水生植物复合生物膜法净化入江溢流污染的研究

水生植物复合生物膜法净化入江溢流污染的试验研究张耘1陶明清2成小峰11镇江市水利投资公司2江苏中天环境工程有限公司摘要：针对镇江北部滨水区（内江）溢流污染提出了水生植物复合生物膜法净化系统，利用植物浮床-弹性填料生物膜-曝气生物滤池的吸收、吸附、降解、转化等过程，对CSOs中污染物进行净化处理，在HRT为4h，COD、NH3-N、TN和TP去除率分别为82.1%、56%、57%、22%，总体净化效果较好。COD、NH3-N、TN和TP降解过程遵循一级反应动力学过程。关键词：镇江北部滨水区溢流污染水生植物复合生物膜法降解动力学1.0镇江北部滨水区（内江）溢流污染水质情况镇江北部滨水区位于老城区与长江之间，区域面积60余平方公里，其中水体面积约8平方公里。区域内河网密集，包含了金山、焦山、北固山等多个历史人文和自然景观，集中着镇江市最丰富的历史文化资源和水生态资源。鉴于北部滨水区的生态环境特征和水环境建设的战略地位，该区域的水环境建设是镇江市北部滨水区建设的重要内容之一。镇江市老城区以截流式合流制为主，目前主城区合流制管渠约占所有排水管道的数量的53.0%。未形成完整的污水截流、分流系统，特别是在雨季，大量合流污水和雨水径流污染排入北部滨水区核心水体的内江，形成相对集中的入江溢流。位于北部滨水区的江滨泵站是镇江市污水截流工程的终点提升泵站。设计能力为30×104m3/d,。合流制管网污水经过江滨泵站的粗隔栅和沉砂池后，由水泵送至征润州污水厂进行处理。在暴雨季节，内江水位较高时，通过泵站将溢流雨污水提升排放到内江，在内江水位较低时，直接溢流进入内江。《镇江市北部滨水区水环境建设关键技术研究及工程示范》课题组在2008年对研究区域的溢流口排放的污水进行了1年的监测，监测结果如图1所示。江滨泵站溢流口年平均浓度COD154.37mg/L，SS166.80mg/L，NH3-N14.11mg/L，TN19.62mg/L，TP1.87mg/L。COD、SS、TN、NH3-N和TP在4~10月份平均浓度变化幅度较小，在1~3、11和12月份平均浓度变化幅度较大，这主要与内江在丰水期和枯水期不同水位变化有关，江滨泵站溢流口排放不是连续的，而是阶段性，排放后的污染受到内江水体水动力作用，导致监测点水质变化。0.0020.0040.0060.0080.00100.00120.00140.00160.00180.00200.00123456789101112月份浓度/(mg/L)CODcr（mg/L）SS（mg/L）051015202530123456789101112月份浓度/(mg/L)NH3-N(mg/L）TN（mg/L）TP（mg/L）（a）COD、SS浓度（b）TP、TN和NH3-N浓度1图1镇江北部滨水区江滨泵站CSOs污染浓度1江苏省科技支撑计划（BE2008615）、国家“十一五”重大水专项（2008ZX07317-001）资助项目2材料与方法反应器采用1m×2.2m×3m的水箱，有效水深2.0m，反应器采用底部曝气的方式，试验流程见图2。蓄水池水泵流量计P-2复合接触氧化池阀门水泵阀门空气压缩机弹性填料层曝气生物滤池层生态浮床层图2水生植物复合生物膜法净化试验流程图试验材料选用：（1）生物接触氧化填料采用弹性填料，4×10个1.2m长的立体弹性填料；（2）植物浮床植物选择美人蕉等，1.2m×2m木制浮床架，使用定植篮固定、石棉包裹植物根部；（3）生物滤池填料采用袋装陶粒，厚度0.6m。水样取自镇江北部滨水区溢流口的溢流污水。试验研究了由植物浮床、弹性填料生物膜和曝气生物滤池构成的水生植物复合生物膜法净化系统的净化溢流污染的能力。3结果与讨论水生植物复合生物膜法净化系统对COD的去除变化如图3所示，具有沉降性的有机物通过沉积和过滤被去除，可溶性有机物主要通过微生物的降解而去除，HRT为4h时，COD的去除达到82.1%，随停留时间增加COD去除效率增幅较缓慢。