随着城市建设的不断发展,城市公园娱乐设施呈多元化趋势,公园人工湖的水质安全保障及与之相适应的生态环境设计已成为现代城市文明建设的基本要求。人工湖是居民滨水活动的重要场所,集拦洪调蓄、景观观赏及生态服务等功能于一体;具有汇水面积小、汇水量小、交换水量调节能力小、受污染风险大、发生富营养化的可能性较大、生态环境脆弱等特点^[1]。近年来,在人工湖的设计和工程实施中,存在片面强调其景观和经济效果而忽视生态效果的现象,使湖水自净能力较弱;并且随着人工湖水上娱乐设施的建设及游玩活动的实施,经常使得水体有机物、氨氮及磷超标,形成藻类大量生长而使水体富营养化,破坏湖水的正常使用功能;因此人工湖须建设水处理设施来净化水体,使其满足《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)^[2]的B类标准的要求,从而得到循环利用。

　　 笔者以长沙市某公园人工湖水循环处理为例,介绍了人工湖补充水和循环水的水处理设计方案,以期为类似人工湖水体的水处理设计提供参考。

　　 本公园位于长沙市新世纪片区的滨河旅游观光区,西濒浏阳河,东临火星北路,北至工程兵大道,南临319国道;总占地面积1 003亩(1亩≈667m²),其中人工湖湖面面积约600亩,库容约90万m³;常年水位标高为30.50m,水深0.5~3.0m。公园为不收门票的公园,为长沙市民提供水上休闲及娱乐的场所,湖水水体为与人体非直接接触的景观娱乐水体。

　　 本公园人工湖的补水方案拟定有抽取地下水补水(可能引起沉降,增加河、湖渗漏),撇洪渠补水(撇洪渠为合流制,水质不能满足 《地表水环境质量标准》,水量不稳定),浏阳河补水3种,综合考虑后采用浏阳河补水方案,但浏阳河水质遭受上游污染,水中的氨氮含量严重超标,经监测在2005~2010年有加剧的趋势,氨氮在0.16~8.2mg/L,;另一方面公园人工湖水体为封闭水体,自净能力差,水体的长期储存易造成污染物聚积,导致水体富营养化,藻类大量滋生,水体的观赏性和功能性受到严重破坏,水质不能满足《地表水环境质量标准》B类标准的要求。根据水质、工程地理位置及成本综合考虑,本工程设计采用格栅-混凝-沉淀-曝气生物滤池工艺来去除水体和补充水量中有机物和氮磷,使其满足《地表水环境质量标准》B类标准的要求,而使人工湖水体被循环利用。

　　 根据长沙市开福区环境监测站编制的《关于浏阳河黑石渡断面情况水质报告》,浏阳河黑石渡断面执行标准Ⅳ类,属工业用水区,2005年7~9月均属于劣Ⅴ类,主要指标耗氧量、氨氮、总磷均出现严重超标,浏阳河水质污染有逐年加剧的趋势,水质状况不满足《地表水环境质量标准》^[2]。由于该公园的性质提供的水上休闲及娱乐项目,随着公园游人的增加,亲水频度加大,湖水污染也随之加剧。

　　 根据甲方提供情况,景观水水质为地表水劣Ⅳ类水质,具体水质状况见表1。

　　 从表1可知,水中高锰酸盐指数、BOD₅、氨氮、总磷均超标明显,特别是氨氮、总磷和有机物等,导致水体富营养化严重,因此本水处理设计的首要目的是去除水中有机物,降低氨氮含量,防止藻类滋生。

　　 浏阳河水水质状况不能满足娱乐用水水质标准,采用直流供水方案势必会导致水处理成本的升高。所以为节约水资源,节省成本,本项目水处理设计采用水循环处理和浏阳河水补给相结合的方案。

　　 (1)补充水量。该公园人工湖在运行过程中,因排污、渗漏、水面蒸发、水面溢流等,水量会不断损失。分析水量损失的组成,工程中主要考虑夏季水面蒸发量和渗漏量。因此,本项目计算设计补充水量时,以水面蒸发量和渗漏量为主要设计依据。

　　 (1)水面蒸发设计参数如下:水面温度(T₁)为20 ℃,空气温度为(T₂)35 ℃,相对湿度(r)40%,表面风速(W )1m/s,湖面面积为297 875m²,实际大气压为1.01Pa,采用道尔顿改进模型^[3、4]E/△e-f(△T,r,w)进行计算,其中△e为饱和水汽压差,可计算出日蒸发量为1 414m³/d。(2)渗漏量:水体湖体层岩土层主要为粉质黏土,根据勘测报告:粉质黏土渗透系数在1×10^-5~5.3×10^-6cm/s。本次设计渗透系数取0.005m/d。因此人工湖的渗漏量Q=渗透系数×水体表面积面积=0.005×297 875=1 489(m³/d)。

