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初級小海綿社區(qū)建設意義及技術探索

2021-08-02 09:53袁東日
中國科技縱橫 2021年9期
關鍵詞:海綿雨水污水

袁東日

(上海軒浦凈化科技有限公司,上海 201108)

0.引言

2015年10月國務院辦公廳印發(fā)了《關于推進海綿城市建設的指導意見》加快部署和推進我國海綿城市建設方面的工作,2016年3月住建部也印發(fā)了《海綿城市專項規(guī)劃編制暫行規(guī)定》要求各市海綿城市建設專項規(guī)劃草案要按時出爐[2]。

海寧市屬全國百強縣市,經(jīng)濟基礎好,海綿城市建設是當時政府重點工作任務之一。目前,環(huán)境治理也在緊鑼密鼓地開展,根據(jù)全省“五水共治”要求,海寧市出臺了海委辦發(fā)〔2013〕128號《海寧市農村生活污水治理工作實施意見》,以科學發(fā)展觀為指導,以整治水環(huán)境、遏制水污染、保護水資源、保障水安全為工作目標,堅持“因地制宜、實事求是”的原則,結合星級美麗鄉(xiāng)村的創(chuàng)建同步進行。類似柏士社區(qū)農房高度集中、出租情況普遍、室外雨污混流、初期雨水污染嚴重的城鄉(xiāng)結合處,環(huán)境治理是難點,是五水共治的“重點”,也是未來海綿城市建設的邊緣地帶,海綿城市建設專項規(guī)劃應將環(huán)境治理納入其中,并鼓勵由點集面逐步逐年推進的方式。

海綿城市建設主要采取低影響度開發(fā)方式,而對于建設緊簇的老舊社區(qū)利用合理的地下空間實現(xiàn)蓄水消峰則是另一項實現(xiàn)海綿城市建設的重要技術舉措,地下空間對初期雨水或地表匯流的少量臟水的收集正是環(huán)境治理的薄弱環(huán)節(jié),急需補足的短板,實現(xiàn)海綿城市建設與環(huán)境治理同步規(guī)劃同步施工的提前部署,可大大減少重復建設的財政資金投入。城市每個角落的建設作為海綿城市建設的一部分,結合水環(huán)境治理同步進行,利用社區(qū)基礎設施改造和環(huán)境治理的便利逐步實現(xiàn)海綿城市建設,可緩解市財政投資壓力,且降低新技術風險,初級小海綿社區(qū)建設理念的提出正基于此,它代表的是城市建設的那個角落,可為類似老舊社區(qū)建設與改造提供可復制可實施的參考范例。

1.初級小海綿社區(qū)建設過程提煉

1.1 基本情況

海寧市柏士社區(qū)位于馬橋街道西側,居民696戶,屬于亞熱帶季風氣候。社區(qū)早期建有雨污分流系統(tǒng),廚房、衛(wèi)生間污水經(jīng)排水管道收集進入市政管網(wǎng),但因居民生活習慣問題,大部分居民會自建室外地下水井和洗滌板,則另有大量室外洗衣、洗菜、保潔等洗滌廢水匯入室外雨水管網(wǎng)流入社區(qū)河道;店面小型飯館污水的任意傾到,會導致大量污染物經(jīng)雨水管道進入社區(qū)河道;初期雨水對地面沖刷,也將大量污染物帶入社區(qū)河道,逐步破壞河道生態(tài)系統(tǒng),造成底泥堆積,漂浮物增多,影響正常泄洪排澇,暴雨期間偶爾短時出現(xiàn)河水倒灌現(xiàn)象(圖1)。

圖1 室外水井/洗滌板

1.2 設計理念

海綿城市建設以低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構建為基本原則,降雨時起到滲、滯、蓄的作用,雨后則凈、用、排加以釋放。柏士社區(qū)為已建成熟社區(qū)不適合再做低影響開發(fā)建設,但社區(qū)水環(huán)境治理則需要對初期雨水、污水進行收集儲存、凈化,按兩者相同功能的需求,設計同時達到要求的空間,實現(xiàn)蓄、凈、用同樣的目的。社區(qū)內大型地下空間開挖并不現(xiàn)實,非影響性地下空間建設最具可行的辦法是利用河道底部含水率低于80%的污泥層敷設容積管渠,建設過程不破壞社區(qū)現(xiàn)狀,不擾民,滿足消峰和凈水功能需求,降低投資成本。

