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第 8 卷第 3 期 环 境 工 程 学 报 Vol 8 No 3 2 0 1 4 年 3 月Chinese Journal of Environmental Engineering Mar 2 0 1 4 不同处理技术对河流污染物 降解系数影响的比较 王雅钰刘成刚黄天寅吴玮 苏州科技学院环境科学与工程学院 苏州 215011 摘要以苏州官渎花园内河为研究背景 利用模拟河道分别考察了曝气复氧 人工水力循环 渗滤净化技术 3 种 处理技术对受污河水中 COD 降解系数 kCOD NH3 N 降解系数 kNH3 N变化规律的影响 实验表明 在无外源污染且河水滞留 的天然情况下河道拥有一定自我净化的能力 并且 3 种处理技术对 COD NH3 N 的降解系数都有一定提高 分别使 kCOD增 加了34 3 47 8 和57 8 kNH3 N增加了8 35 15 4 和52 8 结果显示 渗滤净化技术对污染物降解系数的提高影 响最大 关键词河流污染物降解系数曝气充氧人工水力循环渗滤净化技术 中图分类号X522文献标识码A文章编号1673 9108 2014 03 0917 07 Comparison of effects of different treatment technologies on degradation coefficient of river pollutants Wang YayuLiu ChenggangHuang TianyinWu Wei School of Environmental Science and Engineering Suzhou University of Science and Technology Suzhou 215011 China AbstractUsing Suzhou Guandu iver as the research background and simulated watercourse as the study method we mainly explored the effects of the aeration artificial hydraulic circulating and infiltration purification technology on degradation coefficient of COD and NH3 N in polluted rivers This experiment demonstrated that under natural circumstances of river detention the watercourse had self purification capacity without external pol lution It was found that these three treatment technologies increased kCODby 34 3 47 8 57 8 and in creased kNH3 Nby 8 35 15 4 52 8 respectively In addition the experimental results showed that infiltra tion purification technology had the best effect on the improvement of degradation coefficient of river pollutants Key wordsriver degradation coefficient of pollutant aeration artificial hydraulic circulating infiltration purification technology 基金项目 国家科技重大专项水体污染控制与治理 2011ZX07301 003 苏州市科技发展计划项目 SS201107 收稿日期 2012 12 13 修订日期 2013 02 02 作者简介 王雅钰 1988 女 硕士研究生 研究方向 水污染控 制 E mail juzibao 126 com 官渎花园内河位于苏州市姑苏区官渎花园 内 长 350 m 深 0 5 1 5 m 宽 15 20 m 河床 平均比降接近于 0 该河上游为断头浜 下游设 有平板闸门 仅在汛期内河水位较高时开启 全 