砾间接触氧化技术在入湖河流治理中的应用现状

葛俊 黄天寅 胡小贞 王涌涛 庞燕 滕庆晓

摘要

通过介绍砾间接触氧化技术在实际工程设施建设中的应用及影响净化效益的主要因子，为砾间接触氧化技术在我国的发展提供一定技术参考。砾间接触氧化技术根据水体中溶解氧浓度大小可分为砾间接触氧化法和砾间接触曝气氧化法。根据设施设置的位置又可分为直接方式和分离方式。工程应用中，砾间接触氧化工艺一般包括预处理设施、取水设施、净化设施和放流设施。影响砾间接触氧化工艺处理效果的主要因素有理化因子、砾石床设计因子和水力因子。理化因子主要涉及温度和溶解氧，砾石床设计方面需要考虑填料、填料填充率、污泥储存与排除。水力因子主要是停留时间和水力负荷。

关键词 人工强化技术;砾间接触氧化;低污染水;生物膜

中图分类号 S181.3  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2014）34-12225-04

Application of Improving River Water Quality by Gravel Contact Oxidization Process

GE Jun1，2， HUANG Tianyin1， HU Xiaozhen2* et al

（1. School of Environmental Science and Engineering， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou， Jiangsu 215000; 2. Chinese Research Academy of Environment Sciences， Beijing 100012）

Abstract By introducing the application of gravel contact oxidation technology in practical engineering construction and the main factors affecting purification efficiency， the study aimed to provide some technical references for development of gravel contact oxidation technology in China. Gravel contact oxidation technology according to the size of the DO concentration in water can be divided into the gravel contact oxidation process and gravel contact aeration oxidation process. According to the location can be divided into direct mode and separate mode. The gravel contact oxidation process generally includes preprocessor facility， water intake facility， purification facility and discharge facility. The factors affecting the effect of gravel contact oxidation process with physical and chemical factors， gravel bed design factors and hydraulic factors. The physical and chemical factors mainly related to temperature and DO， gravel bed design need to consider the packing， packing filling rate， sludge stored and ruled out. Hydraulic factor mainly includes retention time and hydraulic load.

Key words Artificially intensified technology; Gravel contact oxidation; Lightly contaminated water; Bioflim

随着工业化、城镇化进程以及面源污染的加剧，大量污染物进入湖泊水体，湖泊富营养化成为一个严重的环境问题[1]。富营养化状况一定程度上改变了湖泊生态系统结构，对人类活动和水生生物构成潜在威胁[2-3]。有研究指出，引起湖泊富营养化的氮磷指标的临界值为TN浓度1.26 mg/L、TP浓度0.071  mg/L[4]。入湖河流是陆地生态系统和湖泊生态系统之间进行物质交换的通道，大部分点源与面源污染物通过入湖河道进入湖泊系统[5-6]，削减入湖河流负荷量能有效改善湖泊水质[7]。

目前，世界上许多国家已经开展修复受污染河道的研究。入湖河流的修复治理包括污染源控制、水质净化、生态修复等，其中水质净化是重点和难点。河流水质净化方面的技术种类较多，其针对不同河流以及不同污染物类型，净化效果也是不同[8]。一般应用在河流中的净化技术，其根据处理位置的不同，修复技术可分为原位和异位修复技术，二者均被广泛应用于受污染河流的修复[9]。基于水体现状及自然净化方法的应用原理，工程上主要有植生处理法、土地处理法和接触氧化法[10]。砾间接触作为接触氧化法的一项重要工艺，由于其成本低、对水质的适应性强、持续效果好，近年来相关研究、应用日趋广泛[11-12]，但该工艺在我國河流治理中应用研究还处于起步阶段。该研究通过介绍砾间接触氧化技术在实际工程设施建设中的应用及影响净化效益的主要因子，为砾间接触氧化技术在我国的发展提供一定技术参考。

1  砾间接触氧化技术及其净化机制

1.1  砾间接触氧化技术简介

砾间接触氧化技术是一种快速处理污水的方式，是19世纪英国伦敦的污水处理工程师W.J.Dibden首先设计的自然处理方法[13]，其实质是对天然河床中生长在砾石表面生物膜的一种人工强化。该技术在20世纪70年代被开发，由于对低污染水处理效果显著，在80年代之后的10多年时间里，在日本及欧美入湖河流治理中被广泛应用并取得良好净化效果。据日本建设省统计，在日本全国实施的河流直接净化项目80%采用砾石接触氧化工艺，接触时间一般为几个小时，净化效果很好，BOD和氨氮去除率一般在50%～60%之间，悬浮物去除率在75%～85%之间[14]。

