常州市緩流水體循環(huán)凈化研究

劉祺，胡細(xì)全*，羅梅，蔣承豪

（1.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北武漢430062；2.常州市武進(jìn)區(qū)排水管理處，江蘇常州213100）

我國(guó)的水資源總量較為豐富，位居世界第六，但由于龐大的人口基數(shù)，我國(guó)人均水資源在世界上的排名僅處于中下水平.同時(shí)我國(guó)的水資源在空間上存在嚴(yán)重的分布不均的情況，總結(jié)起來就是南多北少，東多西少，尤其是在非季風(fēng)區(qū)的內(nèi)蒙西部，甘肅西北部以及新疆大部分地區(qū)都存在著嚴(yán)重的缺水狀況，水資源是人類賴以生存的資源，是一個(gè)國(guó)家能否健康穩(wěn)定可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一.

隨著我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平和城市化水平的提高，水資源匱乏和水污染日益嚴(yán)重構(gòu)成的水危機(jī)已成為我國(guó)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的限制因素[1].水體資源的功能不斷弱化，特別是城市緩流水體的環(huán)境質(zhì)量惡化最為明顯.通常意義上所指的緩流水體包括湖泊、水庫(kù)、池塘、某些河流水體等帶有明顯封閉、半封閉性水體，緩流水體具有流動(dòng)性小、流動(dòng)速度緩慢、自凈能力差等特點(diǎn).

雖自改革開放以來，我國(guó)對(duì)水污染的整治投入了大量的人力物力，但目前水污染仍未得到有效控制，許多江、河、湖、海、水庫(kù)的水質(zhì)污染仍很嚴(yán)重[2].有數(shù)據(jù)顯示，截至2011年全國(guó)地表水體總體上為輕度污染；對(duì)比去年，2012年全國(guó)地表水系的污染治理雖有提高，但劣Ⅴ類水質(zhì)所占比例仍然較高①-②.在城市，居民的環(huán)保意識(shí)有待提高，生活垃圾及污水直接排放導(dǎo)致城市景觀水體污染加劇.因此開發(fā)出符合我國(guó)國(guó)情的受污染緩流水體凈化技術(shù)，是當(dāng)前社會(huì)發(fā)展和環(huán)境建設(shè)的迫切需要.

1 工程內(nèi)容

1.1 工程概況

本示范工程地點(diǎn)選擇在江蘇省常州市大學(xué)新村小區(qū)的景觀河流，該河流全長(zhǎng)約460 m，平均寬度為15 m，均深1.3 m，存水量約為12 000 m3，完全循環(huán)周期為30 d；在河道邊綠化用地建處理設(shè)施，從河的東面抽水，經(jīng)過循環(huán)凈化裝置后，由裝置內(nèi)生物填料上附著的微生物分解吸收，使得原河流得到凈化處理，凈化過后的水通過配套管道，再返流入原河道西面，在修復(fù)水質(zhì)的同時(shí)也修復(fù)了水體原先受損的生態(tài)系統(tǒng).

1.2 試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)定方法

總氮（TN）：過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；氨氮（NH3-N）：納氏試劑分光光度法；總磷（TP）：鉬酸銨分光光度法；化學(xué)需氧量（COD）：重鉻酸鉀法；以上均采用國(guó)標(biāo)方法[3].

1.3 主要構(gòu)筑物及參數(shù)

該凈化裝置主要由接觸沉淀池、缺氧池、生化池、脫氮池、微曝氣池、接觸過濾池、污泥池等7段組合而成，各反應(yīng)池均為鋼砼結(jié)構(gòu).

1）接觸沉淀池：接觸沉淀池為磚混結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間（HRT）為1.1h，平面尺寸為L(zhǎng)×B=3.7m×3.6 m，池深3.5 m，體積為46.62 m3，1座，池中主要填料為接觸濾材和除磷材料，體積依次為7.68 m3和3.84 m3.其主要作用類似于污水處理廠的柵格，過濾河道中的固體垃圾污染源.

2）缺氧池：缺氧池為磚混結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間（HRT）為1.6 h；生化池混合液回流比為100%；平面尺寸為B×L＝4.7m×3.6m，池深3.5 m，體積為59.22 m3，1座.缺氧池中彈性填料為21 m3，正常運(yùn)行時(shí)保持缺氧狀態(tài)，定期氣提污泥.好氧、厭氧微生物在該池并存，營(yíng)造了利于硝化反硝化環(huán)境，對(duì)水中TP、TN去除效果較好.

