组合接触氧化技术原位修复受污染河道河水的效果

本案例以广东省某山溪性河流为例，为提升河道水质及水生态系统功能，在区域截污控源的基础上，开展河道水质净化及水生态系统修复工程，以降低面源污染的影响。

1 材料与方法

1.1 工程设计

本修复工程建设在该河道的其中一条支流上，污染源主要有周边散排的生活污水、养殖废水及稻田退水，水中的有机物、氮、磷严重超标。每年7～9月该支流平均水量约1200m3/d，河道平均宽度4.5m，有效水深约0.5m，工程处理流经该河道的所有污水。工程在2020 年7月初施工完成，河道水平均温度为30.0℃。

由于占地空间有限，工程充分利用现有河床，在支流汇入口上游400m 范围内建设，从上游往下游依次为消能沉砂区、主反应区和出水展示区。消能沉砂区由起始端布设的生态石笼及其上游30m 河床组成，主反应区由250m 砾石填料段、100m 碳素纤维生态水草段及生态过滤坝组成，出水展示区由末端汇入口处20m 水生植物区组成。为保证河道行洪，减少内源污染对处理效果的影响，在工程实施前对河道底泥及垃圾进行清理，平均清理深度为0.3m。

1.2 河道水质

2019 年4月～2020 年3月水质监测数据显示，该支流水质介于Ⅳ～Ⅴ类，主要污染因子有CODcr、NH3-N、TP，CODcr浓度范围为16～82mg/L，NH3-N 浓度范围为0.43～1.42mg/L，TP浓度范围为0.23～0.96mg/L，本工程的实施主要削减CODcr、NH3-N、TP 的排放量。

1.3 挂膜与启动

挂膜量、微生物种类及活性是影响接触氧化系统运行效果的关键因素。常用的挂膜方法有自然挂膜法、接种挂膜法、流量递增挂膜法等。本工程为确保系统快速进入运行状态，综合考虑挂膜特点、河道水质、环境因素等，采用固化微生物发生器接种挂膜，以加速系统的挂膜速度。固化微生物发生器含有高效除磷脱氮微生物群落、氧化分解有机污染物的微生物菌群以及极端耐盐菌等，这些微生物都是从自然界中筛选的普通微生物，对氨氮和总磷有极高的去除率，可达98%以上。

1.4 水质监测指标及方法（表1）

表1 水质监测指标及方法

2 结果与分析

2.1 挂膜生物相观测

生物膜的形成是一个动态递增的过程，主要包括三个阶段：初始附着—生物膜成熟—生物膜分离。系统运行过程中对砾石及碳素纤维生态水草表面的挂膜情况进行观察，7 天后砾石表面局部有灰色物附着；15 天后砾石表面附着物面积增大，颜色呈淡黄色；25 天砾石表面生物膜量增加，肉眼可见表层附着约1mm 厚的黄褐色团絮状生物膜，第30 天观测基本无变化。

系统运行5 天，碳素纤维生态水草表面开始出现少量气泡，第12 天水草颜色开始呈淡黄色；第20 天水草表面出现黄褐色团絮状生物膜；第25 天生物膜测量生物膜厚度约1.5mm，肉眼观测可见个体较大的原生动物，由此判定系统生物膜挂膜成功。

2.2 CODcr的去除效果

由图1可知，工程进水CODcr浓度介于23～49mg/L 之间，平均值为33.90mg/L，在系统刚开始运行时，CODcr的去除率较低，8月开始进入相对稳定的状态，去除率均在40%以上，最高达47.22%。9月期间，CODcr出水浓度基本在15～19mg/L 之间，达到地表水Ⅲ类标准。运行期间工程对CODcr的削减量为14.4kg/d。

工程运行期间，系统进水和出水的pH 变化不大，基本在6.5～8.2 之间，水体温度在28℃～30℃之间，水量也较稳定，这都有利于生物膜的稳定运行。水体在流动过程中，有机物与生物膜相接触，部分会被砾石物理吸附，大部分会沉淀在生物膜表面，进而被生物膜中丰富的自养菌和异养菌作为营养物质吸附、氧化分解，同时在工程的出水展示区通过植物的吸收达到降解部分有机物的目的。

图1 工程对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，氮的去除是重点和难点。本工程采用固化微生物发生器接种，它含有高效的硝化菌和反硝化菌，砾石及碳素纤维生态水草表能够为微生物的生长提供大量空间，在其外层形成好氧区，内层形成缺氧区，具有了同步硝化反硝化的条件。同时出水区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。在系统运行的2 个月中，河道水量、水质、温度、pH 等外界因素相对稳定，后期降解率也较稳定。

由图2 可知，工程运行过程中，系统进水NH3-N 波动加大，最低浓度在7月30 日为0.43mg/L，最高浓度在9月10 日为1.68mg/L，其余时间介于0.82～1.36mg/L 之间。

在系统刚开始运行时，NH3-N 的去除率较低，在10%以内；8月10 日开始进入相对稳定的状态，去除率达到40%以上；9月平均接近50%，最高为54.17%。8～9月，系统出水NH3-N浓度低于1mg/L，达到地表水Ⅲ类标准，在9月25 日和9月30日，出水NH3-N 浓度甚至低于0.5mg/L，达到地表水Ⅱ类标准，这说明该系统对氨氮有较高的去除能力。虽然系统进水的NH3-N 浓度变化较大，但出水的NH3-N 浓度相对比较稳定。表明系统对NH3-N 的去除率与系统挂膜过程密切相关。运行期间工程对NH3-N 的削减量为0.55kg/d。

图2 工程对氨氮的去除效果

2.4 TP的去除效果

由图3 可知，工程进水TP 浓度在0.2～0.48mg/L 之间，平均为0.35mg/L，处于地表水Ⅴ类水平，系统稳定运行后，出水TP 浓度在0.17～0.29mg/L 之间，平均值为0.20mg/L，系统TP 的平均去除率为35.20%，最高可达43.75%，最低为30%，运行期间工程对TP 的削减量为0.12kg/d。可见该系统对控制TP 的外排有比较好的效果。

图3 工程对TP 的去除效果

系统的前端铺设有砾石、石灰石碎石、火山岩，通过填料的物理、化学吸附去除一部分磷，其次通过砾石及碳素纤维生态水草表面生物膜中聚磷菌的作用降解一部分磷，同时还有出水区的水生植物的作用，共同达到降磷的目的。

3 结语

该工程采用了砾间接触氧化、纳米微生物载体、固化微生物发生器、水生植物、生态过滤坝的组合技术。该组合技术对河水的净化效果较好，稳定运行期间，COD 的平均去除率为42.20%，削减量平均为14.4kg/d，NH3-N 的平均去除率为50%，削减量平均为0.55kg/d，TP 的平均去除率达到35.20%，削减量平均为0.12kg/d。生物膜方法具有费用低、无二次污染，可就地处理，修复时间短等优点。