常州市缓流水体循环净化研究

刘祺，胡细全*，罗梅，蒋承豪

（1.湖北大学资源环境学院，湖北武汉430062；2.常州市武进区排水管理处，江苏常州213100）

我国的水资源总量较为丰富，位居世界第六，但由于庞大的人口基数，我国人均水资源在世界上的排名仅处于中下水平.同时我国的水资源在空间上存在严重的分布不均的情况，总结起来就是南多北少，东多西少，尤其是在非季风区的内蒙西部，甘肃西北部以及新疆大部分地区都存在着严重的缺水状况，水资源是人类赖以生存的资源，是一个国家能否健康稳定可持续发展的重要因素之一.

随着我国社会和经济的迅速发展，人民生活水平和城市化水平的提高，水资源匮乏和水污染日益严重构成的水危机已成为我国实施可持续发展战略的限制因素[1].水体资源的功能不断弱化，特别是城市缓流水体的环境质量恶化最为明显.通常意义上所指的缓流水体包括湖泊、水库、池塘、某些河流水体等带有明显封闭、半封闭性水体，缓流水体具有流动性小、流动速度缓慢、自净能力差等特点.

虽自改革开放以来，我国对水污染的整治投入了大量的人力物力，但目前水污染仍未得到有效控制，许多江、河、湖、海、水库的水质污染仍很严重[2].有数据显示，截至2011年全国地表水体总体上为轻度污染；对比去年，2012年全国地表水系的污染治理虽有提高，但劣Ⅴ类水质所占比例仍然较高①-②.在城市，居民的环保意识有待提高，生活垃圾及污水直接排放导致城市景观水体污染加剧.因此开发出符合我国国情的受污染缓流水体净化技术，是当前社会发展和环境建设的迫切需要.

1 工程内容

1.1 工程概况

本示范工程地点选择在江苏省常州市大学新村小区的景观河流，该河流全长约460 m，平均宽度为15 m，均深1.3 m，存水量约为12 000 m3，完全循环周期为30 d；在河道边绿化用地建处理设施，从河的东面抽水，经过循环净化装置后，由装置内生物填料上附着的微生物分解吸收，使得原河流得到净化处理，净化过后的水通过配套管道，再返流入原河道西面，在修复水质的同时也修复了水体原先受损的生态系统.

1.2 试验指标及测定方法

总氮（TN）：过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；氨氮（NH3-N）：纳氏试剂分光光度法；总磷（TP）：钼酸铵分光光度法；化学需氧量（COD）：重铬酸钾法；以上均采用国标方法[3].

1.3 主要构筑物及参数

该净化装置主要由接触沉淀池、缺氧池、生化池、脱氮池、微曝气池、接触过滤池、污泥池等7段组合而成，各反应池均为钢砼结构.

1）接触沉淀池：接触沉淀池为砖混结构，设计水力停留时间（HRT）为1.1h，平面尺寸为L×B=3.7m×3.6 m，池深3.5 m，体积为46.62 m3，1座，池中主要填料为接触滤材和除磷材料，体积依次为7.68 m3和3.84 m3.其主要作用类似于污水处理厂的栅格，过滤河道中的固体垃圾污染源.

2）缺氧池：缺氧池为砖混结构，设计水力停留时间（HRT）为1.6 h；生化池混合液回流比为100%；平面尺寸为B×L＝4.7m×3.6m，池深3.5 m，体积为59.22 m3，1座.缺氧池中弹性填料为21 m3，正常运行时保持缺氧状态，定期气提污泥.好氧、厌氧微生物在该池并存，营造了利于硝化反硝化环境，对水中TP、TN去除效果较好.

3）生化池，该池提供了时间程序的污水处理，而不是连续提供的空间程序的污水处理.水力停留时间（HRT）1.1h；平面尺寸为B×L=3.7m×3.6m，1 座；池深3.5 m.曝气强度为气水比2∶1；正常运行时保持好氧状态，定期气提污泥.填料为好氧填料12 m3.

4）脱氮池：设计停留时间HRT=3.2h；平面尺寸为L×B=5.4m×3.8m，2 座，池深为3.5 m.填料为脱氮材料20 m3，除磷材料10 m3，钙体系材料10 m3，脱氮材料具有较高C/N，可作为池内微生物稳定的营养来源.该池对TN除去效率较高.

5）微曝气池：水力停留时间为1.3h，设计负荷为0.50 kg 生物需氧量BOD5/m3·d，平面尺寸规格L×B=3.6m×4.6m，深度为3.5 m.填料为有不饱和炭10 m3，钙体系材料4.08 m3，本装置填料由武汉新天达美环境科技有限公司提供.不饱和碳是微生物养分来源，能使微生物和原生动物和谐地繁殖共存，形成完整稳定的生物链，达到长期分解水中污染物目的.在该池中COD及NH3-N能够得到较为彻底的去除；同时对TN也有良好去除效果.

