礫間接觸氧化技術在入湖河流治理中的應用現狀

葛俊 黃天寅 胡小貞 王涌濤 龐燕 滕慶曉

摘要

通過介紹礫間接觸氧化技術在實際工程設施建設中的應用及影響凈化效益的主要因子，為礫間接觸氧化技術在我國的發展提供一定技術參考。礫間接觸氧化技術根據水體中溶解氧濃度大小可分為礫間接觸氧化法和礫間接觸曝氣氧化法。根據設施設置的位置又可分為直接方式和分離方式。工程應用中，礫間接觸氧化工藝一般包括預處理設施、取水設施、凈化設施和放流設施。影響礫間接觸氧化工藝處理效果的主要因素有理化因子、礫石床設計因子和水力因子。理化因子主要涉及溫度和溶解氧，礫石床設計方面需要考慮填料、填料填充率、污泥儲存與排除。水力因子主要是停留時間和水力負荷。

關鍵詞 人工強化技術;礫間接觸氧化;低污染水;生物膜

中圖分類號 S181.3 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2014）34-12225-04

Application of Improving River Water Quality by Gravel Contact Oxidization Process

GE Jun1，2， HUANG Tianyin1， HU Xiaozhen2* et al

（1. School of Environmental Science and Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu 215000; 2. Chinese Research Academy of Environment Sciences， Beijing 100012）

Abstract By introducing the application of gravel contact oxidation technology in practical engineering construction and the main factors affecting purification efficiency， the study aimed to provide some technical references for development of gravel contact oxidation technology in China. Gravel contact oxidation technology according to the size of the DO concentration in water can be divided into the gravel contact oxidation process and gravel contact aeration oxidation process. According to the location can be divided into direct mode and separate mode. The gravel contact oxidation process generally includes preprocessor facility， water intake facility， purification facility and discharge facility. The factors affecting the effect of gravel contact oxidation process with physical and chemical factors， gravel bed design factors and hydraulic factors. The physical and chemical factors mainly related to temperature and DO， gravel bed design need to consider the packing， packing filling rate， sludge stored and ruled out. Hydraulic factor mainly includes retention time and hydraulic load.

Key words Artificially intensified technology; Gravel contact oxidation; Lightly contaminated water; Bioflim

隨著工業化、城鎮化進程以及面源污染的加劇，大量污染物進入湖泊水體，湖泊富營養化成為一個嚴重的環境問題[1]。富營養化狀況一定程度上改變了湖泊生態系統結構，對人類活動和水生生物構成潛在威脅[2-3]。有研究指出，引起湖泊富營養化的氮磷指標的臨界值為TN濃度1.26 mg/L、TP濃度0.071 ?mg/L[4]。入湖河流是陸地生態系統和湖泊生態系統之間進行物質交換的通道，大部分點源與面源污染物通過入湖河道進入湖泊系統[5-6]，削減入湖河流負荷量能有效改善湖泊水質[7]。

目前，世界上許多國家已經開展修復受污染河道的研究。入湖河流的修復治理包括污染源控制、水質凈化、生態修復等，其中水質凈化是重點和難點。河流水質凈化方面的技術種類較多，其針對不同河流以及不同污染物類型，凈化效果也是不同[8]。一般應用在河流中的凈化技術，其根據處理位置的不同，修復技術可分為原位和異位修復技術，二者均被廣泛應用于受污染河流的修復[9]。基于水體現狀及自然凈化方法的應用原理，工程上主要有植生處理法、土地處理法和接觸氧化法[10]。礫間接觸作為接觸氧化法的一項重要工藝，由于其成本低、對水質的適應性強、持續效果好，近年來相關研究、應用日趨廣泛[11-12]，但該工藝在我國河流治理中應用研究還處于起步階段。該研究通過介紹礫間接觸氧化技術在實際工程設施建設中的應用及影響凈化效益的主要因子，為礫間接觸氧化技術在我國的發展提供一定技術參考。

1 ?礫間接觸氧化技術及其凈化機制

1.1 ?礫間接觸氧化技術簡介

礫間接觸氧化技術是一種快速處理污水的方式，是19世紀英國倫敦的污水處理工程師W.J.Dibden首先設計的自然處理方法[13]，其實質是對天然河床中生長在礫石表面生物膜的一種人工強化。該技術在20世紀70年代被開發，由于對低污染水處理效果顯著，在80年代之后的10多年時間里，在日本及歐美入湖河流治理中被廣泛應用并取得良好凈化效果。據日本建設省統計，在日本全國實施的河流直接凈化項目80%采用礫石接觸氧化工藝，接觸時間一般為幾個小時，凈化效果很好，BOD和氨氮去除率一般在50%～60%之間，懸浮物去除率在75%～85%之間[14]。

