生物填料系统河道水质提升工艺案例分析

生物填料系统河道水质提升工艺案例分析

对于河道水质提升，国内外主要研究集中于黑臭水体治理，大都将生活污水的处理方法直接应用于河道治理。常用的方法有一定净化效果，但施工难度大、去除效率偏低、运维成本高。近年来，一体化处理设备因其高度集成、占地小、效果明显、建设快、费用低等特点，在农村具有更好的适用性。但现有设备多用于农村生活污水处理，工艺多为AAO、MBR、AO主体工艺及其衍生耦合工艺等。设计水质为市政废水或农村污水，特点是进水COD、NH₃-N浓度高，但多数农村河道进水COD、NH₃-N较低。此外，由于工艺多样和技术标准不同，设备在使用中常出现处理效率不高、出水水质超标、运维成本高等问题。基于此，以王舍港为基础，调研河流污染物来源、产生量，采用以生物缓凝填料为载体的一体化生物填料系统，结合河道水质浓度较低且不稳定的情况，调试运行并分析污染物去除效率，以期为该系统在河道水质提升中的应用提供科学依据。

一、 河道现状

1.河道概况

王舍港位于苏州市吴中区东山镇陆巷村，河道长度300 m，宽度10 m，河底高程2.4 m，河道断面为梯形，属断头浜，河道功能为排水和工农业用水。

2.河道存在问题

王舍港河道流域面积小，径流区短，为断头浜河道。由于水体的水动力不足，污染物在河道中水力停留时间较小，污染物消纳缓冲空间不足，易于水体内累积。同时，河道两侧为农田区，农业面源受降雨径流影响，对河道的冲击负荷大。此外，河道与太湖相连，枯水期河道水质受太湖返流的影响，太湖返流携带悬浮有机物和蓝藻等浮游生物入河，会对入湖河道水质造成一定的影响。

3.河道污染源调查分析

王舍港流域范围内村庄污水现已全部纳入市政管网，河道两侧用地类型为农田、坑塘水面和果园，污染源主要为面源和内源。经监测，河水COD均值约为15.4339 mg/L，BOD₅均值约为5.6597 mg/L，氨氮均值约为0.2333 mg/L，总磷均值约为0.1672 mg/L，石油类均值约为0.0012 mg/L。经现场调查计算，王舍港河道污染物总量中COD、N、P分别为4.74、1.10、0.17 t/年。

1.3.1 面源

王舍港的面源污染包括农业面源和初雨面源。其中，农业面源系指农业生产过程中，溶解的或固体的农药、化肥等污染物，在农田排水、地表径流以及地下渗漏的作用下，污染物大量流入受纳水体导致的污染。

经现场调查，初雨面源污染物量中COD、N、P分别为2.17、0.20、0.01 t/年。农业面源方面，王舍港周边为少量农田、坑塘水面和果园基地。调取东山镇2020年13个行政村的肥料使用情况，考虑化肥50%的流失率，最终单位农田的COD流失系数取160.00 kg/ha年，TN流失系数取68.10 kg/ha年，TP流失系数取13.62 kg/ha年。计算得出王舍港河道农业面源污染物量中COD、N、P分别为1.51、0.64、0.13 t/年。

1.3.2 内源

参考国内学者对太湖流域的研究，COD、TN、TP的释放强度取578.00 mg/m²·d、136.00 mg/m²·d、16.78 mg/m²·d，计算得出王舍港河道内源污染物量中COD、N、P分别为1.06、0.25、0.03 t/年。

2 工艺设计

2.1 生物填料系统

生物填料系统是以生物缓凝填料为生物载体，并集成动力装置的水净化处理设备。该系统采用旁路治理的思路，能灵活应用于各种被污染水体，分为固、液两相过滤净化和气、固、液三相反冲洗这两道工序，交替循环处理。

2.1.1 生物填料

生物缓凝填料主要为多空隙的结构，具有非常细密且丰富的孔隙，使系统内水流紊乱，产生大量旋涡，水中浮游物在旋涡的作用下依密度分离，并滞留吸附在填料内不同位置。浮游物主要包括河道内本土的细菌、真菌、藻类、原生动物和后生动物等微生物，这些微生物与生物缓凝填料表面结合，在适宜的条件下大量增殖，并生成生物膜。而大颗粒的悬浮物则因为填料较高的孔隙率，过滤阻力小，易于被填料波纹状的孔隙拦截，从而能够得到顺畅、高效地过滤。同时，该生物缓凝填料材质较轻，在反冲洗过程中，由于其处于流化状态，内部的悬浮物极易清理干净。此外，该生物缓凝填料具有较高的几何稳定性和化学稳定性，对强酸、氧化剂和还原剂等的抵抗能力均较强。

2.1.2 成膜工作原理分析

该系统将水域中的微生物和污染物吸入装置，利用材料的物理吸附特性，使微生物和污染物都滞留于材料内部。其中，微生物以污染物为食物进行大量繁殖，并利用该材料表面积大的特点，一定时间后在材料表面形成生物膜。

