摘 要：以某溢流口為試驗對象，根據(jù)溢流口污水可生化性好的水質(zhì)特點，采用基于生態(tài)過濾技術(shù)的生態(tài)濾壩試驗裝置構(gòu)建低影響開發(fā)、低能耗的多級生態(tài)過濾模塊，對溢流口污水進行原位凈化處理試驗。試驗結(jié)果表明，溢流口污水經(jīng)生態(tài)濾壩試驗裝置處理后，出水水質(zhì)關(guān)鍵性指標接近或達到《GB 18918城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，可排入《GB 3838地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類功能水域；其中對溢流口污水中COD及SS指標的去除率可達到80%以上，TN和NH3-N指標的去除率＞70%，TP指標的去除率也可達到65%以上，對溢流口水污染凈化效果明顯，可從源頭上消減進入河流、湖泊的水污染負荷，以緩解溢流口水域富營養(yǎng)化態(tài)勢。

關(guān)鍵詞：生態(tài)過濾技術(shù)；溢流口；水污染治理；原位凈化試驗

中圖分類號：X703 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9655（2024）04-00-06

0 引言

水環(huán)境污染問題，表象在水里，根源在岸上[1]。特別是城市雨污溢流口對周圍河流、湖泊水體污染的影響尤為突出，雨污溢流往往是引起河湖水體黑臭現(xiàn)象或富營養(yǎng)化污染的重要原因[2]。對溢流口雨污的污染治理，是削減水體泛黑發(fā)臭、富營養(yǎng)化污染的有效措施[3]。

目前，針對溢流口雨污治理，國內(nèi)某些地方采用就地建設(shè)分散式污水處理站或人工濕地等末端凈化設(shè)施的方式處理，出水水質(zhì)指標按《GB 18918城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》執(zhí)行，從而有效削減了進入水體的污染負荷。但建造這些末端凈化處理設(shè)施對水體周邊環(huán)境的擾動較大，對土地侵占較多，效果的穩(wěn)定性難以保證；同時建造投資及運行費用較高，對管理人員專業(yè)要求也較高，從而使溢流口最終處理后的出水水質(zhì)難以達到預(yù)期[4]。

基于生態(tài)過濾技術(shù)的生態(tài)濾壩是近年來新興的水污染原位凈化技術(shù)，已在河道水體污染治理、養(yǎng)殖尾水處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5，6]，但在溢流口雨污原位治理方面的研究并不多見。本文以湖北省內(nèi)某湖泊雨污溢流口為研究對象，根據(jù)溢流口污水可生化性好的水質(zhì)特點，采用生態(tài)過濾技術(shù)構(gòu)建低影響開發(fā)、低能耗的多級生態(tài)濾壩模塊，對溢流口污水進行原位凈化處理試驗，就地生態(tài)截污并同步凈化水質(zhì)，考察其對水污染物的凈化效果，以期應(yīng)用生態(tài)濾壩從源頭上削減進入河流、湖泊的水污染負荷，緩解溢流口水域富營養(yǎng)化態(tài)勢。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

1.1.1 試驗原水

取某溢流口為試驗對象，此處為小區(qū)生活污水和雨水合流制常年溢流口，溢流污水直排至湖內(nèi)，日常污水流量均值約為1.5 m3/h，在雨季時水流量最大峰值可達到10 m3/h。在溢流管出水口及其臨邊水域取水樣化驗，其主要水質(zhì)指標分析結(jié)果見表1。

該溢流口污水中TP、TN、NH3-N、COD、BOD5及SS等水質(zhì)污染指標較高，排放至周圍受納水體造成溢流口水域水質(zhì)惡化。根據(jù)《GB 3838地表水環(huán)境質(zhì)量標準》水質(zhì)指標分級規(guī)定，該溢流口附近水域水質(zhì)整體屬于劣V類，呈重度富營養(yǎng)化狀態(tài)。同時，根據(jù)上述水質(zhì)分析結(jié)果，該溢流口污水水質(zhì)B/C值＞0.4，可生化性好。

