多級AO+化學(xué)除磷工藝在河道治理中的工程應(yīng)用

熊惠磊 ，王紹嵩 ，李佳璐，劉海濤 ，陳選平 ，侯 盾 ，王 磊 ，李 進(jìn) ，張真真 ，于凱婷

（1.寶航環(huán)境修復(fù)有限公司，北京100012；2.天津市水務(wù)局，天津300074；3.湘南學(xué)院，湖南郴州423099；4.湖南大自然環(huán)?？萍加邢薰?，湖南郴州423099；5.北建工集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北石家莊050051；6.河北建楚環(huán)境工程有限公司，河北石家莊050051）

據(jù)統(tǒng)計截至2016年，全國295個地級以上城市黑臭水體總認(rèn)定數(shù)為2 082個，城市水體普遍受到污染，黑臭水體逐漸增多，已嚴(yán)重影響了居民的生活質(zhì)量〔1-3〕。

根據(jù)國務(wù)院發(fā)布的《水污染防治行動計劃》，科學(xué)系統(tǒng)地綜合治理城市黑臭水體，必須以全面改善水環(huán)境質(zhì)量為核心，堅持分區(qū)管理，“一河一策”分類治理的原則。本項目根據(jù)河北省某治理河道污染程度與現(xiàn)場情況，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，制定了多級AO+化學(xué)除磷組合工藝，有效改善黑臭水體水質(zhì)，使得水體達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類地表水水體標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

1.1 河道簡介

河北省某治理河段西起扣村橋以東100 m擬建節(jié)制閘，東至第二揚(yáng)水站擬建防潮閘，河段（含分叉河）全長約21 km，東西走向，直流渤海，修復(fù)面積18～27萬m2，水資源總量約15萬m3，主要功能為季節(jié)性排瀝，?？谔幵O(shè)有防潮閘，但在20世紀(jì)70年代將閘門拆除，海水倒流造成河道嚴(yán)重淤積，排澇標(biāo)準(zhǔn)明顯降低。

1.2 水體水質(zhì)

現(xiàn)場踏勘河道的過程中，沿程選取5個采樣地點(diǎn)，采樣點(diǎn)位置見圖1。

圖1 沿程5個采樣地點(diǎn)示意

進(jìn)行連續(xù)采樣監(jiān)測，水質(zhì)平均指標(biāo)見表1。

表1 2016年3月—5月河道水質(zhì)

由表1可知，河道水體主要污染因子CODCr、氨氮、總磷均遠(yuǎn)超《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類地表水水體標(biāo)準(zhǔn)，屬劣Ⅴ類水體，上游水質(zhì)較差，下游水質(zhì)較上游有所好轉(zhuǎn)。根據(jù)現(xiàn)場的感性認(rèn)識，可以見到水稍渾濁，流動性差，部分河段有黑臭和富營養(yǎng)化現(xiàn)象，淤積嚴(yán)重。

1.3 河道污染成因

河道受污染原因及主要存在問題：（1）城區(qū)部分為合流制排水系統(tǒng)，雨污不分流、管網(wǎng)不配套，導(dǎo)致生活廢水混入；（2）水體因淤積、潮汐等原因，流動性差，水體封閉，降雨排澇時進(jìn)入水體的污染物難以擴(kuò)散引起污染物聚集；（3）河段淤積嚴(yán)重，平常流量較小，河道底泥中的污染物質(zhì)進(jìn)入水體，造成二次污染。

2 治理目標(biāo)與工藝流程

2.1 設(shè)計水質(zhì)與治理目標(biāo)

對河水的污染物進(jìn)行取樣分析，確定按工程主要實(shí)施段的平均河道水質(zhì)考慮，設(shè)計水質(zhì)和治理目標(biāo)如表2所示。治理目標(biāo)參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）Ⅴ類地表水水體水質(zhì)主要指標(biāo)。

表2 設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)與治理目標(biāo)

2.2 工藝流程

結(jié)合河道水體污染因子、項目特點(diǎn)及當(dāng)?shù)丨h(huán)境等綜合因素，該河道治理工程擬采用河道內(nèi)生態(tài)工程，其工藝為“多級AO+化學(xué)除磷”，具體工藝流程如圖2所示。

圖2 河道治理工藝流程

3 分項處理單元介紹

3.1 一級格柵井與提升泵房

一級格柵井與提升泵房為合建式，其處理規(guī)模均為20 000 m3/d，采用完全地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中一級格柵井尺寸10.3 m×3.2 m×8.3 m，含兩個進(jìn)水渠道，進(jìn)水管管徑D 1 120 mm×10 mm；提升泵房尺寸 12.2 m×10.3 m×8.3 m。

主要設(shè)備：回轉(zhuǎn)式格柵2臺，功率2.2 kW；螺旋輸送壓榨一體機(jī)，功率2.2 kW；立式潛污離心泵3臺（2用1備），單臺流量為420 m3/h，揚(yáng)程為10.5 m，功率為30 kW；超聲波液位計1套，量程0～15 m。水泵運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)泵坑內(nèi)液位信號自動控制，即坑內(nèi)液位處于高液位（又稱超高液位）時，3臺泵啟動；坑內(nèi)液位處于中液位（又稱運(yùn)行液位）時，2臺泵啟動；坑內(nèi)液位處于低液位（又稱警報液位）時，水泵停止運(yùn)行。

