加拿大改良CRI工藝防治流域污染借鑒

楊紹平，梁 敏，王靖嵐，王 賓，李開偉

(四川水利職業(yè)技術學院，四川 崇州，611231)

1 加拿大流域治理基本情況

1.1 加拿大流域資源

流域，指由分水線所包圍的河流集水區(qū)。加拿大水域面積世界第一，除了與美國共有的五大湖外，還有自己獨有的大湖，分別是第一大湖大熊湖，面積3.1153萬km2，第二大湖大奴湖，面積2.86萬km2，南部邊界最大的溫尼伯湖，面積為2.44萬km2。此外，加拿大中小型湖泊多不勝數(shù)，其中面積3km2以上的有3萬余個，100km2以上的有500余個。再加上圣勞倫斯河、馬更些河、育空河等大河，加拿大領土中約有89萬km2為水域面積，淡水資源總量占世界的7%。因此，作為水域廣闊的加拿大，流域污染治理尤為重要。

1.2 加拿大流域治理經(jīng)驗

加拿大曾經(jīng)也深受流域污染的困擾，但近年來，加拿大污染防治效果明顯。加拿大流域污染治理成功主要有幾方面的原因：更新管理措施和完善相關法律制度；資金的大量投入，政府及社會機構投入資金研究新技術、改良現(xiàn)有設施、建設污染設施、治理污染；成立專屬部門負責監(jiān)管；社會公眾的普遍參與，社會機構參與其中，可以減輕加拿大專項人員不足的短板；及時修改污水排放等相關標準；多方式多工藝治理污染水質，如濕地、污水處理廠、CRI濾池等。加拿大的流域防治，經(jīng)歷了多年技術及管理積累，有不少經(jīng)驗可以為我國流域水污染防治提供借鑒。

1.3 CRI系統(tǒng)原理及其在加拿大的應用

人工快速滲濾處理系統(tǒng)(簡稱CRI)，是污水處理系統(tǒng)的一種，其主體是快速滲濾池，系統(tǒng)由至少兩個裝填有一定厚度的填料濾池組成，采用干濕交替的運轉方式，濾池內有好氧、厭氧及兼氧性微生物降解污染物，三種微生物在不同的運行階段分別發(fā)揮主要作用，氮、磷、病原體和有機物等都能得到較好地處理。該法在發(fā)達國家和我國應用廣泛。改良的CRI系統(tǒng)，可根據(jù)不同水質、水量對填料種類、填料層次等進行調節(jié)，與傳統(tǒng)的污水處理方法相比較，該技術建設成本低、運行費用低；應急處理和深度處理能有機結合，出水效果好，不造成投資浪費；不造成二次污染，不對污泥作任何處理，不產生活性污泥；占地面積相對不大，操作簡單；抗沖擊負荷強、系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。加拿大地廣人稀，居住分散，生活污水集中處理成本高，難度大。改良的CRI技術在加拿大的污水處理中應用極為廣泛，并取得良好效果。

2 我國流域污染現(xiàn)狀及CRI技術的應用

中國是世界上河流最多的國家之一，其中流域面積超過1000km2的河流就超過了1500條。按污染源的排放形式不同，流域污染源可分為點源、面源和內源。點源污染指來自工業(yè)及居民生活的污染源;面源主要包括農業(yè)種植污染源、畜禽養(yǎng)殖污染源、水產養(yǎng)殖污染源和城鎮(zhèn)地表徑流污染源；內源主要是底泥污染物釋放產生的污染源[1]。目前，我國流域污染的治理措施主要為工程治理、生態(tài)治理及加強管理等。其中，減少源頭排放、有效控制源頭污染對流域污染治理具有重大意義。到目前為止，經(jīng)濟且能有效降低污染的人工快速滲濾系統(tǒng)已在全國具有一定的市場并在多個行業(yè)取得不錯的處理效果，如城市生活污水、農村污水、工業(yè)污水、河流水及雨水等。截至2016年，CRI技術已廣泛應用于我國多個省市和地區(qū)，僅在重慶地區(qū)就有正常運行的人工快滲污水處理項目59座[2]，建成的實用工程處理規(guī)模從幾十噸/日到十萬噸/日不等，涉及領域廣泛，包括城鎮(zhèn)污水處理、輕微污染河水處理、城市生活污水處理及污水的深度處理等。

