低溫條件下生態(tài)礫石床技術(shù)在河道水質(zhì)凈化中的應(yīng)用

鮑子谷，邱迪

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，武漢430079；2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，武漢430010）

1 引言

生態(tài)礫石床作為一種典型的河道水質(zhì)異位凈化技術(shù)，具有運行成本低、維護(hù)簡便、生態(tài)性高和低碳環(huán)保等特點[1]，目前已經(jīng)開展了大量的工程實踐，已廣泛應(yīng)用在河道水質(zhì)凈化工程中。

生態(tài)礫石床技術(shù)以天然礫石為填料作為微生物載體，是一種模仿生態(tài)、強(qiáng)化生態(tài)自然凈化水質(zhì)的工藝技術(shù)。生態(tài)礫石床可通過接觸沉淀、吸附、生物降解等多重作用有效去除污水中的BOD5、SS、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）。作為一種生態(tài)處理工藝，在低溫環(huán)境下，受制于工藝系統(tǒng)中生物活性降低等因素，其水質(zhì)凈化效率的下降不可避免。在低溫效率降低的情況下，生態(tài)礫石床能否有效凈化水質(zhì)，仍值得深入研究。本文以某工程為研究對象，探討了以生態(tài)礫石床為主的生態(tài)組合工藝在低溫條件下對河道水質(zhì)凈化的應(yīng)用及效果，可為國內(nèi)類似條件下的工程設(shè)計提供參考。

2 項目概況

本工程所在區(qū)域年日平均氣溫≥25℃的日數(shù)小于80 d，年日平均氣溫≤5℃的日數(shù)約120 d，屬于寒冷地區(qū)。項目河道現(xiàn)狀水質(zhì)與規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)仍有較大差距，本工程擬通過異位凈化技術(shù)對河道水質(zhì)進(jìn)行凈化，削減河水中的污染物，保障流域水安全。本工程規(guī)模為20萬m3/d，選址于河道旁農(nóng)田區(qū)域。

本工程采用的處理工藝是以生態(tài)礫石床為主再結(jié)合穩(wěn)定塘構(gòu)成的組合濕地工藝形式。工程通過取水泵進(jìn)水，河水在前置沉淀生態(tài)塘中沉淀、配水后，進(jìn)入生態(tài)礫石床進(jìn)行處理，再在多塘系統(tǒng)中調(diào)蓄與復(fù)氧并進(jìn)一步提升水質(zhì)，出水最終排回河道。本工程礫石床單元為2級串聯(lián)，單元進(jìn)水和收水均采用穿孔花管，確保單元內(nèi)進(jìn)出水均勻。生態(tài)礫石床的水力停留時間約為13 h，表面水力負(fù)荷為0.70 m3/（m2·d）。單元內(nèi)裝填礫石填料，礫石粒徑為20～40 mm，裝填高度為1.0 m，裝填孔隙率為40%。

3 運行效果分析

本工程于2020年11月竣工驗收，經(jīng)過3個月的試運行后，于2021年1月下旬開始正式運行。工程正式運行期間該區(qū)域已進(jìn)入冬期，在隨后的1～4月也處于低溫條件，區(qū)域平均氣溫低于13℃，平均水溫也低于15℃，礫石床床體中微生物的活性必然會受到一定影響，水質(zhì)凈化效果會一定程度降低。本文擬通過選取工程1～4月低溫期間的進(jìn)出水水質(zhì)實測數(shù)據(jù)，探討在低溫條件下生態(tài)礫石床工藝在河道水質(zhì)凈化中的應(yīng)用效果。

根據(jù)實測的水質(zhì)數(shù)據(jù)，1～4月生態(tài)礫石床進(jìn)水COD的指標(biāo)基本處于Ⅳ類水到劣V類水之間，濃度在25.5～40.2 mg/L間波動，經(jīng)礫石床處理后出水COD降至20.9～30.0 mg/L，均滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅳ類水的要求，COD的去除率在16.1～32.9%之間波動，詳見圖1。1～4月濕地系統(tǒng)進(jìn)水中的NH3-N濃度在Ⅲ類和劣V類水標(biāo)準(zhǔn)之間波動，處于0.77～2.25 mg/L，經(jīng)礫石床處理，NH3-N降至0.61～1.56 mg/L，基本滿足III類水到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N的去除率在14.1～35.0%之間波動，詳見圖2。1～4月濕地系統(tǒng)進(jìn)水中的TP濃度在III類和劣V類水標(biāo)準(zhǔn)之間波動，處于0.19～0.43 mg/L，經(jīng)礫石床處理后降至0.17～0.31 mg/L，基本滿足III類至Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，TP的去除率在10.5%～33.3%波動，詳見圖3。