1.2 砾间接触氧化技术净化机制

砾间接触氧化法对污染物的去除主要通过接触沉淀、吸附、生物降解等多重作用[15]。砾间接触氧化法的砾间孔隙小，沉降距离短，砾石间形成连续的水流通道，当污水通过时，水中的悬浮固体因沉淀、物理拦截、水动力等原因运动至砾石表面而接触沉淀。水中有机物质与砾石表面接触，因砾石表面带电性的缘故，导致水中有机物质吸附于砾石表面生物膜。同时，生长在砾石表面上的微生物或藻类，会氧化分解其所吸附的污染物，并通过在生物膜表面和内部分别形成的好氧和厌氧环境进行硝化反硝化作用对氮进行去除，而磷的去除主要靠土壤及砾石的吸附作用。

2  砾间接触氧化技术形式与组成

2.1  技术形式

砾间接触氧化净化系统通过引导目标处理水体流经填充砾石或其他人工滤材的处理槽，使污水与砾石或人工滤材表面的生物膜接触反应，达到水质净化目的[16]。由于水质和地形等条件的不同，砾间接触氧化法直接净化河流水质有不同的技术工艺形式。

2.1.1

砾间接触氧化与砾间接触曝气氧化。依据国外应用经验，砾间接触氧化法可分为两类，一类为砾间接触氧化法，另一类为砾间接触曝气氧化法，两者系统上的差别主要在于处理流程中是否增加曝氣系统，而在应用上的差别则在于处理对象水质浓度的高低[17]，其区别及适用条件如表1所示。

2.1.2

直接方式与分离方式。按照设施设置的位置，砾间接触氧化法又可分为直接方式和分离方式[18-19]。直接方式是将净化设施直接建置在河道内，利用导水设施控制进、出水流量。分离方式则是设置在河道边的滩地，可通过在上游设置取水堰，引水流过砾石填充槽进行净化，然后利用取水堰水位与放流水位的水位差，以重力流方式再返回河道[20]。直接方式无需占用其他土地资源去处理，而且设备成本低，管理容易，日本2001年前超过一半的砾间接触设施直接设置在河道内。分离方式处理效率一般比直接净化方式高，既可保证净化效果，又能保障河道原有的航运、泄洪和水产养殖功能[21]。随着砾间接触曝气氧化法的使用，分离方式的案例越来越多。

2.2 砾间接触氧化技术的设施组成

2.2.1

预处理设施。为了防止净化设施阻塞，延长使用周期，并保护抽水泵，应设有拦污和沉淀设施，其包括防止粗大漂浮物流入的挡板及粗、细格珊。

2.2.2

取水设施。取水设施应根据取水点水量及水质的变化合理选择[22]。取水方式可采用泵取水或堰取水，其选定原则主要依据河流水位和自然净化设施的高程。通常砾间接触氧化法多利用重力引水，在河道上游设置取水堰，借此提升河水水位，同时对来水中悬浮固体起初沉作用。日本野川砾间接触氧化净化设施中取水堰对SS和BOD的去除率分别为42.6%和28.1%[23]。在实际工程应用中，设置橡皮坝是一种较可行的方式，例如日本的野川净化设施的取水采用类似橡皮坝的方式，当遇大雨或河道内流量较大时，橡皮坝将以自动倒伏的方式宣泄多余的水量。当采用泵抽水方式，必要时抽水泵应有一定的备用台数。取水口的设计以低于经常水面且不致受沙土堆积影响为宜，并应考察其维护管理的便利性。

2.2.3

净化设施。水质净化所需容积需根据水力停留时间和BOD容积负荷综合设计。砾间接触氧化技术的净化单元构造大致可以分为净化区和污泥堆积区。净化区为单元上部区域，当受污染河水经过净化区后，水中溶解性BOD （D-BOD）和被生物膜截留的悬浮固体性BOD（SS-BOD）在生物膜上进行降解。砾间接触氧化法进行净化时，水中的悬浮固体物（SS）或净化区砾石表面上剥落的生物膜会沉淀至下面的污泥堆积区。但若堆积过多，将造成阻塞，故每过一定时间必须对污泥予以清除，一般操作为每隔3～6个月排泥一次。

