城市河涌污染及懸浮式膜法治理技術(shù)的應(yīng)用研究

古旭城

（廣州市水務(wù)科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

城市河涌是一類用于城市內(nèi)部防洪防澇、給水排水以及城區(qū)航運的水利工程，按照形成條件可將其分為自然河涌與人工河涌。河涌在我國江南與華南地區(qū)廣泛分布，河涌污染的特征一般呈現(xiàn)為總水量較小但波動幅度較大、城市暴雨期瞬時流量大以及水體中總有機負荷濃度水平較低等特征。近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展與城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，城市工業(yè)廢水與居民區(qū)生活污水的產(chǎn)生量也大大增加，造成河涌中有機物濃度顯著上升而出現(xiàn)水體發(fā)臭與淤積嚴重等問題，不僅影響了河涌作為城市水利工程的基本功能，還使得城市水生態(tài)的穩(wěn)定性遭到嚴重破壞［1］。生物膜技術(shù)在污水凈化中具有較好的應(yīng)用效果，固定床生物膜法、流動生物膜法以及膜生物反應(yīng)器等典型的生物膜法的基本原理均為利用吸附在特定載體上的膜狀微生物群體來吸收污水中的有機物質(zhì)，從而達到降低污水中有機物濃度的目的。本研究在生物膜技術(shù)的基礎(chǔ)上探究了懸浮式生物膜法河涌污染治理技術(shù)，通過對比分析理清了該技術(shù)用于治理河涌有機物污染的影響因素、控制因素以及優(yōu)化策略等，對于河涌的綜合治理具有重要的現(xiàn)實意義。

1 城市河涌及河涌水污染概述

1.1 城市河涌及河涌污染的影響因素

河涌是城市中用于防洪排水、防澇防災(zāi)及城區(qū)航運的水利工程，這一類水利工程在我國的江南與華南地區(qū)具有十分廣泛的分布，也常被稱為“小河流”。河涌作為一類小型水利工程，其年平均流量通常較小，因此暴雨會造成河涌瞬時流量激增，同時河涌中有機物濃度水平對排放量十分敏感［2］。總的來說，影響城市河涌污染的因素主要有水文因素、水質(zhì)因素以及水生生態(tài)因素等。水文因素主要包括河涌流量、水位以及泥沙量等，水文因素的變化在相當(dāng)程度上決定于氣象條件、河涌下墊面情況以及河涌幾何特征；水質(zhì)因素是河涌水質(zhì)污染的重要基礎(chǔ)條件，其主要受到水、河涌中溶解物與懸浮物、河涌水生生物以及河涌底泥等因素的影響，河涌水質(zhì)基本特征與受污染情況的指標又包括水的一般性狀指標、氧平衡參數(shù)指標、氮磷參數(shù)指標、無機毒物參數(shù)指標、重金屬含量參數(shù)指標、毒害類有機物含量指標、放射性物質(zhì)濃度指標以及病原微生物指標等；水生生態(tài)因素主要是指河涌中微生物及其所處的水環(huán)境所構(gòu)成的具有特定結(jié)構(gòu)與功能性的綜合體，其主要可分為環(huán)境條件、參與物質(zhì)循環(huán)的無機物、生物與非生物的有機物以及綠色植物與光合細菌等“生產(chǎn)者”。

1.2 城市河涌污染的主因

當(dāng)城市河涌中的污染物含量超過其自凈化能力時就會出現(xiàn)水體理化性質(zhì)顯著改變的情況，水生態(tài)與功能也會遭到不同程度的破壞。總的來說，城市河涌的污染主要是由三方面因素造成的。其一，近年來城市居民總量不斷增加，污水排放總量持續(xù)增加，但近幾年城市污水凈化能力未得到顯著提升，造成污水凈化壓力不斷增大。其二，雖然近幾年加大了對大中型國有企業(yè)、外資以及合資企業(yè)的排污、排廢管控力度，但隨著小微企業(yè)數(shù)量的不斷增多，工業(yè)污染物特別是工業(yè)廢水的排放管控難度越來越大，同時一些新型有機物的出現(xiàn)也增加了污水的檢測與凈化難度。其三，隨著近年來城鎮(zhèn)化進程的持續(xù)推進與新農(nóng)村規(guī)模化種植模式的推廣，城市遠郊、農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及鄉(xiāng)村農(nóng)場等地區(qū)產(chǎn)生的生活污水與農(nóng)業(yè)污水總量快速上升，增加了污水處理的任務(wù)量，此外城市郊區(qū)的一些畜禽養(yǎng)殖場也成了城市河涌污染排放的重要源頭［3］。

