王淑蓉+駱靈喜+林明+梅立永

摘要：針對河流受漏截污水和面源污染物輸入的普遍現(xiàn)狀，結合人工濕地技術和生物濾池、人工快滲技術，構建出一種具有凈化河道水質的生態(tài)濾槽。生態(tài)濾槽對污染河水的動態(tài)凈化效果表明，COD、氨氮、總氮、總磷的去除率隨水力負荷及進水流量的增大而降低，在水力負荷為0.5 m3/（m2·d）時去除率最高，凈化效果最好。污染河水經生態(tài)濾槽處理后，COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分別達77.20%、63.29%、57.87%、75.64%。減少生態(tài)濾槽數(shù)量，發(fā)現(xiàn)該生物濾槽出水穩(wěn)定，抗負荷沖擊能力強。

關鍵詞：生態(tài)濾槽；河流受漏截污水；動態(tài)試驗；去除率

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：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

河流作為自然生態(tài)系統(tǒng)之一，在自然水循環(huán)中扮演著最重要的環(huán)節(jié)。經濟的快速發(fā)展，導致大量的污染物排入河水中，超過河水自凈能力，導致水質惡化[1]。在城市河流中，水質惡化現(xiàn)象普遍存在，不僅破壞了景觀效果，而且會影響水體生態(tài)系統(tǒng)健康[2]?？刂仆庠次廴疚锏妮斎爰安捎媒洕行У膬艋夹g是有效改善水質的關鍵[3]。

水生植物及其根系負載生物膜可以有效地吸收降解水中的污染物，通過收割植物可以間接地移除水中污染物。利用水生植物凈化污水是一種簡單、經濟且有效的生態(tài)修復技術[4-6]。本試驗結合人工濕地技術和生物濾池、人工快滲技術的成熟應用，進行技術組合優(yōu)化與創(chuàng)新，旨在開發(fā)一種針對非感潮河道兩側漏排污水、初期雨水以及部分生活污水的水質凈化技術，在污水進入河道前將其截流并導入生態(tài)濾槽進行就地處理，凈化后再排入河道，從而減輕入河污染負荷，提高河道內水環(huán)境質量，同時具有削減雨季面源污染、提升河道景觀的功能。

1 材料與方法

1.1 材料

采用本地水生植物美人蕉和蜘蛛蘭作為生態(tài)濾槽的種植植物。污染河水采用深圳市寶安區(qū)石巖鎮(zhèn)塘頭河河水，河水水質基本指標，化學需氧量為89～106 mg/L，氨氮為20～30 mg/L，總氮為22～20 mg/L，總磷為1.7～2.6 mg/L。

1.2 設計

試驗系統(tǒng)設置在深圳市寶安區(qū)石巖鎮(zhèn)塘頭河水質凈化廠實驗基地。試驗裝置由4個反應槽組成，將4個反應槽按照1#、2#、3#、4#的順序串聯(lián)起來，處理后的河水排入模擬河道。其中1#和2#反應槽長、寬、高分別為2.6、1.3、1.4 m，3#和4#反應槽長、寬、高分別為1.9、1.3、1.0 m。每個反應槽內設置有布水管和集水管。在布水區(qū)域、集水區(qū)域和濾槽底部連通孔區(qū)域用較大粒徑的火山石、碎石進行填充，粒徑為20～40 mm，其他區(qū)域填充小粒徑填料，粒徑為5～10 mm。1#、3#反應槽種植美人蕉，2#、4#反應槽種植蜘蛛蘭。水流流向如圖1所示。設計水力負荷依次為0.5、1.0、1.5、2.0 m3/（m2·d），即控制進水流量分別為0.25、0.50、0.75、1.00 m3/h，選出最佳水力負荷條件并進行后續(xù)試驗。每組試驗在試驗裝置運行24 h以后進行采樣。試驗時間為2014年8月至2014年9月，每次采集進水水樣、出水水樣和1個隨機平行樣。

1.3 方法

水樣采集后于當天測定，樣品的采集和保存遵照《水質樣品的保存和管理技術規(guī)定》（HJ 493-2009）?；瘜W需氧量（COD）、氨氮（NH+4-N）、總氮（TN）、總磷（TP）等化學指標按國家標準方法進行測定[7]。CODCr采用快速消解分光光度法測定；NH+4-N采用納氏試劑分光光度法測定；NO3--N采用紫外分光光度法測定；TN濃度采用過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定；TP濃度采用鉬銻抗分光光度法測定。

