胡雙修，鄭 軒，胡飛躍，萬喜宗，雷克亮，盧亞霞

(1.三峽大學(xué)生物與制藥學(xué)院，湖北宜昌443002;2.麻城市環(huán)境保護(hù)局，湖北麻城438300;3.三峽大學(xué)科技學(xué)院，湖北宜昌443002)

湖泊、水庫等封閉緩流水體的富營養(yǎng)化已成為一個全球性的水環(huán)境污染問題，全球約有75%以上的封閉緩流水體存在富營養(yǎng)化問題［1］。我國湖泊眾多，共有2 759個1 km2以上湖泊，總面積達(dá)91 019 km2，占國土面積的0.95%。自20世紀(jì)80年代以來，我國由于人口劇增、農(nóng)業(yè)迅猛發(fā)展、工業(yè)化和城市化進(jìn)程加快，使得大量營養(yǎng)元素(N、P等)及有機(jī)物排入湖泊、水庫、河流中，氮、磷營養(yǎng)鹽嚴(yán)重富集，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶氧量下降，魚類及其他生物大量死亡，水質(zhì)惡化，緩流的湖泊、水庫、河流富營養(yǎng)化呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢［2－5］。2013年環(huán)境保護(hù)部對我國重要58個湖(庫)開展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)中度富營養(yǎng)的3個，占5.2%;輕度富營養(yǎng)的10個，占17.2%;中營養(yǎng)和貧營養(yǎng)的45個，占77.6%，主要污染指標(biāo)為化學(xué)需氧量、總磷和氨氮［6］。在五大淡水湖中，太湖、洪澤湖、巢湖已達(dá)富營養(yǎng)程度，鄱陽湖、洞庭湖目前雖維持中營養(yǎng)水平，但磷、氮含量偏高，正處于向富營養(yǎng)過渡階段。以太湖、滇池、巢湖為代表的藍(lán)藻型“水華”頻繁暴發(fā)［7］。水體富營養(yǎng)化后所產(chǎn)生病原微生物、硫化氫及藻毒素等有毒有害物，嚴(yán)重影響人體健康。富營養(yǎng)化導(dǎo)致水庫庫容因植物殘體淤積而減少，加速湖泊退化，破壞生態(tài)平衡;致使水體渾濁、發(fā)腥、發(fā)臭，使景觀水體失去美學(xué)價值;造成水質(zhì)性缺水，增加自來水成本［8－13］。因此，富營養(yǎng)化防治意義十分重大而且非常必要，直接關(guān)系到社會發(fā)展的可持續(xù)性和國民幸福感。

導(dǎo)致藻類暴發(fā)生長的主要因子一是充足的營養(yǎng)物質(zhì)，主要包括氮、磷等營養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)等;二是高溫(25～40℃)和強(qiáng)光照;三是緩慢的水流;四是消費者對藻類生長的生物控制失效。水體中氮、磷含量直接決定了藻類的繁殖速率，是水體富營養(yǎng)化的主要控制因子［14］。富營養(yǎng)化治理技術(shù)主要包括:控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)輸入、內(nèi)源性營養(yǎng)鹽的控制、生態(tài)修復(fù)和控制藻類等。控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)輸入主要方法有:氧化塘技術(shù)、土地處理系統(tǒng)、生物除磷、水栽生物過濾法、前置庫、限制合成洗滌劑含磷量、廢污水遷移等［15］。氧化塘技術(shù)中，因地制宜，將河流邊洼塘和荒地改造成氧化塘，省投資，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方法［16］。按照供氧方式，氧化塘分為:好氧塘、兼性塘、厭氧塘、曝氣塘、深度處理塘、生態(tài)塘。按照出水方式，氧化塘分為:連續(xù)出水塘、控制出水塘、貯存塘［17］。氧化塘組合工藝一般將不同類型的氧化塘串聯(lián)使用，現(xiàn)有專著及文獻(xiàn)尚無循環(huán)氧化塘工藝報道。該研究首創(chuàng)循環(huán)氧化塘工藝，用于消減富營養(yǎng)化指標(biāo)，且以三峽大學(xué)求索溪治理為例，效果顯著。求索溪最終流入長江，治理求索溪，可減少營養(yǎng)物質(zhì)輸入長江。該工藝省投資、易操作、便管理、廉運行，因此有應(yīng)用價值，可為治理富營養(yǎng)化、封閉緩流景觀水體、城市黑臭河道和高濃度有機(jī)氮廢水提供借鑒。

