太阳能浮动式原位净化槽对河道排污口污水处理的试验

韩国胜，黄志金，郭 萧，薛露肖，万梅梁

(1.上海汀滢环保科技有限公司，上海 201707；2.上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201707)

随着经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，河道水污染问题也日渐突出，全国出现了很多黑臭河道。城市水体“黑臭在水里，根源在岸上，关键在排口，核心在管网”，水污染物主要是沿水体的各类排污口排放和溢流导致的，城市黑臭河道水体整治工作的关键在于截污纳管，实施雨污分流，控制各类排污口的污水排放[1-3]。但是有些地区排污口截污纳管计划滞后于黑臭河道整治计划，且有些排污口也不具备截污纳管条件，导致很多排污口暂时无法解决，需要通过其他应急方式处理排污口的污染水体[4]。目前，处理此类排污口主要通过建立净化槽初步净化，防止污水直排，应用较普遍的净化槽主要有花坛式净化槽及湿地净化槽。花坛式净化槽在河道中砌筑集水池，将排放的生活污水用水泵抽岸上处理，投资成本高，需要占用河道沿岸空间，此方法施工难度大；湿地净化槽在河道内排污口砌筑人工湿地处理槽，占地面积大，管理难度较大。因此，进行黑臭河道整治，解决各类排污口污水直排现象，考虑水体净化效能、景观效应、环境相容、便于实施等多方面因素，构建排污口的临时净化系统已成为目前黑臭河道治理中急需的措施。

为了有效解决黑臭河道沿线无法截污纳管的排污口问题，构建了一种太阳能浮动式原位净化槽系统，应用于上海市青浦区某河道排污口水体净化工程，通过检测水体指标，研究净化试验效果，以期达到生态治水、原位净水的目的。

1 试验装置与方法

试验所用的太阳能浮动式原位净化槽包括太阳能曝气系统、浮力系统、水生植物系统、浮床框架支撑系统、组合填料系统、浮动式净水屏障系统。其中太阳能曝气系统设置在浮力系统上；浮力系统、组合填料系统、水生植物系统设置在浮床框架支撑系统内；浮动式净水屏障系统设置在浮床框架支撑系统下方，其试验装置如图1所示。

注：1-太阳能曝气系统; 2-组合填料系统; 3-水生植物;4-浮床框架支撑系统; 5-尼龙绳; 6-植物种植网; 7-浮动净水屏障系统; 8-排污口图1 太阳能浮动式原位净化槽系统示意图Fig.1 Schematic Diagram of Solar Floating System In-Situ Purification Tank

1.1 太阳能曝气系统

光伏太阳能曝气系统是利用光电转换原理，将太阳光能利用并转换成电能供增氧机曝气，系统包括太阳能光伏板、曝气控制系统和微孔曝气管路；其中太阳能光伏板和曝气控制系统设置在组合浮箱上。太阳能光伏板为整个太阳能曝气系统提供电能，驱动曝气机运行；曝气控制系统主要控制整个太阳能曝气系统电能储蓄转化、曝气机启停时间。微孔曝气管路包括主管、横支管和纵支管，其中主管穿过浮箱中央延伸至河道；主管侧面均匀分布若干横支管，横支管侧面均匀分布若干纵支管，横支管和纵支管与组合填料系统连接，微孔曝气系统向水体提供溶解氧。

1.2 组合填料系统

组合填料系统呈林立状等间距绑扎在浮床框架支撑系统的尼龙网格上，组合填料自排污口向河道中央分布，长度为0.5～1.5 m，沿坡度增长，分布于内、外框架形成的两个仓内。

1.3 水生植物系统

水生植物系统包括植物种植网和水生植物，水生植物设置在植物种植网上，植物种植网的网孔规格为3 cm×3 cm。选用的水生植物品种选择植株较小、抗风浪、水质净化效果较好的香菇草和大聚草，种植密度为80株/m2。

1.4 浮动屏障净化系统

浮动式净水屏障系统包括沿水流方向依次设置内部过滤层、表面防水层。其中，内部过滤层采用聚乙烯材质1 mm孔径的密网，表面防水层采用PVC凃塑防水布。浮动式净水屏障系统通过缠绕绳分别与内框架、外框架竖直连接,框架均采用DN110的UPVC塑料管道，管道内塞泡沫棉。浮动式净水屏障系统下部卷裹砂石，系统的高度比常水位高0.5～1 m，通过下部卷裹砂石形成的重力与河底接触，不受河底坡面大小影响。该系统可随水位高低自由浮动，汛期雨水排入，屏障自动悬浮，河水从屏障顶部溢流，不影响排涝，能够形成较封闭式的净化系统。

2 太阳能浮动式原位净化槽系统试验

2.1 试验方法

试验设置太阳能浮动式原位净化槽系统规格大小为5 m×3 m×2 m，置于上海市青浦区某河道内部某排污口处，该排污口水体主要来源于周边小区的生活污水，其水质情况如表1所示，排污口直径大小为500 mm。排污量的检测结果显示，日常排污口的平均排水量为10.5 m3/d。河道水体的常水位深度约1.8 m，岸坡比约1∶1.5，则装置系统的平均水深约0.9 m，整体系统的水力停留时间约30.86 h，最短停留时间约19.76 h。

排污口净化槽处理装置采用连续自流进出水的方式运行，在经过15 d的启动挂膜运行之后，正式进入试验。试验开始日期为2017年6月10日，试验系统从开始稳定运行到试验结束共30 d，水温为19～27 ℃，对装置的进水和出水进行检测，取样周期为2 d，取样时刻选中午12点左右，分析各种污染物的去除效果。

