基于生態過濾技術的某溢流口水污染治理的研究

摘 要：以某溢流口為試驗對象，根據溢流口污水可生化性好的水質特點，采用基于生態過濾技術的生態濾壩試驗裝置構建低影響開發、低能耗的多級生態過濾模塊，對溢流口污水進行原位凈化處理試驗。試驗結果表明，溢流口污水經生態濾壩試驗裝置處理后，出水水質關鍵性指標接近或達到《GB 18918城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，可排入《GB 3838地表水環境質量標準》Ⅲ類功能水域；其中對溢流口污水中COD及SS指標的去除率可達到80%以上，TN和NH3-N指標的去除率＞70%，TP指標的去除率也可達到65%以上，對溢流口水污染凈化效果明顯，可從源頭上消減進入河流、湖泊的水污染負荷，以緩解溢流口水域富營養化態勢。

關鍵詞：生態過濾技術；溢流口；水污染治理；原位凈化試驗

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）04-00-06

0 引言

水環境污染問題，表象在水里，根源在岸上[1]。特別是城市雨污溢流口對周圍河流、湖泊水體污染的影響尤為突出，雨污溢流往往是引起河湖水體黑臭現象或富營養化污染的重要原因[2]。對溢流口雨污的污染治理，是削減水體泛黑發臭、富營養化污染的有效措施[3]。

目前，針對溢流口雨污治理，國內某些地方采用就地建設分散式污水處理站或人工濕地等末端凈化設施的方式處理，出水水質指標按《GB 18918城鎮污水處理廠污染物排放標準》執行，從而有效削減了進入水體的污染負荷。但建造這些末端凈化處理設施對水體周邊環境的擾動較大，對土地侵占較多，效果的穩定性難以保證；同時建造投資及運行費用較高，對管理人員專業要求也較高，從而使溢流口最終處理后的出水水質難以達到預期[4]。

基于生態過濾技術的生態濾壩是近年來新興的水污染原位凈化技術，已在河道水體污染治理、養殖尾水處理等領域得到了廣泛應用[5，6]，但在溢流口雨污原位治理方面的研究并不多見。本文以湖北省內某湖泊雨污溢流口為研究對象，根據溢流口污水可生化性好的水質特點，采用生態過濾技術構建低影響開發、低能耗的多級生態濾壩模塊，對溢流口污水進行原位凈化處理試驗，就地生態截污并同步凈化水質，考察其對水污染物的凈化效果，以期應用生態濾壩從源頭上削減進入河流、湖泊的水污染負荷，緩解溢流口水域富營養化態勢。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

1.1.1 試驗原水

取某溢流口為試驗對象，此處為小區生活污水和雨水合流制常年溢流口，溢流污水直排至湖內，日常污水流量均值約為1.5 m3/h，在雨季時水流量最大峰值可達到10 m3/h。在溢流管出水口及其臨邊水域取水樣化驗，其主要水質指標分析結果見表1。

該溢流口污水中TP、TN、NH3-N、COD、BOD5及SS等水質污染指標較高，排放至周圍受納水體造成溢流口水域水質惡化。根據《GB 3838地表水環境質量標準》水質指標分級規定，該溢流口附近水域水質整體屬于劣V類，呈重度富營養化狀態。同時，根據上述水質分析結果，該溢流口污水水質B/C值＞0.4，可生化性好。

1.1.2 試驗裝置

試驗裝置為自制的一種用于雨污溢流口治理的生態濾壩水處理裝置。

自制的生態濾壩裝置是基于生態過濾技術開發出來的一種組合式一體化生物治污設施，融合了人工濕地工藝與生物接觸氧化法在水處理領域的優勢，采用工程技術措施將微生物、濕生植物等生物體與生物填料、過濾介質等載體有機結合，互為共生，協同增效，形成具有高度生物活性的生物膜反應系統。

自制的生態濾壩裝置為一體化下沉式箱式結構，采用PE板焊接制作，占地面積約5 m2。生態濾壩裝置按水流向依次由調節池、曝氣生物柵、生態濾池和清水池等四段池體組成：

①調節池：設有進水口，設置格柵過濾網，利用水力擋板均分為兩級沉降格，通過格柵過濾、重力沉降作用初步分離溢流口雨污中比重較大的泥沙、懸浮物等雜質，初級降解水中有機物，并調節水量平衡，均衡水質。

②曝氣生物柵：內置有人工填料，為微生物、原生動物的棲息生長提供載體，互為共生，形成具有高度活性的生物膜；上部栽種有經過馴化培育的濕生綠色植物，形成根際微生物環境；底部鋪設有曝氣裝置，為植物根系和微生物的生長提供充足的氧氣，創造一個具有良性循環、穩定的微生態自凈系統持續轉化、降解溢流口水污染物。

