循环氧化塘消减富营养化指标新技术研究

2014-12-28胡双修胡飞跃万喜宗雷克亮卢亚霞

安徽农业科学 2014年31期

胡双修，郑轩，胡飞跃，万喜宗，雷克亮，卢亚霞

(1.三峡大学生物与制药学院，湖北宜昌443002;2.麻城市环境保护局，湖北麻城438300;3.三峡大学科技学院，湖北宜昌443002)

湖泊、水库等封闭缓流水体的富营养化已成为一个全球性的水环境污染问题，全球约有75%以上的封闭缓流水体存在富营养化问题［1］。我国湖泊众多，共有2 759个1 km2以上湖泊，总面积达91 019 km2，占国土面积的0.95%。自20世纪80年代以来，我国由于人口剧增、农业迅猛发展、工业化和城市化进程加快，使得大量营养元素(N、P等)及有机物排入湖泊、水库、河流中，氮、磷营养盐严重富集，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶氧量下降，鱼类及其他生物大量死亡，水质恶化，缓流的湖泊、水库、河流富营养化呈现快速发展的趋势［2－5］。2013年环境保护部对我国重要58个湖(库)开展营养状态监测，结果发现中度富营养的3个，占5.2%;轻度富营养的10个，占17.2%;中营养和贫营养的45个，占77.6%，主要污染指标为化学需氧量、总磷和氨氮［6］。在五大淡水湖中，太湖、洪泽湖、巢湖已达富营养程度，鄱阳湖、洞庭湖目前虽维持中营养水平，但磷、氮含量偏高，正处于向富营养过渡阶段。以太湖、滇池、巢湖为代表的蓝藻型“水华”频繁暴发［7］。水体富营养化后所产生病原微生物、硫化氢及藻毒素等有毒有害物，严重影响人体健康。富营养化导致水库库容因植物残体淤积而减少，加速湖泊退化，破坏生态平衡;致使水体浑浊、发腥、发臭，使景观水体失去美学价值;造成水质性缺水，增加自来水成本［8－13］。因此，富营养化防治意义十分重大而且非常必要，直接关系到社会发展的可持续性和国民幸福感。

导致藻类暴发生长的主要因子一是充足的营养物质，主要包括氮、磷等营养盐和有机质等;二是高温(25～40℃)和强光照;三是缓慢的水流;四是消费者对藻类生长的生物控制失效。水体中氮、磷含量直接决定了藻类的繁殖速率，是水体富营养化的主要控制因子［14］。富营养化治理技术主要包括:控制外源性营养物质输入、内源性营养盐的控制、生态修复和控制藻类等。控制外源性营养物质输入主要方法有:氧化塘技术、土地处理系统、生物除磷、水栽生物过滤法、前置库、限制合成洗涤剂含磷量、废污水迁移等［15］。氧化塘技术中，因地制宜，将河流边洼塘和荒地改造成氧化塘，省投资，是一种经济可行的方法［16］。按照供氧方式，氧化塘分为:好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘、深度处理塘、生态塘。按照出水方式，氧化塘分为:连续出水塘、控制出水塘、贮存塘［17］。氧化塘组合工艺一般将不同类型的氧化塘串联使用，现有专著及文献尚无循环氧化塘工艺报道。该研究首创循环氧化塘工艺，用于消减富营养化指标，且以三峡大学求索溪治理为例，效果显著。求索溪最终流入长江，治理求索溪，可减少营养物质输入长江。该工艺省投资、易操作、便管理、廉运行，因此有应用价值，可为治理富营养化、封闭缓流景观水体、城市黑臭河道和高浓度有机氮废水提供借鉴。

1 试验部分

1.1 求索溪污染概况求索溪全长约2 km，宽2～50 m，是一条人工景观水渠，排泄雨水和生活污水，无雨水条件下，无明显流量，最终流入长江，出口离长江约3 km。其生活污水来自2万余学生规模教学楼群，源头流入量30 m3/h。治理前，2012年3月21日对上游污染最严重河段现场监测(采样点为图1中生态塘所在地)，监测结果:DO 0.40 mg/L、BOD547 mg/L、TN 82.2 mg/L、TP2.14 mg/L。依据《地表水环境质量标准(GB 3838-2002)》，属于劣五类水质。BOD、TN、TP浓度都超过国际公认的富营养化阈值［18］(BOD5=10 mg/L、TN=0.3 mg/L、TP=0.02 mg/L)。此段水流4～10月“水华”暴发、发黑发臭。

