生物填料系統河道水質提升工藝案例研究

關鍵詞：生物填料系統；河道水質提升；案例分析；去除效果

中圖分類號：X703 文獻標志碼：B

前言

水體富營養化的主要原因是氮磷物質的過度累積，自然水體中的總磷濃度超過0.02mg/L，總氮濃度超過0.2mg/L，水體富營養化風險將顯著增加。東山鎮地處太湖湖心區，鎮內河道大部分直通太湖，對太湖水質有一定影響。因此，人湖河道水質改善對太湖東部湖區的水質達標具有重要意義。

對于河道水質提升，國內外主要研究集中于黑臭水體治理，大都將生活污水的處理方法直接應用于河道治理。常用的方法有一定凈化效果，但施工難度大、去除效率偏低、運維成本高。近年來，一體化處理設備因高度集成、占地小、效果明顯、建設快、費用低等特點，在農村具有更好的適用性。但現有設備多用于農村生活污水處理，工藝多為AAO、MBR、AO主體工藝及其衍生耦合工藝等。設計水質為市政廢水或農村污水，特點是進水COD、NH₃-N濃度高，但多數農村河道進水COD、NH₃-N較低。此外，由于工藝多樣和技術標準不同，設備在使用中常出現處理效率不高、出水水質超標、運維成本高等問題。

基于此，以王舍港為基礎，調研河流污染物來源、產生量，采用以生物緩凝填料為載體的一體化生物填料系統，結合河道水質濃度較低且不穩定的情況，調試運行并分析污染物去除效率，以期為該系統在河道水質提升中的應用提供科學依據。

1河道現狀

1.1河道概況

王舍港位于蘇州市吳中區東山鎮陸巷村，河道長度300 m，寬度10 m，河底高程2.4 m，河道斷面為梯形，屬斷頭浜，河道功能為排水和工農業用水。

1.2河道存在問題

王舍港河道流域面積小，徑流區短，為斷頭浜河道。由于水體的水動力不足，污染物在河道中水力停留時間較小，污染物消納緩沖空間不足，易于水體內累積。同時，河道兩側為農田區，農業面源受降雨徑流影響，對河道的沖擊負荷大。此外，河道與太湖相連，枯水期河道水質受太湖返流的影響，太湖返流攜帶懸浮有機物和藍藻等浮游生物人河，會對人湖河道水質造成一定的影響。

1.3河道污染源調查分析

王舍港流域范圍內村莊污水現已全部納入市政管網，河道兩側用地類型為農田、坑塘水面和果園，污染源主要為面源和內源。經監測，河水COD均值約為15.4339 mg/L，BODs均值均為5.6597 mg/L，氨氮均值約為0.2333 mg/L，總磷均值約為0.1672 mg/L，石油類均值約為0.0012mg/L。經現場調查計算，王舍港河道污染物總量中COD、N、P分別為4.74、1.10、0.17t/年。

1.3.1面源

王舍港的面源污染包括農業面源和初雨面源。其中，農業面源系指農業生產過程中，溶解的或固體的農藥、化肥等污染物，在農田排水、地表徑流以及地下滲漏的作用下，污染物大量流人受納水體導致的污染。

經現場調查，初雨面源污染物量中COD、N、P分別為2.17、0.20、0.01t/年。農業面源方面，王舍港周邊為少量農田、坑塘水面和果園基地。調取東山鎮2020年13個行政村的肥料使用情況，考慮化肥50%的流失率，最終單位農田的COD流失系數取160.00 kg/ha年，TN流失系數取68.10 kg/ha年，TP流失系數取13.62 kg/ha年。計算得出王舍港河道農業面源污染物量中COD、N、P分別為1.51、0.64、0.13t/年。

1.3.2內源

參考國內學者對太湖流域的研究，COD、TN、TP的釋放強度取578.00 mg/m²·d、136.00mg/m²·d、16.78mg/m²·d，計算得出王舍港河道內源污染物量中COD、N、P分別為1.06、0.25、0.03t/年。

2工藝設計

2.1生物填料系統

生物填料系統是以生物緩凝填料為生物載體，并集成動力裝置的水凈化處理設備，工藝流程圖如圖1所示。該系統采用旁路治理的思路，能靈活應用于各種被污染水體，分為固、液兩相過濾凈化和氣、固、液三相反沖洗這兩道工序，交替循環處理。

2.1.1生物填料

生物緩凝填料主要為多空隙的結構，具有非常細密且豐富的孔隙，使系統內水流紊亂，產生大量旋渦，水中浮游物在旋渦的作用下依密度分離，并滯留吸附在填料內不同位置。浮游物主要包括河道內本土的細菌、真菌、藻類、原生動物和后生動物等微生物，這些微生物與生物緩凝填料表面結合，在適宜的條件下大量增殖，并生成生物膜。而大顆粒的懸浮物則因為填料較高的孔隙率，過濾阻力小，易于被填料波紋狀的孔隙攔截，從而能夠得到順暢、高效地過濾。同時，該生物緩凝填料材質較輕，在反沖洗過程中，由于處于流化狀態，內部的懸浮物極易清理干凈。此外，該生物緩凝填料具有較高的幾何穩定性和化學穩定性，對強酸、氧化劑和還原劑等的抵抗能力均較強。