05010015020025011.522.533.544.55HRT/hCOD浓度/(mg/L)0102030405060708090100去除率/%进水COD出水COD去除率024681012141611.522.533.544.55HRT/hNH3-N浓度/(mg/L)010203040506070去除率/%NH3-N(mg/L)进水NH3-N(mg/L)出水NH3-N(mg/L)去除率图3系统进出水COD浓度与去除率图4系统进出水NH3-N浓度与去除率关系水生植物复合生物膜法净化系统中N的去除主要靠水生植物的吸收、生物脱氮以及氮的挥发。有机氮首先被截留或沉淀，然后在微生物的作用下转为铵态氮，很容易被生物滤池的填料吸附，微生物也可以通过硝化作用将铵离子转化为NO3--N，可以被植物根系吸收成为植物营养成分或通过反硝化最终转化成N2而挥发掉。试验用原水的TN和NH3-N平均浓度分别为16.74mg/L和12.3mg/L，其中NH3-N为主要形态，占TN含量的70%左右。由图4和5可以看出，净化系统对TN和NH3-N的去除效果较好，HRT为4h时，去除率分别达到57%和56%。051015202511.522.533.544.55HRT/hTN浓度/(mg/L)010203040506070去除率/%TN(mg/L)进水TN(mg/L)出水TN(mg/L)去除率00.511.522.511.522.533.544.55HRT/hTP浓度/(mg/L)0510152025去除率/(%)TP(mg/L)进水TP(mg/L)出水TP(mg/L)去除率图5系统进出水TN浓度与去除率关系图6系统进出水TP浓度与去除率关系水生植物复合生物膜法净化系统中P的去除主要靠水生植物的吸收、沉淀、微生物作用以及和其他有机物结合在一起被去除。净化系统对TP的去除变化如图6所示，去除率在5~22%之间，HRT为4h后，随时间变化磷的去除效果降低，当进水中磷的浓度较低时，部分磷会重新释放。4水生植物复合生物膜法降解动力学以一级反应动力学探讨COD、NH3-N、TN和TP对水力停留时间的变化规律。一级反应动力学模型见式（1）：KtCC)/ln(0（1）式中：C—进水污染物浓度（mg/L）C0—进水污染物浓度（mg/L）K—动力学系数t—停留时间（h）COD降解一级动力学如图6所示，其结果如下：teCC4311.00/98.02R（2）TN降解一级动力学如图7所示，其结果如下：teCC2046.00/98.02R（3）NH3-N降解一级动力学如图8所示，其结果如下：teCC202.00/99.02R（4）TP降解一级动力学如图9所示，其结果如下：teCC0538.00/79.02R（5）由式（2）~（5）COD、TN、NH3-N和TP降解过程一级动力学拟合相关较好。y=0.4311xR2=0.984100.511.522.50123456HRT(h)-ln(C/C0)y=0.2064xR2=0.986400.20.40.60.811.20123456HRT(h)-ln(C/C0)图6COD降解一级反应动力学图7TN降解一级反应动力学y=0.202xR2=0.991400.20.40.60.811.20123456HRT(h)-ln(C/C0)y=0.0538xR2=0.787500.050.10.150.20.250.30123456HRT(h)-ln(C/C0)图8NH3-N降解一级反应动力学图9TP降解一级反应动力学5结论在水生植物复合生物膜法净化系统中具有沉降性的有机物通过沉积和过滤被去除，可溶性有机物主要通过微生物的降解而去除，N则是通过消化与反硝化作用以及水生植物的吸收而被去除，而P的去除主要靠沉淀、吸附及水生植物的吸收。本水生植物复合生物膜法净化系统总体净化效果较好，在HRT为4h，COD、NH3-N、TN和TP去除率分别为82.1%、56%、57%、22%，显著发挥了各净化单元综合效能。COD、NH3-N、TN和TP降解过程较好遵循一级反应动力学过程。参考文献：[1]周小平等，浮床植物系统对富营养化水体中氮、磷净化特征的初步研究应用生态学报，2005.16（11）[2]胡学斌等生物接触氧化-人工湿地组合工艺中水处理回用景观水体效能试验土木建筑与环境工程2009.31（6）[3]姚磊等固定化曝气生物滤池处理污染河水的中试研究.中国给水排水,2007.26(13).