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        低溫條件下生態(tài)礫石床技術(shù)在河道水質(zhì)凈化中的應(yīng)用

        2022-09-21 08:14:38鮑子谷邱迪
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2022年17期
        關(guān)鍵詞:水質(zhì)生態(tài)工程

        鮑子谷,邱迪

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

        1 引言

        生態(tài)礫石床作為一種典型的河道水質(zhì)異位凈化技術(shù),具有運(yùn)行成本低、維護(hù)簡便、生態(tài)性高和低碳環(huán)保等特點(diǎn)[1],目前已經(jīng)開展了大量的工程實(shí)踐,已廣泛應(yīng)用在河道水質(zhì)凈化工程中。

        生態(tài)礫石床技術(shù)以天然礫石為填料作為微生物載體,是一種模仿生態(tài)、強(qiáng)化生態(tài)自然凈化水質(zhì)的工藝技術(shù)。生態(tài)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(tài)處理工藝,在低溫環(huán)境下,受制于工藝系統(tǒng)中生物活性降低等因素,其水質(zhì)凈化效率的下降不可避免。在低溫效率降低的情況下,生態(tài)礫石床能否有效凈化水質(zhì),仍值得深入研究。本文以某工程為研究對象,探討了以生態(tài)礫石床為主的生態(tài)組合工藝在低溫條件下對河道水質(zhì)凈化的應(yīng)用及效果,可為國內(nèi)類似條件下的工程設(shè)計(jì)提供參考。

        2 項(xiàng)目概況

        本工程所在區(qū)域年日平均氣溫≥25℃的日數(shù)小于80 d,年日平均氣溫≤5℃的日數(shù)約120 d,屬于寒冷地區(qū)。項(xiàng)目河道現(xiàn)狀水質(zhì)與規(guī)劃水質(zhì)目標(biāo)仍有較大差距,本工程擬通過異位凈化技術(shù)對河道水質(zhì)進(jìn)行凈化,削減河水中的污染物,保障流域水安全。本工程規(guī)模為20萬m3/d,選址于河道旁農(nóng)田區(qū)域。

        本工程采用的處理工藝是以生態(tài)礫石床為主再結(jié)合穩(wěn)定塘構(gòu)成的組合濕地工藝形式。工程通過取水泵進(jìn)水,河水在前置沉淀生態(tài)塘中沉淀、配水后,進(jìn)入生態(tài)礫石床進(jìn)行處理,再在多塘系統(tǒng)中調(diào)蓄與復(fù)氧并進(jìn)一步提升水質(zhì),出水最終排回河道。本工程礫石床單元為2級串聯(lián),單元進(jìn)水和收水均采用穿孔花管,確保單元內(nèi)進(jìn)出水均勻。生態(tài)礫石床的水力停留時(shí)間約為13 h,表面水力負(fù)荷為0.70 m3/(m2·d)。單元內(nèi)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(yùn)行效果分析

        本工程于2020年11月竣工驗(yàn)收,經(jīng)過3個(gè)月的試運(yùn)行后,于2021年1月下旬開始正式運(yùn)行。工程正式運(yùn)行期間該區(qū)域已進(jìn)入冬期,在隨后的1~4月也處于低溫條件,區(qū)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(huì)受到一定影響,水質(zhì)凈化效果會(huì)一定程度降低。本文擬通過選取工程1~4月低溫期間的進(jìn)出水水質(zhì)實(shí)測數(shù)據(jù),探討在低溫條件下生態(tài)礫石床工藝在河道水質(zhì)凈化中的應(yīng)用效果。

        根據(jù)實(shí)測的水質(zhì)數(shù)據(jù),1~4月生態(tài)礫石床進(jìn)水COD的指標(biāo)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(dòng),經(jīng)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(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅳ類水的要求,COD的去除率在16.1~32.9%之間波動(dòng),詳見圖1。1~4月濕地系統(tǒng)進(jìn)水中的NH3-N濃度在Ⅲ類和劣V類水標(biāo)準(zhǔn)之間波動(dòng),處于0.77~2.25 mg/L,經(jīng)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn),NH3-N的去除率在14.1~35.0%之間波動(dòng),詳見圖2。1~4月濕地系統(tǒng)進(jìn)水中的TP濃度在III類和劣V類水標(biāo)準(zhǔn)之間波動(dòng),處于0.19~0.43 mg/L,經(jīng)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(zhì)標(biāo)準(zhǔn),TP的去除率在10.5%~33.3%波動(dòng),詳見圖3。

