本案例以廣東省某山溪性河流為例，為提升河道水質(zhì)及水生態(tài)系統(tǒng)功能，在區(qū)域截污控源的基礎(chǔ)上，開展河道水質(zhì)凈化及水生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)工程，以降低面源污染的影響。

1 材料與方法

1.1 工程設(shè)計

本修復(fù)工程建設(shè)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(yǎng)殖廢水及稻田退水，水中的有機(jī)物、氮、磷嚴(yán)重超標(biāo)。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(jīng)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(xiàn)有河床，在支流匯入口上游400m 范圍內(nèi)建設(shè)，從上游往下游依次為消能沉砂區(qū)、主反應(yīng)區(qū)和出水展示區(qū)。消能沉砂區(qū)由起始端布設(shè)的生態(tài)石籠及其上游30m 河床組成，主反應(yīng)區(qū)由250m 礫石填料段、100m 碳素纖維生態(tài)水草段及生態(tài)過濾壩組成，出水展示區(qū)由末端匯入口處20m 水生植物區(qū)組成。為保證河道行洪，減少內(nèi)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(jìn)行清理，平均清理深度為0.3m。

1.2 河道水質(zhì)

2019 年4月～2020 年3月水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，該支流水質(zhì)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(tǒng)運(yùn)行效果的關(guān)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(tǒng)快速進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，綜合考慮掛膜特點、河道水質(zhì)、環(huán)境因素等，采用固化微生物發(fā)生器接種掛膜，以加速系統(tǒng)的掛膜速度。固化微生物發(fā)生器含有高效除磷脫氮微生物群落、氧化分解有機(jī)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(dá)98%以上。

1.4 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)及方法（表1）

表1 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)及方法

2 結(jié)果與分析

2.1 掛膜生物相觀測

生物膜的形成是一個動態(tài)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(tǒng)運(yùn)行過程中對礫石及碳素纖維生態(tài)水草表面的掛膜情況進(jìn)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(tuán)絮狀生物膜，第30 天觀測基本無變化。

系統(tǒng)運(yùn)行5 天，碳素纖維生態(tài)水草表面開始出現(xiàn)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(xiàn)黃褐色團(tuán)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(tǒng)生物膜掛膜成功。

2.2 CODcr的去除效果

由圖1可知，工程進(jìn)水CODcr濃度介于23～49mg/L 之間，平均值為33.90mg/L，在系統(tǒng)剛開始運(yùn)行時，CODcr的去除率較低，8月開始進(jìn)入相對穩(wěn)定的狀態(tài)，去除率均在40%以上，最高達(dá)47.22%。9月期間，CODcr出水濃度基本在15～19mg/L 之間，達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)行期間工程對CODcr的削減量為14.4kg/d。

工程運(yùn)行期間，系統(tǒng)進(jìn)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(wěn)定，這都有利于生物膜的穩(wěn)定運(yùn)行。水體在流動過程中，有機(jī)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(jìn)而被生物膜中豐富的自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌作為營養(yǎng)物質(zhì)吸附、氧化分解，同時在工程的出水展示區(qū)通過植物的吸收達(dá)到降解部分有機(jī)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(fā)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(tài)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(qū)，內(nèi)層形成缺氧區(qū)，具有了同步硝化反硝化的條件。同時出水區(qū)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(tǒng)運(yùn)行的2 個月中，河道水量、水質(zhì)、溫度、pH 等外界因素相對穩(wěn)定，后期降解率也較穩(wěn)定。

由圖2 可知，工程運(yùn)行過程中，系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)剛開始運(yùn)行時，NH3-N 的去除率較低，在10%以內(nèi)；8月10 日開始進(jìn)入相對穩(wěn)定的狀態(tài)，去除率達(dá)到40%以上；9月平均接近50%，最高為54.17%。8～9月，系統(tǒng)出水NH3-N濃度低于1mg/L，達(dá)到地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，在9月25 日和9月30日，出水NH3-N 濃度甚至低于0.5mg/L，達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，這說明該系統(tǒng)對氨氮有較高的去除能力。雖然系統(tǒng)進(jìn)水的NH3-N 濃度變化較大，但出水的NH3-N 濃度相對比較穩(wěn)定。表明系統(tǒng)對NH3-N 的去除率與系統(tǒng)掛膜過程密切相關(guān)。運(yùn)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(jìn)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(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，出水TP 濃度在0.17～0.29mg/L 之間，平均值為0.20mg/L，系統(tǒng)TP 的平均去除率為35.20%，最高可達(dá)43.75%，最低為30%，運(yùn)行期間工程對TP 的削減量為0.12kg/d。可見該系統(tǒng)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(tǒng)的前端鋪設(shè)有礫石、石灰石碎石、火山巖，通過填料的物理、化學(xué)吸附去除一部分磷，其次通過礫石及碳素纖維生態(tài)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(qū)的水生植物的作用，共同達(dá)到降磷的目的。

3 結(jié)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(fā)生器、水生植物、生態(tài)過濾壩的組合技術(shù)。該組合技術(shù)對河水的凈化效果較好，穩(wěn)定運(yùn)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(dá)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(fù)時間短等優(yōu)點。