循環氧化塘消減富營養化指標新技術研究

胡雙修 鄭軒 胡飛躍 萬喜宗 雷克亮 盧亞霞

摘要 用循環氧化塘新技術治理三峽大學求索溪景觀河流，探討了新工藝設計構思、氧化塘參數、停留時間、運行效果、運行成本、生態效益。結果表明：出水主要污染物化學需氧量、氨氮、總磷指標均符合《人工濕地污水處理工程技術規范（HJ2005-2010）》進水質要求；運行成本低；生態效益顯著。主要污染物總消減率均值：化學需氧量為89.6%，總氮為76.4%，總磷為67.8%。

關鍵詞 循環氧化塘；消減；富營養化；新技術

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）31-11058-04

Research on New Technology of Treatment of River Eutrophication with Cyclic Oxidation Pond

HU Shuangxiu1，ZHENG Xuan2，HU Feiyue2，LU Yaxia3* et al （1.College of Biology and Pharmacy，Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002； 2.Environmental Protection Bureau of Macheng，Macheng，Hubei 438300； 3.College of Science and Technology，Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002）

Abstract Cyclic oxidation pond was applied to treatment of Qiusuo River eutrophication polluted by domestic sewage in Three Gorges University.The ideas of new design，parameters of oxidation pond，during time of running water in all oxidation pond，effect of operating，operating cost and ecological effect were all discussed.The results showed that the concentrations of COD，TN and TP in treated water in outflow met the demand for “Technical specification of constructed wetlands for wastewater treatment engineering” （HJ2005-2010） and that operating cost was low and ecological effect was obvious.The average removal rate of COD was 89.6%，TN 76.4% and TP 67.8%.

Key words Cyclic oxidation pond； Treatment； Eutrophication； New technology

湖泊、水庫等封閉緩流水體的富營養化已成為一個全球性的水環境污染問題，全球約有75%以上的封閉緩流水體存在富營養化問題^[1]。我國湖泊眾多，共有2 759個1 km2以上湖泊，總面積達91 019 km2，占國土面積的 0.95%。自20世紀80年代以來，我國由于人口劇增、農業迅猛發展、工業化和城市化進程加快，使得大量營養元素（N、P 等）及有機物排入湖泊、水庫、河流中，氮、磷營養鹽嚴重富集，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶氧量下降，魚類及其他生物大量死亡，水質惡化，緩流的湖泊、水庫、河流富營養化呈現快速發展的趨勢^[2-5]。2013年環境保護部對我國重要58 個湖（庫）開展營養狀態監測，結果發現中度富營養的3個，占 5.2%；輕度富營養的10個，占 17.2%；中營養和貧營養的 45 個，占 77.6%，主要污染指標為化學需氧量、總磷和氨氮^[6]。在五大淡水湖中，太湖、洪澤湖、巢湖已達富營養程度，鄱陽湖、洞庭湖目前雖維持中營養水平，但磷、氮含量偏高，正處于向富營養過渡階段。以太湖、滇池、巢湖為代表的藍藻型“水華”頻繁暴發^[7]。水體富營養化后所產生病原微生物、硫化氫及藻毒素等有毒有害物，嚴重影響人體健康。富營養化導致水庫庫容因植物殘體淤積而減少，加速湖泊退化，破壞生態平衡；致使水體渾濁、發腥、發臭，使景觀水體失去美學價值；造成水質性缺水，增加自來水成本^[8-13]。因此，富營養化防治意義十分重大而且非常必要，直接關系到社會發展的可持續性和國民幸福感。

