填料對生態礫石床凈化污水處理廠尾水效果的影響

摘要：當前，我國水環境依然面臨諸多風險，部分地區水資源短缺現象突出。城鎮污水處理廠排放的尾水經過深度處理，達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的Ⅴ類水質要求后，可排入受納水體。生態礫石床是一種自然處理污水的方法，本質是對天然河床中礫石表面的微生物膜進行人工強化。作為一種礫間接觸氧化技術，生態礫石床可對低濃度污水進行深度處理，有效提升水質。同時，生態礫石床建設可以因地制宜，與景觀相結合。生態礫石床可用于城鎮污水處理廠尾水的深度凈化，同時具有美化景觀的作用。填料種類、粒徑可能影響生態礫石床凈化城鎮污水處理廠尾水的效果。試驗采用礫石+鋼渣+沸石（配比為1∶1∶1）組成的復合填料與傳統的礫石填料進行對比，研究不同粒徑下生態礫石床對污水的處理效能。試驗結果顯示，采用功能性復合填料，選擇適宜的填料粒徑，可以有效提高生態礫石床運行效能，同時系統不易發生堵塞。

關鍵詞：生態礫石床；城鎮污水處理廠；尾水；深度處理；填料種類；填料粒徑

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0270-04

influence of fillers on the purification effect of ecological gravel bed on Sewage treatment plant tailwater

ZHOU Luman， XU Chong， CAI Rui， HAN Shangxin， LI Chuan， CHE Jun

（Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China）

Abstract： At present， China’s water environment still faces many risks， and the shortage of water resources is prominent in some areas. The tailwater discharged from urban sewage treatment plants can be discharged into the receiving water body after deep treatment to meet the Class Ⅴ water quality requirements of the Surface Water Environmental Quality Standards （GB 3838—2002）. Ecological gravel bed is a natural method for treating the sewage， which essentially involves artificially strengthening the microbial film on the surface of gravel in natural riverbeds. As a gravel contact oxidation technology， ecological gravel beds can be used for deep treatment of low concentration sewage， effectively improving water quality. Meanwhile， the construction of ecological gravel beds can be tailored to local conditions and integrated with the landscape. Ecological gravel beds can be used for deep purification of sewage from urban sewage treatment plants， while also having the function of beautifying the landscape. The type and particle size of fillers may affect the effectiveness of ecological gravel bed in purifying the tailwater of urban sewage treatment plants. The experiment uses a composite filler composed of gravel， steel slag， and zeolite （with a ratio of 1∶1∶1） to compare with traditional gravel fillers， and studies the treatment efficiency of ecological gravel beds for sewage under different particle sizes. The experimental results show that using functional composite fillers and selecting appropriate filler particle sizes can effectively improve the operational efficiency of ecological gravel beds， while the system is less prone to blockage.

Keywords： ecological gravel bed; urban sewage treatment plant; tailwater; deep treatment; filler type; filler particle size

在當今水污染風險增加、水資源供應緊張的背景下，城鎮污水處理廠排放的尾水經過深度處理，達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）的

Ⅴ類水質要求后，可作為穩定水源，排入受納水體。這不僅可以降低水環境污染風險，提高水環境容量，還可以補充地表水源，緩解水資源短缺問題。在我國，城鎮污水處理廠尾水多要求達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準，其項目標準限值高于地表水Ⅴ類標準。尾水可生化性差，氮磷含量高，排放量大且集中，會給受納水體輸入大量營養物質，增加富營養化風險[1]。因此，必須深度凈化城鎮污水處理廠尾水，提高回用效率。

生態礫石床是一種自然處理污水的方法[2]，本質是對天然河床中礫石表面的微生物膜進行人工強化。作為一種礫間接觸氧化技術，生態礫石床可深度處理低污染物含量的污水，有效提升水質。同時，生態礫石床建設可以因地制宜，與景觀相結合。生態礫石床可用于城市污水處理廠尾水的深度凈化，具有美化景觀的作用。試驗研究填料種類、粒徑對生態礫石床凈化城鎮污水處理廠尾水效果的影響，可為污水處理廠尾水回用于河道或補充地下水源提供技術支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