2 生物膜技術(shù)處理污水的應(yīng)用原理

生物膜技術(shù)處理污水的基本原理是利用生物膜的選擇透過性來實現(xiàn)介質(zhì)分離的功能，同時在生物膜的兩側(cè)施加一定的輔助作用力，以加速特定組分能夠通過生物膜，從而實現(xiàn)污水凈化、雜質(zhì)分離以及組分濃縮等目的。現(xiàn)階段，利用生物膜處理污水的技術(shù)主要包含微濾技術(shù)（MF）、超濾技術(shù)（UF）、納濾技術(shù)（NF）以及反滲透技術(shù)（RO）等，生物膜的截留與透過性的調(diào)節(jié)可以通過改變膜兩側(cè)的輔助作用力來實現(xiàn)。經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用積累，生物膜技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用形式也越來越多樣化，其中膜生物反應(yīng)器（MBR）工藝與二級處理+MF/UF工藝常見于城市河涌污水的凈化與一般回用，因其良好的凈化效果與較高的性價比而在污水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用；NF技術(shù)與RO技術(shù)則多用于污水的深層次凈化，利用高壓膜的特性可實現(xiàn)污水的深度凈化，最終可得到較高品質(zhì)的產(chǎn)品水。從凈化組分的角度來說，MBR、MF以及UF等技術(shù)的結(jié)合可實現(xiàn)大多數(shù)常見污染物的處理，二級出水+MF/UF治理技術(shù)則對于經(jīng)初步凈化后水體中的懸浮固體物質(zhì)與磷元素具有良好的凈化效果，RO技術(shù)與NF技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于污水處理可達到較好的脫鹽與有機物吸附作用，出水達到飲用水標準。生物膜技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用示意圖如圖1所示。

圖1 生物膜技術(shù)處理污水的應(yīng)用示意圖

3 懸浮式生物膜法治理河涌污染的膜結(jié)構(gòu)與技術(shù)流程

3.1 懸浮式生物膜結(jié)構(gòu)

通過對既有生物膜的結(jié)構(gòu)與性能的分析，發(fā)現(xiàn)比表面積更大的片狀生物膜在污水處理中的效果更好。因此，本研究的生物膜應(yīng)具備在水中懸浮、比表面積大的特點，同時為了滿足城市河涌污水凈化的實踐要求，其結(jié)構(gòu)強度與抗沖擊性能也應(yīng)滿足一定的要求［4］。此外，考慮到環(huán)境因素的影響，應(yīng)用城市河涌污染懸浮式生物膜治理技術(shù)時選擇了純惰性且環(huán)境親和力較好的纖維膜。本研究中的懸浮式生物膜結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，為了保證生物膜呈現(xiàn)出良好的懸浮狀態(tài)，選擇了以懸浮體固定生物膜輔助的方式。

圖2 懸浮式生物膜結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 懸浮式生物膜法的流程設(shè)計

懸浮式生物膜處理河涌污染的流程示意圖如圖3所示。懸浮式生物膜法處理污水的反應(yīng)裝置選擇了有機玻璃的材質(zhì)，設(shè)定反應(yīng)槽兩個邊的長度比為1∶20，水道長度為12 m，高度為0.2 m，寬度為0.1 m，將總水道均分為6個水槽，各水槽首先相連并在內(nèi)部布置相同數(shù)量的生物膜，得到所需的推流式生物反應(yīng)裝置。該裝置采用了自然復(fù)氧為主、回流曝氣為輔的反應(yīng)工藝，使用水泵將待處理的污水輸送至高位水箱，然后污水到達反應(yīng)槽在均流板的作用下在反應(yīng)槽內(nèi)實現(xiàn)均布，同時污水在均布的過程中會與懸浮式生物膜存在大面積的接觸，在生物膜的過濾、吸附以及降解等作用下污水實現(xiàn)凈化，最終經(jīng)溢流板排出［5］。