③生態濾池：由多種濾料介質填充而成，具有良好的表面吸附和篩分截留雙重過濾作用，進一步濾掉水中細小膠體污染物，提升出水透明度；同時能富集凈化段內微生物活性污泥濃度，增強凈化段生物膜的持續降解能力，并且可釋放馴化培養好的有益微生物菌單體，優化水生態系統微生物菌群結構。

④清水池：長方體空腔，利用水力擋板均分為兩格，由斜向上穿孔管連通，出水孔設有虹吸管作為出水口。

1.1.3 試驗材料

（1）人工填料

填料選用陶粒、沸石、火山石、活性炭等多孔吸附材料及中空纖維球、組合彈性填料等人工合成材料，均由鞏義源隆凈水材料有限公司提供。水洗干凈，自然晾干，按照設計級配要求分層充填，其中多孔填料有效粒徑比例不小于95%，孔隙率處于40%～50%。填料層之間采用多孔硬質隔板分隔開，隔板上依次敷設孔徑2 mm的不銹鋼網及人工無紡布，填料按要求鋪設其上。

（2）生物濾料

濾料選用活性炭、石英砂、錳砂、無煙煤等多孔吸附材料，均由鞏義源隆凈水材料有限公司提供。水洗干凈，自然晾干，按照設計級配要求分層充填，其中多孔濾料有效粒徑比例不小于95%，孔隙率處于30%～40%。濾料層之間采用多孔硬質隔板分隔開，隔板上依次敷設孔徑2 mm的不銹鋼網及人工無紡布，濾料按要求鋪設其上。

（3）綠色植物

綠色植物選擇觀賞價值較高的本土濕生植物美人蕉，要求長勢良好，植株健康，株高不超過60 cm，種植間距約30 cm。植物根系水洗干凈，置于定植籃內，由陶粒和沸石填料按體積比2：1組配定植。

1.2 試驗方法

根據溢流口污水水質可生化性好的特點，采用自制的生態濾壩裝置（尺寸大小為3200 mm×

1600 mm×1500 mm）構建低影響開發、低能耗的多級生態過濾模塊，前置預處理調節圍堰，調節進水流量Q=1.5 m3/h，設定水力停留時間（HRT）為180 min，在溢流口污水流經自制的生態濾壩試驗裝置時，對溢流口污水進行原位生態截污并逐級凈化水質，以關鍵性水質污染指標（指COD、NH3-N、TN、TP及SS）去除率作為評價依據，判斷對溢流口雨污的生態凈化治理效果。

待生態濾壩裝置調試、生物馴化完成后，轉入水質監測階段。在前置調節圍堰出水口設置取樣點Ⅰ，作為生態濾壩進水水質監測點；在生態濾壩清水池出水口設置取樣點Ⅱ，作為生態濾壩出水水質監測點。根據試驗要求定期分別在取樣點Ⅰ和取樣點Ⅱ同步取樣檢測COD、NH3-N、TN、TP及SS等五個水質指標，以進水和出水的指標降幅比例作為該污染指標的去除率，分別計算這五個水質污染指標的去除率，判斷生態濾壩用于雨污溢流口生態凈化的治理效果。

1.3 分析方法

化學需氧量（COD）：重鉻酸鉀法[7]；

氨氮（NH3-N）：納氏試劑分光光度法[7]；

總氮（TN）：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[7]；

總磷（TP）：鉬酸銨分光光度法[7]；

懸浮物（SS）：重量法[7]。

2 結果與分析

2.1 試驗結果

試驗過程中，為了避免因降雨等異常情況可能導致取樣化驗數據出現偏差、失真的不利影響，特別設置了類似于截流井的調節圍堰，以調節溢流口污水水量和水質；同時要求每次取樣時間設定在連續晴天數達2 d以上。

試驗測試時間為94 d，受降雨等因素影響，每次取樣間隔周期12～18 d不等，取樣檢測有效次數為7次。試驗過程中各水質指標檢測結果見表2～表6。

從上述試驗水質檢測結果可以看出，試驗點溢流口污水中TP、TN、NH3-N、COD及SS等水質污染指標較高，如不經處理直接排入周圍水域后勢必引起水體相應水質指標的上升，造成水體水質惡化。經生態濾壩試驗裝置原位處理后，出水水質污染指標均有不同程度的顯著下降，并趨于相對平穩，水質指標接近或達到《GB 18918城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，可排入《GB 3838地表水環境質量標準》Ⅲ類功能水域。