3 CRI技術的具體應用

3.1 CRI系統(tǒng)對河水的處理

滏陽河貫穿邯鄲整個市區(qū)，不負責任的企業(yè)將未經(jīng)處理的污水偷排、生活污水的排入及河岸生活垃圾的污染，導致水體水質變差，污染物超標。徐越群等[3]采用人工快速滲濾系統(tǒng)對不能灌溉的滏陽河水(劣五類段)進行水處理試驗，原水主要污染指標的濃度均值為：CODcr251.2mg/L、NH4+-N20.68mg/L，試驗研究了污染物濃度隨處理時間、土柱深度及水力負荷周期因素的變化規(guī)律。結果表明，該法對污水中主要污染物處理效果比較好。試驗考察的幾個影響因素的影響規(guī)律為：出水污染物濃度隨處理時間的延長逐漸降低；出水污染物濃度隨著土柱深度的增加而減小，直至在空間分布上趨于平均；干濕比為1∶4時，系統(tǒng)出水主要污染物率去除效果最佳[3]。

張金炳等[4]進行了人工快速滲濾系統(tǒng)處理深圳市茅洲河受污染河水的試驗研究，實驗中提出了用滲透性能良好的天然砂作為主要滲濾介質，進行現(xiàn)場試驗研究，主要考慮因素為水力負荷周期，試驗時間為期兩年。試驗結果表明，通過縮短水力負荷周期，CRI系統(tǒng)對NH4+-N及COD的去除效果都有明顯改善，主要理由為：縮短水力負荷周期，會增大CRI系統(tǒng)的復氧效率，提高系統(tǒng)的復氧量，有助于有機污染物的好氧生物降解和硝化作用的進行[5-6]；不改變水力負荷，僅縮短水力負荷周期，增加單位時間內污水投配頻率，降低每次投配的污水量，可避免了介質吸附飽及產生污染物穿透的風險，確保系統(tǒng)穩(wěn)定的出水水質。張金炳等[4]試驗結果還表明若使用活性污泥進行微生物接種，可大幅度降低CRI系統(tǒng)到達穩(wěn)定所需時間；滲濾介質中加入少量紅土，CRI系統(tǒng)的水質凈化效果會更加好；不過紅土的加入也有缺點，如使?jié)B濾介質的滲透性變差，導致CRI系統(tǒng)的水力負荷降低，更嚴重的是有可能造成系統(tǒng)的堵塞。

3.2 CRI系統(tǒng)處理雨水中污染物

近年來，城鎮(zhèn)化率有增無減，伴隨而來的是周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，其中水資源短缺、水生態(tài)損害及其污染問題尤其嚴重。多部門的配合及多種措施的實施，對雨水污染的治理有了一定成效，對污染原因和途徑的認識也有了進一步的提高，但城鎮(zhèn)的降雨徑流污染仍然是城鎮(zhèn)水質變差的主因之一，1990年美國EPA(美國環(huán)境保護署)公布的數(shù)據(jù)表明，工業(yè)及農業(yè)等污染源對天然水體都會造成一定污染，其中約30%的污染來源于面源污染，城鎮(zhèn)雨水徑流污染占了約9%。

國內外處理雨水的主要方式有物化處理及生態(tài)處理兩大類，物化處理包括混凝沉淀、磁絮凝、旋流分離及調蓄等方式；生態(tài)處理包括無動力生態(tài)減速降污床、綠色屋頂、生物柵、雨水花園、滲透地面、人工快速滲濾系統(tǒng)等方式。

目前，降雨徑流的處理常常采用土地滲濾處理系統(tǒng)，其中人工快速滲濾系統(tǒng)由于其投資及運行成本不高、出水水質較穩(wěn)定、管理簡單且容易操作等多個優(yōu)點被廣泛應用。采用滲濾技術處理雨水徑流主要有以下兩個優(yōu)點：土壤的吸附、沉淀攔截等作用及土壤中微生物的降解作用自身的凈化能力來降低雨水徑流中污染物的濃度；改善了傳統(tǒng)調蓄池處理能力低、隨天氣變化閑置及收集的雨水再利用率低的問題。近年來，眾多學者研究表明可對滲濾介質進行研究來改善人工快速滲濾系統(tǒng)的出水效果，如對介質進行改性研究等。王沐晴等[7]以控制雨水徑流中COD、TP、氨氮、TN等主要污染物為目標，通過實驗選擇了CRI系統(tǒng)的介質材料，接著在動態(tài)實驗中考察基質種類及組配兩個因素對水中營養(yǎng)元素的出水影響并選出最優(yōu)條件開展中試實驗，最后制備改性介質-殼聚糖改性蛭石，在介質組配和運行工藝條件下進行動態(tài)實驗驗證改性介質的優(yōu)化效果，在篩選出的最優(yōu)條件下運行系統(tǒng)，COD、TP、氨氮和TN的去除率均較高，分別為91.8%、90.2%、94.4%和46.5%，效果優(yōu)于未改性蛭石柱，這為未來CRI降解雨水的發(fā)展提供了理論基礎和研究方向。

