【技术前沿】物理生态协同净化装置对高浊度河水的处理效果

小编导读

本文选自《净水技术》2016年第一期，作者：同济大学环境科学与工程学院/袁红丹。文章版权专有，转载请注明出处。

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摘要

该研究针对崇明东滩河道泥沙多、浊度高、透明度低的问题，考察了物理生态协同净化装置对崇明东滩的高浊度河水的处理效果，并对负载弹性填料和仿生水草两种填料的中试装置进行了对比。中试结果表明，两套装置对河水浊度都有良好的去除效果，在进水浊度为33.9±8.0 NTU的条件下，仿生水草装置的出水浊度为8.7±2.5 NTU，去除率为74.4±4.9 %；弹性填料装置的出水浊度为9.5±1.8 NTU，去除率为72.0±5.5%。季节温度变化对两套装置出水浊度无显著影响。装置对河水中粒径大于1000μm的颗粒去除效果明显，弹性填料装置和仿生水草装置处理前后出河水中砂砾（62～2000μm）的体积百分比由河水中的16.5%分别降至3.6 %和7.5 %。同时，两套装置对河水中其它污染物也有一定的去除效果，仿生水草装置对各污染物去除率较高，其氨氮去除率为40.2±0.07 %，总氮去除率为27.7±0.09 %，总磷去除率为32.6±0.10%，COD_Cr去除率为9.9±0.11 %。本研究结果可为高浊度河水的水质修复提供经验借鉴和技术支持。

河流系统是自然界中重要的生态系统之一，具有输水、泄洪、景观、航运和养殖等多种功能。我国是高浊度河流众多的国家，据多年观测资料统计，年平均输沙量在1000万t以上的河流有40多条，年最大输沙量超过1000万t的有60多。崇明东滩的景观河道水系受长江潮汐的影响，其水质接近长江水质，该河水中悬浮物为砂、泥、粘土及胶体等物质，单位体积水中砂的重量百分比接近或大于50 %；但是砂的总颗粒数远小于粘土、胶体等细微颗粒数目之和，浊度大于含沙量，其主要特点是浊度高、泥沙较多、透明度低。针对崇明东滩河道的水质特点，可应用喇叭口式取水装置、莲蓬头式取水装置以及多种混凝过滤工艺等多种设备以降低水体浊度，但大部分工艺设备的操作过程较复杂，能耗大，不适用于治理该河道。而物理-生态修复技术具有经济性、实用性、安全性、系统性等优点，现已成为自然水体治理的主要技术。龙天渝等针对长江重庆段水体在夏季细砂含量高的问题，设计了旋流除砂器，属于物理处理法，对细沙有一定处理效果，但是不能去除水中溶解性污染物，并且结构较为复杂，适用于热泵水源处理，并不能很好的应用于景观水的河水沉砂工艺中。另一方面，生态浮床技术在湖泊、水库等污染水体治理中取得了较好的净化作用和生态景观效果，并且在治理城市河道方面也发挥了重要作用。陈玉辉等在上海新角浦河、汇丰河黑臭河段的试验研究表明，生态浮床对COD，NH₃-N，TN 和TP 的去除效果明显，治理后出水透明度增加，河道生物多样性显著提高，水体富营养化明显改善，但是未能利用植物、微生物之间的作用进行自然水体的除砂除浊。

针对现有技术在高浊度河水处理中存在的不足，本研究采用物理生态协同净化装置来处理高浊度的崇明东滩河水，在崇明东滩河道现场搭建了两套负载不同填料的中试装置以考察装置对河水浊度及其它污染物的去除效果，为该工艺用于河水生态修复提供技术支持。

1 材料与方法

1.1中试装置

本研究针对崇明东滩河道水质存在的主要问题及其成因，设计了物理生态协同净化装置（图1）用于高浊度河水的沉砂和除浊。其主要包括负载填料的净化池、排泥斗和排泥管三部分。净化池水容量为3 m³，装置进水为崇明东滩河道横一河段河水，水流量为2.2 m³/h。河水流经该装置时，水中泥沙等悬浮物在填料的作用下，依靠自身重力得以沉降，由排泥斗排出；同时利用填料表面附着的微生物的降解作用，降低水中其它可生物降解污染物的浓度，实现净化水质的目的。装置同时具有除浊、沉砂与净化水质的功能，结构紧凑，便于现场施工操作，同时避免了化学沉降可能造成的二次污染等问题，具有经济环保等优点。

