摘要：當(dāng)前，我國水環(huán)境依然面臨諸多風(fēng)險(xiǎn)，部分地區(qū)水資源短缺現(xiàn)象突出。城鎮(zhèn)污水處理廠排放的尾水經(jīng)過深度處理，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的Ⅴ類水質(zhì)要求后，可排入受納水體。生態(tài)礫石床是一種自然處理污水的方法，本質(zhì)是對天然河床中礫石表面的微生物膜進(jìn)行人工強(qiáng)化。作為一種礫間接觸氧化技術(shù)，生態(tài)礫石床可對低濃度污水進(jìn)行深度處理，有效提升水質(zhì)。同時(shí)，生態(tài)礫石床建設(shè)可以因地制宜，與景觀相結(jié)合。生態(tài)礫石床可用于城鎮(zhèn)污水處理廠尾水的深度凈化，同時(shí)具有美化景觀的作用。填料種類、粒徑可能影響生態(tài)礫石床凈化城鎮(zhèn)污水處理廠尾水的效果。試驗(yàn)采用礫石+鋼渣+沸石（配比為1∶1∶1）組成的復(fù)合填料與傳統(tǒng)的礫石填料進(jìn)行對比，研究不同粒徑下生態(tài)礫石床對污水的處理效能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用功能性復(fù)合填料，選擇適宜的填料粒徑，可以有效提高生態(tài)礫石床運(yùn)行效能，同時(shí)系統(tǒng)不易發(fā)生堵塞。

關(guān)鍵詞：生態(tài)礫石床；城鎮(zhèn)污水處理廠；尾水；深度處理；填料種類；填料粒徑

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）11-0270-04

influence of fillers on the purification effect of ecological gravel bed on Sewage treatment plant tailwater

ZHOU Luman， XU Chong， CAI Rui， HAN Shangxin， LI Chuan， CHE Jun

（Shanghai Waterway Engineering Design and Consulting Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China）

Abstract： At present， China’s water environment still faces many risks， and the shortage of water resources is prominent in some areas. The tailwater discharged from urban sewage treatment plants can be discharged into the receiving water body after deep treatment to meet the Class Ⅴ water quality requirements of the Surface Water Environmental Quality Standards （GB 3838—2002）. Ecological gravel bed is a natural method for treating the sewage， which essentially involves artificially strengthening the microbial film on the surface of gravel in natural riverbeds. As a gravel contact oxidation technology， ecological gravel beds can be used for deep treatment of low concentration sewage， effectively improving water quality. Meanwhile， the construction of ecological gravel beds can be tailored to local conditions and integrated with the landscape. Ecological gravel beds can be used for deep purification of sewage from urban sewage treatment plants， while also having the function of beautifying the landscape. The type and particle size of fillers may affect the effectiveness of ecological gravel bed in purifying the tailwater of urban sewage treatment plants. The experiment uses a composite filler composed of gravel， steel slag， and zeolite （with a ratio of 1∶1∶1） to compare with traditional gravel fillers， and studies the treatment efficiency of ecological gravel beds for sewage under different particle sizes. The experimental results show that using functional composite fillers and selecting appropriate filler particle sizes can effectively improve the operational efficiency of ecological gravel beds， while the system is less prone to blockage.

Keywords： ecological gravel bed; urban sewage treatment plant; tailwater; deep treatment; filler type; filler particle size

在當(dāng)今水污染風(fēng)險(xiǎn)增加、水資源供應(yīng)緊張的背景下，城鎮(zhèn)污水處理廠排放的尾水經(jīng)過深度處理，達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）的

Ⅴ類水質(zhì)要求后，可作為穩(wěn)定水源，排入受納水體。這不僅可以降低水環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，提高水環(huán)境容量，還可以補(bǔ)充地表水源，緩解水資源短缺問題。在我國，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水多要求達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)，其項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值高于地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。尾水可生化性差，氮磷含量高，排放量大且集中，會給受納水體輸入大量營養(yǎng)物質(zhì)，增加富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，必須深度凈化城鎮(zhèn)污水處理廠尾水，提高回用效率。

生態(tài)礫石床是一種自然處理污水的方法[2]，本質(zhì)是對天然河床中礫石表面的微生物膜進(jìn)行人工強(qiáng)化。作為一種礫間接觸氧化技術(shù)，生態(tài)礫石床可深度處理低污染物含量的污水，有效提升水質(zhì)。同時(shí)，生態(tài)礫石床建設(shè)可以因地制宜，與景觀相結(jié)合。生態(tài)礫石床可用于城市污水處理廠尾水的深度凈化，具有美化景觀的作用。試驗(yàn)研究填料種類、粒徑對生態(tài)礫石床凈化城鎮(zhèn)污水處理廠尾水效果的影響，可為污水處理廠尾水回用于河道或補(bǔ)充地下水源提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