2.2.4

导流、放流设施。取水后，通过导流设施均匀分流进入下一阶段设施内。放流设施可包括再曝气系统、放流管渠、放流口等，其设置考虑设施位置、放流水的水位、河道内景观、可分成数点或一处放流。

3 影响砾间接触氧化净化效益的主要影响因子

3.1  理化因子

对于砾间接触氧化工艺，微生物是整个水处理构筑物的核心，生长良好的生物膜是反应器稳定运行的基础。温度和水体中溶解氧是两个重要的理化指标，其对微生物的生长和代谢活动具有很大影响。温度主要影响细菌的增殖速度，温度过低，不利于砾石表面生物膜的形成，进而影响整个生态砾石床系统的出水水质要求。梁建祺等[24]在低温下的试验表明，反应温度的高低显著影响脱氮除磷的效果，当温度低于12 ℃时，去除效果开始变差。溶解氧是水质评估的一项重要指标，水体中充足的溶解氧是保证微生物在填料表面生长的必要条件[25]。水体若受到有机物质污染，则水中微生物在分解有机物时会消耗水中的溶氧，从而造成水中溶解氧降低甚至呈缺氧状态。砾间接触氧化法对于目标处理水体有溶解氧的限制，根据国外应用经验，对于溶解氧量极低的水体，建议采用砾间接触曝气氧化法，一般来说其DO 须大于5  mg/L。为使砾间接触氧化法能适用于处理水质浓度更高的水体，经国外河道模拟试验及实际工程运转经验，在砾石槽体底部埋设曝气管，定期定量进行曝气来提供微生物氧化分解所需氧气，从而提升微生物分解有机物质速率。水体中NH3N去除率受曝气量影响最大，BOD次之，但曝气量对出水的SS和DO影响较小。在日本过去操作经验中，未曝气的砾间接触氧化法BOD平均去除率约为20%～70%，有曝气的砾间接触曝气氧化法BOD平均去除率约为50%～80%[26]。

3.2 砾石床设计因子

3.2.1

接触填料。砾石接触氧化法所填充的接触填料，是生物膜赖以栖息的场所，是生物膜的载体。作为接触氧化工艺的核心部分，其性能的好坏直接影响接触氧化法的效能、充氧利用率、使用寿命、基建投资和运行费用[27-28]。作为接触填料，其材质对生物膜应具有适当的附着性，若附着性太强，会使生物膜过厚而易造成阻塞，且不易反冲洗;接触填料同时应具有较大的比表面积，比表面积大的填料对溶解性物质和悬浮固体都有更好的去除效果;接触材料还需具有较大的孔隙率来降低通水阻力。接触填料一般分为天然石料类和人工合成类，而天然石料易取易得，价格低廉，在实际工程应用中大量采用。较理想的天然石料是形状大小均匀的圆形卵石、火山岩和石英砂等[29]。日本砾间接触净化设施，其接触材料一般以天然河道内的砾石为主，所使用的砾石直径范围在20～150 mm，填充孔隙率约为30%～40%[30]。

3.2.2

填料填充率。填充率是指接触材料的容积与接触曝气槽的有效容积之比，合适的填充率可有效提高水力传导率，减少布水断面，同时减缓砾石床的堵塞[31]。填充率过低微生物附着量少，水质净化的效果差，而且易造成流况的不稳定;填充率高虽然可增加微生物的附着量，但是填充过多的接触滤材容易增加水流的阻力，同时供氧量也需要提高，造成动力费的增加。一般接触曝气槽的填充率建议是在55%左右为佳。

3.2.3

污泥储存与排除。在水质净化的同时会产生污泥堆积现场，因此砾石床系统应具有污泥储存和排泥设计[32]。砾间接触氧化设施内因微生物分解代谢作用、悬浮固体的沉积作用，会产生一定的污泥，为维持砾间接触净化处理槽体有效空间，应具有排泥和反冲洗的设备，减少槽体淤积现象[33-34]。接触氧化设施底部的污泥排除方法，可通过曝气及水流的反冲洗或通过在底部设置排泥管由真空抽泥车排除[35]。