　　 计算可得:补充水水量=水面蒸发量+渗漏量=1 414+1 489=2 903(m³/d);工程实际中考虑排污及溢流等因素,本项目确定设计补充水量为3 000m³/d。

　　 (2)循环水量。本设计方案参照北京城市湖泊和杭州西湖换水标准,确定近期循环周期为60d,远期考虑循环周期为30d,循环水量与人工湖库容及循环周期有关,循环周期与湖泊容积与循环水量的比值成正比,因此由公式Q_X=αV/T(m³/d)计算可得近期循环水量为1.5 万m³/d(此处的α 按1 考虑);远期循环水量为3万m³/d(雨水也可成为部分可补给水源。)

　　 (3)水处理水量。补充水水质较好时,人工湖采用补充水补水;补水水质较差时,采用水体循环处理的方式;因此本项目的设计处理水量为3万m³/d。

　　 本公园人工湖水体为富营养化水体,水体水质已达劣Ⅳ类水质,因此本设计必须在控制外源性营养物质输入的同时减少内源性营养物质负荷,即及时处理补充水源及内部循环水并提高水体自净能力。富营养化水体水处理主要是脱氮除磷并去除有机物,处理方法有化学方法(凝聚沉降和投加除藻剂)及生物处理法,化学法运行成本高,容易产生二次污染,因此本工程设计采用生物处理法。生物脱氮除磷工艺主要有A²/O、生物接触氧化、曝气生物滤池、SBR等,由于本设计设计水量小,人工湖的地理位置要求水处理设计应尽量将水处理设施与城市建设相融洽且占地面积要小等因素。初步拟定下面两种水处理方案。方案一:格栅—生物接触氧化—混凝—沉淀—滤池工艺;方案二:格栅—混凝—沉淀—曝气生物滤池工艺。

　　 方案比选:

　　 (1)方案二中的曝气生物滤池相当于将生物接触氧化和滤池工艺合二为一,在一个单元反应器内同时完成了生物氧化和固液分离的功能,减少了占地面积和工程施工费用,运行灵活方便。

　　 (2)相对于生物接触氧化,曝气生物滤池氨氮去除率较高,且其中大量微生物附着生长在粗糙多孔的粒状滤料内部和表面,使滤池可以保持一定的微生物活性,处理设施可间歇启动运行,有利于系统的恢复启动。

　　 (3)方案一中的生物接触氧化池中生物膜只能自行脱落,剩余污泥不易排走;而曝气生物滤池设有反冲洗装置,可将滤层上的剩余污泥及其他物质通过反冲洗管排出。

　　 (4)曝气生物滤池处理设施可间歇启动运行,有利于系统的恢复启动;而且生物接触氧化适合二级处理,而曝气生物滤池更适合深度处理,它在水深度处理、微污染源水处理、低温微污染水处理等中应用更为广泛。

　　 通过经济技术方案比较,方案二较方案一投资省,并且运行灵活。其中格栅采用细格栅,拦截水中漂浮物;混凝沉淀通过投加铝盐除磷,同时去除水中胶态物质及浊度;曝气生物滤池用来去除水中有机物和氨氮,截留水中微细悬浮物,并提高溶解氧浓度,将生物降解与截留水中微细悬浮物合为一体。

　　 因此本项目水处理工艺流程见图1。

　　 采用聚氯化铝作为混凝剂,通过混凝沉淀同时去除水中悬浮物、胶态物质、浊度物质及磷。

　　 选用JH-500型磁力混凝静态混合器,法兰连接。单台长度为2.35 m,直径为500 mm,选用4组,每组3台串联。

　　 采用一体化高效斜管沉淀器,相对于传统沉淀池,该反应器的设计借助流体力学原理,采用优化设计的水流通道,保证来水在池内呈稳定推流状态,减少了沉淀池死水区,避免了水流短路的发生,从而提高了反应器容积利用率。整套设备采用模块化设计,一体化钢结构池体,现场拼装,施工周期短,占地面积小,便于远期的改扩建,外观精致,与整个站区风格协调一致。本设计采用沉淀池型号为:XCQ-350,每套处理水量为350 m³/h,共4 套,平面尺寸为长×宽×高=15m×7.5m×7m。

