多级AO+化学除磷工艺在河道治理中的工程应用

熊惠磊 ，王绍嵩 ，李佳璐，刘海涛 ，陈选平 ，侯 盾 ，王 磊 ，李 进 ，张真真 ，于凯婷

（1.宝航环境修复有限公司，北京100012；2.天津市水务局，天津300074；3.湘南学院，湖南郴州423099；4.湖南大自然环保科技有限公司，湖南郴州423099；5.北建工集团有限责任公司，河北石家庄050051；6.河北建楚环境工程有限公司，河北石家庄050051）

据统计截至2016年，全国295个地级以上城市黑臭水体总认定数为2 082个，城市水体普遍受到污染，黑臭水体逐渐增多，已严重影响了居民的生活质量〔1-3〕。

根据国务院发布的《水污染防治行动计划》，科学系统地综合治理城市黑臭水体，必须以全面改善水环境质量为核心，坚持分区管理，“一河一策”分类治理的原则。本项目根据河北省某治理河道污染程度与现场情况，结合以往工程经验，制定了多级AO+化学除磷组合工艺，有效改善黑臭水体水质，使得水体达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类地表水水体标准。

1 工程概况

1.1 河道简介

河北省某治理河段西起扣村桥以东100 m拟建节制闸，东至第二扬水站拟建防潮闸，河段（含分叉河）全长约21 km，东西走向，直流渤海，修复面积18～27万m2，水资源总量约15万m3，主要功能为季节性排沥，海口处设有防潮闸，但在20世纪70年代将闸门拆除，海水倒流造成河道严重淤积，排涝标准明显降低。

1.2 水体水质

现场踏勘河道的过程中，沿程选取5个采样地点，采样点位置见图1。

图1 沿程5个采样地点示意

进行连续采样监测，水质平均指标见表1。

表1 2016年3月—5月河道水质

由表1可知，河道水体主要污染因子CODCr、氨氮、总磷均远超《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类地表水水体标准，属劣Ⅴ类水体，上游水质较差，下游水质较上游有所好转。根据现场的感性认识，可以见到水稍浑浊，流动性差，部分河段有黑臭和富营养化现象，淤积严重。

1.3 河道污染成因

河道受污染原因及主要存在问题：（1）城区部分为合流制排水系统，雨污不分流、管网不配套，导致生活废水混入；（2）水体因淤积、潮汐等原因，流动性差，水体封闭，降雨排涝时进入水体的污染物难以扩散引起污染物聚集；（3）河段淤积严重，平常流量较小，河道底泥中的污染物质进入水体，造成二次污染。

2 治理目标与工艺流程

2.1 设计水质与治理目标

对河水的污染物进行取样分析，确定按工程主要实施段的平均河道水质考虑，设计水质和治理目标如表2所示。治理目标参考《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）Ⅴ类地表水水体水质主要指标。

表2 设计进水水质与治理目标

2.2 工艺流程

结合河道水体污染因子、项目特点及当地环境等综合因素，该河道治理工程拟采用河道内生态工程，其工艺为“多级AO+化学除磷”，具体工艺流程如图2所示。

图2 河道治理工艺流程

3 分项处理单元介绍

3.1 一级格栅井与提升泵房

一级格栅井与提升泵房为合建式，其处理规模均为20 000 m3/d，采用完全地下式钢筋混凝土结构，其中一级格栅井尺寸10.3 m×3.2 m×8.3 m，含两个进水渠道，进水管管径D 1 120 mm×10 mm；提升泵房尺寸 12.2 m×10.3 m×8.3 m。

主要设备：回转式格栅2台，功率2.2 kW；螺旋输送压榨一体机，功率2.2 kW；立式潜污离心泵3台（2用1备），单台流量为420 m3/h，扬程为10.5 m，功率为30 kW；超声波液位计1套，量程0～15 m。水泵运行状态根据泵坑内液位信号自动控制，即坑内液位处于高液位（又称超高液位）时，3台泵启动；坑内液位处于中液位（又称运行液位）时，2台泵启动；坑内液位处于低液位（又称警报液位）时，水泵停止运行。