3.3 水力因子

3.3.1

停留时间。

水力停留时间为槽体流量控制常用的参考公式。水力停留时间的计算通常是槽体内水体实际体积除以净化对象水量，其中孔隙率与水深控制，都与砾间槽的水体体积有直接的关联性，孔隙率在工程建设时选定，水深决定于系统操作[36]。但考虑到槽体内水分蒸发、漏水状态，一般来说槽体入出流流量通常不相等，这种算法可能高估水停时间。假设槽体流况为均匀流，且槽体孔系为一定值，可以推算出槽体流况为均匀流时的理论水停时间[37]。净化槽内无曝气时，水力停留时间为1～2 h，一般为1.2 h，有曝气条件下其水力停留时间为2～4 h[38]。一般而言，槽体只要水力停留时间足够，污染物去除率便会提高，高桥定雄指出在砾间接触氧化法中随着水力停留时间的增加BOD去除效果越来越好，水力停留时间为1 h，BOD 去除率约为70%，1.2 h去除率约为75%，水力停留时间延长至2 h，去除率约为80%[39]。

3.3.2

水力负荷。水力负荷（HLR）是与水力停留时间（HRT）相关联的一对参数，水力负荷的大小间接反映了污水与反应器内微生物平均反应时间。不同水力状况的改变，会对槽体水流流速产生不同的影响，而生物膜在不同水流状况下，亦有不同的活性、生长状况。提高水力负荷可使砾石间的细微颗粒与生物量分布更加均匀，促进液相与生物相间的传质过程，因此成为反应的积极因素，同时水力负荷大可以缩小处理构筑物的占地面积，减少基建投资。此外，水力负荷在控制生物膜厚度等方面也有一定的作用。水力负荷提高，其紊流剪切作用对生物膜厚度的控制以及传质的改善有利，但是如果水力负荷过高，其水力冲刷作用就会过强，容易造成生物膜的流失，使反应器的处理效能下降。

4 砾间接触氧化技术发展与应用现状

砾间接触氧化工艺为人工生态系统，特别适用于低污染河、湖水的治理，目前在我国大陆地区尚无实际工程案例。国内外学者对砾间接触氧化工艺中接触填料、生物膜特征、净化机理以及与其他工艺组合等方面做了大量的研究[40]。砾间接触氧化工艺初期，在中小污染河流的治理中主要采用天然或废弃材料，并取得了良好的效果[41]。Lau等[42-43]通过渠道试验，发现平均流速对生物膜的累积性影响，较剪应力大，在较低流速下有较高的生物膜累积;稻森悠平等[44]进行河道模拟污染河水变化，观察生物膜在不同流速下的附着、剥离情形，发现流速低曝气能力亦低，当流速超过10 cm/s 时，生物膜易于剥离。黄伟等[45]研究了采用仿生固体无机材料为填料的砾间接触氧化系统，在常温条件下，停留时间为4.8 h，溶解氧控制在2.0  mg/L，污水中的COD和NH3N去除率分别达77.4%和86.1%。杨经元等[46]采用改良的三段式砾石床循环系统净化景观水体，研究结果表明，该工艺可以有效去除水体中的COD、氨氮、SS、蓝绿藻，降低水体的浊度，其中，COD 去除率达43%，氨氮去除率可达78%。蒋林时等[31]采用砾石填料床预处理沈抚灌渠污水，在设计水力停留时间为3.5 h、最佳气水比为5∶1的条件下，该工艺对COD、NH3N和浊度的去除率均達到50%以上。肖羽堂等[47]对姚江微污染原水的研究表明填料生物膜的厚度很薄，只有污水生物处理生物膜厚度的 1/10 左右，膜内溶解氧充足，无厌氧层存在，膜内主要细菌是好氧型微生物。

砾间接触氧化技术工程应用以日本较为成熟且普遍，著名的工程案例有大堀川砾间接触氧化净化设施、桑纳川砾间接触氧化净化设施以及多摩川支流野川砂砾接触净化设施等，其中，野川净化设施为日本第一座砾间接触净化设施。砾间接触氧化技术被引进台湾地区进行水质改善仅数十年的时间，2004年在台北市贵子坑溪关渡自然公园内建造第一座人工砾石床模拟场[32]。台湾地区目前以砾间接触氧化法改善水质的工程案例还不常见，且大部分以分离方式为主，如桃园街溪、台南湖晴天排水以及桃园南崁溪河底桥砾间接触氧化设施采用在河道内直接净化方式且已实际运作的工程实例中，仅新竹市南门溪。具体工程各工程案例比较见表2。

5 小结

我国很多河流溪流面临污染，需要净化。砾间接触氧化作为一种成熟的河流直接净化生态工程技术，在日本广泛采用并取得了良好的水环境保全效果，为河流污水净化提供了一种思路和选择。由于国情等的不同，在国内的河流治理中采用这种方法时，需要根据河流的具体情况、经济状况等综合分析。

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