3）生化池，該池提供了時(shí)間程序的污水處理，而不是連續(xù)提供的空間程序的污水處理.水力停留時(shí)間（HRT）1.1h；平面尺寸為B×L=3.7m×3.6m，1 座；池深3.5 m.曝氣強(qiáng)度為氣水比2∶1；正常運(yùn)行時(shí)保持好氧狀態(tài)，定期氣提污泥.填料為好氧填料12 m3.

4）脫氮池：設(shè)計(jì)停留時(shí)間HRT=3.2h；平面尺寸為L(zhǎng)×B=5.4m×3.8m，2 座，池深為3.5 m.填料為脫氮材料20 m3，除磷材料10 m3，鈣體系材料10 m3，脫氮材料具有較高C/N，可作為池內(nèi)微生物穩(wěn)定的營(yíng)養(yǎng)來源.該池對(duì)TN除去效率較高.

5）微曝氣池：水力停留時(shí)間為1.3h，設(shè)計(jì)負(fù)荷為0.50 kg 生物需氧量BOD5/m3·d，平面尺寸規(guī)格L×B=3.6m×4.6m，深度為3.5 m.填料為有不飽和炭10 m3，鈣體系材料4.08 m3，本裝置填料由武漢新天達(dá)美環(huán)境科技有限公司提供.不飽和碳是微生物養(yǎng)分來源，能使微生物和原生動(dòng)物和諧地繁殖共存，形成完整穩(wěn)定的生物鏈，達(dá)到長(zhǎng)期分解水中污染物目的.在該池中COD及NH3-N能夠得到較為徹底的去除；同時(shí)對(duì)TN也有良好去除效果.

6）接觸過濾池：水力停留時(shí)間HRT=0.9h，平面尺寸L×B=3.60m×3.90m.池深為3.5 m，池內(nèi)填充鈣體系材料7.9 m3，池內(nèi)進(jìn)水中的固體懸浮物SS 得以去除，得到清澈透明的出水.

7）污泥池：其平面尺寸為L(zhǎng)×B=3.60m×1.20m.池深3.5 m.通過各個(gè)池之間連結(jié)的管道回收各池中的污泥，污泥中含有大量N、P元素，抽取的污泥可以作為園林綠化肥料加以利用.本示范工程工藝流程圖見圖1.

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process flow chart

2 結(jié)果與分析

2.1 總氮去除效果

總氮是水中各種形態(tài)無機(jī)和有機(jī)氮的總量，常用來表示水體受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)污染的程度.水中總氮含量是衡量水質(zhì)的重要指標(biāo)之一，其測(cè)定有助于評(píng)價(jià)水體被污染和自凈情況.經(jīng)過本示范工程處理后的出水的總氮含量隨著設(shè)施運(yùn)行時(shí)間變化，如圖2 所示.在運(yùn)行435 d后總氮去除率升至97.5%，此時(shí)進(jìn)水總氮為7.99 mg/L，出水為0.2 mg/L.在凈化裝置持續(xù)運(yùn)行階段，出水總氮在運(yùn)營(yíng)120 d 后穩(wěn)定在2 mg/L；在突受外源污染排入后，出水增大，但隨著凈化裝置的持續(xù)運(yùn)行，出水總氮逐漸降低，低至0.2 mg/L，完全滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）V 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn).李園芳等[4]利用人工濕地對(duì)城市景觀水處理效果的研究中，人工濕地對(duì)總氮的去除率僅為41.3%，相較而言，本處理設(shè)施對(duì)總氮的去除率總體呈增加趨勢(shì)，最大達(dá)到90.0%.

