季節因素對一體化Bionet設備污水處理效果的影響

摘 要：研究了季節因素對一體化Bionet設備污水處理效果的影響。選擇巢湖周邊支流流域修復項目為研究對象，共調查了5個一體化Bionet設備在一年內的持續采樣監測工作。研究表明：硝化容積負荷和COD容積負荷在冬季和夏季明顯低于春季和秋季，存在季節性差異；TP去除率不受季節變化影響，在所有季節內去除率均可達到75%以上。在A1、A2、A3場站設備中各進水污染物與溫度之間均呈顯著負相關，在B1、B2場站設備中，除B1場站設備進水 TP外，各進水污染物與溫度之間不存在顯著相關性。污染物處理效果與溫度之間的是否具有相關性和顯著層次，在五個場站中均不相同。

關鍵詞：流域修復；一體化設備；季節因素；污水處理

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9655（2025）01-00-06

0 引言

“十三五”以來，全國重點流域干流和國控斷面水質大幅提升，但支流和次級支流水質狀況改善不明顯，環境改善成效尚不穩固。隨著美麗中國建設的全面推進，“十四五”規劃對流域水環境改善提出了更明確的目標，要求重點推進小流域水環境治理，深入推動生態清潔小流域建設。目前對于生態清潔小流域建設的思路和研究大多集中在生態環境改造和修復等層面[1]，如隴西縣龍泉山小流域通過采用坡改梯、建設生態園和植被修復等技術，極大地改善了龍泉山小流域的生態環境[2]。錦江流域在節水、減排基礎上，結合水生態修復技術構建了“三水統籌”的治水思路，有效控制了河道兩岸面源污染進入到河體中[3]。

在眾多流域修復設備中，河道水質凈化一體化設備由于占地面積小、凈化能力強和處理成本低等優點，已成為流域生態清潔和修復的重要裝備，能有效解決河道水質中NH3-N、COD和TP超標、外部來水水質差、水體流動性差以及河道生態恢復緩慢等問題。一體化設備大多以曝氣生物濾池（Biological Aerated Filter， BAF）[4]或生物膜反應器（Moving Bed Biofilm Reactor， MBBR）[5]等占地面積小的生物處理方法作為核心工藝，再通過與混凝沉淀、電催化、光催化、臭氧催化等物理化學技術組合[6-9]，從而達到高效處理水量水質波動大的復雜體系污水。

王生福等人[10]利用一體化污水處理中水回用設備處理柳青河黑臭水體問題；面對流域周圍分散式點源污染情況，該設備展現出了很好的適用性，但該設備出水經深度處理后只能滿足《GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》中一級A 標準，出水水質標準較低。黃鴿黎等人[11]采用一體化污水處理設備對河道截流污水進行生化處理，出水COD能達到40 mg/L以下，出水氨氮達到4.0 mg/L以下，達到《GB 3838-2002地表水環境標準》Ⅴ類水標準；該一體化設備能有效去除水中污染物并保持穩定，但出水水質仍然偏高，對于某些重點流域、湖泊入湖水質需達到Ⅲ類或Ⅳ類水標準，該設備難以達標。

巢湖作為長江下游重要水系，面臨著嚴重的氮磷污染問題，因此《巢湖流域水污染防治條例》規定了巢湖湖體和豐樂河、杭埠河、白石天河、兆河、柘皋河、裕溪河、派河入湖水質按Ⅲ類水標準保護，南淝河、十五里河入湖水質按Ⅳ類水標準保護[12]。本研究針對重點流域和生態清潔小流域的高入湖、入河水質標準問題，研發出了一款出水水質高、適用于流域修復工程的一體化污水處理設備：一體化Bionet設備。

一體化設備中的生物處理工藝容易受到各種因素的影響，特別是季節性差異導致的溫度變化對生物處理系統中功能微生物的活性、污水水質水量等都可能造成影響，進而影響一體化設備對污水的處理效果。目前尚缺乏關于季節性差異對一體化設備處理效果影響的研究。為了使一體化設備能夠應用更為廣泛、系統設計參數更為合理，本研究以巢湖支流流域修復項目為研究內容，通過對一年內春、夏、秋、冬四個季節中流域修復一體化Bionet設備的污水處理效果進行監控，探究季節因素對一體化Bionet設備污水處理效果的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本試驗選擇巢湖的兩條次級支流流域作為研究地點。選擇流域中A1、A2、A3、B1和B2，5個一體化Bionet設備作為監控對象。其中：A1、A2、A3一體化Bionet設備為合肥斑鳩堰河小流域水環境綜合治理項目所屬場站設備，主要污水來源為斑鳩堰河周邊的園區污水，經場站處理后匯入巢湖一級支流——派河；B1、B2一體化Bionet設備為廬江盛橋河生態清潔小流域建設工程所屬場站設備，主要污水來源為盛橋河周邊住戶，經一體化設備處理后匯入巢湖一級支流——兆河。

