循環(huán)氧化塘消減富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)新技術(shù)研究

胡雙修 鄭軒 胡飛躍 萬喜宗 雷克亮 盧亞霞

摘要 用循環(huán)氧化塘新技術(shù)治理三峽大學(xué)求索溪景觀河流，探討了新工藝設(shè)計(jì)構(gòu)思、氧化塘參數(shù)、停留時(shí)間、運(yùn)行效果、運(yùn)行成本、生態(tài)效益。結(jié)果表明：出水主要污染物化學(xué)需氧量、氨氮、總磷指標(biāo)均符合《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范（HJ2005-2010）》進(jìn)水質(zhì)要求；運(yùn)行成本低；生態(tài)效益顯著。主要污染物總消減率均值：化學(xué)需氧量為89.6%，總氮為76.4%，總磷為67.8%。

關(guān)鍵詞 循環(huán)氧化塘；消減；富營(yíng)養(yǎng)化；新技術(shù)

中圖分類號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）31-11058-04

Research on New Technology of Treatment of River Eutrophication with Cyclic Oxidation Pond

HU Shuangxiu1，ZHENG Xuan2，HU Feiyue2，LU Yaxia3* et al （1.College of Biology and Pharmacy，Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002； 2.Environmental Protection Bureau of Macheng，Macheng，Hubei 438300； 3.College of Science and Technology，Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002）

Abstract Cyclic oxidation pond was applied to treatment of Qiusuo River eutrophication polluted by domestic sewage in Three Gorges University.The ideas of new design，parameters of oxidation pond，during time of running water in all oxidation pond，effect of operating，operating cost and ecological effect were all discussed.The results showed that the concentrations of COD，TN and TP in treated water in outflow met the demand for “Technical specification of constructed wetlands for wastewater treatment engineering” （HJ2005-2010） and that operating cost was low and ecological effect was obvious.The average removal rate of COD was 89.6%，TN 76.4% and TP 67.8%.

Key words Cyclic oxidation pond； Treatment； Eutrophication； New technology

湖泊、水庫等封閉緩流水體的富營(yíng)養(yǎng)化已成為一個(gè)全球性的水環(huán)境污染問題，全球約有75%以上的封閉緩流水體存在富營(yíng)養(yǎng)化問題^[1]。我國(guó)湖泊眾多，共有2 759個(gè)1 km2以上湖泊，總面積達(dá)91 019 km2，占國(guó)土面積的 0.95%。自20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)由于人口劇增、農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展、工業(yè)化和城市化進(jìn)程加快，使得大量營(yíng)養(yǎng)元素（N、P 等）及有機(jī)物排入湖泊、水庫、河流中，氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽嚴(yán)重富集，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶氧量下降，魚類及其他生物大量死亡，水質(zhì)惡化，緩流的湖泊、水庫、河流富營(yíng)養(yǎng)化呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)^[2-5]。2013年環(huán)境保護(hù)部對(duì)我國(guó)重要58 個(gè)湖（庫）開展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中度富營(yíng)養(yǎng)的3個(gè)，占 5.2%；輕度富營(yíng)養(yǎng)的10個(gè)，占 17.2%；中營(yíng)養(yǎng)和貧營(yíng)養(yǎng)的 45 個(gè)，占 77.6%，主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、總磷和氨氮^[6]。在五大淡水湖中，太湖、洪澤湖、巢湖已達(dá)富營(yíng)養(yǎng)程度，鄱陽湖、洞庭湖目前雖維持中營(yíng)養(yǎng)水平，但磷、氮含量偏高，正處于向富營(yíng)養(yǎng)過渡階段。以太湖、滇池、巢湖為代表的藍(lán)藻型“水華”頻繁暴發(fā)^[7]。水體富營(yíng)養(yǎng)化后所產(chǎn)生病原微生物、硫化氫及藻毒素等有毒有害物，嚴(yán)重影響人體健康。富營(yíng)養(yǎng)化導(dǎo)致水庫庫容因植物殘?bào)w淤積而減少，加速湖泊退化，破壞生態(tài)平衡；致使水體渾濁、發(fā)腥、發(fā)臭，使景觀水體失去美學(xué)價(jià)值；造成水質(zhì)性缺水，增加自來水成本^[8-13]。因此，富營(yíng)養(yǎng)化防治意義十分重大而且非常必要，直接關(guān)系到社會(huì)發(fā)展的可持續(xù)性和國(guó)民幸福感。