1.2 礫間接觸氧化技術凈化機制

礫間接觸氧化法對污染物的去除主要通過接觸沉淀、吸附、生物降解等多重作用[15]。礫間接觸氧化法的礫間孔隙小，沉降距離短，礫石間形成連續的水流通道，當污水通過時，水中的懸浮固體因沉淀、物理攔截、水動力等原因運動至礫石表面而接觸沉淀。水中有機物質與礫石表面接觸，因礫石表面帶電性的緣故，導致水中有機物質吸附于礫石表面生物膜。同時，生長在礫石表面上的微生物或藻類，會氧化分解其所吸附的污染物，并通過在生物膜表面和內部分別形成的好氧和厭氧環境進行硝化反硝化作用對氮進行去除，而磷的去除主要靠土壤及礫石的吸附作用。

2 ?礫間接觸氧化技術形式與組成

2.1 ?技術形式

礫間接觸氧化凈化系統通過引導目標處理水體流經填充礫石或其他人工濾材的處理槽，使污水與礫石或人工濾材表面的生物膜接觸反應，達到水質凈化目的[16]。由于水質和地形等條件的不同，礫間接觸氧化法直接凈化河流水質有不同的技術工藝形式。

2.1.1

礫間接觸氧化與礫間接觸曝氣氧化。依據國外應用經驗，礫間接觸氧化法可分為兩類，一類為礫間接觸氧化法，另一類為礫間接觸曝氣氧化法，兩者系統上的差別主要在于處理流程中是否增加曝氣系統，而在應用上的差別則在于處理對象水質濃度的高低[17]，其區別及適用條件如表1所示。

2.1.2

直接方式與分離方式。按照設施設置的位置，礫間接觸氧化法又可分為直接方式和分離方式[18-19]。直接方式是將凈化設施直接建置在河道內，利用導水設施控制進、出水流量。分離方式則是設置在河道邊的灘地，可通過在上游設置取水堰，引水流過礫石填充槽進行凈化，然后利用取水堰水位與放流水位的水位差，以重力流方式再返回河道[20]。直接方式無需占用其他土地資源去處理，而且設備成本低，管理容易，日本2001年前超過一半的礫間接觸設施直接設置在河道內。分離方式處理效率一般比直接凈化方式高，既可保證凈化效果，又能保障河道原有的航運、泄洪和水產養殖功能[21]。隨著礫間接觸曝氣氧化法的使用，分離方式的案例越來越多。

2.2 礫間接觸氧化技術的設施組成

2.2.1

預處理設施。為了防止凈化設施阻塞，延長使用周期，并保護抽水泵，應設有攔污和沉淀設施，其包括防止粗大漂浮物流入的擋板及粗、細格珊。

2.2.2

取水設施。取水設施應根據取水點水量及水質的變化合理選擇[22]。取水方式可采用泵取水或堰取水，其選定原則主要依據河流水位和自然凈化設施的高程。通常礫間接觸氧化法多利用重力引水，在河道上游設置取水堰，借此提升河水水位，同時對來水中懸浮固體起初沉作用。日本野川礫間接觸氧化凈化設施中取水堰對SS和BOD的去除率分別為42.6%和28.1%[23]。在實際工程應用中，設置橡皮壩是一種較可行的方式，例如日本的野川凈化設施的取水采用類似橡皮壩的方式，當遇大雨或河道內流量較大時，橡皮壩將以自動倒伏的方式宣泄多余的水量。當采用泵抽水方式，必要時抽水泵應有一定的備用臺數。取水口的設計以低于經常水面且不致受沙土堆積影響為宜，并應考察其維護管理的便利性。

2.2.3

凈化設施。水質凈化所需容積需根據水力停留時間和BOD容積負荷綜合設計。礫間接觸氧化技術的凈化單元構造大致可以分為凈化區和污泥堆積區。凈化區為單元上部區域，當受污染河水經過凈化區后，水中溶解性BOD （D-BOD）和被生物膜截留的懸浮固體性BOD（SS-BOD）在生物膜上進行降解。礫間接觸氧化法進行凈化時，水中的懸浮固體物（SS）或凈化區礫石表面上剝落的生物膜會沉淀至下面的污泥堆積區。但若堆積過多，將造成阻塞，故每過一定時間必須對污泥予以清除，一般操作為每隔3～6個月排泥一次。

2.2.4

導流、放流設施。取水后，通過導流設施均勻分流進入下一階段設施內。放流設施可包括再曝氣系統、放流管渠、放流口等，其設置考慮設施位置、放流水的水位、河道內景觀、可分成數點或一處放流。

