生態(tài)濾槽對河道水凈化的動態(tài)研究

王淑蓉+駱靈喜+林明+梅立永

摘要：針對河流受漏截污水和面源污染物輸入的普遍現(xiàn)狀，結(jié)合人工濕地技術(shù)和生物濾池、人工快滲技術(shù)，構(gòu)建出一種具有凈化河道水質(zhì)的生態(tài)濾槽。生態(tài)濾槽對污染河水的動態(tài)凈化效果表明，COD、氨氮、總氮、總磷的去除率隨水力負(fù)荷及進(jìn)水流量的增大而降低，在水力負(fù)荷為0.5 m3/（m2·d）時去除率最高，凈化效果最好。污染河水經(jīng)生態(tài)濾槽處理后，COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分別達(dá)77.20%、63.29%、57.87%、75.64%。減少生態(tài)濾槽數(shù)量，發(fā)現(xiàn)該生物濾槽出水穩(wěn)定，抗負(fù)荷沖擊能力強。

關(guān)鍵詞：生態(tài)濾槽；河流受漏截污水；動態(tài)試驗；去除率

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）12-2261-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.12.015

Dynamic Study of Ecological Filter Tank on Polluted River Channel Purification

WANG Shu-rong1， LUO Ling-xi1，2， LIN Ming1， MEI Li-yong1，2

（1.Shenzhen-Hongkong Institution of Industry， Education & Research Environmental Protection Engineering Technique Co.， Ltd.， Shenzhen 518071，Guangdong，China；2.Shenzhen Key Laboratory for Coastal and Atmospheric Research， Shenzhen 518063， Guangdong， China）

Abstract： In accordance with river pollution by sewage interception and non-point sources injection，ecological filter tank system was constructed for river purification by combining constructed-wetland purification，biological filter and constructed rapid infiltration technology. The results of dynamic purification efficiency showed that the average removal efficiencies of COD，NH4+-N，TN，TP were decreased with the increase of hydraulic loading rates. When the hydraulic loading rate was 0.5 m3/（m2·d），the ecological filter tank exhibited the best purification capacity，of which the average removal efficiencies reached 77.20%， 63.29%，57.87%，75.64%，respectively. Also， the ecological filter tank exhibited perfect stability and good load to impact by reducing the quantity of tank.

Key words： ecological filter tank； river pollution by sewage interception； dynamic test； removal efficiency

河流作為自然生態(tài)系統(tǒng)之一，在自然水循環(huán)中扮演著最重要的環(huán)節(jié)。經(jīng)濟的快速發(fā)展，導(dǎo)致大量的污染物排入河水中，超過河水自凈能力，導(dǎo)致水質(zhì)惡化[1]。在城市河流中，水質(zhì)惡化現(xiàn)象普遍存在，不僅破壞了景觀效果，而且會影響水體生態(tài)系統(tǒng)健康[2]?？刂仆庠次廴疚锏妮斎爰安捎媒?jīng)濟有效的凈化技術(shù)是有效改善水質(zhì)的關(guān)鍵[3]。

水生植物及其根系負(fù)載生物膜可以有效地吸收降解水中的污染物，通過收割植物可以間接地移除水中污染物。利用水生植物凈化污水是一種簡單、經(jīng)濟且有效的生態(tài)修復(fù)技術(shù)[4-6]。本試驗結(jié)合人工濕地技術(shù)和生物濾池、人工快滲技術(shù)的成熟應(yīng)用，進(jìn)行技術(shù)組合優(yōu)化與創(chuàng)新，旨在開發(fā)一種針對非感潮河道兩側(cè)漏排污水、初期雨水以及部分生活污水的水質(zhì)凈化技術(shù)，在污水進(jìn)入河道前將其截流并導(dǎo)入生態(tài)濾槽進(jìn)行就地處理，凈化后再排入河道，從而減輕入河污染負(fù)荷，提高河道內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量，同時具有削減雨季面源污染、提升河道景觀的功能。

