污染饮用水生态治理设计

饮用水安全是关系民生的重要问题，是一个地区发展水平和生活质量的重要标志，而随着我国社会和经济的快速发展，饮用水源安全问题已经十分突出，根据王研等人［1］的研究，2005年全国约有55％的地表水水源地水质不合格。超标项目以有机污染为主。江南河网地区河流型水源地不仅有机污染趋于严重，还存在因化学品等危险品违法排放、泄露而形成的安全风险［2，3］。为提高用水安全系数，建设备用水源地或改善现有水源地环境的工作正日益得到重视。

1工程背景

杭嘉湖地区某市水厂日供水量为30万t／d，取水水源地设置在杭嘉湖地区的长山河，平均水质为地表水劣Ⅴ类，水质不符合地表水环境质量标准（GB3838－2002）中对饮用水地表水源地地表水Ⅲ类要求，超标指标主要为NH3－N，且由于长山河为Ⅵ级航道，其还存在危险品泄露影响供水安全的环境风险。现采用生态处理工艺在水厂附近长水塘两侧的低洼地建设新饮用水源地以增加饮水安全保障率。进行总体布置时需保留建设范围内的长水塘及主要支河的通航功能、预留地景观功能，工程范围总占地228hm2，其中需保留通航功能的河道占地约20hm2、预留地26．67hm2，实际用于工程布置的面积约181．33hm2。新饮用水源地主要水质指标需满足地表水Ⅲ类以上要求，并且有效库容需满足3d应急储水要求。

2生态处理工程设计原则与处理工艺设计

2．1设计原则（1）确保供水安全原则。长水塘原水经生态工程净化后出水主要指标达地表水Ⅲ类标准，为水厂提供优质原水，并在发表1长山河与长水塘现状水质Tab．1WaterqualityofChangshanandChangshuiRivermg／L参数pH值DOCODMnBOD5NH3－N石油类TP长山河双喜桥断面平均值7．413．666．365．122．690．130．25长水塘盐湖线断面平均值7．403．426．905．612．710．140．27地表水Ⅲ类标准值（GB3838－2002）6～9≥5≤6≤4≤1．0≤0．05≤0．2生突发性环境事件时，工程自身可持续提供3d供水量，提高水厂的抗风险能力，保障供水安全。（2）生态自然净化原则。选取生态净化工艺，充分发挥生态系统的净化功能，对原水进行生态自然净化，改善原水水质。（3）针对性及可靠性原则。针对长水塘水质特点，紧抓水体透明度低、营养盐水平高等严重影响水生态建设的限制因子，选取经实践检验的先进、成熟、可靠的生态工艺净化原水，构建健康良性的生态系统，并有针对性的采取预处理及深度净化等技术，确保工程的净化效果。（4）经济合理原则。在方案设计中，考虑工程区长条形和斑块性的地形特点，因地制宜进行工程布置，在保障供水水质的前提下，合理利用地形布置工艺流程及设施，采用一次提升，场内自流，使项目维护和运行费用最小化，保障并发挥经济效益最优原则。

2．2工艺比选及选定

2．2．1工艺比选本工程设计规模为33万t／d，生态技术中人工湿地技术对较大的处理规模具有较强的适应性。成熟可靠的人工湿地净化技术主要有潜流人工湿地技术、常规型表流人工湿地技术和复合型表流人工湿地技术。潜流人工湿地具有形式多样、净化效率高、卫生条件好的优点，尹炜等人［4］研究表明潜流人工湿地技术存在结构复杂、对进水悬浮物浓度要求高、易堵塞、运行管理相对复杂、造价很高及维护费用高等问题；常规型表流人工湿地对进水悬浮物浓度要求不高，不易堵塞，便于管理，造价低，但污染物净化效果相对较低［5］；复合型表流人工湿地是常规型表流人工湿地复合强化了沉水植物，其具有结构简单、净化效率高且稳定、不易堵塞、便于管理维护、造价相对较低及运行费用低等优点。长水塘原水透明度低、NH3－N含量高、悬浮物多且不易沉降、水质不稳定等特点，遵循经济合理、净化效果稳定、维护管理方便等原则，复合型表流人工湿地在工程应用上具有较好的适宜性。

