陳曉華

(上海環(huán)境保護(hù)有限公司，上?！?00233)

低溫條件下地面廊道對(duì)微污染河水凈化效果影響的試驗(yàn)研究

陳曉華

(上海環(huán)境保護(hù)有限公司，上海200233)

依托建立在新沂河河漫灘上的人工廊道中試工程開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究分析低溫條件下地面廊道對(duì)微污染河水的凈化效果。結(jié)果表明，地面廊道在沿程第一段對(duì)氨氮的去除率最大，之后濃度和去除率均趨于穩(wěn)定；硝酸鹽氮和高錳酸鉀指數(shù)沿程濃度總體呈線性下降，其中硝酸鹽氮去除率受溫度影響較大；礫石廊道對(duì)高錳酸鉀指數(shù)的去除率相比植物廊道更高，因?yàn)榈[石表面的微生物對(duì)廢水中的有機(jī)物降解效果明顯，而植物廊道中植物根系對(duì)氮有較好的吸收、固定作用，有效提高對(duì)氮的去除效果。地面廊道對(duì)氨氮、高錳酸鉀指數(shù)及硝酸鹽氮的平均去除率分別在91.1%、50.5%、44.2%以上。

低溫; 廊道; 微污染; 凈化

1　引　言

微污染水主要是指受有機(jī)物污染的地表水[1,2]，有機(jī)污染物一部分來源于生活性有機(jī)污染，其主要污染指標(biāo)為高錳酸鹽指數(shù)、氨氮，另一部分來源于工業(yè)性有機(jī)污染，其主要污染指標(biāo)為人工合成有機(jī)物(SOC)。

人工濕地系統(tǒng)是一個(gè)完整的生態(tài)系統(tǒng)，耗能低、投資省、管理費(fèi)用低[3,4]，同時(shí)它出水水質(zhì)好，抗沖擊力強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但占地面積較大，系統(tǒng)運(yùn)行易受氣候影響，在實(shí)際工程中多用于微污染水體的凈化、水體沿岸帶生態(tài)修復(fù)以及自然景觀建設(shè)等[5]。隨著人工濕地修復(fù)微污染河水以及農(nóng)村地區(qū)人工濕地應(yīng)用研究的深入，人工濕地逐漸被認(rèn)為適用于農(nóng)村地區(qū)受污河流的凈化[6,7]。

人工地面廊道系統(tǒng)作為濕地的一種形式，在控制水流和礦質(zhì)養(yǎng)分流動(dòng)方面的作用已為人們熟知[8]，它可以充分利用當(dāng)?shù)睾拥罏┑亍⒅参锖头植紡V泛的卵石，具有工藝簡(jiǎn)單、取材方便、投資費(fèi)用低、處理效果好、運(yùn)行管理方便[9,10]等優(yōu)點(diǎn)，因而，是一個(gè)值得深入研究的生態(tài)污水處理工藝。目前，人工廊道這一污水處理方式在國內(nèi)少有人研究，本文將結(jié)合新沂河污水治理試驗(yàn)工程[11]，開展該污水處理方式在低溫季節(jié)對(duì)微污染河水中有機(jī)物和氮的處理效果影響研究，以期為該處理系統(tǒng)修復(fù)城鎮(zhèn)微污染河水提供重要的運(yùn)行參數(shù)和技術(shù)支持。

2　試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

廊道的布置主要考慮進(jìn)水和出水的順暢，將地面廊道的水流方向沿著保麥子堰的坡度布置，使各濕地床均有0.1%的底坡。整個(gè)廊道出水渠道寬2m，長(zhǎng)100m，面積為200m2，由磚塊和水泥砌成，底部鋪設(shè)防滲薄膜，兩端分別設(shè)置配水區(qū)和集水區(qū)。

植物廊道采用首段進(jìn)水，填料表層采用100mm厚的開挖堆土，表層之下以5～10mm粒徑石灰石摻和適量土壤，厚度為200mm，再往下采用不同級(jí)配的礫石鋪設(shè)。植物沿廊道長(zhǎng)度0～30米內(nèi)布置黃菖蒲(種植密度10株/m2)、30～50m內(nèi)布置千屈菜(種植密度4株/m2)、50～100m內(nèi)布置荇菜(種植密度5株/m2)，其中黃菖蒲、千屈菜為挺水植物，荇菜屬于漂浮植物。植物廊道構(gòu)造見圖1。