1.2 工藝流程及設備

本研究中一體化Bionet設備為全生物膜+智能加藥混凝組合工藝。工藝流程如圖1所示，污水首先經過提升系統提取，然后通過特殊的配水系統后進入生物膜反應器中。在風機系統曝氣作用下，填料上形成的微生物生物膜能有效去除污水中NH3-N、COD等污染物。污水經生物膜反應器處理后得到的出水進入智能加藥混凝系統處理后能有效去除污水中的TP等污染物，最終達標排放。

該一體化Bionet設備占地面積小，無需大規模土地施工，可快速布置，適用于次級支流等狹窄河段的流域水質凈化。生物膜反應器中使用了三維膜介質生物填料，填充率高達90%，該填料具有比表面積大、機械強度高和掛載生物量高等優點。智能加藥混凝系統能夠根據進水污染物濃度、進水水量等因素智能調節加藥量，在高效去除污染物的同時，能有效降低藥劑使用成本。

1.3 樣品采集與測定

五個設備場站的持續監測時間跨度為2022年12月1日—2023年11月30日。分為四個季節，分別為冬季（2022年12月—2023年2月）、春季（2023年3—5月）、夏季（2023年6—8月）和秋季（2023年9—11月）。其中每個月相隔固定時間進行采樣，共進行5次進水、出水的水樣采集工作。

樣品采集前對進水采樣點位進行水溫和pH的測定。將采集的樣品（500 mL）放入提前備好的潔凈塑料瓶中并置于低溫中暫存，待所有樣品采集工作完成后立即帶回實驗室進行檢測分析。

樣品水溫的測定通過波棒溫度計進行。采用便攜式pH計（PHB-4，上海雷磁傳感器科技有限公司）進行樣品pH的測定。使用多參數水質分析儀（LH-T725，浙江陸恒環境科技有限公司）進行樣品NH3-N、COD和TP的測定，其中NH3-N的測定使用納氏試劑法，COD的測定使用重鉻酸鉀法，TP的測定使用鉬酸銨法。

硝化容積負荷及COD容積負荷Nv通過公式（1）計算：

式中：Nv—硝化容積負荷（kgNH3-N/（m3/d））和COD容積負荷（kgCOD/（m3/d）；Q—設備進水流量（m3/d）；Ci為進水污染物濃度（mg/L）；C0—出水污染物濃度（mg/L）；V—生物反應系統體積（m3）。

TP的去除率η通過公式（2）計算：

式中：Ci—進水TP濃度（mg/L）；C0—出水TP濃度（mg/L）。

1.4 數據處理

數據分析通過SPSS軟件進行，數據圖的繪制使用origin軟件進行。

2 結果與分析

2.1 不同季節各場站進水水溫和pH

不同季節下各場站污水的進水溫度與pH變化如圖2所示?？梢钥吹轿鬯M水溫度呈現季節性變化，五個場站在冬、春、夏、秋四個季節的平均水溫分別為8.8±0.2℃、18.0±0.5℃、29.5±0.3℃和22.7±0.6℃。污水進水pH則沒有明顯的季節性波動變化，五個場站在冬、春、夏、秋四個季節的平均pH分別為7.45±0.03、7.27±0.03、7.48±0.05和7.33±0.04。

2.2 季節對場站進水污染物濃度的影響

圖3顯示了不同季節下各場站的進水污染物濃度。從圖3中可以看出A1、A2和A3場站的進水NH3-N、COD和總磷濃度在冬季均顯著高于夏季（P＜0.05）。這是因為A1、A2、A3場站所在的園區夏季用水量和區域降水量顯著高于冬季，過多的水量對污染物的濃度造成了明顯的稀釋作用[13]。

春季和秋季進水NH3-N、COD和總磷濃度基本處于同一水平，并且進水污染物濃度均低于冬季，高于夏季。

對于B1、B2場站來說，由于場站位置處于盛橋河周邊住宅及農耕區域，場站進水多為生活污水和自然降雨，因此四個季節的進水NH3-N和COD濃度沒有明顯的隨季節變化趨勢（P＞0.05），這與孫興旺的[14]的調研相符。對于B1場站進水TP濃度，從高到低依次為：冬季＞春季＞秋季＞夏季。而B2場站夏季進水TP濃度顯著高于其他三個季節（P＜0.05）。