導致藻類暴發生長的主要因子一是充足的營養物質，主要包括氮、磷等營養鹽和有機質等；二是高溫（25～40 ℃）和強光照；三是緩慢的水流；四是消費者對藻類生長的生物控制失效。水體中氮、磷含量直接決定了藻類的繁殖速率，是水體富營養化的主要控制因子^[14]。富營養化治理技術主要包括：控制外源性營養物質輸入、內源性營養鹽的控制、生態修復和控制藻類等。控制外源性營養物質輸入主要方法有：氧化塘技術、土地處理系統、生物除磷、水栽生物過濾法、前置庫、限制合成洗滌劑含磷量、廢污水遷移等^[15]。氧化塘技術中，因地制宜，將河流邊洼塘和荒地改造成氧化塘，省投資，是一種經濟可行的方法^[16]。按照供氧方式，氧化塘分為：好氧塘、兼性塘、厭氧塘、曝氣塘、深度處理塘、生態塘。按照出水方式，氧化塘分為：連續出水塘、控制出水塘、貯存塘^[17]。氧化塘組合工藝一般將不同類型的氧化塘串聯使用，現有專著及文獻尚無循環氧化塘工藝報道。該研究首創循環氧化塘工藝，用于消減富營養化指標，且以三峽大學求索溪治理為例，效果顯著。求索溪最終流入長江，治理求索溪，可減少營養物質輸入長江。該工藝省投資、易操作、便管理、廉運行，因此有應用價值，可為治理富營養化、封閉緩流景觀水體、城市黑臭河道和高濃度有機氮廢水提供借鑒。

1 試驗部分

1.1 求索溪污染概況

求索溪全長約2 km，寬2～50 m，是一條人工景觀水渠，排泄雨水和生活污水，無雨水條件下，無明顯流量，最終流入長江，出口離長江約3 km。其生活污水來自2萬余學生規模教學樓群，源頭流入量30 m3/h。治理前，2012年3月21日對上游污染最嚴重河段現場監測（采樣點為圖1中生態塘所在地），監測結果：DO 0.40 mg/L、BOD5 47 mg/L、TN 82.2 mg/L、TP 2.14 mg/L。依據《地表水環境質量標準（GB 38382002）》，屬于劣五類水質。BOD、TN、TP濃度都超過國際公認的富營養化閾值^[18]（BOD5=10 mg/L、TN=0.3 mg/L、TP=0.02 mg/L）。此段水流4～10月“水華”暴發、發黑發臭。

1.2 工藝流程及說明

循環氧化塘工藝流程見圖1。在現有景觀水渠基礎上，加修滾水壩1和滾水壩2，形成近似長方體的各氧化溝和氧化塘。厭氧塘設計功能：反消化脫氮、磷的釋放和磷的沉降。好氧溝和生態塘設計功能：降解有機物、硝化氨氮和過量攝磷。厭氧溝設計功能：反消化脫氮。好氧塘設計功能：降解有機物。

污水流入厭氧塘，污水泵2從生態塘出口底部抽水進入厭氧塘入口表面，污水混合流經厭氧塘流入好氧溝，流入生態塘、好氧溝和生態塘與厭氧塘大循環。污水泵1從生態塘出口底部抽水流入好氧溝入口表面，流入生態塘小循環，好氧溝推流增氧。2012年6月下旬開始運行，除機修和下中到大雨、暴雨以外，不間斷抽水循環。

1.3 氧化塘參數及其說明 按照氧化塘指標：好氧塘0.2～0.4 m、兼性氧化塘1.0～2.5 m、厭氧塘2.5～4.0 m^[17]，因地制宜，加修滾水壩1壩高4.3 m、滾水壩2壩高0.5 m，厭氧塘底泥深度30 cm，好氧溝、生態塘、好氧塘底泥深度20 cm，有效水深等于池高減去底泥深度。厭氧溝為加蓋陰溝，表層封閉。好氧溝、生態塘、好氧塘自然裸露。氧化塘參數見表1，水深符合氧化塘指標。

1.4 水質監測方法

DO：電化學探頭法（GB/T 119131989）；COD：重鉻酸鉀法（GB 119141989）；TN：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB/T 118941989）；TP：鉬酸氨分光光度法（GB/T 118931989）。