6）接触过滤池：水力停留时间HRT=0.9h，平面尺寸L×B=3.60m×3.90m.池深为3.5 m，池内填充钙体系材料7.9 m3，池内进水中的固体悬浮物SS 得以去除，得到清澈透明的出水.

7）污泥池：其平面尺寸为L×B=3.60m×1.20m.池深3.5 m.通过各个池之间连结的管道回收各池中的污泥，污泥中含有大量N、P元素，抽取的污泥可以作为园林绿化肥料加以利用.本示范工程工艺流程图见图1.

图1 工艺流程图Fig.1 Process flow chart

2 结果与分析

2.1 总氮去除效果

总氮是水中各种形态无机和有机氮的总量，常用来表示水体受营养物质污染的程度.水中总氮含量是衡量水质的重要指标之一，其测定有助于评价水体被污染和自净情况.经过本示范工程处理后的出水的总氮含量随着设施运行时间变化，如图2 所示.在运行435 d后总氮去除率升至97.5%，此时进水总氮为7.99 mg/L，出水为0.2 mg/L.在净化装置持续运行阶段，出水总氮在运营120 d 后稳定在2 mg/L；在突受外源污染排入后，出水增大，但随着净化装置的持续运行，出水总氮逐渐降低，低至0.2 mg/L，完全满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）V 类水质标准.李园芳等[4]利用人工湿地对城市景观水处理效果的研究中，人工湿地对总氮的去除率仅为41.3%，相较而言，本处理设施对总氮的去除率总体呈增加趋势，最大达到90.0%.

图2 总氮去除效果图Fig.2 Removal effect of TN

2.2 氨氮去除效果

在净化装置运行初期，进水氨氮为10.56 mg/L，但经过净化装置后，出水氨氮降低到7.1 mg/L，削减量为3.46 mg/L.随着净化装置的持续运行，进水氨氮逐渐降低到5.89 mg/L，出水氨氮低至1.15 mg/L，氨氮去除率高达80.52%；在新近污染源排入景观河道后，氨氮增大8.33 mg/L，出水氨氮为1.37 mg/L，此时氨氮的去除率为83.52%；随着净化装置的运行，进出水氨氮均持续降低，进水低至0.84 mg/L，出水低至0.03 mg/L，此时氨氮的去除率高达96.87%；对比何志强[5]在滴水湖引水河生物生态修复实验研究中，应用生物氧化填料和生态浮床等技术对主引水河道进行处理，其对氨氮的去除率为47.3%.在偏低DO 浓度条件下，亚硝化毛杆菌将产生大量N2O等代谢产物[6]会影响氨氮的去除率，从图3得知，净化装置对氨氮的去除率大致保持在50%以上，表明该装置对仍有较好的处理效果.

图3 NH3-N去除效果图Fig.3 Removal effect of NH3-N

2.3 总磷去除效果

磷是水中藻类植物所必须的生长元素，磷元素过量会导致水体富营养化状态.在净化装置运营初始阶段，进水总磷质量浓度为1.14 mg/L，出水总磷质量浓度为为0.33 mg/L，总磷去除率为70.87%；随着净化装置的持续运行，进出水总磷均降低.当有外源污染物排入景观河道时，总磷增大至2.40 mg/L，此时出水的总磷为0.4 mg/L，此时总磷去除率为83.26%；当第二次外源污染物排入河道时，净化装置抗冲击能力明显增强，此时进水总磷仅为1.65 mg/L.在净化装置运行后期，出水总磷持续下降均在0.4 mg/L 以内，由图4 可知总磷去除率在净化装置整个运行过程中，除磷效果在50%左右波动，这主要是由于水质在净化装置运行过程中时有较大变化，且在运营过程中，运营管理也在一定程度上决定了净化装置的运营效果.对比于张海建采用臭氧-气浮循环处理工艺对景观水体进行中试实验过程中，其水质只能稳定在景观水标准范围内[7]，而本工程处理设施出水达到《地表水环境质量标准》IV 类水质标准，故本处理设施对景观河总磷的去除有较好的效果且具有较强的抗冲击负荷能力.