1 材料與方法

1.1 材料

采用本地水生植物美人蕉和蜘蛛蘭作為生態(tài)濾槽的種植植物。污染河水采用深圳市寶安區(qū)石巖鎮(zhèn)塘頭河河水，河水水質(zhì)基本指標(biāo)，化學(xué)需氧量為89～106 mg/L，氨氮為20～30 mg/L，總氮為22～20 mg/L，總磷為1.7～2.6 mg/L。

1.2 設(shè)計

試驗系統(tǒng)設(shè)置在深圳市寶安區(qū)石巖鎮(zhèn)塘頭河水質(zhì)凈化廠實驗基地。試驗裝置由4個反應(yīng)槽組成，將4個反應(yīng)槽按照1#、2#、3#、4#的順序串聯(lián)起來，處理后的河水排入模擬河道。其中1#和2#反應(yīng)槽長、寬、高分別為2.6、1.3、1.4 m，3#和4#反應(yīng)槽長、寬、高分別為1.9、1.3、1.0 m。每個反應(yīng)槽內(nèi)設(shè)置有布水管和集水管。在布水區(qū)域、集水區(qū)域和濾槽底部連通孔區(qū)域用較大粒徑的火山石、碎石進(jìn)行填充，粒徑為20～40 mm，其他區(qū)域填充小粒徑填料，粒徑為5～10 mm。1#、3#反應(yīng)槽種植美人蕉，2#、4#反應(yīng)槽種植蜘蛛蘭。水流流向如圖1所示。設(shè)計水力負(fù)荷依次為0.5、1.0、1.5、2.0 m3/（m2·d），即控制進(jìn)水流量分別為0.25、0.50、0.75、1.00 m3/h，選出最佳水力負(fù)荷條件并進(jìn)行后續(xù)試驗。每組試驗在試驗裝置運行24 h以后進(jìn)行采樣。試驗時間為2014年8月至2014年9月，每次采集進(jìn)水水樣、出水水樣和1個隨機平行樣。

1.3 方法

水樣采集后于當(dāng)天測定，樣品的采集和保存遵照《水質(zhì)樣品的保存和管理技術(shù)規(guī)定》（HJ 493-2009）。化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH+4-N）、總氮（TN）、總磷（TP）等化學(xué)指標(biāo)按國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定[7]。CODCr采用快速消解分光光度法測定；NH+4-N采用納氏試劑分光光度法測定；NO3--N采用紫外分光光度法測定；TN濃度采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定；TP濃度采用鉬銻抗分光光度法測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 水力負(fù)荷對生態(tài)濾槽凈化效果的影響

2.1.1 水力負(fù)荷對生態(tài)濾槽進(jìn)出水化學(xué)需氧量的影響 由圖2可知，本試驗過程中進(jìn)水的化學(xué)需氧量濃度范圍為95.7～104.3 mg/L，平均為99.4 mg/L。在4種不同的水力負(fù)荷條件下，出水水質(zhì)各不相同，出水化學(xué)需氧量分別由99.6、97.9、104.3、95.7 mg/L降至23.3、27.1、34.2、33.2 mg/L。4種不同水力負(fù)荷所對應(yīng)的COD去除率分別為76.61%、72.32%、67.21%、65.31%。