1.2 工艺流程及说明循环氧化塘工艺流程见图1。在现有景观水渠基础上，加修滚水坝1和滚水坝2，形成近似长方体的各氧化沟和氧化塘。厌氧塘设计功能:反消化脱氮、磷的释放和磷的沉降。好氧沟和生态塘设计功能:降解有机物、硝化氨氮和过量摄磷。厌氧沟设计功能:反消化脱氮。好氧塘设计功能:降解有机物。

图1 循环氧化塘工艺流程

污水流入厌氧塘，污水泵2从生态塘出口底部抽水进入厌氧塘入口表面，污水混合流经厌氧塘流入好氧沟，流入生态塘、好氧沟和生态塘与厌氧塘大循环。污水泵1从生态塘出口底部抽水流入好氧沟入口表面，流入生态塘小循环，好氧沟推流增氧。2012年6月下旬开始运行，除机修和下中到大雨、暴雨以外，不间断抽水循环。

1.3 氧化塘参数及其说明按照氧化塘指标:好氧塘0.2～0.4 m、兼性氧化塘1.0 ～2.5 m、厌氧塘2.5 ～4.0 m［17］，因地制宜，加修滚水坝1坝高4.3 m、滚水坝2坝高0.5 m，厌氧塘底泥深度30 cm，好氧沟、生态塘、好氧塘底泥深度20 cm，有效水深等于池高减去底泥深度。厌氧沟为加盖阴沟，表层封闭。好氧沟、生态塘、好氧塘自然裸露。氧化塘参数见表1，水深符合氧化塘指标。

表1 氧化塘参数

1.4 水质监测方法 DO:电化学探头法(GB/T 11913-1989);COD:重铬酸钾法(GB 11914-1989);TN:碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB/T 11894-1989);TP:钼酸氨分光光度法(GB/T 11893-1989)。

2 循环氧化塘运行过程与效果分析

2.1 工艺分析 2012年3月21日于图1生态塘所在地监测点取水样测定，监测结果见“1.1”。其溶解氧低下的原因是富营养化水体中好氧微生物大量耗氧。其BOD5∶TN∶TP为100∶172∶5，一般生活污水 BOD5∶TN∶TP 为100∶22∶3［2］。污水经化粪池初步处理后流入求索溪，求索溪是天然氧化塘，对BOD5、TN、TP有一定降解作用。对比上述两组比值，可见TN富集效率远远高于BOD5。水体富营养化后，藻类及其他自养生物迅猛繁殖，死亡的残体腐烂后，又释放氮、磷等营养物，供新一代利用，因此氮、磷等营养物在生态系统中循环，难以消去。有机碳好氧呼吸最终产物CO2、厌氧呼吸最终产物CH4，均能释放到大气中去，使BOD5降低。有机氮经硝化和反硝化后最终产物N2也可释放到大气中去。硝化是好氧条件，要求溶解氧大于2.0 mg/L以上［19］。而治理前水体溶解氧0.40 mg/L，达不到硝化好氧条件，有机氮氨化所生成的氨氮无法进行硝化，被藻类等自养生物吸收，其细胞残体腐烂所产生的氨氮释放到水体，不断循环，导致TN不断富集。因此该工艺采用好氧沟和生态塘硝化与厌氧塘反硝化大循环，有机氮最终转化成N2，释放到大气中去，减轻水体中TN富集。

在厌氧条件下积磷细菌释放磷酸盐，在好氧条件下积磷细菌吸收磷酸盐［19］。该工艺采用将生态塘出口底部吸磷后污水抽入厌氧塘入口表面，污水在厌氧塘中流动释放磷，所释放的磷酸盐被自然水体中胶体吸附混凝而沉降，降低水体中TP。

此工艺设计运用了仿生学原理，设计灵感来自于毒理学“肝肠循环”。肝肠循环即毒物经肝脏解毒后的分解物，经胆汁进入十二指肠，部分排出，部分又被小肠、大肠重吸收，进入门静脉，重新进入肝脏。毒物分次逐步排出，残留期增长。此工艺采用抽水循环，生态塘出口不完全的污染物被抽入厌氧塘入口，再次分解、循环，污染物分次逐步分解，停留期延长，降解效率提高。

2.2 污水泵流量确定及其安装实测滚水坝2处出水流量Q3为30 m3/h，根据连通器原理，污水流入量Q0等于滚水坝2出水流量Q2，抽水循环流量应大于污水入流量，适当放大，因此污水泵2的流量选择60 m3/h。

好氧沟采用推流增氧，溶解氧浓度通过流速控制，流速通过流量控制。为了使好氧沟满足溶解氧大于2.00 mg/L以上，在水深 0.3 m 条件下，流速应大于 0.1 m/s［20］。

