礫間接觸氧化技術(shù)在入湖河流治理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

葛俊 黃天寅 胡小貞 王涌濤 龐燕 滕慶曉

摘要

通過介紹礫間接觸氧化技術(shù)在實(shí)際工程設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用及影響凈化效益的主要因子，為礫間接觸氧化技術(shù)在我國的發(fā)展提供一定技術(shù)參考。礫間接觸氧化技術(shù)根據(jù)水體中溶解氧濃度大小可分為礫間接觸氧化法和礫間接觸曝氣氧化法。根據(jù)設(shè)施設(shè)置的位置又可分為直接方式和分離方式。工程應(yīng)用中，礫間接觸氧化工藝一般包括預(yù)處理設(shè)施、取水設(shè)施、凈化設(shè)施和放流設(shè)施。影響礫間接觸氧化工藝處理效果的主要因素有理化因子、礫石床設(shè)計因子和水力因子。理化因子主要涉及溫度和溶解氧，礫石床設(shè)計方面需要考慮填料、填料填充率、污泥儲存與排除。水力因子主要是停留時間和水力負(fù)荷。

關(guān)鍵詞 人工強(qiáng)化技術(shù);礫間接觸氧化;低污染水;生物膜

中圖分類號 S181.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2014）34-12225-04

Application of Improving River Water Quality by Gravel Contact Oxidization Process

GE Jun1，2， HUANG Tianyin1， HU Xiaozhen2* et al

（1. School of Environmental Science and Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu 215000; 2. Chinese Research Academy of Environment Sciences， Beijing 100012）

Abstract By introducing the application of gravel contact oxidation technology in practical engineering construction and the main factors affecting purification efficiency， the study aimed to provide some technical references for development of gravel contact oxidation technology in China. Gravel contact oxidation technology according to the size of the DO concentration in water can be divided into the gravel contact oxidation process and gravel contact aeration oxidation process. According to the location can be divided into direct mode and separate mode. The gravel contact oxidation process generally includes preprocessor facility， water intake facility， purification facility and discharge facility. The factors affecting the effect of gravel contact oxidation process with physical and chemical factors， gravel bed design factors and hydraulic factors. The physical and chemical factors mainly related to temperature and DO， gravel bed design need to consider the packing， packing filling rate， sludge stored and ruled out. Hydraulic factor mainly includes retention time and hydraulic load.

Key words Artificially intensified technology; Gravel contact oxidation; Lightly contaminated water; Bioflim

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進(jìn)程以及面源污染的加劇，大量污染物進(jìn)入湖泊水體，湖泊富營養(yǎng)化成為一個嚴(yán)重的環(huán)境問題[1]。富營養(yǎng)化狀況一定程度上改變了湖泊生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對人類活動和水生生物構(gòu)成潛在威脅[2-3]。有研究指出，引起湖泊富營養(yǎng)化的氮磷指標(biāo)的臨界值為TN濃度1.26 mg/L、TP濃度0.071 ?mg/L[4]。入湖河流是陸地生態(tài)系統(tǒng)和湖泊生態(tài)系統(tǒng)之間進(jìn)行物質(zhì)交換的通道，大部分點(diǎn)源與面源污染物通過入湖河道進(jìn)入湖泊系統(tǒng)[5-6]，削減入湖河流負(fù)荷量能有效改善湖泊水質(zhì)[7]。

目前，世界上許多國家已經(jīng)開展修復(fù)受污染河道的研究。入湖河流的修復(fù)治理包括污染源控制、水質(zhì)凈化、生態(tài)修復(fù)等，其中水質(zhì)凈化是重點(diǎn)和難點(diǎn)。河流水質(zhì)凈化方面的技術(shù)種類較多，其針對不同河流以及不同污染物類型，凈化效果也是不同[8]。一般應(yīng)用在河流中的凈化技術(shù)，其根據(jù)處理位置的不同，修復(fù)技術(shù)可分為原位和異位修復(fù)技術(shù)，二者均被廣泛應(yīng)用于受污染河流的修復(fù)[9]?；谒w現(xiàn)狀及自然凈化方法的應(yīng)用原理，工程上主要有植生處理法、土地處理法和接觸氧化法[10]。礫間接觸作為接觸氧化法的一項(xiàng)重要工藝，由于其成本低、對水質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)、持續(xù)效果好，近年來相關(guān)研究、應(yīng)用日趨廣泛[11-12]，但該工藝在我國河流治理中應(yīng)用研究還處于起步階段。該研究通過介紹礫間接觸氧化技術(shù)在實(shí)際工程設(shè)施建設(shè)中的應(yīng)用及影響凈化效益的主要因子，為礫間接觸氧化技術(shù)在我國的發(fā)展提供一定技術(shù)參考。

