南方城市黑臭水体综合治理 ——以南宁市竹排江 ｅ 段(那考河)为例
慧聪水工业网摘要：竹排江e段(那考河)是南宁市典型的城市黑臭水体,亟需进行治理。分析了那考河水质污染特征,识别其主要污染来源;针对污水和初期雨水入河、河道底泥淤积、生态基流匮乏、河道水生态系统严重退化等问题,提出采取控源截污、内源清理、活水保质、生态修复措施进行综合整治,并因地制宜地开发了流域适用的“净水梯田”生态护岸技术,对溢流或径流雨水进行多级净化;采用政府和社会资本合作(PPP)+按效付费的建设模式,治理后那考河水质稳步改善且达到GB3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水质标准,生态效益显著,水体周边人居与商业环境明显改善。
关键词：城市黑臭水体;控源截污;生态修复;净水梯田;按效付费;那考河
2015年4月国务院印发的《水污染防治行动计划》[1](简称“水十条”)中,正式提出城市黑臭水体治理任务,该任务是“水十条”众多目标任务中难度较大的任务之一[2]。2015年8月,住房和城乡建设部联合原环境保护部等部门联合发布了《城市黑臭水体整治工作指南》[3](简称“指南”)。根据“指南”提出的要求,全国各地相继开展了城市黑臭水体识别,编制了整治方案,启动了城市黑臭水体治理的相关工作。但在治理的初期阶段,部分城市将治理的重心放在黑臭水体本身,即在未有效控源截污的前提下,开展河道曝气、菌剂投撒、调水冲污等措施,未能达到好的治理效果。自2018年5月以来,生态环境部与住房和城乡建设部联合开展了城市黑臭水体整治环境保护专项行动,督促引导各地在城市黑臭水体治理方面达成了“问题在水体、根源在岸上、关键在排口、核心在管网”的共识[4,5],明确了城市黑臭水体治理的难点和重点在于提升城市水环境基础设施,尤其是完善污水收集与处理体系。但在实际治理中,部分城市未从“排清水、堵河水、腾管容、收污水、提浓度”方面下功夫,而是盲目采取新建、扩建污水处理厂的方式进行治理。很多城市普遍存在污水处理厂进水BOD5偏低问题[6,7],这主要是由于管网破损造成清水入渗,河道水位过高使河水通过排口倒灌,管网中的污水流速慢使颗粒物在管网中沉积[8,9,10]造成的。同时,由于污水处理厂处理能力不足,超过处理能力的污水溢流入河;分流制管网存在污水管网和雨水管网混接、错接问题,污水通过雨水管网排入河道;加上管网建设未跟上城市发展的步伐,存在管网空白区,导致旱天污水排放入河,对河流水质造成污染[10,11,12]。全国黑臭水体整治任务仍然艰巨。
随着城市黑臭水体治理工作的推进,全国涌现出一批黑臭水体治理的样板。笔者以南宁市竹排江e段(那考河)为例,介绍了该河段治理前存在的主要问题、治理所采取的有针对性的工程措施和管理措施及治理后取得的生态环境效益、经济效益和社会效益,以期为全国其他城市和县级城市黑臭水体治理提供借鉴。
1河流概况与污染特征
1.1竹排江e段(那考河)概况
竹排江位于南宁市城区东北部,是南宁市18条内河之一,发源于南宁市东北郊的高峰岭,流域面积为117km2,主河道长35.9km。竹排江担负着排洪、景观等多种功能,是南宁市“中国水城”建设的重要组成部分。竹排江有东西两源,于广西茅桥中心医院附近汇合形成竹排江干流,东源为那考河(图1),西源为沙江河。那考河主要汇水有金桥支流,河水由北流向南。那考河需整治河道长约7km,治理前河流水环境质量较差,水质为GB3838—2002《地表水环境质量标准》劣V类,存在氨氮(NH3-N)超标严重、面源污染突出、河道自然植被衰退、水生生物多样性锐减等问题。
1.2水质现状
自20世纪90年代初以来,随着那考河上游养殖业的兴起,那考河成为纳污河流,水质污染严重。根据2014年5月的采样分析结果,对照《城市黑臭水体整治工作指南》[3]中城市黑臭水体污染程度分级标准,1#(金桥支流)、4#(长堽路铁路桥)采样点水质均属于重度黑臭(表1)。
1.3污染来源