圖1　植物地面廊道構(gòu)建簡(jiǎn)圖Fig.1　Construction of plant artificial surface corridor

圖2　礫石地面廊道構(gòu)建簡(jiǎn)圖Fig.2　Construction of gravel artificial surface corridor

礫石廊道采用階梯進(jìn)水，全長(zhǎng)共分3段，為了使負(fù)荷盡可能的均勻，在填料布置時(shí)應(yīng)順著水流的方向粒徑從大到小布置。每段選用的填料分別為：首段，50～80mm粗礫石；中間段，30～50mm粗礫石；末段，10～30mm粗礫石。礫石廊道構(gòu)造見圖2。

2.2試驗(yàn)條件

廊道系統(tǒng)建于2003年5月，建成后系統(tǒng)采用連續(xù)進(jìn)水方式，流量由進(jìn)水閥控制。2003年5月～11月經(jīng)歷植物及微生物生長(zhǎng)過程，從2003年11月開始穩(wěn)定運(yùn)行，直到2004年10月結(jié)束整一年的中試工程運(yùn)行。廊道設(shè)計(jì)進(jìn)水水力負(fù)荷為0.05m3/(m2·d)，單廊道處理量為10m3/d。廊道進(jìn)水直接取自新沂河，根據(jù)區(qū)域水環(huán)境監(jiān)測(cè)資料，河流水質(zhì)處于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類`V類，部分?jǐn)嗝嫠|(zhì)劣于V類，主要超標(biāo)因子為高錳酸鉀指數(shù)、氨氮。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，試驗(yàn)污水中的各項(xiàng)指標(biāo)負(fù)荷如下表。

表　實(shí)測(cè)污水進(jìn)水負(fù)荷及濃度

2.3試驗(yàn)方法

采樣時(shí)間選取在2003年11月及12月(秋冬季，水溫8℃～10℃)，每隔一定時(shí)間(每隔7～8天采樣一次，各取樣點(diǎn)同時(shí)采樣)測(cè)定水中的相關(guān)參數(shù)(高錳酸鉀指數(shù)、氨氮、硝酸鹽氮)，檢測(cè)方法按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[12]中進(jìn)行。每個(gè)廊道布置4個(gè)水樣采集點(diǎn)，即配水區(qū)、廊道第一段末端、第二段末端及出水口，具體位置如圖1所示，對(duì)應(yīng)為1、2、3、4處。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1廊道內(nèi)各污染物沿程濃度變化情況及凈化效果

廊道內(nèi)污水從礫石介質(zhì)或植物介質(zhì)中流過，從而產(chǎn)生過濾、沉淀、吸附等物理、化學(xué)作用和污染物與基質(zhì)多種形式的生化反應(yīng)，微生物在整個(gè)凈化過程中起著重要作用。

在兩個(gè)廊道中氨氮濃度在第一段下降幅度較大，去除率在78%～92%之間，之后濃度和去除率均趨于穩(wěn)定或下降幅度明顯變小，最終的去除率在88%～96%之間；硝酸鹽氮出口濃度隨進(jìn)口濃度的變化而變化，沿程濃度總體呈線性下降，個(gè)別點(diǎn)位濃度出現(xiàn)波動(dòng)，最終去除率在38%～63%，硝酸鹽氮的去除率受低溫影響，一些硝化細(xì)菌、亞硝化菌、氨化菌、反硝化細(xì)菌等不夠活躍，導(dǎo)致氨態(tài)氮無法向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化；高錳酸鉀指數(shù)出口濃度隨進(jìn)口濃度的變化而變化，與硝酸鹽氮類似，但沿程濃度變化呈線性遞減，最終去除率在44%～79%之間。

由于采用隔離層保護(hù)，廊道系統(tǒng)內(nèi)部污水溫度比自然河流高出2℃～6℃[13]，微生物活性得到提高。此外，廊道系統(tǒng)內(nèi)大氣復(fù)氧較充分，系統(tǒng)中基質(zhì)顆粒表層的生物膜形成了良好的好氧區(qū)域，而在生物膜內(nèi)部形成缺氧區(qū)域，當(dāng)其比例適當(dāng)時(shí)，構(gòu)成良好的同步消化反硝化微環(huán)境。因此廊道系統(tǒng)對(duì)微污染地表水中氨氮、高錳酸鉀指數(shù)及硝酸鹽氮仍然有較好的凈化效果。在10℃條件下，植物廊道對(duì)氨氮、高錳酸鉀指數(shù)及硝酸鹽氮的平均去除率分別為91.1%、50.5%、52%，礫石廊道對(duì)氨氮、高錳酸鉀指數(shù)及硝酸鹽氮的平均去除率分別為94.5%、74.2%、44.2%。

