生物填料系統(tǒng)河道水質(zhì)提升工藝案例研究

關(guān)鍵詞：生物填料系統(tǒng)；河道水質(zhì)提升；案例分析；去除效果

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

水體富營養(yǎng)化的主要原因是氮磷物質(zhì)的過度累積，自然水體中的總磷濃度超過0.02mg/L，總氮濃度超過0.2mg/L，水體富營養(yǎng)化風(fēng)險將顯著增加。東山鎮(zhèn)地處太湖湖心區(qū)，鎮(zhèn)內(nèi)河道大部分直通太湖，對太湖水質(zhì)有一定影響。因此，人湖河道水質(zhì)改善對太湖東部湖區(qū)的水質(zhì)達(dá)標(biāo)具有重要意義。

對于河道水質(zhì)提升，國內(nèi)外主要研究集中于黑臭水體治理，大都將生活污水的處理方法直接應(yīng)用于河道治理。常用的方法有一定凈化效果，但施工難度大、去除效率偏低、運維成本高。近年來，一體化處理設(shè)備因高度集成、占地小、效果明顯、建設(shè)快、費用低等特點，在農(nóng)村具有更好的適用性。但現(xiàn)有設(shè)備多用于農(nóng)村生活污水處理，工藝多為AAO、MBR、AO主體工藝及其衍生耦合工藝等。設(shè)計水質(zhì)為市政廢水或農(nóng)村污水，特點是進(jìn)水COD、NH₃-N濃度高，但多數(shù)農(nóng)村河道進(jìn)水COD、NH₃-N較低。此外，由于工藝多樣和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，設(shè)備在使用中常出現(xiàn)處理效率不高、出水水質(zhì)超標(biāo)、運維成本高等問題。

基于此，以王舍港為基礎(chǔ)，調(diào)研河流污染物來源、產(chǎn)生量，采用以生物緩凝填料為載體的一體化生物填料系統(tǒng)，結(jié)合河道水質(zhì)濃度較低且不穩(wěn)定的情況，調(diào)試運行并分析污染物去除效率，以期為該系統(tǒng)在河道水質(zhì)提升中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1河道現(xiàn)狀

1.1河道概況

王舍港位于蘇州市吳中區(qū)東山鎮(zhèn)陸巷村，河道長度300 m，寬度10 m，河底高程2.4 m，河道斷面為梯形，屬斷頭浜，河道功能為排水和工農(nóng)業(yè)用水。

1.2河道存在問題

王舍港河道流域面積小，徑流區(qū)短，為斷頭浜河道。由于水體的水動力不足，污染物在河道中水力停留時間較小，污染物消納緩沖空間不足，易于水體內(nèi)累積。同時，河道兩側(cè)為農(nóng)田區(qū)，農(nóng)業(yè)面源受降雨徑流影響，對河道的沖擊負(fù)荷大。此外，河道與太湖相連，枯水期河道水質(zhì)受太湖返流的影響，太湖返流攜帶懸浮有機(jī)物和藍(lán)藻等浮游生物人河，會對人湖河道水質(zhì)造成一定的影響。

1.3河道污染源調(diào)查分析

王舍港流域范圍內(nèi)村莊污水現(xiàn)已全部納入市政管網(wǎng)，河道兩側(cè)用地類型為農(nóng)田、坑塘水面和果園，污染源主要為面源和內(nèi)源。經(jīng)監(jiān)測，河水COD均值約為15.4339 mg/L，BODs均值均為5.6597 mg/L，氨氮均值約為0.2333 mg/L，總磷均值約為0.1672 mg/L，石油類均值約為0.0012mg/L。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查計算，王舍港河道污染物總量中COD、N、P分別為4.74、1.10、0.17t/年。

1.3.1面源

王舍港的面源污染包括農(nóng)業(yè)面源和初雨面源。其中，農(nóng)業(yè)面源系指農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，溶解的或固體的農(nóng)藥、化肥等污染物，在農(nóng)田排水、地表徑流以及地下滲漏的作用下，污染物大量流人受納水體導(dǎo)致的污染。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，初雨面源污染物量中COD、N、P分別為2.17、0.20、0.01t/年。農(nóng)業(yè)面源方面，王舍港周邊為少量農(nóng)田、坑塘水面和果園基地。調(diào)取東山鎮(zhèn)2020年13個行政村的肥料使用情況，考慮化肥50%的流失率，最終單位農(nóng)田的COD流失系數(shù)取160.00 kg/ha年，TN流失系數(shù)取68.10 kg/ha年，TP流失系數(shù)取13.62 kg/ha年。計算得出王舍港河道農(nóng)業(yè)面源污染物量中COD、N、P分別為1.51、0.64、0.13t/年。