1.1.2 試驗裝置

試驗裝置為自制的一種用于雨污溢流口治理的生態(tài)濾壩水處理裝置。

自制的生態(tài)濾壩裝置是基于生態(tài)過濾技術(shù)開發(fā)出來的一種組合式一體化生物治污設(shè)施，融合了人工濕地工藝與生物接觸氧化法在水處理領(lǐng)域的優(yōu)勢，采用工程技術(shù)措施將微生物、濕生植物等生物體與生物填料、過濾介質(zhì)等載體有機結(jié)合，互為共生，協(xié)同增效，形成具有高度生物活性的生物膜反應(yīng)系統(tǒng)。

自制的生態(tài)濾壩裝置為一體化下沉式箱式結(jié)構(gòu)，采用PE板焊接制作，占地面積約5 m2。生態(tài)濾壩裝置按水流向依次由調(diào)節(jié)池、曝氣生物柵、生態(tài)濾池和清水池等四段池體組成：

①調(diào)節(jié)池：設(shè)有進水口，設(shè)置格柵過濾網(wǎng)，利用水力擋板均分為兩級沉降格，通過格柵過濾、重力沉降作用初步分離溢流口雨污中比重較大的泥沙、懸浮物等雜質(zhì)，初級降解水中有機物，并調(diào)節(jié)水量平衡，均衡水質(zhì)。

②曝氣生物柵：內(nèi)置有人工填料，為微生物、原生動物的棲息生長提供載體，互為共生，形成具有高度活性的生物膜；上部栽種有經(jīng)過馴化培育的濕生綠色植物，形成根際微生物環(huán)境；底部鋪設(shè)有曝氣裝置，為植物根系和微生物的生長提供充足的氧氣，創(chuàng)造一個具有良性循環(huán)、穩(wěn)定的微生態(tài)自凈系統(tǒng)持續(xù)轉(zhuǎn)化、降解溢流口水污染物。

③生態(tài)濾池：由多種濾料介質(zhì)填充而成，具有良好的表面吸附和篩分截留雙重過濾作用，進一步濾掉水中細小膠體污染物，提升出水透明度；同時能富集凈化段內(nèi)微生物活性污泥濃度，增強凈化段生物膜的持續(xù)降解能力，并且可釋放馴化培養(yǎng)好的有益微生物菌單體，優(yōu)化水生態(tài)系統(tǒng)微生物菌群結(jié)構(gòu)。

④清水池：長方體空腔，利用水力擋板均分為兩格，由斜向上穿孔管連通，出水孔設(shè)有虹吸管作為出水口。

1.1.3 試驗材料

（1）人工填料

填料選用陶粒、沸石、火山石、活性炭等多孔吸附材料及中空纖維球、組合彈性填料等人工合成材料，均由鞏義源隆凈水材料有限公司提供。水洗干凈，自然晾干，按照設(shè)計級配要求分層充填，其中多孔填料有效粒徑比例不小于95%，孔隙率處于40%～50%。填料層之間采用多孔硬質(zhì)隔板分隔開，隔板上依次敷設(shè)孔徑2 mm的不銹鋼網(wǎng)及人工無紡布，填料按要求鋪設(shè)其上。

（2）生物濾料

濾料選用活性炭、石英砂、錳砂、無煙煤等多孔吸附材料，均由鞏義源隆凈水材料有限公司提供。水洗干凈，自然晾干，按照設(shè)計級配要求分層充填，其中多孔濾料有效粒徑比例不小于95%，孔隙率處于30%～40%。濾料層之間采用多孔硬質(zhì)隔板分隔開，隔板上依次敷設(shè)孔徑2 mm的不銹鋼網(wǎng)及人工無紡布，濾料按要求鋪設(shè)其上。

（3）綠色植物

綠色植物選擇觀賞價值較高的本土濕生植物美人蕉，要求長勢良好，植株健康，株高不超過60 cm，種植間距約30 cm。植物根系水洗干凈，置于定植籃內(nèi)，由陶粒和沸石填料按體積比2：1組配定植。