式中，Q为流量;S为截面面积;v为流速。

式中，l为宽度;h为水深。

由公式(2)和表1参数计算好氧沟截面面积:S=2×0.3=0.6 m2。

由公式(1)计算好氧沟每小时总流量:Q≧3 600Sv=3 600 ×0.6 ×0.1=216 m3/h。

式中，Q为好氧沟总流量;Q0为污水流入量;Q1为污水泵1流量;Q2为污水泵2流量。

由公式(3)可知:

由公式(4)计算污水泵1流量Q1:Q1＞(216－30－2×60)/2=33 m3/h。适当放大，因此污水泵1的流量Q1选择120 m3/h。

因为生态塘底泥深度20 cm，为避免污水泵堵塞，将污水泵固定在钢结构笼子里，底部架空30 cm。

2.3 停留时间计算及分析

式中，t为停留时间;l2为氧化塘和氧化沟长度;v为流速。

由公式(1)得:

由公式(2)得:

把公式(6)和公式(7)代入公式(5)得:

各氧化沟和氧化塘均为长方体，长方体体积:

式中，V为容积;l为长度;S为截面。

把公式(9)代入公式(8)得:

结合表1容积，由公式(10)分别计算各氧化塘和氧化沟停留时间如下:厌氧塘总流量Q3=Q0+Q2=30+60=90 m3/h，停留时间t1=9 600/90=106.7 h。好氧沟流量Q=Q0+2Q1+2Q2=30+2×60+2×120=390 m3/h，停留时间 t2=66/390=0.17 h。生态塘流量 Q5=Q0+2Q1+2Q2=390 m3/h，停留时间t3=7 200/390=18.46 h。厌氧沟流量等于滚水坝2出水流量Q0，即30 m3/h，停留时间t4=96/30=3.2 h。好氧塘流量等于滚水坝2出水流量Q0，即30 m3/h，停留时间t5=2 520/30=84 h。

由表2可知生态塘溶解氧浓度达到好氧条件，实为好氧塘，好氧沟和生态塘直接连通，故好氧沟和生态塘实为一个大的好氧塘，其停留时间计算如下:t6=0.16+18.46=18.63 h。参照氧化塘停留时间参数:厌氧塘30～50 h、好氧塘2～6 h［16］，认为厌氧塘停留时间、好氧沟和生态塘总停留时间、厌氧沟停留时间、好氧塘停留时间均符合条件，达到设计规范要求。

2.4 水质监测日期选择 7、8月放暑假，1、2月放寒假，生活污水量小，故水质监测日期选择2012年9～12月和2013年3～6月。每个月的下旬采样一次，如遇上雨天，雨停3 d后采样。

2.5 溶解氧监测结果分析《氧化沟活性污泥法污水处理工程技术规范(HJ578-2010)》规定好氧池溶解氧一般不小于2 mg/L;缺氧池，溶解氧一般为0.2 ～0.5 mg/L;厌氧池，溶解氧一般小于0.2 mg/L。表2结果表明:好氧塘沟、生态塘、好氧塘溶解氧全年符合好氧条件，厌氧塘溶解氧夏季符合厌氧条件，冬季符合缺氧条件，各氧化沟和氧化塘溶解氧浓度均符合规范要求，达到预期设计目的。

表2 溶解氧监测结果 mg/L

2.6 运行效果分析好氧塘出水进入表面流人工湿地，依据《人工湿地污水处理工程技术规范(HJ2005-2010)》人工湿地系统进水水质要求:化学需氧量小于125 mg/L、氨氮小于10 mg/L、总磷小于3 mg/L。由表3可知好氧塘出水化学需氧量均小于125 mg/L;由表4可知好氧塘出水总氮均小10 mg/L，因为氨氮值小于总氮，故其氨氮值均小于10 mg/L;由表5可知好氧塘出水总磷均小于3 mg/L。由此可见，好氧塘出水符合人工湿地系统进水水质要求。

表3 化学需氧量监测结果

由表3可知，COD氧化塘循环削减率70.6% ～81.4%，均值77.0%，总削减率85.6% ～93.1%，均值89.6%。由表4可知，TN氧化塘循环削减率65.9% ～72.3%，均值69.8%，总削减率69.9% ～80.8%，均值76.4%。由表5可知，TP氧化塘循环削减率28.8% ～49.6%，均值44.4%，总削减率61.7% ～71.8%，均值 67.8%。综合表 3、表 4、表 5，COD、TN、TP无论氧化塘循环削减率还是总消减率，夏季高于冬季，这是由于水温高、微生物代谢强的缘故。COD氧化塘循环削减率均值占总削减率均值的85.9%，TN氧化塘循环削减率均值占总削减率均值的91.4%，TP氧化塘循环削减率均值占总削减率均值的65.5%，这表明COD、TN、TP削减主要在氧化塘循环阶段，TN最为明显。

