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CSO控制案例:武汉市黄孝河水环境综合治理项目

2022-10-25 10:23来源:给水排水作者:孙巍关键词:黑臭水体CSO污染径流面源污染收藏点赞

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1 黄孝河、机场河概况

1.1 流域概况

黄孝河、机场河是是武汉市汉口老城区的重要河道,承担着126平方公里主城区的行洪排涝功能。黄孝河全长10.7公里,其中暗涵段长5.3公里、明渠段长5.4公里。机场河全长11.4公里,其中暗涵段长8公里,明渠段分为东、西两渠,东渠长3.4公里,西渠长2.7公里。黄孝河-机场河流域涉及武汉市江岸、江汉、硚口、东西湖区,流域面积126平方公里(黄孝河流域面积521平方公里、机场河流域面积73.9平方公里),服务人口260万人。黄孝河、机场河汇水范围广,流域系统内建成度高,污水产量大,面源污染复杂。

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1.2 黄孝河的历史沿革

黄孝河形成于1861年,起初是作为船运通道,因为船运联通黄陂和孝感而得名黄孝河。1905年沿湖河建设了张公堤,随着张公堤的建设,黄孝河的水运功能就终止了。随后为了适应城市的发展建设变化,黄孝河又逐渐演变成了上游是暗涵,下游是明渠的建设形式。功能也从水运转变成一个城市的主要行洪排涝通道。随着城市的进一步发展,人口数量的急剧增加,大量的生活污水以及地标性面流污染未经处理直排黄孝河,黄孝河就成为了一条黑臭水体,也成为汉口地区的一块心病。

纵观黄孝河的治理史,我们发现武汉市人民其实从未停止过对黄孝河的治理。在2018年,开展了对黄孝河水质提升较为全面、系统的工程,黄孝河水环境综合整治二期工程,也是今天在这里想跟大家分享的工程。

这个工程主要解决的是黄孝河主要合流区的旱季全收集、全处理,以及雨季的CSO污染问题,并且提升了汉口黄孝河流域的排水安全性。目前,这个项目已经进入到了全面收尾投转运行的阶段。未来武汉市水务局以及区水务局也将持续对黄孝河流域汇水范围内的管网缺陷进行修复,也会更进一步关注分流区的地表径流面源污染,力求从根源上解决黄孝河的黑臭问题,将 “十里画、岸柳若栉、清波漾舫”的景象还给黄孝河。

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2 现状存在问题

2.1 排涝标准低,渍水风险高

  • 流域范围内排水管涵过流能力不足,无法应对50年一遇的排涝要求;

  • 黄孝河流域排涝瓶颈在明渠;

  • 机场河流域排涝瓶颈在暗涵。

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2.2 管网端—污水收集效率低

  • ·管网健康度较低:混错接,逆坡,结构性缺陷等大量功能隐患存在;

  • 污水收集有效性低:外水量大,地处长江一级阶地、二级阶地,地下水位 1924m)普遍高于污水管网管底标高,加之管网存在大量缺陷,导致地下水入渗率较高(局部高达40%,污水浓度低;

  • 管网系统不完善:部分地区污水管网建设滞后。

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2.3 厂站端—处理效能不足

  • 目前流域范围内污水处理厂长期超负荷运行,部分污水需经临时设施处理,无法实现旱季污水全收集全处理的目标。

  • 汉西厂日均负荷率113%,三金潭厂日均负荷率106%,均处于超负荷运行状态;

  • 污水泵站抽排量高于污水处理厂进水处理量,仍存在溢流现象。

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2.4 入河污染—量大且成因复杂

  • 污染量高:入河年污染总量为COD9766吨,总磷141吨,是渠道纳污能力98-220倍(IV类水质目标),远超明渠水环境容量和水体自净能力;

  • 成因复杂:合流与分流排水体制并存,点源污染与面源污染并存。

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2.5 河道—水质差、生态机能确实

  • 缺少自净能力:目前水质为劣五类,无环境容量;

  • 水动力不足:黄孝河、机场河为雨源性排水通道,无自然源水补给,所以水动力不足。

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2.6 运维管理低效

排水体系精细化监管程度低,部分区域存在无序排放,缺乏高效的运行调度手段。

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3 工程解决方案—以黄孝河流域为例

分析完问题之后,提出工程解决方案,黄孝河流域和机场河流域的治理思路和解决方案比较类似,时间有限,今天重点对黄孝河工程解决方案展开介绍。

工程的治理策略是以问题为导向,从实际需求出发:

  • 针对现状排涝能力不足,开展了河道拓宽及末端排涝泵站的扩建工程,补足排涝设施功能不足的短板;

  • 针对排水管网的健康度较低,开展了管网结构性、功能性缺陷修复工程,雨污分流及管网混错接改造工程,夯实管网基础;

  • 针对污水处理效能不足,建设黄孝河铁路桥地下净化水厂工程,补充现有污水处理设施处理效能;

  • 针对主要合流区存在的CSO污染治理空白,建立了黄孝河CSO调蓄及强化处理设施工程,填补CSO污染控制盲点;

  • 针对渠道内源污染水生态系统遭到破坏缺乏自净能力,开展河道清淤工程、水生态修复工程、雨水排口进行生态化改造工程;

  • 针对渠道水动力不足、水质不稳定,开展生态补水工程,构建健康流动的水系格局;

  • 针对运维管理低效,建立高效、系统、智慧的管理平台。

3.1 提高排涝能力

下图阴影部分是黄孝河流域的面积,也就是汇水范围。黄孝河在非汛期可以通过重力自排到受纳水体负荷,但是在汛期外河水比较高,必须依赖末端排涝泵站、后湖泵站进行抽排才能排到符合。

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所以要提高黄孝河明渠的排水能力,要从扩大黄孝河明渠本身的过流能力和增大末端排涝泵站的抽排能力两个方面考虑。

因此, “双管齐下”开展黄孝河明渠拓宽工程,以及末端后湖泵站的二期重建工程:

  • 黄孝河明渠拓宽工程:将现有明渠断面宽度由30m左右扩宽至40~90m,全长4656m。

  • 后湖泵站二期重建工程:废除1976年建设的抽排能力为43.5m³/s(高起排水位)后湖泵站二期工程,原位新建抽排能力88m³/s(低起排水位)的泵站。

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3.2 后湖泵站—亚洲最大城市排涝泵站

后湖泵站前后共分四期建设,其中一期泵站建于1959年,抽排能力为13m³/s,已于1978年退出运行并拆除;二期泵站建干1976年,当时抽排能力为43.5m³/s三期泵站1989年建成,抽能力为81m³/s,四期泵站2017年底建成,抽排能力为110m³/s。

新后湖泵站废除了现有高起排水位的二期工程,原位新建88 m³/s抽排能力的泵站,新后湖泵站总抽排能力279 m³/s,为亚洲最大城市排涝泵站,年平均运行抽排水量1.4亿立方米,约占中心城区城排泵站年抽排量的五分之一。

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3.3 填补合流制管道溢流污染治理空白—黄孝河CSO调蓄及强化处理工程

下图阴影部分是黄孝河主要的河流区是老城区,建成度比较高,雨污分流改造难度比较大,所以保留了合流体制。晴天时,合流区的污水通过暗涵收集汇集到明渠起端,在明渠起端做了一个钢坝,对暗涵污水进行末端截流。污水通过现状铁路桥污水泵站抽排到后端的污水处理厂处理。在黄孝河明渠起段建设了铁路桥地下净化水,一部分水可以通过重力自排进入污水处理厂,污水处理厂处理完的准四类水又可以回补到黄孝河明渠,为黄孝河明渠提供水动力。

雨天时合流区的雨水和污水混合之后超过了现有污水处理系统的处理能力,明渠起端会发生溢流。黄孝河CSO调蓄及强化处理设施工程解决的就是溢流的问题。采取的治理方案是1截流,通过2转输箱涵进入到3调蓄池,调蓄池的水再进入4强化处理设施进行处理,污染削减之后再行排放。调蓄池规模为25万m³,强化处理设施为6m³/s。

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实施后的目标:

控制黄孝河明渠起端CSO溢流次数≤10次/年;

污染物削减量:COD:2556t/年,SS:4090t/年,TP:38t/年。

调蓄水池设计概况:

  • 调蓄池进水:重力进水;

  • 调蓄容积:25万立方米;

  • 调蓄池分格:5格,最大程度应对不同的雨情,提高运维管理的灵活性;

  • 调蓄池冲洗方式:智能喷射器+门式冲洗;

  • 调蓄池排空时间:12小时;

  • 除臭:离子除臭。

设计亮点:

  • 出水顺序同进水顺序;

