城市河涌污染及悬浮式膜法治理技术的应用研究

古旭城

（广州市水务科学研究院有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

城市河涌是一类用于城市内部防洪防涝、给水排水以及城区航运的水利工程，按照形成条件可将其分为自然河涌与人工河涌。河涌在我国江南与华南地区广泛分布，河涌污染的特征一般呈现为总水量较小但波动幅度较大、城市暴雨期瞬时流量大以及水体中总有机负荷浓度水平较低等特征。近年来，随着我国经济的快速发展与城镇化进程的不断推进，城市工业废水与居民区生活污水的产生量也大大增加，造成河涌中有机物浓度显著上升而出现水体发臭与淤积严重等问题，不仅影响了河涌作为城市水利工程的基本功能，还使得城市水生态的稳定性遭到严重破坏［1］。生物膜技术在污水净化中具有较好的应用效果，固定床生物膜法、流动生物膜法以及膜生物反应器等典型的生物膜法的基本原理均为利用吸附在特定载体上的膜状微生物群体来吸收污水中的有机物质，从而达到降低污水中有机物浓度的目的。本研究在生物膜技术的基础上探究了悬浮式生物膜法河涌污染治理技术，通过对比分析理清了该技术用于治理河涌有机物污染的影响因素、控制因素以及优化策略等，对于河涌的综合治理具有重要的现实意义。

1 城市河涌及河涌水污染概述

1.1 城市河涌及河涌污染的影响因素

河涌是城市中用于防洪排水、防涝防灾及城区航运的水利工程，这一类水利工程在我国的江南与华南地区具有十分广泛的分布，也常被称为“小河流”。河涌作为一类小型水利工程，其年平均流量通常较小，因此暴雨会造成河涌瞬时流量激增，同时河涌中有机物浓度水平对排放量十分敏感［2］。总的来说，影响城市河涌污染的因素主要有水文因素、水质因素以及水生生态因素等。水文因素主要包括河涌流量、水位以及泥沙量等，水文因素的变化在相当程度上决定于气象条件、河涌下垫面情况以及河涌几何特征；水质因素是河涌水质污染的重要基础条件，其主要受到水、河涌中溶解物与悬浮物、河涌水生生物以及河涌底泥等因素的影响，河涌水质基本特征与受污染情况的指标又包括水的一般性状指标、氧平衡参数指标、氮磷参数指标、无机毒物参数指标、重金属含量参数指标、毒害类有机物含量指标、放射性物质浓度指标以及病原微生物指标等；水生生态因素主要是指河涌中微生物及其所处的水环境所构成的具有特定结构与功能性的综合体，其主要可分为环境条件、参与物质循环的无机物、生物与非生物的有机物以及绿色植物与光合细菌等“生产者”。

1.2 城市河涌污染的主因

当城市河涌中的污染物含量超过其自净化能力时就会出现水体理化性质显著改变的情况，水生态与功能也会遭到不同程度的破坏。总的来说，城市河涌的污染主要是由三方面因素造成的。其一，近年来城市居民总量不断增加，污水排放总量持续增加，但近几年城市污水净化能力未得到显著提升，造成污水净化压力不断增大。其二，虽然近几年加大了对大中型国有企业、外资以及合资企业的排污、排废管控力度，但随着小微企业数量的不断增多，工业污染物特别是工业废水的排放管控难度越来越大，同时一些新型有机物的出现也增加了污水的检测与净化难度。其三，随着近年来城镇化进程的持续推进与新农村规模化种植模式的推广，城市远郊、农村乡镇以及乡村农场等地区产生的生活污水与农业污水总量快速上升，增加了污水处理的任务量，此外城市郊区的一些畜禽养殖场也成了城市河涌污染排放的重要源头［3］。

2 生物膜技术处理污水的应用原理

生物膜技术处理污水的基本原理是利用生物膜的选择透过性来实现介质分离的功能，同时在生物膜的两侧施加一定的辅助作用力，以加速特定组分能够通过生物膜，从而实现污水净化、杂质分离以及组分浓缩等目的。现阶段，利用生物膜处理污水的技术主要包含微滤技术（MF）、超滤技术（UF）、纳滤技术（NF）以及反渗透技术（RO）等，生物膜的截留与透过性的调节可以通过改变膜两侧的辅助作用力来实现。经过多年的技术发展与应用积累，生物膜技术在污水处理中的应用形式也越来越多样化，其中膜生物反应器（MBR）工艺与二级处理+MF/UF工艺常见于城市河涌污水的净化与一般回用，因其良好的净化效果与较高的性价比而在污水处理领域得到了广泛的应用；NF技术与RO技术则多用于污水的深层次净化，利用高压膜的特性可实现污水的深度净化，最终可得到较高品质的产品水。从净化组分的角度来说，MBR、MF以及UF等技术的结合可实现大多数常见污染物的处理，二级出水+MF/UF治理技术则对于经初步净化后水体中的悬浮固体物质与磷元素具有良好的净化效果，RO技术与NF技术相结合应用于污水处理可达到较好的脱盐与有机物吸附作用，出水达到饮用水标准。生物膜技术在污水处理中的应用示意图如图1所示。