河段无支流汇入或流出 沿岸仅有小区雨水排 入 由于该河段位于老城区和城中村的交汇处 排水系统混乱造成污染物来源分散且复杂 导致 水质恶化现象严重 自净能力差 河道景观功能 丧失 对 沿 河 居 民 的 正 常 生 活 造 成 了 一 定 的 影响 为了改善当地居民的居住环境 必须对官渎 花园内河进行综合整治 重新恢复该河的生态景 观功能 目前国内外常用的河道水质净化工程技 术有属于物理修复法的人工增氧 底泥疏浚 人工 造流等 化学修复中的化学除藻 混凝沉淀 重金 属固定等以及生物修复中的投菌法 生物膜法 等 1 2 对于官渎内河的水质整治 在选取处理技 术时除了要令水质得到提升 更重要的是提高河 流的纳污能力 恢复对污染物质的自然净化功能 污染物降解系数是对河道净化能力的直接体 现 3 它是指污染物在水体作用下降解速度的快 慢 反映了河道水质污染的变化情况 因此 在整 治过程中 可用污染物降解系数来评价水质的修 环境工程学报第 8 卷 复效果 天然水环境中污染物降解系数受多种自然因素 综合影响 而以往研究大多采用室内模拟法 忽略了 自然因素的影响 一定程度上与真实水体的污染物 降解有差距 本文建立室外模拟河道 模拟官渎内 河在无外源污染和下游闸门关闭的情况下 对污染 水体依次采用曝气复氧 人工水力循环以及渗滤净 化技术 并用污染物降解系数评价 3 种处理技术的 效果 由于本实验在室外环境下进行 因此得出的 污染物降解系数能更好地反映水质变化的真 实情况 1实验装置与方法 1 1实验装置 模拟河道长 6 m 宽 0 6 m 高 0 6 m 坡降约为 0 两端分别为进水区和出水区 各长 0 3 m 中段 为河道主体区 长 5 4 m 在河道主体区分别与进 水区和出水区的连接端都设有高 0 15 m 的挡泥槛 官渎内河驳岸是直立浆砌块石结构 水生生物不宜 栖息 驳岸带对污染物的截留和消减几乎不起作用 因此实验中忽略该部分影响 对模拟河道整体采用 水泥砂浆砌制 模拟河道中底泥层高 0 1 m 河水 层高 0 3 m 实 验 中 的 底 泥 和 用 水 均 取 自 官 渎内河 1 2实验水质 通过对官渎花园内河长期监测 各水质指标均 值为 COD 125 mg L NH3 N 18 1 mg L TN 23 6 mg L TP 1 9 mg L SS 38 2 mg L DO 0 4 mg L 该河属于劣 类水体 1 3实验内容 实验分 3 组进行 第 1 组为渗滤净化实验 第 2 组为曝气复氧实验 第 3 组为人工水力循环实验 每组工况都采取 10 h d 8 00am 6 00pm 的连续 运行方式 每组实验都持续 25 d 定期采样监测 每组实验都设置参照和实验 2 条模拟河道进行对比 实验 对实验河道进行人工修复的同时参照河道不 进行任何处理 参照和实验模拟河道的尺寸 材质 等都相同 每组工况开始前 调整 2 条模拟河道的 初始实验条件使之保持一致 1 3 1渗滤净化对河流污染物降解系数的影响实 验研究 由外部计量泵从实验模拟河道进水区吸水 再 输送至安装在河道旁的渗滤净化装置 滤后出水返 回至河道出水区 该渗滤装置由有机玻璃制成 为 r 0 5 m h 1 8 m 的圆柱体 水流方向为下进上 出 装置中由下往上依次是 0 2 m 集水层 0 3 m 承 托层 该层由 3 个级配鹅卵石 50 30 和 10 mm 构 成 0 5 m 滤料层 该层采用 d 5 mm 的陶粒 陶粒 具有比表面积大 易挂膜 生物相容性好等优点 4 集水层和承托层之间设有穿孔板以均匀布水 渗滤装置流量为 Q 0 36 m3 d 表面负荷 q 1 833 m d 计量泵流量为 30 L h 实验开始前 渗 滤装置已试运行一阶段 待出水水质稳定后认为挂 膜成功 1 3 2曝气复氧对河流污染物降解系数的影响实 验研究 通过外部气泵向位于实验模拟河道中央的曝气 头输送空气来进行复氧 其中曝气头布置间距为 1 2 m 实验期间 实验河道内的 DO 浓度维持在 6 8 mg L 并在实验过程中增加 DO 监测点 防止曝 气不均匀的现象产生 1 3 3人工水力循环对河流污染物降解系数的影 响实验研究 通过外部水泵的传送作用使得实验模拟河道一 端进水一端出水 实现水体的内部循环 增加河道内 流速 并在进水端和出水端都设置了 1 cm 1 cm 的正方形网格布水格栅 起到均匀布水的作用 也可 有效防止紊流现象和滞留水区的产生 流速按照生 态流速以及不淤流速取 16 m h 通过转子流量计将 水泵流量调节为 2 900 L h 1 4分析项目及方法 COD 重铬酸钾法 