2 循環氧化塘運行過程與效果分析

2.1 工藝分析 2012年3月21日于圖1生態塘所在地監測點取水樣測定，監測結果見“1.1”。其溶解氧低下的原因是富營養化水體中好氧微生物大量耗氧。其BOD5∶TN∶TP為100∶172∶5，一般生活污水BOD5∶TN∶TP為100∶22∶3^[2]。污水經化糞池初步處理后流入求索溪，求索溪是天然氧化塘，對BOD5、TN、TP有一定降解作用。對比上述兩組比值，可見TN富集效率遠遠高于BOD5。水體富營養化后，藻類及其他自養生物迅猛繁殖，死亡的殘體腐爛后，又釋放氮、磷等營養物，供新一代利用，因此氮、磷等營養物在生態系統中循環，難以消去。有機碳好氧呼吸最終產物CO2、厭氧呼吸最終產物CH4，均能釋放到大氣中去，使BOD5降低。有機氮經硝化和反硝化后最終產物N2也可釋放到大氣中去。硝化是好氧條件，要求溶解氧大于2.0 mg/L以上^[19]。而治理前水體溶解氧0.40 mg/L，達不到硝化好氧條件，有機氮氨化所生成的氨氮無法進行硝化，被藻類等自養生物吸收，其細胞殘體腐爛所產生的氨氮釋放到水體，不斷循環，導致TN不斷富集。因此該工藝采用好氧溝和生態塘硝化與厭氧塘反硝化大循環，有機氮最終轉化成N2，釋放到大氣中去，減輕水體中TN富集。

在厭氧條件下積磷細菌釋放磷酸鹽，在好氧條件下積磷細菌吸收磷酸鹽^[19]。該工藝采用將生態塘出口底部吸磷后污水抽入厭氧塘入口表面，污水在厭氧塘中流動釋放磷，所釋放的磷酸鹽被自然水體中膠體吸附混凝而沉降，降低水體中TP。

此工藝設計運用了仿生學原理，設計靈感來自于毒理學“肝腸循環”。肝腸循環即毒物經肝臟解毒后的分解物，經膽汁進入十二指腸，部分排出，部分又被小腸、大腸重吸收，進入門靜脈，重新進入肝臟。毒物分次逐步排出，殘留期增長。此工藝采用抽水循環，生態塘出口不完全的污染物被抽入厭氧塘入口，再次分解、循環，污染物分次逐步分解，停留期延長，降解效率提高。

2.2 污水泵流量確定及其安裝

實測滾水壩2處出水流量Q3為30 m3/h，根據連通器原理，污水流入量Q0等于滾水壩2出水流量Q2，抽水循環流量應大于污水入流量，適當放大，因此污水泵2的流量選擇60 m3/h。

好氧溝采用推流增氧，溶解氧濃度通過流速控制，流速通過流量控制。為了使好氧溝滿足溶解氧大于2.00 mg/L以上，在水深0.3 m條件下，流速應大于0.1 m/s^[20]。

停留時間t1=9 600/90=106.7 h。

好氧溝流量Q=Q0+2Q1+2Q2=30+2×60+2×120=390 m3/h，

停留時間t2=66/390=0.17 h。生態塘流量Q5=Q0+2Q1+2Q2=390 m3/h，

停留時間t3=7 200/390=18.46 h。厭氧溝流量等于滾水壩2出水流量Q0，即30 m3/h，

停留時間t4=96/30=3.2 h。好氧塘流量等于滾水壩2出水流量Q0，即30 m3/h，停留時間t5=2 520/30=84 h。

由表2可知生態塘溶解氧濃度達到好氧條件，實為好氧塘，好氧溝和生態塘直接連通，故好氧溝和生態塘實為一個大的好氧塘，其停留時間計算如下：t6=0.16+18.46=18.63 h。參照氧化塘停留時間參數：厭氧塘30～50 h、好氧塘2～6 h^[16]，認為厭氧塘停留時間、好氧溝和生態塘總停留時間、厭氧溝停留時間、好氧塘停留時間均符合條件，達到設計規范要求。