3.2 生化处理段（多级AO段与生态浮岛）

生化处理段由多级AO段与生态浮岛共同组成，主要去除河道水体主要污染因子CODCr和氨氮，该生化处理段长度为490.2m，河道水面宽度为63 m，河道下底宽为33 m，河底标高为-6.0 m，最高水位为-1.0m。主要设备和设施有：组合单元660个（内设生物载体），水下深层曝气器304个，生态浮岛3600m2。

3.2.1 多级AO段

为了更加高效地强化生物脱氮，各国研究者在传统脱氮工艺的基础上，大力开发新技术和新工艺，如短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、同步硝化反硝化和多级 AO 等技术〔4-8〕。

本项目采用多级AO技术，针对原河道进行改造，构建8级AO反应区域，每个反应区域面积约为3 610 m2，设置82～84个数量不等的组合单元，35～43个数量不等的水下深层曝气器，根据进水氨氮浓度，分别调节各个区域的进水量及其水下深层曝气器曝气量。

组合单元为长方体，焊接骨架箱体，内设高效微生物的生物载体，依托水下深层曝气器的曝气和水流的提升作用使得生物载体一直处于流化状态，从而达到污水处理目的。

水下深层曝气器内部设有微孔型曝气盘及射流充气管两种设施，通过巧妙设计，使之同时达到生物引流，三相融和，生物强化增氧等多重作用，最大限度地处理水体中的污染物质，并可以在运行条件下进行设备的拆卸、维护和保养等工作，可以最大限度降低整体运行成本。

3.2.2 生态浮岛

生态浮岛又称生物浮岛，即人为利用水面浮床种植水生植物或者喜水的陆生植物而搭建的水体治理设施。其处理原理：通过植物自然习性及其构建的植物与微生物的小生境，经过吸收、吸附、分解及转化作用，实现污染水体中的氮、磷、有机物和重金属等污染物质的削减，并通过收割植物将污染物质移出水体，从而达到净化污水的目的〔9〕。

综合考虑生态浮岛的植物量、现场条件、景观性和美观化等因素，将生态浮岛分方块形和长条形两大类型，并分别布设于8个处理区域，总面积3 600 m2，其中方块形生态浮岛面积为3 150 m2，布置在组合单元南侧；长条形生态浮岛面积为450 m2，布置在组合单元顶部。

项目河道受潮汐影响较大，因此河水中盐分和氯离子浓度较高。在挺水植物中选择菖蒲、千屈菜、绿萝、水葱和马蔺进行现场挺水植物筛选测试，经过长时间试验，筛选出最适宜在本水体生长的植物，试验表明：千屈菜生命力最顽强，且最适宜本水体生长环境，菖蒲次之。

3.3 深化处理段

设置深化处理段的作用在于化学除磷，以及对上一个生化处理段（即多级AO段与生态浮岛）出水中残留的少量有机污染物进行深度处理，确保出水水质的各项指标达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类地表水水体要求。

深化处理段长度298.8 m，河道上底宽为67 m，下底宽为45 m，河底标高为-4.0 m，最高水位-1.0 m。主要设备有：14个水下深层曝气器，1台在线溶氧仪。通过在线溶氧仪，对深化段的深层曝气器的供气量进行调节。

3.4 除磷加药间

鉴于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类地表水水体水质中TP的出水质量浓度应小于0.4 mg/L，单独依靠微生物和植物吸收难以达到要求，所以运用化学除磷技术〔10-11〕。

现场建设除磷加药间1座，占地面积76 m2，内设储药间1间（面积9.9 m2）、控制室1间（面积 10.6 m2）和操作间1间（面积55.5m2）。采用聚合氯化铝（PAC）干粉，配制成质量分数为5%～10%PAC溶液投加，投加量根据多级AO与生态浮岛段出水TP浓度调整。PAC溶液池有2座，尺寸2.3 m×2.3 m×1.9 m，材质PP；3台PAC投加计量泵（2用1备），单泵流量315 L/h，压强 0.5 MPa，功率 0.37 kW。