1.2 試驗方法

根據(jù)溢流口污水水質(zhì)可生化性好的特點，采用自制的生態(tài)濾壩裝置（尺寸大小為3200 mm×

1600 mm×1500 mm）構(gòu)建低影響開發(fā)、低能耗的多級生態(tài)過濾模塊，前置預(yù)處理調(diào)節(jié)圍堰，調(diào)節(jié)進水流量Q=1.5 m3/h，設(shè)定水力停留時間（HRT）為180 min，在溢流口污水流經(jīng)自制的生態(tài)濾壩試驗裝置時，對溢流口污水進行原位生態(tài)截污并逐級凈化水質(zhì)，以關(guān)鍵性水質(zhì)污染指標（指COD、NH3-N、TN、TP及SS）去除率作為評價依據(jù)，判斷對溢流口雨污的生態(tài)凈化治理效果。

待生態(tài)濾壩裝置調(diào)試、生物馴化完成后，轉(zhuǎn)入水質(zhì)監(jiān)測階段。在前置調(diào)節(jié)圍堰出水口設(shè)置取樣點Ⅰ，作為生態(tài)濾壩進水水質(zhì)監(jiān)測點；在生態(tài)濾壩清水池出水口設(shè)置取樣點Ⅱ，作為生態(tài)濾壩出水水質(zhì)監(jiān)測點。根據(jù)試驗要求定期分別在取樣點Ⅰ和取樣點Ⅱ同步取樣檢測COD、NH3-N、TN、TP及SS等五個水質(zhì)指標，以進水和出水的指標降幅比例作為該污染指標的去除率，分別計算這五個水質(zhì)污染指標的去除率，判斷生態(tài)濾壩用于雨污溢流口生態(tài)凈化的治理效果。

1.3 分析方法

化學需氧量（COD）：重鉻酸鉀法[7]；

氨氮（NH3-N）：納氏試劑分光光度法[7]；

總氮（TN）：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法[7]；

總磷（TP）：鉬酸銨分光光度法[7]；

懸浮物（SS）：重量法[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

試驗過程中，為了避免因降雨等異常情況可能導致取樣化驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差、失真的不利影響，特別設(shè)置了類似于截流井的調(diào)節(jié)圍堰，以調(diào)節(jié)溢流口污水水量和水質(zhì)；同時要求每次取樣時間設(shè)定在連續(xù)晴天數(shù)達2 d以上。

試驗測試時間為94 d，受降雨等因素影響，每次取樣間隔周期12～18 d不等，取樣檢測有效次數(shù)為7次。試驗過程中各水質(zhì)指標檢測結(jié)果見表2～表6。

從上述試驗水質(zhì)檢測結(jié)果可以看出，試驗點溢流口污水中TP、TN、NH3-N、COD及SS等水質(zhì)污染指標較高，如不經(jīng)處理直接排入周圍水域后勢必引起水體相應(yīng)水質(zhì)指標的上升，造成水體水質(zhì)惡化。經(jīng)生態(tài)濾壩試驗裝置原位處理后，出水水質(zhì)污染指標均有不同程度的顯著下降，并趨于相對平穩(wěn)，水質(zhì)指標接近或達到《GB 18918城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，可排入《GB 3838地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類功能水域。

同時，根據(jù)上述水質(zhì)檢測結(jié)果，以進水和出水的COD、NH3-N、TN、TP及SS等這五項水質(zhì)污染指標的降幅差值作為該水質(zhì)污染指標的去除率，采用下述公式分別計算各水質(zhì)污染指標的去除率。

通過各水質(zhì)污染指標去除率結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，生態(tài)濾壩試驗裝置對溢流口污水中CODCr和SS指標的凈化作用最強，其去除率均達到了80%以上；其次，NH3-N和TN指標的去除率也達到了70%以上，對TP指標的凈化效果較弱，但其去除率也達到了65%左右，水質(zhì)凈化效果明顯。