3 影響礫間接觸氧化凈化效益的主要影響因子

3.1 ?理化因子

對于礫間接觸氧化工藝，微生物是整個水處理構筑物的核心，生長良好的生物膜是反應器穩定運行的基礎。溫度和水體中溶解氧是兩個重要的理化指標，其對微生物的生長和代謝活動具有很大影響。溫度主要影響細菌的增殖速度，溫度過低，不利于礫石表面生物膜的形成，進而影響整個生態礫石床系統的出水水質要求。梁建祺等[24]在低溫下的試驗表明，反應溫度的高低顯著影響脫氮除磷的效果，當溫度低于12 ℃時，去除效果開始變差。溶解氧是水質評估的一項重要指標，水體中充足的溶解氧是保證微生物在填料表面生長的必要條件[25]。水體若受到有機物質污染，則水中微生物在分解有機物時會消耗水中的溶氧，從而造成水中溶解氧降低甚至呈缺氧狀態。礫間接觸氧化法對于目標處理水體有溶解氧的限制，根據國外應用經驗，對于溶解氧量極低的水體，建議采用礫間接觸曝氣氧化法，一般來說其DO 須大于5 ?mg/L。為使礫間接觸氧化法能適用于處理水質濃度更高的水體，經國外河道模擬試驗及實際工程運轉經驗，在礫石槽體底部埋設曝氣管，定期定量進行曝氣來提供微生物氧化分解所需氧氣，從而提升微生物分解有機物質速率。水體中NH3N去除率受曝氣量影響最大，BOD次之，但曝氣量對出水的SS和DO影響較小。在日本過去操作經驗中，未曝氣的礫間接觸氧化法BOD平均去除率約為20%～70%，有曝氣的礫間接觸曝氣氧化法BOD平均去除率約為50%～80%[26]。

3.2 礫石床設計因子

3.2.1

接觸填料。礫石接觸氧化法所填充的接觸填料，是生物膜賴以棲息的場所，是生物膜的載體。作為接觸氧化工藝的核心部分，其性能的好壞直接影響接觸氧化法的效能、充氧利用率、使用壽命、基建投資和運行費用[27-28]。作為接觸填料，其材質對生物膜應具有適當的附著性，若附著性太強，會使生物膜過厚而易造成阻塞，且不易反沖洗;接觸填料同時應具有較大的比表面積，比表面積大的填料對溶解性物質和懸浮固體都有更好的去除效果;接觸材料還需具有較大的孔隙率來降低通水阻力。接觸填料一般分為天然石料類和人工合成類，而天然石料易取易得，價格低廉，在實際工程應用中大量采用。較理想的天然石料是形狀大小均勻的圓形卵石、火山巖和石英砂等[29]。日本礫間接觸凈化設施，其接觸材料一般以天然河道內的礫石為主，所使用的礫石直徑范圍在20～150 mm，填充孔隙率約為30%～40%[30]。

3.2.2

填料填充率。填充率是指接觸材料的容積與接觸曝氣槽的有效容積之比，合適的填充率可有效提高水力傳導率，減少布水斷面，同時減緩礫石床的堵塞[31]。填充率過低微生物附著量少，水質凈化的效果差，而且易造成流況的不穩定;填充率高雖然可增加微生物的附著量，但是填充過多的接觸濾材容易增加水流的阻力，同時供氧量也需要提高，造成動力費的增加。一般接觸曝氣槽的填充率建議是在55%左右為佳。

3.2.3

污泥儲存與排除。在水質凈化的同時會產生污泥堆積現場，因此礫石床系統應具有污泥儲存和排泥設計[32]。礫間接觸氧化設施內因微生物分解代謝作用、懸浮固體的沉積作用，會產生一定的污泥，為維持礫間接觸凈化處理槽體有效空間，應具有排泥和反沖洗的設備，減少槽體淤積現象[33-34]。接觸氧化設施底部的污泥排除方法，可通過曝氣及水流的反沖洗或通過在底部設置排泥管由真空抽泥車排除[35]。