NH3 N 纳氏试剂法 DO 德 国 WTW 溶氧仪 PH YSIpH100 便携式 pH 计 浊 度 哈希便携式浊度仪 2结果与讨论 2 1污染物降解系数的计算 COD NH3 N 可作为衡量河道有机物污染的主 要指标 5 因此本文重点针对 COD NH 3 N 来分析 河道污染情况和净化规律 许多研究 6 8 证实 对 于紊动性和过流断面较小的河流 水体中 COD 和 NH3 N 的降解过程符合一级动力学反应 即 C t kC 1 819 第 3 期王雅钰等 不同处理技术对河流污染物降解系数影响的比较 式中 C 为某污染物的浓度 mg L k 为污染物降 解系数 t 为反应时间 d 将式 1 两边同时积分 lnCt kt lnC0 2 式中 C0为某污染物的初始浓度 mg L Ct 为 t 时 刻某污染物的浓度 mg L k 为污染物降解系数 t 为反应时间 d 式 2 中 截距 lnC0已知 将 lnCt与 t 作线性回 归分析 斜率值 k 即为污染物降解系数 2 23 种处理技术对 COD 降解系数的影响比较 当河流受纳一定的污染物后 通过一系列的物 理 化学 生物作用 污染物的浓度和毒性逐渐降 低 9 11 图 1 图 3 表明 在自然状态下参照组的 COD 浓度会发生一定衰减 胡洪营等 1 和郭儒等 5 指出 微生物在影响河 流污染物降解上扮演着至关重要的角色 渗滤净化 装置是利用生物膜技术强化微生物的降解作用以达 到修复水体的目的 生物膜上附着生长的微生物通 过自身新陈代谢活动来完成对河水中含 C 有机物 的吸附和降解 从图 1 中可看出 加设渗滤装置的 实验组 COD 浓度下降情况要好于对照组 并且去除 效率也较稳定 图 1渗滤净化实验参照组和实验组 COD 变化情况对比 Fig 1Comparison of COD changes in reference and experimental group in infiltration purification experiment DO 是评价河流水体自净能力的重要指标 12 它直接影响异养菌对水中污染物的降解 异养菌能 将污染物质降解成稳定无毒的小分子无机物 如 CO2 H2O 或是同化成自身组成物质 由于对营养 和溶氧的要求较高 溶解氧 营养物质含量过低都不 利于异养菌的生命活动 而充足的溶氧氛围也能有 效抑制底泥对上覆水体的二次污染 图 2 表明 在 实验前期水体有机污染负荷较高且溶氧充足 大大 促进了异养菌对有机物的吸收和转化 因此实验河 道的 COD 浓度下降明显 从第 18 天开始 COD 变 化趋于平稳 推测原因是虽然 DO 充足 但是后期水 体处于贫营养环境 异养菌生长受到限制 因此有机 物的去除效率也降低了 图 2曝气实验参照组和实验组 COD 变化情况对比 Fig 2Comparison of COD changes in reference and experimental group in aeration experiment 图 3人工水力循环实验参照组和 实验组 COD 变化情况对比 Fig 3Comparison of COD changes in reference and experimental group in artificial hydraulic circulating experiment 许多研究 2 13 14 表明 流速与水体中 COD 的变 化情况有着密切的关系 水流速度减小 COD 的降 解能力也随之减弱 从图 3 中也可以看出 水体流 动性的增加有助于 COD 的去除 水体流动可以完 成对污染物质的迁移 也会加强水面与水体内部氧 气的扩散和运输 在实验阶段的第 10 天 COD 浓度 突然增加 原因可能是由于水力扰动造成了部分底 泥上浮 因此 在恢复河流流动性的同时要考虑水 流紊动致底泥悬浮的可能性 通过线性回归得到 3 组对比实验 lnCOD 与 t 的 线性方程 斜率 k 即为 kCOD 见表 1 919 环境工程学报第 8 卷 表 13 种处理技术 kCOD比较 r2 为线性方程的相关系数 Table 1Comparison of three treatment technologies kCOD r2is the related coefficient of the linear equation 项 目 曝气复氧实验人工水力循环条件实验渗滤净化实验 r2kr2kr2k k背 COD 0 96680 03620 90620 03560 99250 0516 k实 COD 0 82880 