以城邊街道或村鎮(zhèn)為建設對象,結合市級海綿城市建設整體規(guī)劃,做好街道社區(qū)先期規(guī)劃和布局,街道或社區(qū)海綿建設作為海綿城市建設的預建功能區(qū),分段實施,不斷改進,步調統(tǒng)一,目標一致,在建設、改造、更新過程中,采用逐漸成熟的經(jīng)驗和技術,與前期建設項目保持一貫性可銜接性。初級小海綿城鎮(zhèn)或社區(qū)建設理念的形成,賦予了海綿城市建設方式方法的多樣性和靈活性,可采取不同方法措施實現(xiàn)蓄水、凈水、用水和排水的綜合效能,以最小的經(jīng)濟代價,建設以“蓄和凈”字為主的初級小海綿村鎮(zhèn)或社區(qū),并解決河道水質凈化、生活污水治理、早期雨水收集及治理等3個方面的問題。

1.3 設計思路

針對柏士社區(qū)河道水質問題,結合當時雨污收集管網(wǎng)建設情況,圍繞海綿城市建設整體規(guī)劃綱要,制定科學可行的建設方案?;舅悸防矛F(xiàn)有河道,在河底含水率低于80%的泥土層內敷設容積式管渠的方式,達到蓄水和調容的目的,滿足調蓄初期雨水,收集室外洗滌污水,兼顧處理河水。三水匯流處是容積式管渠調節(jié)充滿度的關鍵點,必須設置可以預沉、調節(jié)雨污水、河水補水的截污棄流井(圖2)以調節(jié)容積管渠內的充滿度,目的在于控制洗滌污水與河水補水量的總和小于容積管渠總容積量減去暴雨時初期雨水的匯流量,以保證暴雨時管渠起到蓄水消峰的作用。

圖2 截污棄流井

凈水系統(tǒng)首要選擇綠色處理方案,具有污水處理功能的綠色處理設施屬新工藝、新技術,多方位比選后選擇具有“污水處理站”之稱的多生態(tài)項濾床污水濕地處理工藝(圖3)。河岸兩側景觀綠化帶是唯一可用之地,該濕地處理工藝與綠地景觀融合建設,并實現(xiàn)室外洗衣、洗菜、保潔等廢水及初期雨水的蓄存、凈化、回用和排放。多生態(tài)項濾床生活污水處理效果能達到國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A排放標準;初期雨水、河道水多生態(tài)項濾床處理效果,出水可按地表水指標提升兩級。

圖3 多生態(tài)項濾床濕地

2.技術方案確定

2.1 數(shù)據(jù)采集與測算

2.1.1 室外生活污水

項目所收集的污水以室外洗衣、保潔等污水為主,則根據(jù)室外洗衣、保潔用水量測算污水產水量,依居民實際調查數(shù)據(jù)測算每戶每天用水量達200L/d,居民696戶,該部分污水基本通過地表漫流排入雨水篦子,因此污水收集率相對較低,收集系數(shù)取0.7,地下水入滲系數(shù)取0.1,該社區(qū)靠近工業(yè)區(qū),有一定數(shù)量外來人口無法確切統(tǒng)計,需要增加1.2倍富裕系數(shù)。

據(jù)此計算污水量如下:

Qw=qh·λ ·(1+b)·c=0.2×696×0.7×1.1×1.2=128.64 m3/d,取值 130m3/d。

其中:

Qw—污水量(m3/d);

qh—每戶日用水量(m3/d);

λ—收集系數(shù);

b—地下水入滲系數(shù);

c—富裕系數(shù)。

2.1.2 初期雨水

初期雨水是指降雨初期的雨水。該部分雨水溶解了空氣中的大量酸性氣體、汽車尾氣、工廠廢氣等污染性氣體,降落地面后又因沖刷屋面、地面、道路等,使得該初期雨水污染物質含量很高,甚至超出普通城市污水的污染程度,經(jīng)雨水管直排入河道,對水環(huán)境造成一定程度的污染。

根據(jù)《嘉興市低影響開發(fā)規(guī)劃設計導則》初期雨水徑流量應按下式計算:

Wi=10·δ ·F=10×3×20=600m3

其中:

Wi—雨水初期徑流量(m3);

δ—初期徑流厚度(mm),根據(jù)嘉興市雨水水質特點,屋面初期雨水徑流厚度宜為2mm~3mm,路面初期雨水徑流厚度宜為3mm~5mm,本工程取3mm;

F—匯水面積(hm2),柏士村現(xiàn)狀屋面及路面用地面積約 20hm2。

2.2 設計布局

2.2.1 水下容積管渠布置

污水來源主要包括室外洗衣、保潔等廢水和初期雨水,其總設計處理水量為:

Q總=130+600=730m3

沿河總設計長度約910m,按容積法計算直徑:

管徑取DN1000,采用PE管材,管道水下固定使用擋桿錨固和混凝土基樁錨固混合形式(圖4),根據(jù)工程經(jīng)驗含水率較低的河床底泥滲水性較差,對其他物體表面的黏附力相對較強(具體實驗數(shù)據(jù)有待研究),因此對于具備此敷設條件的施工段采用不銹鋼橫桿或交叉桿錨固的輔助錨固手段,可節(jié)約一定資金和施工時間。

圖4 河床調蓄管道系統(tǒng)布置圖

2.2.2 多生態(tài)項濾床布置(圖5)

圖5 多生態(tài)項濾床濕地工藝布置圖

多生態(tài)項濾床技術處理初期雨水,濕地面積按日處理水量1.5倍取值,初期雨水收集水量約為600m3/d,則多生態(tài)項濾床最小設計面積約為900m2較為合適。

多生態(tài)項濾床處理技術處理生活污水,濕地面積按日處理水量4倍取值,生活污水收集水量約為130m3/d,則多生態(tài)項濾床最小設計面積約為520m2較為合適。

兩者取較大值,濕地面積宜定為900m2,可分別滿足室外生活污水和初期雨水處理的需求。

2.2.3 初級小海綿社區(qū)建設功能區(qū)總平圖

初級小海綿社區(qū)建設功能區(qū)總平圖是基于居民樓雨污分流已完成,室外用水及街邊店面存在雨污合流情況下規(guī)劃布置,如圖6所示。

圖6 功能區(qū)總圖

2.3 影響運行效果因素

首先,要求施工階段對調容管渠、井嚴密性嚴格測試,滲流量控制在1%以內;其次,截污棄流井預沉和補水裝置正確安裝;最后,充分考慮溫度因素對PE管材及多生態(tài)項濾床生態(tài)項運行的影響。

3.關鍵節(jié)點解析

3.1 截污棄流井設計及施工要點

3.1.1 截污棄流井基本功能

截污棄流井主要截留污水和初期雨水,起到隔油、預沉處理的作用,防止油脂、無機顆粒物、漂浮物等進入后續(xù)系統(tǒng),造成管渠內淤堵或多生態(tài)項濾床系統(tǒng)堵塞問題。補水井位于截污棄流井內部起到預沉河道泥砂和污泥回河的作用,補水井浮箱閥調節(jié)補水量不得超過工藝要求值,否則不利于管渠空間釋放影響調容效能。

3.1.2 截污棄流井關注控制點[3]

(1)截污棄流井尺寸需結合最大徑流量和顆粒物沉積性能確定,如圖7、圖8所示。(2)沉淀斜板裝置安裝高度與進水孔標高控制準確,進水孔標高保持與堤岸齊平(堤岸標高低于道路標高為前提),盡量增加沉淀區(qū)高度提高沉淀效果,但不得造成污水排出困難。(3)井頂標高按河水連續(xù)7d保持高水位的最高水位標高加5cm設定。(4)截污棄流井總高度控制由最低位管道管底標高確定。(5)截污棄流井與各進出長距離管道接口須采取雙軟密封圈配置形式,以便消除管道伸縮產生的軸向力。

圖7 截污棄流井平面圖

圖8 截污棄流立面圖

3.2 多生態(tài)項濾床濕地配置及性能分析

3.2.1 結構原理解析

多生態(tài)項濾床運用了包括環(huán)境工程學、生態(tài)林業(yè)學、土木工程學等在內的多學科多領域相關知識與技術,人工合成的凈水綜合體(圖9)。

圖9 生態(tài)綜合體

生態(tài)床系統(tǒng)通過床于基質上微生物對污染物分解吸收,輔以水生植物調配物質平衡以達到長期穩(wěn)定運行的效果。污染物總體遵循好氧、兼氧、厭氧降解過程(圖10),但各轉化過程并不是在整個濾床基質內均勻或單次發(fā)生,因此,配水方式上要求濾床系統(tǒng)以間歇式為主,以促使濾床內部生物多樣性。植物根區(qū)氧由根部釋放并在周圍形成環(huán)狀有氧區(qū),富氧區(qū)半徑與水中BOD5含量成反向關系,生態(tài)床內好氧、厭氧菌比例隨污水濃度、承載率及植物根部狀況變化而變化,根部區(qū)域是一個復雜多變的微生態(tài)系統(tǒng),任何化學反應、根系呼吸、微生物轉化都關系到污水處理最終出水質優(yōu)劣。