表1 排污口的水质情况Tab.1 Water Quality of Sewage Outfall

2.2 分析方法

CODCr、NH3-N、TP、浊度检测方法采用《水和废水监测分析方法》(第四版)中的相关方法[5]：CODCr采用重铬酸盐法，NH3-N 采用纳氏试剂分光光度法，TP 采用钼锑抗分光光度法，浊度采用分光光度法。

2.3 试验结果与分析

2.3.1 CODCr的变化规律

由图2可知，系统进水CODCr不稳定，波动性较大，基本处于40～80 mg/L，其出水CODCr相对较稳定，平均去除率约38.75%，且出水CODCr基本都小于40 mg/L，明显降低了污水的有机物含量。水体中的有机物降解主要通过微生物代谢，即利用系统装置内水下悬挂的生物填料，在曝气的条件下形成生物膜，可使水体中的CODCr得到降解，且利用太阳能进行底部曝气，可弥补微生物降解过程中耗氧量大、大气复氧不足的情况。另外，浮床植物在水下有丰富的根系，也能为微生物的生长提供繁殖生长的微环境[6-7]。

图2 系统装置中进出水CODCr变化情况Fig.2 CODCr Variation of Influent and Effluent in Equipment System

2.3.2 NH3-N的变化规律

由图3可知，系统进水NH3-N波动也较大，基本都在5 mg/L以上，最高能达到8.4 mg/L，出水都较稳定，基本都在4 mg/L以下，最低可达2.13 mg/L，平均去除率达到51.73%，可见系统装置对污水中的NH3-N具有较好的降解作用，其出水NH3-N小于黑臭河道NH3-N指标(NH3-N≤5 mg/L)[8]，对河道水体的治理能起到明显的改善作用。系统水体中NH3-N的降解基本依靠微生物的硝化作用，且利用太阳能曝气为水体持续供氧，发生硝化作用，持续降解NH3-N。另外，水生植物的生长也会吸收部分水中的NH3-N，因此对于水体中NH3-N的去除也有一定的作用[9-10]。

图3 系统装置中进出水NH3-N变化情况Fig.3 NH3-N Variation of Influent and Effluent in Equipment System

2.3.3 TP的变化规律

由图4可知，系统装置内进出水TP波动都较大，对TP的去除效率基本在20%～40%，平均去除率为31.02%。TP主要由颗粒性磷和溶解性磷组成，水中的颗粒性磷主要依靠浮床植物的根系以及水中填料的截留和沉淀作用去除；而溶解性磷主要依靠附着在填料和植物根系上的微生物去除，另外本装置中利用太阳能曝气复氧，能够使水中溶解氧增加，利于水中微生物生长，填料端的微生物特别是聚磷菌等菌种数量会增加[11]。

图4 系统装置中进出水TP变化情况Fig.4 TP Variation of Influent and Effluent TP in Equipment System

2.3.4 浊度的变化规律

由图5可知，系统装置对浊度的平均去除率达46.81%，且出水浊度较稳定，基本位于50 NTU左右。一般情况下水体浊度的去除主要是通过过滤和沉淀[12]，系统内有大量悬挂的生物填料，其比表面积较大，且表面吸附有具有黏性的生物膜，水中悬浮颗粒通过系统装置时，易被吸附到填料表面；另外，系统装置的内部过滤层，也具有一定的截留水中悬浮颗粒及杂质的效果；系统装置的水体停留时间较长，也有一部分的颗粒会沉积到装置系统底部。

图5 系统装置中进出水浊度变化情况Fig.5 Turbidity Variation of Influent and Effluent in Equipment System

3 结论

(1)太阳能浮动式原位净化槽具有生态环保、安装便捷、绿化美观、能源自给等特点，主要通过太阳能曝气系统、生物填料系统、水生植物系统及浮动屏障系统构建而成。

(2)应用于排污口的太阳能浮动式原位净化槽，在约30.86 h水力停留时间下，对排污口的污水中CODCr、NH3-N、TP及浊度都起到有效的降解效果，平均去除率分别达到38.75%、51.73%、31.02%及46.81%，出水NH3-N小于黑臭河道指标，对河道水体的治理能起到明显的改善作用。

(3)通过构建的太阳能浮动式原位净化槽可减少河道周边排污口的直排现象，降低进入河道的污染负荷，对后期河道的进一步修复及治理起到关键性作用，具有一定的推广使用价值。

4 展望

(1)太阳能浮动式原位净化槽主要是应对河道沿线暂时不能截污纳管情况的应急处理装置，虽能通过装置中曝气系统、生物填料系统及水生植物系

统的组合净化污水中的大部分污染物，达到预期的处理效果，但排污口的污水水质不一，无法保证其普适性；同时，由于监测时间不长，不同季节，特别是冬季的效果还需要进一步分析。因此，在后续的试验或应用中还有待进一步验证。

(2)太阳能浮动式原位净化槽的后续运行需要适当的日常管理养护，应避免生态屏障系统的破漏；另外生态浮床的水生植物需及时部分收割，需注意避免对装置中的填料产生较大的扰动，且需及时补种新植株，新植株有着新生长的根系及更强的光合作用，对水质的净化能力也会更好。

(3)太阳能浮动式原位净化槽系统基本能将排污口的污水降解至无黑臭状态，但出水水质仍未达到地表水Ⅴ类水体，还需在河道的后续治理中，利用生态曝气、复合浮床、高效微生物菌剂等生态措施进一步强化改善河道的水质。