表4 总氮监测结果

表5 总磷监测结果

综合表3、表4、表5，计算治理后生态塘监测结果均值:COD 77.6 mg/L、TN 8.19 mg/L、TP1.32 mg/L，治理前此段监测结果:COD 134 mg/L、TN 82.2 mg/L、TP2.14 mg/L，对比分析，COD 消减42.0%、TN 消减90.0%、TP 消减38.3%，可见治理效果显著，TN消减效果最明显。

综上所述，污水在好氧沟和生态塘与厌氧塘中不断循环，有助于消减污染物，特别有助于生物脱氮。

2.7 生态效益分析治理前，2012年4～6月份，生态塘浮萍生长迅猛，4 d内长满，需人工打捞一次。2012年6月下旬开始运行，生态塘浮萍2012年7月份15 d内长满，人工打捞一次;2012年8月份30 d长满，人工打捞一次;2012年9月以后，没有出现浮萍疯长现象，无需人工打捞，黑臭消除。TN、TP浓度显著降低，抽水循环产生水流，破坏了浮萍适宜的缓流生境，这使得浮萍生长减缓。治理前浮萍长满导致水体与空气交换受阻，水体溶解氧几乎为零，鱼类绝迹，在此条件下产生H2S等臭味气体，景观水渠失去美学价值。2012年7月在生态塘投放鲫鱼、鲤鱼、草鱼，成活良好。2013年春天以来，生态塘、好氧塘青蛙、菜花蛇、乌龟、田螺、黑水鸡不断出现，数量不断增多，这在治理前基本看不到。治理后，其中下游水体和河滩生态不断改善，2013年1～3月，引来数以千计的成群候鸟白鹭、池鹭、翠鸟栖息，成为一道美丽的风景，引来不少游人欣赏、拍照，这在以前也基本看不到。2013年11月又有数以千计的成群候鸟白鹭、池鹭、翠鸟回来，白鹭甚爱在生态塘出没，因为生态塘有丰富的鱼类供其觅食。求索溪最终排入长江，治理求索溪，可减少氮磷输入长江。综上所述，该工艺环境生态效益显著。

3 运行成本分析

污水流入量30 m3/h，处理量即30 m3/h，水泵总装机10 kW，电费0.6元/kW，推算抽水电费:0.2元/m3。每周清泵一次，1 h，宜昌市工资标准每小时15元，推算人工费:每0.03元/m3。2012年7月至2013年6月，设备维修及耗材约2 000元，推算维护费:0.08元/m3。合计运行成本费:0.31元/m3。

［1］FREED B.Environmental Ecology［M］.Sandiego:Academic Press，2002.

［2］陈国华.环境污染治理方法原理与工艺［M］.北京:化学工业出版社，2003:174 －228.

［3］LAWSONR，ANDERSON M A.Stratification and mixing in Lake Elsinore，California:An assessment of axial flow pumps for improving water quality in a shallow eutrophic lake［J］.Water Res，2007，41(19):4457 －4467.

［4］王红梅，陈燕.滇池近20年富营养化变化趋势及原因分析［J］.环境科学导刊，2009，28(3):25 －28.

［5］王圣瑞，金相灿，赵海超，等.长江中下游浅水湖泊沉积物对磷的吸附特征［J］.环境科学，2005，26(3):38 －43.

［6］中华人民共和国环境保护部.2013年上半年全国环境质量状况［R］.2013:24.

［7］韦立峰.浅谈水体富营养化的成因及其防治［J］.中国水资源利用，2006(8):25 －28.

［8］许丽娟，朱光灿，吕锡武，等.腐熟蓝藻与厌氧污泥混合厌氧发酵特性［J］.环境工程学报，2013，7(9):3345 －3350.

［9］陈建军，张佳磊，卢少勇.黑臭底泥土著微生物促生对磷的影响［J］.环境工程学报，2013，7(9):3403 －3408.

［10］许其功，曹金玲，高如泰，等.我国湖泊水质恶化趋势及富营养化控制阶段划分［J］.环境科学与技术，2010，33(3):147 －151.

［11］金相灿，刘鸿亮，屠清瑛，等.中国湖泊富营养化［M］.北京:中国环境科学出版社，1990.

［12］王苏民，窦鸿身.中国湖泊志［M］.北京:科学出版社，1998.

［13］赵永宏，邓祥征，战金艳.我国湖泊富营养化防治与控制策略研究进展［J］.环境科学与技术，2010，33(3):92 －98.

［14］刘建康.东湖生态学研究［M］.北京:科学出版社，1990.

［15］龚应安.我国湖泊富营养化出现的机制和防治对策［J］.北京水利，2002，9(6):20 －22.