2 結果與分析

2.1 水力負荷對生態(tài)濾槽凈化效果的影響

2.1.1 水力負荷對生態(tài)濾槽進出水化學需氧量的影響 由圖2可知，本試驗過程中進水的化學需氧量濃度范圍為95.7～104.3 mg/L，平均為99.4 mg/L。在4種不同的水力負荷條件下，出水水質各不相同，出水化學需氧量分別由99.6、97.9、104.3、95.7 mg/L降至23.3、27.1、34.2、33.2 mg/L。4種不同水力負荷所對應的COD去除率分別為76.61%、72.32%、67.21%、65.31%。

隨著水力負荷的增大，生物濾槽對COD的去除率逐漸下降，當水力負荷為0.5 m3/（m2·d）時，生態(tài)濾槽對COD的去除效果最好，去除率達到76.61%。由于水力負荷增大，流量增大，使污水在生態(tài)濾槽內停留時間縮短[8]，植物表面生物膜與吸附在表面的有機物還未充分反應就被水流帶出系統(tǒng)，導致河水中化學需氧量去除率下降。當水力負荷為1.0 m3/（m2·d）時，生態(tài)濾槽出水COD去除率達72.32%，濃度小于30 mg/L，仍可達GB 3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅳ類水標準。

2.1.2 水力負荷對生態(tài)濾槽進出水氨氮、硝氮和總氮的影響 由圖3可知，本試驗過程中進水的氨氮、硝氮和總氮濃度范圍分別為22.20～28.80、0.16～0.45、21.30～25.60 mg/L。經生態(tài)濾槽處理后，氨氮、硝氮和總氮濃度分別逐漸降至5.10～18.80、0.19～0.42、5.90～17.30 mg/L，對應的去除率分別為27.47%～78.66%、-15.95%～13.73%、25.82%～74.79%。通過試驗數(shù)據分析可知，進出水硝氮含量較低，變化較小，其平均值分別為0.32、0.31 mg/L，且出水硝氮濃度及去除率與水力負荷未呈現(xiàn)明顯的相關性。出水氨氮及總氮濃度隨著水力負荷的增大呈增大趨勢，去除率則逐漸減小。隨著水力負荷的變化，氨氮與總氮的去除率數(shù)值相差不大，具有很好的相關性。表明水中氮元素的去除主要是通過植物的吸收作用減少氨氮的含量，而不是微生物的硝化作用[9，10]。水力負荷增大，流量增大，水流速度相應增大，生態(tài)濾槽內污水與植物根系及填料的接觸時間縮短，氨氮反應不完全，因此出水氨氮及總氮含量隨水力負荷增大而升高。

2.1.3 水力負荷對生態(tài)濾槽進出水總磷的影響 水力負荷的改變會影響水在系統(tǒng)內的傳質阻力，增加水力負荷會降低植物根系對顆粒性物質的截留吸附作用[11]。由圖4可知，系統(tǒng)進水總磷濃度范圍為1.74～1.88 mg/L，平均為1.82 mg/L。經過生態(tài)濾槽處理后，出水總磷濃度范圍為0.19～1.12 mg/L，總磷去除率為37.43%～89.20%。隨著水力負荷的增大，部分小顆粒物質未被植物截留，隨水流流出系統(tǒng)，導致總磷的去除率隨水力負荷的增大而降低。當水力負荷為0.5 m3/（m2·d）時，去除效率最高，為89.20%，出水總磷濃度為0.19 mg/L，低于GB 3838-2002 Ⅲ類水體標準要求的0.20 mg/L。

2.2 河水凈化過程中水質指標的日變化

設計水力負荷采用最佳值0.5 m3/（m2·d），調節(jié)進水流量為0.25 m3/h，運行24 h待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后開始采樣。每周采樣兩次，共采集5組水樣。

2.2.1 生態(tài)濾槽對河水COD的凈化效果 由圖5可知，污染河水COD濃度為89.0～106.0 mg/L，平均為96.5 mg/L，經生態(tài)濾槽處理后，COD出水濃度降為17.6～29.0 mg/L，平均為22.1 mg/L。COD的去除率比較穩(wěn)定，為72.64%～80.22%，平均77.20%。在穩(wěn)定的生態(tài)濾槽內，發(fā)達的植物根系負載一定量的生物膜。不僅植物可以吸收水中的有機物，而且植物的根系通過泌氧，提高水槽內溶解氧量，使微生物具有較高活性，從而進一步增強對水中有機物的降解。試驗出水COD濃度均小于30 mg/L，基本維持在20 mg/L左右，穩(wěn)定達到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A排放標準，GB 3838-2002《地表水環(huán)境質量標準》Ⅳ類水標準。