在一段时间后，材料表面的微生物排入水中，这一过程通过微生物氧化分解有机物来净化原水域。此外，该系统内同时布置有气泵，能极大地提高水中含氧量，使系统内水中的微生物有了充足的含氧量，生物净化的能力大大增强。

2.1.3 脱膜工作原理分析

脱膜的间隔时间根据水体的污染程度和速度、环境温度、自净能力以及微生物的数量进行设定和调节。本设备同时配备有微动搅拌装置与充气泵系统，通过设置不同的参数进行调整。

2.1.4 水体流动分析

水流通过生物填充材料的曲表面，分成流速不同的水流，干净的水流迅速通过材料流出；水中的杂质由于比重则停留在材料内部，或者加入流速慢的水流流入别的材料内，停留在其他材料内部。同时，内置的搅拌装置与充气设备，会对箱体内的水流进行充分的扰动。此外，设备箱体分为两个槽体串联结构，将延长停留时间使生物在培养箱内尽可能生长。

2.2 分析方法

在试验过程中，COD含量的测定采用重铬酸盐法（HJ 828-2017）；NH₃-N含量的测定采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)；TP含量的测定采用钼酸铵分光光度法(GB 11893-89)。

3 运行效果分析

3.1 COD去除效果

COD的去除效果如图所示。可以看出，该生物填料系统对于低COD浓度河道的水质提升有着较大作用。试验过程中，该生物填料系统的进水COD浓度范围为9.4196~23.5520 mg/L，平均值为15.4339 mg/L。系统的出水COD浓度范围在5.4277~13.5590 mg/L之间，平均值为8.7006 mg/L，去除率均在36.10%以上，平均去除率为43.48%，最高去除率达58.47%。可以看出，当第7日和第14日进水浓度偏高时，该生物填料系统对COD亦有着较高的去除率，分别为42.43%和50.29%。25天的系统出水浓度均能达到地表水环境质量标准（GB 3838-2002）中Ⅰ类水的标准。

 

3.2 NH₃-N去除效果

生物填料附着的微生物在适宜的温度、溶解氧及曝气条件下，通过吸附、氧化并分解水中的大部分有机物，并将进水中的大部分氨氮转化为硝态氮，同时，附着的微生物利用水中有机物作为碳源，并进行反硝化反应，达到去除NH₃-N的目的。试验过程中，该生物填料系统的进水NH₃-N浓度范围为0.1033~0.7127 mg/L，平均值为0.2333 mg/L。系统的出水NH₃-N浓度范围在0.0311~0.1521 mg/L之间，平均值为0.1058 mg/L，去除率均在40.77%以上，平均去除率为51.07%，最高去除率达86.63%。此外，当进水浓度偏高时，该生物填料系统对NH₃-N的去除率也呈现一定的增强趋势，这一定程度上是由于曝气装置曝气量的提高促进了水中微生物的硝化作用，进而提高了NH₃-N的去除效果。其中，仅1天出水浓度未能达到地表水环境质量标准（GB 3838-2002）中Ⅰ类水的标准，结合实际情况来看，主要原因是当天不仅进水浓度偏高，同时气温骤降至10度左右，一定程度上影响了该系统的去除效率。

 

3.3 TP去除效果

TP的去除效果如图该生物填料系统对于低TP浓度河道的水质提升有很好作用。试验过程中，该生物填料系统的进水TP浓度范围为0.0981~0.3772 mg/L，平均值为0.1672 mg/L。系统的出水TP浓度范围在0.0535~0.1679 mg/L之间，平均值为0.0900 mg/L，去除率均在30.01%以上，平均去除率为43.59%，最高去除率达63.43%。其中，有16天出水浓度能够达到地表水环境质量标准（GB 3838-2002）中Ⅱ类水的标准，占测试总天数的64%。其余9天由于进水浓度较高，出水浓度未能达地表水环境质量标准（GB 3838-2002）中Ⅱ类水的标准，但该生物填料系统对TP的去除率相比较低TP浓度进水时有所增强，均在50%左右，出水浓度能够达到地表水环境质量标准（GB 3838-2002）中Ⅲ类水的标准。

4 结论

本工程将以生物缓凝填料为载体的一体化生物填料系统应用于王舍港河道治理中，该设备出水水质较为稳定，COD、NH₃-N和TP的出水均值分别为8.7006、0.1058、0.0900 mg/L，各项指标去除率均值分别为43.48%、51.07%、43.59%，出水水质能稳定达到地表水环境质量标准中Ⅲ类的要求，COD和NH₃-N更是基本能达到Ⅰ类水标准，满足湖心区水质指标力争达到Ⅲ类的要求。此外，该设备工艺运行效果良好，实现了COD、氨氮偏低的河道水中良好的氮磷去除效果。同时设备无需投加碳源，无需专人值守，建设周期短，出水效果好，运维费用低，占地面积小，安装便捷，可为我国农村河道处治理提供参考。