大清河人工快速渗滤系统示范工程效果分析李超

生态环境学报2010,19(12):[e-mail]基金项目：国家重大水专项（2009ZX07102-003）作者简介：李超（1986年生），女，硕士研究生，主要研究方向为水污染控制与环境生物技术。E-mail:[e-mail]*通讯联系人：吴为中，副教授。E-mail:[e-mail]收稿日期：2010-07-06大清河人工快速渗滤系统示范工程效果分析李超1，侯成林2，吴为中1*，朱擎31.北京大学环境科学与工程学院，北京100871；2.北方设计院，河北石家庄050011；3.中国环境监测总站，北京100012摘要：以滇池流域受污染的大清河为研究对象，开展了人工快速渗滤系统(CRI)示范工程研究，根据气候条件、进水水质和运行工艺分为6个工况，以探索污染负荷和工艺参数对CRI运行性能的影响。实验结果表明：水力负荷2m·d-1、湿干比1׃1是该示范工程运行的昀优工艺条件。CRI系统对有机物(COD)的平均去除率范围17.42%~63.75%；对氨氮去除效果受进水水质影响，高、低污染负荷下NH3-N去除率分别为56.71%、85.48%；CRI示范工程硝化作用较强，反硝化能力较弱，对TN的平均去除率范围为10.69%~28.29%；CRI示范工程对TP的平均去除率为27.62%，昀佳工艺条件下为50.23%。CRI系统可通过对填料进行优化组合、适当增大饱水带高度，强化除磷脱氮能力。关键词：人工快速渗滤系统(CRI)；硝化；湿干比；水力负荷；示范工程中图分类号：X522文献标志码：A文章编号：1674-5906（2010）12-2960-06滇池地处长江、红河、珠江3大水系分水岭地带，流域面积2920km2，有29条主要河流注入，分为水库下游河流及城市纳污河流两类，其中位于水库下游的河流几乎同时兼有农灌、泄洪、纳污等功能。近年来，随着昆明地区社会和经济的发展，滇池流域受到严重污染，饮用水源地功能基本丧失，水生态系统遭到破坏，造成巨大损失。因此，对入湖河流污染物进行控制成为改善滇池流域环境的关键问题。人工快速渗滤系统(CRI)[1-2]采用人工回填介质，系统水力负荷较高，占地面积小，不受场地限制，并且易于操作和运行，作为一种新型的污水处理系统，具有很大的发展前景。众多研究结果表明CRI处理效果优良、可满足我国污水处理出水水质指标。目前，CRI研究主要集中于实验室内小试[3]，对组合填料[4-6]和工艺参数[7-12]进行探索和优化，针对河流湖泊类污染水质进行中试研究或实际工程应用的报少。已建立的CRI实际工程主要用于水质稳定、水量较小的生活污水和中水回用系统，包括深圳市白花村[13-14]、东莞华兴电器厂[15]、安徽省某高速公路服务区[16]生活污水实验工程，石景山区京原中学雨水中水回用工程[17]；仅有以茅洲河[18]、牛湖河[19-20]污水为实验对象的中试系统。虽然，已建成的中试和实际工程出水基本可达到城市污水处理的相关标准和要求，但针对存在较大污染负荷、处理难度大的自然水体，尚未有CRI系统作用效果的深入研究和探索；另外，CRI系统运行条件单一，对其工艺参数、运行环境等因素影响处理效果的分析较少。因此，目前的研究成果并不能为实际工程的推广和具体应用提供有效参考。本示范工程以滇池流域入湖河流大清河为研究对象。根据气候条件和进水水质进行调整，并且改变水力负荷和湿干比，使CRI系统在6种工况下稳定运行10个月；对比分析了进水水质、污染负荷、工艺参数、气候条件对处理效果的影响，对CRI系统提高脱氮除磷能力和实际运行稳定性进行评价，为实际工程应用具有一定参考价值和帮助。1实验材料与方法1.1示范工程概况CRI示范工程建于大清河下游河岸，距滇池入湖口850m，对入湖河水进行旁路净化处理后排入滇池。