隨著水力負(fù)荷的增大，生物濾槽對COD的去除率逐漸下降，當(dāng)水力負(fù)荷為0.5 m3/（m2·d）時，生態(tài)濾槽對COD的去除效果最好，去除率達(dá)到76.61%。由于水力負(fù)荷增大，流量增大，使污水在生態(tài)濾槽內(nèi)停留時間縮短[8]，植物表面生物膜與吸附在表面的有機物還未充分反應(yīng)就被水流帶出系統(tǒng)，導(dǎo)致河水中化學(xué)需氧量去除率下降。當(dāng)水力負(fù)荷為1.0 m3/（m2·d）時，生態(tài)濾槽出水COD去除率達(dá)72.32%，濃度小于30 mg/L，仍可達(dá)GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 水力負(fù)荷對生態(tài)濾槽進(jìn)出水氨氮、硝氮和總氮的影響 由圖3可知，本試驗過程中進(jìn)水的氨氮、硝氮和總氮濃度范圍分別為22.20～28.80、0.16～0.45、21.30～25.60 mg/L。經(jīng)生態(tài)濾槽處理后，氨氮、硝氮和總氮濃度分別逐漸降至5.10～18.80、0.19～0.42、5.90～17.30 mg/L，對應(yīng)的去除率分別為27.47%～78.66%、-15.95%～13.73%、25.82%～74.79%。通過試驗數(shù)據(jù)分析可知，進(jìn)出水硝氮含量較低，變化較小，其平均值分別為0.32、0.31 mg/L，且出水硝氮濃度及去除率與水力負(fù)荷未呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性。出水氨氮及總氮濃度隨著水力負(fù)荷的增大呈增大趨勢，去除率則逐漸減小。隨著水力負(fù)荷的變化，氨氮與總氮的去除率數(shù)值相差不大，具有很好的相關(guān)性。表明水中氮元素的去除主要是通過植物的吸收作用減少氨氮的含量，而不是微生物的硝化作用[9，10]。水力負(fù)荷增大，流量增大，水流速度相應(yīng)增大，生態(tài)濾槽內(nèi)污水與植物根系及填料的接觸時間縮短，氨氮反應(yīng)不完全，因此出水氨氮及總氮含量隨水力負(fù)荷增大而升高。

2.1.3 水力負(fù)荷對生態(tài)濾槽進(jìn)出水總磷的影響 水力負(fù)荷的改變會影響水在系統(tǒng)內(nèi)的傳質(zhì)阻力，增加水力負(fù)荷會降低植物根系對顆粒性物質(zhì)的截留吸附作用[11]。由圖4可知，系統(tǒng)進(jìn)水總磷濃度范圍為1.74～1.88 mg/L，平均為1.82 mg/L。經(jīng)過生態(tài)濾槽處理后，出水總磷濃度范圍為0.19～1.12 mg/L，總磷去除率為37.43%～89.20%。隨著水力負(fù)荷的增大，部分小顆粒物質(zhì)未被植物截留，隨水流流出系統(tǒng)，導(dǎo)致總磷的去除率隨水力負(fù)荷的增大而降低。當(dāng)水力負(fù)荷為0.5 m3/（m2·d）時，去除效率最高，為89.20%，出水總磷濃度為0.19 mg/L，低于GB 3838-2002 Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)要求的0.20 mg/L。

2.2 河水凈化過程中水質(zhì)指標(biāo)的日變化

設(shè)計水力負(fù)荷采用最佳值0.5 m3/（m2·d），調(diào)節(jié)進(jìn)水流量為0.25 m3/h，運行24 h待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后開始采樣。每周采樣兩次，共采集5組水樣。