導(dǎo)致藻類暴發(fā)生長(zhǎng)的主要因子一是充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，主要包括氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)等；二是高溫（25～40 ℃）和強(qiáng)光照；三是緩慢的水流；四是消費(fèi)者對(duì)藻類生長(zhǎng)的生物控制失效。水體中氮、磷含量直接決定了藻類的繁殖速率，是水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要控制因子^[14]。富營(yíng)養(yǎng)化治理技術(shù)主要包括：控制外源性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入、內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)鹽的控制、生態(tài)修復(fù)和控制藻類等?？刂仆庠葱誀I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入主要方法有：氧化塘技術(shù)、土地處理系統(tǒng)、生物除磷、水栽生物過濾法、前置庫、限制合成洗滌劑含磷量、廢污水遷移等^[15]。氧化塘技術(shù)中，因地制宜，將河流邊洼塘和荒地改造成氧化塘，省投資，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方法^[16]。按照供氧方式，氧化塘分為：好氧塘、兼性塘、厭氧塘、曝氣塘、深度處理塘、生態(tài)塘。按照出水方式，氧化塘分為：連續(xù)出水塘、控制出水塘、貯存塘^[17]。氧化塘組合工藝一般將不同類型的氧化塘串聯(lián)使用，現(xiàn)有專著及文獻(xiàn)尚無循環(huán)氧化塘工藝報(bào)道。該研究首創(chuàng)循環(huán)氧化塘工藝，用于消減富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)，且以三峽大學(xué)求索溪治理為例，效果顯著。求索溪最終流入長(zhǎng)江，治理求索溪，可減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸入長(zhǎng)江。該工藝省投資、易操作、便管理、廉運(yùn)行，因此有應(yīng)用價(jià)值，可為治理富營(yíng)養(yǎng)化、封閉緩流景觀水體、城市黑臭河道和高濃度有機(jī)氮廢水提供借鑒。

1 試驗(yàn)部分

1.1 求索溪污染概況

求索溪全長(zhǎng)約2 km，寬2～50 m，是一條人工景觀水渠，排泄雨水和生活污水，無雨水條件下，無明顯流量，最終流入長(zhǎng)江，出口離長(zhǎng)江約3 km。其生活污水來自2萬余學(xué)生規(guī)模教學(xué)樓群，源頭流入量30 m3/h。治理前，2012年3月21日對(duì)上游污染最嚴(yán)重河段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)（采樣點(diǎn)為圖1中生態(tài)塘所在地），監(jiān)測(cè)結(jié)果：DO 0.40 mg/L、BOD5 47 mg/L、TN 82.2 mg/L、TP 2.14 mg/L。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 38382002）》，屬于劣五類水質(zhì)。BOD、TN、TP濃度都超過國(guó)際公認(rèn)的富營(yíng)養(yǎng)化閾值^[18]（BOD5=10 mg/L、TN=0.3 mg/L、TP=0.02 mg/L）。此段水流4～10月“水華”暴發(fā)、發(fā)黑發(fā)臭。

1.2 工藝流程及說明

循環(huán)氧化塘工藝流程見圖1。在現(xiàn)有景觀水渠基礎(chǔ)上，加修滾水壩1和滾水壩2，形成近似長(zhǎng)方體的各氧化溝和氧化塘。厭氧塘設(shè)計(jì)功能：反消化脫氮、磷的釋放和磷的沉降。好氧溝和生態(tài)塘設(shè)計(jì)功能：降解有機(jī)物、硝化氨氮和過量攝磷。厭氧溝設(shè)計(jì)功能：反消化脫氮。好氧塘設(shè)計(jì)功能：降解有機(jī)物。

污水流入?yún)捬跆?，污水?從生態(tài)塘出口底部抽水進(jìn)入?yún)捬跆寥肟诒砻?，污水混合流?jīng)厭氧塘流入好氧溝，流入生態(tài)塘、好氧溝和生態(tài)塘與厭氧塘大循環(huán)。污水泵1從生態(tài)塘出口底部抽水流入好氧溝入口表面，流入生態(tài)塘小循環(huán)，好氧溝推流增氧。2012年6月下旬開始運(yùn)行，除機(jī)修和下中到大雨、暴雨以外，不間斷抽水循環(huán)。

