强化耦合生物膜技术在河道污水中的应用

2023-03-20杨垒李坤刘如

资源节约与环保 2023年1期

杨垒李坤刘如

（安徽水利生态环境建设有限公司安徽蚌埠 233000）

引言

城市河道不仅是生态环境系统中不可或缺的重要组成部分，也对改善人居环境有着至关重要的作用，城市河道通常具有排涝防洪、人文景观和生态环境等功能[1]。但是大部分城市的污水管网分布还不健全，雨污分流的功能有所欠缺，导致生活污水随着雨水径流进入到河道水体，使化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）等污染物超出水体的自净能力，造成河道水体污染，引起河流水质恶化，出现富营养化、黑臭等污染现象[2]。河道水生态环境的恶化不仅令其失去了原有的生态功能和社会功能，阻碍了城市的正常发展，甚至严重影响到周围居民的生活环境质量和城市形象。通过全面改善城市河流水环境，有效控制水污染，使城市河流恢复原有的清澈水质，实现城市河流的环境功能和社会功能，已成为许多城市亟待解决的问题。

城市河道污水的治理与修复主要涉及生态、水利、环境等多个学科，且修复过程与河道流量、污染物种类及浓度、季节等多方面因素有关，因此河道治理是一项综合且复杂的工程[3]。目前国内外使用的河道污水治理技术主要包括：物理法，例如：截污分流、引水冲污、底泥疏浚、曝气复氧等，物理方法通常具有见效快但是治标不治本的特点；常见的化学法包括化学除藻、石灰脱氮、重金属的化学固定等，化学方法需要添加一些化学试剂，容易造成二次污染等不良影响；生物法包括生物接触氧化法、生态修复法、人工浮岛技术、生态清淤技术、微生物修复技术和人工湿地技术等[4][5]，生物法具有应用范围广、环境友好但耗时长的特点；生物膜技术通常利用多种微生物附着于某些载体的表面，当污水流经附有膜的载体时，生物膜上的好氧、缺氧、厌氧等微生物摄取污水中的有机物作为营养来源，从而降低污水中的污染物，目前用于河流治理的常见的生物膜技术是接触氧化法。本项目采用的强化耦合生物膜技术（EHBR）是将气体分离膜技术与生物膜法水处理技术结合起来的一种新型污水处理技术，其核心部分包括中空纤维膜和生物膜，其中生物膜中具备脱氮除碳除磷功能的优势菌群、普通好氧菌、硝化菌、亚硝化菌、反硝化菌和聚磷菌等多种菌群，膜组件安装于河道内，无需土建、池体施工，工程投资较少，具备操作成本低和膜曝气效率高等优点[6]（图1）。

图1 EHBR膜技术原理示意图

在现代化城市和工业化快速发展的情况下，生活污水以及工业污水的产生量也在持续增加，由于城市污水管网分布的缺失，通过地表径流排入河道的污水量也在不断增多，为了更好地确保河道生态环境的健康，本项目以安徽省蚌埠市龙腾路明渠为研究对象，采用以EHBR 膜为核心的治理技术并定期对水体中COD、TN、NH3-N 和TP 等指标进行检测，然后对数据结果跟踪分析，以期给城市河道污水治理技术提供基础数据和参考价值。

1 方法与材料

1.1 河道概况

安徽省蚌埠市龙腾路明渠起点为龙湖西路闸站，终点为龙子湖。呈“L 型”，总长约950 米。采用复式断面，渠底宽15m，渠顶宽26～29m；明渠常水位17.50m，洪水位19.00m，渠底标高介于15.60～16.50m 之间，常水位时水深1.0～2.0m。此闸口通常封闭，每年5 月至9月汛期不定期开闸，其主要功能以排涝、泄洪为主。汛期上游需要开闸放水，上游来水主要为雨污合流水体，对明渠水体污染比较大，严重影响了周围居民的日常生活。

1.2 研究方法

1.2.1 技术路线

本项目采用安徽川清清环境科技有限公司的EHBR膜技术为核心的治理技术，辅以上海GSA（德国）科技有限公司培养的初代益生菌与底泥消解菌。EHBR 生物膜内含有多种氨氧化菌和反硝化菌。前者主要包括亚硝化单胞菌和古菌；后者主要包括厌氧反硝化菌（氢噬胞菌属）、好氧反硝化菌（生丝微菌属）和光能反硝化菌（红杆菌属;光合菌）、化能反硝化细菌（红细菌属），EHBR 生物膜细菌群落中囊括了大量未知菌属，蕴藏着复杂的污水降解和去除功能。根据水体污染原因和现状调查，按照从源头治理，长效维护的原则设计修复方案，对龙腾路明渠水质情况采取“截污控源+强化耦合生物膜技术+生物菌群底泥消解技术+长效管理”的耦合技术。

（1）在闸口30-40 米处设置钢结构拦污网，通过拦阻水面各种落叶、塑料袋、其它生活垃圾等漂浮物，并通过人工定期清理，有效解决水面垃圾，达到去除杂物、清洁河道的目的。

（2）在排涝后，采用德国GSA 初代益生菌进行水体除臭，每开闸排涝需喷洒一次。GSA 益生菌处理原液以1:100 进行稀释，采用人工沿湖面“S”雾喷方式，达到消除异味的效果。

