生态滤槽对河道水净化的动态研究

王淑蓉+骆灵喜+林明+梅立永

摘要：针对河流受漏截污水和面源污染物输入的普遍现状，结合人工湿地技术和生物滤池、人工快渗技术，构建出一种具有净化河道水质的生态滤槽。生态滤槽对污染河水的动态净化效果表明，COD、氨氮、总氮、总磷的去除率随水力负荷及进水流量的增大而降低，在水力负荷为0.5 m3/（m2·d）时去除率最高，净化效果最好。污染河水经生态滤槽处理后，COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分别达77.20%、63.29%、57.87%、75.64%。减少生态滤槽数量，发现该生物滤槽出水稳定，抗负荷冲击能力强。

关键词：生态滤槽；河流受漏截污水；动态试验；去除率

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）12-2261-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.12.015

Dynamic Study of Ecological Filter Tank on Polluted River Channel Purification

WANG Shu-rong1， LUO Ling-xi1，2， LIN Ming1， MEI Li-yong1，2

（1.Shenzhen-Hongkong Institution of Industry， Education & Research Environmental Protection Engineering Technique Co.， Ltd.， Shenzhen 518071，Guangdong，China；2.Shenzhen Key Laboratory for Coastal and Atmospheric Research， Shenzhen 518063， Guangdong， China）

Abstract： In accordance with river pollution by sewage interception and non-point sources injection，ecological filter tank system was constructed for river purification by combining constructed-wetland purification，biological filter and constructed rapid infiltration technology. The results of dynamic purification efficiency showed that the average removal efficiencies of COD，NH4+-N，TN，TP were decreased with the increase of hydraulic loading rates. When the hydraulic loading rate was 0.5 m3/（m2·d），the ecological filter tank exhibited the best purification capacity，of which the average removal efficiencies reached 77.20%， 63.29%，57.87%，75.64%，respectively. Also， the ecological filter tank exhibited perfect stability and good load to impact by reducing the quantity of tank.

Key words： ecological filter tank； river pollution by sewage interception； dynamic test； removal efficiency

河流作为自然生态系统之一，在自然水循环中扮演着最重要的环节。经济的快速发展，导致大量的污染物排入河水中，超过河水自净能力，导致水质恶化[1]。在城市河流中，水质恶化现象普遍存在，不仅破坏了景观效果，而且会影响水体生态系统健康[2]。控制外源污染物的输入及采用经济有效的净化技术是有效改善水质的关键[3]。

水生植物及其根系负载生物膜可以有效地吸收降解水中的污染物，通过收割植物可以间接地移除水中污染物。利用水生植物净化污水是一种简单、经济且有效的生态修复技术[4-6]。本试验结合人工湿地技术和生物滤池、人工快渗技术的成熟应用，进行技术组合优化与创新，旨在开发一种针对非感潮河道两侧漏排污水、初期雨水以及部分生活污水的水质净化技术，在污水进入河道前将其截流并导入生态滤槽进行就地处理，净化后再排入河道，从而减轻入河污染负荷，提高河道内水环境质量，同时具有削减雨季面源污染、提升河道景观的功能。

1 材料与方法

1.1 材料

采用本地水生植物美人蕉和蜘蛛兰作为生态滤槽的种植植物。污染河水采用深圳市宝安区石岩镇塘头河河水，河水水质基本指标，化学需氧量为89～106 mg/L，氨氮为20～30 mg/L，总氮为22～20 mg/L，总磷为1.7～2.6 mg/L。