同時，根據上述水質檢測結果，以進水和出水的COD、NH3-N、TN、TP及SS等這五項水質污染指標的降幅差值作為該水質污染指標的去除率，采用下述公式分別計算各水質污染指標的去除率。

通過各水質污染指標去除率結果對比發現，生態濾壩試驗裝置對溢流口污水中CODCr和SS指標的凈化作用最強，其去除率均達到了80%以上；其次，NH3-N和TN指標的去除率也達到了70%以上，對TP指標的凈化效果較弱，但其去除率也達到了65%左右，水質凈化效果明顯。

2.2 討論與分析

為了更加直觀地討論與分析生態濾壩試驗裝置對溢流口污水處理效果，將CODCr、NH3-N、TN、TP及SS等這五項水質污染指標的去除率繪制變化曲線圖，見圖2～圖6。

從以上五項水質污染指標的去除率變化曲線圖中可以看出，隨著試驗時間的延長，生態濾壩試驗裝置對溢流污水中COD、TN及NH3-N指標的去除率由低至高逐漸上升，并隨著進水水質變化而處于一定區間值內波動，最終趨于相對平穩范圍；而對TP和SS指標的去除率先高后低逐漸下降，并隨進水水質變化而在一定區間值內波動，最終也趨于相對平穩狀態。這一現象的發現，有助于對生態濾壩試驗裝置凈化作用機理的探究。

本生態濾壩試驗裝置將微生物、濕生植物等生物體與生物填料、過濾介質等基質載體有機結合，互為共生，協同增效，形成具有高度生物活性和豐富生物量的生物膜系統。其中顆粒狀填料具有多級配的適宜孔隙度和較大的比表面積，有利于生物膜的附著生長；懸浮狀的組合填料能充分與污水接觸，有利于生物膜的生長更新，并部分形成生物活性污泥。而濾料層所填充的各級濾料粒徑由下至上依次減小，其滲透系數由下至上也依次變小，這有利于實現濾料的多級截留和緩解濾料的污堵問題[8]。同時，由于填料和濾料存在多孔結構和適中的孔隙度，擁有較大的比表面積和一定的離子交換能力，使其具有物理化學吸附和截留作用；并且附著生長的生物膜和懸浮狀的活性污泥具有一定的粘性和凝聚性，可起到生物粘附、絮凝作用[9]。

生態濾壩主要通過填料及濾料的吸附與截留作用，及附著生長的生物膜和懸浮狀的活性污泥的代謝降解過程同步去除污水中的有機物、含氮、含磷和懸浮物等污染物[10]。其凈化水中污染物的過程可分為三個階段[11]：

①水污染物隨水流向裝置壩體內擴散，流經植物根系、填料空隙、濾料表面，并與附著生長的生物膜、懸浮狀態的活性污泥接觸；

②污水在裝置壩體內流動的過程中，水中污染物易被填料、濾料和生物膜及活性污泥吸附和凝聚；

③被吸附、凝聚的水中污染物進而作為生物營養物質，被生物膜及活性污泥吸收利用，參與微生物的新陳代謝、轉化降解過程，從而凈化水質。

首先，在試驗過程中，溢流污水中大量不溶性細小懸浮物及膠體微粒等污染物在多層填料和濾料中被吸附、截留，在基質空隙中接觸沉淀，從而降低了污水中懸浮物含量[12]。因濾料、填料孔隙飽和度有限，其吸附、截留懸浮物能力逐漸下降，導致其對污水中SS指標的去除率先高后低，呈逐漸下降趨勢。但生態濾壩試驗裝置采用的重力滲濾、多級截留方式，其截留的懸浮物自然沉淀析出并形成剩余污泥排出系統，這有效解決了濾料和填料的空隙堵塞問題，使得降濁去污過程可持續進行并最終趨于相對平衡狀態。

生態濾壩對含磷污染物的去除主要是通過基質吸附和生物代謝予以實現的，其中基質的吸附除磷起重要作用，且去除效率高[13]。污水流經生態濾壩時，水中磷能夠以離子態與基質表面發生離子交換而被吸附于填料表面，也能與水中可溶性金屬離子螯合形成不溶性含磷化合物沉積于填料表面，使得填料表面的吸附趨于相對飽和狀態。但隨著進水時間延長，生物膜或活性污泥中微生物自適應性地開始攝取填料表面或污水中的磷元素，參與生物體的新陳代謝過程，并逐漸占優勢，最終形成動態平衡狀態。因此，這也導致了生態濾壩試驗裝置的除磷效率先高后低并逐漸趨于相對平穩的現象。

