低温条件下地面廊道对微污染河水净化效果影响的试验研究

陈晓华

(上海环境保护有限公司，上海　200233)

低温条件下地面廊道对微污染河水净化效果影响的试验研究

陈晓华

(上海环境保护有限公司，上海200233)

依托建立在新沂河河漫滩上的人工廊道中试工程开展现场试验，研究分析低温条件下地面廊道对微污染河水的净化效果。结果表明，地面廊道在沿程第一段对氨氮的去除率最大，之后浓度和去除率均趋于稳定；硝酸盐氮和高锰酸钾指数沿程浓度总体呈线性下降，其中硝酸盐氮去除率受温度影响较大；砾石廊道对高锰酸钾指数的去除率相比植物廊道更高，因为砾石表面的微生物对废水中的有机物降解效果明显，而植物廊道中植物根系对氮有较好的吸收、固定作用，有效提高对氮的去除效果。地面廊道对氨氮、高锰酸钾指数及硝酸盐氮的平均去除率分别在91.1%、50.5%、44.2%以上。

低温; 廊道; 微污染; 净化

1　引　言

微污染水主要是指受有机物污染的地表水[1,2]，有机污染物一部分来源于生活性有机污染，其主要污染指标为高锰酸盐指数、氨氮，另一部分来源于工业性有机污染，其主要污染指标为人工合成有机物(SOC)。

人工湿地系统是一个完整的生态系统，耗能低、投资省、管理费用低[3,4]，同时它出水水质好，抗冲击力强，操作简单、易于维护等优点，但占地面积较大，系统运行易受气候影响，在实际工程中多用于微污染水体的净化、水体沿岸带生态修复以及自然景观建设等[5]。随着人工湿地修复微污染河水以及农村地区人工湿地应用研究的深入，人工湿地逐渐被认为适用于农村地区受污河流的净化[6,7]。

人工地面廊道系统作为湿地的一种形式，在控制水流和矿质养分流动方面的作用已为人们熟知[8]，它可以充分利用当地河道滩地、植物和分布广泛的卵石，具有工艺简单、取材方便、投资费用低、处理效果好、运行管理方便[9,10]等优点，因而，是一个值得深入研究的生态污水处理工艺。目前，人工廊道这一污水处理方式在国内少有人研究，本文将结合新沂河污水治理试验工程[11]，开展该污水处理方式在低温季节对微污染河水中有机物和氮的处理效果影响研究，以期为该处理系统修复城镇微污染河水提供重要的运行参数和技术支持。

2　试验设计与方法

2.1试验设计

廊道的布置主要考虑进水和出水的顺畅，将地面廊道的水流方向沿着保麦子堰的坡度布置，使各湿地床均有0.1%的底坡。整个廊道出水渠道宽2m，长100m，面积为200m2，由砖块和水泥砌成，底部铺设防渗薄膜，两端分别设置配水区和集水区。

植物廊道采用首段进水，填料表层采用100mm厚的开挖堆土，表层之下以5～10mm粒径石灰石掺和适量土壤，厚度为200mm，再往下采用不同级配的砾石铺设。植物沿廊道长度0～30米内布置黄菖蒲(种植密度10株/m2)、30～50m内布置千屈菜(种植密度4株/m2)、50～100m内布置荇菜(种植密度5株/m2)，其中黄菖蒲、千屈菜为挺水植物，荇菜属于漂浮植物。植物廊道构造见图1。

图1　植物地面廊道构建简图Fig.1　Construction of plant artificial surface corridor

图2　砾石地面廊道构建简图Fig.2　Construction of gravel artificial surface corridor

砾石廊道采用阶梯进水，全长共分3段，为了使负荷尽可能的均匀，在填料布置时应顺着水流的方向粒径从大到小布置。每段选用的填料分别为：首段，50～80mm粗砾石；中间段，30～50mm粗砾石；末段，10～30mm粗砾石。砾石廊道构造见图2。

2.2试验条件

廊道系统建于2003年5月，建成后系统采用连续进水方式，流量由进水阀控制。2003年5月～11月经历植物及微生物生长过程，从2003年11月开始稳定运行，直到2004年10月结束整一年的中试工程运行。廊道设计进水水力负荷为0.05m3/(m2·d)，单廊道处理量为10m3/d。廊道进水直接取自新沂河，根据区域水环境监测资料，河流水质处于《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类`V类，部分断面水质劣于V类，主要超标因子为高锰酸钾指数、氨氮。根据实测结果，试验污水中的各项指标负荷如下表。

表　实测污水进水负荷及浓度

2.3试验方法

采样时间选取在2003年11月及12月(秋冬季，水温8℃～10℃)，每隔一定时间(每隔7～8天采样一次，各取样点同时采样)测定水中的相关参数(高锰酸钾指数、氨氮、硝酸盐氮)，检测方法按照《水和废水监测分析方法》[12]中进行。每个廊道布置4个水样采集点，即配水区、廊道第一段末端、第二段末端及出水口，具体位置如图1所示，对应为1、2、3、4处。

