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--> --> --> 随着工业的发展和人口的增加，工业废水和生活污水大量排放，加之农业面源污染日趋严重，农村河流水体污染问题也越发严重。在我国农村，96%的生活污水和大部分工业废水未经任何处理就直接排入湖泊、河流等水体[1]，使得大量污染物质进入水体，造成水体污染，形成农村黑臭水体。因此，净化水质，修复黑臭水体，恢复水体功能已成为迫切的环境需求。农村黑臭水体的处理在满足出水水质达标的同时，还应考虑到另外3个方面的影响因素：1)费用问题，采用初期投资以及管理运行费用较低，且能耗低的工艺；2)运行问题，采取的工艺应操作简单，便于管理运行；3)结合实际，应结合当地污水特性以及地形，有针对性的选择适宜的处理工艺。近年来，经济、节能、有效的水体修复技术日益完善。人工湿地技术和塘系统治理技术在净化农村河道水质方面应用也日益广泛[2-4]。云南昆明[5]建立复合垂直上行流人工湿地组合系统有效的处理海河的水质，系统成熟稳定后出水浓度受进水浓度影响小，具有良好的耐负荷冲击性；广东东莞[6]选用了垂直流与水平潜流组合湿地对运河的河道污水净化，COD、BOD5均低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)[7]中一级A标准，达到了深度处理河道污水的目的；徐康宁等[8]采用好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘等不同类型的稳定塘组合形成的高效组合塘来处理石化废水尾水，对COD、氨氮和TP的去除率分别为38%、75%和48%。
有研究[9]发现，稳定塘技术对水体中的悬浮物质及有机物具有良好的去除效果，而人工湿地则能较快去除氮、磷等营养物质[10-13]。将稳定塘置于人工湿地之前，形成稳定塘-人工湿地组合系统，不仅可以实现优势互补，还可缓解人工湿地的堵塞问题。本研究建立了“氧化深塘和潜流湿地”生态组合技术，将深塘曝气技术与人工湿地优化组合后形成塘-湿地复合系统，实现这2种技术的优势互补并加以创新，应用于农村河道水质净化，不仅具有良好的处理效果，还具有占地少、投资低、运行费用小等优点。
1.1. 工程概况
该河道水质净化工程位于秦皇岛市卢龙县南部农村的龙凤河，河流发源于杨家坨上游，流向主要沿着津秦公路，全长约11.5 km。近年来，龙凤河基本无新鲜水补给，沿途秋季红薯加工污水和沿河各企业排污形成为主要污染源，大量的酒精、淀粉废水排入河，致使龙凤河成为排污水沟。龙凤河的水质随季节变化较大，COD变化范围200~700 mg·L-1，氨氮的浓度范围3~20 mg·L-1，水质属劣Ⅴ类，在出境控制断面严重超标。龙凤河水质提升工程属于典型农村河道水质污染治理工程，治理要求以生态修复为主，恢复河流自净能力。结合河道周边实际条件，采用“氧化深塘和潜流湿地”生态组合技术，在龙凤河下游河段建立塘-湿地复合系统。该污水处理工程占地面积53 330 m2，通过建设橡胶坝，对龙凤河进行截流蓄水，直接从龙凤河主河道取水，设计污水处理能力为1.1×104 m3·d-1，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)[7]一级A标准，处理出水重新排入龙凤河。设计进水水质及排放要求如表 1所示。
1.2. 工艺流程
该污水处理工程的工艺流程如图 1所示。污水首先通过机械格栅系统进行预处理，去除其中大的悬浮物，出水经提升泵站流入生态组合氧化深塘，氧化深塘的核心为生化组合单元，是一种曝气兼挂膜的反应器，用作为氧化塘提供氧气的微生物生长的载体，促进生物固定和处理效果，氧化深塘将传统稳定塘的横向水平流优化为纵向分层垂直流的新型生态塘；塘底部往上分别为：厌氧区、兼氧区、好氧区，相当于AAO工艺再串联AO工艺进行水处理，更好地实现了反应器的水力学优化，节约占地，提升污水处理效率。污水经深塘底部进行均匀布水，自下而上通过厌氧区，生化组合单元，进入氧化深塘的缓坡区，缓坡区种植植物，在自然水体净化和人工曝气的作用下，主要去除污水中的COD和氨氮；氧化深塘出水通过管路流入湿地系统，潜流湿地处理系统通过物理沉淀、过滤、化学沉淀、吸附、微生物降解和植物吸收等过程，进一步去除污水中的有机物、悬浮物、氮、磷等污染物，出水进入存储塘深度处理后重新排放至龙凤河。
2.1. 预处理单元
预处理系统主要包括1座橡胶拦水坝、1台机械格栅机和4套不堵塞潜水污水提升泵。橡胶拦水坝宽度30 m，有效高度1.2 m；机械格栅机尺寸为6 m×2 m，栅条间隙5 mm，栅前水深1.0 m，过栅流速0.5~1.0 m·s-1；提升泵流量370 m3·h-1，扬程14 m，由PLC根据泵池水位自动控制4台水泵运行转换顺序。
2.2. 氧化深塘
