城市湖泊水环境修复组合工艺效果研究以深圳市荔枝湖治理工程为例毛献忠

J.LakeSci.(湖泊科学),2008,20(4):[e-mail]©2008byJournalofLakeSciences城市湖泊水环境修复组合工艺效果研究——以深圳市荔枝湖治理工程为例*毛献忠,桂安,陶益,张锡辉(清华大学深圳研究生院环境工程与管理研究中心,深圳518055)摘要:以深圳市荔枝湖为例,通过历时9个月的水质连续监测,研究该湖水污染综合治理工程实施后不同治理工艺的处理效果.研究表明,自动过滤工艺TP和COD平均去除率分别为33.6%和16.2%;生物砾石床工艺TP和COD平均去除率分别为39.0%和21.3%;人工湿地工艺TP和COD平均去除率分别为80.2%和56.1%.通过荔枝湖四湖总磷串联模型,计算在设计初始条件下,采用组合治理工艺时湖水恢复为地表IV类水所需要的时间.计算表明工艺每天运行24h,需要2.5d可将各湖TP浓度降至0.1mg/L以下,TP总去除量为7.27kg,去除率为46.9%.关键词:城市湖泊;水污染治理;治理工艺效果;总磷模型Investigationoneffectoftreatmentunitsinrestorationprojectforurbanlakes—acasestudyofLakeLicheeinShenzhenMAOXianzhong,GUIAn,TAOYi&ZHANGXihui(GraduateSchoolatShenzhen,TsinghuaUniversity,Shenzhen518055,P.R.China)Abstract:TheintegratedrestorationprojectinLakeLicheeinShenzhen,China,istakenasacasestudytoinvestigatethetreatmenteffectofthedifferentunitsintherestorationprojectbasedon9months’,fieldmonitoringdata.Theresultsshowedthat,themeanremovalrateswere33.6%forTPand16.2%forCODviaafiltrationunit;39.0%forTPand21.3%forCODviaabio-gravel-layerunit;and80.2%forTPand56.1%forCODviaaman-madewetlandunit.Atotalphosphorusmodelingofeachsub-lakeforLakeLicheewasdevelopedandappliedtocomputetimeneededtoimprovewaterqualitytomatchGradeIVofsurfacewaterstandardunderthedesignedconditions.Theresultshowedthatitwilltake2.5dsubjectto24hoperationoftherestorationprojectperdaytoreduceTPconcentrationlowerthan0.1mg/LinLakeLichee.Duringtheprocess,TPremovalloadisabout7.27kg,andtheremovalrateisalmost46.9%inLake.Keywords:Urbanlakes;waterenvironmentrestoration;treatmenteffect;atotalphosphorusmodel城市湖泊是一个城市的重要组成部分,如杭州的西湖、南京的玄武湖、深圳的荔枝湖等,这类湖泊具有景观娱乐、改善城市生态环境等功能,同时还有洪涝调蓄的作用.随着城市化的不断发展,频繁的人类活动给这类湖泊带来很大的挑战,城市湖泊面临严重的富营养化威胁[1].据国家环境保护总局发布的《2005年中国环境状况公报》,5个城市内湖水质处于Ⅴ类或劣Ⅴ类、以及轻度或中度富营养化状态[2].城市湖泊污染特点是既有面源污染,又有底泥释放[3],同时存在市政管网错接、及污水管网渗漏等问题[4].近十多年来,各地政府对城市湖泊进行水污染治理,通过截污控制城市污水进入湖泊、引水改善水质、底泥清淤、以及采用不同生态修复等措施治理湖水[5-9].湖泊水体修复涉及许多因素和过程,采用组合技术也许更加有效[10],但有关组合技术的报道极少,对于治理工程实施后工程效果如何,文献也鲜有介绍.本文以深圳市荔枝湖水污染综合治理工程为例,通过历时9个月的水质连续监测,研究不同治理工艺的工程效果,为制定治理工程优化运行模式提供指导,也为国内外同类湖泊治理提供参考.*2007-06-08收稿;2007-10-12收修改稿.毛献忠,男,1968年生,博士,副研究员;E-mail:[e-mail].毛献忠等:城市湖泊水环境修复组合工艺效果研究——以深圳市荔枝湖治理工程为例4571区域概况荔枝湖位于深圳市中心荔枝公园内,湖面面积约为10.9×104m2,有效水深1.5m,主要由北湖、东湖、南湖和西湖所组成(图1).该湖以收集流域内雨水作为主要水源,雨水分别经北、西、东三条雨水箱涵(分别位于北湖、西湖和南湖)干渠汇入湖内,然后由南湖南侧出水口排入下游雨水/污水管道,具有蓄洪和排洪的作用.由于周边污水管网与雨水管网的部分错接,以及大雨时污水管的泄漏,使荔枝湖受纳雨水的同时,也流入了大量污水,造成雨季时湖水快速恶化.图1荔枝湖概况和采样点分布Fig.1SketchofLakeLicheeandsamplingsites从1989-2004年的15年时间内,荔枝湖先后经过了3次专项整治,但未能彻底解决荔枝湖水污染状况,水质处于Ⅴ类或劣Ⅴ类①.2005年,深圳市政府实施荔枝湖水污染综合整治工程,针对荔枝湖“既有内源污染,也有外源污染;既存在点源污染,也存在面源污染;湖水面积大,且湖形状不规则;水体富营养化严重”的特点,提出“内外结合、组合工艺、多点治理、长短并重”的治理方案①.