1 試驗部分

1.1 求索溪污染概況 求索溪全長約2 km，寬2～50 m，是一條人工景觀水渠，排泄雨水和生活污水，無雨水條件下，無明顯流量，最終流入長江，出口離長江約3 km。其生活污水來自2萬余學(xué)生規(guī)模教學(xué)樓群，源頭流入量30 m3/h。治理前，2012年3月21日對上游污染最嚴(yán)重河段現(xiàn)場監(jiān)測(采樣點為圖1中生態(tài)塘所在地)，監(jiān)測結(jié)果:DO 0.40 mg/L、BOD547 mg/L、TN 82.2 mg/L、TP2.14 mg/L。依據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838-2002)》，屬于劣五類水質(zhì)。BOD、TN、TP濃度都超過國際公認(rèn)的富營養(yǎng)化閾值［18］(BOD5=10 mg/L、TN=0.3 mg/L、TP=0.02 mg/L)。此段水流4～10月“水華”暴發(fā)、發(fā)黑發(fā)臭。

1.2 工藝流程及說明 循環(huán)氧化塘工藝流程見圖1。在現(xiàn)有景觀水渠基礎(chǔ)上，加修滾水壩1和滾水壩2，形成近似長方體的各氧化溝和氧化塘。厭氧塘設(shè)計功能:反消化脫氮、磷的釋放和磷的沉降。好氧溝和生態(tài)塘設(shè)計功能:降解有機(jī)物、硝化氨氮和過量攝磷。厭氧溝設(shè)計功能:反消化脫氮。好氧塘設(shè)計功能:降解有機(jī)物。

圖1 循環(huán)氧化塘工藝流程

污水流入?yún)捬跆?，污水?從生態(tài)塘出口底部抽水進(jìn)入?yún)捬跆寥肟诒砻?，污水混合流?jīng)厭氧塘流入好氧溝，流入生態(tài)塘、好氧溝和生態(tài)塘與厭氧塘大循環(huán)。污水泵1從生態(tài)塘出口底部抽水流入好氧溝入口表面，流入生態(tài)塘小循環(huán)，好氧溝推流增氧。2012年6月下旬開始運行，除機(jī)修和下中到大雨、暴雨以外，不間斷抽水循環(huán)。

1.3 氧化塘參數(shù)及其說明 按照氧化塘指標(biāo):好氧塘0.2～0.4 m、兼性氧化塘1.0 ～2.5 m、厭氧塘2.5 ～4.0 m［17］，因地制宜，加修滾水壩1壩高4.3 m、滾水壩2壩高0.5 m，厭氧塘底泥深度30 cm，好氧溝、生態(tài)塘、好氧塘底泥深度20 cm，有效水深等于池高減去底泥深度。厭氧溝為加蓋陰溝，表層封閉。好氧溝、生態(tài)塘、好氧塘自然裸露。氧化塘參數(shù)見表1，水深符合氧化塘指標(biāo)。

表1 氧化塘參數(shù)

1.4 水質(zhì)監(jiān)測方法 DO:電化學(xué)探頭法(GB/T 11913-1989);COD:重鉻酸鉀法(GB 11914-1989);TN:堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB/T 11894-1989);TP:鉬酸氨分光光度法(GB/T 11893-1989)。