1. 进水泵；2.流量计；3.净化池；4.仿生植物；5.出水口；6. 排泥斗；7.排泥管；

A.装置外观图；B.弹性填料装置填料；C.仿生水草装置填料

图1  组装式物理生态协同强化沉砂中试装置示意图（左）和实物图（右）

仿生植物是通过各种纤维加工形成的新型水处理材料，其弥补了传统的生物-生态修复技术在水污染治理中的缺陷。仿生植物附着微生物膜上的生物相丰富，这些微生物可在生物膜上形成更高级的食物链，通过生物共生机制，实现去除污染物的目的。可见，仿生植物在污染河道水质净化中具有可行性及高效性。通过对崇明东滩河道的现场勘查，针对河水中悬浮固体去除的问题，首先进行了实验室小试研究，分别采用滤布、滤网、弹性填料、仿生水草作为过滤介质，考察其对河水中悬浮固体的去除效果。实验结果表明，弹性填料和仿生水草对河水中浊度去除效果较好。所以，本研究分别选取弹性填料和仿生水草作为两套中试装置的填料，研究这两种填料在长期运行过程中对河水的净化效果，并对两者进行对比。

1.2分析测试方法

试验过程中常规水质的分析均采用标准方法，其中COD_Cr测定采用重铬酸钾法（哈希法），测定仪器为COD消解器（DRB-200，美国哈希公司）和紫外可见分光光度计（DR-5000，美国哈希公司）；NH⁺₄-N测定采用纳氏试剂光度计法；TN测定采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法；TP测定采用过硫酸钾消解-钼锑钪分光光度法，测定仪器为紫外可见分光光度计（UV-1800，日本岛津公司）；浊度测定采用浊度仪（2100N，美国哈希公司）；pH测定采用便携式pH计（PHB-4，上海精密仪器科学仪器有限公司）；粒径分析采用激光粒度分析仪（Mastersizer 3000，英国马尔文公司）。常规试验分析中所用的化学试剂均为国产分析纯。

2 结果与分析

2.1浊度去除效果

连续监测两套装置的进出水浊度，结果如图2所示。装置进水（河水）的浊度波动较大，波动范围为8.0～125.0 NTU，而两个装置的处理后出水的浊度都比较稳定，弹性填料装置和仿生水草装置出水浊度波动范围分别为2.9～36.7 NTU和3.1～34.5 NTU，可见经中试装置处理后河水浊度去除效果良好，并能保持在较稳定的浊度范围内。在启动后40d内，弹性填料装置对河水浊度的去除效果优于仿生水草装置，随着运行时间增加，两套装置处理后出水中浊度的变化趋势基本相同，仿生水草装置对浊度去除能力逐渐提高并略优于弹性填料装置，两台装置对浊度去除效果的趋势相近。

（a）装置水温和流量变化；（b）处理后浊度去除率；（c）处理前后浊度变化

图2 河道水质修复中试装置长期运行温度变化及浊度去除效果

再装试运行期间，两套装置对浊度去除效果的对比情况如图3所示。在进水流量为2.2 m³/s，进水浊度为33.9±8 NTU的条件下，仿生水草装置的出水浊度为8.7±2.5 NTU，去除率为74.4±4.9 %；弹性填料装置的出水浊度为9.5±1.8 NTU，去除率为72.0±5.5%。吴成强等针对因河道采砂导致的高浊度河水，在河道中进行聚合氯化铝（PAC）混凝净化工程试验，连续运行近1个月，可将浊度为164～390 NTU的河水净化至浊度为10NTU以下，但是此类除浊的方法操作复杂、能耗大，不适用于崇明东滩河水修复。徐功娣等研究了水生植物和水草纤维填料复合型生态浮床技术对崇明岛高浊度富营养化水体的修复作用，结果表明：河水浊度由52.6～76.4 NTU降至25～30 NTU。由此可见，本研究中两种仿生植物的中试装置对河水浊度去除效果良好，且仿生水草装置对河水中浊度的去除率更高。