圖10 基質床基本氧分布情況

多生態(tài)項濾床運作的核心是對有氧區(qū)域尺寸和數(shù)量的管理。通過選擇不同的介質和根系,使得有氧或無氧生化反應充分發(fā)揮作用,提高處理效率。

生態(tài)床系統(tǒng)基質厚度分配從0.5m~1.5m不等,基質材料種類4~6種,滲透系數(shù)一般選擇在kf=10-3~10-4m/s之間。植被配置需從污水性質、植物富氧和自養(yǎng)功能特性、植物對氣候的適應性、周圍景觀配套情況等多因素考慮,主要供選配的多年生水生植物有蘆葦、黃菖蒲、西伯利亞鳶尾、美人蕉、旱傘草、花葉蘆竹等,植物配置密度根據(jù)運行階段不同保持10~6株/m2為宜。

3.2.2 經(jīng)濟技術指標

多生態(tài)項濾床對脫氮除磷效果明顯(表2),收集早期該地區(qū)三個村民組多生態(tài)項濾床農村生活處理終端培育成熟后污染物消減率數(shù)據(jù),氨氮最低去除效率90.2%,最高去除效率99.8%;CODcr最低去除效率95%,最高去除效率97%;TP最低去除效率78%,最高去除效率81.3%;該生態(tài)濕地污水處理系統(tǒng)對氨氮、CODcr、總磷去除率高達70%~90%,屬于該領域的一項技術突破。多生態(tài)項濾床在沒有其他任何藥劑輔助的情況下對污染物具有高去除率,維持正常的物質轉移,保持穩(wěn)定生態(tài)平衡的情況下,會大大降低濾床堵塞幾率,相關實例已運行15年。

表2 早期農村生活污水多生態(tài)項濾床系統(tǒng)培育成熟后消減率數(shù)據(jù)分析

柏士社區(qū)初級小海綿社區(qū)建設后主要運行費用由多生態(tài)項濾床運行電費、月巡檢維護人工費、植物修剪費等組成。

日常運行提升泵2臺,每臺流量150m3/h,每臺功率10.5kW,每天平均運行時間為2h,耗電量21kW×2h=42度,農業(yè)電價按0.5元/度計算,則電費21元/天,折合每噸水運行電費21/600=0.035元/噸。

生態(tài)床系統(tǒng)維護人工費,社區(qū)普通電工按月巡檢維護,巡檢維護費用100元/次·月,折合噸水費用0.005元/噸。

年植物修剪費1元/m2·年,折合噸水0.004元/噸。

生態(tài)床年運行成本合計0.035+0.005+0.004=0.044元/噸,運行費用非常低。

900m2生態(tài)床每年水生植物產出約為5400株,實現(xiàn)經(jīng)濟價值約為10800元,折合噸水0.049元/噸,與上述運行耗費用做減法,0.049-0.044≈0元/噸,基本實現(xiàn)零成本運營。

3.2.3 環(huán)境影響

柏士社區(qū)初級小海綿社區(qū)建設過程中保持原有社區(qū)風貌,未對環(huán)境造成任何破壞,系統(tǒng)運行90d后河道由劣Ⅴ類水體提升到Ⅳ類水體,河面少見漂浮物和油污,實現(xiàn)感官良好型轉變,河內生態(tài)活性逐漸恢復。

4.結論

柏士社區(qū)初級小海綿社區(qū)建設不是獨立存在,作為整個海綿城市建設的一點,海綿城市建設應該遵循由點集面循序漸進的過程,該建設項目實現(xiàn)了暴雨消峰水質凈化的基本功能,積極利用可用綠化帶,非通航河道等公共空間實現(xiàn)工程規(guī)劃與設計,并采用新工藝、新技術凈化水質,建設費用屬于社區(qū)改造資金,運營綜合成本趨近于零,利用社區(qū)改造資金依海綿方式建設逐步實現(xiàn)城市海綿建設目標。該案例具有可復制、可推廣、易實施的特點,海綿社區(qū)的建設應因地制宜,不局限于只有綠地才是海綿建設,采取任何可行穩(wěn)妥的方式能夠到達消峰、凈化兩個基本功能都是可行的,具有長效性穩(wěn)定性安全性,低運行成本,對城市洪水災害和環(huán)境污染有利的方式方法均可納入海綿城市建設方案,是對海綿城市建設技術和經(jīng)驗的補充。

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