2.2.1 生態(tài)濾槽對河水COD的凈化效果 由圖5可知，污染河水COD濃度為89.0～106.0 mg/L，平均為96.5 mg/L，經(jīng)生態(tài)濾槽處理后，COD出水濃度降為17.6～29.0 mg/L，平均為22.1 mg/L。COD的去除率比較穩(wěn)定，為72.64%～80.22%，平均77.20%。在穩(wěn)定的生態(tài)濾槽內(nèi)，發(fā)達(dá)的植物根系負(fù)載一定量的生物膜。不僅植物可以吸收水中的有機物，而且植物的根系通過泌氧，提高水槽內(nèi)溶解氧量，使微生物具有較高活性，從而進(jìn)一步增強對水中有機物的降解。試驗出水COD濃度均小于30 mg/L，基本維持在20 mg/L左右，穩(wěn)定達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 生態(tài)濾槽對河水氨氮、硝氮和總氮的凈化效果 由圖6可知，污染河水氨氮、硝氮和總氮濃度范圍分別為20.20～29.20、0.19～0.62、21.30～28.30 mg/L，經(jīng)生態(tài)濾槽處理凈化后，NH4+-N、NO3--N、TN出水濃度分別逐漸降至1.57～17.50、0.12～0.52、1.99～18.00 mg/L，平均去除率分別達(dá)63.29%、22.58%和57.87%。其中，氨氮平均由26.10 mg/L降至10.06 mg/L，硝氮平均由0.42 mg/L降至0.32 mg/L，總氮平均由24.48 mg/L降至10.62 mg/L。氨氮去除效果最好，總氮變化趨勢大致與氨氮接近，去除率較氨氮低，硝氮含量少，去除率最低?？赡苁怯捎谙到y(tǒng)中微生物含量少，溶解氧濃度偏低，導(dǎo)致微生物硝化作用較少，主要依靠植物對氨氮的吸收，從而減少水中含氮量。而反硝化過程需要反硝化菌在厭氧或缺氧條件下進(jìn)行，反硝化菌為兼性細(xì)菌，且反應(yīng)需要消耗碳源，若無法滿足厭氧或缺氧條件，或是前端有機物大量降解導(dǎo)致后端碳源不足，反硝化作用受到限制，導(dǎo)致系統(tǒng)對硝氮的去除效果不佳。出水TN與NH4+-N之間的差值略大于硝氮的含量，表明出水含有有機氮，可能是由于生態(tài)濾槽內(nèi)植物落葉或根系發(fā)生腐爛，氮重新釋放入水體中。氨氮出水最低濃度可達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，最高濃度也能達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)?？偟鏊疂舛染苓_(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 生態(tài)濾槽對河水總磷的凈化效果 由圖7可知，污染河水進(jìn)水總磷濃度范圍為1.71～2.56 mg/L，平均為1.96 mg/L，經(jīng)生態(tài)濾槽處理后，出水總磷濃度范圍為0.15～1.17 mg/L，平均為0.48 mg/L。出水總磷去除率為37.10%～91.35%，平均為75.64%?？偭椎娜コ饕揽恐参锏奈蘸臀⑸锏耐饔脙煞N途徑[12]。在開放式的生態(tài)濾槽系統(tǒng)中，生物膜量較少，微生物對總磷的同化作用較弱，總磷的去除以植物吸收為主。試驗結(jié)果表明，生態(tài)濾槽對河水中總磷具有較好的去除效果，去除率均達(dá)到75%以上。試驗出水除了第4天外，其余均能達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，第4天也能達(dá)到一級B排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 減槽后水質(zhì)指標(biāo)的日變化

將生態(tài)濾槽分為1#-4#和2#-3#兩個并行的小生態(tài)濾槽。1#-4#濾槽是先流經(jīng)美人蕉，后流經(jīng)蜘蛛蘭，2#-3#則相反。進(jìn)水流量仍設(shè)為0.25 m3/h，由于反應(yīng)槽數(shù)量減半，因此減槽后兩個小生態(tài)濾槽試驗的水力負(fù)荷為1.0 m3/（m2·d）。

2.3.1 減槽后河水COD的凈化效果 由圖8可知，將生態(tài)濾槽減半后，進(jìn)水COD濃度范圍為90～103 mg/L，平均為98 mg/L；4#出水口出水COD濃度范圍為50.2～56.4 mg/L，平均為53.0 mg/L；3#出水COD濃度范圍為46.2～55.5 mg/L，平均為52.3 mg/L。COD平均去除率分別為45.81%、46.63%。3#出水口出水COD的去除率較4#稍好。兩個出水口出水COD含量均比較穩(wěn)定，去除率均大于45%，可以達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B排放標(biāo)準(zhǔn)。減槽后COD去除率均低于減槽前水力負(fù)荷為1.0 m3/（m2·d）時的去除率（72.32%）。表明相同水力負(fù)荷下，生態(tài)濾槽數(shù)量的減少導(dǎo)致植物和微生物吸附降解的有機物減少，有機物的去除率降低。同時，兩個小生態(tài)濾槽出水均比較穩(wěn)定且COD相差不大，表明該生態(tài)濾槽具有較好的抗負(fù)荷沖擊能力。