图3 河道水质修复中试装置长期运行浊度去除效果对比

为研究环境温度对弹性填料装置和仿生水草装置出水浊度的影响，应用Excel进行单因素方差分析，得出其P值分别为0.0845和0.0140，均符合F <Fcrit，结果表明：在进水流量稳定的情况下，季节温度变化对这两套装置出水浊度无显著影响。此外，在装置运行210天时，对积累在弹性填料和仿生水草两种填料表面的泥沙进行清理以防止填料表面出现结球等现象，并排出了装置底部的泥沙。由图3中的监测数据可知，两套装置的排泥步骤没有对河水浊度的降低产生明显影响，同时，避免了沉积物中吸附的磷等物质释放而影响出水水质，故定期排泥有利于装置长期高效运行。

2.2河水处理前后粒径分析

将河水、弹性填料装置出水和仿生水草装置出水中的颗粒物进行粒径分析，如图4所示。结果表明：两套装置处理后的出水中，较大粒径的颗粒所占百分比与处理前河水中相比有明显的降低，两套装置对河水中较大粒径的颗粒去除效果明显，粒径大于1000 μm的颗粒在弹性填料装置中被全部去除，在仿生水草装置中也有较高的去除率。

（a）处理前河水

（b）弹性填料中试装置出水

（c）仿生水草中试装置出水

图4  河道修复中试装置处理前后污水中粒径分布变化情况

根据《河流泥沙颗粒分析规程》SL 42—2010，将河道修复中试装置处理前后河水中的泥沙按照粒径范围分为黏粒、粉砂和砂砾三类，每一类泥沙所占体积分数见表1。处理前河水和两套装置处理出水中粉砂（4～62μm）的体积百分比均超过了80 %，而弹性填料装置和仿生水草装置处理后出水中砂砾（62～2000μm）的体积百分比降幅均十分明显，由河水中的16.5 %分别降至3.6 %和7.5%，说明两套中试装置均能有效去除河水中粒径较大的砂砾。对比两套装置出水中三类泥沙的体积百分比，仿生水草装置出水中黏粒（< 4μm）体积百分比为2.7 %，小于弹性填料装置出水和处理前河水中黏粒体积百分比。而崇明东滩河水存在往复流，河水中黏粒由于粒径较小更加难以自然沉降，所以在两套装置对河水浊度去除率相近的情况下，选择仿生水草装置更利于河水中不易自然沉降的黏粒和粉砂的去除。

表1河水处理前后不同类别泥沙体积百分比

河流泥沙分类	黏粒	粉砂	砂砾
粒径范围/μm	<  4	4～62	62～2000
处理前河水	3.1	80.3	16.5
弹性填料装置出水	4.1	92.2	3.6
仿生水草装置出水	2.7	89.7	7.5

2.3其它污染物去除

在中试装置运行期间，对处理前后河水中氨氮、总氮、总磷和COD的浓度进行了测定。如图5和表2为弹性填料装置和仿生水草装置运行过程中对氨氮、总氮等污染物去除情况，河水中氨氮浓度为0.34±0.07 mg/L，弹性填料装置处理后出水中浓度为0.21±0.03 mg/L，去除率为38.3%±0.08 %，仿生水草装置处理后出水中浓度为0.20±0.03 mg/L，去除率为40.2%±0.07%；河水中总氮浓度为1.89±0.23 mg/L，弹性填料装置处理后出水中浓度为1.38±0.08 mg/L，去除率为26.0%±0.09 %，仿生水草装置处理后出水中浓度为1.36±0.19 mg/L，去除率为27.7%±0.09%；河水中总磷浓度为0.29±0.05 mg/L，弹性填料装置处理后出水中浓度为0.21±0.04 mg/L，去除率为27.0%±0.13 %，仿生水草装置处理后出水中浓度为0.19±0.01 mg/L，去除率为32.6%±0.10%；河水中COD浓度为4.13±0.50 mg/L，弹性填料装置处理后出水中浓度为3.68±0.31 mg/L，去除率为9.8%±0.11%，仿生水草装置处理后出水中浓度为3.67±0.38 mg/L，去除率为9.9%±0.11 %。试验结果表明，两套装置不但能够降低河水的浊度，对河水中氨氮、总氮、总磷和COD也有一定的去除效果，仿生水草装置对研究中考察的各种污染物的去除率均高于弹性填料装置。

（a）氨态氮

（b）总氮

（c）总磷

（d）COD

图5河道修复中试装置对氨氮、总氮、总磷和COD_Cr的去除效果

周晓红等研究了多种仿生植物对水体中氮素的去除效果，其总氮去除率变动范围是63.48 %～89.74 %，不同材质的仿生植物系统对水体中氨氮同样具有较高的去除效果。徐功娣等的研究中，水芹浮床的出水中COD_Cr浓度为25～35 mg/L，去除率为60%～80％，总磷的去除率大于60 %。本研究中河水中四类污染物浓度相对较低，不利于微生物生长，故污染物去除率未达到文献水平，但经装置处理过后出水中污染物浓度达到河水净化要求。

