太陽能浮動式原位凈化槽對河道排污口污水處理的試驗

韓國勝，黃志金，郭 蕭，薛露肖，萬梅梁

(1.上海汀瀅環(huán)?？萍加邢薰?，上海 201707；2.上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201707)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，河道水污染問題也日漸突出，全國出現(xiàn)了很多黑臭河道。城市水體“黑臭在水里，根源在岸上，關(guān)鍵在排口，核心在管網(wǎng)”，水污染物主要是沿水體的各類排污口排放和溢流導(dǎo)致的，城市黑臭河道水體整治工作的關(guān)鍵在于截污納管，實施雨污分流，控制各類排污口的污水排放[1-3]。但是有些地區(qū)排污口截污納管計劃滯后于黑臭河道整治計劃，且有些排污口也不具備截污納管條件，導(dǎo)致很多排污口暫時無法解決，需要通過其他應(yīng)急方式處理排污口的污染水體[4]。目前，處理此類排污口主要通過建立凈化槽初步凈化，防止污水直排，應(yīng)用較普遍的凈化槽主要有花壇式凈化槽及濕地凈化槽?；▔絻艋墼诤拥乐衅鲋兀瑢⑴欧诺纳钗鬯盟贸榘渡咸幚?，投資成本高，需要占用河道沿岸空間，此方法施工難度大；濕地凈化槽在河道內(nèi)排污口砌筑人工濕地處理槽，占地面積大，管理難度較大。因此，進行黑臭河道整治，解決各類排污口污水直排現(xiàn)象，考慮水體凈化效能、景觀效應(yīng)、環(huán)境相容、便于實施等多方面因素，構(gòu)建排污口的臨時凈化系統(tǒng)已成為目前黑臭河道治理中急需的措施。

為了有效解決黑臭河道沿線無法截污納管的排污口問題，構(gòu)建了一種太陽能浮動式原位凈化槽系統(tǒng)，應(yīng)用于上海市青浦區(qū)某河道排污口水體凈化工程，通過檢測水體指標，研究凈化試驗效果，以期達到生態(tài)治水、原位凈水的目的。

1 試驗裝置與方法

試驗所用的太陽能浮動式原位凈化槽包括太陽能曝氣系統(tǒng)、浮力系統(tǒng)、水生植物系統(tǒng)、浮床框架支撐系統(tǒng)、組合填料系統(tǒng)、浮動式凈水屏障系統(tǒng)。其中太陽能曝氣系統(tǒng)設(shè)置在浮力系統(tǒng)上；浮力系統(tǒng)、組合填料系統(tǒng)、水生植物系統(tǒng)設(shè)置在浮床框架支撐系統(tǒng)內(nèi)；浮動式凈水屏障系統(tǒng)設(shè)置在浮床框架支撐系統(tǒng)下方，其試驗裝置如圖1所示。

注：1-太陽能曝氣系統(tǒng); 2-組合填料系統(tǒng); 3-水生植物;4-浮床框架支撐系統(tǒng); 5-尼龍繩; 6-植物種植網(wǎng); 7-浮動凈水屏障系統(tǒng); 8-排污口圖1 太陽能浮動式原位凈化槽系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Solar Floating System In-Situ Purification Tank

1.1 太陽能曝氣系統(tǒng)

光伏太陽能曝氣系統(tǒng)是利用光電轉(zhuǎn)換原理，將太陽光能利用并轉(zhuǎn)換成電能供增氧機曝氣，系統(tǒng)包括太陽能光伏板、曝氣控制系統(tǒng)和微孔曝氣管路；其中太陽能光伏板和曝氣控制系統(tǒng)設(shè)置在組合浮箱上。太陽能光伏板為整個太陽能曝氣系統(tǒng)提供電能，驅(qū)動曝氣機運行；曝氣控制系統(tǒng)主要控制整個太陽能曝氣系統(tǒng)電能儲蓄轉(zhuǎn)化、曝氣機啟停時間。微孔曝氣管路包括主管、橫支管和縱支管，其中主管穿過浮箱中央延伸至河道；主管側(cè)面均勻分布若干橫支管，橫支管側(cè)面均勻分布若干縱支管，橫支管和縱支管與組合填料系統(tǒng)連接，微孔曝氣系統(tǒng)向水體提供溶解氧。

1.2 組合填料系統(tǒng)

組合填料系統(tǒng)呈林立狀等間距綁扎在浮床框架支撐系統(tǒng)的尼龍網(wǎng)格上，組合填料自排污口向河道中央分布，長度為0.5～1.5 m，沿坡度增長，分布于內(nèi)、外框架形成的兩個倉內(nèi)。

