深圳市荔枝湖污染綜合治理工程實施效果分析

深圳市荔枝湖污染綜合治理工程實施效果分析

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、改善城市生態(tài)環(huán)境、調節(jié)和儲存洪水的功能。隨著城市化的快速發(fā)展，頻繁的人類活動給這些湖泊帶來了巨大的挑戰(zhàn)。城市湖泊面臨著嚴重的富營養(yǎng)化威脅。根據2005年中國環(huán)境狀況報告，五個城市的湖泊水質低于類和iii類。輕度或中度富營養(yǎng)化。城市湖泊的污染特點是，不僅有地表徑流污染，而且還有土壤和土壤。同時，存在一些問題，如市政管網的連接，以及污水處理廠的滲透。近十多年來,各地政府對城市湖泊進行水污染治理,通過截污控制城市污水進入湖泊、引水改善水質、底泥清淤、以及采用不同生態(tài)修復等措施治理湖水.湖泊水體修復涉及許多因素和過程,采用組合技術也許更加有效,但有關組合技術的報道極少,對于治理工程實施后工程效果如何,文獻也鮮有介紹.本文以深圳市荔枝湖水污染綜合治理工程為例,通過歷時9個月的水質連續(xù)監(jiān)測,研究不同治理工藝的工程效果,為制定治理工程優(yōu)化運行模式提供指導,也為國內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,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).該湖以收集流域內雨水作為主要水源,雨水分別經北、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,然后由南湖南側出水口排入下游雨水/污水管道,具有蓄洪和排洪的作用.由于周邊污水管網與雨水管網的部分錯接,以及大雨時污水管的泄漏,使荔枝湖受納雨水的同時,也流入了大量污水,造成雨季時湖水快速惡化.從1989-2004年的15年時間內,荔枝湖先后經過了3次專項整治,但未能徹底解決荔枝湖水污染狀況,水質處于Ⅴ類或劣Ⅴ類(1).2005年,深圳市政府實施荔枝湖水污染綜合整治工程,針對荔枝湖“既有內源污染,也有外源污染;既存在點源污染,也存在面源污染;湖水面積大,且湖形狀不規(guī)則;水體富營養(yǎng)化嚴重”的特點,提出“內外結合、組合工藝、多點治理、長短并重”的治理方案(1).整治工程包括外圍截污、補水、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、生態(tài)修復工程和人工濕地工程三部分,其中湖水循環(huán)系統包括自動過濾系統、生物礫石床系統和臭氧滅藻系統.在西湖北側通過泵站,將湖水提升至過濾機系統,過濾出水部分流入生物礫石床處理,而后通過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,設計參數見報告(1).為研究整治后荔枝湖水質變化情況,湖面大范圍布置16個取樣點(圖1),包括湖面控制斷面,同時在過濾、生物礫石床、和人工濕地等工藝進、出水位置取樣.取樣深度一般為水面下0.5m,進行現場監(jiān)測和實驗分析相結合.采樣及測定方法參照文獻.監(jiān)測時間于2006年4-12月,歷時9個月,現場采樣,每周一次.本文主要以CODCr和總磷(TP)為指標分析水質治理效果.2不同技術效果分析以下主要分析過濾系統、生物礫石床、人工濕地和生態(tài)基等工藝水處理現場效果.2.1過濾前后水質的變化和去除率過濾工藝主要是原水通過濾層,過濾掉水中顆粒物而到達凈化湖水的作用.通過對16號取樣點和過濾出水取樣對比,說明過濾工藝的效果.TP和COD通過過濾工藝前后水質變化見圖3.過濾出水的TP、COD較16號進水有一定程度的降低(圖3).湖水通過過濾工藝前后TP和COD去除率見表1.過濾工藝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%.過濾過程可以去除油類、懸浮性污染物與生成的藻類,而水體中顆粒物數量的減少對TP、COD的降低有貢獻.2.2生物礫石床進、出水水質指標生物礫石床工藝的設計目標是脫氮除磷,湖水通過填料層好氧去除氨氮、磷和厭氧去除有機物而達到水質凈化的目的.生物礫石床進、出水水質指標如圖4.水體經過礫石床后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)測數據看,生物礫石床對TP、COD均具有去除效果.2.3生態(tài)基投放量過生態(tài)修復工藝包括生態(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)基為例說明生態(tài)修復工藝效果.生態(tài)基安放總面積2100m2,以西湖水域最為典型,取樣點15號與16號之間安放面積為1000m2.