04860 83030 05260 96170 0814 COD 34 3 47 8 57 8 注 括号中符号表示 值的正负情况 污染物的降解系数 k 与河流的水文情况 温 度 降水 光照等因素有关 因此 将 3 组实验中 参照模拟河道的污染物降解系数视为降解系数的 背景值 利用实验模拟河道的降解系数与背景值 相比较 既可消除水体自净的干扰 也可抵消上述 自然因素的影响 用变化率 来表示两者的比 较情况 k实 k背 k背 100 3 式中 k背为参照模拟河道污染物的降解系数 k 实为 实验模拟河道污染物的降解系数 为污染物降解 系数的变化率 从表 1 中 3 组实验的 k背 COD 看出 在无外来 污染源且河水滞留的天然情况下 河道拥有自我 净化含 C 有机物的能力 3 组实验 COD都为正数 说明这 3 种技术都有助于河流中含 C 有机物的去 除 而 渗 COD 水 COD 曝 COD 消除水体自净 和外界影响后 使用渗滤生物膜技术对提高 COD 降解系数的效果最好 原因主要是在实验后期渗 滤装置仍然保持着对 COD 较高的去除率 而曝气 组和人工水力循环组 COD 后期变化平缓 底物浓 度是限制微生物生长的因子 实验后期河道中基 质浓度较低 异养微生物生长受到限制 去除污染 物的能力也随之下降 由于渗滤装置是下部进水 上部出水 装置中的有机负荷也是由下往上逐渐 减小 底部环境适宜对营养物质要求较高的异养 微生物生存 而一些贫营养微生物则在顶部聚集 渗滤装置中丰富的生物相能大大改善后期含 C 有 机物去除率降低的现象 2 33 种处理技术对 NH3 N 降解系数的影响比较 从图 4 中看出 加设渗滤装置的实验组 NH3 N 去除效果好于对照组 这主要归功于装置中脱氮 微生物的强化 附着在填料上的生物膜能保留像 氨氧化菌 亚硝酸盐氧化菌等世代时间较长的硝 化菌 这些微生物表面带有负电荷 可以吸附水 中的 NH 4 N 通过硝化反应将其转化为 NO 3 N 这样微生物表面又重新带有负电荷 继续吸附 NH 4 N 15 延长了装置的利用周期 高 pH 环境 适合氨氮的去除 渗滤介质陶粒能补充氨氮转化 过程消耗的碱度 缓冲了 pH 环境 渗滤装置尾部 的扬水曝气和装置内部的淹水环境也为 N 的脱除 有利条件 图 4渗滤净化实验参照组和实验组 NH 3 N 变化情况对比 Fig 4Comparison of NH3 N changes in reference and experimental group in infiltration purification experiment 曝气作用令底部沉积物表层 Eh 氧化还原电 位 增加 形成的好氧层与底部沉积物构成好氧 缺 氧 厌氧反应体系 利于含 N 污染物由硝化 反硝化 反应脱离河道系统 16 图 5 和表 2 反映对照组 NH3 N 降解系数不低 原因在于实验进行时水温为 29 4 30 8 pH 值在 7 4 8 6 间变化 研究表 明 较高的水温和 pH 促使液相中非离子态氨 NH 4 N 向游离态氨 NH3 N FA 转化 让氨氮以气体氨的 形式挥发 图 6 中 2 组河道的 pH 变化情况显示 NH3 N 也发生了硝化反应 硝化过程产生的 H 会 中和 HCO 3 和 CO2 造成 pH 不断降低 式 3 计算 出 曝 NH3 N 8 35 由于曝气作用 CO2被吹脱 实 029 第 3 期王雅钰等 不同处理技术对河流污染物降解系数影响的比较 表 23 种处理技术的 kNH 3 N比较 r 2 为线性方程的相关系数 Table 2Comparison of three treatment technologies kNH3 N r2is the related coefficient of the linear equation 项 目 曝气复氧实验人工水力循环条件实验渗滤净化实验 r2kr2kr2k k背 NH3 N 0 90010 11970 92220 11550 93860 0890 k实 NH3 N 0 95080 12970 95040 13330 96730 1360 NH3 N 8 35 15 4 52 8 注 括号中符号表示 值的正负情况 图 5曝气实验参照组和实验组 NH 3 N 变化情况对比 Fig 5Comparison of NH3 N changes in reference and experimental group in aeration experiment 验组 pH 8 0 高于参照组 较高的 pH 有利于 FA 的生成 