2.3.2 減槽后河水氨氮、硝氮和總氮的凈化效果 由圖9可知，污染河水氨氮、硝氮和總氮濃度范圍為21.70～28.80、0.41～0.56、22.40～28.50 mg/L。經(jīng)生態(tài)濾槽處理凈化后，4#出水口出水NH4+-N、NO3--N、TN平均濃度分別為20.10、0.50、19.78、19.54 mg/L，3#出水口出水NH4+-N、NO3--N、TN平均濃度分別為20.00、0.52、19.54 mg/L。兩個出水口出水NH4+-N、NO3--N和TN指標(biāo)都比較穩(wěn)定且數(shù)值非常接近。但出水口出水的污染物濃度均高于減槽前水力負(fù)荷為1.0 m3/（m2·d）時的出水濃度，無法完全達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級排放標(biāo)準(zhǔn)。4#和3#兩個小生態(tài)濾槽對NH4+-N、NO3--N和TN的去除率也非常接近，平均值分別為19.89%和20.39%、-4.38%和-8.08%、18.99%和19.95%。氨氮和總氮的去除率接近，但氨氮的去除率稍高于總氮，這是由于總氮中除了氨氮，還存在硝態(tài)氮、有機氮等。3#出水口出水的氨氮和總氮去除率均稍高于4#出水口，而硝氮的去除率都為負(fù)，表明在減槽后，氨氮的去除中，植物的吸收和微生物的轉(zhuǎn)化都起了重要作用。由于無法滿足厭氧或缺氧，或碳源不足等條件，反硝化作用受到限制，導(dǎo)致系統(tǒng)對硝氮的去除效果不佳，以致于出水硝氮濃度高于進(jìn)水濃度。

2.3.3 減槽后河水總磷的凈化效果 由圖10可知，進(jìn)水總磷濃度范圍為1.76～2.14 mg/L，平均為1.98 mg/L；4#出水口出水總磷濃度范圍為1.12～1.51 mg/L，平均為1.34 mg/L；3#出水口出水總磷濃度范圍為1.15～1.37 mg/L，平均為1.27 mg/L?？偭灼骄コ史謩e為32.32%、35.82%。兩個出水口出水總磷含量均比較穩(wěn)定，數(shù)值也很接近，均可達(dá)到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B排放標(biāo)準(zhǔn)?？傮w上看，3#出水口出水效果及總?cè)コ室院糜?#出水口。

3 小結(jié)

水力負(fù)荷增大會導(dǎo)致污染物去除率降低。隨水力負(fù)荷增大，生態(tài)濾槽出水化學(xué)需氧量、氨氮、總氮和總磷均呈上升趨勢。生態(tài)濾槽水力負(fù)荷在0.5 m3/（m2·d）時為宜，而在水力負(fù)荷為0.5～2 m3/（m2·d）時，生態(tài)濾槽仍具有一定的污染物去除效果。改變生態(tài)濾槽數(shù)量及植物順序，處理污水均具有較好的穩(wěn)定性。相同水力負(fù)荷下，減少生態(tài)濾槽數(shù)量會明顯降低生態(tài)濾槽對污水的處理效果。影響生態(tài)濾槽的因素很多，如填料、植物、運行參數(shù)、pH、溫度等，在建設(shè)生態(tài)濾槽時需針對所處理污水的水文水質(zhì)特征，綜合考慮方能使生態(tài)濾槽的處理效果達(dá)到最佳。

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