設(shè)計案例 | 黑臭水體的凈化——地下氣浮生物濾池組合工藝處理高標準景觀水案例

截至2020年底，全國地級及以上城市2914個黑臭水體消除比例達到98.2%?！笆奈濉逼陂g，生態(tài)環(huán)境部將繼續(xù)以水生態(tài)保護修復(fù)為核心，鞏固深化碧水保衛(wèi)戰(zhàn)成果，積極推進美麗河湖保護與建設(shè)。

2020年10月，中國城鎮(zhèn)供水排水協(xié)會發(fā)布《城鎮(zhèn)水務(wù)2035年行業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》，其在城鎮(zhèn)水環(huán)境2035年總體目標中提出在徹底消除黑臭水體基礎(chǔ)上，提升水體景觀和游憩功能，營造優(yōu)美宜居的城鎮(zhèn)水生態(tài)環(huán)境，人體可直接接觸類或休閑娛樂類城鎮(zhèn)水體比例不低于80%，有條件的地區(qū)向更高的生態(tài)環(huán)境目標邁進。

近年，政策推動下，眾多城鎮(zhèn)河道治理后煥發(fā)新生，黑臭水體華麗轉(zhuǎn)身為城鎮(zhèn)中心地區(qū)清水綠岸的新景觀帶，人水和諧親近，體現(xiàn)了人民城市為人民的理念，是城鎮(zhèn)更新建設(shè)中的關(guān)鍵點睛之筆，也是行業(yè)發(fā)展規(guī)劃目標方向。

黑臭水體治理手段主要有污染源控制及治理，水動力改善及水力調(diào)控，水質(zhì)凈化與生態(tài)修復(fù)，綜合管理及工程運行與維護等?？卦唇匚凼呛拥乐卫硎滓襟E，相對于更高標準的景觀用水需求，河道水質(zhì)往往仍然無法滿足要求。在生境條件差和場地空間限制的城市中心，無法實施原位處理修復(fù)，且無再生水系統(tǒng)補給時，建設(shè)旁路處理的水體凈化工程是必要的，以進一步提升水體水質(zhì)，滿足景觀補水需要。凈化工程本身作為長期治理措施時，需要考慮與周邊景觀的有效融合。

本案例為劣V類水源條件下，在生境和場地限制的城市中心建設(shè)旁路處理的水體凈化工程，構(gòu)建生物浮濾池為核心的多級處理流程，主體工程置于地下，滿足周邊景觀要求，巧妙實現(xiàn)工藝過程融合，豎向疊合和平面貼合，出水濁度小于1.0 NTU，氨氮去除率大于40%，達到高標準景觀水要求。

[作者簡介]

吳國榮（1974— ），上海市政工程設(shè)計研究總院 有限公司、上海水業(yè)設(shè)計工程有限公司高級工程師，主要從事給水處理和輸配水工程研究設(shè)計

1、項目基本情況

1.1 項目概況

D江改造規(guī)劃后定位為城市中心地區(qū)的新景觀帶，形成區(qū)域內(nèi)新的城市級商業(yè)和文化博覽中心。D江水質(zhì)凈化工程即為水質(zhì)凈化處理后，回流至D江，作為河道景觀水。

1）水量目標：1.5 m3/s，每天運行16 h。

2）用地條件如下。

（1）地下式：工程用地上部設(shè)置市民活動廣場，布置綠化及運動場所，與周邊景觀相融合，主體構(gòu)筑物必須設(shè)置于地下。

（2）場地?。旱叵抡嫉孛娣e僅為2 490 m2（含圍護用地），地上占地面積僅約為500 m2。

1.2 進出水水質(zhì)

1.2.1 原水水質(zhì)分析

D江水質(zhì)凈化工程原水為劣V類水質(zhì)，主要污染物有藻類、懸浮物、氨氮、五日生化需氧量等。水源水質(zhì)五年統(tǒng)計數(shù)據(jù)情況如下。