3.3 改良CRI對面源農田廢水的處理

農田廢水是水污染中面源污染的重要組成部分，其原因在于灌溉過程中產生的污染，農田耕作中使用的化肥、農藥等的污染，農田排水過程中剩余的營養(yǎng)物質、殘留農藥帶來的污染。農田廢水中的污染物質既包含有機物也有無機物。這些物質除了會污染水體，還會造成農田中氮磷營養(yǎng)元素的流失。目前，農田廢水主要采用灌溉水回用、人工濕地處理、生物濾池處理、生態(tài)溝渠法等方法處理。

朱孝文[8]針對傳統(tǒng)人工快速滲濾系統(tǒng)存在的有機負荷較低、濾床易堵、水中磷的去除率效果較差等主要問題，研究開發(fā)了改進系統(tǒng)，改進后的系統(tǒng)改善了傳統(tǒng)系統(tǒng)的缺點。朱孝文主要對人工快速滲濾系統(tǒng)做了幾點研究：采用不同結構的系統(tǒng)處理農田廢水，對比其出水污染物濃度；研究了磷(P)素在改進系統(tǒng)中的降解路徑及從酶、微生物群落方面考察了改進系統(tǒng)對農田廢水處理機理，結果表明，在不同的層間結構中，進水污染物濃度及水力負荷不同時，污染物的去除率不同，實際運行中，可靈活調整系統(tǒng)構成得到良好的去除效果。

3.4 改良人工滲濾處理稀土開采高氨氮廢水研究

稀土開采在我國南方大多數(shù)采用硫酸銨灌注法，因此，在開采離子型稀土元素過程中，山體中大量的SO42-和氨氮被降雨帶入水體，使廢水中具有硫酸銨含量高、鹽分高、pH較低(酸性)等特點，常規(guī)水處理工藝對此類水中氨氮難以獲得良好處理效果[9]。

ZHOU等人利用循環(huán)藻類生物膜反應器(RAB)處理酸性硫酸鹽廢水，該工藝需光照下3d培養(yǎng)藻類，且需外加水量防止蒸發(fā)，消耗過大[10]。稀土開采高氨氮含量廢水還可采用反滲透、電滲析、蒸發(fā)、MBR等工藝，但這些工藝普遍存在造價及運維成本較高的問題，并且廢水進入工藝前的預處理也較復雜。因此，可靠、成熟、經(jīng)濟的治理技術成為離子型稀土開采廢水行業(yè)急迫的要求。

常規(guī)CRI雖對生活污水、雨水等低氨氮含量的廢水有較好的去除效果，但對TN的處理率較低，且對高氨氮含量廢水的研究較少，更未見對硫酸銨廢水的處理報道。諸多學者都曾對CRI系統(tǒng)填料種類，層間結構等多方面進行改進強化研究，一些改進型CRI在處理養(yǎng)殖廢水厭氧消化液、垃圾滲濾液等高氨氮廢水中，取得了不錯的效果[11-12]。謝穎等[13]以模擬硫酸銨廢水為實驗對象，采用改良人工滲濾系統(tǒng)為處理工藝，加入新的無機材料、構建新的層間結構，提高了系統(tǒng)吸附性能，強化了系統(tǒng)傳質能力，以出水COD和NH4+-N、TN含量等為考察指標，分析系統(tǒng)內微生物群落的分布及NH4+-N去除機理，并結合實際案例考察該系統(tǒng)對廢水的處理效果。實踐證明，與傳統(tǒng)工藝相比，處理性能有所提高。

