MABR+微納米曝氣技術(shù)在馬廠(chǎng)減河治理中的應(yīng)用

梁靜波，岳會(huì)發(fā)，楊振奇，杜儒林，孫長(zhǎng)江

（1.中建六局水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，天津 300202；2.中國(guó)建筑第六工程局有限公司，天津 300090）

目前主流的河道治理修復(fù)技術(shù)包括物理法、化學(xué)法和生物法。其中物理法包括人工曝氣、污染底泥疏浚等?；瘜W(xué)法主要是添加化學(xué)物質(zhì)和吸附劑。生物法通過(guò)特定的生物（包括微生物、植物等）吸收、轉(zhuǎn)化、降解或清除環(huán)境污染物，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境凈化及生態(tài)恢復(fù)，包括微生物修復(fù)技術(shù)、植物修復(fù)法、生態(tài)浮床及人工濕地等〔1-2〕。

膜曝氣生物反應(yīng)器（MABR）是一種融合氣體分離膜技術(shù)和生物膜處理技術(shù)的新型水處理技術(shù)〔3〕。微生物膜附著生長(zhǎng)在透氧中空纖維膜表面，水體在透氧膜周?chē)鲃?dòng)時(shí)，污染物在濃差驅(qū)動(dòng)和微生物吸附等作用下進(jìn)入生物膜內(nèi)，經(jīng)過(guò)生物代謝和增殖被微生物利用，同化為微生物菌體固定在生物膜上或分解成無(wú)機(jī)代謝產(chǎn)物，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的凈化。MABR是一種人工強(qiáng)化的生態(tài)水處理技術(shù)，能使河道水體形成循環(huán)的具備自我修復(fù)功能的自?xún)艋鷳B(tài)系統(tǒng)〔4-7〕。曝氣供氧時(shí)氧氣利用率高，通過(guò)控制供氧可使生物膜產(chǎn)生明顯分層，從而達(dá)到去除污染物的效果〔8-11〕。

微納米曝氣技術(shù)通過(guò)水泵加壓，使曝氣頭內(nèi)部的曝氣石高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下內(nèi)部形成負(fù)壓區(qū)；空氣通過(guò)進(jìn)氣口進(jìn)入負(fù)壓區(qū)，在容器內(nèi)分為周邊液體帶和中心氣體帶，高速旋轉(zhuǎn)均勻分割成直徑為5～30μm的微納米氣泡。由于氣泡細(xì)小，不受空氣在水中溶解度的影響，且不受溫度、壓力等外部條件限制，可在水體中長(zhǎng)時(shí)間停留，具有良好的氣浮效果。

天津市馬廠(chǎng)減河的水環(huán)境治理中應(yīng)用了以上組合技術(shù)，即MABR作為主要處理工藝，微納米曝氣為輔助處理工藝。與常規(guī)水處理技術(shù)相比，該組合技術(shù)具有技術(shù)、工程、成本方面的優(yōu)勢(shì)，以及運(yùn)行管理優(yōu)勢(shì)，特別適于河道、湖泊等流域治理。

1 材料與方法

1.1 河道概況

該河道上口寬約42～50 m，底寬約12 m，河底高程-2.7 m，由于河坡度很緩，河道上、下游設(shè)有節(jié)制閘，水體平時(shí)流動(dòng)速度小，污染物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生沉積，水體基本喪失自?xún)裟芰Γ|(zhì)惡化。水中的溶解氧、COD、氨氮（NH3-N）、總磷分別為1.68（1.42）、64（78）、3.38（4.41）、0.43（0.52）mg/L（括號(hào)內(nèi)數(shù)字為最大允許超標(biāo)值）。該河道水質(zhì)劣于地表水Ⅴ類(lèi)，主要超標(biāo)項(xiàng)目為COD，主要超標(biāo)月份為每年的3月—9月。