2.3 季節對場站處理效果的影響

硝化容積負荷和COD容積負荷作為污水處理工藝設計中的重要指標，在進水流量相對穩定的情況下，能有效反應出在水溫等實際情況下影響下污水處理設備實際運行工況。不同季節下各場站的污水處理效果如圖4所示。其中4（a）和4（b）分別為各場站不同季節的硝化容積負荷和COD容積負荷。

從圖4（a）和圖4（b）中可以看出，A1、A2、A3三個場站在春季和秋季的硝化容積負荷和COD容積負荷均明顯高于冬季（P＜0.05）。A1、A2、A3場站NH3-N容積負荷和COD容積負荷在夏季均是最低的，整個由高到低排序為依次為冬季、春季、秋季和夏季。

B1、B2場站的進水NH3-N濃度和COD濃度均沒有顯著性差異和季節變化趨勢，但B1、B2場站在春季和秋季下的硝化容積負荷和COD容積負荷均高于冬季和夏季。

圖4（c）顯示了不同季節條件下各場站的TP去除率，從圖中可以看出每個場站在不同季節的TP去除率均相差不大，沒有明顯的季節變化趨勢，均能達到75%以上。

2.4 污染物之間的相關性及處理效果與溫度的關系

圖5為五個設備場站的各進水指標、污染物處理效果及溫度之間的相關性熱圖。

在A1場站中，進水NH3-N、進水COD、進水TP、硝化容積負荷、COD容積負荷、TP去除率與溫度之間均呈顯著負相關。進水TP、硝化容積負荷pH之間呈顯著正相關。進水NH3-N、進水COD、進水TP兩兩之間均呈顯著正相關。各污染物與對應的污染物處理效果之間呈顯著正相關。硝化容積負荷和COD容積負荷之間呈顯著正相關。

在A2場站中，pH與溫度之間呈顯著正相關，進水NH3-N、進水COD、進水TP、COD容積負荷與溫度之間均呈顯著負相關。進水NH3-N、進水COD、進水TP兩兩之間均呈顯著正相關。各污染物與對應的污染物處理效果之間呈顯著正相關。硝化容積負荷和COD容積負荷之間呈顯著正相關。

在A3場站中，pH與溫度之間呈顯著正相關，進水NH3-N、進水COD、進水TP、硝化容積負荷、COD容積負荷、TP去除率與溫度之間均呈顯著負相關。進水NH3-N、進水COD、進水TP兩兩之間均呈顯著正相關。進水NH3-N與硝化容積負荷、進水COD與COD容積負荷之間呈顯著正相關。硝化容積負荷和COD容積負荷之間呈顯著正相關。

在B1場站中，進水TP、TP去除率與溫度之間呈顯著負相關。pH與COD容積負荷之間呈顯著負相關。各污染物與對應的污染物處理效果之間呈顯著正相關，其中進水TP與TP去除率呈極顯著正相關。進水COD與進水TP之間呈顯著正相關。硝化容積負荷、TP去除率與COD容積負荷之間呈顯著正相關。

在B2場站中，pH、COD容積負荷與溫度之間呈顯著負相關。進水NH3-N、進水TP與進水COD之間呈顯著正相關。各污染物與對應的污染物處理效果之間呈顯著正相關。

綜上所述，在A1、A2、A3場站中各進水污染物與溫度之間均呈顯著負相關，在B1、B2場站中，除B1場站進水TP外，各進水污染物與溫度之間不存在相關性。污染物處理效果與溫度之間的是否具有相關性和顯著層次，在五個場站中均不相同。在五個場站中，硝化容積負荷與進水NH3-N、COD容積負荷與進水COD之間均呈顯著正相關，而進水TP與TP去除率之間不全都存在相關性。

3 討論

本文依托巢湖次級支流流域修復項目，研究了季節因素對一體化Bionet設備污水處理效果的影響，持續監測了四個季節的進水、出水的物化指標。從進水水溫可以看出，五個場站的進水水溫均呈季節性變化。而pH值則四季都穩定在7左右，沒有明顯的季節性波動，這與合肥市國控斷面地表水水質數據基本相符。

A1、A2和A3場站為派河支流流域污染治理項目，其進水污染物濃度冬季顯著高于夏季，而春季和秋季進水污染物濃度基本處于同一水平，均低于冬季。這是由于派河流域的降雨量存在明顯的周期性變化，枯水期為1—2月、12月，豐水期為6—8月[13]。夏季大量的降雨會稀釋污水中污染物，導致污染物濃度偏低。而枯水期冬季由于缺乏水源的補給，污染物濃度就會相對上升。