3.5 強化人工快速滲濾系統(tǒng)處理鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水

鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水主要包含廚房排水、洗浴用水及廁所用水等，水量隨時間及季節(jié)波動大、成分較復雜、間歇性排放、水質變化幅度大。鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水一直是我國水處理的一個難題，其原因主要有：污水的有機負荷和污染負荷差異大，難以準確評估；污水源分布散落，污水收集管網(wǎng)短缺，雨污合流甚至與工業(yè)污水合流致使污水處理難度增大，效率低；經(jīng)費不足，技術落后，缺乏有經(jīng)驗的技術人員，工藝運行不穩(wěn)定，設備維護困難[14]。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理工藝應考慮處理水量、進出水水質、經(jīng)濟成本及出水用途。不同的出水用途則有不同的出水標準，如若出水用作備用水源，則污水標準要求更高，所以，在選擇和設計鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水的處理工藝時需對所在區(qū)域環(huán)境、經(jīng)濟等條件進行綜合考慮。目前，我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水進水濃度不高，通常選用城市生活污水的生物好氧處理傳統(tǒng)工藝進行處理，這些工藝基建及運行費用較高，對管理人員和運行人員要求也高且一旦運行不穩(wěn)定有二次污染環(huán)境的可能。所以，運行穩(wěn)定、成本低、出水水質高的污水土地處理能解決我國小城鎮(zhèn)污水傳統(tǒng)處理工藝的問題。人工快速滲濾系統(tǒng)具有土地處理和天然濕地的優(yōu)點，管理簡單，越來越受到水處理市場的重視。目前，已有大量學者對該系統(tǒng)進行了深入研究，有成熟的理論體系，如強化型人工快速滲濾系統(tǒng)(SCRI)改善了傳統(tǒng)系統(tǒng)TN、TP去除率低，系統(tǒng)周邊生態(tài)性差等問題。SCRI系統(tǒng)改善的具體措施為：在非飽水層中添加一定比例的堿性物質和吸附性較強的物質及在飽水層添加一定比例外加碳源，可提高TN的去除率；在填料層表面栽種四季常青植物，既能提高處理效果，還能起到美化環(huán)境的作用。

張杰斌等[15]2021年也對傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)主要營養(yǎng)元素去除率較低的問題進行了研究，實驗中他以五種填料構建新的改良系統(tǒng)，以生活污水為試驗進水進行周期為20d的試驗，主要對比不同水力負荷條件下的出水效果。試驗結果表明，當系統(tǒng)運行到16d時，主要出水指標已趨于穩(wěn)定，且出水指標能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標限值，該研究成果為鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水的治理提供了理論基礎。

4 結語

傳統(tǒng)及改良的CRI系統(tǒng)應用廣泛，對特定水質處理效果良好，對流域污染治理具有一定成效，且具有成本低、維護簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，有很大的應用前景。但根據(jù)眾多學者的研究表明，CRI工藝要想對特定水質處理良好，需先進行試驗研究，考慮如水力負荷、濾料性質、濾層結構及微生物的接種方式等多種因素。除此以為，我國還可從以下幾方面改善流域污染現(xiàn)狀。

4.1 研究新的治理方法

加拿大之所以流域污染治理小有成就，及時調整和研究新的處理方法功不可沒。建議改變我國的簡單治理模式，采用多種方法、多種工藝聯(lián)合的治理方法。

4.2 帶動社會資源

我國社會資源豐富，政府應積極擴大環(huán)境相關管理和研究機構的數(shù)量，共同解決水污染問題，發(fā)揮企業(yè)、非營利組織、社會公眾等治理主體的作用，完善相關政策，建立合作機制，一致行動，協(xié)力治理。

4.3 及時監(jiān)測水質變化

應及時根據(jù)水環(huán)境容量分配排放指標，及時跟蹤監(jiān)測水質變化，綜合治理，建設規(guī)模更大的污水處理廠，對原有污水處理廠提標改造，并加強工業(yè)污水偷排漏排的監(jiān)管和處罰，多手段多方面綜合治理。

4.4 調整執(zhí)法力度

及時調整執(zhí)法力度，尋求多方監(jiān)管方法，政府、團體、社會公眾參與，如開發(fā)各種簡單方便的APP，公眾可監(jiān)管或投訴；加大資金投入的同時應加強資金監(jiān)管，?？顚Ｓ谩?/p>

4.5 加強各部門合作

我國《水污染防治法》中水污染防治涉及多個政府部門，政府部門之間的有效溝通和合作尤為重要，因此，合作協(xié)調機制決定流域水污染防治的成敗。

4.6 發(fā)揮河長制制度的功效

目前，國家已經(jīng)全面實行河長制，河長制正從有名向有實有能轉變，水利部相繼出臺了《河長湖長履職規(guī)范(試行)》《河湖健康評價指南》等制度，遼寧省、四川省、重慶市、泰州市等省市出臺了地方法規(guī)《河長制湖長制工作條例》，福建出臺了地方標準《河湖長制工作管理規(guī)范》，進一步明確了河長工作職責，通過各級河長努力，從流域水質監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，流域水污染問題得到明顯改善。在河長制全面實施的背景下，對我國流域水污染治理驅動機制進行深入探索研究，能更好地推動流域污染防治工作。