3　试验结果与分析

3.1廊道内各污染物沿程浓度变化情况及净化效果

廊道内污水从砾石介质或植物介质中流过，从而产生过滤、沉淀、吸附等物理、化学作用和污染物与基质多种形式的生化反应，微生物在整个净化过程中起着重要作用。

在两个廊道中氨氮浓度在第一段下降幅度较大，去除率在78%～92%之间，之后浓度和去除率均趋于稳定或下降幅度明显变小，最终的去除率在88%～96%之间；硝酸盐氮出口浓度随进口浓度的变化而变化，沿程浓度总体呈线性下降，个别点位浓度出现波动，最终去除率在38%～63%，硝酸盐氮的去除率受低温影响，一些硝化细菌、亚硝化菌、氨化菌、反硝化细菌等不够活跃，导致氨态氮无法向硝态氮转化；高锰酸钾指数出口浓度随进口浓度的变化而变化，与硝酸盐氮类似，但沿程浓度变化呈线性递减，最终去除率在44%～79%之间。

由于采用隔离层保护，廊道系统内部污水温度比自然河流高出2℃～6℃[13]，微生物活性得到提高。此外，廊道系统内大气复氧较充分，系统中基质颗粒表层的生物膜形成了良好的好氧区域，而在生物膜内部形成缺氧区域，当其比例适当时，构成良好的同步消化反硝化微环境。因此廊道系统对微污染地表水中氨氮、高锰酸钾指数及硝酸盐氮仍然有较好的净化效果。在10℃条件下，植物廊道对氨氮、高锰酸钾指数及硝酸盐氮的平均去除率分别为91.1%、50.5%、52%，砾石廊道对氨氮、高锰酸钾指数及硝酸盐氮的平均去除率分别为94.5%、74.2%、44.2%。

植物廊道、砾石廊道内各污染物沿程浓度变化情况分别见图3、图4。

图3　植物廊道内各污染物沿程浓度变化Fig.3　Changes of pollutant concentration in plant corridor

图4　砾石廊道内各污染物沿程浓度变化Fig.4　Changes of pollutant concentration in gravel corridor

3.2植物廊道及砾石廊道净化效果对比分析

两种廊道系统对氨氮的去除效率较接近，平均去除率均大于90%，上下浮动小于±3%，去除率较稳定；砾石廊道对高锰酸钾指数的平均去除率为74.2%，上下浮动5%～-11%，植物廊道对高锰酸钾指数的平均去除率为50.5%，上下浮动4%～-6%，两者平均去除率相差23.7%，砾石廊道去除率明显优于植物廊道，但植物廊道去除率则更显稳定；植物廊道对硝酸盐氮的平均去除率为52%，上下浮动小于11%，砾石廊道对硝酸盐氮的平均去除率为44.2%，上下浮动小于10%，两者平均去除率相差7.8%，且去除率均不太稳定。

砾石廊道在低温条件下，对高锰酸钾指数的去除率更高，说明附着在砾石表面的微生物对废水中的有机物降解效果明显；而植物廊道中植物根系对氮的吸收、固定，可提高氨氮、硝酸盐氮的去除率。见图5。

图5　砾石廊道及植物廊道各污染物净化效果对比Fig.5　Contrast of purification effect between gravel corridor and plant corridor

4　结　语

4.1砾石廊道及植物廊道在沿程第一段对氨氮的去除率最大，之后浓度和去除率均趋于稳定或下降幅度明显变小，最终去除率在88%～96%。硝酸盐氮和高锰酸钾指数的出口浓度随进口浓度的变化而变化，沿程浓度总体呈线性下降，其中高锰酸钾指数最终去除率在44%～79%，硝酸盐氮最终去除率在38%～63%，硝酸盐氮去除率受温度影响较大。

4.2在低温条件下，砾石廊道对高锰酸钾指数的去除率更高，说明附着在砾石表面的微生物对废水中的有机物降解效果明显；而植物廊道中植物根系对氮有较好的吸收、固定作用，可有效提高对氮的去除效果。

4.3温度是影响地面廊道系统对微污染河水处理效率的重要因素，因此，在现有基础上应通过优化系统组成、结构等，提升系统内温度，维持热量平衡，减少能量损耗等措施，可进一步提高污水处理水平。

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Study on the Purifying Effect of Floodplain on Micro-polluted River under Low Temperature

CHEN Xiao-hua

(ShanghaiEnvironmentalProtectionCo.Ltd,Shanghai200233,China)

In order to test the purifying effect of floodplain on micro-polluted river under low temperature, two kinds of artificial floodplain corridors (the gravel corridor and the plant corridor) pilot project were established on Xinyi River. The results indicated that the corridors removed more ammonia (NH3-N) at the first section and then the concentration and removal rate of NH3-N became stable. The concentration of nitrate nitrogen (NO3-N) and potassium permanganate index (CODMn) showed a steady downward trend along the corridor; however the removal effect of NO3-N was greatly influenced by temperature. The removal rate of CODMnin gravel corridor was higher than that in plant corridor. Compared to the gravel corridor, the plant roots in plant corridor had better absorption and fixed function, which could improve the ability of removing nitrogen; however, the microorganism on the gravel surface corridor achieved better performance on organics pollutants in water. The average removal rates on NH3-N、CODMnand NO3-N were more than 91.1% 50.5% and 44.2% for both kinds of floodplain corridor.

Low-temperature;corridor;micro-polluted;purifying

2015-08-05

陈晓华(1979-)，男，上海人，2006年毕业于河海大学环境工程专业，硕士，工程师，主要从事河岸生态环境保护、工程设计及环境咨询。

X703

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1001-3644(2015)06-0029-05