高負荷生態(tài)濾床處理城市河道景觀水的中試研究

張娟+劉秀麗+王磊

摘要：為研究水力負荷對生態(tài)濾床處理效果的影響，創(chuàng)新性地提出了采用高水力負荷（水力負荷高出標準生態(tài)濾床約5倍）生態(tài)濾床對東營市利三溝水系南段水域進行中試試驗研究，對水力負荷選取4～7 m3/（m2·h），探究了水力負荷對生態(tài)濾床凈化能力的影響。研究表明：水力負荷是影響生態(tài)濾床凈化污染物的重要因素，其在4～7 m3/（m2·h）的范圍內(nèi)，COD、氨氮和TP的去除率均隨著水力負荷的增大先增大后減小，而TN的去除率卻隨著水力負荷的增大而快速減小。綜合考慮水力負荷對CODCr、氨氮及TN、TP等污染物凈化效果的影響，以及對經(jīng)濟效益的影響，最佳水力負荷選為4 m3/（m2·h）。

關(guān)鍵詞：高水力負荷；生態(tài)濾床；城市河道

中圖分類號：X522

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）6-0026-04

1 引言

城市景觀水體具有水域面積小，與人居環(huán)境聯(lián)系緊密，易受污染，水體自凈能力差等特點，加之生活污水、地表徑流的注入，使得水中污染物增加，尤其是氮、磷營養(yǎng)元素積累，溫度較高時極易造成水體富營養(yǎng)化，甚至爆發(fā)水華，嚴重影響水體生態(tài)和周圍環(huán)境[1]。東營市水系水體長期依賴換水保持水質(zhì)清潔，造成其自身生態(tài)修復(fù)能力較弱，且換水費用較高。治理城市景觀水是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前國內(nèi)外在使用的城市景觀水治理及修復(fù)技術(shù)主要有物理法、化學(xué)法和生物法[2]。針對當前城市景觀水環(huán)境問題，結(jié)合東營市河道水自身特點，對國內(nèi)外生態(tài)濾床技術(shù)研究、總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出對東營河道水體的治理采用一種新型高負荷生態(tài)濾床工藝。

生態(tài)濾床（BF）集生物氧化過程與固液分離于一體，具有投資少、建筑面積小、運行和維護費用低等優(yōu)點，被廣泛用于污水廠出水的深度處理及水源水的預(yù)處理[3，4]。高負荷生態(tài)濾床具有傳質(zhì)速率高，生物量大，微生物種類多等特點，且具有同濾床相似的過濾作用，容易掛膜，能夠處理不同濃度廢水，處理工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，不會出現(xiàn)污泥膨脹。本文研究了生態(tài)濾床在超高水力負荷條件下，水力負荷的變動對城市河道景觀水水質(zhì)凈化效果和有機污染物去除的影響，以期為今后實際應(yīng)用中工藝參數(shù)的設(shè)計提供理論參考和技術(shù)支撐。

2 材料與方法

2.1 實驗裝置

本實驗裝置采用超高水力負荷的進水模式，利用單組循環(huán)復(fù)氧生態(tài)系統(tǒng)對河道水體污染物的去除效果進行研究，該實驗裝置采用撬裝化鋼板整體結(jié)構(gòu)，雙系統(tǒng)并行實驗流程，并根據(jù)水質(zhì)特點進行針對性選擇填料，單組循環(huán)復(fù)氧生態(tài)系統(tǒng)如圖1所示。

在實驗河道，創(chuàng)新性的運用分布式的方式，在河岸兩邊放置多個生態(tài)濾床同時運行，共同凈化河水水質(zhì)，并且生態(tài)濾床上部的水生植物成為很好的景觀。由于處于中試階段，為模擬多個生態(tài)濾床共同工作的情形，在水下安裝一個10 m3的水箱與之對應(yīng)，形成一個整體的實驗體系，生態(tài)濾床系統(tǒng)如圖2所示。實驗初始泵入10 m3水進入水箱，之后，河水自下而上進入濾床，其中攜帶的懸浮物被截留，當水位上升到虹吸管頂部并超過后，則產(chǎn)生虹吸出水重新進入水箱。在進出水過程中，空氣吸入填料孔隙之中，與填料中的水膜相接觸而進行大氣復(fù)氧，使得填料表面生物膜中的好氧微生物生長繁殖，促進河道水中污染物分解，使水質(zhì)得到凈化[5～7]。生態(tài)濾床的進水管設(shè)置水閥，能有效控制水力負荷。