提高了以 FA 为底物的氨氧化细菌活性 加 快氨氧化的反应速率 6 增加水体流动性既强化了水体复氧 也加快了 氧气向下传递的速度 提高泥水界面的脱氮效率 图 7 显示实验前中期实验组 NH3 N 浓度和浊度都 高于参照组 这是因为水力扰动造成了部分底泥上 浮 从第 14 天实验组浊度开始下降 这与图 8 中 2 组 NH3 N 浓度重合的时间点吻合 水体中出现的 大量悬浮颗粒可以对 NH3 N 进行吸附 16 而水动 力作用加速了悬浮颗粒物间的絮凝 待颗粒物凝聚 成较大粒径后下沉 NH3 N 也随之从水体中去除 由于水体缺乏流动 在实验后期对照组水面长满了 图 6曝气实验组和参照组 pH 随 NH 3 N 的变化情况 Fig 6Situation of pH with the change of NH3 N in reference and experimental group in aeration experiment 129 环境工程学报第 8 卷 图 7人工水力循环实验参照组和实验组浊度的变化规律 Fig 7Change regulation of turbidity in reference and experimental group in artificial hydraulic circulating experiment 图 8人工水力循环实验参照组和 实验组 NH3 N 变化情况对比 Fig 8Comparison of NH3 N changes in reference and experimental group in artificial hydraulic circulating experiment 浮萍植物 严重影响了水面复氧 也使悬浮颗粒物有 不断增加的趋势 因此 人工水力循环在实验后期 对 NH3 N 降解系数的提高作用比较明显 表 2 中 3 组实验的 k背 NH3 N 表明在无外源污染 且河水滞留的天然情况下河道能自我净化 NH3 N 3 组实验的 NH3 N 都为正数说明 这 3 种污染河水 处理技术都有利于 NH3 N 去除 对 3 组 NH3 N 进 行比较 发现 渗 NH3 N 最高 研究表明 氨氮的去除 主要依靠微生物 氨氮浓度与氨氧化菌 亚硝酸盐氧 化菌等脱氮微生物的数量密切相关 渗滤净化装置 中填料的高比表面积带来的高浓度生物膜为这些微 生物创造了适宜的生长环境 并且渗滤介质还可以 截留河水中的微生物 获得一部分外来微生物量 因此 拥有高微生物量的渗滤净化装置对 NH3 N 的 降解效果要好于曝气组和人工水力循环组 在实验 中还发现与其他 2 种技术相比 渗滤生物膜技术去 除效果更为稳定且不产生二次污染 可持续时间长 3结论 1 在运用不同处理技术改善河道水质的比较 实验中发现渗滤净化技术对 COD NH3 N 降解速度 的提升作用最为明显 能较大程度增强水体的纳污 能力 并且无二次污染 持续时间长 因此类似实验 原型官渎花园内河的中小型受污河道整治工程 建 议采用渗滤生物膜净化等河流旁路处理技术为主 曝气复氧 人工造流 生态修复等作为配套 技 术使用 2 渗滤净化技术的关键在于集中凸显出了微 生物的净化机制 实验结果显示 微生物的净化作用 对提高污染物衰减系数的影响最大 说明微生物在 水体污染物的迁移与转化过程中发挥了极为重要的 作用 3 实验表明 在无外源污染的天然情况下 河 道具有一定的自我净化能力 因此 在对原型 官 渎花园内河的整治问题上 必须减少外源污染的影 响 对上游采取截污措施 参 考 文 献 1 胡洪营 何苗 朱铭捷 等 污染河流水质净化与生态修 复技术及其集成化策略 给水排水 2005 31 4 1 9 Hu H Y He M Zhu M J et al Technology and inte grative strategy of purification of polluted river water and ecological rehabilitation Water and Wastewater Engineer ing 2005 31 4 1 9 in Chinese 2 卢萃云 庞志华 林方敏 等 曝气充氧和人工造流技术 修 复 河 道 污 染 水 体 环 境 工 程 学 报 2012 6 4 1135 1141 Lu C Y Pang Z H Lin F M et al Aeration and artifi cial streaming technology for remediation of polluted river