B1和B2為兆河支流流域污染治理項目，進水NH3-N和COD濃度沒有明顯的季節變化趨勢，B1場站冬季進水TP濃度高于其他三個季節，B2場站夏季進水TP濃度高于其他三個季節。B1場站周圍基本為居民住宅區，污染物來源基本為廚余垃圾和剩菜剩飯等有機垃圾，這些有機垃圾會統一收集進化糞池后再排出。因此進水NH3-N和COD濃度基本沒有太大的季節性變化，而化糞池對TP的去除能力有限，再加上冬季降雨量少、春節飲食水平高等原因，造成了進水TP濃度冬季高于其他三個季節的現象。B2場站周圍多為農耕區域，夏季作為農業施肥的一個集中時期，且雨水偏多，在雨水淋溶和水土流失的作用下，就導致了夏季TP進水濃度高于其他幾個季節。

選擇五個Bionet一體化設備進行季節性污水處理效果分析，結果表明：硝化容積負荷和COD容積負荷均存在季節性變化，而TP去除率不隨季節變化而發生變化。當溫度過低（冬季：8.8±0.2℃）或過高（夏季：29.5±0.3℃）時，硝化容積負荷和COD容積負荷均會降低。這可能是由于以下三點原因造成的：第一，污水溫度影響了生物膜反應器中功能菌的活性。有研究表明，溫度是影響生物膜反應器硝化能力的決定性因素，當溫度在10～29℃范圍內，每升高1℃，硝化速率可提高2%[15]。相反，當系統溫度低于10℃時，硝化細菌的硝化速率會下降70%[16]。隨著溫度進一步降低，硝化細菌會逐漸停止活動和繁殖行為，對外界營養物質需求也將大幅減少，導致COD容積負荷降低[17]。第二，可能是由于夏季污水量大導致的污染物濃度低，如A1、A2、A3場站夏季進水污染物濃度明顯低于其他季節。第三，夏季污水溫度過高，水中溶解氧含量隨溫度的升高而降低，這會導致微生物對污染物降解速率降低[18]。這與B1、B2場站的污水指標相對應，可以看到四個季節進水NH3-N、COD濃度相差不大，但硝化容積負荷和COD容積負荷明顯低于春季和秋季。

在五個一體化Bionet設備中，TP去除率不存在季節性變化，且在五個場站中，TP去除率與溫度之間不全都存在顯著相關性。在過往的大量研究和工程案例證明[19-22]，單獨的好氧生物膜系統，并不能同時具備高效的脫氮和除磷功能，往往需要缺氧/好氧環境交替或采用物化沉淀的方法進行TP的去除。在一體化Bionet設備中，TP主要靠智能加藥混凝沉淀的方式去除，智能加藥混凝系統會根據進水TP濃度實時調整加藥量。所以季節變化對生物膜反應器的沖擊并不會影響設備終端出水TP濃度，TP去除率能穩定保持在75%以上。

4 結論

本試驗中小流域水環境一體化Bionet污水處理設備明顯受季節因素影響。其中NH3-N和COD等污染物的去除效果隨季節變化影響較大，春季和秋季去除效果明顯高于冬季和夏季。未來建議在低溫條件下對一體化Bionet設備配備保溫或加熱措施，保證低溫條件下整體系統溫度不低于10℃。一體化Bionet設備對TP具有良好去除效果，TP去除率最低可達75%，并且不受季節因素影響。因此未來在小流域水環境進行一體化Bionet污水處理設備安裝運行時，應考慮當地環境溫度的影響，對設備的運行參數進行適當的調整。

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收稿日期：2024-03-07

作者簡介：張寧遷（1980-），男，清華工程博士在讀，安徽普氏生態環境有限公司總經理，主要研究方向為水處理技術及工程。

Abstract： This study investigates the impact of seasonal factor on the wastewater treatment efficiency of Bionet Integrated Wastewater Treatment Equipment. The restoration project of the tributary basin around Chaohu Lake was selected as the research subject. Continuous sampling and monitoring were conducted for five Bionet Integrated Equipment over the course of a year. The study revealed that Nitrification volumetric load and Chemical Oxygen Demand （COD） volumetric load are significantly lower in winter and summer compared to spring and autumn， indicating seasonal variations. However， total phosphorus （TP） removal rates remain unaffected by seasonal changes， consistently exceeding 75% across all seasons. Among the equipment at stations A1， A2， and A3， there is a significant negative correlation between influent pollutants and temperature. In contrast， for stations B1 and B2， there is no significant correlation between influent pollutants and temperature， except for total phosphorus （TP） in the influent of B1. The relationship and significance of pollutant treatment efficiency to temperature vary among the five stations.