1.2 試驗(yàn)材料

MABR包括曝氣膜組件和生物膜，去除污染物的主要功能層是附著生長(zhǎng)在曝氣膜表面的生物膜。將膜組件安裝于河道內(nèi)，布設(shè)供氣管道并安裝配套風(fēng)機(jī)設(shè)備，以保證膜系統(tǒng)氧的供應(yīng)。膜組件為中空纖維簾式膜組件，尺寸為2 140 mm×210 mm，膜絲有效長(zhǎng)度為2 000 mm，有效膜表面積≥3.5 m2，單件干膜氣體通量≥0.5 m3/h，膜殼材質(zhì)為UPVC，膜殼接口尺寸（內(nèi)接）25 mm，膜材質(zhì)為復(fù)合高分子材料，膜結(jié)構(gòu)為均質(zhì)復(fù)合膜（非涂層），膜絲內(nèi)徑300～450 μm，膜絲外徑700～850 μm，膜絲平均斷裂拉伸強(qiáng)度≥25 N，工作氣壓0.005～0.085 MPa，適應(yīng)溫度-15～45℃、pH在3～13。

微納米氣泡發(fā)生裝置主要由發(fā)生裝置、微納米曝氣頭及連接管件組成。每臺(tái)設(shè)備氣水流量為6 m3/h，服務(wù)面積為1 500 m2。微納米曝氣設(shè)備規(guī)格：服務(wù)面積≥1 500 m2、尺寸D 1 000 mm×1 400 mm、功率0.8 kW、氣水流量≥6 m3/h。

1.3 系統(tǒng)布置

在該河道泵站及閘門(mén)、支流支渠匯入口、排污口、雨洪排口等共12處設(shè)置強(qiáng)化耦合生物膜組件，同時(shí)在7處重點(diǎn)污染河段各布設(shè)微納米曝氣設(shè)備。其中，河道治理段總長(zhǎng)度1 800 m，MABR膜組件160組。根據(jù)河道寬度選擇順?biāo)骰虼怪彼鞣胖?。膜組件供氣采用沉水風(fēng)機(jī)（3.3 m3/min，50 kPa，5.5 kW）。工程使用的水質(zhì)凈化設(shè)備包括：MABR組件160組、曝氣管12套、鼓風(fēng)機(jī)24臺(tái)（12用12備）、微納米曝氣設(shè)備7臺(tái)、電控系統(tǒng)12套。

當(dāng)河道寬度<10 m時(shí)，MABR膜組件采用對(duì)齊排列模式；當(dāng)河道寬度>10 m時(shí)，MABR膜組件采用錯(cuò)位排列模式，見(jiàn)圖1。膜組件固定在河道底部，間距10 m一組，每組膜組件單元由15個(gè)單組件構(gòu)成。施工布置可根據(jù)河道具體情況調(diào)整膜支架結(jié)構(gòu)和膜組件單元內(nèi)單組件個(gè)數(shù)。其安裝軸側(cè)圖見(jiàn)圖2。

圖1 MABR+微納米曝氣技術(shù)平面示意Fig.1 Plan view of MABR+micro-nano aeration technology

圖2 MABR安裝軸側(cè)圖Fig.2 Axonometric view of MABR installation

1.4 采樣及檢測(cè)方法

運(yùn)行期間從河道下游斷面采集水樣，每周采樣1次，持續(xù)24周，共采集24個(gè)樣品。溶解氧采用電化學(xué)探頭法（GB 11913—1989）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，COD采用重鉻酸鹽法（GB 11914—1989）測(cè)定，氨氮采用納氏試劑比色法（GB 7479—1987）測(cè)定，總磷采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）測(cè)定。檢測(cè)結(jié)果與河道治理前上年度同期水樣的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)COD的凈化效果

工程正式運(yùn)行后，COD隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

如圖3所示，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，COD逐漸下降，其中第1周至第6周COD下降速率較快，約2周內(nèi)MABR膜組件已形成生物膜，吸收效果逐漸增加，6周內(nèi)COD降解率為27.5%；第7周開(kāi)始COD達(dá)到地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，且由于MABR膜組件上的生物量趨于穩(wěn)定，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，河道水中的COD也基本穩(wěn)定，平均值為33.92 mg/L。以上結(jié)果表明，應(yīng)用MABR+微納米曝氣組合技術(shù)運(yùn)行7周后，可使河道內(nèi)COD達(dá)到地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，并能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