2.2 討論與分析

為了更加直觀地討論與分析生態(tài)濾壩試驗裝置對溢流口污水處理效果，將CODCr、NH3-N、TN、TP及SS等這五項水質(zhì)污染指標的去除率繪制變化曲線圖，見圖2～圖6。

從以上五項水質(zhì)污染指標的去除率變化曲線圖中可以看出，隨著試驗時間的延長，生態(tài)濾壩試驗裝置對溢流污水中COD、TN及NH3-N指標的去除率由低至高逐漸上升，并隨著進水水質(zhì)變化而處于一定區(qū)間值內(nèi)波動，最終趨于相對平穩(wěn)范圍；而對TP和SS指標的去除率先高后低逐漸下降，并隨進水水質(zhì)變化而在一定區(qū)間值內(nèi)波動，最終也趨于相對平穩(wěn)狀態(tài)。這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，有助于對生態(tài)濾壩試驗裝置凈化作用機理的探究。

本生態(tài)濾壩試驗裝置將微生物、濕生植物等生物體與生物填料、過濾介質(zhì)等基質(zhì)載體有機結(jié)合，互為共生，協(xié)同增效，形成具有高度生物活性和豐富生物量的生物膜系統(tǒng)。其中顆粒狀填料具有多級配的適宜孔隙度和較大的比表面積，有利于生物膜的附著生長；懸浮狀的組合填料能充分與污水接觸，有利于生物膜的生長更新，并部分形成生物活性污泥。而濾料層所填充的各級濾料粒徑由下至上依次減小，其滲透系數(shù)由下至上也依次變小，這有利于實現(xiàn)濾料的多級截留和緩解濾料的污堵問題[8]。同時，由于填料和濾料存在多孔結(jié)構(gòu)和適中的孔隙度，擁有較大的比表面積和一定的離子交換能力，使其具有物理化學吸附和截留作用；并且附著生長的生物膜和懸浮狀的活性污泥具有一定的粘性和凝聚性，可起到生物粘附、絮凝作用[9]。

生態(tài)濾壩主要通過填料及濾料的吸附與截留作用，及附著生長的生物膜和懸浮狀的活性污泥的代謝降解過程同步去除污水中的有機物、含氮、含磷和懸浮物等污染物[10]。其凈化水中污染物的過程可分為三個階段[11]：

①水污染物隨水流向裝置壩體內(nèi)擴散，流經(jīng)植物根系、填料空隙、濾料表面，并與附著生長的生物膜、懸浮狀態(tài)的活性污泥接觸；

②污水在裝置壩體內(nèi)流動的過程中，水中污染物易被填料、濾料和生物膜及活性污泥吸附和凝聚；

③被吸附、凝聚的水中污染物進而作為生物營養(yǎng)物質(zhì)，被生物膜及活性污泥吸收利用，參與微生物的新陳代謝、轉(zhuǎn)化降解過程，從而凈化水質(zhì)。

首先，在試驗過程中，溢流污水中大量不溶性細小懸浮物及膠體微粒等污染物在多層填料和濾料中被吸附、截留，在基質(zhì)空隙中接觸沉淀，從而降低了污水中懸浮物含量[12]。因濾料、填料孔隙飽和度有限，其吸附、截留懸浮物能力逐漸下降，導致其對污水中SS指標的去除率先高后低，呈逐漸下降趨勢。但生態(tài)濾壩試驗裝置采用的重力滲濾、多級截留方式，其截留的懸浮物自然沉淀析出并形成剩余污泥排出系統(tǒng)，這有效解決了濾料和填料的空隙堵塞問題，使得降濁去污過程可持續(xù)進行并最終趨于相對平衡狀態(tài)。