1.3 氧化塘參數(shù)及其說明 按照氧化塘指標(biāo)：好氧塘0.2～0.4 m、兼性氧化塘1.0～2.5 m、厭氧塘2.5～4.0 m^[17]，因地制宜，加修滾水壩1壩高4.3 m、滾水壩2壩高0.5 m，厭氧塘底泥深度30 cm，好氧溝、生態(tài)塘、好氧塘底泥深度20 cm，有效水深等于池高減去底泥深度。厭氧溝為加蓋陰溝，表層封閉。好氧溝、生態(tài)塘、好氧塘自然裸露。氧化塘參數(shù)見表1，水深符合氧化塘指標(biāo)。

1.4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法

DO：電化學(xué)探頭法（GB/T 119131989）；COD：重鉻酸鉀法（GB 119141989）；TN：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB/T 118941989）；TP：鉬酸氨分光光度法（GB/T 118931989）。

2 循環(huán)氧化塘運(yùn)行過程與效果分析

2.1 工藝分析 2012年3月21日于圖1生態(tài)塘所在地監(jiān)測(cè)點(diǎn)取水樣測(cè)定，監(jiān)測(cè)結(jié)果見“1.1”。其溶解氧低下的原因是富營(yíng)養(yǎng)化水體中好氧微生物大量耗氧。其BOD5∶TN∶TP為100∶172∶5，一般生活污水BOD5∶TN∶TP為100∶22∶3^[2]。污水經(jīng)化糞池初步處理后流入求索溪，求索溪是天然氧化塘，對(duì)BOD5、TN、TP有一定降解作用。對(duì)比上述兩組比值，可見TN富集效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于BOD5。水體富營(yíng)養(yǎng)化后，藻類及其他自養(yǎng)生物迅猛繁殖，死亡的殘?bào)w腐爛后，又釋放氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物，供新一代利用，因此氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物在生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)，難以消去。有機(jī)碳好氧呼吸最終產(chǎn)物CO2、厭氧呼吸最終產(chǎn)物CH4，均能釋放到大氣中去，使BOD5降低。有機(jī)氮經(jīng)硝化和反硝化后最終產(chǎn)物N2也可釋放到大氣中去。硝化是好氧條件，要求溶解氧大于2.0 mg/L以上^[19]。而治理前水體溶解氧0.40 mg/L，達(dá)不到硝化好氧條件，有機(jī)氮氨化所生成的氨氮無法進(jìn)行硝化，被藻類等自養(yǎng)生物吸收，其細(xì)胞殘?bào)w腐爛所產(chǎn)生的氨氮釋放到水體，不斷循環(huán)，導(dǎo)致TN不斷富集。因此該工藝采用好氧溝和生態(tài)塘硝化與厭氧塘反硝化大循環(huán)，有機(jī)氮最終轉(zhuǎn)化成N2，釋放到大氣中去，減輕水體中TN富集。

在厭氧條件下積磷細(xì)菌釋放磷酸鹽，在好氧條件下積磷細(xì)菌吸收磷酸鹽^[19]。該工藝采用將生態(tài)塘出口底部吸磷后污水抽入?yún)捬跆寥肟诒砻?，污水在厭氧塘中流?dòng)釋放磷，所釋放的磷酸鹽被自然水體中膠體吸附混凝而沉降，降低水體中TP。

此工藝設(shè)計(jì)運(yùn)用了仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)靈感來自于毒理學(xué)“肝腸循環(huán)”。肝腸循環(huán)即毒物經(jīng)肝臟解毒后的分解物，經(jīng)膽汁進(jìn)入十二指腸，部分排出，部分又被小腸、大腸重吸收，進(jìn)入門靜脈，重新進(jìn)入肝臟。毒物分次逐步排出，殘留期增長(zhǎng)。此工藝采用抽水循環(huán)，生態(tài)塘出口不完全的污染物被抽入?yún)捬跆寥肟?，再次分解、循環(huán)，污染物分次逐步分解，停留期延長(zhǎng)，降解效率提高。

2.2 污水泵流量確定及其安裝

實(shí)測(cè)滾水壩2處出水流量Q3為30 m3/h，根據(jù)連通器原理，污水流入量Q0等于滾水壩2出水流量Q2，抽水循環(huán)流量應(yīng)大于污水入流量，適當(dāng)放大，因此污水泵2的流量選擇60 m3/h。

好氧溝采用推流增氧，溶解氧濃度通過流速控制，流速通過流量控制。為了使好氧溝滿足溶解氧大于2.00 mg/L以上，在水深0.3 m條件下，流速應(yīng)大于0.1 m/s^[20]。