（1）藻類平均值達到300萬~500萬個/L；

（2）顆粒懸浮物SS平均值≤27 mg/L；

（3）氨氮平均值為5.75 mg/L，最高值為6.44 mg/L，地表水V類標準限值為2 mg/L；

（4）BOD5平均值為13.72 mg/L，最高值為21.70 mg/L，地表水V類標準限值為10 mg/L；

（5）溶解氧平均值較低，約為1.5 mg/L，地表水V類標準限值為2 mg/L。

1.2.2 出水水質(zhì)要求

出水水質(zhì)達到無嗅、無味、清澈的總體目標，主要指標應(yīng)優(yōu)于《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002）的Ⅴ類標準和《城市污水再生利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》（GB/T 18921—2019）的娛樂性景觀環(huán)境用水（河道類）標準。

本工程廢水直接排入市政管網(wǎng)，由市政污水處理廠統(tǒng)一處理。

1.3 工程建設(shè)難點

（1）原水差，去除對象種類多，出水標準高

原水氨氮、有機物高，溶解氧低還有藻類干擾，僅單座濾池或氣浮等單一工藝過程難以完成工程目標，多種處理工藝手段的綜合利用必然是不可或缺的。

（2）用地小，且主體位于地下

工程地下部分場地面積僅相當(dāng)于普通濾池，需要布置主體處理構(gòu)筑物和地下提升泵房，還需安排上下人流、物流通道。

綜上，考慮復(fù)雜原水、場地空間受限和高標準出水的工程條件和目標，工藝選擇應(yīng)因地制宜，并綜合應(yīng)用多工藝組合，相應(yīng)的工藝布置也需要面對較高挑戰(zhàn)。

2、主體工藝選擇及組合

2.1 工藝思路分析

2.1.1 工藝路線

工藝處理主要去除目標為藻類、濁度、氨氮和微生物等，需要綜合懸浮物截留、生物除氨、化學(xué)消毒等不同處理工藝，提升協(xié)同效能，實現(xiàn)出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。

有限地下空間條件下，工程設(shè)計必須要創(chuàng)新工藝組合和巧妙綜合布置，實現(xiàn)小空間高效能的綜合效應(yīng)。

工藝路線針對性選用氣浮法+生物法+微絮凝過濾+光催化氧化及次氯酸鈉消毒的組合工藝，達到效能倍升效果。

（1）氣浮法加強藻類和其他懸浮物去除

藻類密度小，不易沉降，而氣浮法去除水中難以沉降懸浮物較有優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于藻類和其他懸浮物的去除。氣浮法還可以防止藻類堵塞濾池，減輕濾池截留負荷，并利用其氣提作用，部分去除水中色度。

前加氯等預(yù)氧化措施也可以殺滅水中藻類，但工藝處理停留時間較短時，余氯濃度會較高?？紤]后續(xù)工藝還需要依靠生物作用去除氨氮、有機物等，應(yīng)避免余氯影響，不能使用前加氯等預(yù)氧化措施。

（2）微絮凝直接砂濾+氣浮保證出水濁度

砂濾與氣浮相結(jié)合形成浮濾池，可以適應(yīng)的原水濁度范圍更寬，總體運行負荷更高，出水效果更優(yōu)。在進水濁度不高情況下，微絮凝直接過濾+氣浮可以長期穩(wěn)定運行，出水濁度可在1 NTU以下。

除濾池本身濾料粒徑級配和濾層厚度，以及進出水分配均勻等關(guān)鍵因素外，其前部來水水質(zhì)改性對于保證濾池出水水質(zhì)也非常關(guān)鍵。過濾理論認為過濾主要是懸浮物與濾料之間黏附的結(jié)果。因此，來水懸浮物加藥改性，提高黏附性能至關(guān)重要。同時對于無沉淀的直接過濾工藝，與沉淀工藝對絮凝的要求不同，絮體顆粒不宜過大，粒徑大致為40~60μm，以便于深入濾層深處，從而提高濾層含污能力，防止過早堵塞濾池。氣浮工藝對于微絮凝的要求與直接過濾相同，去除改性后的小絮體效果更佳，過大絮凝難以氣浮分離。綜合過濾和氣浮需求，考慮在前部設(shè)置混合絮凝設(shè)施，增強原水過濾性能，同時設(shè)計絮凝時長約3~5 min，以避免絮體過大，影響過濾和氣浮效果。