1.3.2內(nèi)源

參考國內(nèi)學(xué)者對太湖流域的研究，COD、TN、TP的釋放強(qiáng)度取578.00 mg/m²·d、136.00mg/m²·d、16.78mg/m²·d，計算得出王舍港河道內(nèi)源污染物量中COD、N、P分別為1.06、0.25、0.03t/年。

2工藝設(shè)計

2.1生物填料系統(tǒng)

生物填料系統(tǒng)是以生物緩凝填料為生物載體，并集成動力裝置的水凈化處理設(shè)備，工藝流程圖如圖1所示。該系統(tǒng)采用旁路治理的思路，能靈活應(yīng)用于各種被污染水體，分為固、液兩相過濾凈化和氣、固、液三相反沖洗這兩道工序，交替循環(huán)處理。

2.1.1生物填料

生物緩凝填料主要為多空隙的結(jié)構(gòu)，具有非常細(xì)密且豐富的孔隙，使系統(tǒng)內(nèi)水流紊亂，產(chǎn)生大量旋渦，水中浮游物在旋渦的作用下依密度分離，并滯留吸附在填料內(nèi)不同位置。浮游物主要包括河道內(nèi)本土的細(xì)菌、真菌、藻類、原生動物和后生動物等微生物，這些微生物與生物緩凝填料表面結(jié)合，在適宜的條件下大量增殖，并生成生物膜。而大顆粒的懸浮物則因為填料較高的孔隙率，過濾阻力小，易于被填料波紋狀的孔隙攔截，從而能夠得到順暢、高效地過濾。同時，該生物緩凝填料材質(zhì)較輕，在反沖洗過程中，由于處于流化狀態(tài)，內(nèi)部的懸浮物極易清理干凈。此外，該生物緩凝填料具有較高的幾何穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，對強(qiáng)酸、氧化劑和還原劑等的抵抗能力均較強(qiáng)。

2.1.2成膜工作原理分析

該系統(tǒng)將水域中的微生物和污染物吸人裝置，利用材料的物理吸附特性，使微生物和污染物都滯留于材料內(nèi)部。其中，微生物以污染物為食物進(jìn)行大量繁殖，并利用該材料表面積大的特點，一定時間后在材料表面形成生物膜。

在一段時間后，材料表面的微生物排入水中，這一過程通過微生物氧化分解有機(jī)物來凈化原水域。此外，該系統(tǒng)內(nèi)同時布置有氣泵，能極大地提高水中含氧量，使系統(tǒng)內(nèi)水中的微生物有了充足的含氧量，生物凈化的能力大大增強(qiáng)。

2.1.3脫膜工作原理分析

脫膜的間隔時間根據(jù)水體的污染程度和速度、環(huán)境溫度、自凈能力以及微生物的數(shù)量進(jìn)行設(shè)定和調(diào)節(jié)。本設(shè)備同時配備有微動攪拌裝置與充氣泵系統(tǒng)，通過設(shè)置不同的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

2.1.4水體流動分析

水流通過生物填充材料的曲表面，分成流速不同的水流，干凈的水流迅速通過材料流出；水中的雜質(zhì)由于比重則停留在材料內(nèi)部，或者加入流速慢的水流流人別的材料內(nèi)，停留在其他材料內(nèi)部。同時，內(nèi)置的攪拌裝置與充氣設(shè)備，會對箱體內(nèi)的水流進(jìn)行充分的擾動。此外，設(shè)備箱體分為兩個槽體串聯(lián)結(jié)構(gòu)，將延長停留時間使生物在培養(yǎng)箱內(nèi)盡可能生長。

2.2分析方法

在試驗過程中，COD含量的測定采用重鉻酸鹽法（HJ 828-2017）；NH₃-N含量的測定采用納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）；TP含量的測定采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893-89）。