2.4 水質監測日期選擇 7、8月放暑假，1、2月放寒假，生活污水量小，故水質監測日期選擇2012年9～12月和2013年3～6月。每個月的下旬采樣一次，如遇上雨天，雨停3 d后采樣。

2.5 溶解氧監測結果分析

《氧化溝活性污泥法污水處理工程技術規范（HJ5782010）》規定好氧池溶解氧一般不小于2 mg/L；缺氧池，溶解氧一般為0.2～0.5 mg/L；厭氧池，溶解氧一般小于0.2 mg/L。表2結果表明：好氧塘溝、生態塘、好氧塘溶解氧全年符合好氧條件，厭氧塘溶解氧夏季符合厭氧條件，冬季符合缺氧條件，各氧化溝和氧化塘溶解氧濃度均符合規范要求，達到預期設計目的。

2.6 運行效果分析

好氧塘出水進入表面流人工濕地，依據《人工濕地污水處理工程技術規范（HJ20052010）》人工濕地系統進水水質要求：化學需氧量小于125 mg/L、氨氮小于10 mg/L、總磷小于3 mg/L。由表3可知好氧塘出水化學需氧量均小于125 mg/L；由表4可知好氧塘出水總氮均小10 mg/L，因為氨氮值小于總氮，故其氨氮值均小于10 mg/L；由表5可知好氧塘出水總磷均小于3 mg/L。由此可見，好氧塘出水符合人工濕地系統進水水質要求。

綜合表3、表4、表5，計算治理后生態塘監測結果均值：COD 77.6 mg/L、TN 8.19 mg/L、TP 1.32 mg/L，治理前此段監測結果：COD 134 mg/L、TN 82.2 mg/L、TP 2.14 mg/L，對比分析，COD消減42.0%、TN消減90.0%、TP消減38.3%，可見治理效果顯著，TN消減效果最明顯。

綜上所述，污水在好氧溝和生態塘與厭氧塘中不斷循環，有助于消減污染物，特別有助于生物脫氮。

2.7 生態效益分析

治理前，2012年4～6月份，生態塘浮萍生長迅猛，4 d內長滿，需人工打撈一次。2012年6月下旬開始運行，生態塘浮萍2012年7月份15 d內長滿，人工打撈一次；2012年8月份30 d長滿，人工打撈一次；2012年9月以后，沒有出現浮萍瘋長現象，無需人工打撈，黑臭消除。TN、TP濃度顯著降低，抽水循環產生水流，破壞了浮萍適宜的緩流生境，這使得浮萍生長減緩。治理前浮萍長滿導致水體與空氣交換受阻，水體溶解氧幾乎為零，魚類絕跡，在此條件下產生H2S等臭味氣體，景觀水渠失去美學價值。2012年7月在生態塘投放鯽魚、鯉魚、草魚，成活良好。2013年春天以來，生態塘、好氧塘青蛙、菜花蛇、烏龜、田螺、黑水雞不斷出現，數量不斷增多，這在治理前基本看不到。治理后，其中下游水體和河灘生態不斷改善，2013年1～3月，引來數以千計的成群候鳥白鷺、池鷺、翠鳥棲息，成為一道美麗的風景，引來不少游人欣賞、拍照，這在以前也基本看不到。2013年11月又有數以千計的成群候鳥白鷺、池鷺、翠鳥回來，白鷺甚愛在生態塘出沒，因為生態塘有豐富的魚類供其覓食。求索溪最終排入長江，治理求索溪，可減少氮磷輸入長江。綜上所述，該工藝環境生態效益顯著。

3 運行成本分析

污水流入量30 m3/h，處理量即30 m3/h，水泵總裝機10 kW，電費0.6元/kW，推算抽水電費：0.2元/m3。每周清泵一次，1 h，宜昌市工資標準每小時15元，推算人工費：每0.03元/m3。2012年7月至2013年6月，設備維修及耗材約2 000元，推算維護費：0.08元/m3。合計運行成本費：0.31元/m3。

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