高负荷生态滤床处理城市河道景观水的中试研究

张娟+刘秀丽+王磊

摘要：为研究水力负荷对生态滤床处理效果的影响，创新性地提出了采用高水力负荷（水力负荷高出标准生态滤床约5倍）生态滤床对东营市利三沟水系南段水域进行中试试验研究，对水力负荷选取4～7 m3/（m2·h），探究了水力负荷对生态滤床净化能力的影响。研究表明：水力负荷是影响生态滤床净化污染物的重要因素，其在4～7 m3/（m2·h）的范围内，COD、氨氮和TP的去除率均随着水力负荷的增大先增大后减小，而TN的去除率却随着水力负荷的增大而快速减小。综合考虑水力负荷对CODCr、氨氮及TN、TP等污染物净化效果的影响，以及对经济效益的影响，最佳水力负荷选为4 m3/（m2·h）。

关键词：高水力负荷；生态滤床；城市河道

中图分类号：X522

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0026-04

1 引言

城市景观水体具有水域面积小，与人居环境联系紧密，易受污染，水体自净能力差等特点，加之生活污水、地表径流的注入，使得水中污染物增加，尤其是氮、磷营养元素积累，温度较高时极易造成水体富营养化，甚至爆发水华，严重影响水体生态和周围环境[1]。东营市水系水体长期依赖换水保持水质清洁，造成其自身生态修复能力较弱，且换水费用较高。治理城市景观水是一项复杂的系统工程，目前国内外在使用的城市景观水治理及修复技术主要有物理法、化学法和生物法[2]。针对当前城市景观水环境问题，结合东营市河道水自身特点，对国内外生态滤床技术研究、总结的基础上，提出对东营河道水体的治理采用一种新型高负荷生态滤床工艺。

生态滤床（BF）集生物氧化过程与固液分离于一体，具有投资少、建筑面积小、运行和维护费用低等优点，被广泛用于污水厂出水的深度处理及水源水的预处理[3，4]。高负荷生态滤床具有传质速率高，生物量大，微生物种类多等特点，且具有同滤床相似的过滤作用，容易挂膜，能够处理不同浓度废水，处理工艺流程和设备结构简单，不会出现污泥膨胀。本文研究了生态滤床在超高水力负荷条件下，水力负荷的变动对城市河道景观水水质净化效果和有机污染物去除的影响，以期为今后实际应用中工艺参数的设计提供理论参考和技术支撑。

2 材料与方法

2.1 实验装置

本实验装置采用超高水力负荷的进水模式，利用单组循环复氧生态系统对河道水体污染物的去除效果进行研究，该实验装置采用撬装化钢板整体结构，双系统并行实验流程，并根据水质特点进行针对性选择填料，单组循环复氧生态系统如图1所示。

在实验河道，创新性的运用分布式的方式，在河岸两边放置多个生态滤床同时运行，共同净化河水水质，并且生态滤床上部的水生植物成为很好的景观。由于处于中试阶段，为模拟多个生态滤床共同工作的情形，在水下安装一个10 m3的水箱与之对应，形成一个整体的实验体系，生态滤床系统如图2所示。实验初始泵入10 m3水进入水箱，之后，河水自下而上进入滤床，其中携带的悬浮物被截留，当水位上升到虹吸管顶部并超过后，则产生虹吸出水重新进入水箱。在进出水过程中，空气吸入填料孔隙之中，与填料中的水膜相接触而进行大气复氧，使得填料表面生物膜中的好氧微生物生长繁殖，促进河道水中污染物分解，使水质得到净化[5～7]。生态滤床的进水管设置水阀，能有效控制水力负荷。

滤床断面面积为1 m2，滤料有效深度为1.2 m，填料分3层，依次填充3～5 cm的陶粒，0.8～1 cm的粗砂，0.3～0.5 cm细沙，见图3。

2.2 运行条件

本研究选取山东省东营市利三沟水系南段水域作为典型试验区域进行现场中试试验，生态滤床安装在利三沟水系源头，水箱安装在水面以下。

在设备运行稳定后，利用进水水阀有效控制水力负荷，在相同运行条件下，研究生态滤床在水力负荷分别为4 m3/（m2·h）、5 m3/（m2·h）、6 m3/（m2·h）、7m3/（m2·h）时，对水质污染物去除效果的影响。

2.3 監测项目与分析方法

水质分析化验方法采用国家环境保护局规定的有关标准分析方法（表1）对该污水进行检测。CODCr采用重铬酸钾法（ GB/T11914-1987） ； NH+4 -N 采用纳试剂分光光度法（ GB/T7479-1987） ； TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法（GB/T11894 -1989 ） ； TP采用过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法（ GB/T11893-1989） [8] 。

3 实验结果与讨论

3.1 CODCr去除效果的分析

图4为生态滤床的水力负荷分别为4 m3/（m2·h）、5 m3/（m2·h）、6 m3/（m2·h）、7 m3/（m2·h）时，对CODCr去除率的影响。由图4可以看出，水力负荷在4～7 m3/（m2·h）范围内，生态滤床对水中有机物的去除率均为62%以上。水力负荷为5 m3/（m2·h）时，CODCr的去除率最大，达到78.04%。