3運行效果分析

3.1COD去除效果

COD的去除效果如圖2所示?？梢钥闯?，該生物填料系統(tǒng)對于低COD濃度河道的水質(zhì)提升有著較大作用。試驗過程中，該生物填料系統(tǒng)的進(jìn)水COD濃度范圍為9.4196～23.5520mg/L，平均值為15.4339 mg/L。系統(tǒng)的出水COD濃度范圍在5.4277～13.5590mg/L之間，平均值為8.7006mg/L，去除率均在36.10%以上，平均去除率為43.48%，最高去除率達(dá)58.47%。可以看出，當(dāng)?shù)?日和第14日進(jìn)水濃度偏高時，該生物填料系統(tǒng)對COD亦有著較高的去除率，分別為42.43%和50.29%。25天的系統(tǒng)出水濃度均能達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（ GB3838-2002）中Ⅰ類水的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 NH₃-N去除效果

NH₃-N的去除效果如圖3所示。可以看出，該生物填料系統(tǒng)對于低NH₃-N濃度河道的水質(zhì)提升有極大作用，生物填料附著的微生物在適宜的溫度、溶解氧及曝氣條件下，通過吸附、氧化并分解水中的大部分有機(jī)物，并將進(jìn)水中的大部分氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，同時，附著的微生物利用水中有機(jī)物作為碳源，并進(jìn)行反硝化反應(yīng)，達(dá)到去除NH₃-N的目的。試驗過程中，該生物填料系統(tǒng)的進(jìn)水NH₃-N濃度范圍為0.1033～0.7127mg/L，平均值為0.2333mg/L。系統(tǒng)的出水NH₃-N濃度范圍在0.0311～0.1521mg/L之間，平均值為0.1058mg/L，去除率均在40.77%以上，平均去除率為51.07%，最高去除率達(dá)86.63%。此外，當(dāng)進(jìn)水濃度偏高時，該生物填料系統(tǒng)對NH₃-N的去除率也呈現(xiàn)一定的增強(qiáng)趨勢，這一定程度上是由于曝氣裝置曝氣量的提高促進(jìn)了水中微生物的硝化作用，進(jìn)而提高了NH₃-N的去除效果。其中，僅1天出水濃度未能達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）中Ⅰ類水的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實際情況來看，主要原因是當(dāng)天不僅進(jìn)水濃度偏高，同時氣溫驟降至10度左右，一定程度上影響了該系統(tǒng)的去除效率。

3.3 TP去除效果

TP的去除效果如圖4所示。由圖4可以看出，該生物填料系統(tǒng)對于低TP濃度河道的水質(zhì)提升有很好作用。試驗過程中，該生物填料系統(tǒng)的進(jìn)水TP濃度范圍為0.0981～0.3772mg/L，平均值為0.1672mg/L。系統(tǒng)的出水TP濃度范圍在0.0535～0.1679mg/L之間，平均值為0.0900mg/L，去除率均在30.01%以上，平均去除率為43.59%，最高去除率達(dá)63.43%。其中，有16天出水濃度能夠達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）中Ⅱ類水的標(biāo)準(zhǔn)，占測試總天數(shù)的64%。其余9天由于進(jìn)水濃度較高，出水濃度未能達(dá)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）中Ⅱ類水的標(biāo)準(zhǔn)，但該生物填料系統(tǒng)對TP的去除率相比較低TP濃度進(jìn)水時有所增強(qiáng)，均在50%左右，出水濃度能夠達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）中Ⅲ類水的標(biāo)準(zhǔn)。

4結(jié)論

此工程將以生物緩凝填料為載體的一體化生物填料系統(tǒng)應(yīng)用于王舍港河道治理中，該設(shè)備出水水質(zhì)較為穩(wěn)定，COD、NH₃-N和TP的出水均值分別為8.7006、0.1058、0.0900 mg/L，各項指標(biāo)去除率均值分別為43.48%、51.07%、43.59%，出水水質(zhì)能穩(wěn)定達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類的要求，COD和NH₃-N更是基本能達(dá)到類水標(biāo)準(zhǔn)，滿足湖心區(qū)水質(zhì)指標(biāo)力爭達(dá)到Ⅲ類的要求。此外，該設(shè)備工藝運行效果良好，實現(xiàn)了COD、氨氮偏低的河道水中良好的氮磷去除效果。同時設(shè)備無需投加碳源，無需專人值守，建設(shè)周期短，出水效果好，運維費用低，占地面積小，安裝便捷，可為中國農(nóng)村河道治理提供參考。