圖3 懸浮式生物膜處理河涌污染的流程示意圖

4 懸浮式生物膜法處理河涌污染的結(jié)果驗證

為了檢驗懸浮式生物膜處理河涌污染的效果，設(shè)計了3種條件下的驗證試驗，并得到在不同COD、NH3-N以及T-P負荷狀態(tài)下懸浮式生物膜污水治理技術(shù)的凈化效果指標。

4.1 不同COD負荷狀態(tài)下的污水凈化效果

控制6個水槽中水溫與進水流量保持恒定（水溫25℃，進水流量1 L/min），NH3-N質(zhì)量濃度為15 mg/L，T-P質(zhì)量濃度為3 mg/L。驗證過程中，按照50 mg/L的梯度調(diào)整進水中的COD質(zhì)量濃度分別為100 mg/L、150 mg/L以及200 mg/L，采集并檢測進水與出水中的COD質(zhì)量濃度，得到如圖4所示的不同COD負荷狀態(tài)下污水處理效果柱狀圖。

圖4 不同COD負荷狀態(tài)污水處理效果

由此可知，進水中COD負荷在2.36～1.13kg/（m3·d）時，COD負荷越低則相應(yīng)的去除率越高；進水中COD質(zhì)量濃度為100 mg/L時，COD去除率為63.8%，去除效果較好。

4.2 不同NH3-N負荷狀態(tài)下的污水凈化效果

由于反應(yīng)裝置中不存在專門的曝氣，水體中氧濃度處于較低水平，使得水體中微生物絮體中產(chǎn)生了缺氧的環(huán)境，進而會產(chǎn)生同步硝化反硝化脫氮反應(yīng)。控制各水槽中溫度保持25℃、進水流量1 L/min不變，進水中COD質(zhì)量濃度為150 mg/L，T-P質(zhì)量濃度為3 mg/L。以5 mg/L為梯度調(diào)整進水中NH3-N質(zhì)量濃度分別為10 mg/L、15 mg/L以及20 mg/L，采集反應(yīng)器中進水與出水中的NH3-N質(zhì)量濃度指標，得到如圖5所示的污水凈化效果柱狀圖。

圖5 不同NH3-N負荷狀態(tài)下的污水凈化效果

由此可知，當(dāng)反應(yīng)裝置中的進水NH3-N負荷自235.4 g/（m3·d）開始下降時，懸浮式生物膜對其的凈化效果未得到明顯改善，始終保持在37%左右，因此認為懸浮式生物膜法應(yīng)用于城市河涌污染治理時對NH3-N質(zhì)量濃度變化不敏感［6］。

4.3 不同T-P負荷狀態(tài)下的污水凈化效果

保持相同的水溫與進水流量條件，控制進水COD質(zhì)量濃度為150 mg/L，進水NH3-N質(zhì)量濃度為15 mg/L。以1 mg/L為梯度，調(diào)整進水T-P的質(zhì)量濃度分別為3 mg/L、4 mg/L以及5 mg/L，采集進水T-P質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)并得到圖6。

圖6 不同T-P負荷狀態(tài)下的污水凈化效果

由此可知，進水T-P負荷從61.8 g/（m3·d）開始降低時，T-P的去除率呈現(xiàn)出一定的上升趨勢，但是并不明顯。考慮到本試驗中的磷組分相對單一，而城市污水中的磷元素多以混合物的形式溶解或懸浮于水體中，因此認為生物膜對T-P的凈化效果基本穩(wěn)定［7］。

5 結(jié)語

綜上所述，生物膜治理技術(shù)在現(xiàn)代污水處理中具有十分重要而廣泛的應(yīng)用，通過對傳統(tǒng)生物膜技術(shù)及應(yīng)用實踐的分析，提出懸浮式生物膜法治理技術(shù)與河涌污水凈化反應(yīng)系統(tǒng)，可在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、維護可操作性、污染物凈化效果以及系統(tǒng)運行成本等方面進行一定的優(yōu)化與改善。實踐中，還應(yīng)根據(jù)城市河涌污染的污染物組分情況，強化懸浮式生物膜技術(shù)的應(yīng)用靈活性，在經(jīng)濟性、凈化效果以及現(xiàn)實可操作性等方面進一步提升。