2 循環(huán)氧化塘運行過程與效果分析

2.1 工藝分析 2012年3月21日于圖1生態(tài)塘所在地監(jiān)測點取水樣測定，監(jiān)測結(jié)果見“1.1”。其溶解氧低下的原因是富營養(yǎng)化水體中好氧微生物大量耗氧。其BOD5∶TN∶TP為100∶172∶5，一般生活污水 BOD5∶TN∶TP 為100∶22∶3［2］。污水經(jīng)化糞池初步處理后流入求索溪，求索溪是天然氧化塘，對BOD5、TN、TP有一定降解作用。對比上述兩組比值，可見TN富集效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于BOD5。水體富營養(yǎng)化后，藻類及其他自養(yǎng)生物迅猛繁殖，死亡的殘體腐爛后，又釋放氮、磷等營養(yǎng)物，供新一代利用，因此氮、磷等營養(yǎng)物在生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)，難以消去。有機(jī)碳好氧呼吸最終產(chǎn)物CO2、厭氧呼吸最終產(chǎn)物CH4，均能釋放到大氣中去，使BOD5降低。有機(jī)氮經(jīng)硝化和反硝化后最終產(chǎn)物N2也可釋放到大氣中去。硝化是好氧條件，要求溶解氧大于2.0 mg/L以上［19］。而治理前水體溶解氧0.40 mg/L，達(dá)不到硝化好氧條件，有機(jī)氮氨化所生成的氨氮無法進(jìn)行硝化，被藻類等自養(yǎng)生物吸收，其細(xì)胞殘體腐爛所產(chǎn)生的氨氮釋放到水體，不斷循環(huán)，導(dǎo)致TN不斷富集。因此該工藝采用好氧溝和生態(tài)塘硝化與厭氧塘反硝化大循環(huán)，有機(jī)氮最終轉(zhuǎn)化成N2，釋放到大氣中去，減輕水體中TN富集。

在厭氧條件下積磷細(xì)菌釋放磷酸鹽，在好氧條件下積磷細(xì)菌吸收磷酸鹽［19］。該工藝采用將生態(tài)塘出口底部吸磷后污水抽入?yún)捬跆寥肟诒砻?，污水在厭氧塘中流動釋放磷，所釋放的磷酸鹽被自然水體中膠體吸附混凝而沉降，降低水體中TP。

此工藝設(shè)計運用了仿生學(xué)原理，設(shè)計靈感來自于毒理學(xué)“肝腸循環(huán)”。肝腸循環(huán)即毒物經(jīng)肝臟解毒后的分解物，經(jīng)膽汁進(jìn)入十二指腸，部分排出，部分又被小腸、大腸重吸收，進(jìn)入門靜脈，重新進(jìn)入肝臟。毒物分次逐步排出，殘留期增長。此工藝采用抽水循環(huán)，生態(tài)塘出口不完全的污染物被抽入?yún)捬跆寥肟?，再次分解、循環(huán)，污染物分次逐步分解，停留期延長，降解效率提高。

2.2 污水泵流量確定及其安裝 實測滾水壩2處出水流量Q3為30 m3/h，根據(jù)連通器原理，污水流入量Q0等于滾水壩2出水流量Q2，抽水循環(huán)流量應(yīng)大于污水入流量，適當(dāng)放大，因此污水泵2的流量選擇60 m3/h。

好氧溝采用推流增氧，溶解氧濃度通過流速控制，流速通過流量控制。為了使好氧溝滿足溶解氧大于2.00 mg/L以上，在水深 0.3 m 條件下，流速應(yīng)大于 0.1 m/s［20］。

式中，Q為流量;S為截面面積;v為流速。

式中，l為寬度;h為水深。

由公式(2)和表1參數(shù)計算好氧溝截面面積:S=2×0.3=0.6 m2。

由公式(1)計算好氧溝每小時總流量:Q≧3 600Sv=3 600 ×0.6 ×0.1=216 m3/h。

式中，Q為好氧溝總流量;Q0為污水流入量;Q1為污水泵1流量;Q2為污水泵2流量。

由公式(3)可知:

由公式(4)計算污水泵1流量Q1:Q1＞(216－30－2×60)/2=33 m3/h。適當(dāng)放大，因此污水泵1的流量Q1選擇120 m3/h。

因為生態(tài)塘底泥深度20 cm，為避免污水泵堵塞，將污水泵固定在鋼結(jié)構(gòu)籠子里，底部架空30 cm。

2.3 停留時間計算及分析

式中，t為停留時間;l2為氧化塘和氧化溝長度;v為流速。

由公式(1)得:

由公式(2)得:

把公式(6)和公式(7)代入公式(5)得:

各氧化溝和氧化塘均為長方體，長方體體積:

式中，V為容積;l為長度;S為截面。

把公式(9)代入公式(8)得:

結(jié)合表1容積，由公式(10)分別計算各氧化塘和氧化溝停留時間如下:厭氧塘總流量Q3=Q0+Q2=30+60=90 m3/h，停留時間t1=9 600/90=106.7 h。好氧溝流量Q=Q0+2Q1+2Q2=30+2×60+2×120=390 m3/h，停留時間 t2=66/390=0.17 h。生態(tài)塘流量 Q5=Q0+2Q1+2Q2=390 m3/h，停留時間t3=7 200/390=18.46 h。厭氧溝流量等于滾水壩2出水流量Q0，即30 m3/h，停留時間t4=96/30=3.2 h。好氧塘流量等于滾水壩2出水流量Q0，即30 m3/h，停留時間t5=2 520/30=84 h。

由表2可知生態(tài)塘溶解氧濃度達(dá)到好氧條件，實為好氧塘，好氧溝和生態(tài)塘直接連通，故好氧溝和生態(tài)塘實為一個大的好氧塘，其停留時間計算如下:t6=0.16+18.46=18.63 h。參照氧化塘停留時間參數(shù):厭氧塘30～50 h、好氧塘2～6 h［16］，認(rèn)為厭氧塘停留時間、好氧溝和生態(tài)塘總停留時間、厭氧溝停留時間、好氧塘停留時間均符合條件，達(dá)到設(shè)計規(guī)范要求。

2.4 水質(zhì)監(jiān)測日期選擇 7、8月放暑假，1、2月放寒假，生活污水量小，故水質(zhì)監(jiān)測日期選擇2012年9～12月和2013年3～6月。每個月的下旬采樣一次，如遇上雨天，雨停3 d后采樣。

2.5 溶解氧監(jiān)測結(jié)果分析 《氧化溝活性污泥法污水處理工程技術(shù)規(guī)范(HJ578-2010)》規(guī)定好氧池溶解氧一般不小于2 mg/L;缺氧池，溶解氧一般為0.2 ～0.5 mg/L;厭氧池，溶解氧一般小于0.2 mg/L。表2結(jié)果表明:好氧塘溝、生態(tài)塘、好氧塘溶解氧全年符合好氧條件，厭氧塘溶解氧夏季符合厭氧條件，冬季符合缺氧條件，各氧化溝和氧化塘溶解氧濃度均符合規(guī)范要求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計目的。

表2 溶解氧監(jiān)測結(jié)果 mg/L

2.6 運行效果分析 好氧塘出水進(jìn)入表面流人工濕地，依據(jù)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范(HJ2005-2010)》人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)要求:化學(xué)需氧量小于125 mg/L、氨氮小于10 mg/L、總磷小于3 mg/L。由表3可知好氧塘出水化學(xué)需氧量均小于125 mg/L;由表4可知好氧塘出水總氮均小10 mg/L，因為氨氮值小于總氮，故其氨氮值均小于10 mg/L;由表5可知好氧塘出水總磷均小于3 mg/L。由此可見，好氧塘出水符合人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)要求。