大清河水作为实验进水，由污水泵抽至废弃鱼塘改建的预沉均和池，面积225m2，平均有效水深大于1.5m；沉淀一段时间后通过分流管道进入人工快速渗滤系统，由进水流量计调节系统进水流量，处理出水排入现有沟渠改造的自然净化沟(平均有效水深大于1.5m)，净化出水至滇池，示范工程工艺流程见图1。人工快速渗滤池是CRI示范工程的主要处理单元，规格7m×12m×2.2m，进水管采用DN200管道，12条支管均匀分布保证系统布水均匀。CRI系统选用石灰石-陶粒组合填料，上层选用小颗粒填料，装填粒径5~10mm陶粒，厚度600mm；中层填料为粒径3~5mm陶粒，厚度600mm；垫层采用大颗粒石灰石填料，厚度250mm，选用粒径30~40mm的石灰石，既保证系统处理效果，又能够有效缓解填料堵塞问题。人工快速渗滤池结构见图2。1.2进水水质特征及运行工况大清河接纳昆明市东部城区生活污水、农村生DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2010.12.016李超等：大清河人工快速渗滤系统示范工程效果分析2961活污水、工业废水以及农排沟面源污水，大清河下游段设有截污闸，依据雨旱季水位高低开闸放水。实验进水口位于截污闸下游1200m处，水质和水量受上游截污闸开启的影响较大。上游污水以生活为主，导致开闸放水时，实验进水污染物质量浓度较高；毕闸时，实验进水主要是滇池回灌水，水质较清，但随季节变化会有不同程度的藻类出现。实验期间，调节CRI系统的水力负荷和湿干比，改变工艺参数。本实验自2007年6月26日启动，7月31日开始稳定运行至2008年4月19日。依据进水水质情况和工艺参数，将示范工程稳定运行期分为6个阶段，比较分析各工况运行条件下的河水净化效果。各工况运行环境和工艺参数见表1，其中启动期、工况1在夏季丰水期运行，大清河上游开闸泄洪，实验进水为较高浓度生活污水；工况2、4、6进水主要是滇池回灌水，污染物浓度较低，工况2进水中藻类较多；工况3、5适逢上游开闸调节水位，实验进水主要是生活污水，污染物质量浓度较高，略低于工况1。1.3检测项目与方法[21]COD：重铬酸钾法；TN：碱性过硫酸钾-消解紫外分光光度法；NH3-N：纳氏试剂分光光度法；TP：钼酸铵分光光度法；NO3--N：紫外分光光度法。采用溶解氧测定仪和pH计，并随机监测各运行工况下CRI系统进出水DO、pH和水温。2实验结果与讨论2.1COD去除效果分析CRI示范工程对大清河入湖河水COD去除效果见表2和图3。稳定运行后，系统各阶段COD平均出水质量浓度均低于30mg·L-1。表明CRI系统对有机物具有很强的去除效果和抗冲击能力。其中，工况1、2平均出水质量浓度分别为21.10、27.60mg·L-1，达到地表水Ⅳ类水质标准；工况3出水达到Ⅲ类水质标准，为16.49mg·L-1；工况4、5、6出水分别为12.66、11.40和14.04mg·L-1，达到Ⅱ类水质标准；即使在启动期，COD平均出水质量浓度为36.36mg·L-1，也达到Ⅴ类水质标准。各工况下系统COD出水水质稳定，但因进水浓度水平不同去除率有较大差异。相对较高浓度的工况1、3、5条件下，对COD去除率相对较高，但工况1平均去除率昀高，为63.75%；其次是工况2、5，平均去除率分别为49.83%、54.98%；工况6昀低，仅达到17.42%；工况3、4居中，分别为45.45%、32.13%。由此可见，COD的净化效果主要取决于运行工艺参数，进水质量浓度不是主要影响因素。生物降解和填料吸附作用是CRI系统去除COD的主要作用机制，在填料组合方式及装填不变的情况下，COD去处效果主要决定于运行工况对微生物的影响。CRI系统在水力负荷2m·d-1下运行，湿干比1׃1条件下处理效果优于3׃1和1׃2。