植物廊道、礫石廊道內(nèi)各污染物沿程濃度變化情況分別見圖3、圖4。

圖3　植物廊道內(nèi)各污染物沿程濃度變化Fig.3　Changes of pollutant concentration in plant corridor

圖4　礫石廊道內(nèi)各污染物沿程濃度變化Fig.4　Changes of pollutant concentration in gravel corridor

3.2植物廊道及礫石廊道凈化效果對(duì)比分析

兩種廊道系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效率較接近，平均去除率均大于90%，上下浮動(dòng)小于±3%，去除率較穩(wěn)定；礫石廊道對(duì)高錳酸鉀指數(shù)的平均去除率為74.2%，上下浮動(dòng)5%～-11%，植物廊道對(duì)高錳酸鉀指數(shù)的平均去除率為50.5%，上下浮動(dòng)4%～-6%，兩者平均去除率相差23.7%，礫石廊道去除率明顯優(yōu)于植物廊道，但植物廊道去除率則更顯穩(wěn)定；植物廊道對(duì)硝酸鹽氮的平均去除率為52%，上下浮動(dòng)小于11%，礫石廊道對(duì)硝酸鹽氮的平均去除率為44.2%，上下浮動(dòng)小于10%，兩者平均去除率相差7.8%，且去除率均不太穩(wěn)定。

礫石廊道在低溫條件下，對(duì)高錳酸鉀指數(shù)的去除率更高，說明附著在礫石表面的微生物對(duì)廢水中的有機(jī)物降解效果明顯；而植物廊道中植物根系對(duì)氮的吸收、固定，可提高氨氮、硝酸鹽氮的去除率。見圖5。

圖5　礫石廊道及植物廊道各污染物凈化效果對(duì)比Fig.5　Contrast of purification effect between gravel corridor and plant corridor

4　結(jié)　語

4.1礫石廊道及植物廊道在沿程第一段對(duì)氨氮的去除率最大，之后濃度和去除率均趨于穩(wěn)定或下降幅度明顯變小，最終去除率在88%～96%。硝酸鹽氮和高錳酸鉀指數(shù)的出口濃度隨進(jìn)口濃度的變化而變化，沿程濃度總體呈線性下降，其中高錳酸鉀指數(shù)最終去除率在44%～79%，硝酸鹽氮最終去除率在38%～63%，硝酸鹽氮去除率受溫度影響較大。

4.2在低溫條件下，礫石廊道對(duì)高錳酸鉀指數(shù)的去除率更高，說明附著在礫石表面的微生物對(duì)廢水中的有機(jī)物降解效果明顯；而植物廊道中植物根系對(duì)氮有較好的吸收、固定作用，可有效提高對(duì)氮的去除效果。

4.3溫度是影響地面廊道系統(tǒng)對(duì)微污染河水處理效率的重要因素，因此，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上應(yīng)通過優(yōu)化系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)等，提升系統(tǒng)內(nèi)溫度，維持熱量平衡，減少能量損耗等措施，可進(jìn)一步提高污水處理水平。

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Study on the Purifying Effect of Floodplain on Micro-polluted River under Low Temperature

CHEN Xiao-hua

(ShanghaiEnvironmentalProtectionCo.Ltd,Shanghai200233,China)

In order to test the purifying effect of floodplain on micro-polluted river under low temperature, two kinds of artificial floodplain corridors (the gravel corridor and the plant corridor) pilot project were established on Xinyi River. The results indicated that the corridors removed more ammonia (NH3-N) at the first section and then the concentration and removal rate of NH3-N became stable. The concentration of nitrate nitrogen (NO3-N) and potassium permanganate index (CODMn) showed a steady downward trend along the corridor; however the removal effect of NO3-N was greatly influenced by temperature. The removal rate of CODMnin gravel corridor was higher than that in plant corridor. Compared to the gravel corridor, the plant roots in plant corridor had better absorption and fixed function, which could improve the ability of removing nitrogen; however, the microorganism on the gravel surface corridor achieved better performance on organics pollutants in water. The average removal rates on NH3-N、CODMnand NO3-N were more than 91.1% 50.5% and 44.2% for both kinds of floodplain corridor.

Low-temperature;corridor;micro-polluted;purifying

2015-08-05

陳曉華(1979-)，男，上海人，2006年畢業(yè)于河海大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事河岸生態(tài)環(huán)境保護(hù)、工程設(shè)計(jì)及環(huán)境咨詢。

X703

A

1001-3644(2015)06-0029-05