根据对流域状况的综合分析可知,那考河的主要污染来源为畜禽养殖污水,其后依次为生活污染、农业面源污染和工业污染;此外,河道两岸建筑小区、道路、公园绿地等外排雨水造成雨水径流污染。由于污水和雨水常年直排入河,加上建筑垃圾随意倾倒,私搭乱建等挤占了河床,使河道断面过流能力差。
通过现场调查和相关资料分析,那考河共有44个排水口,其中10个为分流制污水直排排水口,27个为合流制直排排水口,7个为分流制雨污混接雨水直排排水口。合流制直排排水口因未建设截流溢流设施,旱季实为污水直排口,雨季则为混合污水排水口;分流制雨污混接雨水直排排水口因存在源头雨污水管网混接问题,雨水口也有污水排出。
那考河上游汇水区约有100个畜禽养殖场,多年来养殖废水直排入河,导致上游来水水质污染严重。2#(二塘高速入口)、3#(金桥支流入口)采样点的化学需氧量(CODCr)分别高达503、498mg∕L,NH3-N浓度分别高达49.8、109.0mg∕L。与重度黑臭限值[3]相比,NH3-N浓度分别超标2.3倍和6.3倍。
那考河两岸片区内初期雨水总氮(TN)、NH3-N、总磷(TP)浓度和CODCr均较高,平均分别为4.60、3.16、0.47和64.93mg∕L。由于传统开发建设模式未考虑对初期雨水弃流和雨水径流的净化处理,导致大量污染物随雨水直接进入雨水管网和合流制管网中,最终被冲刷入河,成为那考河的又一污染源。
另外,由于多年的外源污染、垃圾倾倒和颗粒物沉积,导致那考河河道淤积严重,平均淤泥深度为0.8~1.0m。淤泥成分复杂,包括泥沙、生物废屑、生活垃圾和建筑垃圾等,河道底泥污染严重。现场调研表明,那考河平均水深为0.2~0.3m,最浅水深仅为0.1m,由于泥沙淤积,最窄处河面宽度不足1m,在植物园内支流汇合处下游150m处,河床淤积的泥沙深达1m,在河流穿过昆仑大道处、金桥客运站段,多处河面形成了沙洲。
2治理方案和措施
2.1治理思路与目标
坚持系统化、专业化、整体化和地域特色化原则,采用政府和社会资本合作(PPP)+按效付费的建设模式,对那考河实施全流域综合整治,将流域源头减排、过程控制以及河道系统治理有机联系起来统筹考虑,以实现河道水质主要指标达到Ⅳ类水质标准,在河道防洪方面满足50年一遇防洪标准,在岸线修复方面生态驳岸长度占比达90%以上,从根本上恢复河流流域自然生态,还城市以山水林田湖草应有的空间和质量。
2.2控源截污
2.2.1污水处理厂建设
在那考河上游新建一座处理量为5.0万m³∕d的膜生物反应器(MBR)污水处理厂(南宁北排水环境发展有限公司那考河再生水厂),通过截污管道收集河道两岸及周边片区污水,设计出水优于GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准,尾水经生态净化后排入河道作为补水水源,主要污染物指标达到Ⅳ类水质标准。
2.2.2截污纳管
对那考河河道两岸现存排水口和初期雨水进行全面截污,截流的污水通过截污管输送至上游新建污水处理厂进行处理。那考河沿岸截污管服务范围主要包括金桥组团和东沟岭组团部分居住区域,面积为76万m2,截流管道截流倍数采用2.0。为避免污水管全线重力流敷设时管道覆土深、施工难度大且进度慢、费用过高的情况,采用重力流与压力流相结合的方式敷设管道。以昆仑大道为界,截流管道工程具体分为2个部分:1)昆仑大道以北段污水管根据污水处理厂位置,由两端往污水处理厂汇集处理;2)昆仑大道以南段污水管由两端往中间汇集,再通过一体化预制埋地污水提升泵站提升至污水压力管,最终进入上游新建污水厂处理。污水重力管管径(D)为300~1200mm,管长约8.0km;污水压力管管径为630mm,管长约2.6km。那考河污水处理系统布置、截污管与截留井照片见图2。
2.2.3尾水湿地净化
以河道水质达到Ⅳ类水质标准的考核目标为导向,设计和构建人工湿地,将那考河新建污水处理厂尾水经人工湿地净化后补入河道。综合考虑那考河水体保护要求及河道沿线用地情况,将人工湿地设置在污水处理厂西北侧,选用占地面积小且具有较好净化效果[13,14]的垂直流潜流湿地。潜流湿地占地面积为50000m2,分为36个潜流湿地单元,包括18个下行流潜流湿地单元和18个上行流潜流湿地单元,每个单元面积为1400~1500m2。根据水深及待去除污染物特性,潜流湿地内种植的水生植物选择芦苇、美人蕉等挺水植物。潜流湿地主要设计参数:处理水量为50000m3∕d,表面水力负荷为1m3∕(m2·d),水力停留时间为10h。那考河污水处理厂尾水净化湿地建设实景如图3所示。