1 ?礫間接觸氧化技術(shù)及其凈化機(jī)制

1.1 ?礫間接觸氧化技術(shù)簡介

礫間接觸氧化技術(shù)是一種快速處理污水的方式，是19世紀(jì)英國倫敦的污水處理工程師W.J.Dibden首先設(shè)計的自然處理方法[13]，其實(shí)質(zhì)是對天然河床中生長在礫石表面生物膜的一種人工強(qiáng)化。該技術(shù)在20世紀(jì)70年代被開發(fā)，由于對低污染水處理效果顯著，在80年代之后的10多年時間里，在日本及歐美入湖河流治理中被廣泛應(yīng)用并取得良好凈化效果。據(jù)日本建設(shè)省統(tǒng)計，在日本全國實(shí)施的河流直接凈化項(xiàng)目80%采用礫石接觸氧化工藝，接觸時間一般為幾個小時，凈化效果很好，BOD和氨氮去除率一般在50%～60%之間，懸浮物去除率在75%～85%之間[14]。

1.2 礫間接觸氧化技術(shù)凈化機(jī)制

礫間接觸氧化法對污染物的去除主要通過接觸沉淀、吸附、生物降解等多重作用[15]。礫間接觸氧化法的礫間孔隙小，沉降距離短，礫石間形成連續(xù)的水流通道，當(dāng)污水通過時，水中的懸浮固體因沉淀、物理攔截、水動力等原因運(yùn)動至礫石表面而接觸沉淀。水中有機(jī)物質(zhì)與礫石表面接觸，因礫石表面帶電性的緣故，導(dǎo)致水中有機(jī)物質(zhì)吸附于礫石表面生物膜。同時，生長在礫石表面上的微生物或藻類，會氧化分解其所吸附的污染物，并通過在生物膜表面和內(nèi)部分別形成的好氧和厭氧環(huán)境進(jìn)行硝化反硝化作用對氮進(jìn)行去除，而磷的去除主要靠土壤及礫石的吸附作用。

2 ?礫間接觸氧化技術(shù)形式與組成

2.1 ?技術(shù)形式

礫間接觸氧化凈化系統(tǒng)通過引導(dǎo)目標(biāo)處理水體流經(jīng)填充礫石或其他人工濾材的處理槽，使污水與礫石或人工濾材表面的生物膜接觸反應(yīng)，達(dá)到水質(zhì)凈化目的[16]。由于水質(zhì)和地形等條件的不同，礫間接觸氧化法直接凈化河流水質(zhì)有不同的技術(shù)工藝形式。

2.1.1

礫間接觸氧化與礫間接觸曝氣氧化。依據(jù)國外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，礫間接觸氧化法可分為兩類，一類為礫間接觸氧化法，另一類為礫間接觸曝氣氧化法，兩者系統(tǒng)上的差別主要在于處理流程中是否增加曝氣系統(tǒng)，而在應(yīng)用上的差別則在于處理對象水質(zhì)濃度的高低[17]，其區(qū)別及適用條件如表1所示。

2.1.2

直接方式與分離方式。按照設(shè)施設(shè)置的位置，礫間接觸氧化法又可分為直接方式和分離方式[18-19]。直接方式是將凈化設(shè)施直接建置在河道內(nèi)，利用導(dǎo)水設(shè)施控制進(jìn)、出水流量。分離方式則是設(shè)置在河道邊的灘地，可通過在上游設(shè)置取水堰，引水流過礫石填充槽進(jìn)行凈化，然后利用取水堰水位與放流水位的水位差，以重力流方式再返回河道[20]。直接方式無需占用其他土地資源去處理，而且設(shè)備成本低，管理容易，日本2001年前超過一半的礫間接觸設(shè)施直接設(shè)置在河道內(nèi)。分離方式處理效率一般比直接凈化方式高，既可保證凈化效果，又能保障河道原有的航運(yùn)、泄洪和水產(chǎn)養(yǎng)殖功能[21]。隨著礫間接觸曝氣氧化法的使用，分離方式的案例越來越多。

2.2 礫間接觸氧化技術(shù)的設(shè)施組成

2.2.1

預(yù)處理設(shè)施。為了防止凈化設(shè)施阻塞，延長使用周期，并保護(hù)抽水泵，應(yīng)設(shè)有攔污和沉淀設(shè)施，其包括防止粗大漂浮物流入的擋板及粗、細(xì)格珊。