3.3 水力因子

3.3.1

停留時間。

水力停留時間為槽體流量控制常用的參考公式。水力停留時間的計算通常是槽體內水體實際體積除以凈化對象水量，其中孔隙率與水深控制，都與礫間槽的水體體積有直接的關聯性，孔隙率在工程建設時選定，水深決定于系統操作[36]。但考慮到槽體內水分蒸發、漏水狀態，一般來說槽體入出流流量通常不相等，這種算法可能高估水停時間。假設槽體流況為均勻流，且槽體孔系為一定值，可以推算出槽體流況為均勻流時的理論水停時間[37]。凈化槽內無曝氣時，水力停留時間為1～2 h，一般為1.2 h，有曝氣條件下其水力停留時間為2～4 h[38]。一般而言，槽體只要水力停留時間足夠，污染物去除率便會提高，高橋定雄指出在礫間接觸氧化法中隨著水力停留時間的增加BOD去除效果越來越好，水力停留時間為1 h，BOD 去除率約為70%，1.2 h去除率約為75%，水力停留時間延長至2 h，去除率約為80%[39]。

3.3.2

水力負荷。水力負荷（HLR）是與水力停留時間（HRT）相關聯的一對參數，水力負荷的大小間接反映了污水與反應器內微生物平均反應時間。不同水力狀況的改變，會對槽體水流流速產生不同的影響，而生物膜在不同水流狀況下，亦有不同的活性、生長狀況。提高水力負荷可使礫石間的細微顆粒與生物量分布更加均勻，促進液相與生物相間的傳質過程，因此成為反應的積極因素，同時水力負荷大可以縮小處理構筑物的占地面積，減少基建投資。此外，水力負荷在控制生物膜厚度等方面也有一定的作用。水力負荷提高，其紊流剪切作用對生物膜厚度的控制以及傳質的改善有利，但是如果水力負荷過高，其水力沖刷作用就會過強，容易造成生物膜的流失，使反應器的處理效能下降。

4 礫間接觸氧化技術發展與應用現狀

礫間接觸氧化工藝為人工生態系統，特別適用于低污染河、湖水的治理，目前在我國大陸地區尚無實際工程案例。國內外學者對礫間接觸氧化工藝中接觸填料、生物膜特征、凈化機理以及與其他工藝組合等方面做了大量的研究[40]。礫間接觸氧化工藝初期，在中小污染河流的治理中主要采用天然或廢棄材料，并取得了良好的效果[41]。Lau等[42-43]通過渠道試驗，發現平均流速對生物膜的累積性影響，較剪應力大，在較低流速下有較高的生物膜累積;稻森悠平等[44]進行河道模擬污染河水變化，觀察生物膜在不同流速下的附著、剝離情形，發現流速低曝氣能力亦低，當流速超過10 cm/s 時，生物膜易于剝離。黃偉等[45]研究了采用仿生固體無機材料為填料的礫間接觸氧化系統，在常溫條件下，停留時間為4.8 h，溶解氧控制在2.0 ?mg/L，污水中的COD和NH3N去除率分別達77.4%和86.1%。楊經元等[46]采用改良的三段式礫石床循環系統凈化景觀水體，研究結果表明，該工藝可以有效去除水體中的COD、氨氮、SS、藍綠藻，降低水體的濁度，其中，COD 去除率達43%，氨氮去除率可達78%。蔣林時等[31]采用礫石填料床預處理沈撫灌渠污水，在設計水力停留時間為3.5 h、最佳氣水比為5∶1的條件下，該工藝對COD、NH3N和濁度的去除率均達到50%以上。肖羽堂等[47]對姚江微污染原水的研究表明填料生物膜的厚度很薄，只有污水生物處理生物膜厚度的 1/10 左右，膜內溶解氧充足，無厭氧層存在，膜內主要細菌是好氧型微生物。

礫間接觸氧化技術工程應用以日本較為成熟且普遍，著名的工程案例有大堀川礫間接觸氧化凈化設施、桑納川礫間接觸氧化凈化設施以及多摩川支流野川砂礫接觸凈化設施等，其中，野川凈化設施為日本第一座礫間接觸凈化設施。礫間接觸氧化技術被引進臺灣地區進行水質改善僅數十年的時間，2004年在臺北市貴子坑溪關渡自然公園內建造第一座人工礫石床模擬場[32]。臺灣地區目前以礫間接觸氧化法改善水質的工程案例還不常見，且大部分以分離方式為主，如桃園街溪、臺南湖晴天排水以及桃園南崁溪河底橋礫間接觸氧化設施采用在河道內直接凈化方式且已實際運作的工程實例中，僅新竹市南門溪。具體工程各工程案例比較見表2。

5 小結

我國很多河流溪流面臨污染，需要凈化。礫間接觸氧化作為一種成熟的河流直接凈化生態工程技術，在日本廣泛采用并取得了良好的水環境保全效果，為河流污水凈化提供了一種思路和選擇。由于國情等的不同，在國內的河流治理中采用這種方法時，需要根據河流的具體情況、經濟狀況等綜合分析。

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