3.2 生化處理段（多級AO段與生態(tài)浮島）

生化處理段由多級AO段與生態(tài)浮島共同組成，主要去除河道水體主要污染因子CODCr和氨氮，該生化處理段長度為490.2m，河道水面寬度為63 m，河道下底寬為33 m，河底標(biāo)高為-6.0 m，最高水位為-1.0m。主要設(shè)備和設(shè)施有：組合單元660個（內(nèi)設(shè)生物載體），水下深層曝氣器304個，生態(tài)浮島3600m2。

3.2.1 多級AO段

為了更加高效地強(qiáng)化生物脫氮，各國研究者在傳統(tǒng)脫氮工藝的基礎(chǔ)上，大力開發(fā)新技術(shù)和新工藝，如短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、同步硝化反硝化和多級 AO 等技術(shù)〔4-8〕。

本項目采用多級AO技術(shù)，針對原河道進(jìn)行改造，構(gòu)建8級AO反應(yīng)區(qū)域，每個反應(yīng)區(qū)域面積約為3 610 m2，設(shè)置82～84個數(shù)量不等的組合單元，35～43個數(shù)量不等的水下深層曝氣器，根據(jù)進(jìn)水氨氮濃度，分別調(diào)節(jié)各個區(qū)域的進(jìn)水量及其水下深層曝氣器曝氣量。

組合單元為長方體，焊接骨架箱體，內(nèi)設(shè)高效微生物的生物載體，依托水下深層曝氣器的曝氣和水流的提升作用使得生物載體一直處于流化狀態(tài)，從而達(dá)到污水處理目的。

水下深層曝氣器內(nèi)部設(shè)有微孔型曝氣盤及射流充氣管兩種設(shè)施，通過巧妙設(shè)計，使之同時達(dá)到生物引流，三相融和，生物強(qiáng)化增氧等多重作用，最大限度地處理水體中的污染物質(zhì)，并可以在運(yùn)行條件下進(jìn)行設(shè)備的拆卸、維護(hù)和保養(yǎng)等工作，可以最大限度降低整體運(yùn)行成本。

3.2.2 生態(tài)浮島

生態(tài)浮島又稱生物浮島，即人為利用水面浮床種植水生植物或者喜水的陸生植物而搭建的水體治理設(shè)施。其處理原理：通過植物自然習(xí)性及其構(gòu)建的植物與微生物的小生境，經(jīng)過吸收、吸附、分解及轉(zhuǎn)化作用，實(shí)現(xiàn)污染水體中的氮、磷、有機(jī)物和重金屬等污染物質(zhì)的削減，并通過收割植物將污染物質(zhì)移出水體，從而達(dá)到凈化污水的目的〔9〕。

綜合考慮生態(tài)浮島的植物量、現(xiàn)場條件、景觀性和美觀化等因素，將生態(tài)浮島分方塊形和長條形兩大類型，并分別布設(shè)于8個處理區(qū)域，總面積3 600 m2，其中方塊形生態(tài)浮島面積為3 150 m2，布置在組合單元南側(cè)；長條形生態(tài)浮島面積為450 m2，布置在組合單元頂部。

項目河道受潮汐影響較大，因此河水中鹽分和氯離子濃度較高。在挺水植物中選擇菖蒲、千屈菜、綠蘿、水蔥和馬藺進(jìn)行現(xiàn)場挺水植物篩選測試，經(jīng)過長時間試驗，篩選出最適宜在本水體生長的植物，試驗表明：千屈菜生命力最頑強(qiáng)，且最適宜本水體生長環(huán)境，菖蒲次之。

3.3 深化處理段

設(shè)置深化處理段的作用在于化學(xué)除磷，以及對上一個生化處理段（即多級AO段與生態(tài)浮島）出水中殘留的少量有機(jī)污染物進(jìn)行深度處理，確保出水水質(zhì)的各項指標(biāo)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類地表水水體要求。

深化處理段長度298.8 m，河道上底寬為67 m，下底寬為45 m，河底標(biāo)高為-4.0 m，最高水位-1.0 m。主要設(shè)備有：14個水下深層曝氣器，1臺在線溶氧儀。通過在線溶氧儀，對深化段的深層曝氣器的供氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.4 除磷加藥間

鑒于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類地表水水體水質(zhì)中TP的出水質(zhì)量濃度應(yīng)小于0.4 mg/L，單獨(dú)依靠微生物和植物吸收難以達(dá)到要求，所以運(yùn)用化學(xué)除磷技術(shù)〔10-11〕。

現(xiàn)場建設(shè)除磷加藥間1座，占地面積76 m2，內(nèi)設(shè)儲藥間1間（面積9.9 m2）、控制室1間（面積 10.6 m2）和操作間1間（面積55.5m2）。采用聚合氯化鋁（PAC）干粉，配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%PAC溶液投加，投加量根據(jù)多級AO與生態(tài)浮島段出水TP濃度調(diào)整。PAC溶液池有2座，尺寸2.3 m×2.3 m×1.9 m，材質(zhì)PP；3臺PAC投加計量泵（2用1備），單泵流量315 L/h，壓強(qiáng) 0.5 MPa，功率 0.37 kW。