2.2.2

取水設(shè)施。取水設(shè)施應(yīng)根據(jù)取水點(diǎn)水量及水質(zhì)的變化合理選擇[22]。取水方式可采用泵取水或堰取水，其選定原則主要依據(jù)河流水位和自然凈化設(shè)施的高程。通常礫間接觸氧化法多利用重力引水，在河道上游設(shè)置取水堰，借此提升河水水位，同時對來水中懸浮固體起初沉作用。日本野川礫間接觸氧化凈化設(shè)施中取水堰對SS和BOD的去除率分別為42.6%和28.1%[23]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，設(shè)置橡皮壩是一種較可行的方式，例如日本的野川凈化設(shè)施的取水采用類似橡皮壩的方式，當(dāng)遇大雨或河道內(nèi)流量較大時，橡皮壩將以自動倒伏的方式宣泄多余的水量。當(dāng)采用泵抽水方式，必要時抽水泵應(yīng)有一定的備用臺數(shù)。取水口的設(shè)計以低于經(jīng)常水面且不致受沙土堆積影響為宜，并應(yīng)考察其維護(hù)管理的便利性。

2.2.3

凈化設(shè)施。水質(zhì)凈化所需容積需根據(jù)水力停留時間和BOD容積負(fù)荷綜合設(shè)計。礫間接觸氧化技術(shù)的凈化單元構(gòu)造大致可以分為凈化區(qū)和污泥堆積區(qū)。凈化區(qū)為單元上部區(qū)域，當(dāng)受污染河水經(jīng)過凈化區(qū)后，水中溶解性BOD （D-BOD）和被生物膜截留的懸浮固體性BOD（SS-BOD）在生物膜上進(jìn)行降解。礫間接觸氧化法進(jìn)行凈化時，水中的懸浮固體物（SS）或凈化區(qū)礫石表面上剝落的生物膜會沉淀至下面的污泥堆積區(qū)。但若堆積過多，將造成阻塞，故每過一定時間必須對污泥予以清除，一般操作為每隔3～6個月排泥一次。

2.2.4

導(dǎo)流、放流設(shè)施。取水后，通過導(dǎo)流設(shè)施均勻分流進(jìn)入下一階段設(shè)施內(nèi)。放流設(shè)施可包括再曝氣系統(tǒng)、放流管渠、放流口等，其設(shè)置考慮設(shè)施位置、放流水的水位、河道內(nèi)景觀、可分成數(shù)點(diǎn)或一處放流。

3 影響礫間接觸氧化凈化效益的主要影響因子

3.1 ?理化因子

對于礫間接觸氧化工藝，微生物是整個水處理構(gòu)筑物的核心，生長良好的生物膜是反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。溫度和水體中溶解氧是兩個重要的理化指標(biāo)，其對微生物的生長和代謝活動具有很大影響。溫度主要影響細(xì)菌的增殖速度，溫度過低，不利于礫石表面生物膜的形成，進(jìn)而影響整個生態(tài)礫石床系統(tǒng)的出水水質(zhì)要求。梁建祺等[24]在低溫下的試驗(yàn)表明，反應(yīng)溫度的高低顯著影響脫氮除磷的效果，當(dāng)溫度低于12 ℃時，去除效果開始變差。溶解氧是水質(zhì)評估的一項(xiàng)重要指標(biāo)，水體中充足的溶解氧是保證微生物在填料表面生長的必要條件[25]。水體若受到有機(jī)物質(zhì)污染，則水中微生物在分解有機(jī)物時會消耗水中的溶氧，從而造成水中溶解氧降低甚至呈缺氧狀態(tài)。礫間接觸氧化法對于目標(biāo)處理水體有溶解氧的限制，根據(jù)國外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對于溶解氧量極低的水體，建議采用礫間接觸曝氣氧化法，一般來說其DO 須大于5 ?mg/L。為使礫間接觸氧化法能適用于處理水質(zhì)濃度更高的水體，經(jīng)國外河道模擬試驗(yàn)及實(shí)際工程運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)，在礫石槽體底部埋設(shè)曝氣管，定期定量進(jìn)行曝氣來提供微生物氧化分解所需氧氣，從而提升微生物分解有機(jī)物質(zhì)速率。水體中NH3N去除率受曝氣量影響最大，BOD次之，但曝氣量對出水的SS和DO影響較小。在日本過去操作經(jīng)驗(yàn)中，未曝氣的礫間接觸氧化法BOD平均去除率約為20%～70%，有曝氣的礫間接觸曝氣氧化法BOD平均去除率約為50%～80%[26]。