表3 化學(xué)需氧量監(jiān)測結(jié)果

由表3可知，COD氧化塘循環(huán)削減率70.6% ～81.4%，均值77.0%，總削減率85.6% ～93.1%，均值89.6%。由表4可知，TN氧化塘循環(huán)削減率65.9% ～72.3%，均值69.8%，總削減率69.9% ～80.8%，均值76.4%。由表5可知，TP氧化塘循環(huán)削減率28.8% ～49.6%，均值44.4%，總削減率61.7% ～71.8%，均值 67.8%。綜合表 3、表 4、表 5，COD、TN、TP無論氧化塘循環(huán)削減率還是總消減率，夏季高于冬季，這是由于水溫高、微生物代謝強(qiáng)的緣故。COD氧化塘循環(huán)削減率均值占總削減率均值的85.9%，TN氧化塘循環(huán)削減率均值占總削減率均值的91.4%，TP氧化塘循環(huán)削減率均值占總削減率均值的65.5%，這表明COD、TN、TP削減主要在氧化塘循環(huán)階段，TN最為明顯。

表4 總氮監(jiān)測結(jié)果

表5 總磷監(jiān)測結(jié)果

綜合表3、表4、表5，計算治理后生態(tài)塘監(jiān)測結(jié)果均值:COD 77.6 mg/L、TN 8.19 mg/L、TP1.32 mg/L，治理前此段監(jiān)測結(jié)果:COD 134 mg/L、TN 82.2 mg/L、TP2.14 mg/L，對比分析，COD 消減42.0%、TN 消減90.0%、TP 消減38.3%，可見治理效果顯著，TN消減效果最明顯。

綜上所述，污水在好氧溝和生態(tài)塘與厭氧塘中不斷循環(huán)，有助于消減污染物，特別有助于生物脫氮。

2.7 生態(tài)效益分析 治理前，2012年4～6月份，生態(tài)塘浮萍生長迅猛，4 d內(nèi)長滿，需人工打撈一次。2012年6月下旬開始運行，生態(tài)塘浮萍2012年7月份15 d內(nèi)長滿，人工打撈一次;2012年8月份30 d長滿，人工打撈一次;2012年9月以后，沒有出現(xiàn)浮萍瘋長現(xiàn)象，無需人工打撈，黑臭消除。TN、TP濃度顯著降低，抽水循環(huán)產(chǎn)生水流，破壞了浮萍適宜的緩流生境，這使得浮萍生長減緩。治理前浮萍長滿導(dǎo)致水體與空氣交換受阻，水體溶解氧幾乎為零，魚類絕跡，在此條件下產(chǎn)生H2S等臭味氣體，景觀水渠失去美學(xué)價值。2012年7月在生態(tài)塘投放鯽魚、鯉魚、草魚，成活良好。2013年春天以來，生態(tài)塘、好氧塘青蛙、菜花蛇、烏龜、田螺、黑水雞不斷出現(xiàn)，數(shù)量不斷增多，這在治理前基本看不到。治理后，其中下游水體和河灘生態(tài)不斷改善，2013年1～3月，引來數(shù)以千計的成群候鳥白鷺、池鷺、翠鳥棲息，成為一道美麗的風(fēng)景，引來不少游人欣賞、拍照，這在以前也基本看不到。2013年11月又有數(shù)以千計的成群候鳥白鷺、池鷺、翠鳥回來，白鷺甚愛在生態(tài)塘出沒，因為生態(tài)塘有豐富的魚類供其覓食。求索溪最終排入長江，治理求索溪，可減少氮磷輸入長江。綜上所述，該工藝環(huán)境生態(tài)效益顯著。

3 運行成本分析

污水流入量30 m3/h，處理量即30 m3/h，水泵總裝機(jī)10 kW，電費0.6元/kW，推算抽水電費:0.2元/m3。每周清泵一次，1 h，宜昌市工資標(biāo)準(zhǔn)每小時15元，推算人工費:每0.03元/m3。2012年7月至2013年6月，設(shè)備維修及耗材約2 000元，推算維護(hù)費:0.08元/m3。合計運行成本費:0.31元/m3。

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