3.5 鼓風(fēng)機(jī)房

導(dǎo)致水體出現(xiàn)黑臭問題，其原因主要是：水體中的溶解氧含量過低。當(dāng)有機(jī)污染物進(jìn)入水體后，有機(jī)污染物會迅速消耗水中的溶解氧，導(dǎo)致水體處于缺氧，甚至是厭氧狀態(tài)。此時，在物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和生物反應(yīng)的協(xié)同作用下，水體里的有機(jī)物發(fā)生厭氧分解產(chǎn)生硫化氫、氨氣、有機(jī)硫化物等臭氣；此外水體中的金屬離子與硫離子產(chǎn)生黑色絡(luò)合物，使得水體呈現(xiàn)黑色〔1-2，12〕。

為消除水體黑臭問題，需提高水體溶解氧，同時為河道內(nèi)好氧微生物提供充足的氧氣，促進(jìn)微生物的生長繁殖，加速污染河水有機(jī)物的降解速度?，F(xiàn)場建設(shè)鼓風(fēng)機(jī)房1座，占地面積171 m2。主要設(shè)備：羅茨鼓風(fēng)機(jī)4臺，2用2備（其中1臺冷備），風(fēng)機(jī)流量46.44 m3/min，壓強(qiáng)8.8 kPa，功率75 kW；空氣加熱器1套，功率200 kW。

3.6 二級格柵井與循環(huán)提升泵站

二級格柵井與提升泵房為合建式，其處理規(guī)模均為10 000 m3/d，采用完全地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中二級格柵井尺寸7.2 m×2.4 m×8.2 m，含兩個進(jìn)水渠道，進(jìn)水管管徑D 630 mm，壁厚9 mm；提升泵房尺寸 9.2 m×8.2 m×8.2 m。

主要設(shè)備：回轉(zhuǎn)式格柵2臺，功率1.1 kW；螺旋輸送壓榨一體機(jī)，功率2.2 kW；立式潛污離心泵4臺（3用1備），單臺流量為150 m3/h，揚(yáng)程為 26 m，功率為18.5 kW；超聲波液位計1套，量程0～10 m。水泵運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)泵坑內(nèi)液位信號自動控制，運(yùn)行方式與提升泵站運(yùn)行方式相同，采用三液位自控方式。

4 工程特點(diǎn)與運(yùn)行結(jié)果

4.1 工程特點(diǎn)

（1）該河道受潮汐影響較大，因此項目治理遵循“河道內(nèi)生態(tài)治理”理念，一方面不引進(jìn)外來微生物進(jìn)行污泥接種，充分調(diào)動“土著”微生物活性，大大減少工藝啟動時間；另一方面河道兩岸與河底均是自然坡面和自然河底，提高了土壤微生物進(jìn)入水體參與水體凈化的幾率。

（2）實(shí)現(xiàn)多級AO工藝首次在河道內(nèi)的工程應(yīng)用，為多級AO工藝在河道治理工程中的應(yīng)用積累經(jīng)驗。項目利用浮體式隔斷將河道分隔成各自獨(dú)立的串聯(lián)AO反應(yīng)區(qū)，根據(jù)各個功能區(qū)的水質(zhì)指標(biāo)變化，可以調(diào)節(jié)缺氧區(qū)和好氧區(qū)的比例，為反硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌各自提供更適宜的生長環(huán)境。

（3）由于生物除磷技術(shù)不能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類地表水水體總磷排放不能高于0.4 mg/L的限值，所以在深度處理段前端引入化學(xué)除磷單元，確保河道出水TP滿足出水水質(zhì)要求。

4.2 運(yùn)行結(jié)果

河道治理工程建成后，通過4個月的運(yùn)行，對河道水體進(jìn)出水水質(zhì)污染物（主要是CODCr、氨氮和TP）進(jìn)行監(jiān)測，上述污染物去除效果見圖3。

圖3 工藝運(yùn)行期間CODCr、氨氮和TP濃度變化

如圖3所示，當(dāng)運(yùn)行45 d后，出水中的CODCr、氨氮、TP三種污染物濃度均達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類地表水水體標(biāo)準(zhǔn)，水體黑臭現(xiàn)象消失，水體透明度顯著提升，生態(tài)浮島的植物長勢良好，河水中魚蝦數(shù)量增加，河道生態(tài)處于良性恢復(fù)狀態(tài)。

5 結(jié)論與建議

本項目針對現(xiàn)有河道和坡岸進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了“多級AO+化學(xué)除磷”工藝在河道內(nèi)生態(tài)治理的工程應(yīng)用，處理出水中的CODCr、氨氮和TP三種污染物濃度均達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）Ⅴ類地表水水體標(biāo)準(zhǔn)。該河流的成功治理，不僅有效改善河道水質(zhì)，而且為多級AO技術(shù)運(yùn)用于黑臭水體處理提供技術(shù)借鑒和工程示范。