城镇沟渠污水的原位生态净化试验研究

书书书城镇沟渠污水的原位生态净化试验研究路金喜１，　王　恒１，　张永惠２，　关占良１，　张西平１，　陈　丽１（１．河北农业大学城乡建设学院，河北保定０７１００１；２．河北环祥环境工程有限公司，河北石家庄０５００００）　　摘　要：　针对城镇河道沟渠污水横流、黑臭不堪的状况，设计了一种城镇沟渠污水原位生态净化装置，它主要由厌氧系统、人工湿地、增氧过滤净化系统和太阳能集热系统组成。在清苑县某镇沟渠的支渠段构建了该原位生态净化系统，考察了对水质的改善效果。结果表明，该工艺可以有效利用城镇沟渠空间对污水进行原位生态净化，出水ＣＯＤ、ＮＨ３－Ｎ、ＳＳ分别为（１６～３７）、（２．２～８）、（１．２～３．５）ｍｇ／Ｌ，达到了中水回用标准，这可以有效恢复城镇河道沟渠的生态功能。该工艺的太阳能集热系统可对太阳能进行采集和蓄存，保证了系统在环境温度较低时仍能正常高效运行。　　关键词：　城镇沟渠污水；　原位生态净化；　颗粒污泥；　人工湿地中图分类号：Ｘ７０３　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１０００－４６０２（２０１１）０１－００１２－０４ＳｔｕｄｙｏｎＩｎｓｉｔｕＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＰｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆＴｏｗｎＤｉｔｃｈＳｅｗａｇｅＬＵＪｉｎｘｉ１，　ＷＡＮＧＨｅｎｇ１，　ＺＨＡＮＧＹｏｎｇｈｕｉ２，　ＧＵＡＮＺｈａｎｌｉａｎｇ１，　ＺＨＡＮＧＸｉｐｉｎｇ１，　ＣＨＥＮＬｉ１（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＵｒｂａｎａｎｄＲｕｒａｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＨｅｂｅｉ，Ｂａｏｄｉｎｇ０７１００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｅｂｅｉＨｕａｎｘｉａｎｇＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００００，Ｃｈｉｎａ）　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａｉｍｅｄａｔｔｈｅｆｌｏｏｄｉｎｇａｎｄｓｅｒｉｏｕｓｏｄｏｒｏｆｔｏｗｎｄｉｔｃｈｓｅｗａｇｅ，ａｎｉｎｓｉｔｕｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄｓｙｓｔｅｍ，ａｅｒｏｂｉｃｆｉｌｔｒａｔｉｏｎａｎｄｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｏｌａｒｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓｙｓｔｅｍ．ＡｎｉｎｓｉｔｕｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｓｅｔａｔＱｉｎｇｙｕａｎＣｏｕｎｔｙｉｎＨｅｂｅｉＰｒｏｖｉｎｃｅｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｓｅｗａｇｅｑｕａｌｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｕｓｅｄｉｔｃｈｓｐａｃｅｔｏｐｅｒｆｏｒｍｉｎｓｉｔｕｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｓｅｗａｇｅｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅｅｆｆｌｕｅｎｔＣＯＤ，ａｍｍｏｎｉａａｎｄＳＳａｒｅ１６ｔｏ３７ｍｇ／Ｌ，２．２ｔｏ８ｍｇ／Ｌａｎｄ１．２ｔｏ３．５ｍｇ／Ｌｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｒｅａｃｈｉｎｇｔｈｅｒｅｃｌａｉｍｅｄｗａｔｅｒｒｅｕｓｅｓｔａｎｄａｒｄ．Ｔｈｅｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｔｏｗｎｄｉｔｃｈｅｓａｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｃｏｖｅｒｅｄ．Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇｔｈｅｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ，ｔｈｅｓｅｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｃａｎｐｒｏｐｅｒｌｙｏｐｅｒａｔｅｉｎｌｏｗｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：　ｔｏｗｎｄｉｔｃｈｓｅｗａｇｅ；　ｉｎｓｉｔｕｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；　ｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｗｅｔｌａｎｄ　　随着城镇化水平的不断提高，我国城镇污水的排放量也在快速增加，但其处理率还比较低。就整体而言，城镇沟渠水体黑臭是一种普遍现象，这已经严重地影响了居民的生活环境和城镇生态建设的进程。治理城镇沟渠水体的黑臭已经成为城镇水环境建设的一项重要内容。在我国城镇沟渠河道治理中，多采用杀藻剂、絮凝剂等化学方法，或疏浚、清淤、驳岸、绿化和截污等物理方法［１］。这些方法对缓解沟渠河道的污染状况能起到一定的作用，但这些作用往往是暂时的，并不能从根本上解决城镇沟渠河道水体的黑臭问题。因此如何标本兼治，在使城镇沟渠河道污水净化变·２１·第２７卷　第１期２０１１年１月　　　　　　　　　　　　中国给水排水ＣＨＩＮＡＷＡＴＥＲ＆ＷＡＳＴＥＷＡＴＥＲ　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０１１清的同时，又能恢复和完善其自然生态系统，已经成为城镇水环境治理中亟待解决的问题。１　工艺设计根据前期试验，设计了一种新型城镇沟渠污水原位生态净化工艺，如图１所示。在该工艺中，有压布水室、厌氧颗粒污泥反应池、溢流有氧布水板和生物滤池组成了厌氧生化系统，生态净化功能区、沉淀沟和生物栏栅组成了人工湿地净化系统，潜水泵、喷泉喷头、蚯蚓生物滤池和岸边渗透植物床组成了增氧过滤净化系统，太阳能集热罩和骨架组成了太阳能集热系统。上述各工艺系统形成一个生态单元，在城镇沟渠中可以设置多个该生态单元。在每个生态单元中，沿沟渠水流方向，于沟渠中依次设置厌氧颗粒污泥反应池、溢流有氧布水板、生物滤池、生态净化功能区，增氧过滤净化系统设置在岸坡上。!!!!#$!#$%&’()!#$%#)&’()*+,-.$)/0!’123%)456.&)4789:;!)=?’)45@A()B2C*)DEDF+)GH45I.,,)JKLMN5O,-)PQ;RST图１　城镇沟渠污水原位生态净化工艺Ｆｉｇ．１　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｉｎｓｉｔｕｅｃｏｌｏｇｉｃａｌｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｕｒｂａｎｄｉｔｃｈｓｅｗａｇｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ该工艺的工作原理：在非汛期，将沿沟渠某一地段的各排污口流出的污水汇集到有压布水室，并形成一定的水压，在该水压作用下污水透过透水层首先进入颗粒污泥反应池的污泥区进行厌氧消化，经初步降解后污水中的部分有机质转化为沼气等，沼气在随水流上升的过程中携带部分颗粒污泥上浮而形成悬浮区，在水压的推动下污水不断从污泥区进入悬浮区，并继续进行厌氧消化。进入该反应池的污水经过一定的水力停留时间后，进入溢流有氧布水板，这时由于势能快速释放而形成水幕，从而将大量空气溶解在水中，污水中残留的悬浮物和有机物被生物滤池中的球形陶粒滤料截留，并在其上逐渐形成生物膜，该生物膜不仅能截留悬浮物，还能进一步降解有机物［２］。生物滤池出水进入生态净化功能区，在该区一方面通过沉淀沟将污泥沉淀截留，另一方面通过水生植物的摄取和微生物的絮凝、吸附、分解作用，实现对污水中残留的有机物及磷、氮等无机物的降解和转化［３］。之后，通过潜水泵将生态净化功能区的部分出水进行加压而形成喷泉，进一步溶解空气，并通过设置在沟渠两岸的渗透植物床进行过滤。在汛期，由于水量较大，一方面可对污水进行稀释，另一方面又将厌氧颗粒污泥反应池、生态净化功能区等设施淹没，使沟渠恢复泄洪功能。２　试验方法试验场地选在河北清苑县某镇沟渠支渠段，厌氧颗粒污泥反应池容积为２．５ｍ３，生态净化功能区种植有菹草、凤眼莲等，面积为３７ｍ２，美人蕉种植在岸边台阶植物基中，面积为３０ｍ２，太阳能集热系统的集热面积为４５ｍ２。试验沟渠污水的水质见表１。表１　污水水质Ｔａｂ．１　Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙ项目ＣＯＤ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＮＨ３－Ｎ／（ｍｇ·Ｌ－１）ｐＨＳＳ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＴＮ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＴＰ／（ｍｇ·Ｌ－１）数值２８０～５６０１０～７５６．