圖2 總氮去除效果圖Fig.2 Removal effect of TN

2.2 氨氮去除效果

在凈化裝置運(yùn)行初期，進(jìn)水氨氮為10.56 mg/L，但經(jīng)過凈化裝置后，出水氨氮降低到7.1 mg/L，削減量為3.46 mg/L.隨著凈化裝置的持續(xù)運(yùn)行，進(jìn)水氨氮逐漸降低到5.89 mg/L，出水氨氮低至1.15 mg/L，氨氮去除率高達(dá)80.52%；在新近污染源排入景觀河道后，氨氮增大8.33 mg/L，出水氨氮為1.37 mg/L，此時(shí)氨氮的去除率為83.52%；隨著凈化裝置的運(yùn)行，進(jìn)出水氨氮均持續(xù)降低，進(jìn)水低至0.84 mg/L，出水低至0.03 mg/L，此時(shí)氨氮的去除率高達(dá)96.87%；對(duì)比何志強(qiáng)[5]在滴水湖引水河生物生態(tài)修復(fù)實(shí)驗(yàn)研究中，應(yīng)用生物氧化填料和生態(tài)浮床等技術(shù)對(duì)主引水河道進(jìn)行處理，其對(duì)氨氮的去除率為47.3%.在偏低DO 濃度條件下，亞硝化毛桿菌將產(chǎn)生大量N2O等代謝產(chǎn)物[6]會(huì)影響氨氮的去除率，從圖3得知，凈化裝置對(duì)氨氮的去除率大致保持在50%以上，表明該裝置對(duì)仍有較好的處理效果.

圖3 NH3-N去除效果圖Fig.3 Removal effect of NH3-N

2.3 總磷去除效果

磷是水中藻類植物所必須的生長(zhǎng)元素，磷元素過量會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài).在凈化裝置運(yùn)營(yíng)初始階段，進(jìn)水總磷質(zhì)量濃度為1.14 mg/L，出水總磷質(zhì)量濃度為為0.33 mg/L，總磷去除率為70.87%；隨著凈化裝置的持續(xù)運(yùn)行，進(jìn)出水總磷均降低.當(dāng)有外源污染物排入景觀河道時(shí)，總磷增大至2.40 mg/L，此時(shí)出水的總磷為0.4 mg/L，此時(shí)總磷去除率為83.26%；當(dāng)?shù)诙瓮庠次廴疚锱湃牒拥罆r(shí)，凈化裝置抗沖擊能力明顯增強(qiáng)，此時(shí)進(jìn)水總磷僅為1.65 mg/L.在凈化裝置運(yùn)行后期，出水總磷持續(xù)下降均在0.4 mg/L 以內(nèi)，由圖4 可知總磷去除率在凈化裝置整個(gè)運(yùn)行過程中，除磷效果在50%左右波動(dòng)，這主要是由于水質(zhì)在凈化裝置運(yùn)行過程中時(shí)有較大變化，且在運(yùn)營(yíng)過程中，運(yùn)營(yíng)管理也在一定程度上決定了凈化裝置的運(yùn)營(yíng)效果.對(duì)比于張海建采用臭氧-氣浮循環(huán)處理工藝對(duì)景觀水體進(jìn)行中試實(shí)驗(yàn)過程中，其水質(zhì)只能穩(wěn)定在景觀水標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[7]，而本工程處理設(shè)施出水達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》IV 類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，故本處理設(shè)施對(duì)景觀河總磷的去除有較好的效果且具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力.

圖4 總磷去除效果圖Fig.4 Removal effect of TP

2.4 COD去除效果

COD 是衡量水中有機(jī)物質(zhì)含量的指標(biāo)，其數(shù)值大小能夠直接反映水體中有機(jī)物的含量.由圖5 可知，在凈化裝置初始運(yùn)行階段，進(jìn)水化學(xué)需氧量為40 mg/L，出水為34 mg/L，此時(shí)的進(jìn)出水水質(zhì)均為V類水質(zhì).在凈化裝置運(yùn)行15d后，由于外源污染物的排入，使凈化裝置進(jìn)水COD 高達(dá)64 mg/L，此時(shí)的出水COD 為56 mg/L.外源污染排入景觀河道，加大了凈化裝置的承載負(fù)荷.在凈化裝置運(yùn)行到30d后，此時(shí)的進(jìn)水COD為30.2 mg/L，出水COD為14.11 mg/L，化學(xué)需氧量去除率達(dá)到53.28%，凈化裝置出水完全達(dá)到II類水質(zhì)要求，COD低于15 mg/L.由此可知，本研究?jī)艋b置有較強(qiáng)的抗污承載能力，且抗沖在運(yùn)行300d 后，化學(xué)需氧量去除率最高可達(dá)90.72%.在嚴(yán)立[8]等利用潛流式人工濕地凈化富營(yíng)養(yǎng)化景觀水體的研究中，三級(jí)人工濕地和單級(jí)礫石人工濕地二者對(duì)化學(xué)需氧量的去除依次為36.0%～79.8%和40.3%～61.9%，二者最高去除率卻僅為79.8%.