2.2.2 生態(tài)濾槽對河水氨氮、硝氮和總氮的凈化效果 由圖6可知，污染河水氨氮、硝氮和總氮濃度范圍分別為20.20～29.20、0.19～0.62、21.30～28.30 mg/L，經生態(tài)濾槽處理凈化后，NH4+-N、NO3--N、TN出水濃度分別逐漸降至1.57～17.50、0.12～0.52、1.99～18.00 mg/L，平均去除率分別達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，總氮平均由24.48 mg/L降至10.62 mg/L。氨氮去除效果最好，總氮變化趨勢大致與氨氮接近，去除率較氨氮低，硝氮含量少，去除率最低。可能是由于系統(tǒng)中微生物含量少，溶解氧濃度偏低，導致微生物硝化作用較少，主要依靠植物對氨氮的吸收，從而減少水中含氮量。而反硝化過程需要反硝化菌在厭氧或缺氧條件下進行，反硝化菌為兼性細菌，且反應需要消耗碳源，若無法滿足厭氧或缺氧條件，或是前端有機物大量降解導致后端碳源不足，反硝化作用受到限制，導致系統(tǒng)對硝氮的去除效果不佳。出水TN與NH4+-N之間的差值略大于硝氮的含量，表明出水含有有機氮，可能是由于生態(tài)濾槽內植物落葉或根系發(fā)生腐爛，氮重新釋放入水體中。氨氮出水最低濃度可達到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A排放標準，最高濃度也能達到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》二級標準?？偟鏊疂舛染苓_到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B排放標準。

2.2.3 生態(tài)濾槽對河水總磷的凈化效果 由圖7可知，污染河水進水總磷濃度范圍為1.71～2.56 mg/L，平均為1.96 mg/L，經生態(tài)濾槽處理后，出水總磷濃度范圍為0.15～1.17 mg/L，平均為0.48 mg/L。出水總磷去除率為37.10%～91.35%，平均為75.64%?？偭椎娜コ饕揽恐参锏奈蘸臀⑸锏耐饔脙煞N途徑[12]。在開放式的生態(tài)濾槽系統(tǒng)中，生物膜量較少，微生物對總磷的同化作用較弱，總磷的去除以植物吸收為主。試驗結果表明，生態(tài)濾槽對河水中總磷具有較好的去除效果，去除率均達到75%以上。試驗出水除了第4天外，其余均能達到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A排放標準，第4天也能達到一級B排放標準。

2.3 減槽后水質指標的日變化

將生態(tài)濾槽分為1#-4#和2#-3#兩個并行的小生態(tài)濾槽。1#-4#濾槽是先流經美人蕉，后流經蜘蛛蘭，2#-3#則相反。進水流量仍設為0.25 m3/h，由于反應槽數(shù)量減半，因此減槽后兩個小生態(tài)濾槽試驗的水力負荷為1.0 m3/（m2·d）。

2.3.1 減槽后河水COD的凈化效果 由圖8可知，將生態(tài)濾槽減半后，進水COD濃度范圍為90～103 mg/L，平均為98 mg/L；4#出水口出水COD濃度范圍為50.2～56.4 mg/L，平均為53.0 mg/L；3#出水COD濃度范圍為46.2～55.5 mg/L，平均為52.3 mg/L。COD平均去除率分別為45.81%、46.63%。3#出水口出水COD的去除率較4#稍好。兩個出水口出水COD含量均比較穩(wěn)定，去除率均大于45%，可以達到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B排放標準。減槽后COD去除率均低于減槽前水力負荷為1.0 m3/（m2·d）時的去除率（72.32%）。表明相同水力負荷下，生態(tài)濾槽數(shù)量的減少導致植物和微生物吸附降解的有機物減少，有機物的去除率降低。同時，兩個小生態(tài)濾槽出水均比較穩(wěn)定且COD相差不大，表明該生態(tài)濾槽具有較好的抗負荷沖擊能力。