雖然生態濾壩內置的多孔填料和濾料對溢流污水中有機物具有一定的吸附作用，但污水中有機物的去除主要還是依靠微生物的新陳代謝作用。污水中有機物在壩體流動過程中與附著生長的生物膜及懸浮狀的活性污泥發生吸附、凝聚作用，進而被微生物作為營養物質吸收利用，在好氧條件下被生物降解和轉化，去除效率高[14]。特別是生態濾壩試驗裝置末端的多介質濾層可有效截留、富集微生物，提升整個生態濾壩試驗裝置內的活性微生物量，增強微生物的持續降解COD能力。因此，隨著作用時間推進，生態濾壩試驗裝置對溢流污水中COD指標的去除率逐漸上升，并最終趨于相對穩定狀態。

生物脫氮過程是生態濾壩裝置去除污水中TN和NH3-N的主要途徑。生態濾壩內置的多介質填料和濾料上棲息的生物膜實為膜狀生物活性污泥，由基質堆積營造出了厭氧與好氧的交替環境，其結構由內向外依次包括填料層-缺氧層-好氧層-附著水層[15]。當溢流污水流經該生物膜表面時，除了有機物進行固相、液相的物質交換、轉化外，含N化合物也被生物膜吸附與凝聚，并向生物膜內部擴散，NH3-N通過微生物的同化作用得到削減，并在好氧與缺氧條件的共同作用下完成短程的“硝化-反硝化”的脫氮反應過程，最終由反硝化細菌利用COD將NO3-N、NO2-N還原為N2，降低TN含量。并且隨著作用時間延長，生態濾壩裝置的脫氮效率會逐漸上升，最終趨于相對穩定狀態。

3 結論

（1）根據溢流口污水可生化性好的水質特點，采用自制的生態濾壩構建低影響開發、低能耗的多級生態過濾模塊，對溢流口污水就地截污并逐級凈化水質，以關鍵性水質污染指標（TN、TP、CODCr、NH3-N及SS）的去除率作為依據，評價生態濾壩在雨污溢流口生態治理的應用效果。

（2）應用試驗結果表明，試驗點溢流口污水中TP、TN、NH3-N、COD及SS等水質污染指標較高，如不經處理直接排入周圍水域后勢必引起水體相應水質指標的上升，導致水體出現富營養化甚至發黑發臭現象。經生態濾壩試驗裝置原位處理后，出水水質污染指標均有不同程度的顯著下降，水質指標接近或達到《GB 18918城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，可排入

《GB 3838地表水環境質量標準》Ⅲ類功能水域。

（3）試驗數據對比發現，生態濾壩試驗裝置對溢流口污水中COD和SS的去除能力最強，兩者的去除率均＞80%，可大幅度地降低溢流口污水中的有機污染物濃度和懸浮物含量；其次，試驗裝置對NH3-N和TN指標的去除率可穩定在70%以上，脫氮效率較高；同時，對TP指標的去除率也達到了65%左右，除磷效果明顯。

（4）對生態濾壩試驗裝置凈化作用機理的深入分析，試驗裝置對溢流口污水中COD、TN及NH3-N指標的去除主要以生物代謝為主，去除效率隨著時間增長而逐漸提升，并趨于相對穩定狀態；對TP指標的去除分為兩個階段：初期以物理吸附為主，除磷效率高，穩定期兼有物理吸附和生物代謝兩種機理，使得試驗裝置的除磷效率先高后低，并逐漸趨于相對平穩；對懸浮物的去除主要以截留、吸附、沉淀等物理過程為主，去除效率主要受濾料、填料孔隙飽和度影響，對懸浮物的去除能力逐漸下降并趨于相對平衡狀態。

（5）通過在某溢流口的試驗性應用，生態濾壩試驗裝置能原位降解、轉化溢流口雨污所攜帶的懸浮物、氮、磷及有機物等污染物，脫氮除磷，協同去除有機污染物，可應用于雨污溢流口生態凈化的治理。處理后的出水可達標排放至周圍受納水體，從源頭上削減進入河流、湖泊等水體的污染負荷，緩解溢流口水域的富營養化態勢。

（6）由于時間有限而未能在冬季低溫條件下的溢流口進行應用試驗，加上進水水質易受降雨干擾等原因，基于生態過濾技術的生態濾壩在實際工程應用時，應綜合考慮溢流口當地的氣溫、水文、生態、水質、水量、地形、降雨等影響要素，因地制宜，合理規劃。

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