2.2.4溢流口出水净化
那考河两岸沿线排水口的截流原则为“现况排水口尺寸低于500mm的全部截流,排水口尺寸大于500mm的部分截流”,对超出截污管转输能力的部分溢流污水,通过因地制宜地设置各类海绵设施,蓄、滞、净化溢流污水。综合考虑排水口类型、排水口与河道常水位间的高差、排水口周边用地条件等多方面因素,将城市红线范围内排水口分为5种类型,采取“一口一策”思路,因地制宜地设置不同的排水口调蓄净化设施,尽量减少排水口溢流污染。
2.3内源清理
在现场勘测的基础上,采用正、反铲挖掘机对那考河河道污染底泥进行清淤,清理淤积污泥共计24万m3,清淤时保留部分底泥,以保障清淤后的河道生态系统快速恢复。为防止挖出的淤泥污染环境,及时将其外运并处理处置。对于不具备放坡开挖条件的区域,根据现场实际情况进行临时支护以确保施工安全,清淤完成后,按照河道填方要求分层碾压回填。
2.4活水保质
那考河流域降水分布不均匀,枯水期降水量少,河流流量小。由于竹排江主河道及支流在丰水年、平水年及枯水年基本无法单独通过运行提升式闸坝下泄蓄水来保证河道生态需水量,因此,设计对那考河进行补水,统筹满足河道生态流量和景观需水的要求。采用水文比拟法[15]计算那考河径流,并进行水量平衡分析。那考河主河道的生态需水量为河道平水年(保证率50%)的平均径流量(约0.67m3∕s),加上蒸发和渗漏损失(各按5%考虑),则多年平均径流量60%的补水量约为3.85万m3∕d。因此采用污水处理厂5万m3∕d尾水作为补水水源,尾水经潜流湿地处理后排入那考河主河道。那考河支流生态需水量为河道平水年(保证率50%)的平均径流量(约0.36m3∕s),则多年平均径流量60%的补水量约为2.03万m3∕d。因此在支流、干流交汇处将2万m3∕d河道内的水提升后补水至支流河道起点处,流经支流最终汇入主河道。补水点分布见图4。
为了巩固和优化河势,改善水流,增加植被生长面积,根据那考河两岸的地形地貌特征,因势利导地拓宽河道。通过水文资料计算最小过水断面,结果表明,那考河主河道最小行洪断面为25m,支流最小行洪断面为10m。对原有河道进行拓宽,部分河段拓宽至79m。根据河道设计纵坡、下游茅桥湖规划常水位及该常水位回水至河道上游保持0.5m水深处位置、河道的设计常水位面景观效果等因素确定并设置壅水构筑物,以实现河道景观壅水及防洪排涝功能。
2.5生态修复
在那考河沿线开展生态修复,对河道护岸堤防进行生态改造,构建河道型湿地、湿地公园,从生物多样性、自然景观等方面考虑,配置栽种适合不同水深的多种植物,在达到对那考河主河道和支流水质、水量监测要求的同时,实现水清岸绿、循环畅通、生态健康、人水和谐的河道生态环境。
2.5.1驳岸改造
由于那考河主河道及支流发生设计洪水时河段流速为0.4~4.4m∕s,流速变化较大,根据不同流速并结合流域地形条件,采用多种组合护坡形式达到岸坡防冲刷的目的。对于平缓边坡采用自然土质岸坡,进行植物防护,构建岸边湿地;在急流陡坡处,采用钢丝网石笼防护,由于石笼式挡墙属于柔性防洪墙,地基适应性较好,表面空隙填充泥土后为植物生长提供条件,通常在转弯河道临水面采用钢丝网石笼防护,背水面采用木桩防护,保证堤防的安全和岸线的稳定性;也可结合景观长廊或亲水平台,游步道至洪水位以上0.5m采用三维植被网护坡(图5),不仅满足工程使用要求,还能营造出各种不同的亲水景观效果,具有良好的景观价值。
2.5.2植被恢复
依据那考河的生态水文及水质特征,从植物多样性角度出发,对不同区域的绿化空间进行经济合理、自然美观、符合生态规律的设计与布置,恢复和重建河岸水生植被群落,在净化水体的同时,营造多层次的水生植物景观。不同区域植物配置如表2所示。