整治工程包括外围截污、补水、以及采用组合工艺治理湖水.组合工艺包括湖水循环处理系统、生态修复工程和人工湿地工程三部分,其中湖水循环系统包括自动过滤系统、生物砾石床系统和臭氧灭藻系统.在西湖北侧通过泵站,将湖水提升至过滤机系统,过滤出水部分流入生物砾石床处理,而后通过臭氧接触池流入北湖,混合后由北湖流入东湖,再到南湖,南湖南侧湖水以明渠方式流入西湖,形成湖水循环.各工艺规模和湖水循方式如图2,设计参数见报告①.为研究整治后荔枝湖水质变化情况,湖面大范围布置16个取样点(图1),包括湖面控制断面,同时在过滤、生物砾石床、和人工湿地等工艺进、出水位置取样.取样深度一般为水面下0.5m,进行现场监测和实验分析相结合.采样及测定方法参照文献[11,12].监测时间于2006年4-12月,历时9个月,现场采样,每周一次.本文主要以CODCr和总磷(TP)为指标分析水质治理效果.①深圳市环境科学研究所,中国市政工程东北设计研究院.深圳市荔枝湖水污染综合治理工程初步设计.2005.J.LakeSci.(湖泊科学),2008,20(4)458图2荔枝湖水循环流动关系Fig.2SketchofwatercirculationinLakeLichee2各工艺效果分析以下主要分析过滤系统、生物砾石床、人工湿地和生态基等工艺水处理现场效果.2.1过滤工艺过滤工艺主要是原水通过滤层,过滤掉水中颗粒物而到达净化湖水的作用.通过对16号取样点和过滤出水取样对比,说明过滤工艺的效果.TP和COD通过过滤工艺前后水质变化见图3.过滤出水的TP、COD较16号进水有一定程度的降低(图3).湖水通过过滤工艺前后TP和COD去除率见表1.过滤工艺TP昀大去除率为60.2%,昀小为5.4%,平均为33.6%;COD昀大去除率为57.1%,昀小为-42.1%,平均为16.2%.过滤过程可以去除油类、悬浮性污染物与生成的藻类,而水体中颗粒物数量的减少对TP、COD的降低有贡献.图3过滤工艺进、出水水质(a:TP;b:COD)Fig.3Waterqualitybetweeninflowandoutflowoffiltrationunit表1不同工艺单元处理效果Tab.1RemovingefficiencyofdifferentunitTP去除率(%)COD去除率(%)工艺名称昀大值昀小值平均值昀大值昀小值平均值自动过滤60.25.433.657.1-42.116.2生物砾石床73.618.239.041.2-4.621.3阿科曼生态基48.4-30.92.035.131.8-7.5人工湿地100.050.280.284.223.856.1进水(mg/L)进水(mg/L)毛献忠等:城市湖泊水环境修复组合工艺效果研究——以深圳市荔枝湖治理工程为例4592.2生物砾石床工艺生物砾石床工艺的设计目标是脱氮除磷,湖水通过填料层好氧去除氨氮、磷和厌氧去除有机物而达到水质净化的目的.生物砾石床进、出水水质指标如图4.水体经过砾石床后TP、COD均有所降低.由表1可知,生物砾石床TP昀大去除率为73.62%,昀小为18.2%,平均为39.0%;COD昀大去除率为41.1%,昀小为-4.6%,平均为21.3%.由监测数据看,生物砾石床对TP、COD均具有去除效果.图4砾石床进、出水水质(a:TP;b:COD)Fig.4Waterqualitybetweeninflowandoutflowofgravel-layerunit2.3生态修复工艺生态修复工艺包括生态基安放、种植水生植物、鱼类放养和微生物菌种投放等,本文以AquaMats生态基为例说明生态修复工艺效果.生态基安放总面积2100m2,以西湖水域昀为典型,取样点15号与16号之间安放面积为1000m2.非雨期湖水循环流动时,15号点为上游,16号为下游,TP和COD通过生态基后水质变化见图5.从监测数据看,水体经过生态基水质没有改善.这可能是湖水循环时,水体在15、16之间停留时间太短,导致生态基处理效果没有体现出来.2.4人工湿地人工湿地净化系统共有三块区域作为湿地试验单元(图1)总面积824m2,处理水量824m3/d.以东箱涵附近湿地为水质监测点,面积为304m2,其进水位于11号取样点附近.11号取样点与湿地出水的水质监测数据TP和COD如图6所示.由图6和表1可知,湿地出水TP均小于0.04mg/L,COD均在20mg/L以下,达到Ⅲ类水指标.湿地TP昀大去除率为100%,昀小为50.2%,平均80.2%;COD昀大去除率为84.2%,昀小为23.8%,平均56.1%.图5生态基进、出水水质指标(a:TP;b:COD)Fig.5WaterqualitybetweenupstreamanddownstreamofAquaMatsunitJ.LakeSci.(湖泊科学),2008,20(4)460监测数据显示,湿地对湖水净化效果较好.2.5不同工艺单元效果比较从自动过滤、生物砾石床、生态基和人工湿地等工艺现场监测数据看,过滤和砾石床工艺效果虽然原理不同,但二者处理效果相当,TP平均去除率分别为33.6%和39.0%,COD平均去除率为16.2%和21.3%;湿地对湖水净化效果较好,湿地出水达到Ⅲ类水指标,TP和COD平均去除率分别为80.2%和56.1%;阿科曼生态基处理效果不明显.3组合工艺运行效果分析治理工程虽包括外围截污,仍有部分遗留错接,因而外源污染主要还是雨水管网溢流带来的负荷[13].组合治理工艺实施后,管理部门昀关心的问题是湖水恶化后通过组合工艺运行需多长时间才能改善水质.荔枝湖是磷源受限水体,以下通过总磷模型分析组合工艺运行的效果.3.1荔枝湖总磷串联模型荔枝湖水浅,工艺运行时循环流量大,混合较快,可通过质