        圖1 生態(tài)礫石床對COD的去除率

        圖2 生態(tài)礫石床對NH3-N的去除率

        圖3 生態(tài)礫石床對TP的去除率

        4 結(jié)果討論

        4.1 COD去除效果討論

        從監(jiān)測結(jié)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(tài)處理系統(tǒng)中微生物對COD的去除作用脫不開關(guān)系[2]。在生態(tài)礫石床運(yùn)行過程中,礫石填料的表面會(huì)附著和生長大量微生物形成生物膜,水中溶解性的有機(jī)物在流經(jīng)這些生物膜時(shí)就會(huì)被微生物攝取和利用,從而對COD進(jìn)行去除。水溫低時(shí),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(jī)物能力下降,整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)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(fù),COD的去除效率也就相應(yīng)得到提高,這也與本工程水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果反映出的規(guī)律一致。除了微生物的生化作用,另一方面,生態(tài)礫石床還可通過礫石填料對污水中不溶性有機(jī)污染物進(jìn)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(yùn)行初期,填料剛開始發(fā)揮吸附作用,遠(yuǎn)未達(dá)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(shí),通過物理作用去除COD使生態(tài)礫石床的出水滿足項(xiàng)目要求。

        4.2 NH3-N去除效果討論

        監(jiān)測結(jié)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(tài)處理系統(tǒng)對NH3-N去除的機(jī)理也是相符的。生態(tài)礫石床填料表面微生物中含有硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌,在礫石床填料好氧、厭氧和缺氧區(qū)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(tài)處理系統(tǒng)中氮去除的主要途徑[4]。硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性和代謝同樣會(huì)受到溫度的影響,在低溫條件下,硝化和反硝化細(xì)菌代謝緩慢,硝化作用和反硝化作用效率降低明顯[5],會(huì)影響生態(tài)礫石床NH3-N的去除效率,而生態(tài)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(tài)礫石床在低溫條件下發(fā)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(dá)到14.1%~35.0%的NH3-N去除率,保證出水NH3-N滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求,基本優(yōu)于Ⅳ類水。

        4.3 TP去除效果討論

        監(jiān)測結(jié)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(tài)處理系統(tǒng)中微生物的數(shù)量與TP的去除效果并無明顯關(guān)系[6-7],微生物作用吸收對TP去除的貢獻(xiàn)也占比相對有限。系統(tǒng)中TP的去除主要還是靠填料的物理攔截吸附作用和化學(xué)作用實(shí)現(xiàn),填料通過物理攔截吸附能吸附一定量的TP,同時(shí)填料中的鈣、鐵、鋁等離子還能與磷發(fā)生沉淀反應(yīng),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(xué)沉淀反應(yīng)基本也是不受溫度影響的,所以在本工程的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果中,生態(tài)礫石床對TP的去除率與溫度的波動(dòng)關(guān)系并不明顯。值得注意的是,在4月份TP的去除率出現(xiàn)了一定程度的降低,這與進(jìn)水水質(zhì)改善有一定關(guān)系。4月份的進(jìn)水水質(zhì)達(dá)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(tài)礫石床能發(fā)揮的生物吸收和填料吸附能發(fā)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(jìn)行了凈化。總而言之,在低溫條件下,生態(tài)礫石床對TP也能保持10.5%~33.3%的去除率,保證了出水水質(zhì)滿足項(xiàng)目要求,總體優(yōu)于Ⅳ類水。

        5 結(jié)論與建議

        1)在工程區(qū)域氣溫處于-3~14℃,水溫5~15℃的低溫條件下,對于水質(zhì)劣于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水的河水,生態(tài)礫石床對COD,NH3-N和TP的去除率可分別達(dá)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(tài)礫石床對COD和NH3-N的去除率與水溫呈正相關(guān)的關(guān)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(tài)礫石床對TP的去除率與水溫并無明顯的相關(guān)性。

        3)低溫條件下可考慮一定的保溫措施以改善在低溫運(yùn)行時(shí)生態(tài)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(yōu)化填料材質(zhì)選擇和填料層設(shè)計(jì)等措施。

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