1.3 水生植物系統(tǒng)

水生植物系統(tǒng)包括植物種植網(wǎng)和水生植物，水生植物設(shè)置在植物種植網(wǎng)上，植物種植網(wǎng)的網(wǎng)孔規(guī)格為3 cm×3 cm。選用的水生植物品種選擇植株較小、抗風(fēng)浪、水質(zhì)凈化效果較好的香菇草和大聚草，種植密度為80株/m2。

1.4 浮動屏障凈化系統(tǒng)

浮動式凈水屏障系統(tǒng)包括沿水流方向依次設(shè)置內(nèi)部過濾層、表面防水層。其中，內(nèi)部過濾層采用聚乙烯材質(zhì)1 mm孔徑的密網(wǎng)，表面防水層采用PVC凃塑防水布。浮動式凈水屏障系統(tǒng)通過纏繞繩分別與內(nèi)框架、外框架豎直連接,框架均采用DN110的UPVC塑料管道，管道內(nèi)塞泡沫棉。浮動式凈水屏障系統(tǒng)下部卷裹砂石，系統(tǒng)的高度比常水位高0.5～1 m，通過下部卷裹砂石形成的重力與河底接觸，不受河底坡面大小影響。該系統(tǒng)可隨水位高低自由浮動，汛期雨水排入，屏障自動懸浮，河水從屏障頂部溢流，不影響排澇，能夠形成較封閉式的凈化系統(tǒng)。

2 太陽能浮動式原位凈化槽系統(tǒng)試驗

2.1 試驗方法

試驗設(shè)置太陽能浮動式原位凈化槽系統(tǒng)規(guī)格大小為5 m×3 m×2 m，置于上海市青浦區(qū)某河道內(nèi)部某排污口處，該排污口水體主要來源于周邊小區(qū)的生活污水，其水質(zhì)情況如表1所示，排污口直徑大小為500 mm。排污量的檢測結(jié)果顯示，日常排污口的平均排水量為10.5 m3/d。河道水體的常水位深度約1.8 m，岸坡比約1∶1.5，則裝置系統(tǒng)的平均水深約0.9 m，整體系統(tǒng)的水力停留時間約30.86 h，最短停留時間約19.76 h。

排污口凈化槽處理裝置采用連續(xù)自流進出水的方式運行，在經(jīng)過15 d的啟動掛膜運行之后，正式進入試驗。試驗開始日期為2017年6月10日，試驗系統(tǒng)從開始穩(wěn)定運行到試驗結(jié)束共30 d，水溫為19～27 ℃，對裝置的進水和出水進行檢測，取樣周期為2 d，取樣時刻選中午12點左右，分析各種污染物的去除效果。

表1 排污口的水質(zhì)情況Tab.1 Water Quality of Sewage Outfall

2.2 分析方法

CODCr、NH3-N、TP、濁度檢測方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)中的相關(guān)方法[5]：CODCr采用重鉻酸鹽法，NH3-N 采用納氏試劑分光光度法，TP 采用鉬銻抗分光光度法，濁度采用分光光度法。

2.3 試驗結(jié)果與分析

2.3.1 CODCr的變化規(guī)律

由圖2可知，系統(tǒng)進水CODCr不穩(wěn)定，波動性較大，基本處于40～80 mg/L，其出水CODCr相對較穩(wěn)定，平均去除率約38.75%，且出水CODCr基本都小于40 mg/L，明顯降低了污水的有機物含量。水體中的有機物降解主要通過微生物代謝，即利用系統(tǒng)裝置內(nèi)水下懸掛的生物填料，在曝氣的條件下形成生物膜，可使水體中的CODCr得到降解，且利用太陽能進行底部曝氣，可彌補微生物降解過程中耗氧量大、大氣復(fù)氧不足的情況。另外，浮床植物在水下有豐富的根系，也能為微生物的生長提供繁殖生長的微環(huán)境[6-7]。

圖2 系統(tǒng)裝置中進出水CODCr變化情況Fig.2 CODCr Variation of Influent and Effluent in Equipment System

2.3.2 NH3-N的變化規(guī)律

由圖3可知，系統(tǒng)進水NH3-N波動也較大，基本都在5 mg/L以上，最高能達到8.4 mg/L，出水都較穩(wěn)定，基本都在4 mg/L以下，最低可達2.13 mg/L，平均去除率達到51.73%，可見系統(tǒng)裝置對污水中的NH3-N具有較好的降解作用，其出水NH3-N小于黑臭河道NH3-N指標(NH3-N≤5 mg/L)[8]，對河道水體的治理能起到明顯的改善作用。系統(tǒng)水體中NH3-N的降解基本依靠微生物的硝化作用，且利用太陽能曝氣為水體持續(xù)供氧，發(fā)生硝化作用，持續(xù)降解NH3-N。另外，水生植物的生長也會吸收部分水中的NH3-N，因此對于水體中NH3-N的去除也有一定的作用[9-10]。