（3）自闸口到下游400 米的范围内布施84 组膜组件并安装曝气组件，平均间隔5 米一组（图2）。

图2 EHBR膜技术实物示意图

（4）采用德国GSA 公司引进的微生物菌群处理技术，以优势厌氧菌群为主，生物炭为菌群提供附着环境，通过厌氧菌群的生物食用习性，达到底泥的消解。按照每5 米梅花形投放至沟渠底部，能显著提高TOC、TN、TP 的降解率，消除内源污染的因素。

1.2.2 采样点设置

以龙腾路工程实际情况设定采样测定位点，明渠主要污染区段为闸口至闸口下游600 米处，依据工程建设方案，设定采样点分别为：闸口处、闸口下游50米、闸口下游100 米、闸口下游200 米、闸口下游400米和闸口下游600 米六个采样点。

1.2.3 检测指标及方法

本项目治理过程中的所有实验数据均来自委托安徽众诚环境检测有限公司进行的河道水样采集与检测，检测指标及方法见表1。

表1 检测指标及方法

2 结果与分析

2.1 化学需氧量（COD）变化情况

化学需氧量（COD）是我囯水质标准的常规监测指标之一，其数值大小用以反应水体污染情况。在明渠水体治理的过程中，随着曝气机的运行，除了通过EHBR膜对有机物降解外，水体中溶解氧增加，促进好氧微生物的生长，也刺激了水体中有机污染物的降解[7]。如图3 所示，除了7 月7 日COD 监测数据升高之外，其含量在监测期内总体呈现下降趋势。研究表明随着雨水径流的汇入，受纳水体的TP、TN、COD 等指标浓度均有所增加，说明雨水径流的汇入是造成水体污染物增加的主要原因[8][9]。因此，7 月7 日COD 含量出现明显回升的现象，该现象可能是由于雨季暴雨冲刷，生活污水随地表径流进入闸口，开闸泄洪携带外源污染物进入河道，导致COD 含量短时间提高；9 月9 日比5 月20 日COD 含量平均降低了54.90%，COD 去除效果较明显。但在闸口至下游600 米处，下游200 米COD 含量上升幅度最大，COD 含量为99.2mg/L，主要是由于此处是河道拐弯处，水流速度突然减缓，降低了污染物的稀释能力。

图3 化学需氧量（COD）变化情况

2.2 总氮（TN）含量变化情况

如图4 所示，TN 含量变化趋势与COD 相似，河道治理区域TN 含量总体呈现下降趋势，9 月9 日比5 月20 日平均降低了93.77%，TN 去除效果显著。但在7月7 日总氮含量明显回升，一方面可能是由于雨季暴雨冲刷携带外源污染物进入河道，导致总氮含量短时间提高；另一方面是随着温度的升高，TN 的释放量不断增加[10]。闸口至下游600 米处，下游600 米含量上升幅度最大，主要由于此位置未布设EHBR 生物膜组件，且与生物因子相比，环境因子对N 的去除效果影响更大[11]。

图4 总氮（TN）含量变化情况

2.3 氨氮（NH3-N）含量变化情况

2021 年5 月27 日EHBR 生物膜开始运行，随着EHBR 膜的稳定运行，NH3-N 的含量明显降低，9 月9日比5 月20 日平均降低了92.64%，NH3-N 去除效果显著。EHBR 生物膜内含有多种氨氧化菌和反硝化菌，前者主要包括亚硝化单胞菌和古菌；后者主要包括厌氧反硝化菌（氢噬胞菌属）、好氧反硝化菌（生丝微菌属）和光能反硝化菌（红杆菌属，光合菌）、化能反硝化菌（红细菌属），这些菌群通过氨化作用、硝化作用和反硝化作用等方式能有效去除水体中的N，对NH3-N 的去除率高效且稳定[12][13]。

图5 氨氮（NH3-N）含量变化情况

2.4 总磷（TP）含量变化情况

在健康的水生态环境系统中，所有的化学元素含量都是稳定且有限的，水体中磷元素的增加会加剧藻类的生长发育。藻类的大量繁殖严重消耗水体中的溶解氧，造成水体富营养化。研究表明温度对内源磷的释放有明显影响，随着环境温度的不断升高，沉积物释磷量明显增加[14]。王晓蓉[15]等研究发现温度、pH、溶解氧含量以及沉积物都会影响磷的浓度。TP 值受温度变化影响较大，随着夏季温度上升，TP 含量也呈上升趋势，2021 年6 月16 日明渠TP 含量达到最高，平均值为0.33mg/L；9 月9 日比6 月16 日下降了31.27%。

图6 总磷（TP）含量变化情况

3 结论

与处理前相比，通过增氧曝气及EHBR 生物膜处理，监测期内化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和总氮（TN）去除率分别为54.90%、92.64%和93.77%，各项水质指标均达到《地表水环境质量标准（GB 3838-2002）》地表Ⅴ类水的标准，该技术具有良好的脱氮和去除有机物的能力。采用以EHBR 生物膜为核心的治理技术能有效改善城市河道污水水质情况，在实际应用中加强河道周边污染源的控制，并合理运用生态修复技术与工程措施相结合的治理方式，可更好地促进生态城市的发展。