停留時(shí)間t1=9 600/90=106.7 h。

好氧溝流量Q=Q0+2Q1+2Q2=30+2×60+2×120=390 m3/h，

停留時(shí)間t2=66/390=0.17 h。生態(tài)塘流量Q5=Q0+2Q1+2Q2=390 m3/h，

停留時(shí)間t3=7 200/390=18.46 h。厭氧溝流量等于滾水壩2出水流量Q0，即30 m3/h，

停留時(shí)間t4=96/30=3.2 h。好氧塘流量等于滾水壩2出水流量Q0，即30 m3/h，停留時(shí)間t5=2 520/30=84 h。

由表2可知生態(tài)塘溶解氧濃度達(dá)到好氧條件，實(shí)為好氧塘，好氧溝和生態(tài)塘直接連通，故好氧溝和生態(tài)塘實(shí)為一個(gè)大的好氧塘，其停留時(shí)間計(jì)算如下：t6=0.16+18.46=18.63 h。參照氧化塘停留時(shí)間參數(shù)：厭氧塘30～50 h、好氧塘2～6 h^[16]，認(rèn)為厭氧塘停留時(shí)間、好氧溝和生態(tài)塘總停留時(shí)間、厭氧溝停留時(shí)間、好氧塘停留時(shí)間均符合條件，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2.4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)日期選擇 7、8月放暑假，1、2月放寒假，生活污水量小，故水質(zhì)監(jiān)測(cè)日期選擇2012年9～12月和2013年3～6月。每個(gè)月的下旬采樣一次，如遇上雨天，雨停3 d后采樣。

2.5 溶解氧監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

《氧化溝活性污泥法污水處理工程技術(shù)規(guī)范（HJ5782010）》規(guī)定好氧池溶解氧一般不小于2 mg/L；缺氧池，溶解氧一般為0.2～0.5 mg/L；厭氧池，溶解氧一般小于0.2 mg/L。表2結(jié)果表明：好氧塘溝、生態(tài)塘、好氧塘溶解氧全年符合好氧條件，厭氧塘溶解氧夏季符合厭氧條件，冬季符合缺氧條件，各氧化溝和氧化塘溶解氧濃度均符合規(guī)范要求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

2.6 運(yùn)行效果分析

好氧塘出水進(jìn)入表面流人工濕地，依據(jù)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范（HJ20052010）》人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)要求：化學(xué)需氧量小于125 mg/L、氨氮小于10 mg/L、總磷小于3 mg/L。由表3可知好氧塘出水化學(xué)需氧量均小于125 mg/L；由表4可知好氧塘出水總氮均小10 mg/L，因?yàn)榘钡敌∮诳偟势浒钡稻∮?0 mg/L；由表5可知好氧塘出水總磷均小于3 mg/L。由此可見，好氧塘出水符合人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)要求。

綜合表3、表4、表5，計(jì)算治理后生態(tài)塘監(jiān)測(cè)結(jié)果均值：COD 77.6 mg/L、TN 8.19 mg/L、TP 1.32 mg/L，治理前此段監(jiān)測(cè)結(jié)果：COD 134 mg/L、TN 82.2 mg/L、TP 2.14 mg/L，對(duì)比分析，COD消減42.0%、TN消減90.0%、TP消減38.3%，可見治理效果顯著，TN消減效果最明顯。