2.6按效付费管理模式
那考河治理采用PPP+按效付费的建设模式。通过招投标引入的优势公司,与政府代表单位组成项目公司,在建设期,项目公司完成那考河治理各项工程的建设任务;在运营期,采用按效付费,即政府根据流域考核断面的水质、水量、防洪三大指标体系达标情况,按若干考核细则条款打分,根据打分的高低对项目公司支付河道运营服务费。总分达90~100分时,支付比例为100%;总分达80~90分时,支付比例为90%;总分达70~80分时,支付比例为80%;总分达70~80分时,支付比例为70%;总分小于60分时,当期可以不予支付,待下一期考评总分超过60分后一并支付,上期未支付部分的支付比例为65%。
在那考河干流及支流设置了4个监控断面(图6),政府方和项目公司共同委托具有资质的第三方对4个监控断面每月抽检2次,以2次各项指标的平均值作为水质考核结果,以监控断面取样的水质考核河道治理效果及污水处理厂运行状况并作为按效付费的依据。4个监控断面的CODCr、BOD5、TP、NH3-N、DO等指标需达到Ⅳ类水质标准,SS需达到GB∕T18921—2002《城市污水再生利用景观环境用水水质》水景类要求,水体透明度(SD)需达到0.5m,TN浓度≤10mg∕L;为保障河道生态基流量,监控断面2、3、4最小流量不得低于同点位、同水文期多年平均径流量的60%。同时,在那考河干流及支流设置了4个监控点(图6),监测结果作为考核时监控点水质处理效果或遇突发事件时免责(部分免责)的佐证材料。
3典型治理技术
3.1技术设计与工艺流程
基于用地狭长、岸坡陡的城市内河典型特征,发扬广西龙胜龙脊传统农耕文明自然智慧,提出了“净水梯田”的概念。在高边坡上分级砌筑片石挡墙,基底从下往上依次铺设35~45cm厚的砾石层、防渗滤材料层(防渗土工布结构,铺设量为150~200g∕m2)及30~50cm厚的砂壤土层(沙和土质量比6:4);在砂壤层进水口处铺设60~80mm粒径的卵石,以防止砂壤土被冲走,在砂壤土层上栽植耐涝植物。引广场及道路部分雨水(含初期雨水)进入梯田,利用填料过滤截留水中杂质,利用植物根系和填料中的微生物降解截流的有机物,达到净化初期雨水的目的,同时实现雨水存蓄、边坡加稳、水土保持、景观美化的目的。其具体工艺流程:在入河排水口处,优先利用现有污水处理设施收集处理污水和初期雨水,溢流出水首先进入一级梯田,经填料拦截、吸附等物理作用,植物吸收以及填料植物根系等载体上微生物的净化等作用下,大部分污染物得到去除;出水再逐级进入下一级梯田净化处理,净化后的污水最终排入河道补充水源(图7)。“净水梯田”生态护岸技术主要依靠生物自然生长消纳污染物,梯田内水流受填料和植物生长情况影响,不需人工干预,降水量超过“净水梯田”容蓄能力时,溢流进入水体。该技术可对溢流或径流雨水进行多级净化,起到保护岸坡、防止冲刷的作用。
3.2技术特点、适用范围与创新点
“净水梯田”生态护岸技术有效利用了边坡高差,解决了高边坡排水口截流困难的难题,可在一定程度上减少雨季雨污合流污水对水体的污染,丰富河道景观效果。该技术特点如下:1)多层渗滤、有效去污。“净水梯田”结合了多层渗滤技术,能有效地去除污水中的悬浮物、TP、TN和NH3-N。2)根据地形、灵活安置。“净水梯田”可根据地形、地势、面积将不同湿地单元在不同地块上分级建设。3)工艺简单、管护容易。净水梯田工艺简单,构建成本低廉,管护容易,能耗低。4)结构安全,有利于水土保持。由于采用梯级的形式,块石挡墙能够有效地起到边坡防护的作用,并且减缓雨水冲刷,使水土得以保持。5)生态建设、美化环境。净水梯田在处理生活污水同时,将城镇建设和生态建设相结合。
“净水梯田”生态护岸技术突破了高边坡处理设施结构安全、高边坡防止绿植水土流失的技术难题,解决了那考河河道边坡高、红线窄的问题。该技术适用于具有一定坡度的污水排水口处,可用于初期雨水的净化,对于雨污合流的排水口可在布水渠内将旱时污水截流,雨时可在一定程度上减少污染物排放。
4治理成效