小試裝置采用有機玻璃制作，每套裝置的外形尺寸均為1.5 m×0.4 m×0.5 m（長×寬×高），配水區、集水區寬度均為0.15 m，中間分為3格，每格長度均為0.4 m，中間用帶孔的插板間隔，具體結構如圖1所示。插板位置可移動，以調整不同區域的長度。不同格內分別充填不同粒徑、不同種類的填料。每格尾端設置取樣孔，用于采集水樣。生態礫石床的礫石區和鋼渣區設置微孔曝氣盤，均為好氧區，沸石區不曝氣。

小試結束后，在安徽省天長市銅城鎮尾水濕地現場建設生態礫石床中試場地。生態礫石床采用磚混結構，采用2套池體并聯的結構設計。生態礫石床尺寸為9.30 m×5.85 m×1.20 m（長×寬×高），從前至后依次為進水區、配水區、填料區、集水區和出水區。填料區分別選用3種填料，即礫石、鋼渣和沸石，每種填料區上方設置取樣孔，用于采集水樣。生態礫石床前段設置曝氣系統，為曝氣區，后段為非曝氣區，曝氣區與非曝氣區的設計比例為2∶1，具體結構如圖2所示。

1.2 試驗方法

小試處理水量為0.075～0.150 m3/h。小試以自來水為水源，采用不同試劑配制模擬城鎮污水處理廠尾水，如表1所示。水質監測主要采用3個指標，即化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、氨氮（NH3-N）和總磷（Total Phosphorus，TP）。其中，COD的測定采用《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》（HJ 828—2017），NH3-N的測定采用《水質 氨氮的測定 蒸餾-中和滴定法》（HJ 537—2009），TP的測定采用《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》（GB 11893—1989）。生態礫石床進水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準。中試期間，進水為銅城鎮污水處理廠處理達標排放的尾水，處理水量為100 m3/d。中試的水質監測指標與小試相同，測定方法一致。在生態礫石床系統正常運行的情況下，分別在進水區、填料區和出水區設置若干取樣孔，定時取樣，記錄進出水不同污染物濃度的變化。

2 結果與討論

根據生態礫石床的工作原理，污染物的去除主要依賴填料表面生物膜對有機物的氧化分解作用和填料的吸附能力。目前，在工程應用中，生態礫石床主要使用粒徑5～20 cm的礫石作為填料。礫石表面具有良好的帶電特性，能夠有效地吸附或沉淀水中的大量有機活性物質，進而形成生物膜。這種生物膜在礫石表面迅速生長并附著，能夠快速地氧化吸收并分解吸附的污染物。然而，礫石表面光滑且比表面積有限，導致其對污染物的吸附效果并不理想。在進水濃度較高的情況下，生態礫石床的處理效果有時無法滿足出水標準。常用的水處理填料中，沸石對NH3-N有良好的吸附作用，鋼渣對TP有良好的吸附作用。因此，試驗采用礫石+鋼渣+沸石（配比為1∶1∶1）組成的復合填料與傳統的礫石填料進行對比，并探究不同粒徑下生態礫石床對污水的處理效能。

2.1 小試結果分析

2.1.1 填料種類對污染物吸附作用的影響

小試采用礫石+鋼渣+沸石（配比為1∶1∶1）組成的復合填料與傳統的礫石填料進行對比，分析污染物去除效果。由圖3可知，當生態礫石床進水污染物濃度相近時，采用復合填料的生態礫石床出水污染物濃度明顯低于僅使用礫石作為填料的生態礫石床。這表明生態礫石床采用復合填料時，運行效能顯著提高。其中，COD平均去除率提升約5個百分點，NH3-N平均去除率提升約10個百分點，TP平均去除率提升約6個百分點。