非雨期湖水循環(huán)流動時,15號點為上游,16號為下游,TP和COD通過生態(tài)基后水質變化見圖5.從監(jiān)測數據看,水體經過生態(tài)基水質沒有改善.這可能是湖水循環(huán)時,水體在15、16之間停留時間太短,導致生態(tài)基處理效果沒有體現出來.2.4濕地主要進出水水質人工濕地凈化系統共有三塊區(qū)域作為濕地試驗單元(圖1)總面積824m2,處理水量824m3/d.以東箱涵附近濕地為水質監(jiān)測點,面積為304m2,其進水位于11號取樣點附近.11號取樣點與濕地出水的水質監(jiān)測數據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,達到Ⅲ類水指標.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)測數據顯示,濕地對湖水凈化效果較好.2.5濕地、tp、cod從自動過濾、生物礫石床、生態(tài)基和人工濕地等工藝現場監(jiān)測數據看,過濾和礫石床工藝效果雖然原理不同,但二者處理效果相當,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%;濕地對湖水凈化效果較好,濕地出水達到Ⅲ類水指標,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組合工藝運行效果治理工程雖包括外圍截污,仍有部分遺留錯接,因而外源污染主要還是雨水管網溢流帶來的負荷.組合治理工藝實施后,管理部門最關心的問題是湖水惡化后通過組合工藝運行需多長時間才能改善水質.荔枝湖是磷源受限水體,以下通過總磷模型分析組合工藝運行的效果.3.1湖總磷串聯模型荔枝湖水淺,工藝運行時循環(huán)流量大,混合較快,可通過質量守恒原理建立分湖富營養(yǎng)化總磷串聯模型以其中一湖為例,建模過程如圖7所示,流量為Q、總磷濃度為cin的進水通過處理工藝后流入或直接流入體積為V、面積為A的湖區(qū),經與湖內水體混合后,以流量Q、濃度c0流出.建模時要考慮底泥釋放等因素.對應圖7建模過程,北湖、東湖、南湖和西湖四湖總磷串聯模型方程如下: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分別為過濾單元、礫石床單元、濕地單元和生態(tài)基對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率定見文獻.3.2水質達到類水治理目標的能力降雨后大量雨污水通過箱涵進入湖中,會引起湖水水質急劇惡化.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日實測全湖平均TP為0.16mg/L,可選用作為設計初值.用模型計算分析設計初始濃度情況下組合工藝運行多久才能改善湖水達到Ⅳ類水治理目標,以及組合工藝截留總磷數量多少.設定工藝每天連續(xù)運行24h.模型計算時以四湖TP<0.1mg/L為終止條件,計算表明四分湖水質均達到Ⅳ類治理目標需要2.5d計算結果見圖8.也就是說大雨期時管網溢流造成湖水水質惡化,通過一次湖水循環(huán)基本能達到Ⅳ類景觀水治理目標.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,這與水體流動方向是一致的(圖8).工藝處理出水最先進入北湖,和北湖湖水混合改善水質,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.在此過程中,水質改善有滯后效應.各分湖初始TP總量、達到治理目標后最后剩余TP量、以及各工藝單元去除量和底泥釋放量見表2.通過2.5d工藝運行后TP總去除量為7.27kg,其中過濾、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.對應圖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總去除率為46.9%.在同樣的設計初始條件下,湖水水質達到Ⅳ類水標準所需時間與工藝運行方式有關,如組合工藝間歇式運行,將需要更長時間才能達到治理目標.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,通過歷時9個月的水質連續(xù)監(jiān)測,研究不同治理工藝的處理效果.過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%;濕地對湖水凈化效果較好,出水達到Ⅲ類水指標,TP和COD平均去除率分別為80.2%和56.1%阿科曼生態(tài)基處理效果短時間內并不明顯.通過荔枝湖四湖總磷串聯模型,計算在設計初始條件下,采用組合治理工藝時湖水恢復為地表Ⅳ類水(治