圖5 COD去除效果圖Fig.5 Removal effect of COD

2.5 河道水質(zhì)變化

河道治理工程除強(qiáng)調(diào)河流景觀建設(shè)外，更應(yīng)注重河道水質(zhì)改善，以恢復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)[9].在隨著設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行，河道水質(zhì)的各項(xiàng)污染指標(biāo)在大體上呈下降趨勢(shì)：由圖6—圖9 可知，河道總氮由開始運(yùn)行時(shí)的8.2 mg/L 降為2.26 mg/L，去除率大于72%；氨氮由7.13 mg/L 降為1.55 mg/L，去除率大于78%；總磷由開始運(yùn)行時(shí)的1.14 mg/L降至0.24 mg/L，去除率大于78%；COD 由最初的40 mg/L 降為12.3 mg/L，去除率大于69%.這四項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到本工程所預(yù)定的目標(biāo)，并隨著設(shè)施的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，河道水質(zhì)能得到更進(jìn)一步的改善與修復(fù).該河流水質(zhì)指標(biāo)除總氮外，其余基本達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》IV類要求.

3 運(yùn)營(yíng)成本分析

本裝置運(yùn)行過程中，由于本示范工程處理規(guī)模較小，自動(dòng)化水平高，基本可實(shí)現(xiàn)無人值守，因此主要是電費(fèi)開支，以0.75 元/度電計(jì)，單位電費(fèi)為0.190元/m3；由于所處理河水有機(jī)負(fù)荷低，每天產(chǎn)生的污泥量極少，在污泥池內(nèi)重力濃縮后，上清液排至城市污水管道，底部濃縮污泥每半年抽取一次運(yùn)至公園綠化帶作為花肥利用，減少了污泥的處理費(fèi)用，每噸水只需花費(fèi)0.01 元的污泥處理費(fèi)；考慮現(xiàn)場(chǎng)一人定期巡視，每月氣提污泥，每季度進(jìn)行一次中型維護(hù)，每年進(jìn)行一次大維護(hù).以1 人兼職計(jì)，每月1000 元，則人工費(fèi)為0.067 元/m3；則單位水量運(yùn)行成本0.267元/m3，即每噸水的處理成本僅為0.267元.

圖6 河道水質(zhì)總氮變化Fig.6 Water quality of TN in the river

圖7 河道水質(zhì)氨氮變化Fig.7 Water quality of NH3-N in the river

圖8 河道水質(zhì)總磷變化Fig.8 Water quality of TP in the river

圖9 河道水質(zhì)COD變化Fig.9 Water quality of COD in the river

4 結(jié)論與建議

1）采用緩流水體循環(huán)凈化技術(shù)對(duì)受污染的城市景觀河流水進(jìn)行處理，其中凈化裝置化學(xué)需氧量降至30 mg/L以下，總磷降至0.3 mg/L（以P計(jì)）以下，氨氮降至1 mg/L以下；該景觀河的水質(zhì)指標(biāo)除總氮外，其余均基本達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》IV類要求.

2）該工程以受污染的城市景觀河為水源，河水凈化后返回該景觀河，既從景觀河中移除污染物，又有利于河水的水質(zhì)改善，使河道生態(tài)系統(tǒng)在一定程度上得到恢復(fù)；工程處理工藝簡(jiǎn)潔，結(jié)構(gòu)緊湊，處理效果好且占地面積小，每天產(chǎn)生污泥量極少.處理設(shè)施在運(yùn)行過程中，遇雨水、新近污染水等外來負(fù)荷的沖擊，均有較強(qiáng)的抗沖擊能力，可在較短時(shí)間內(nèi)得以恢復(fù).

3）本研究成果對(duì)受污染城市緩流水體具有較好的脫氮除磷效果和良好的示范作用，且設(shè)施運(yùn)營(yíng)成本低，同時(shí)為類似的富營(yíng)養(yǎng)化問題嚴(yán)重的城市景觀河流的污染治理提供了新的思路和方法.

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