低溫條件下生態礫石床技術在河道水質凈化中的應用

鮑子谷，邱迪

（1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢430079；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢430010）

1 引言

生態礫石床作為一種典型的河道水質異位凈化技術，具有運行成本低、維護簡便、生態性高和低碳環保等特點[1]，目前已經開展了大量的工程實踐，已廣泛應用在河道水質凈化工程中。

生態礫石床技術以天然礫石為填料作為微生物載體，是一種模仿生態、強化生態自然凈化水質的工藝技術。生態礫石床可通過接觸沉淀、吸附、生物降解等多重作用有效去除污水中的BOD5、SS、氨氮（NH3-N）、總磷（TP）。作為一種生態處理工藝，在低溫環境下，受制于工藝系統中生物活性降低等因素，其水質凈化效率的下降不可避免。在低溫效率降低的情況下，生態礫石床能否有效凈化水質，仍值得深入研究。本文以某工程為研究對象，探討了以生態礫石床為主的生態組合工藝在低溫條件下對河道水質凈化的應用及效果，可為國內類似條件下的工程設計提供參考。

2 項目概況

本工程所在區域年日平均氣溫≥25℃的日數小于80 d，年日平均氣溫≤5℃的日數約120 d，屬于寒冷地區。項目河道現狀水質與規劃水質目標仍有較大差距，本工程擬通過異位凈化技術對河道水質進行凈化，削減河水中的污染物，保障流域水安全。本工程規模為20萬m3/d，選址于河道旁農田區域。

本工程采用的處理工藝是以生態礫石床為主再結合穩定塘構成的組合濕地工藝形式。工程通過取水泵進水，河水在前置沉淀生態塘中沉淀、配水后，進入生態礫石床進行處理，再在多塘系統中調蓄與復氧并進一步提升水質，出水最終排回河道。本工程礫石床單元為2級串聯，單元進水和收水均采用穿孔花管，確保單元內進出水均勻。生態礫石床的水力停留時間約為13 h，表面水力負荷為0.70 m3/（m2·d）。單元內裝填礫石填料，礫石粒徑為20～40 mm，裝填高度為1.0 m，裝填孔隙率為40%。

3 運行效果分析

本工程于2020年11月竣工驗收，經過3個月的試運行后，于2021年1月下旬開始正式運行。工程正式運行期間該區域已進入冬期，在隨后的1～4月也處于低溫條件，區域平均氣溫低于13℃，平均水溫也低于15℃，礫石床床體中微生物的活性必然會受到一定影響，水質凈化效果會一定程度降低。本文擬通過選取工程1～4月低溫期間的進出水水質實測數據，探討在低溫條件下生態礫石床工藝在河道水質凈化中的應用效果。

根據實測的水質數據，1～4月生態礫石床進水COD的指標基本處于Ⅳ類水到劣V類水之間，濃度在25.5～40.2 mg/L間波動，經礫石床處理后出水COD降至20.9～30.0 mg/L，均滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅳ類水的要求，COD的去除率在16.1～32.9%之間波動，詳見圖1。1～4月濕地系統進水中的NH3-N濃度在Ⅲ類和劣V類水標準之間波動，處于0.77～2.25 mg/L，經礫石床處理，NH3-N降至0.61～1.56 mg/L，基本滿足III類水到Ⅳ類水質標準，NH3-N的去除率在14.1～35.0%之間波動，詳見圖2。1～4月濕地系統進水中的TP濃度在III類和劣V類水標準之間波動，處于0.19～0.43 mg/L，經礫石床處理后降至0.17～0.31 mg/L，基本滿足III類至Ⅳ類水質標準，TP的去除率在10.5%～33.3%波動，詳見圖3。