湿干比增大，系统淹水时间变长，污染物充分吸附于填料；但复氧时间较短不利于微生物对有机物的好氧分解，影响下一布水周期出水水质；湿干比减小，有图1人工快速渗滤CRI示范工程工艺流程图Fig.1Schematicofthedemonstrationwork图2人工快速渗滤池结构图Fig.2ProfilestructureofexperimentCRIsystem表1CRI示范工程运行环境和工艺参数Tab.1ParametersandinfluentwaterconditionsoftheCRIdemonstrationwork工况运行时间运行环境水力负荷/(m·d-1)湿干比启动6月26—7月30夏季丰水期21׃1工况17月31—9月18夏季丰水期21׃1工况29月19—12月9滇池回灌水21׃1工况312月10—12月30开闸放水23׃1工况412月31—1月22滇池回灌水33׃1工况53月12—4月10开闸放水21׃1工况64月11—4月19滇池回灌水21׃2表2不同工况下CRI系统进出水COD质量浓度Tab.2ConcentrationsofCODinthewastewaterandinthetreatedwaterofCRIineachperiodmg·L-1项目启动工况1工况2工况3工况4工况5工况6ρ(进水)29.84~148.0234.40~165.3318.48~159.6010.08~78.9313.87~29.0516.06~44.0412.04~22.07ρ(出水)36.36±9.3321.10±12.8827.60±21.3116.49±6.2912.66±2.7411.40±6.0014.04±5.67大清河污水泵预沉均和池进水流量计自然净化沟出水人工快速渗滤池2962生态环境学报第19卷第12期（2010年12月）利于系统好氧环境的恢复，保证有机物的好氧降解和填料纳污容量；但落干时间过长，微生物因为欠缺营养物质生长速率减缓，甚至死亡，影响对COD的处理能力。工况3对COD的去除率高于4，分析原因是水力负荷略低，污染物停留时间较长，在湿干比相同的条件下，有机污染物可被填料充分吸附并进行生物降解，不易随系统出水流出。同时，因为工况4进水COD质量浓度较低，因此出水质量浓度略低于工况3处理出水。因此，选取适当的运行工况有利于COD的去除，工况1、2、5对COD的去除率昀高，由表2和图3可知，水力负荷2m·d-1、湿干比1׃1是CRI系统去除COD的昀优运行条件。2.2NH3-N去除效果分析受季节和截污闸开合影响，实验进水水质波动很大，由表3和图4可以看出，进水水质对氨氮去除效果的影响很大。工况2、4、6实验进水主要为滇池回灌水，氨氮质量浓度较低，出水平均质量浓度分别为0.50、0.28和0.11mg·L-1，均达到Ⅱ类水质标准。这表明，低质量浓度进水情况下，CRI系统对氨氮具有很好的去除作用。高质量浓度进水条件下，工况3氨氮质量浓度略低，其出水平均质量浓度为4.14mg·L-1，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准；工况1、5分别为6.20mg·L-1、7.54mg·L-1，也达到一级B标准。有研究表明，CRI系统主要在落干期发生硝化作用去除氨氮[22]，但落干时间过长会影响微生物生长，生物量减少。水力负荷相等时，适当减小湿干比，增大系统落干时间可以有效去除氨氮。因此，工况6对氨氮去除率高于工况2，分别为94.24%、85.48%；而工况3对氨氮的去除率高于工况1、5，主要是进水质量浓度较低的原因。由图5可见，在水力负荷2m·d-1、湿干比1:1条件下运行，硝化效果昀好，工况1、2、5的硝化率分别达到-379.30%、-192.02%和-146.66%。工况4硝化率昀低，与3比较说明，高水力负荷不利于污水中NH3-N的去除和硝化作用的进行。分析原因主要是，水力负荷较高时，氨氮在系统内停留时间较短，硝化不充分，易随出水排除系统。另外，工况3、4在冬季进行，气温较低，硝化菌等微生物活性降低，也不利于硝化过程的进行。通过比较发现，水力负荷2m·d-1、湿干比1:1是CRI示范工程较优运行条件，对高质量浓度生活污水和低质