2.3.2 減槽后河水氨氮、硝氮和總氮的凈化效果 由圖9可知，污染河水氨氮、硝氮和總氮濃度范圍為21.70～28.80、0.41～0.56、22.40～28.50 mg/L。經生態(tài)濾槽處理凈化后，4#出水口出水NH4+-N、NO3--N、TN平均濃度分別為20.10、0.50、19.78、19.54 mg/L，3#出水口出水NH4+-N、NO3--N、TN平均濃度分別為20.00、0.52、19.54 mg/L。兩個出水口出水NH4+-N、NO3--N和TN指標都比較穩(wěn)定且數(shù)值非常接近。但出水口出水的污染物濃度均高于減槽前水力負荷為1.0 m3/（m2·d）時的出水濃度，無法完全達到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級排放標準。4#和3#兩個小生態(tài)濾槽對NH4+-N、NO3--N和TN的去除率也非常接近，平均值分別為19.89%和20.39%、-4.38%和-8.08%、18.99%和19.95%。氨氮和總氮的去除率接近，但氨氮的去除率稍高于總氮，這是由于總氮中除了氨氮，還存在硝態(tài)氮、有機氮等。3#出水口出水的氨氮和總氮去除率均稍高于4#出水口，而硝氮的去除率都為負，表明在減槽后，氨氮的去除中，植物的吸收和微生物的轉化都起了重要作用。由于無法滿足厭氧或缺氧，或碳源不足等條件，反硝化作用受到限制，導致系統(tǒng)對硝氮的去除效果不佳，以致于出水硝氮濃度高于進水濃度。

2.3.3 減槽后河水總磷的凈化效果 由圖10可知，進水總磷濃度范圍為1.76～2.14 mg/L，平均為1.98 mg/L；4#出水口出水總磷濃度范圍為1.12～1.51 mg/L，平均為1.34 mg/L；3#出水口出水總磷濃度范圍為1.15～1.37 mg/L，平均為1.27 mg/L?？偭灼骄コ史謩e為32.32%、35.82%。兩個出水口出水總磷含量均比較穩(wěn)定，數(shù)值也很接近，均可達到GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B排放標準?？傮w上看，3#出水口出水效果及總去除率要稍好于4#出水口。

3 小結

水力負荷增大會導致污染物去除率降低。隨水力負荷增大，生態(tài)濾槽出水化學需氧量、氨氮、總氮和總磷均呈上升趨勢。生態(tài)濾槽水力負荷在0.5 m3/（m2·d）時為宜，而在水力負荷為0.5～2 m3/（m2·d）時，生態(tài)濾槽仍具有一定的污染物去除效果。改變生態(tài)濾槽數(shù)量及植物順序，處理污水均具有較好的穩(wěn)定性。相同水力負荷下，減少生態(tài)濾槽數(shù)量會明顯降低生態(tài)濾槽對污水的處理效果。影響生態(tài)濾槽的因素很多，如填料、植物、運行參數(shù)、pH、溫度等，在建設生態(tài)濾槽時需針對所處理污水的水文水質特征，綜合考慮方能使生態(tài)濾槽的處理效果達到最佳。

參考文獻：

[1] 劉 波，王國祥，王風賀，等.不同曝氣方式對城市重污染河道水體氮素遷移與轉化的影響[J].環(huán)境科學，2011，32（10）：2971-2978.

[2] KIM M，JEONG S Y，YOON S J，et al. Aerobic denitri-fication of Pseudomonas putida AD-21 at different C/N ratios[J].Journal of Bioscience and Bioengineering，2008，106（5）：498-502.

[3] 彭黨聰，王曉昌，韓 蕓，等.城鎮(zhèn)水環(huán)境污染控制與治理共性技術綜合集成[J].給水排水，2013，39（11）：16-20.

[4] 吳海明，張 建，李偉江，等.人工濕地植物泌氧與污染物降解耗氧關系研究[J].環(huán)境工程學報，2010，4（9）：1973-1977.

[5] 高 尚，黃民生，吳林林，等.生物凈化槽對黑臭河水凈化的中試研究[J].中國環(huán)境科學，2008，28（5）：433-437.

[6] 李先寧，宋海亮，朱光燦，等.組合型生態(tài)浮床的動態(tài)水質凈化特性[J].環(huán)境科學，2007，28（11）：2448-2452.

[7] 國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].第4版.北京：中國環(huán)境科學出版社，2002.

[8] 張曾勝，徐功娣，陳季華，等.生物凈化槽/強化生態(tài)浮床工藝處理農村生活污水[J].中國給水排水，2009，25（9）：8-11.

[9] 上海市環(huán)境保護局.廢水生化處理[M].上海：同濟大學出版社，1999.

[10] 肖繼波，王慧明，褚淑祎，等.生態(tài)槽凈化污染河水的動態(tài)試驗研究[J].水土保持學報，2012，26（2）：220-223.

[11] YE F X，LI Y. Enhancement of nitrogen removal in towery hybrid constructed wetland to treat domestic wastewater for small rural communities[J].Ecol Eng，2009，35（7）：1043-1050.

[12] 王立志，王國祥，俞振飛，等.苦草光合作用日變化對水體環(huán)境因子及磷質量濃度的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報，2010，19（11）：2669-2674.