（3）生物法去除水中氨氮

生物法中顆粒填料的氨氮去除效果一般優(yōu)于纖維填料，沸石陶粒組合填料的氨氮去除效果高于單一陶粒填料，在水力停留時間為0.5 h條件下，沸石陶粒組合填料的最大氨氮去除負荷大約為0.44 kg NH4+-N/(m3?d)，而陶粒填料的最大氨氮去除負荷約為0.37 kg NH4+-N/(m3?d)。沸石陶粒填料的出水濁度比陶粒填料更低、更穩(wěn)定，但水損增長更快。

原水濁度較高時，沸石陶粒沖洗次數(shù)會過高，導(dǎo)致廢水量過大，沖洗排隊嚴重影響正常過濾，另沖洗過多會影響到濾層內(nèi)生物量，反而影響生物處理效果。在陶粒已具有較高氨氮處理效果的條件下，工藝應(yīng)首先保證濾池正常過濾沖洗，陶粒濾料運行更為可靠，而且還可以利用陶粒生產(chǎn)過程中的密度可控性，形成與砂層相適應(yīng)的密度和粒徑的級配關(guān)系，提升濁度控制效果，并避免沖洗亂床問題。因此，濾料可以選用陶粒與砂層組合，保證氨氮與濁度的雙重處理效果。

生物陶粒作用同時也可以有效地降低BOD5。在淮河蚌埠生物預(yù)處理示范工程中，生物陶粒的BDOC去除率達到73.91%。

為了保證生物處理效果，水中還需要補充溶解氧?？紤]充氧設(shè)備無法與氣浮和過濾工藝設(shè)于一池，需要獨立設(shè)置，而日常運行中跌水曝氣是一個水力過程，省去了曝氣控制管理的繁瑣工作，在充氧量需求較低時，不失為最佳選擇。趙軍采用跌水曝氣沸石床工藝，跌水曝氣復(fù)氧效果明顯，出水DO保持在3.5 mg/L以上，足以滿足微生物生長需要。試驗原水TN濃度為33~95 mg/L，TN去除率為35%~50%。跌水曝氣取代鼓風(fēng)曝氣，節(jié)約能耗，降低工程費用和運行成本。

（4）光催化氧化保障生物安全和降低氨氮，次氯酸鈉為備用。如原水氨氮過高，光催化氧化工藝切換為折點加氯，去除氨氮和保證消毒。

（5）廢水滿足排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標準

考慮無用地條件，經(jīng)與管理部門協(xié)商，工程廢水直接排入市政管網(wǎng)。工程處理工藝主要是對水中懸浮物、氨氮和有機物的去除，其中：懸浮物出水濁度如為1 NTU，排水量約為產(chǎn)水量的5%，對應(yīng)原水濁度27 NTU懸浮物濃縮約20倍，則排水懸浮物濃縮最高為520 mg/L；工藝中對氨氮、總氮類會直接予以減量，沒有濃縮效應(yīng)，排水相對原水會更為改善；處理過程中有機物去除量，類比給水處理中完善的沉淀和過濾的較高去除率約60%，不考慮生化的去除，而僅僅保守估計濃縮去除量60%的20倍，對應(yīng)原水水質(zhì)BOD5最高值21.70 mg/L，則排水中BOD5最高為260 mg/L。其他指標濃縮效應(yīng)較小。因此，工程廢水可以符合《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標準》（GB/T 31962—2015）。