图4 总磷去除效果图Fig.4 Removal effect of TP

2.4 COD去除效果

COD 是衡量水中有机物质含量的指标，其数值大小能够直接反映水体中有机物的含量.由图5 可知，在净化装置初始运行阶段，进水化学需氧量为40 mg/L，出水为34 mg/L，此时的进出水水质均为V类水质.在净化装置运行15d后，由于外源污染物的排入，使净化装置进水COD 高达64 mg/L，此时的出水COD 为56 mg/L.外源污染排入景观河道，加大了净化装置的承载负荷.在净化装置运行到30d后，此时的进水COD为30.2 mg/L，出水COD为14.11 mg/L，化学需氧量去除率达到53.28%，净化装置出水完全达到II类水质要求，COD低于15 mg/L.由此可知，本研究净化装置有较强的抗污承载能力，且抗冲在运行300d 后，化学需氧量去除率最高可达90.72%.在严立[8]等利用潜流式人工湿地净化富营养化景观水体的研究中，三级人工湿地和单级砾石人工湿地二者对化学需氧量的去除依次为36.0%～79.8%和40.3%～61.9%，二者最高去除率却仅为79.8%.

图5 COD去除效果图Fig.5 Removal effect of COD

2.5 河道水质变化

河道治理工程除强调河流景观建设外，更应注重河道水质改善，以恢复河流生态系统[9].在随着设施的稳定运行，河道水质的各项污染指标在大体上呈下降趋势：由图6—图9 可知，河道总氮由开始运行时的8.2 mg/L 降为2.26 mg/L，去除率大于72%；氨氮由7.13 mg/L 降为1.55 mg/L，去除率大于78%；总磷由开始运行时的1.14 mg/L降至0.24 mg/L，去除率大于78%；COD 由最初的40 mg/L 降为12.3 mg/L，去除率大于69%.这四项指标均已达到本工程所预定的目标，并随着设施的持续稳定运行，河道水质能得到更进一步的改善与修复.该河流水质指标除总氮外，其余基本达到《地表水环境质量标准》IV类要求.

3 运营成本分析

本装置运行过程中，由于本示范工程处理规模较小，自动化水平高，基本可实现无人值守，因此主要是电费开支，以0.75 元/度电计，单位电费为0.190元/m3；由于所处理河水有机负荷低，每天产生的污泥量极少，在污泥池内重力浓缩后，上清液排至城市污水管道，底部浓缩污泥每半年抽取一次运至公园绿化带作为花肥利用，减少了污泥的处理费用，每吨水只需花费0.01 元的污泥处理费；考虑现场一人定期巡视，每月气提污泥，每季度进行一次中型维护，每年进行一次大维护.以1 人兼职计，每月1000 元，则人工费为0.067 元/m3；则单位水量运行成本0.267元/m3，即每吨水的处理成本仅为0.267元.

图6 河道水质总氮变化Fig.6 Water quality of TN in the river

图7 河道水质氨氮变化Fig.7 Water quality of NH3-N in the river

图8 河道水质总磷变化Fig.8 Water quality of TP in the river

图9 河道水质COD变化Fig.9 Water quality of COD in the river

4 结论与建议

1）采用缓流水体循环净化技术对受污染的城市景观河流水进行处理，其中净化装置化学需氧量降至30 mg/L以下，总磷降至0.3 mg/L（以P计）以下，氨氮降至1 mg/L以下；该景观河的水质指标除总氮外，其余均基本达到《地表水环境质量标准》IV类要求.

2）该工程以受污染的城市景观河为水源，河水净化后返回该景观河，既从景观河中移除污染物，又有利于河水的水质改善，使河道生态系统在一定程度上得到恢复；工程处理工艺简洁，结构紧凑，处理效果好且占地面积小，每天产生污泥量极少.处理设施在运行过程中，遇雨水、新近污染水等外来负荷的冲击，均有较强的抗冲击能力，可在较短时间内得以恢复.

3）本研究成果对受污染城市缓流水体具有较好的脱氮除磷效果和良好的示范作用，且设施运营成本低，同时为类似的富营养化问题严重的城市景观河流的污染治理提供了新的思路和方法.

[1]王超,朱党生,程晓冰.地表水功能区划分系统的研究[J].河海大学学报:自然科学版,2002,46(5):7-11.

[2]俞建军,沈燕.太湖水域功能与水生态修复[J].环境污染与防治,2008,30(6):96-97.

[3]国家环保总局.水和废水监测分析方法[M].4 版.北京:中国环境科学出版社,2002.

[4]李园芳.人工湿地对景观水体处理效果研究[D].天津:天津大学,2011.

[5]何志强.滴水湖引水河生物生态修复实验研究[D].上海:华东师范大学,2009.

[6]杨宗政,张涛.校园生活污水处理新技术[J].城市环境与城市生态,2002,15(5):14-16.

[7]张海建.小区景观水体水质变化规律及循环处理技术研究[D].西安:西安建筑科技大学,2011.

[8]严立,刘志明,陈建刚.潜流式人工湿地净化富营养化景观水体[J].中国给水排水,2005,21(2):11-13.

[9]王淑燕.李村河生态整治对策及适用技术的研究[D].青岛:青岛理工大学,2010.