５～７．５２８０～４３０２７～９３２．１～５．５　　主要监测指标包括ＣＯＤ、ＢＯＤ５、ＮＨ３－Ｎ、ＳＳ、ＴＮ、ＴＰ等。ＢＯＤ５采用稀释与接种法测定；ＣＯＤ采用化学需氧量测定仪测定；ＮＨ３－Ｎ：采用纳氏试剂分光光度法测定；ＴＰ、ＴＮ分别采用碱性过硫酸钾消解—钼锑抗分光光度法和过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定；ｐＨ采用电位计测定；ＳＳ采用重量法测定。３　结果与分析通过６０ｄ的颗粒污泥驯化及人工湿地系统的调试后，该装置启动成功。分别取进水、厌氧系统出水、人工湿地出水进行分析。３１　四季水温的变化通过太阳能集热系统，可以使装置内水温维持在１５～３６℃的范围内，为颗粒污泥、微生物及水生植物的生长提供了较佳的环境。３２　最佳ＨＲＴ的确定调节厌氧系统的水力停留时间分别为３、５．５、８、１０ｈ（人工湿地系统的水力负荷相应为５４、３０、２０、１６ｃｍ／ｄ），考察对ＣＯＤ、ＳＳ、ＮＨ３－Ｎ的平均去除率，结果见表２。·３１·ｗｗｗ．ｗａｔｅｒｇａｓｈｅａｔ．ｃｏｍ路金喜，等：城镇沟渠污水的原位生态净化试验研究第２７卷　第１期表２　不同运行温度及水力停留时间下对各指标的去除率Ｔａｂ．２　Ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓｒｅｍｏｖａｌａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｒｅｔｅｎｔｉｏｎｔｉｍｅｓ％项　目温度为１５～２５℃时的去除率温度为２６～３６℃时的去除率３ｈ５．５ｈ８ｈ１０ｈ３ｈ５．５ｈ８ｈ１０ｈＣＯＤ８２９０９２９４８８９４９５９７ＳＳ９５９９９９．５９９．９９８９９．５９９．８９９．９ＮＨ３－Ｎ８１８７９０９１８４９２９４９５　　从表２可以看出，该装置对ＣＯＤ、ＳＳ、ＮＨ３－Ｎ的去除率随着温度的提高和ＨＲＴ的延长而增大。为保证厌氧系统的正常运行，容积负荷必须控制在一定限度内，否则会引起反应器性能的恶化。由于生活污水的污染物浓度较低，只能靠增加进水量来实现负荷的提升［４］。综合考虑对各指标的去除率及人工湿地系统的处理能力，确定厌氧系统的水力停留时间为５．５ｈ。３３　对ＣＯＤ的去除在最佳水力停留时间下，不同温度时对ＣＯＤ的去除效果见表３。表３　对ＣＯＤ的去除效果Ｔａｂ．３　ＣＯＤｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｍｇ·Ｌ－１项　目水温／℃１５～１９２０～２３２４～２７２８～３２３３～３６进水３１５～４４０２８０～４８０３２８～５１０３８０～５６０３７５～５５０厌氧出水９５～１１０８１～１０６８５～９７８７～９０７１～７２湿地出水３６～３７３０～３５３０～３１２３～２９１６～２１　　由表３可知，温度越高则对ＣＯＤ的去除效果越好，每升高４～５℃，厌氧系统对ＣＯＤ的去除率提高３％～５％，在３３～３６℃时去除率达到了８１％～８７％。夏汉平［５］认为温度对人工湿地系统去除ＣＯＤ有一定的影响，但在本试验中由于采用了太阳能集热系统，温度在１５～３６℃范围内变化，故对人工湿地系统运行的影响较小。经厌氧系统和人工湿地两次净化处理后，可以使ＣＯＤ从２８０～５６０ｍｇ／Ｌ降到１６～３７ｍｇ／Ｌ。３４　对ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ的去除不同温度时对ＮＨ３－Ｎ的去除效果见表４。可知厌氧系统出水的氨氮浓度比进水的略高，这是因为水解酸化菌的氨化和发酵作用使一部分有机氮转化为了氨氮［６］。对总氮的去除率只有２．８％～７％，表明厌氧系统的反硝化效率较低。对总磷的去除率只有０．２％～６．２％，去除效果也较差，原因是颗粒污泥仅能截留部分颗粒状的磷，对水溶性的磷没有去除效果［７］。人工湿地系统对ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ和ＴＰ的去除效果较好（见表５、６），且对ＮＨ３－Ｎ、ＴＮ的去除率随温度的升高而有所增加。这是因为温度不但影响湿地系统内微生物的繁殖速度，而且影响植物的生长情况［８］。对ＴＰ的去除率与温度的相关性较差，这是因为基质的吸附、置换和沉淀等作用是湿地的主要除磷机理，因此受温度的影响较小［９、１０］。经过人工湿地系统处理后，出水ＮＨ３－Ｎ降至２．２～８ｍｇ／Ｌ。表４　对ＮＨ３－Ｎ的去除效果Ｔａｂ．４　ＮＨ３－Ｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｅｃｔｍｇ·Ｌ－１项　目水温／℃１５～１９２０～２３２４～２７２８～３２３３～３６进水１５～３７１０～５８３１～７０３８～７５３３～７５厌氧出水１７～３９１３～６２３３～７４４０～８１３５～８１湿地出水３．２～５．９２．２～７．５５～８４．８～５．７３．２～４．１表５　对