(zhì)沒(méi)有改善.這可能是湖水循環(huán)時(shí),水體在15、16之間停留時(shí)間太短,導(dǎo)致生態(tài)基處理效果沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái).2.4濕地主要進(jìn)出水水質(zhì)人工濕地凈化系統(tǒng)共有三塊區(qū)域作為濕地試驗(yàn)單元(圖1)總面積824m2,處理水量824m3/d.以東箱涵附近濕地為水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn),面積為304m2,其進(jìn)水位于11號(hào)取樣點(diǎn)附近.11號(hào)取樣點(diǎn)與濕地出水的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)TP和COD如圖6所示.由圖6和表1可知,濕地出水TP均小于0.04mg/L,COD均在20mg/L以下,達(dá)到Ⅲ類水指標(biāo).濕地TP最大去除率為100%,最小為50.2%,平均80.2%;COD最大去除率為84.2%,最小為23.8%,平均56.1%監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,濕地對(duì)湖水凈化效果較好.2.5濕地、tp、cod從自動(dòng)過(guò)濾、生物礫石床、生態(tài)基和人工濕地等工藝現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看,過(guò)濾和礫石床工藝效果雖然原理不同,但二者處理效果相當(dāng),TP平均去除率分別為33.6%和39.0%,COD平均去除率為16.2%和21.3%;濕地對(duì)湖水凈化效果較好,濕地出水達(dá)到Ⅲ類水指標(biāo),TP和COD平均去除率分別為80.2%和56.1%;阿科曼生態(tài)基處理效果不明顯.3組合工藝運(yùn)行效果治理工程雖包括外圍截污,仍有部分遺留錯(cuò)接,因而外源污染主要還是雨水管網(wǎng)溢流帶來(lái)的負(fù)荷.組合治理工藝實(shí)施后,管理部門最關(guān)心的問(wèn)題是湖水惡化后通過(guò)組合工藝運(yùn)行需多長(zhǎng)時(shí)間才能改善水質(zhì).荔枝湖是磷源受限水體,以下通過(guò)總磷模型分析組合工藝運(yùn)行的效果.3.1湖總磷串聯(lián)模型荔枝湖水淺,工藝運(yùn)行時(shí)循環(huán)流量大,混合較快,可通過(guò)質(zhì)量守恒原理建立分湖富營(yíng)養(yǎng)化總磷串聯(lián)模型以其中一湖為例,建模過(guò)程如圖7所示,流量為Q、總磷濃度為cin的進(jìn)水通過(guò)處理工藝后流入或直接流入體積為V、面積為A的湖區(qū),經(jīng)與湖內(nèi)水體混合后,以流量Q、濃度c0流出.建模時(shí)要考慮底泥釋放等因素.對(duì)應(yīng)圖7建模過(guò)程,北湖、東湖、南湖和西湖四湖總磷串聯(lián)模型方程如下:式中,c1,c2,c3,c4分別為北湖、東湖、南湖、西湖平均TP濃度(mg/L);V1,V2,V3,V4分別為北湖、東湖、南湖、西湖體積(m3);Q41、Q12、Q23和Q34分別是西湖與北湖、北湖與東湖、東湖與南湖、南湖與西湖的交換水量(m3/d);k1、k2、k3和k4分別為過(guò)濾單元、礫石床單元、濕地單元和生態(tài)基對(duì)TP去除率;r1,r2,r3r4分別為北湖、東湖、南湖和西湖底泥總磷釋放速率(g/(m2·d)).利用Matlab7.0軟件,用四階Runge-Kuta法求解.底泥釋放速率和其他參數(shù)率定見文獻(xiàn).3.2水質(zhì)達(dá)到類水治理目標(biāo)的能力降雨后大量雨污水通過(guò)箱涵進(jìn)入湖中,會(huì)引起湖水水質(zhì)急劇惡化.2006年5月21日至24日,連續(xù)3d大雨(總降雨89mm),箱涵溢流充滿全湖,24日實(shí)測(cè)全湖平均TP為0.16mg/L,可選用作為設(shè)計(jì)初值.用模型計(jì)算分析設(shè)計(jì)初始濃度情況下組合工藝運(yùn)行多久才能改善湖水達(dá)到Ⅳ類水治理目標(biāo),以及組合工藝截留總磷數(shù)量多少.設(shè)定工藝每天連續(xù)運(yùn)行24h.模型計(jì)算時(shí)以四湖TP<0.1mg/L為終止條件,計(jì)算表明四分湖水質(zhì)均達(dá)到Ⅳ類治理目標(biāo)需要2.5d計(jì)算結(jié)果見圖8.也就是說(shuō)大雨期時(shí)管網(wǎng)溢流造成湖水水質(zhì)惡化,通過(guò)一次湖水循環(huán)基本能達(dá)到Ⅳ類景觀水治理目標(biāo).北湖水體TP濃度最先降至0.1mg/L以下,其次是東湖、南湖,最后是西湖,這與水體流動(dòng)方向是一致的(圖8).工藝處理出水最先進(jìn)入北湖,和北湖湖水混合改善水質(zhì),而后流入東湖,東湖混合后流入南湖,南湖混合后流入西湖,依次稀釋.在此過(guò)程中,水質(zhì)改善有滯后效應(yīng).各分湖初始TP總量、達(dá)到治理目標(biāo)后最后剩余TP量、以及各工藝單元去除量和底泥釋放量見表2.通過(guò)2.5d工藝運(yùn)行后TP總?cè)コ繛?.27kg,其中過(guò)濾、礫石床、濕地和阿科曼生態(tài)基TP去除量分別為4.883、1.882、0.215和0.291kg.對(duì)應(yīng)圖8各湖TP濃度下降規(guī)律,北湖、東湖、南湖和西湖TP去除率分別是63.7、60.1、41.0和37.5%,四湖TP總?cè)コ蕿?6.9%.在同樣的設(shè)計(jì)初始條件下,湖水水質(zhì)達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)所需時(shí)間與工藝運(yùn)行方式有關(guān),如組合工藝間歇式運(yùn)行,將需要更長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到治理目標(biāo).4水體凈化效果分析以深圳市荔枝湖水污染綜合治理工程為例,通過(guò)歷時(shí)9個(gè)月的水質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè),研究不同治理工藝的處理效果.過(guò)濾和生物礫石床工藝TP平均去除率分別為33.6%和39.0%,COD平均去除率為16.2%和21.3%;濕地對(duì)湖水凈化效果較好,出水達(dá)到Ⅲ類水指標(biāo),TP和COD平均去除率分別為80.2%和56.1%阿科曼生態(tài)基處理效果短時(shí)間內(nèi)并不明顯.通過(guò)荔枝湖四湖總磷串聯(lián)模型,計(jì)算在設(shè)計(jì)初始條件下,采用組合治理工藝時(shí)湖水恢復(fù)為地表Ⅳ類水(治