1.2 设计

试验系统设置在深圳市宝安区石岩镇塘头河水质净化厂实验基地。试验装置由4个反应槽组成，将4个反应槽按照1#、2#、3#、4#的顺序串联起来，处理后的河水排入模拟河道。其中1#和2#反应槽长、宽、高分别为2.6、1.3、1.4 m，3#和4#反应槽长、宽、高分别为1.9、1.3、1.0 m。每个反应槽内设置有布水管和集水管。在布水区域、集水区域和滤槽底部连通孔区域用较大粒径的火山石、碎石进行填充，粒径为20～40 mm，其他区域填充小粒径填料，粒径为5～10 mm。1#、3#反应槽种植美人蕉，2#、4#反应槽种植蜘蛛兰。水流流向如图1所示。设计水力負荷依次为0.5、1.0、1.5、2.0 m3/（m2·d），即控制进水流量分别为0.25、0.50、0.75、1.00 m3/h，选出最佳水力负荷条件并进行后续试验。每组试验在试验装置运行24 h以后进行采样。试验时间为2014年8月至2014年9月，每次采集进水水样、出水水样和1个随机平行样。

1.3 方法

水样采集后于当天测定，样品的采集和保存遵照《水质样品的保存和管理技术规定》（HJ 493-2009）。化学需氧量（COD）、氨氮（NH+4-N）、总氮（TN）、总磷（TP）等化学指标按国家标准方法进行测定[7]。CODCr采用快速消解分光光度法测定；NH+4-N采用纳氏试剂分光光度法测定；NO3--N采用紫外分光光度法测定；TN浓度采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定；TP浓度采用钼锑抗分光光度法测定。

2 结果与分析

2.1 水力负荷对生态滤槽净化效果的影响

2.1.1 水力负荷对生态滤槽進出水化学需氧量的影响 由图2可知，本试验过程中进水的化学需氧量浓度范围为95.7～104.3 mg/L，平均为99.4 mg/L。在4种不同的水力负荷条件下，出水水质各不相同，出水化学需氧量分别由99.6、97.9、104.3、95.7 mg/L降至23.3、27.1、34.2、33.2 mg/L。4种不同水力负荷所对应的COD去除率分别为76.61%、72.32%、67.21%、65.31%。

随着水力负荷的增大，生物滤槽对COD的去除率逐渐下降，当水力负荷为0.5 m3/（m2·d）时，生态滤槽对COD的去除效果最好，去除率达到76.61%。由于水力负荷增大，流量增大，使污水在生态滤槽内停留时间缩短[8]，植物表面生物膜与吸附在表面的有机物还未充分反应就被水流带出系统，导致河水中化学需氧量去除率下降。当水力负荷为1.0 m3/（m2·d）时，生态滤槽出水COD去除率达72.32%，浓度小于30 mg/L，仍可达GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水标准。

2.1.2 水力负荷对生态滤槽进出水氨氮、硝氮和总氮的影响 由图3可知，本试验过程中进水的氨氮、硝氮和总氮浓度范围分别为22.20～28.80、0.16～0.45、21.30～25.60 mg/L。经生态滤槽处理后，氨氮、硝氮和总氮浓度分别逐渐降至5.10～18.80、0.19～0.42、5.90～17.30 mg/L，对应的去除率分别为27.47%～78.66%、-15.95%～13.73%、25.82%～74.79%。通过试验数据分析可知，进出水硝氮含量较低，变化较小，其平均值分别为0.32、0.31 mg/L，且出水硝氮浓度及去除率与水力负荷未呈现明显的相关性。出水氨氮及总氮浓度随着水力负荷的增大呈增大趋势，去除率则逐渐减小。随着水力负荷的变化，氨氮与总氮的去除率数值相差不大，具有很好的相关性。表明水中氮元素的去除主要是通过植物的吸收作用减少氨氮的含量，而不是微生物的硝化作用[9，10]。水力负荷增大，流量增大，水流速度相应增大，生态滤槽内污水与植物根系及填料的接触时间缩短，氨氮反应不完全，因此出水氨氮及总氮含量随水力负荷增大而升高。

2.1.3 水力负荷对生态滤槽进出水总磷的影响 水力负荷的改变会影响水在系统内的传质阻力，增加水力负荷会降低植物根系对颗粒性物质的截留吸附作用[11]。由图4可知，系统进水总磷浓度范围为1.74～1.88 mg/L，平均为1.82 mg/L。经过生态滤槽处理后，出水总磷浓度范围为0.19～1.12 mg/L，总磷去除率为37.43%～89.20%。随着水力负荷的增大，部分小颗粒物质未被植物截留，随水流流出系统，导致总磷的去除率随水力负荷的增大而降低。当水力负荷为0.5 m3/（m2·d）时，去除效率最高，为89.20%，出水总磷浓度为0.19 mg/L，低于GB 3838-2002 Ⅲ类水体标准要求的0.20 mg/L。