  • 出水至黄孝河CSO2强化处理设施进行处理。

下图是黄孝河CSO2强化处理设施鸟瞰图及平面布置图,强化处理设施的规模为6m³/s,相当于53万t/d。采用投入产出比相对比较高的一级强化处理工艺,来水先进入进水分配井,然后进入细格栅、曝气沉砂池、高效沉淀池,经过精密过滤,最后紫外消毒之后排放。因为这个强化处理措施是专门用于CSO污水处理的,只有在雨天才会运行,所以要求是间歇运行,快速启动。针对这个需求,对核心处理单元高效沉淀池也进行了特别的设计,可以使高效沉淀池快速启动。强化处理设施旁边居民区,邻避效应比较明显,所以进行了全场的离子除臭,污泥部分也采用了比较严密的除臭方式。另外做了屋顶花园提升景观效果。

3.4 增加污水处理设施处理能力—铁路桥地下净化水厂

为增加污水处理设施处理能力,在黄孝河明渠起端建设了铁路桥地下净化水厂:

  • 规模:10万m³/d;

  • 位置:厂址位于武汉市中心城区,周边人流量、车流量大,对厂区环境景观设计要求高,对大气污染、噪声污染染控制要求高;

  • 占地:红线面积约2.91ha;实际可用2.0ha;单位水量的建设用地面积0.29m²/(m³.d);

  • 建设形式:全地下式建设,对土地进行复合利用;

  • 地质:场地地貌单元属于长江北岸I级阶地,地质条件复杂;

  • 取水与尾水:闸前自流取水,闸后对黄孝河实施生态补水。

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铁路桥污水处理厂厂址用地为一狭长形地块,形状不规整,用地面积紧张,单位水量的建设用地面积仅0.29m²/(m³.d),仅为常规污水建设用地面积的1/4-1/3。为了满足用地条件,除了选择节地又可靠的十艺方案外,总平面打破常规的中间道路,两边对称的布置方式,结合用地红线的特点,将地下道路布置在红线的弧形一侧,两条水处理生产线并列紧凑的布置在另一侧,尽可能减少对用地的分割;根据池体深度在竖向上的分布特点,利用生物池对应路段下方的空间安排应急溢流调节泵房和排水泵房,最大程度发挥竖向空间的作用。

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铁路桥地下净化水厂进水以生活污水为主,出水水质要求稳定达到地表准V类的标准,采用进水结合井(粉碎型格栅)→细格栅一曝气沉砂池→膜格栅→A²/0生物池→MBR膜池一紫外消毒设施一巴氏计量槽的工艺流程,该工艺具有技术先进可靠、出水水质优、占地面积小、剩余污泥排放较少、抗水质冲击负荷能力强、自动化程度高的特点,处理后的尾水作为黄孝河明渠的生态补水,源源不断为黄孝河注入活力。

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目前铁路桥污水处理厂在收尾阶段,实现了土地复合利用,全地下建设形式,地上无建筑物;重力流进水,进水流量控制准确和防淹设计得当;布置紧凑占地小,10万m³/d的规模实际用地仅2ha。建成后可以补足旱季污水设施处理能力不足的短板,实现旱季全收集全处理,消除旱季污水溢流,是华中地区首座地下式净化水厂。

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3.5构建高效、系统的智慧调度管理系统--河道水环境监控和调度工程

建设全面监测、实时预测预警、厂网河联动联调干一体的智能化调度管控体系,实现高效、系统的智慧运维与管理,助力厂网河湖岸一体化管理,实现真正的“岸水共治”,整体服务干黄孝河、机场河水环境综合治理项目中水环境、水安全、提质增效的核心治理目标。

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4 项目展望

黄孝河机场河水环境综合治理二期PPP项目是湖北省首个入选全球基础设施中心(GIH)项目库的项目,是湖北省重点项目,是武汉市“四水共治”头号工程,投入使用后将整体提高大汉口地区水安全保障能力,改善武汉市人居水环境,有效促进“长江大保护”工作。项目开创了多个第一:地上公园,地下水库的CSO调蓄池及强化处理设施群规模全国第一,铁路桥地下净水厂是华中地区第一座全地下花园式净水厂,机场河截污箱涵是华中地区第一条浅层污水转输隧道,搭建适用干高密度建成区的“源-网-厂-站-河”优化调度模型是华中地区第一个城市级流域治理体系下的智慧水务管控平台。

将来将进一步治理分流区的地表径流面源污染,持续开展源头雨污分流以及城市海绵建设,建立长效运维管理机制,以流域视角进行全要素管控与治理、从根源上治理污染,实现真正的岸水共治,实现黄孝河的长治久清,再现百年黄孝河、十里再流芳的盛景。

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