那考河黑臭水体治理项目是国内首个实施并投入商业运营的城市水环境流域综合治理PPP项目,被财政部评为全国水务行业PPP示范项目,也是住房和城乡建设部全国海绵城市试点示范项目,荣获2017年度中国人居环境范例奖。该项目综合考虑、统筹解决那考河水安全、水生态和水污染防治等问题,从整体设计到组织实施(2015—2017年)都充分体现了海绵城市建设和全流域治理的系统性理念。那考河治理后成为南宁市开展红色教育、践行绿色发展的教育基地以及群众休闲游玩的热门场所。据不完全统计,那考河湿地公园向公众开放以来,已接待各省(区、市)和外国参观考察团850多批次共28500余人,接待游客量突破211万人,最高日接待量达到4.2万人,成为国内外知名的生态文明建设示范样板。
4.1生态效益
坚持“立足生态、体现自然,兼顾功能、突出主题”的原则,在流域治理过程中,共栽植了乔木、灌木、挺水植物165种,初步打造了“万米桂花溪谷,千株朱瑾水岸”景观,提供了其他物种生长繁殖的基本环境,整个生态系统不断发展和平衡。其中,水生动物新增了水蛭、蛙类、螺类、河蟹、鱼类、河虾等6类16种;飞禽等鸟类新增了白鹭、水鸭、翠鸟、红毛鸡、鹧鸪、鹌鹑等6种;植物新增了金钱草、野慈姑、香茅草、蒲公英等11种。
4.2环境效益
通过整治,那考河原有的狭窄、脏乱、黑臭的河段实现了清水绿岸、鱼翔浅底的景象,为周边百姓休闲提供了鸟语花香的场所,显著提高了河流沿线的生态环境质量,构筑起“山水相依、城水相融、人水相亲”的美好生态环境。同时也促进了下游水质断面的改善,提高了河道行洪能力,防洪等级达50年一遇标准,有效解决流域洪涝问题。那考河经过综合整治后,大大削减了入河污染负荷量,有效提高了河流水体水环境容量,河水水质达到Ⅳ类水质标准。那考河整治前后对比见图8。
4.3经济效益
污水处理厂尾水经湿地净化后,进入河道生态补水,补水率、回用率超过污水处理量的85%,保证了河道生态基流量,实现了节能减排。随着那考河流域水环境与水景观的改善,带动了周边水经济的快速发展,使其成为市民休闲健身、游客旅游观光和发展绿色经济之道,每年吸引几十万人次的市民游人前往游玩,借助水经济,带旺水生意,有效带动了周边服务业的快速发展。那考河流域治理后,那考河湿地公园与广西药用植物园已成为周边中海国际、恒大华府、盛天东郡等高中档楼盘的后花园,带动了周边房产增值和土地升值。以紧临那考河的中海国际小区为例,2015年5月启动建设时月度销售均价为6115元∕m2,借助那考河流域治理项目的媒体宣传效应和项目治理成效,2016年9月该楼盘月度销售均价为7178元∕㎡,升值比例为17.4%,而南宁市同期房价增长比例为11%;随着那考河湿地公园知名度的不断提高,2019年12月,该楼盘月度销售均价为12916元∕㎡,升值比例为111.2%,高于同期南宁市83.9%的房价涨幅。那考河黑臭水体治理项目按照“治水、建城、为民”的工作主线,以治水为先,营造良好的生态宜居环境;同时,同步开展流域周边土地收储和开发利用,统筹推进水生态城镇建设发展,实现了土地增值和商业开发增收,探索建立了治水投入与产出的良性互动,构建了以水养水的长效投入机制。
4.4社会效益
通过开展流域海绵城市建设,不断完善道路及排水设施;通过“灰绿结合”措施(与传统的雨水管网结合,与自然的河湖水系连通,共同构建弹性的雨水基础设施系统),解决城市内涝问题,保障市民出行安全。那考河湿地公园的建设,提升了生态景观环境,其现已成为南宁市市民出行的好去处,成为南宁市的一张新名片。作为明星治水典型,那考河黑臭水体治理项目为国内外水环境综合治理提供了宝贵的经验借鉴。
5结语
黑臭水体治理要一手抓污染源控制,一手抓生态修复。污染源控制重点是要不断强化城市污水收集处理体系,提高污水收集处理体系的效能,消除上游污染来源,削减溢流污染,整治城市非点源污染及河道底泥内源污染;生态修复重点要恢复和保护河道水生态环境系统,有条件的地方可以开展河岸缓冲带构建工作。在治理技术方面,可因地制宜地开发河流所在流域适用的治理技术,如那考河流域治理中,发扬了当地农耕文明智慧,开发了“净水梯田”系统,实现对城市初期雨水的高效净化,有效减少了溢流污染。