2.2 河水净化过程中水质指标的日变化

设计水力负荷采用最佳值0.5 m3/（m2·d），调节进水流量为0.25 m3/h，运行24 h待系统运行稳定后开始采样。每周采样两次，共采集5组水样。

2.2.1 生态滤槽对河水COD的净化效果 由图5可知，污染河水COD浓度为89.0～106.0 mg/L，平均为96.5 mg/L，经生态滤槽处理后，COD出水浓度降为17.6～29.0 mg/L，平均为22.1 mg/L。COD的去除率比较稳定，为72.64%～80.22%，平均77.20%。在稳定的生态滤槽内，发达的植物根系负载一定量的生物膜。不仅植物可以吸收水中的有机物，而且植物的根系通过泌氧，提高水槽内溶解氧量，使微生物具有较高活性，从而进一步增强对水中有机物的降解。试验出水COD浓度均小于30 mg/L，基本维持在20 mg/L左右，稳定达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准，GB 3838-2002《地表水环境质量标准》Ⅳ类水标准。

2.2.2 生态滤槽对河水氨氮、硝氮和总氮的净化效果 由图6可知，污染河水氨氮、硝氮和总氮浓度范围分别为20.20～29.20、0.19～0.62、21.30～28.30 mg/L，经生态滤槽处理净化后，NH4+-N、NO3--N、TN出水浓度分别逐渐降至1.57～17.50、0.12～0.52、1.99～18.00 mg/L，平均去除率分别达63.29%、22.58%和57.87%。其中，氨氮平均由26.10 mg/L降至10.06 mg/L，硝氮平均由0.42 mg/L降至0.32 mg/L，总氮平均由24.48 mg/L降至10.62 mg/L。氨氮去除效果最好，总氮变化趋势大致与氨氮接近，去除率较氨氮低，硝氮含量少，去除率最低。可能是由于系统中微生物含量少，溶解氧浓度偏低，导致微生物硝化作用较少，主要依靠植物对氨氮的吸收，从而减少水中含氮量。而反硝化过程需要反硝化菌在厌氧或缺氧条件下进行，反硝化菌为兼性细菌，且反应需要消耗碳源，若无法满足厌氧或缺氧条件，或是前端有机物大量降解导致后端碳源不足，反硝化作用受到限制，导致系统对硝氮的去除效果不佳。出水TN与NH4+-N之间的差值略大于硝氮的含量，表明出水含有有机氮，可能是由于生态滤槽内植物落叶或根系发生腐烂，氮重新释放入水体中。氨氮出水最低浓度可达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准，最高浓度也能达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级标准。总氮出水浓度均能达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B排放标准。

2.2.3 生态滤槽对河水总磷的净化效果 由图7可知，污染河水进水总磷浓度范围为1.71～2.56 mg/L，平均为1.96 mg/L，经生态滤槽处理后，出水总磷浓度范围为0.15～1.17 mg/L，平均为0.48 mg/L。出水总磷去除率为37.10%～91.35%，平均为75.64%。总磷的去除主要依靠植物的吸收和微生物的同化作用两种途径[12]。在开放式的生态滤槽系统中，生物膜量较少，微生物对总磷的同化作用较弱，总磷的去除以植物吸收为主。试验结果表明，生态滤槽对河水中总磷具有较好的去除效果，去除率均达到75%以上。试验出水除了第4天外，其余均能达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A排放标准，第4天也能达到一级B排放标准。