3.5 鼓风机房

导致水体出现黑臭问题，其原因主要是：水体中的溶解氧含量过低。当有机污染物进入水体后，有机污染物会迅速消耗水中的溶解氧，导致水体处于缺氧，甚至是厌氧状态。此时，在物理反应、化学反应和生物反应的协同作用下，水体里的有机物发生厌氧分解产生硫化氢、氨气、有机硫化物等臭气；此外水体中的金属离子与硫离子产生黑色络合物，使得水体呈现黑色〔1-2，12〕。

为消除水体黑臭问题，需提高水体溶解氧，同时为河道内好氧微生物提供充足的氧气，促进微生物的生长繁殖，加速污染河水有机物的降解速度。现场建设鼓风机房1座，占地面积171 m2。主要设备：罗茨鼓风机4台，2用2备（其中1台冷备），风机流量46.44 m3/min，压强8.8 kPa，功率75 kW；空气加热器1套，功率200 kW。

3.6 二级格栅井与循环提升泵站

二级格栅井与提升泵房为合建式，其处理规模均为10 000 m3/d，采用完全地下式钢筋混凝土结构，其中二级格栅井尺寸7.2 m×2.4 m×8.2 m，含两个进水渠道，进水管管径D 630 mm，壁厚9 mm；提升泵房尺寸 9.2 m×8.2 m×8.2 m。

主要设备：回转式格栅2台，功率1.1 kW；螺旋输送压榨一体机，功率2.2 kW；立式潜污离心泵4台（3用1备），单台流量为150 m3/h，扬程为 26 m，功率为18.5 kW；超声波液位计1套，量程0～10 m。水泵运行状态根据泵坑内液位信号自动控制，运行方式与提升泵站运行方式相同，采用三液位自控方式。

4 工程特点与运行结果

4.1 工程特点

（1）该河道受潮汐影响较大，因此项目治理遵循“河道内生态治理”理念，一方面不引进外来微生物进行污泥接种，充分调动“土著”微生物活性，大大减少工艺启动时间；另一方面河道两岸与河底均是自然坡面和自然河底，提高了土壤微生物进入水体参与水体净化的几率。

（2）实现多级AO工艺首次在河道内的工程应用，为多级AO工艺在河道治理工程中的应用积累经验。项目利用浮体式隔断将河道分隔成各自独立的串联AO反应区，根据各个功能区的水质指标变化，可以调节缺氧区和好氧区的比例，为反硝化细菌和硝化细菌各自提供更适宜的生长环境。

（3）由于生物除磷技术不能达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类地表水水体总磷排放不能高于0.4 mg/L的限值，所以在深度处理段前端引入化学除磷单元，确保河道出水TP满足出水水质要求。

4.2 运行结果

河道治理工程建成后，通过4个月的运行，对河道水体进出水水质污染物（主要是CODCr、氨氮和TP）进行监测，上述污染物去除效果见图3。

图3 工艺运行期间CODCr、氨氮和TP浓度变化

如图3所示，当运行45 d后，出水中的CODCr、氨氮、TP三种污染物浓度均达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类地表水水体标准，水体黑臭现象消失，水体透明度显著提升，生态浮岛的植物长势良好，河水中鱼虾数量增加，河道生态处于良性恢复状态。

5 结论与建议

本项目针对现有河道和坡岸进行改造，实现了“多级AO+化学除磷”工艺在河道内生态治理的工程应用，处理出水中的CODCr、氨氮和TP三种污染物浓度均达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅴ类地表水水体标准。该河流的成功治理，不仅有效改善河道水质，而且为多级AO技术运用于黑臭水体处理提供技术借鉴和工程示范。