濾床斷面面積為1 m2，濾料有效深度為1.2 m，填料分3層，依次填充3～5 cm的陶粒，0.8～1 cm的粗砂，0.3～0.5 cm細沙，見圖3。

2.2 運行條件

本研究選取山東省東營市利三溝水系南段水域作為典型試驗區(qū)域進行現(xiàn)場中試試驗，生態(tài)濾床安裝在利三溝水系源頭，水箱安裝在水面以下。

在設(shè)備運行穩(wěn)定后，利用進水水閥有效控制水力負荷，在相同運行條件下，研究生態(tài)濾床在水力負荷分別為4 m3/（m2·h）、5 m3/（m2·h）、6 m3/（m2·h）、7m3/（m2·h）時，對水質(zhì)污染物去除效果的影響。

2.3 監(jiān)測項目與分析方法

水質(zhì)分析化驗方法采用國家環(huán)境保護局規(guī)定的有關(guān)標準分析方法（表1）對該污水進行檢測。CODCr采用重鉻酸鉀法（ GB/T11914-1987） ； NH+4 -N 采用納試劑分光光度法（ GB/T7479-1987） ； TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法（GB/T11894 -1989 ） ； TP采用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法（ GB/T11893-1989） [8] 。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 CODCr去除效果的分析

圖4為生態(tài)濾床的水力負荷分別為4 m3/（m2·h）、5 m3/（m2·h）、6 m3/（m2·h）、7 m3/（m2·h）時，對CODCr去除率的影響。由圖4可以看出，水力負荷在4～7 m3/（m2·h）范圍內(nèi)，生態(tài)濾床對水中有機物的去除率均為62%以上。水力負荷為5 m3/（m2·h）時，CODCr的去除率最大，達到78.04%。

由此可以得出，水力負荷對COD去除率影響較小，其原因主要是由于高負荷生態(tài)濾床在水力負荷較高的情況下，傳質(zhì)阻力小、速度快，加上溶解氧充足，加快了生物膜的更新，河水在經(jīng)過生態(tài)濾床的過程中， 通過填料截留作用和生物膜中的微生物吸附，并通過氧向生物膜內(nèi)部的擴散，在膜中發(fā)生生物氧化等作用，從而完成對有機污染物的分解[9]，使水體中污染物達到很好的去除效果[10]。另一方面，強大的水力沖刷使填料上形成的生物膜脫落，并由虹吸作用進入水箱，水箱中的微生物和活性污泥能同時降解有機物，這樣，可以通過生態(tài)濾池中填料表面的生物膜及水箱中的活性污泥兩方面作用來降解有機物。因此，水力負荷較高時，COD去除率仍能保持在較高水平上。

3.2 氮去除效果的分析

污水中的氮主要以氨氮和有機氮的形式存在。在生態(tài)濾床中氮的轉(zhuǎn)化作用包括有機氮的氨化作用、硝化作用、反硝化及氨的同化作用[11，12]。由圖5可以看出，高負荷生態(tài)濾床對水中氨氮的去除效果較好，均維持在70%左右。較高的負荷使河水在生態(tài)濾床中的停留時間較短，曝氣充足，溶解氧含量高，填料上附著大量微生物，硝化菌大量繁殖，充足的氧環(huán)境為硝化菌的生長和代謝提供了有利條件，使硝化反應(yīng)較強[13]。因此，氨氮去除率能一直保持在較高水平。

水力負荷為4～6 m3/（m2·h）時，氨氮去除率隨著水力負荷的增加而增大，而水力負荷為7 m3/（m2·h）時，氨氮去除率大幅度降低，其主要原因可能是強大的水流使生物膜難以附著在生態(tài)濾床上，造成氨氮去除率降低。