2.3 减槽后水质指标的日变化

将生态滤槽分为1#-4#和2#-3#两个并行的小生态滤槽。1#-4#滤槽是先流经美人蕉，后流经蜘蛛兰，2#-3#则相反。进水流量仍设为0.25 m3/h，由于反应槽数量减半，因此减槽后两个小生态滤槽试验的水力负荷为1.0 m3/（m2·d）。

2.3.1 减槽后河水COD的净化效果 由图8可知，将生态滤槽减半后，进水COD浓度范围为90～103 mg/L，平均为98 mg/L；4#出水口出水COD浓度范围为50.2～56.4 mg/L，平均为53.0 mg/L；3#出水COD浓度范围为46.2～55.5 mg/L，平均为52.3 mg/L。COD平均去除率分别为45.81%、46.63%。3#出水口出水COD的去除率较4#稍好。两个出水口出水COD含量均比较稳定，去除率均大于45%，可以达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B排放标准。减槽后COD去除率均低于减槽前水力负荷为1.0 m3/（m2·d）时的去除率（72.32%）。表明相同水力负荷下，生态滤槽数量的减少导致植物和微生物吸附降解的有机物减少，有机物的去除率降低。同时，两个小生态滤槽出水均比较稳定且COD相差不大，表明该生态滤槽具有较好的抗负荷冲击能力。

2.3.2 减槽后河水氨氮、硝氮和总氮的净化效果 由图9可知，污染河水氨氮、硝氮和总氮浓度范围为21.70～28.80、0.41～0.56、22.40～28.50 mg/L。经生态滤槽处理净化后，4#出水口出水NH4+-N、NO3--N、TN平均浓度分别为20.10、0.50、19.78、19.54 mg/L，3#出水口出水NH4+-N、NO3--N、TN平均浓度分别为20.00、0.52、19.54 mg/L。两个出水口出水NH4+-N、NO3--N和TN指标都比较稳定且数值非常接近。但出水口出水的污染物浓度均高于减槽前水力负荷为1.0 m3/（m2·d）时的出水浓度，无法完全达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级排放标准。4#和3#两个小生态滤槽对NH4+-N、NO3--N和TN的去除率也非常接近，平均值分别为19.89%和20.39%、-4.38%和-8.08%、18.99%和19.95%。氨氮和总氮的去除率接近，但氨氮的去除率稍高于总氮，这是由于总氮中除了氨氮，还存在硝态氮、有机氮等。3#出水口出水的氨氮和总氮去除率均稍高于4#出水口，而硝氮的去除率都为负，表明在减槽后，氨氮的去除中，植物的吸收和微生物的转化都起了重要作用。由于无法满足厌氧或缺氧，或碳源不足等条件，反硝化作用受到限制，导致系统对硝氮的去除效果不佳，以致于出水硝氮浓度高于进水浓度。

2.3.3 减槽后河水总磷的净化效果 由图10可知，进水总磷浓度范围为1.76～2.14 mg/L，平均为1.98 mg/L；4#出水口出水总磷浓度范围为1.12～1.51 mg/L，平均为1.34 mg/L；3#出水口出水总磷浓度范围为1.15～1.37 mg/L，平均为1.27 mg/L。总磷平均去除率分别为32.32%、35.82%。两个出水口出水总磷含量均比较稳定，数值也很接近，均可达到GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B排放标准。总体上看，3#出水口出水效果及总去除率要稍好于4#出水口。

3 小结

水力负荷增大会导致污染物去除率降低。随水力负荷增大，生态滤槽出水化学需氧量、氨氮、总氮和总磷均呈上升趋势。生态滤槽水力负荷在0.5 m3/（m2·d）时为宜，而在水力负荷为0.5～2 m3/（m2·d）时，生态滤槽仍具有一定的污染物去除效果。改变生态滤槽数量及植物顺序，处理污水均具有较好的稳定性。相同水力负荷下，减少生态滤槽数量会明显降低生态滤槽对污水的处理效果。影响生态滤槽的因素很多，如填料、植物、运行参数、pH、温度等，在建设生态滤槽时需针对所处理污水的水文水质特征，综合考虑方能使生态滤槽的处理效果达到最佳。

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