2．2．2工艺选定根据工程设计原则和工艺比选，选取以复合型表流人工湿地为主体的净化处理系统，系统包括强化预处理系统、复合湿地净化系统、高效氧化系统、沉水植物净化系统、深度净化系统，工艺流程见图1。长水塘原水———泵站提升强化预处理系统———复合湿地净化系统———高效氧化系统———沉水植物净化系统———深度净化系统———水厂图1人工湿地净化工艺流程图Fig．1Schematicdiagramforpurificationprocessofconstructedwetlands

2．2．3各处理系统功能

（1）强化预处理系统。强化预处理系统是生态净化工艺的重要前置单元。可以沉降大颗粒泥沙、拦截细小悬浮物，初步净化水质，提高水体透明度；对后续的生态湿地起缓冲调节作用，起到均匀布（给）水的作用。（2）复合湿地净化系统。复合湿地净化系统是生态净化工艺的核心单元。通过挺水、浮叶及沉水植物的合理布置及局部的基底处理，吸附拦截水中的悬浮物，进一步提高水体透明度，吸收水中营养盐，降低水体污染物浓度；为微生物的生长创造良好的载体环境，为微生物吸收分解水中污染物质提供保障。（3）高效氧化系统。通过浅池构建、跌水复氧及植物光合作用，恢复水体含氧量；利用人工介质挂膜作用增加微生物浓度，进一步去除水中有机污染物。（4）沉水植物净化系统。沉水植物净化系统是生态净化工艺的保障单元，利用四季常绿型沉水植物构建稳定的生态系统。利用沉水植物及微生物的吸收吸附与降解作用，进一步降低水中营养盐浓度。（5）深度净化系统。深度净化系统是生态净化的最后一道工艺，具有储水及深度净化的功能，通过植物净化、生物操纵、水力调度等技术的应用，强化净化功能，维持水质稳定，防止富营养化，改善区域生态景观。

2．3总体平面布置方案

根据地形特点、长水塘及主要支河保留要求、取水口设置及水厂位置等综合分析，总体布置时按两组并联方案设施，即以长水塘为界分东西两组并联布置，东侧为A组，设计规模22万t／d；西侧为B组设计规模为11万t／d，每组工程范围最北端设置1个取水口，源水分别提升至A、B组内，由北向南依次经过强化预处理区、复合湿地净化区、高效氧化区、沉水植物净化区及深度净化区，东岸的出水经倒虹管穿越长水塘与西岸出水汇合后进入水厂吸水井。平面布置见图2。平行并联布置两组方案可以降低系统的总水头损失，在遵循“一次提升、场内自流”的设计原则下，可以降低各区水位高程节省了堤防的土建投资，便于区内土方平衡，景观效果也相对较好。此方案布置具有操作灵活、安全性及保障性高的优点。且B组中强化预处理区、复合湿地净化区及高效氧化区内部又平行分为2小组，可实现单小组的放空及维护，更为有效的保障了水厂供水水量。