2.1.2 工藝流程

綜合各工藝能力分析，考慮工程場地狹小，多種工藝應(yīng)當(dāng)融合形成綜合池體來完成工程目標，故采用浮濾池（上海市政總院專利技術(shù)）處理工藝，并提升濾料性能，采用陶粒層取代大部分砂濾層，形成氣浮生物濾池。進水端采用無需設(shè)備的跌水曝氣，易于與浮濾池相結(jié)合，出水采用光催化氧化法消毒，同時以次氯酸鈉折點加氯為備用，出水端增設(shè)跌水曝氣提升出水溶解氧量，提升出水水質(zhì)。工藝流程以氣浮生物濾池為核心，綜合為跌水曝氣+微絮凝+氣浮生物濾池+光催化氧化消毒（次氯酸鈉備用）+跌水曝氣的組合工藝。工藝流程如圖所示。

2.1.3 集約化組合設(shè)計

工程主體置于地下，以保證景觀用地，營造宜人休閑環(huán)境。在考慮高程銜接和場地布置條件下，混合絮凝、浮濾池、氣浮溶氣和釋氣設(shè)備、清水泵、沖洗排水泵等置于地下層，其余溶氣回流泵及空壓機系統(tǒng)、反沖鼓風(fēng)機、反沖洗水池、光催化氧化系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)和控制用空壓機等置于地面層。有條件的主要設(shè)備置于地面，便于使用、管理和維護，同時可以減少地下空氣濕度大而導(dǎo)致的設(shè)備損害問題。

工程實現(xiàn)多種處理工藝過程融合，以及構(gòu)筑物豎向空間疊合及平面布置緊密貼合。

（1）工藝過程融合

多種工藝過程的混合、絮凝、生物、氣浮與過濾同池融合，尤其是氣浮生物濾池的利用，氣浮與生物、過濾等多工藝過程實現(xiàn)同池面的上下過程同步處理。出水的光催化氧化以及次氯酸鈉消毒也是同池面處理。整體工藝過程不簡化，布置融合化。

（2）豎向空間疊合

有限平面空間的條件下，構(gòu)筑物輔助設(shè)備、出水及消毒通道、主體浮濾池分上、中、下三層布置，充分挖掘豎向空間。多層疊合布置兼顧了處理流程需求和設(shè)備層盡可能設(shè)于地面層的便利性。

（3）平面布置貼合

各處理單元平面直接貼合，順暢連通?；旌闲跄?lián)，出水直接進入浮濾池進水配水渠道，濾池出水清水渠道兼做泵房吸水渠，兼顧水流通道及水量調(diào)節(jié)功能，而出水消毒配水通道兼做反沖洗水池和回流水池。水處理流程除下部提升至出水，無專設(shè)連接管道，水損小，效率高。全平面緊湊布置，高效利用。

3、氣浮生物濾池特點

氣浮生物濾池是將氣浮與濾池相結(jié)合的一種水處理構(gòu)筑物形式，利用濾層上部的水深空間作為氣浮的分離區(qū)，濾池上方設(shè)有刮渣設(shè)備，清除浮渣。另外在濾池的進水端設(shè)置氣浮接觸池。

翻板濾池是最適用于氣浮生物濾池的一種濾池形式。主要優(yōu)勢表現(xiàn)于.

（1）翻板濾池的濾層上水深較大。利用濾層上部空間實現(xiàn)氣浮與過濾的上下分離，減輕過濾雜質(zhì)負荷。

（2）翻板濾池不設(shè)中央排水槽。過濾布水布氣系統(tǒng)均布，與氣浮平面分布要求一致，工程占地也更為節(jié)約；

（3）濾池出水系統(tǒng)均衡性有助于氣浮分離。濾池布水布氣系統(tǒng)與濾層的均衡布水作用，遠優(yōu)于常規(guī)氣浮下部出水的穿孔管，可以消除因下部出水不均衡導(dǎo)致上部氣浮分離效果差的影響。