圖3 COD隨時(shí)間變化情況Fig.3 COD variation with time

2.2 DO變化情況

工程正式運(yùn)行后DO隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 DO隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.4 DO variation with time

由圖4可見(jiàn)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，DO逐漸上升，其中第1周至第5周DO增速較快，主要原因是微納米曝氣設(shè)備的投入使用可快速增加DO；從第6周開(kāi)始DO可達(dá)到地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，并隨運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而基本穩(wěn)定，平均值為2.21 mg/L。MABR+微納米曝氣組合技術(shù)運(yùn)行6周后可使河道內(nèi)DO達(dá)到地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，并穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2.3 對(duì)NH3-N的凈化效果

工程正式運(yùn)行后NH3-N隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

如圖5所示，第1周至第8周NH3-N下降速率較快，從第9周開(kāi)始NH3-N達(dá)到地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，并隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，NH3-N基本穩(wěn)定，平均為1.88 mg/L。結(jié)果表明，該組合技術(shù)運(yùn)行9周可使河道內(nèi)NH3-N達(dá)到地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，并穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

圖5 NH3-N隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.5 NH3-N variation with time

2.4 對(duì)TP的凈化效果

工程正式運(yùn)行后TP隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。

圖6 TP隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.6 TP variation with time

圖6 中，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)TP逐漸下降，第1周至第6周TP降速較快，第7周開(kāi)始TP達(dá)到地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，此后TP保持穩(wěn)定，平均為0.37 mg/L。該組合技術(shù)運(yùn)行7周后可使河道內(nèi)TP達(dá)到地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，并穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

2.5 穩(wěn)定運(yùn)行后凈化效果分析

采用MABR+微納米曝氣組合技術(shù)對(duì)該河道進(jìn)行治理后，DO、COD、NH3-N、TP分別在運(yùn)行6、7、9、7周后達(dá)到地表水Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值，穩(wěn)定運(yùn)行后凈化效果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，該組合技術(shù)對(duì)COD、NH3-N、TP的去除率為47.00%、44.38%、13.95%，DO可增加31.55%。綜上，該組合技術(shù)所需試運(yùn)行期為6～8周，此階段MABR膜組件上的生物量達(dá)到一定規(guī)模，同時(shí)通過(guò)微納米曝氣設(shè)備可進(jìn)一步改善河道溶解氧含量，使生物量增長(zhǎng)速率加快，縮短試運(yùn)行期。穩(wěn)定運(yùn)行后河道水質(zhì)達(dá)到地表水環(huán)境Ⅴ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 穩(wěn)定運(yùn)行后凈化效果分析Table 1 Analysis of purification effect after stable operation

3 結(jié)論與展望

為消除劣Ⅴ類(lèi)河道水體，工程應(yīng)用MABR+微納米曝氣組合技術(shù)。6～8周后該組合技術(shù)能穩(wěn)定運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，且具有一定的抗沖擊能力，治理過(guò)程中可改善河道水的溶解氧含量，一定程度上削減COD、NH3-N、TP，使河道水質(zhì)總體達(dá)到Ⅴ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)組合技術(shù)的應(yīng)用為類(lèi)似中小河道水質(zhì)凈化的工程項(xiàng)目提供了技術(shù)模式和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于該項(xiàng)組合技術(shù)，可進(jìn)一步研究及優(yōu)化應(yīng)用運(yùn)行條件，可從曝氣量?jī)?yōu)化、曝氣時(shí)段優(yōu)化、不同流速下膜組件布置優(yōu)化等方面考慮，在保證水質(zhì)的條件下進(jìn)一步降低運(yùn)行成本，提升運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)，河道治理與凈化技術(shù)的運(yùn)用，僅僅是城市水體治理的一種手段，還需通過(guò)管理手段、智慧化手段等綜合治理，方可達(dá)到水安全、水資源、水環(huán)境、水文化、水景觀(guān)、水生態(tài)、水管理、水經(jīng)濟(jì)的治理目標(biāo)。