　　 建于斜管沉淀池下,为钢筋混凝土结构,其作用主要用来收集沉淀池出水,作为曝气生物滤池的集水井,达到使曝气生物滤池内水质均匀的目的,池内设置潜水电泵。

　　 水池1座,有效容积1 000 m³,有效水深3 m,结构尺寸22 m×15 m×3.5 m。 潜水电泵采用WQ2260-429-200水泵,流量为350 m³/h,扬程为12.5m,共6台,分两组,4用2备,配套自耦装置。

　　 本工程设计采用4套流量为1 250m³/h的一体化钢结构曝气生物滤池,单套有效容积为410m³/池,单池尺寸为直径×高=9 m×7 m。这种新型滤池在原有的传统的曝气生物滤池的基础上,采用了专用进水长柄滤头、防堵塞的单孔膜空气扩散器以及专利技术的光触媒复合新型炭填料。 其主要特点如下:

　　 (1)曝气生物滤池专用进水长柄滤头。专用进水长柄滤头安装在滤板上,其主要作用是使曝气生物滤池的底部配水及气水联合反冲洗时配气均匀;该滤头有利于防止进水堵塞,滤头、滤板配水系统具有结构简便、工艺技术可靠,水头损失小、能耗低,无死水区,不易堵塞积泥等特点;且实践表明该配水系统反冲洗水量仅为传统滤池的1/2 至1/3,运行稳定,滤后水质水量明显提高。本次设计共采用此种滤头12 000只。

　　 (2)单孔膜空气扩散器。单孔膜空气扩散器(见图2)的半圆形上管夹的正中位置向上设有防止滤料堆压膜片的筒形出气口,它能在四周有滤料堆压的情况下使起布气作用的橡胶膜片正常工作,且布气孔不易被滤料堵塞;该扩散器安装方便、性能好(见表2)、氧气利用率较高、供给的气泡直径小、气泡分布范围大且不易被杂物堵塞。此次设计中共采用12 000个扩散器,单个供气量为0.25m³/d。

　　 (3)光触媒复合新型炭。光触媒复合新型炭是由炭、陶土、光触媒剂和高温黏结剂等复合烧制而成,内部微孔极为发达且呈梯度分布,具有良好的吸附和解吸附的效果,其吸附效率是普通活性炭的2~4倍,且机械强度高,克服了使用活性炭会产生的粉末和黑色污染的缺点。在环境应用中,其强烈的吸附能力、耐冲刷、抗磨损、耐高温、耐腐蚀等特性使得它可代替活性炭和陶粒用作空气和水净化的高速过滤吸附材料;并且其超轻体重的悬浮性可代替传统软性填料应用于污水处理和饮用水深度净化处理。本次设计中填料高度设计为4m,填料体积为254m³/池。

　　 综上所述,这种新型一体化曝气生物滤池独特的结构特征和运行方式为生物滤池的短程硝化反硝化功能提供了良好条件,脱氮除磷效率较高,同时可有效减少池容,降低能耗;滤池的模块化设计,缩短施工建设周期,便于远期规模的增加,其外观形式的多样化也提高了污水处理厂的美观。

　　 水处理设计采用水循环处理和浏阳河水补给相结合的方案,湖水排污及蒸发等损失量由浏阳河水补充,补充水也需经处理厂处理才能进入湖内;当浏阳河水质较好(优于Ⅲ类)时,可直接将浏阳河水补入湖中;当浏阳河水质较差(劣于Ⅳ类)时,采用湖水循环处理的运行模式,因此其水处理方案及运行模式见图3。

　　 水环境水质工程系统(包括水处理站工程和泵站及供水管道工程)总投资约1 000万元,其中:3万m³/d规模水处理站投资约650万元,泵站(补水泵站、循环泵站及供水泵站)和供水管道工程约350万元;设备部分投资估算包括运输费、税费、安装调试费、设备主机等约986 万元;电费为0.125 元/m³,混凝药剂费用为0.06 元/m³,直接运行成本费为0.185元/m³。

　　 (1)一体化曝气生物滤池为生物滤池的短程硝化反硝化功能提供了良好条件,氨氮去除率较高,具有占地面积小、能源消耗少、建设周期短及外观形式多样化的特点;实现了集生物氧化和污染物截留于一体、集脱氮除磷和有机物去除为一体的功能,符合本工程设计要求。

　　 (2)水处理设计采用水循环处理和浏阳河水补给相结合的方案,湖水排污及蒸发等损失量由浏阳河水补充,补充水也需经处理站处理才能进入湖内;当浏阳河水质较好(优于Ⅲ类)时,可直接将浏阳河水补入湖中;当浏阳河水质较差(劣于Ⅳ类)时,采用湖水循环处理的运行模式,将人工湖水进行循环处理,使其达到《地表水环境质量标准》的B类标准的要求,可为类似城市公园水体净化提供参考。