小試裝置采用有機(jī)玻璃制作，每套裝置的外形尺寸均為1.5 m×0.4 m×0.5 m（長×寬×高），配水區(qū)、集水區(qū)寬度均為0.15 m，中間分為3格，每格長度均為0.4 m，中間用帶孔的插板間隔，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。插板位置可移動，以調(diào)整不同區(qū)域的長度。不同格內(nèi)分別充填不同粒徑、不同種類的填料。每格尾端設(shè)置取樣孔，用于采集水樣。生態(tài)礫石床的礫石區(qū)和鋼渣區(qū)設(shè)置微孔曝氣盤，均為好氧區(qū)，沸石區(qū)不曝氣。

小試結(jié)束后，在安徽省天長市銅城鎮(zhèn)尾水濕地現(xiàn)場建設(shè)生態(tài)礫石床中試場地。生態(tài)礫石床采用磚混結(jié)構(gòu)，采用2套池體并聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。生態(tài)礫石床尺寸為9.30 m×5.85 m×1.20 m（長×寬×高），從前至后依次為進(jìn)水區(qū)、配水區(qū)、填料區(qū)、集水區(qū)和出水區(qū)。填料區(qū)分別選用3種填料，即礫石、鋼渣和沸石，每種填料區(qū)上方設(shè)置取樣孔，用于采集水樣。生態(tài)礫石床前段設(shè)置曝氣系統(tǒng)，為曝氣區(qū)，后段為非曝氣區(qū)，曝氣區(qū)與非曝氣區(qū)的設(shè)計(jì)比例為2∶1，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

小試處理水量為0.075～0.150 m3/h。小試以自來水為水源，采用不同試劑配制模擬城鎮(zhèn)污水處理廠尾水，如表1所示。水質(zhì)監(jiān)測主要采用3個(gè)指標(biāo)，即化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、氨氮（NH3-N）和總磷（Total Phosphorus，TP）。其中，COD的測定采用《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》（HJ 828—2017），NH3-N的測定采用《水質(zhì) 氨氮的測定 蒸餾-中和滴定法》（HJ 537—2009），TP的測定采用《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》（GB 11893—1989）。生態(tài)礫石床進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)。中試期間，進(jìn)水為銅城鎮(zhèn)污水處理廠處理達(dá)標(biāo)排放的尾水，處理水量為100 m3/d。中試的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)與小試相同，測定方法一致。在生態(tài)礫石床系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，分別在進(jìn)水區(qū)、填料區(qū)和出水區(qū)設(shè)置若干取樣孔，定時(shí)取樣，記錄進(jìn)出水不同污染物濃度的變化。

2 結(jié)果與討論

根據(jù)生態(tài)礫石床的工作原理，污染物的去除主要依賴填料表面生物膜對有機(jī)物的氧化分解作用和填料的吸附能力。目前，在工程應(yīng)用中，生態(tài)礫石床主要使用粒徑5～20 cm的礫石作為填料。礫石表面具有良好的帶電特性，能夠有效地吸附或沉淀水中的大量有機(jī)活性物質(zhì)，進(jìn)而形成生物膜。這種生物膜在礫石表面迅速生長并附著，能夠快速地氧化吸收并分解吸附的污染物。然而，礫石表面光滑且比表面積有限，導(dǎo)致其對污染物的吸附效果并不理想。在進(jìn)水濃度較高的情況下，生態(tài)礫石床的處理效果有時(shí)無法滿足出水標(biāo)準(zhǔn)。常用的水處理填料中，沸石對NH3-N有良好的吸附作用，鋼渣對TP有良好的吸附作用。因此，試驗(yàn)采用礫石+鋼渣+沸石（配比為1∶1∶1）組成的復(fù)合填料與傳統(tǒng)的礫石填料進(jìn)行對比，并探究不同粒徑下生態(tài)礫石床對污水的處理效能。

2.1 小試結(jié)果分析

2.1.1 填料種類對污染物吸附作用的影響

小試采用礫石+鋼渣+沸石（配比為1∶1∶1）組成的復(fù)合填料與傳統(tǒng)的礫石填料進(jìn)行對比，分析污染物去除效果。由圖3可知，當(dāng)生態(tài)礫石床進(jìn)水污染物濃度相近時(shí)，采用復(fù)合填料的生態(tài)礫石床出水污染物濃度明顯低于僅使用礫石作為填料的生態(tài)礫石床。這表明生態(tài)礫石床采用復(fù)合填料時(shí)，運(yùn)行效能顯著提高。其中，COD平均去除率提升約5個(gè)百分點(diǎn)，NH3-N平均去除率提升約10個(gè)百分點(diǎn)，TP平均去除率提升約6個(gè)百分點(diǎn)。