生態(tài)濾壩對含磷污染物的去除主要是通過基質(zhì)吸附和生物代謝予以實現(xiàn)的，其中基質(zhì)的吸附除磷起重要作用，且去除效率高[13]。污水流經(jīng)生態(tài)濾壩時，水中磷能夠以離子態(tài)與基質(zhì)表面發(fā)生離子交換而被吸附于填料表面，也能與水中可溶性金屬離子螯合形成不溶性含磷化合物沉積于填料表面，使得填料表面的吸附趨于相對飽和狀態(tài)。但隨著進水時間延長，生物膜或活性污泥中微生物自適應(yīng)性地開始攝取填料表面或污水中的磷元素，參與生物體的新陳代謝過程，并逐漸占優(yōu)勢，最終形成動態(tài)平衡狀態(tài)。因此，這也導致了生態(tài)濾壩試驗裝置的除磷效率先高后低并逐漸趨于相對平穩(wěn)的現(xiàn)象。

雖然生態(tài)濾壩內(nèi)置的多孔填料和濾料對溢流污水中有機物具有一定的吸附作用，但污水中有機物的去除主要還是依靠微生物的新陳代謝作用。污水中有機物在壩體流動過程中與附著生長的生物膜及懸浮狀的活性污泥發(fā)生吸附、凝聚作用，進而被微生物作為營養(yǎng)物質(zhì)吸收利用，在好氧條件下被生物降解和轉(zhuǎn)化，去除效率高[14]。特別是生態(tài)濾壩試驗裝置末端的多介質(zhì)濾層可有效截留、富集微生物，提升整個生態(tài)濾壩試驗裝置內(nèi)的活性微生物量，增強微生物的持續(xù)降解COD能力。因此，隨著作用時間推進，生態(tài)濾壩試驗裝置對溢流污水中COD指標的去除率逐漸上升，并最終趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

生物脫氮過程是生態(tài)濾壩裝置去除污水中TN和NH3-N的主要途徑。生態(tài)濾壩內(nèi)置的多介質(zhì)填料和濾料上棲息的生物膜實為膜狀生物活性污泥，由基質(zhì)堆積營造出了厭氧與好氧的交替環(huán)境，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次包括填料層-缺氧層-好氧層-附著水層[15]。當溢流污水流經(jīng)該生物膜表面時，除了有機物進行固相、液相的物質(zhì)交換、轉(zhuǎn)化外，含N化合物也被生物膜吸附與凝聚，并向生物膜內(nèi)部擴散，NH3-N通過微生物的同化作用得到削減，并在好氧與缺氧條件的共同作用下完成短程的“硝化-反硝化”的脫氮反應(yīng)過程，最終由反硝化細菌利用COD將NO3-N、NO2-N還原為N2，降低TN含量。并且隨著作用時間延長，生態(tài)濾壩裝置的脫氮效率會逐漸上升，最終趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)溢流口污水可生化性好的水質(zhì)特點，采用自制的生態(tài)濾壩構(gòu)建低影響開發(fā)、低能耗的多級生態(tài)過濾模塊，對溢流口污水就地截污并逐級凈化水質(zhì)，以關(guān)鍵性水質(zhì)污染指標（TN、TP、CODCr、NH3-N及SS）的去除率作為依據(jù)，評價生態(tài)濾壩在雨污溢流口生態(tài)治理的應(yīng)用效果。

（2）應(yīng)用試驗結(jié)果表明，試驗點溢流口污水中TP、TN、NH3-N、COD及SS等水質(zhì)污染指標較高，如不經(jīng)處理直接排入周圍水域后勢必引起水體相應(yīng)水質(zhì)指標的上升，導致水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化甚至發(fā)黑發(fā)臭現(xiàn)象。經(jīng)生態(tài)濾壩試驗裝置原位處理后，出水水質(zhì)污染指標均有不同程度的顯著下降，水質(zhì)指標接近或達到《GB 18918城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，可排入

《GB 3838地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類功能水域。

（3）試驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，生態(tài)濾壩試驗裝置對溢流口污水中COD和SS的去除能力最強，兩者的去除率均＞80%，可大幅度地降低溢流口污水中的有機污染物濃度和懸浮物含量；其次，試驗裝置對NH3-N和TN指標的去除率可穩(wěn)定在70%以上，脫氮效率較高；同時，對TP指標的去除率也達到了65%左右，除磷效果明顯。

