組合接觸氧化技術原位修復受污染河道河水的效果

本案例以廣東省某山溪性河流為例，為提升河道水質及水生態系統功能，在區域截污控源的基礎上，開展河道水質凈化及水生態系統修復工程，以降低面源污染的影響。

1 材料與方法

1.1 工程設計

本修復工程建設在該河道的其中一條支流上，污染源主要有周邊散排的生活污水、養殖廢水及稻田退水，水中的有機物、氮、磷嚴重超標。每年7～9月該支流平均水量約1200m3/d，河道平均寬度4.5m，有效水深約0.5m，工程處理流經該河道的所有污水。工程在2020 年7月初施工完成，河道水平均溫度為30.0℃。

由于占地空間有限，工程充分利用現有河床，在支流匯入口上游400m 范圍內建設，從上游往下游依次為消能沉砂區、主反應區和出水展示區。消能沉砂區由起始端布設的生態石籠及其上游30m 河床組成，主反應區由250m 礫石填料段、100m 碳素纖維生態水草段及生態過濾壩組成，出水展示區由末端匯入口處20m 水生植物區組成。為保證河道行洪，減少內源污染對處理效果的影響，在工程實施前對河道底泥及垃圾進行清理，平均清理深度為0.3m。

1.2 河道水質

2019 年4月～2020 年3月水質監測數據顯示，該支流水質介于Ⅳ～Ⅴ類，主要污染因子有CODcr、NH3-N、TP，CODcr濃度范圍為16～82mg/L，NH3-N 濃度范圍為0.43～1.42mg/L，TP濃度范圍為0.23～0.96mg/L，本工程的實施主要削減CODcr、NH3-N、TP 的排放量。

1.3 掛膜與啟動

掛膜量、微生物種類及活性是影響接觸氧化系統運行效果的關鍵因素。常用的掛膜方法有自然掛膜法、接種掛膜法、流量遞增掛膜法等。本工程為確保系統快速進入運行狀態，綜合考慮掛膜特點、河道水質、環境因素等，采用固化微生物發生器接種掛膜，以加速系統的掛膜速度。固化微生物發生器含有高效除磷脫氮微生物群落、氧化分解有機污染物的微生物菌群以及極端耐鹽菌等，這些微生物都是從自然界中篩選的普通微生物，對氨氮和總磷有極高的去除率，可達98%以上。

1.4 水質監測指標及方法（表1）

表1 水質監測指標及方法

2 結果與分析

2.1 掛膜生物相觀測

生物膜的形成是一個動態遞增的過程，主要包括三個階段：初始附著—生物膜成熟—生物膜分離。系統運行過程中對礫石及碳素纖維生態水草表面的掛膜情況進行觀察，7 天后礫石表面局部有灰色物附著；15 天后礫石表面附著物面積增大，顏色呈淡黃色；25 天礫石表面生物膜量增加，肉眼可見表層附著約1mm 厚的黃褐色團絮狀生物膜，第30 天觀測基本無變化。

系統運行5 天，碳素纖維生態水草表面開始出現少量氣泡，第12 天水草顏色開始呈淡黃色；第20 天水草表面出現黃褐色團絮狀生物膜；第25 天生物膜測量生物膜厚度約1.5mm，肉眼觀測可見個體較大的原生動物，由此判定系統生物膜掛膜成功。

2.2 CODcr的去除效果

由圖1可知，工程進水CODcr濃度介于23～49mg/L 之間，平均值為33.90mg/L，在系統剛開始運行時，CODcr的去除率較低，8月開始進入相對穩定的狀態，去除率均在40%以上，最高達47.22%。9月期間，CODcr出水濃度基本在15～19mg/L 之間，達到地表水Ⅲ類標準。運行期間工程對CODcr的削減量為14.4kg/d。

工程運行期間，系統進水和出水的pH 變化不大，基本在6.5～8.2 之間，水體溫度在28℃～30℃之間，水量也較穩定，這都有利于生物膜的穩定運行。水體在流動過程中，有機物與生物膜相接觸，部分會被礫石物理吸附，大部分會沉淀在生物膜表面，進而被生物膜中豐富的自養菌和異養菌作為營養物質吸附、氧化分解，同時在工程的出水展示區通過植物的吸收達到降解部分有機物的目的。

圖1 工程對CODcr的去除效果

2.3 NH3-N的去除效果

在受污染河流的治理中，氮的去除是重點和難點。本工程采用固化微生物發生器接種，它含有高效的硝化菌和反硝化菌，礫石及碳素纖維生態水草表能夠為微生物的生長提供大量空間，在其外層形成好氧區，內層形成缺氧區，具有了同步硝化反硝化的條件。同時出水區的沉水植物可以吸收部分氮磷，其表面的生物膜也具有降解氮磷的作用。在系統運行的2 個月中，河道水量、水質、溫度、pH 等外界因素相對穩定，后期降解率也較穩定。

由圖2 可知，工程運行過程中，系統進水NH3-N 波動加大，最低濃度在7月30 日為0.43mg/L，最高濃度在9月10 日為1.68mg/L，其余時間介于0.82～1.36mg/L 之間。

在系統剛開始運行時，NH3-N 的去除率較低，在10%以內；8月10 日開始進入相對穩定的狀態，去除率達到40%以上；9月平均接近50%，最高為54.17%。8～9月，系統出水NH3-N濃度低于1mg/L，達到地表水Ⅲ類標準，在9月25 日和9月30日，出水NH3-N 濃度甚至低于0.5mg/L，達到地表水Ⅱ類標準，這說明該系統對氨氮有較高的去除能力。雖然系統進水的NH3-N 濃度變化較大，但出水的NH3-N 濃度相對比較穩定。表明系統對NH3-N 的去除率與系統掛膜過程密切相關。運行期間工程對NH3-N 的削減量為0.55kg/d。

圖2 工程對氨氮的去除效果

2.4 TP的去除效果

由圖3 可知，工程進水TP 濃度在0.2～0.48mg/L 之間，平均為0.35mg/L，處于地表水Ⅴ類水平，系統穩定運行后，出水TP 濃度在0.17～0.29mg/L 之間，平均值為0.20mg/L，系統TP 的平均去除率為35.20%，最高可達43.75%，最低為30%，運行期間工程對TP 的削減量為0.12kg/d。可見該系統對控制TP 的外排有比較好的效果。

圖3 工程對TP 的去除效果

系統的前端鋪設有礫石、石灰石碎石、火山巖，通過填料的物理、化學吸附去除一部分磷，其次通過礫石及碳素纖維生態水草表面生物膜中聚磷菌的作用降解一部分磷，同時還有出水區的水生植物的作用，共同達到降磷的目的。

3 結語

該工程采用了礫間接觸氧化、納米微生物載體、固化微生物發生器、水生植物、生態過濾壩的組合技術。該組合技術對河水的凈化效果較好，穩定運行期間，COD 的平均去除率為42.20%，削減量平均為14.4kg/d，NH3-N 的平均去除率為50%，削減量平均為0.55kg/d，TP 的平均去除率達到35.20%，削減量平均為0.12kg/d。生物膜方法具有費用低、無二次污染，可就地處理，修復時間短等優點。