由此可以得出，水力负荷对COD去除率影响较小，其原因主要是由于高负荷生态滤床在水力负荷较高的情况下，传质阻力小、速度快，加上溶解氧充足，加快了生物膜的更新，河水在经过生态滤床的过程中， 通过填料截留作用和生物膜中的微生物吸附，并通过氧向生物膜内部的扩散，在膜中发生生物氧化等作用，从而完成对有机污染物的分解[9]，使水体中污染物达到很好的去除效果[10]。另一方面，强大的水力冲刷使填料上形成的生物膜脱落，并由虹吸作用进入水箱，水箱中的微生物和活性污泥能同时降解有机物，这样，可以通过生态滤池中填料表面的生物膜及水箱中的活性污泥两方面作用来降解有机物。因此，水力负荷较高时，COD去除率仍能保持在较高水平上。

3.2 氮去除效果的分析

污水中的氮主要以氨氮和有机氮的形式存在。在生态滤床中氮的转化作用包括有机氮的氨化作用、硝化作用、反硝化及氨的同化作用[11，12]。由图5可以看出，高负荷生态滤床对水中氨氮的去除效果较好，均维持在70%左右。较高的负荷使河水在生态滤床中的停留时间较短，曝气充足，溶解氧含量高，填料上附着大量微生物，硝化菌大量繁殖，充足的氧环境为硝化菌的生长和代谢提供了有利条件，使硝化反应较强[13]。因此，氨氮去除率能一直保持在较高水平。

水力负荷为4～6 m3/（m2·h）时，氨氮去除率随着水力负荷的增加而增大，而水力负荷为7 m3/（m2·h）时，氨氮去除率大幅度降低，其主要原因可能是强大的水流使生物膜难以附着在生态滤床上，造成氨氮去除率降低。

图6为生态滤床对TN去除效果的分析，可以看出，水力负荷对TN的去除率影响较大，水力负荷在4～7 m3/（m2·h）时，TN的去除率随水力负荷的增大而下降，其主要原因是在生态滤床在较高的氧环境下运行，河水中的有机氮被异养微生物首先转化为氨氮，隨后氨氮在硝化细菌的作用下转化为无机的硝态氮和亚硝态氮[14]。但随着水力负荷的增大，生态滤床中DO增大，较好氧环境阻止了反硝化细菌的反硝化反应，另外，碳源供应不足是反硝化作用的另一限制因素[15]。因此反硝化作用受到抑制，无法将由硝化反应形成的NO-2、NO-3还原为N2，硝态氮大量积累，不能从系统中除去，造成TN 去除率逐渐下降。

3.3 TP去除效果的分析

当水力负荷为4～5 m3/（m2·h）时，随着水力负荷的增大，TP的去除率先增大，但当水力负荷大于5 m3/（m2·h）时，TP的去除率急剧下降，当水力负荷为7 m3/（m2·h）时，TP的去除率仅为36.59%。

生态滤床系统中的磷主要是通过微生物的吸收和填料的物理化学作用来去除[16]，进水中的有机磷经微生物吸附作用转化为磷酸根，微生物量在生长的同时进行硝化作用，利用一部分磷酸根，微生物中聚磷菌具有厌氧释磷，好氧超量吸磷的生理特性[17]。当水力负荷增大时，溶解氧充足，微生物硝化作用增强，因此硝化时同化作用利用的磷增加，使磷的去除率增大[18，19]，而水力负荷过大时，处理水的流速过大，对填料的冲击将吸附在填料表面的磷冲出系统，造成TP去除率下降。因此，TP的去除率会随水力负荷的增大而减小。

4 经济效益分析

治水成本是决定该技术是否能大规模的推广和应用，因此研究治水成本十分必要。该项技术的成本主要为电耗，研究了在不同水力负荷下对水质污染物的净化效果进行了成本分析。按照中华人民共和国国家标准（GB/T3838-2002）《地表水环境质量标准》基本项目标准限值的要求，水箱水质达到地表水水质标准，治水成本如表2所示。

治水成本随着水力负荷的增大而增大；而在相同水力负荷下，治水成本随着地表水环境质量标准基本项目标准限值要求增高而增大。在城市河道高负荷生态滤床的最佳水力负荷4 m3/（m2·h）时，水质达到《地表水环境质量标准》基本项目标准限值Ⅴ类的平均治水成本为0.75 元/m3， 水质达到Ⅳ类时， 平均治水成本为1.15 元/m3，水质达到Ⅲ类时，平均治水成本为1.75 元/m3。

5 结论

（1）水力负荷是影响生态滤床净化污染物重要因素，水力负荷在4～7 m3/（m2·h）的范围内，COD、氨氮和TP的去除率均随着水力负荷的增大先增大后减小，而TN的去除率却随着水力负荷的增大而快速减小。

（2）较高的水力负荷使溶解氧充足，为微生物提供了良好的生存环境，有利于硝化细菌的硝化作用，但却抑制了反硝化细菌的反硝化反应，对水中总氮的去除产生影响，另外，碳源供应不足可能是是反硝化作用较差的另一主要原因。

（3）综合考虑水力负荷对COD、氨氮、TN、TP等去除效果的影响，城市河道高负荷生态滤床的最佳水力负荷为5 m3/（m2·h）。但从经济角度出发，水力负荷最佳为4 m3/（m2·h），既能使河水达到良好净化效果又能保证成本合理。

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