（4）對生態(tài)濾壩試驗裝置凈化作用機理的深入分析，試驗裝置對溢流口污水中COD、TN及NH3-N指標的去除主要以生物代謝為主，去除效率隨著時間增長而逐漸提升，并趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)；對TP指標的去除分為兩個階段：初期以物理吸附為主，除磷效率高，穩(wěn)定期兼有物理吸附和生物代謝兩種機理，使得試驗裝置的除磷效率先高后低，并逐漸趨于相對平穩(wěn)；對懸浮物的去除主要以截留、吸附、沉淀等物理過程為主，去除效率主要受濾料、填料孔隙飽和度影響，對懸浮物的去除能力逐漸下降并趨于相對平衡狀態(tài)。

（5）通過在某溢流口的試驗性應(yīng)用，生態(tài)濾壩試驗裝置能原位降解、轉(zhuǎn)化溢流口雨污所攜帶的懸浮物、氮、磷及有機物等污染物，脫氮除磷，協(xié)同去除有機污染物，可應(yīng)用于雨污溢流口生態(tài)凈化的治理。處理后的出水可達標排放至周圍受納水體，從源頭上削減進入河流、湖泊等水體的污染負荷，緩解溢流口水域的富營養(yǎng)化態(tài)勢。

（6）由于時間有限而未能在冬季低溫條件下的溢流口進行應(yīng)用試驗，加上進水水質(zhì)易受降雨干擾等原因，基于生態(tài)過濾技術(shù)的生態(tài)濾壩在實際工程應(yīng)用時，應(yīng)綜合考慮溢流口當?shù)氐臍鉁?、水文、生態(tài)、水質(zhì)、水量、地形、降雨等影響要素，因地制宜，合理規(guī)劃。

參考文獻：

[1] 廖偉伶，黃健盛，丁健剛，等.我國黑臭水體污染與修復技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].長江科學院院報，2017，34（11）：153-158.

[2] 盧少勇.黑臭水體治理技術(shù)及典型案例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2019：38-42.

[3] 趙越，姚瑞華，徐敏，等.我國城市黑臭水體治理實踐與思路探討[J].環(huán)境保護，2015，43（13）：27-29.

[4] 朱麗芳，夏銀鋒，等.水污染與水環(huán)境治理[M].北京：中國水利水電出版社，2019：46-48.

[5] 呂哲，倪志凡，肖德茂，等.生態(tài)壩對陽澄湖養(yǎng)殖水體的原位修復研究[J].中國給水排水， 2015，31（1）：22-26.

[6] 于魯冀，呂曉燕，李陽陽，等.生態(tài)濾壩處理微污染河水實驗研究[J].水處理技術(shù)， 2018，44（5）： 88-92.

[7] 水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2002：246-250.

[8] 朱端衛(wèi)，萬小瓊，崔理華，等.環(huán)境生態(tài)工程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2017：35-38.

[9] 劉晉旭，劉振鴻.復合式生物處理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].工業(yè)水處理，2003，23（1）：8-11.

[10] 張文生，于魯冀，呂曉燕，等.生態(tài)濾壩坡度對水體污染物去除效率的影響[J].環(huán)境工程， 2018，36（8）：30-34.

[11] 劉露，于魯冀，李廷梅，等.基質(zhì)厚度對生態(tài)濾壩凈化水體效果及機理的研究[J].華北水利水電大學學報（自然科學版）， 2019，40（5）：13-17.

[12] 駱其金，周昭陽，黎京士，等.濾壩系統(tǒng)對城市初期雨水的凈化效果[J].環(huán)境工程技術(shù)學報， 2019，9（3）：282-285.

[13] 盧少勇，金相燦，余剛.人工濕地的磷去除機理[J].生態(tài)環(huán)境學報，2006，15（2）：391-396.

[14] 王文祥，李慧穎.水污染治理技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2022：26-33.

[15] 李輝，徐新陽，李培軍，等.人工濕地中氨化細菌去除有機氮的效果[J].環(huán)境工程學報，2008， 2（8）：1044-1047.