water Chinese Journal of Environmental Engineering 2012 6 4 1135 1141 in Chinese 3 陈炎 孟西林 袁彩凤 等 淮河流域多闸坝河流 COD 综 合衰减系数测算 重庆环境科学 2002 24 3 83 85 Chen Y Meng X L Yuan C F et al Calculating the fall coefficient of COD in rivers which have many dams En vironmental Science of Chongqing 2002 24 3 83 85 in Chinese 4 邱珊 陶粒性能指标评价体系建立及净水效能研究 哈 229 第 3 期王雅钰等 不同处理技术对河流污染物降解系数影响的比较 尔滨 哈尔滨工业大学硕士学位论文 2006 Qiu S esearch of the evaluation systems of ceramics ca pability and purification efficiency in water treatment Har bin Master s Degree Thesis of Harbin University of Indus try 2006 in Chinese 5 郭儒 李宇斌 富国 河流中污染物衰减系数影响因素分 析 气象与环境学报 2008 24 1 56 59 Guo Li Y B Fu G Controlling factors of degradation coefficient on organic pollutant in river Journal of Meteor ology and Environment 2008 24 1 56 59 in Chinese 6 张学青 杨志峰 夏星辉 黄河水体硝化过程的模拟实验 研究 环境化学 2005 24 3 245 249 Zhang X Q Yang Z F Xia X H An experimental study on nitrification in natural water of the Yellow iver China Envi ronmental Chemistry 2005 24 3 245 249 in Chinese 7 王有乐 周智芳 王立京 等 黄河兰州段氨氮降解系数 的测定 兰州理工大学学报 2006 32 5 72 74 Wang Y L Zhou Z F Wang L J et al Test on degra dation coefficient of ammonia nitrogen in Yellow iver adja cent to Lanzhou Journal of Lanzhou University of Technol ogy 2006 32 5 72 74 in Chinese 8 周颖 海河水环境容量及水污染控制规划研究 天津 天 津大学硕士学位论文 2003 Zhou Y Study on water environmental capacity of Hai He iver and control planning of water pollution Tianjin Mas ter s Degree Thesis of Tianjin University 2003 in Chi nese 9 Frimmel F H Strategies of maintaining the natural purifica tion potential of rivers and lakes Environmental Science Pollution esearch 2003 10 4 251 255 10 Vagnetti Miana P Fabris M et al Self purification ability of a resurgence stream Chemosphere 2003 52 10 1781 1795 11 杨丽蓉 陈利顶 孙然好 河道生态系统特征及其自净 化能力研究现状与发展 生态学报 2009 29 9 5066 5075 Yang L Chen L D Sun H iver ecosystems and their self purification capability esearch status and chal lenges Acta Ecologica Sinic