圖3 系統(tǒng)裝置中進出水NH3-N變化情況Fig.3 NH3-N Variation of Influent and Effluent in Equipment System

2.3.3 TP的變化規(guī)律

由圖4可知，系統(tǒng)裝置內(nèi)進出水TP波動都較大，對TP的去除效率基本在20%～40%，平均去除率為31.02%。TP主要由顆粒性磷和溶解性磷組成，水中的顆粒性磷主要依靠浮床植物的根系以及水中填料的截留和沉淀作用去除；而溶解性磷主要依靠附著在填料和植物根系上的微生物去除，另外本裝置中利用太陽能曝氣復(fù)氧，能夠使水中溶解氧增加，利于水中微生物生長，填料端的微生物特別是聚磷菌等菌種數(shù)量會增加[11]。

圖4 系統(tǒng)裝置中進出水TP變化情況Fig.4 TP Variation of Influent and Effluent TP in Equipment System

2.3.4 濁度的變化規(guī)律

由圖5可知，系統(tǒng)裝置對濁度的平均去除率達46.81%，且出水濁度較穩(wěn)定，基本位于50 NTU左右。一般情況下水體濁度的去除主要是通過過濾和沉淀[12]，系統(tǒng)內(nèi)有大量懸掛的生物填料，其比表面積較大，且表面吸附有具有黏性的生物膜，水中懸浮顆粒通過系統(tǒng)裝置時，易被吸附到填料表面；另外，系統(tǒng)裝置的內(nèi)部過濾層，也具有一定的截留水中懸浮顆粒及雜質(zhì)的效果；系統(tǒng)裝置的水體停留時間較長，也有一部分的顆粒會沉積到裝置系統(tǒng)底部。

圖5 系統(tǒng)裝置中進出水濁度變化情況Fig.5 Turbidity Variation of Influent and Effluent in Equipment System

3 結(jié)論

(1)太陽能浮動式原位凈化槽具有生態(tài)環(huán)保、安裝便捷、綠化美觀、能源自給等特點，主要通過太陽能曝氣系統(tǒng)、生物填料系統(tǒng)、水生植物系統(tǒng)及浮動屏障系統(tǒng)構(gòu)建而成。

(2)應(yīng)用于排污口的太陽能浮動式原位凈化槽，在約30.86 h水力停留時間下，對排污口的污水中CODCr、NH3-N、TP及濁度都起到有效的降解效果，平均去除率分別達到38.75%、51.73%、31.02%及46.81%，出水NH3-N小于黑臭河道指標，對河道水體的治理能起到明顯的改善作用。

(3)通過構(gòu)建的太陽能浮動式原位凈化槽可減少河道周邊排污口的直排現(xiàn)象，降低進入河道的污染負荷，對后期河道的進一步修復(fù)及治理起到關(guān)鍵性作用，具有一定的推廣使用價值。

4 展望

(1)太陽能浮動式原位凈化槽主要是應(yīng)對河道沿線暫時不能截污納管情況的應(yīng)急處理裝置，雖能通過裝置中曝氣系統(tǒng)、生物填料系統(tǒng)及水生植物系

統(tǒng)的組合凈化污水中的大部分污染物，達到預(yù)期的處理效果，但排污口的污水水質(zhì)不一，無法保證其普適性；同時，由于監(jiān)測時間不長，不同季節(jié)，特別是冬季的效果還需要進一步分析。因此，在后續(xù)的試驗或應(yīng)用中還有待進一步驗證。

(2)太陽能浮動式原位凈化槽的后續(xù)運行需要適當(dāng)?shù)娜粘９芾眇B(yǎng)護，應(yīng)避免生態(tài)屏障系統(tǒng)的破漏；另外生態(tài)浮床的水生植物需及時部分收割，需注意避免對裝置中的填料產(chǎn)生較大的擾動，且需及時補種新植株，新植株有著新生長的根系及更強的光合作用，對水質(zhì)的凈化能力也會更好。

(3)太陽能浮動式原位凈化槽系統(tǒng)基本能將排污口的污水降解至無黑臭狀態(tài)，但出水水質(zhì)仍未達到地表水Ⅴ類水體，還需在河道的后續(xù)治理中，利用生態(tài)曝氣、復(fù)合浮床、高效微生物菌劑等生態(tài)措施進一步強化改善河道的水質(zhì)。