3.2 礫石床設(shè)計因子

3.2.1

接觸填料。礫石接觸氧化法所填充的接觸填料，是生物膜賴以棲息的場所，是生物膜的載體。作為接觸氧化工藝的核心部分，其性能的好壞直接影響接觸氧化法的效能、充氧利用率、使用壽命、基建投資和運(yùn)行費(fèi)用[27-28]。作為接觸填料，其材質(zhì)對生物膜應(yīng)具有適當(dāng)?shù)母街?，若附著性太?qiáng)，會使生物膜過厚而易造成阻塞，且不易反沖洗;接觸填料同時應(yīng)具有較大的比表面積，比表面積大的填料對溶解性物質(zhì)和懸浮固體都有更好的去除效果;接觸材料還需具有較大的孔隙率來降低通水阻力。接觸填料一般分為天然石料類和人工合成類，而天然石料易取易得，價格低廉，在實(shí)際工程應(yīng)用中大量采用。較理想的天然石料是形狀大小均勻的圓形卵石、火山巖和石英砂等[29]。日本礫間接觸凈化設(shè)施，其接觸材料一般以天然河道內(nèi)的礫石為主，所使用的礫石直徑范圍在20～150 mm，填充孔隙率約為30%～40%[30]。

3.2.2

填料填充率。填充率是指接觸材料的容積與接觸曝氣槽的有效容積之比，合適的填充率可有效提高水力傳導(dǎo)率，減少布水?dāng)嗝?，同時減緩礫石床的堵塞[31]。填充率過低微生物附著量少，水質(zhì)凈化的效果差，而且易造成流況的不穩(wěn)定;填充率高雖然可增加微生物的附著量，但是填充過多的接觸濾材容易增加水流的阻力，同時供氧量也需要提高，造成動力費(fèi)的增加。一般接觸曝氣槽的填充率建議是在55%左右為佳。

3.2.3

污泥儲存與排除。在水質(zhì)凈化的同時會產(chǎn)生污泥堆積現(xiàn)場，因此礫石床系統(tǒng)應(yīng)具有污泥儲存和排泥設(shè)計[32]。礫間接觸氧化設(shè)施內(nèi)因微生物分解代謝作用、懸浮固體的沉積作用，會產(chǎn)生一定的污泥，為維持礫間接觸凈化處理槽體有效空間，應(yīng)具有排泥和反沖洗的設(shè)備，減少槽體淤積現(xiàn)象[33-34]。接觸氧化設(shè)施底部的污泥排除方法，可通過曝氣及水流的反沖洗或通過在底部設(shè)置排泥管由真空抽泥車排除[35]。

3.3 水力因子

3.3.1

停留時間。

水力停留時間為槽體流量控制常用的參考公式。水力停留時間的計算通常是槽體內(nèi)水體實(shí)際體積除以凈化對象水量，其中孔隙率與水深控制，都與礫間槽的水體體積有直接的關(guān)聯(lián)性，孔隙率在工程建設(shè)時選定，水深決定于系統(tǒng)操作[36]。但考慮到槽體內(nèi)水分蒸發(fā)、漏水狀態(tài)，一般來說槽體入出流流量通常不相等，這種算法可能高估水停時間。假設(shè)槽體流況為均勻流，且槽體孔系為一定值，可以推算出槽體流況為均勻流時的理論水停時間[37]。凈化槽內(nèi)無曝氣時，水力停留時間為1～2 h，一般為1.2 h，有曝氣條件下其水力停留時間為2～4 h[38]。一般而言，槽體只要水力停留時間足夠，污染物去除率便會提高，高橋定雄指出在礫間接觸氧化法中隨著水力停留時間的增加BOD去除效果越來越好，水力停留時間為1 h，BOD 去除率約為70%，1.2 h去除率約為75%，水力停留時間延長至2 h，去除率約為80%[39]。