圖6為生態(tài)濾床對TN去除效果的分析，可以看出，水力負荷對TN的去除率影響較大，水力負荷在4～7 m3/（m2·h）時，TN的去除率隨水力負荷的增大而下降，其主要原因是在生態(tài)濾床在較高的氧環(huán)境下運行，河水中的有機氮被異養(yǎng)微生物首先轉(zhuǎn)化為氨氮，隨后氨氮在硝化細菌的作用下轉(zhuǎn)化為無機的硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮[14]。但隨著水力負荷的增大，生態(tài)濾床中DO增大，較好氧環(huán)境阻止了反硝化細菌的反硝化反應(yīng)，另外，碳源供應(yīng)不足是反硝化作用的另一限制因素[15]。因此反硝化作用受到抑制，無法將由硝化反應(yīng)形成的NO-2、NO-3還原為N2，硝態(tài)氮大量積累，不能從系統(tǒng)中除去，造成TN 去除率逐漸下降。

3.3 TP去除效果的分析

當水力負荷為4～5 m3/（m2·h）時，隨著水力負荷的增大，TP的去除率先增大，但當水力負荷大于5 m3/（m2·h）時，TP的去除率急劇下降，當水力負荷為7 m3/（m2·h）時，TP的去除率僅為36.59%。

生態(tài)濾床系統(tǒng)中的磷主要是通過微生物的吸收和填料的物理化學(xué)作用來去除[16]，進水中的有機磷經(jīng)微生物吸附作用轉(zhuǎn)化為磷酸根，微生物量在生長的同時進行硝化作用，利用一部分磷酸根，微生物中聚磷菌具有厭氧釋磷，好氧超量吸磷的生理特性[17]。當水力負荷增大時，溶解氧充足，微生物硝化作用增強，因此硝化時同化作用利用的磷增加，使磷的去除率增大[18，19]，而水力負荷過大時，處理水的流速過大，對填料的沖擊將吸附在填料表面的磷沖出系統(tǒng)，造成TP去除率下降。因此，TP的去除率會隨水力負荷的增大而減小。

4 經(jīng)濟效益分析

治水成本是決定該技術(shù)是否能大規(guī)模的推廣和應(yīng)用，因此研究治水成本十分必要。該項技術(shù)的成本主要為電耗，研究了在不同水力負荷下對水質(zhì)污染物的凈化效果進行了成本分析。按照中華人民共和國國家標準（GB/T3838-2002）《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》基本項目標準限值的要求，水箱水質(zhì)達到地表水水質(zhì)標準，治水成本如表2所示。

治水成本隨著水力負荷的增大而增大；而在相同水力負荷下，治水成本隨著地表水環(huán)境質(zhì)量標準基本項目標準限值要求增高而增大。在城市河道高負荷生態(tài)濾床的最佳水力負荷4 m3/（m2·h）時，水質(zhì)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》基本項目標準限值Ⅴ類的平均治水成本為0.75 元/m3， 水質(zhì)達到Ⅳ類時， 平均治水成本為1.15 元/m3，水質(zhì)達到Ⅲ類時，平均治水成本為1.75 元/m3。

5 結(jié)論

（1）水力負荷是影響生態(tài)濾床凈化污染物重要因素，水力負荷在4～7 m3/（m2·h）的范圍內(nèi)，COD、氨氮和TP的去除率均隨著水力負荷的增大先增大后減小，而TN的去除率卻隨著水力負荷的增大而快速減小。

（2）較高的水力負荷使溶解氧充足，為微生物提供了良好的生存環(huán)境，有利于硝化細菌的硝化作用，但卻抑制了反硝化細菌的反硝化反應(yīng)，對水中總氮的去除產(chǎn)生影響，另外，碳源供應(yīng)不足可能是是反硝化作用較差的另一主要原因。

（3）綜合考慮水力負荷對COD、氨氮、TN、TP等去除效果的影響，城市河道高負荷生態(tài)濾床的最佳水力負荷為5 m3/（m2·h）。但從經(jīng)濟角度出發(fā)，水力負荷最佳為4 m3/（m2·h），既能使河水達到良好凈化效果又能保證成本合理。

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