圖1 生態(tài)礫石床對COD的去除率

圖2 生態(tài)礫石床對NH3-N的去除率

圖3 生態(tài)礫石床對TP的去除率

4 結(jié)果討論

4.1 COD去除效果討論

從監(jiān)測結(jié)果中可以看出，COD的去除率從1月到4月隨氣溫和水溫的升高是逐步增加的。這和生態(tài)處理系統(tǒng)中微生物對COD的去除作用脫不開關(guān)系[2]。在生態(tài)礫石床運行過程中，礫石填料的表面會附著和生長大量微生物形成生物膜，水中溶解性的有機(jī)物在流經(jīng)這些生物膜時就會被微生物攝取和利用，從而對COD進(jìn)行去除。水溫低時，填料表面微生物的活性降低，微生物代謝減慢，其攝取和利用有機(jī)物能力下降，整個生態(tài)系統(tǒng)COD的去除效率就相對較低，而隨著氣溫逐漸升高，微生物活性逐漸恢復(fù)，COD的去除效率也就相應(yīng)得到提高，這也與本工程水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果反映出的規(guī)律一致。除了微生物的生化作用，另一方面，生態(tài)礫石床還可通過礫石填料對污水中不溶性有機(jī)污染物進(jìn)行物理攔截、過濾和吸附[3]。填料的物理作用基本是不受溫度影響的，而是受填料本身吸附飽和度的影響更大。工程運行初期，填料剛開始發(fā)揮吸附作用，遠(yuǎn)未達(dá)到吸附飽和度，可在低溫條件下微生物生化作用受到限制時，通過物理作用去除COD使生態(tài)礫石床的出水滿足項目要求。

4.2 NH3-N去除效果討論

監(jiān)測結(jié)果反映出NH3-N的去除率也隨著水溫和氣溫的升高逐漸增加。這與生態(tài)處理系統(tǒng)對NH3-N去除的機(jī)理也是相符的。生態(tài)礫石床填料表面微生物中含有硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌，在礫石床填料好氧、厭氧和缺氧區(qū)條件下，微生物通過硝化和反硝化作用能去除一部分氮，這也是生態(tài)處理系統(tǒng)中氮去除的主要途徑[4]。硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性和代謝同樣會受到溫度的影響，在低溫條件下，硝化和反硝化細(xì)菌代謝緩慢，硝化作用和反硝化作用效率降低明顯[5]，會影響生態(tài)礫石床NH3-N的去除效率，而生態(tài)礫石床中填料的物理吸附攔截作用也可以去除部分氮，不受溫度影響的物理攔截吸附作用就對生態(tài)礫石床在低溫條件下發(fā)揮除氮功能起到了一定支持作用，從而保證了本工程在低溫條件下也能達(dá)到14.1%～35.0%的NH3-N去除率，保證出水NH3-N滿足項目設(shè)計要求，基本優(yōu)于Ⅳ類水。

4.3 TP去除效果討論

監(jiān)測結(jié)果表明TP的去除率在1～4月處于震蕩的趨勢，并未隨著氣溫和水溫的變化有明顯的趨勢。雖然TP能通過微生物的同化吸收以及聚磷菌對磷的過量積累去除，但有研究表明，生態(tài)處理系統(tǒng)中微生物的數(shù)量與TP的去除效果并無明顯關(guān)系[6-7]，微生物作用吸收對TP去除的貢獻(xiàn)也占比相對有限。系統(tǒng)中TP的去除主要還是靠填料的物理攔截吸附作用和化學(xué)作用實現(xiàn)，填料通過物理攔截吸附能吸附一定量的TP，同時填料中的鈣、鐵、鋁等離子還能與磷發(fā)生沉淀反應(yīng)，也可以去除一定量的TP[8]。同樣的，填料對磷的物理攔截吸附和化學(xué)沉淀反應(yīng)基本也是不受溫度影響的，所以在本工程的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果中，生態(tài)礫石床對TP的去除率與溫度的波動關(guān)系并不明顯。值得注意的是，在4月份TP的去除率出現(xiàn)了一定程度的降低，這與進(jìn)水水質(zhì)改善有一定關(guān)系。4月份的進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到了III類水，TP的污染物濃度低至0.19 mg/L，在低濃度污染物的情況下，生態(tài)礫石床能發(fā)揮的生物吸收和填料吸附能發(fā)揮的作用均有限，去除率就相對較低，但總體來講也去除了一定量的污染物，對河水進(jìn)行了凈化?？偠灾?，在低溫條件下，生態(tài)礫石床對TP也能保持10.5%～33.3%的去除率，保證了出水水質(zhì)滿足項目要求，總體優(yōu)于Ⅳ類水。

5 結(jié)論與建議

1）在工程區(qū)域氣溫處于-3～14℃，水溫5～15℃的低溫條件下，對于水質(zhì)劣于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水的河水，生態(tài)礫石床對COD，NH3-N和TP的去除率可分別達(dá)到16.1%～32.9%、14.1%～35.0%和10.5%～33.3%，并且出水COD，NH3-N和TP基本滿足Ⅳ類水的要求。

2）生態(tài)礫石床對COD和NH3-N的去除率與水溫呈正相關(guān)的關(guān)系，低溫條件下，隨著水溫提高，COD和NH3-N的去除率有一定程度的提高；生態(tài)礫石床對TP的去除率與水溫并無明顯的相關(guān)性。

3）低溫條件下可考慮一定的保溫措施以改善在低溫運行時生態(tài)礫石床對COD和NH3-N的去除效果，而提高TP的去除率可考慮通過優(yōu)化填料材質(zhì)選擇和填料層設(shè)計等措施。