綜上所述，污水在好氧溝和生態(tài)塘與厭氧塘中不斷循環(huán)，有助于消減污染物，特別有助于生物脫氮。

2.7 生態(tài)效益分析

治理前，2012年4～6月份，生態(tài)塘浮萍生長(zhǎng)迅猛，4 d內(nèi)長(zhǎng)滿，需人工打撈一次。2012年6月下旬開始運(yùn)行，生態(tài)塘浮萍2012年7月份15 d內(nèi)長(zhǎng)滿，人工打撈一次；2012年8月份30 d長(zhǎng)滿，人工打撈一次；2012年9月以后，沒有出現(xiàn)浮萍瘋長(zhǎng)現(xiàn)象，無需人工打撈，黑臭消除。TN、TP濃度顯著降低，抽水循環(huán)產(chǎn)生水流，破壞了浮萍適宜的緩流生境，這使得浮萍生長(zhǎng)減緩。治理前浮萍長(zhǎng)滿導(dǎo)致水體與空氣交換受阻，水體溶解氧幾乎為零，魚類絕跡，在此條件下產(chǎn)生H2S等臭味氣體，景觀水渠失去美學(xué)價(jià)值。2012年7月在生態(tài)塘投放鯽魚、鯉魚、草魚，成活良好。2013年春天以來，生態(tài)塘、好氧塘青蛙、菜花蛇、烏龜、田螺、黑水雞不斷出現(xiàn)，數(shù)量不斷增多，這在治理前基本看不到。治理后，其中下游水體和河灘生態(tài)不斷改善，2013年1～3月，引來數(shù)以千計(jì)的成群候鳥白鷺、池鷺、翠鳥棲息，成為一道美麗的風(fēng)景，引來不少游人欣賞、拍照，這在以前也基本看不到。2013年11月又有數(shù)以千計(jì)的成群候鳥白鷺、池鷺、翠鳥回來，白鷺甚愛在生態(tài)塘出沒，因?yàn)樯鷳B(tài)塘有豐富的魚類供其覓食。求索溪最終排入長(zhǎng)江，治理求索溪，可減少氮磷輸入長(zhǎng)江。綜上所述，該工藝環(huán)境生態(tài)效益顯著。

3 運(yùn)行成本分析

污水流入量30 m3/h，處理量即30 m3/h，水泵總裝機(jī)10 kW，電費(fèi)0.6元/kW，推算抽水電費(fèi)：0.2元/m3。每周清泵一次，1 h，宜昌市工資標(biāo)準(zhǔn)每小時(shí)15元，推算人工費(fèi)：每0.03元/m3。2012年7月至2013年6月，設(shè)備維修及耗材約2 000元，推算維護(hù)費(fèi)：0.08元/m3。合計(jì)運(yùn)行成本費(fèi)：0.31元/m3。

參考文獻(xiàn)

[1]

FREED B.Environmental Ecology[M].Sandiego：Academic Press，2002.

[2] 陳國(guó)華.環(huán)境污染治理方法原理與工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：174-228.

[3] LAWSON R，ANDERSON M A.Stratification and mixing in Lake Elsinore，California：An assessment of axial flow pumps for improving water quality in a shallow eutrophic lake[J].Water Res，2007，41（19）：4457-4467.

[4] 王紅梅，陳燕.滇池近20年富營(yíng)養(yǎng)化變化趨勢(shì)及原因分析[J].環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2009，28（3）：25-28.

[5] 王圣瑞，金相燦，趙海超，等.長(zhǎng)江中下游淺水湖泊沉積物對(duì)磷的吸附特征[J].環(huán)境科學(xué)，2005，26（3）：38-43.

[6] 中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部.2013 年上半年全國(guó)環(huán)境質(zhì)量狀況[R].2013：24.

[7] 韋立峰.淺談水體富營(yíng)養(yǎng)化的成因及其防治[J].中國(guó)水資源利用，2006（8）：25-28.

[8] 許麗娟，朱光燦，呂錫武，等.腐熟藍(lán)藻與厭氧污泥混合厭氧發(fā)酵特性[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2013，7（9）：3345-3350.

[9] 陳建軍，張佳磊，盧少勇.黑臭底泥土著微生物促生對(duì)磷的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2013，7（9）：3403-3408.

[10] 許其功，曹金玲，高如泰，等.我國(guó)湖泊水質(zhì)惡化趨勢(shì)及富營(yíng)養(yǎng)化控制階段劃分[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（3）：147-151.

[11] 金相燦，劉鴻亮，屠清瑛，等.中國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1990.

[12] 王蘇民，竇鴻身.中國(guó)湖泊志[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

[13] 趙永宏，鄧祥征，戰(zhàn)金艷.我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化防治與控制策略研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（3）：92-98.

[14] 劉建康.東湖生態(tài)學(xué)研究[M].北京：科學(xué)出版社，1990.

[15] 龔應(yīng)安.我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化出現(xiàn)的機(jī)制和防治對(duì)策[J].北京水利，2002，9（6）：20-22.

[16] 莫文銳，黃建洪，田森林，等.氧化塘—浮石床濕地系統(tǒng)處理城市污染和水[J].環(huán)境工程，2012，30（2）：13-16.

[17] 柏景方.污水處理技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006：362-263.

[18] THOMANN R V，WUELLER J A.Principles of Surface Water Quality Modeling and Control[M].New York：Harper & Row，1987.

[19] 孔繁翔.環(huán)境生物學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004：280-286.

[20] 孫力平.污水處理新工藝與設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例[M].北京：科學(xué)出版社，2002：86-89.