在装置运行200d时取样，根据《水和废水标准检验法》（BG/T 5750—2006）对装置处理前后水样进行检测，测定项目和结果见表2。结果表明：经两套中试装置处理过后，出水浑浊度显著降低，仿生水草装置处理效果更好，其它指标硝酸盐、pH值、高锰酸盐指数、氨氮和总磷均达到地表水环境质量III类标准（GB3838-2002）。值得一提的是，两套装置处理后出水中总磷浓度偏高，与装置未及时进行排泥等因素有关。

表2   河道修复中试装置进出水第200d处理效果对比

项目	标准	河水	仿生水草装置 处理水	弹性填料装置处理水
硝酸盐（以N计）/(mg·L-1)	≤10	1.74	1.52	1.18
浑浊度/NTU		32.7	9.97	12.2
pH值	6~9	7.4	7.8	7.9
高锰酸盐指数/(mg·L-1)	≤6	4.2	4.2	3.5
氨氮/(mg·L-1)	≤1	0.26	0.18	0.19
总磷（以P计）/(mg·L-1)	≤0.2	0.06	0.07	0.07
总氮（湖，库，以N计）/(mg·L-1)	≤1.0	1.76	1.62	1.40

3 技术经济分析

该物理生态协同净化工艺投入工程运行时，与处理高浊度河水的传统工艺——混凝沉淀工艺进行技术经济比较分析（表3）。与混凝沉淀工艺相比发现，物理生态协同净化工艺投资成本较低。在工艺投入工程运行后，需将填料直接置于河道中进行原位修复，河道原位修复过程不需药剂费，仅在定期排泥中需要较少电费投入。由于该工艺与混凝沉淀工艺相比操作运行更加简便、不需投加药剂等操作。所以物理生态协同净化工艺与混凝沉淀工艺相比，投资成本及其在运行中能耗和运行维护费用均较低，同时具有节省占地等优势。

表3   河水净化工艺技术经济比较分析

技术	混凝沉淀/(元·m-3河水)	物理生态协同净化/(元·m-3河水)
电费	4.63×10-5～0.1	1×10-6～1×10-5
药剂费	0.045～0.17	无
人工费	需要工人较多	需要工人较少
投资成本	投资成本较高	投资成本较低
占地面积	占地较大	原位修复，节省占地

4 结论

（1）本研究中负载弹性填料和仿生水草两种填料的中试装置对河水浊度去除效果均良好，在进水浊度为33.9±8 NTU的条件下，仿生水草装置的出水浊度为8.7±2.5 NTU，去除率为74.4%±4.9 %；弹性填料装置的出水浊度为9.5±1.8 NTU，去除率为72.0%±5.5%。季节温度变化对两套装置出水浊度无显著影响。仿生水草装置对河水中浊度的去除率较高，在河水浊度和环境温度波动中该装置的出水浊度更加稳定。

（2）弹性填料装置和仿生水草装置对河水中粒径大于1000 μm的颗粒去除效果明显，处理过后出河水中砂砾（62～2000 μm）的体积百分比由河水中的16.5 %分别降至3.6 %和7.5 %。处理前河水和两套装置处理出水中粉砂（4～62 μm）的体积百分比均超过了80 %。仿生水草装置出水中黏粒（< 4 μm）体积百分比为2.7 %，小于弹性填料装置出水和处理前河水中黏粒体积百分比，故仿生水草装置更利于河水中不易自然沉降的黏粒和粉砂的去除。

（3）两套中试装置不但能够降低河水的浊度，对河水中其它污染物如氨氮、总氮、总磷和COD也有一定的去除效果。其中仿生水草装置的处理效果较优，其氨氮去除率为40.2%±0.07 %，总氮去除率为27.7%±0.09 %，总磷去除率为32.6%±0.10 %，COD_Cr去除率为9.9%±0.11 %。

（4）本研究中的物理生态协同净化工艺与混凝沉淀工艺相比投资成本较低，同时，在运行中能耗和运行维护费用也较低，不需电费和药剂费等，并具有节省占地等优势。

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