沸石主要通過吸附和離子交換機制來去除水體中的氨氮。沸石具有獨特的架狀結構，形成許多空腔，這賦予其超越一般材料的比表面積（通常為400～800 m2/g），其孔徑的均勻性產生顯著的超孔效應，由于表面產生強大色散力作用，分布在孔穴中的陽離子和部分架氧的負電荷相互中和。沸石憑借特有的分子結構，產生較大的靜電引力，具有強大的引力場。以上綜合因素的作用增強沸石的吸附能力。此外，沸石可以通過離子交換作用去除氨氮。沸石的孔穴通道直徑大于污水中銨離子直徑，銨離子易通過沸石的吸附作用進入孔穴，與內部晶格中的堿土金屬陽離子進行交換，從而降低污水的氨氮濃度。

鋼渣除磷主要包括吸附和生成Ca-P沉淀兩種機理。在低磷濃度條件下，吸附作用占主導，而在高磷濃度條件下，主要形成Ca-P沉淀。試驗以污水處理廠尾水為處理對象，TP含量較低，因此吸附作用為鋼渣除磷的主要途徑。總體來看，雖然填料吸附作用提升了生態礫石床運行效能，但是生態礫石床對污染物的去除效果主要依靠生物膜的氧化分解作用。

2.1.2 填料粒徑對污染物吸附作用的影響

小試通過比較不同粒徑填料的生態礫石床運行效能，探究填料粒徑對生態礫石床污染物去除效果的影響。由圖4可知，當生態礫石床進水污染物濃度相近時，4～6 cm粒徑填料的生態礫石床處理效率明顯高于6～8 cm粒徑，對COD、NH3-N和TP的平均去除率分別提高約5個百分點、10個百分點、6個百分點。

填料粒徑越小，其比表面積越大，可提供更多的吸附位點，但粒徑過小時，顆粒易發生團聚，減少有效表面積，降低吸附率。填料的孔隙結構也受粒徑影響，較小的粒徑可更均勻地分布吸附質，增加吸附量。此外，較小粒徑的填料能夠縮短吸附質分子到達吸附位點的路徑，提高分子擴散效率。在吸附過程中，底層孔隙壁上的吸附位點得以充分利用，使得吸附動力學加快，吸附平衡時間縮短。同時，小粒徑填料具有更低的內部擴散阻力，能夠加快吸附速度。然而，填料粒徑過小也可能導致外部擴散阻力增加，從而削弱整體吸附效果。較小粒徑填料形成的堆積床層孔隙率較低，穩定性差，增加流體通過時的壓力損失，影響吸附劑的實際性能。綜上所述，填料粒徑對吸附的影響有多方面，選擇適宜的粒徑，填料才能在吸附應用中獲得最佳效果。

2.2 中試結果分析

根據小試結果，中試采用礫石+鋼渣+沸石（配比為1∶1∶1）組成的復合填料，選取粒徑4～6 cm的填料。由圖5可知，COD去除率為28.79%±3.84%，NH3-N去除率為40.74%±4.77%，TP去除率為30.02%±4.86%。與小試相比，中試COD去除率略有下降，原因可能是污水處理廠尾水可生化性較差；中試NH3-N去除率與小試接近，但中試污水處理廠進水NH3-N濃度較低，基本保持在Ⅲ類至Ⅳ類的水平，雖然NH3-N去除率較高，但是污染負荷削減量不高；中試TP去除率基本與小試相似，TP對有機物消耗較低，因此去除率與小試接近。

3 結論

研究表明，填料種類、粒徑可以顯著影響生態礫石床凈化城鎮污水處理廠尾水的效果。生態礫石床可以采用功能性填料，有效提高運行效能。經小試，相比單一的礫石填料，生態礫石床采用礫石+鋼渣+沸石組成的復合填料，COD、NH3-N和TP的平均去除率可增加5～10個百分點。中試結果顯示，采用粒徑4～6 cm的復合填料，可以滿足生態礫石床運行要求，污水處理效果較好，同時系統不易發生堵塞。

參考文獻

1 汪 鋒，錢 莊，張 周，等.污水處理廠尾水對排放河道水質的影響[J].安徽農業科學，2016（14）：65-68.

2 葛 俊，黃天寅，胡小貞，等.礫間接觸氧化技術在入湖河流治理中的應用現狀[J].安徽農業科學，2014（34）：12225-12228.