圖1 生態礫石床對COD的去除率

圖2 生態礫石床對NH3-N的去除率

圖3 生態礫石床對TP的去除率

4 結果討論

4.1 COD去除效果討論

從監測結果中可以看出，COD的去除率從1月到4月隨氣溫和水溫的升高是逐步增加的。這和生態處理系統中微生物對COD的去除作用脫不開關系[2]。在生態礫石床運行過程中，礫石填料的表面會附著和生長大量微生物形成生物膜，水中溶解性的有機物在流經這些生物膜時就會被微生物攝取和利用，從而對COD進行去除。水溫低時，填料表面微生物的活性降低，微生物代謝減慢，其攝取和利用有機物能力下降，整個生態系統COD的去除效率就相對較低，而隨著氣溫逐漸升高，微生物活性逐漸恢復，COD的去除效率也就相應得到提高，這也與本工程水質監測結果反映出的規律一致。除了微生物的生化作用，另一方面，生態礫石床還可通過礫石填料對污水中不溶性有機污染物進行物理攔截、過濾和吸附[3]。填料的物理作用基本是不受溫度影響的，而是受填料本身吸附飽和度的影響更大。工程運行初期，填料剛開始發揮吸附作用，遠未達到吸附飽和度，可在低溫條件下微生物生化作用受到限制時，通過物理作用去除COD使生態礫石床的出水滿足項目要求。

4.2 NH3-N去除效果討論

監測結果反映出NH3-N的去除率也隨著水溫和氣溫的升高逐漸增加。這與生態處理系統對NH3-N去除的機理也是相符的。生態礫石床填料表面微生物中含有硝化細菌和反硝化細菌，在礫石床填料好氧、厭氧和缺氧區條件下，微生物通過硝化和反硝化作用能去除一部分氮，這也是生態處理系統中氮去除的主要途徑[4]。硝化細菌和反硝化細菌的活性和代謝同樣會受到溫度的影響，在低溫條件下，硝化和反硝化細菌代謝緩慢，硝化作用和反硝化作用效率降低明顯[5]，會影響生態礫石床NH3-N的去除效率，而生態礫石床中填料的物理吸附攔截作用也可以去除部分氮，不受溫度影響的物理攔截吸附作用就對生態礫石床在低溫條件下發揮除氮功能起到了一定支持作用，從而保證了本工程在低溫條件下也能達到14.1%～35.0%的NH3-N去除率，保證出水NH3-N滿足項目設計要求，基本優于Ⅳ類水。

4.3 TP去除效果討論

監測結果表明TP的去除率在1～4月處于震蕩的趨勢，并未隨著氣溫和水溫的變化有明顯的趨勢。雖然TP能通過微生物的同化吸收以及聚磷菌對磷的過量積累去除，但有研究表明，生態處理系統中微生物的數量與TP的去除效果并無明顯關系[6-7]，微生物作用吸收對TP去除的貢獻也占比相對有限。系統中TP的去除主要還是靠填料的物理攔截吸附作用和化學作用實現，填料通過物理攔截吸附能吸附一定量的TP，同時填料中的鈣、鐵、鋁等離子還能與磷發生沉淀反應，也可以去除一定量的TP[8]。同樣的，填料對磷的物理攔截吸附和化學沉淀反應基本也是不受溫度影響的，所以在本工程的水質監測結果中，生態礫石床對TP的去除率與溫度的波動關系并不明顯。值得注意的是，在4月份TP的去除率出現了一定程度的降低，這與進水水質改善有一定關系。4月份的進水水質達到了III類水，TP的污染物濃度低至0.19 mg/L，在低濃度污染物的情況下，生態礫石床能發揮的生物吸收和填料吸附能發揮的作用均有限，去除率就相對較低，但總體來講也去除了一定量的污染物，對河水進行了凈化。總而言之，在低溫條件下，生態礫石床對TP也能保持10.5%～33.3%的去除率，保證了出水水質滿足項目要求，總體優于Ⅳ類水。

5 結論與建議

1）在工程區域氣溫處于-3～14℃，水溫5～15℃的低溫條件下，對于水質劣于GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅳ類水的河水，生態礫石床對COD，NH3-N和TP的去除率可分別達到16.1%～32.9%、14.1%～35.0%和10.5%～33.3%，并且出水COD，NH3-N和TP基本滿足Ⅳ類水的要求。

2）生態礫石床對COD和NH3-N的去除率與水溫呈正相關的關系，低溫條件下，隨著水溫提高，COD和NH3-N的去除率有一定程度的提高；生態礫石床對TP的去除率與水溫并無明顯的相關性。

3）低溫條件下可考慮一定的保溫措施以改善在低溫運行時生態礫石床對COD和NH3-N的去除效果，而提高TP的去除率可考慮通過優化填料材質選擇和填料層設計等措施。