沸石主要通過吸附和離子交換機(jī)制來去除水體中的氨氮。沸石具有獨(dú)特的架狀結(jié)構(gòu)，形成許多空腔，這賦予其超越一般材料的比表面積（通常為400～800 m2/g），其孔徑的均勻性產(chǎn)生顯著的超孔效應(yīng)，由于表面產(chǎn)生強(qiáng)大色散力作用，分布在孔穴中的陽離子和部分架氧的負(fù)電荷相互中和。沸石憑借特有的分子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生較大的靜電引力，具有強(qiáng)大的引力場。以上綜合因素的作用增強(qiáng)沸石的吸附能力。此外，沸石可以通過離子交換作用去除氨氮。沸石的孔穴通道直徑大于污水中銨離子直徑，銨離子易通過沸石的吸附作用進(jìn)入孔穴，與內(nèi)部晶格中的堿土金屬陽離子進(jìn)行交換，從而降低污水的氨氮濃度。

鋼渣除磷主要包括吸附和生成Ca-P沉淀兩種機(jī)理。在低磷濃度條件下，吸附作用占主導(dǎo)，而在高磷濃度條件下，主要形成Ca-P沉淀。試驗(yàn)以污水處理廠尾水為處理對象，TP含量較低，因此吸附作用為鋼渣除磷的主要途徑?？傮w來看，雖然填料吸附作用提升了生態(tài)礫石床運(yùn)行效能，但是生態(tài)礫石床對污染物的去除效果主要依靠生物膜的氧化分解作用。

2.1.2 填料粒徑對污染物吸附作用的影響

小試通過比較不同粒徑填料的生態(tài)礫石床運(yùn)行效能，探究填料粒徑對生態(tài)礫石床污染物去除效果的影響。由圖4可知，當(dāng)生態(tài)礫石床進(jìn)水污染物濃度相近時(shí)，4～6 cm粒徑填料的生態(tài)礫石床處理效率明顯高于6～8 cm粒徑，對COD、NH3-N和TP的平均去除率分別提高約5個(gè)百分點(diǎn)、10個(gè)百分點(diǎn)、6個(gè)百分點(diǎn)。

填料粒徑越小，其比表面積越大，可提供更多的吸附位點(diǎn)，但粒徑過小時(shí)，顆粒易發(fā)生團(tuán)聚，減少有效表面積，降低吸附率。填料的孔隙結(jié)構(gòu)也受粒徑影響，較小的粒徑可更均勻地分布吸附質(zhì)，增加吸附量。此外，較小粒徑的填料能夠縮短吸附質(zhì)分子到達(dá)吸附位點(diǎn)的路徑，提高分子擴(kuò)散效率。在吸附過程中，底層孔隙壁上的吸附位點(diǎn)得以充分利用，使得吸附動力學(xué)加快，吸附平衡時(shí)間縮短。同時(shí)，小粒徑填料具有更低的內(nèi)部擴(kuò)散阻力，能夠加快吸附速度。然而，填料粒徑過小也可能導(dǎo)致外部擴(kuò)散阻力增加，從而削弱整體吸附效果。較小粒徑填料形成的堆積床層孔隙率較低，穩(wěn)定性差，增加流體通過時(shí)的壓力損失，影響吸附劑的實(shí)際性能。綜上所述，填料粒徑對吸附的影響有多方面，選擇適宜的粒徑，填料才能在吸附應(yīng)用中獲得最佳效果。

2.2 中試結(jié)果分析

根據(jù)小試結(jié)果，中試采用礫石+鋼渣+沸石（配比為1∶1∶1）組成的復(fù)合填料，選取粒徑4～6 cm的填料。由圖5可知，COD去除率為28.79%±3.84%，NH3-N去除率為40.74%±4.77%，TP去除率為30.02%±4.86%。與小試相比，中試COD去除率略有下降，原因可能是污水處理廠尾水可生化性較差；中試NH3-N去除率與小試接近，但中試污水處理廠進(jìn)水NH3-N濃度較低，基本保持在Ⅲ類至Ⅳ類的水平，雖然NH3-N去除率較高，但是污染負(fù)荷削減量不高；中試TP去除率基本與小試相似，TP對有機(jī)物消耗較低，因此去除率與小試接近。

3 結(jié)論

研究表明，填料種類、粒徑可以顯著影響生態(tài)礫石床凈化城鎮(zhèn)污水處理廠尾水的效果。生態(tài)礫石床可以采用功能性填料，有效提高運(yùn)行效能。經(jīng)小試，相比單一的礫石填料，生態(tài)礫石床采用礫石+鋼渣+沸石組成的復(fù)合填料，COD、NH3-N和TP的平均去除率可增加5～10個(gè)百分點(diǎn)。中試結(jié)果顯示，采用粒徑4～6 cm的復(fù)合填料，可以滿足生態(tài)礫石床運(yùn)行要求，污水處理效果較好，同時(shí)系統(tǒng)不易發(fā)生堵塞。

參考文獻(xiàn)

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2 葛 俊，黃天寅，胡小貞，等.礫間接觸氧化技術(shù)在入湖河流治理中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（34）：12225-12228.