2．4系统设计参数（1）强化预处理系统。强化预处理系统分为Ⅰ～Ⅲ区。该区分为跌水增氧段、沉砂段、机械增氧段、人工介质段及植物拦截段，进水经2道各10cm高跌水堰，通过跌水增加进水的溶解氧；水体中大颗粒泥沙主要在沉砂段依靠重力自然沉52河网地区微污染饮用水源地生态处理工程的设计研究降，沉淀后的水体若溶解氧不高，可通过机械增氧段补充增氧，并将水中部分污染物氧化；水体中细小的悬浮物大部分在人工介质段被过滤拦截吸附［6，7］；由沉水植物及漂浮植物组成的具有拦截作用的净化带，可进一步提高水体透明度，初步净化水质。该区四周浅水区域种植耐污的水生植物，如苦草、狐尾藻、伊乐藻及菹草等，有效吸附泥沙，为微生物提供载体，增强净化功能。（2）复合湿地净化系统。复合湿地净化系统分为Ⅰ～Ⅳ区，是工程的核心单元，考虑到工艺流程及实际地形因素，依据同类工程运行参数设计，由于中部有过河水损要求，中部设置20cm跌水堰、增进水中溶解氧。通过微地形塑造及基底改造，合理配置挺水植物、浮叶植物及沉水植物，构建健康良性的立体复合湿地系统，拦截吸附悬浮物，有效净化水质［8］；出水采用表层溢流出水，并通过跌水方式再次补充水中的溶解氧，为后续单元提供充足的溶解氧。该区主要种植耐污弱光型沉水植物和耐污型挺水植物，如小茨藻、伊乐藻、芦苇、香蒲等。（3）高效氧化系统。高效氧化系统分为Ⅰ、Ⅱ区，该系统底部配置四季常绿型沉水植物，并设置高效的生物填料，为微生物着床提供载体［9］，可充分发挥好氧微生物的净化效果。（4）沉水植物净化系统。沉水植物净化系统分为Ⅰ～Ⅴ区，生态湿地系统的保障单元，考虑到工艺流程及实际地形因素，依据同类工程运行参数设计，该区利用沉水植物快速构建稳定的生态系统，发挥生态系统净化功能［10，11］。该区主要种植净化效果好的沉水植物，如苦草、菹草、抗寒轮叶黑藻、眼子菜、狐尾藻等。（5）深度净化系统。深度净化系统分为Ⅰ、Ⅱ区，通过构建生态系统，结合生物操纵技术、水力调度等，改善与维持深度净化区的水质，防止富营养化。该区主要种植净化效果好的沉水植物，如苦草、伊乐藻、抗寒轮叶黑藻、眼子菜等。

3工程设计特点

（1）根据地形及原水特点，采用两组并联布置，运行灵活，供水保证率高。根据工程区长条形和斑块性的地形特点，因地制宜进行工程布置，以长水塘为界设置两组并联运行，灵活性好，供水保证率高，安全性高，便于工程维护，且单组设施的水力流程短，水头损失小，节省取水泵站的运行能耗，也减少了堤防工程量。同时，合理利用各个斑块的面积，充分发挥单位土地的净化效益。（2）合理布置竖向高程，一次提升自流出水，节省土建投资及运行能耗。本工程正常运行时一次提升可满足工艺所需水头及跌水増氧的要求，可自流进入水厂，避免二次提升及设置中途増氧设施，节省了土建投资及运行能耗。同时，深度净化区正常运行水位位于水厂取水泵的高效区内，不会影响取水泵的正常运行及使用寿命，也不增加取水泵的运行费用。（3）运行成本低，维护简单，管理方便，体现低碳、低能、和谐的设计理念。本工程运行费用主要为取水泵站、应急泵站的电费及人工维护费等，由于采用两组并联布置方式，单组流程短，沿程水头损失小，取水泵站的提升扬程也（上接第53页）相对较小，能耗小；而应急泵站仅在长水塘发生突发性环境事故时才启动，启用的几率很低，且每次启动时间最多持续1d，因此，本工程运行期间的能耗成本较低，体现了低碳、低能、环保、和谐的设计理念。两组并联布置，可灵活关闭其中1组进行维护及检修，另1组保持正常运行，管理方便。另外工程采用的复合湿地技术等具有结构简单、维护管理方便的优点，因此，运行期间，维护人员无需过高技术对其进行维护。

4工程投资

工程作为功能性湿地，对出水水质提出了较高的要求，该工程包括防洪大堤建设，按处理水量为33万m3／d推算，投资为575元／（m3•d），系统的运行于维护费用主要包括原水动力提升费、日常维护人工费和其他费用；该工程最终综合运行费用为0．05元／（m3•d）。