（4）濾層穩(wěn)定性高，便于設(shè)置生物陶粒和石英砂雙層濾料。由于沖洗排放的特性，翻板濾池?zé)o需擔(dān)心沖洗跑濾料，便利設(shè)置雙層濾料，分層效果更優(yōu)，在常規(guī)石英砂濾料的基礎(chǔ)上，增設(shè)生物陶粒，強化濾池的生物處理能力，同時雙濾層共同保證出水濁度。

4、主要工藝設(shè)計參數(shù)

氣浮生物濾池下層平面尺寸為24.70 m×88.70 m，地下部分深約為12 m，共8格濾池，分為2組單排布置，圖2中僅表達了一組混凝絮凝浮濾池4格及下部泵房（設(shè)有清水泵和沖洗排水泵），左側(cè)延伸另外一組4格。地上部分占地面積僅約為500 ㎡。各平剖面布置如圖2~圖6所示。

為便于描述，本文依工藝過程介紹。

（1）混合絮凝

每組混合跌落池混合時間約為32 s，出水經(jīng)堰跌落曝氣出水，跌落高度為0.40 m，為無需控制方式。每組絮凝階段時間總共約為3 min，分為3格，每格分別設(shè)絮凝攪拌機，每組共3臺，功率為2.2 kW，變頻調(diào)速。絮凝池出水形成細小礬花，為氣浮和過濾做好準備。

（2）浮濾池

浮濾池每組設(shè)置4格，對稱分置于混合絮凝池兩側(cè)。

氣浮生物濾池設(shè)有氣浮接觸區(qū)，氣浮分離區(qū)，濾池過濾區(qū)。濾池過濾區(qū)設(shè)于氣浮分離區(qū)下方。

氣浮接觸區(qū)：進水渠經(jīng)進水后導(dǎo)流，釋放器上部區(qū)域。

氣浮接觸區(qū)上部上升流速約為20 mm/s。進水在接觸區(qū)與釋放器釋出的氣泡相接觸，完成氣泡與細小絮體的黏附后，形成帶氣絮粒，有利于下階段的分離。

氣浮分離區(qū)：濾池濾層的上部區(qū)域。

氣浮分離區(qū)單格平面面積為100.22 m2。帶氣絮粒上升形成浮渣，間歇性刮渣去除。水中較輕的懸浮物去除效果良好，尤其對于藻類和色度去除優(yōu)于其他常規(guī)處理工藝。

濾池過濾區(qū)：也即濾層區(qū)域。

過濾區(qū)位于氣浮分離區(qū)下方，與氣浮分離區(qū)同平面尺寸。部分氣浮未分離的絮粒隨水流向下，經(jīng)濾料過濾去除。

濾池正常濾速：7.63 m/h。

濾池采用雙層濾料：

上層陶粒濾料：粒徑1.6 mm~2.5 mm，d10=1.80，K80≤1.30，厚度為1.1 m，表觀密度小于為1.20 g/cm3，球形度0.90以上，比表面積（單位質(zhì)量濾料的表面積）：≥1.0×104cm2/g，具有親水性，其他技術(shù)指標優(yōu)于《水處理用人工陶粒濾料》（CJ/T 299—2008）。

下層石英砂濾料：粒徑哦0.7~1.2 mm，K80≤1.4，厚度為0.5 m，密度約為2.65 g/cm3。在氣浮處理基礎(chǔ)上，過濾水中濁度有保障。

雙層濾料上部的陶粒濾料可形成較好的生物作用，對水中氨氮和有機物均有較好的去除作用。

施工時，雙層濾料應(yīng)分層裝填，下層砂層裝填清洗完畢后，再裝填上層陶粒，便于逐層清洗并減少亂層。濾料補充和更換可以采用水射器方式來替代人工操作，減少勞動強度和提高工作效率。

（3）溶氣回流系統(tǒng)

溶氣回流系統(tǒng)包括回流泵、溶氣用空壓機、溶氣罐和釋放系統(tǒng)。回流泵和溶氣用空壓機設(shè)于地面層，溶氣罐和釋放系統(tǒng)設(shè)于地下層。本工程設(shè)定回流比約為10%。