3.3.2

水力負(fù)荷。水力負(fù)荷（HLR）是與水力停留時間（HRT）相關(guān)聯(lián)的一對參數(shù)，水力負(fù)荷的大小間接反映了污水與反應(yīng)器內(nèi)微生物平均反應(yīng)時間。不同水力狀況的改變，會對槽體水流流速產(chǎn)生不同的影響，而生物膜在不同水流狀況下，亦有不同的活性、生長狀況。提高水力負(fù)荷可使礫石間的細(xì)微顆粒與生物量分布更加均勻，促進(jìn)液相與生物相間的傳質(zhì)過程，因此成為反應(yīng)的積極因素，同時水力負(fù)荷大可以縮小處理構(gòu)筑物的占地面積，減少基建投資。此外，水力負(fù)荷在控制生物膜厚度等方面也有一定的作用。水力負(fù)荷提高，其紊流剪切作用對生物膜厚度的控制以及傳質(zhì)的改善有利，但是如果水力負(fù)荷過高，其水力沖刷作用就會過強(qiáng)，容易造成生物膜的流失，使反應(yīng)器的處理效能下降。

4 礫間接觸氧化技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

礫間接觸氧化工藝為人工生態(tài)系統(tǒng)，特別適用于低污染河、湖水的治理，目前在我國大陸地區(qū)尚無實(shí)際工程案例。國內(nèi)外學(xué)者對礫間接觸氧化工藝中接觸填料、生物膜特征、凈化機(jī)理以及與其他工藝組合等方面做了大量的研究[40]。礫間接觸氧化工藝初期，在中小污染河流的治理中主要采用天然或廢棄材料，并取得了良好的效果[41]。Lau等[42-43]通過渠道試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)平均流速對生物膜的累積性影響，較剪應(yīng)力大，在較低流速下有較高的生物膜累積;稻森悠平等[44]進(jìn)行河道模擬污染河水變化，觀察生物膜在不同流速下的附著、剝離情形，發(fā)現(xiàn)流速低曝氣能力亦低，當(dāng)流速超過10 cm/s 時，生物膜易于剝離。黃偉等[45]研究了采用仿生固體無機(jī)材料為填料的礫間接觸氧化系統(tǒng)，在常溫條件下，停留時間為4.8 h，溶解氧控制在2.0 ?mg/L，污水中的COD和NH3N去除率分別達(dá)77.4%和86.1%。楊經(jīng)元等[46]采用改良的三段式礫石床循環(huán)系統(tǒng)凈化景觀水體，研究結(jié)果表明，該工藝可以有效去除水體中的COD、氨氮、SS、藍(lán)綠藻，降低水體的濁度，其中，COD 去除率達(dá)43%，氨氮去除率可達(dá)78%。蔣林時等[31]采用礫石填料床預(yù)處理沈撫灌渠污水，在設(shè)計水力停留時間為3.5 h、最佳氣水比為5∶1的條件下，該工藝對COD、NH3N和濁度的去除率均達(dá)到50%以上。肖羽堂等[47]對姚江微污染原水的研究表明填料生物膜的厚度很薄，只有污水生物處理生物膜厚度的 1/10 左右，膜內(nèi)溶解氧充足，無厭氧層存在，膜內(nèi)主要細(xì)菌是好氧型微生物。

礫間接觸氧化技術(shù)工程應(yīng)用以日本較為成熟且普遍，著名的工程案例有大堀川礫間接觸氧化凈化設(shè)施、桑納川礫間接觸氧化凈化設(shè)施以及多摩川支流野川砂礫接觸凈化設(shè)施等，其中，野川凈化設(shè)施為日本第一座礫間接觸凈化設(shè)施。礫間接觸氧化技術(shù)被引進(jìn)臺灣地區(qū)進(jìn)行水質(zhì)改善僅數(shù)十年的時間，2004年在臺北市貴子坑溪關(guān)渡自然公園內(nèi)建造第一座人工礫石床模擬場[32]。臺灣地區(qū)目前以礫間接觸氧化法改善水質(zhì)的工程案例還不常見，且大部分以分離方式為主，如桃園街溪、臺南湖晴天排水以及桃園南崁溪河底橋礫間接觸氧化設(shè)施采用在河道內(nèi)直接凈化方式且已實(shí)際運(yùn)作的工程實(shí)例中，僅新竹市南門溪。具體工程各工程案例比較見表2。

5 小結(jié)

我國很多河流溪流面臨污染，需要凈化。礫間接觸氧化作為一種成熟的河流直接凈化生態(tài)工程技術(shù)，在日本廣泛采用并取得了良好的水環(huán)境保全效果，為河流污水凈化提供了一種思路和選擇。由于國情等的不同，在國內(nèi)的河流治理中采用這種方法時，需要根據(jù)河流的具體情況、經(jīng)濟(jì)狀況等綜合分析。

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