2.1.2成膜工作原理分析

該系統將水域中的微生物和污染物吸人裝置，利用材料的物理吸附特性，使微生物和污染物都滯留于材料內部。其中，微生物以污染物為食物進行大量繁殖，并利用該材料表面積大的特點，一定時間后在材料表面形成生物膜。

在一段時間后，材料表面的微生物排入水中，這一過程通過微生物氧化分解有機物來凈化原水域。此外，該系統內同時布置有氣泵，能極大地提高水中含氧量，使系統內水中的微生物有了充足的含氧量，生物凈化的能力大大增強。

2.1.3脫膜工作原理分析

脫膜的間隔時間根據水體的污染程度和速度、環境溫度、自凈能力以及微生物的數量進行設定和調節。本設備同時配備有微動攪拌裝置與充氣泵系統，通過設置不同的參數進行調整。

2.1.4水體流動分析

水流通過生物填充材料的曲表面，分成流速不同的水流，干凈的水流迅速通過材料流出；水中的雜質由于比重則停留在材料內部，或者加入流速慢的水流流人別的材料內，停留在其他材料內部。同時，內置的攪拌裝置與充氣設備，會對箱體內的水流進行充分的擾動。此外，設備箱體分為兩個槽體串聯結構，將延長停留時間使生物在培養箱內盡可能生長。

2.2分析方法

在試驗過程中，COD含量的測定采用重鉻酸鹽法（HJ 828-2017）；NH₃-N含量的測定采用納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）；TP含量的測定采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893-89）。

3運行效果分析

3.1COD去除效果

COD的去除效果如圖2所示。可以看出，該生物填料系統對于低COD濃度河道的水質提升有著較大作用。試驗過程中，該生物填料系統的進水COD濃度范圍為9.4196～23.5520mg/L，平均值為15.4339 mg/L。系統的出水COD濃度范圍在5.4277～13.5590mg/L之間，平均值為8.7006mg/L，去除率均在36.10%以上，平均去除率為43.48%，最高去除率達58.47%?？梢钥闯?，當第7日和第14日進水濃度偏高時，該生物填料系統對COD亦有著較高的去除率，分別為42.43%和50.29%。25天的系統出水濃度均能達到地表水環境質量標準（ GB3838-2002）中Ⅰ類水的標準。

3.2 NH₃-N去除效果

NH₃-N的去除效果如圖3所示?？梢钥闯觯撋锾盍舷到y對于低NH₃-N濃度河道的水質提升有極大作用，生物填料附著的微生物在適宜的溫度、溶解氧及曝氣條件下，通過吸附、氧化并分解水中的大部分有機物，并將進水中的大部分氨氮轉化為硝態氮，同時，附著的微生物利用水中有機物作為碳源，并進行反硝化反應，達到去除NH₃-N的目的。試驗過程中，該生物填料系統的進水NH₃-N濃度范圍為0.1033～0.7127mg/L，平均值為0.2333mg/L。系統的出水NH₃-N濃度范圍在0.0311～0.1521mg/L之間，平均值為0.1058mg/L，去除率均在40.77%以上，平均去除率為51.07%，最高去除率達86.63%。此外，當進水濃度偏高時，該生物填料系統對NH₃-N的去除率也呈現一定的增強趨勢，這一定程度上是由于曝氣裝置曝氣量的提高促進了水中微生物的硝化作用，進而提高了NH₃-N的去除效果。其中，僅1天出水濃度未能達到地表水環境質量標準（GB 3838-2002）中Ⅰ類水的標準，結合實際情況來看，主要原因是當天不僅進水濃度偏高，同時氣溫驟降至10度左右，一定程度上影響了該系統的去除效率。

3.3 TP去除效果

TP的去除效果如圖4所示。由圖4可以看出，該生物填料系統對于低TP濃度河道的水質提升有很好作用。試驗過程中，該生物填料系統的進水TP濃度范圍為0.0981～0.3772mg/L，平均值為0.1672mg/L。系統的出水TP濃度范圍在0.0535～0.1679mg/L之間，平均值為0.0900mg/L，去除率均在30.01%以上，平均去除率為43.59%，最高去除率達63.43%。其中，有16天出水濃度能夠達到地表水環境質量標準（GB 3838-2002）中Ⅱ類水的標準，占測試總天數的64%。其余9天由于進水濃度較高，出水濃度未能達地表水環境質量標準（GB 3838-2002）中Ⅱ類水的標準，但該生物填料系統對TP的去除率相比較低TP濃度進水時有所增強，均在50%左右，出水濃度能夠達到地表水環境質量標準（GB 3838-2002）中Ⅲ類水的標準。

4結論

此工程將以生物緩凝填料為載體的一體化生物填料系統應用于王舍港河道治理中，該設備出水水質較為穩定，COD、NH₃-N和TP的出水均值分別為8.7006、0.1058、0.0900 mg/L，各項指標去除率均值分別為43.48%、51.07%、43.59%，出水水質能穩定達到地表水環境質量標準中Ⅲ類的要求，COD和NH₃-N更是基本能達到類水標準，滿足湖心區水質指標力爭達到Ⅲ類的要求。此外，該設備工藝運行效果良好，實現了COD、氨氮偏低的河道水中良好的氮磷去除效果。同時設備無需投加碳源，無需專人值守，建設周期短，出水效果好，運維費用低，占地面積小，安裝便捷，可為中國農村河道治理提供參考。