图1 生物膜技术处理污水的应用示意图

3 悬浮式生物膜法治理河涌污染的膜结构与技术流程

3.1 悬浮式生物膜结构

通过对既有生物膜的结构与性能的分析，发现比表面积更大的片状生物膜在污水处理中的效果更好。因此，本研究的生物膜应具备在水中悬浮、比表面积大的特点，同时为了满足城市河涌污水净化的实践要求，其结构强度与抗冲击性能也应满足一定的要求［4］。此外，考虑到环境因素的影响，应用城市河涌污染悬浮式生物膜治理技术时选择了纯惰性且环境亲和力较好的纤维膜。本研究中的悬浮式生物膜结构示意图如图2所示，为了保证生物膜呈现出良好的悬浮状态，选择了以悬浮体固定生物膜辅助的方式。

图2 悬浮式生物膜结构示意图

3.2 悬浮式生物膜法的流程设计

悬浮式生物膜处理河涌污染的流程示意图如图3所示。悬浮式生物膜法处理污水的反应装置选择了有机玻璃的材质，设定反应槽两个边的长度比为1∶20，水道长度为12 m，高度为0.2 m，宽度为0.1 m，将总水道均分为6个水槽，各水槽首先相连并在内部布置相同数量的生物膜，得到所需的推流式生物反应装置。该装置采用了自然复氧为主、回流曝气为辅的反应工艺，使用水泵将待处理的污水输送至高位水箱，然后污水到达反应槽在均流板的作用下在反应槽内实现均布，同时污水在均布的过程中会与悬浮式生物膜存在大面积的接触，在生物膜的过滤、吸附以及降解等作用下污水实现净化，最终经溢流板排出［5］。

图3 悬浮式生物膜处理河涌污染的流程示意图

4 悬浮式生物膜法处理河涌污染的结果验证

为了检验悬浮式生物膜处理河涌污染的效果，设计了3种条件下的验证试验，并得到在不同COD、NH3-N以及T-P负荷状态下悬浮式生物膜污水治理技术的净化效果指标。

4.1 不同COD负荷状态下的污水净化效果

控制6个水槽中水温与进水流量保持恒定（水温25℃，进水流量1 L/min），NH3-N质量浓度为15 mg/L，T-P质量浓度为3 mg/L。验证过程中，按照50 mg/L的梯度调整进水中的COD质量浓度分别为100 mg/L、150 mg/L以及200 mg/L，采集并检测进水与出水中的COD质量浓度，得到如图4所示的不同COD负荷状态下污水处理效果柱状图。

图4 不同COD负荷状态污水处理效果

由此可知，进水中COD负荷在2.36～1.13kg/（m3·d）时，COD负荷越低则相应的去除率越高；进水中COD质量浓度为100 mg/L时，COD去除率为63.8%，去除效果较好。

4.2 不同NH3-N负荷状态下的污水净化效果

由于反应装置中不存在专门的曝气，水体中氧浓度处于较低水平，使得水体中微生物絮体中产生了缺氧的环境，进而会产生同步硝化反硝化脱氮反应。控制各水槽中温度保持25℃、进水流量1 L/min不变，进水中COD质量浓度为150 mg/L，T-P质量浓度为3 mg/L。以5 mg/L为梯度调整进水中NH3-N质量浓度分别为10 mg/L、15 mg/L以及20 mg/L，采集反应器中进水与出水中的NH3-N质量浓度指标，得到如图5所示的污水净化效果柱状图。

图5 不同NH3-N负荷状态下的污水净化效果

由此可知，当反应装置中的进水NH3-N负荷自235.4 g/（m3·d）开始下降时，悬浮式生物膜对其的净化效果未得到明显改善，始终保持在37%左右，因此认为悬浮式生物膜法应用于城市河涌污染治理时对NH3-N质量浓度变化不敏感［6］。

4.3 不同T-P负荷状态下的污水净化效果

保持相同的水温与进水流量条件，控制进水COD质量浓度为150 mg/L，进水NH3-N质量浓度为15 mg/L。以1 mg/L为梯度，调整进水T-P的质量浓度分别为3 mg/L、4 mg/L以及5 mg/L，采集进水T-P质量浓度数据并得到图6。

图6 不同T-P负荷状态下的污水净化效果

由此可知，进水T-P负荷从61.8 g/（m3·d）开始降低时，T-P的去除率呈现出一定的上升趋势，但是并不明显。考虑到本试验中的磷组分相对单一，而城市污水中的磷元素多以混合物的形式溶解或悬浮于水体中，因此认为生物膜对T-P的净化效果基本稳定［7］。

5 结语

综上所述，生物膜治理技术在现代污水处理中具有十分重要而广泛的应用，通过对传统生物膜技术及应用实践的分析，提出悬浮式生物膜法治理技术与河涌污水净化反应系统，可在系统结构、维护可操作性、污染物净化效果以及系统运行成本等方面进行一定的优化与改善。实践中，还应根据城市河涌污染的污染物组分情况，强化悬浮式生物膜技术的应用灵活性，在经济性、净化效果以及现实可操作性等方面进一步提升。