回流泵設(shè)有3臺，2用1備，單臺能力為280 m3/h，揚程為31 m，功率為45 kW。

溶氣供氣量為48 m3/h，設(shè)有空壓機供氣。

每格濾池外設(shè)溶氣罐1只，采用TR8型填料罐，自帶氣水界面控制。

每格濾池內(nèi)設(shè)TVⅢ型溶氣釋放器，共13只，安裝于回流溶氣水管DN200上，置于接觸區(qū)下方。

（4）反沖系統(tǒng)

一般濾池沖洗緊接于排渣后，防止沖洗導(dǎo)致浮渣下沉至濾層內(nèi)，影響運行和后期沖洗效果。

翻板濾池配套氣沖和水沖2種沖洗方式。

羅茨鼓風(fēng)機設(shè)置2臺，1用1備，風(fēng)量為6 015 m3/h，風(fēng)壓哦5 m，功率為132 kW。

本工程在地上建筑回流水泵房下方設(shè)置反沖洗水池，供沖洗和回流水用。

濾池充分利用反沖洗水池的高度，重力流沖洗。因水沖洗分為小水量和大水量2種沖洗強度，采用2種沖洗立管分別為DN400和DN800，以便于流量控制。出水立管上分別設(shè)調(diào)流閥和流量計。

5、運行效果及經(jīng)濟性分析

5.1 運行效果

工程運行測試時，進水濁度短期達到100 NTU，遠高于調(diào)查數(shù)據(jù)，出水濁度仍可保持小于1.0 NTU。氣浮開啟，濾池運行周期明顯增長1倍以上，可達16 h，體現(xiàn)了浮濾池組合工藝的效能。在進水氨氮達到4.50 mg/L，生物處理和光催化氧化系統(tǒng)出水氨氮為1.50 mg/L，去除率達到66.7%；進水氨氮2.18 mg/L時，出水氨氮為0.193 mg/L，去除率超過90%。組合工藝中生物濾池氨氮去除量約占總?cè)コ恐械?0%，生物掛膜成功，氨氮去除效果明顯。

D江水質(zhì)凈化工程出水水質(zhì)指標全面優(yōu)于工程目標，運行良好穩(wěn)定。

河道整治換水后，由臭水溝變成涓流溪水，成為市中心的親水休憩運動景觀帶，為城市增加了一抹靚麗，為廣大市民提供了和諧家園，工程取得了很好的社會效益。

5.2 經(jīng)濟性分析

工程總用地約為2 490 m2。集約化組合設(shè)計大幅減少了用地，僅僅考慮氣浮和濾池的融合，輔助加藥系統(tǒng)、反沖水池和光催化消毒系統(tǒng)等的疊建，總體用地為常規(guī)用地的50%，另還減少了建構(gòu)筑間距和交通通道等用地。不計因此而減少的地下工程圍護工程量，構(gòu)筑物土建工程費用減少約3 000 萬元，同時大幅縮減了施工周期。

6、結(jié)論

（1）河道水質(zhì)旁路強化處理是水體治理手段之一，可以補充景觀水源，提高景觀水體比例，建設(shè)清水綠岸的宜居宜業(yè)景觀帶。

（2）應(yīng)對復(fù)雜原水中藻類、濁度、氨氮和微生物等污染物時，選擇懸浮物截留、生物處理和化學(xué)消毒的綜合工藝技術(shù)路線，構(gòu)建氣浮生物濾池為核心的跌水曝氣+微絮凝+氣浮生物濾池+光催化氧化消毒（次氯酸鈉備用）+跌水曝氣的工藝組合，可以提升協(xié)同效能，實現(xiàn)出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。

（3）有限地下空間條件下，工程設(shè)計必須要創(chuàng)新工藝組合和巧妙綜合布置，實現(xiàn)多種處理工藝過程融合，以及構(gòu)筑物豎向空間上下疊合及單元布置緊密組合，創(chuàng)造小空間高效能的綜合效應(yīng)。