生态组合氧化深塘采用土池结构，铺HDPE土工膜防渗。氧化深塘占地面积0.53 hm2，有效水深8 m，内部漂浮如图 2所示的生化组合单元。生化组合单元为长方体结构，其尺寸为4 m×4 m×5 m。底部设有曝气装置(配备流量为41.44 m3·min-1，扬程为3 m，功率为37 kW的罗茨风机1台)，上部边框设有浮体，内部填充弹性填料。相邻的生化组合单元之间间距2 m。
生化组合单元结构和在深度方向的布置控制将氧化深塘在深度方向分为多个氧浓度梯度，包括厌氧区、曝气池1区、曝气池2区、曝气池3区。
厌氧区有效水深3 m。采用向上流布水，分16个处理单元，每个单元尺寸18 m×18 m×6 m。每个单元内部放置9组生化组合单元，共计144组，水力停留时间旱季3.10 d，雨季1.56 d。
曝气池1区有效水深2.5 m。采用人工曝气方式充氧，溶解氧控制在0.5~2 mg·L-1。水力停留时间旱季0.94 d，雨季0.47 d，池中安装填料，污泥负荷低于0.1 kg·(kg·d)-1。该区通过人工曝气方法去除污水中大部分有机物(主要是在冬季)、氨氮、病原菌和病毒以及污水臭味，
曝气池2区有效水深1.5 m。水力停留时间旱季为0.73 d，雨季0.37 d。该区同样通过人工曝气充氧方式进一步进行污泥消化和有机物去除。
曝气池3区有效水深1 m。水力停留时间旱季为1.03 d，雨季0.52 d。该区通过大气阜阳方式去除有机物(主要是在夏季)、悬浮物以及病原菌和病毒，并进行污泥消化。
2.3. 潜流湿地
潜流湿地设计处理量为1.1×104 m3·d-1，占地面积2.8 hm2，床深1.1 m，填料深0.8 m，水力负荷为0.4 m3·(m2·d)-1，水力停留时间0.9 d，布水系统和集水系统均选取可调式堰板各8套，湿地种植植物为芦苇。3.1. SS的去除效果
进出水SS的监测数据如图 3所示。从图 3中可以看出，虽然季节变化对出水SS有一定影响，但总体SS去除效果良好，出水能够达到一级A标准。秋冬季节由于气温下降河流中微生物活性下降加之沿河红薯加工污水排放导致进水SS浓度激增，最高可达231 mg·L-1。然而系统出水SS浓度相对稳定，随季节变化影响较小。即使秋冬季节去除率依然能够达到70%以上。这是因为氧化深塘中水位较深，即使在气温较低的秋冬季节中下层水中微生物依然具有较高的活性，其分泌物依然能够有效絮凝沉降污水中细小悬浮颗粒，氧化深塘的设计在保证秋冬季系统持续稳定出水的同时，还能有效降低污水中SS浓度。
3.2. COD的去除效果
系统对污水中COD的去除情况如图 4所示。从图 4中可以看发现，即使进水COD变化范围为200~762 mg·L-1，出水COD依然能够达到50 mg·L-1以下。秋冬季节淀粉制品加工行业活跃。部分企业淀粉加工废水排入河流，导致COD暴增至762 mg·L-1。与同传统黑臭河道治理技术相比，氧化深塘通过厌氧、缺氧、好氧、吸附、沉淀等多种生化和物化过程实现有机物的降解和去除；潜流湿地中，溶解性有机物主要通过细菌和藻类的吸附和利用[14]而得到去除。氧化深塘和潜流湿地组合技术双重去污功效保证即使进水COD超过设计负荷，出水COD依然能够稳定达到一级A出水标准。
3.3. 氨氮的去除效果
氨氮的去除效果如图 5所示。从图 5中可以看出，出水氨氮年平均浓度为1.73 mg·L-1，远高于一级A标准。进水氨氮浓度春夏季节较低，秋冬季节较高，变化范围在1.19~27 mg·L-1。氧化深塘内设计的生化组合单元，将塘划成厌氧区、好氧区、厌氧区、兼氧区、好氧区，多个氧浓度梯度使得各种微生物的有机物降解作用更加充分，并且各种微生物的活性不受季节变化影响。氧化深塘中缓坡区的植物可以吸附吸收氨氮，氧化深塘和潜流湿地内的硝化/反硝化细菌可以将氨氮分解成氮气排入大气[15]，使得出水氨氮年平均去除率达80.80%。
3.4. 总磷的去除效果
系统总磷浓度变化如图 6所示。从图 6可以看出，2—6月，出水总磷浓度能够稳定达到一级A标准；其他月份虽然没有稳定达到一级A标准，但也有明显的去除效果。通过该组合技术，出水总磷浓度有明显的季节性差异。春夏季节，降水较多，河水总磷浓度相对较低；同时，氧化深塘及潜流湿地中微生物活性较高，对总磷的吸收转化能力强。而秋冬季节，气温较低，氧化深塘及潜流湿地中微生物活性较低，影响了对总磷的转化吸收；加之河水水量少，降低了对总磷的稀释作用，导致出水总磷浓度相对偏高。可结合相关药剂的投加，加强对总磷的混凝沉淀，达到去除目标。
4.1. 工程建设投资
工程各部分投资如表 2所示。从表 2可以看出，工程总投资费用仅为1 334.79万元。相比于传统的氧化塘和人工湿地技术应用工程，该工程建设费用较低。原因在于，传统的氧化塘技术是通过好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘等多个稳定塘串联组合达到高效去污效果，而氧化深塘则是将多塘串联的横向水平流华为分层垂直流的单个稳定塘。占地面积小节省了更多的租地费用；另外，单个氧化塘塘体的建筑费用要远远低于多个串联氧化塘组合的建筑费用。4.2. 运行成本
该工程运行费用情况见表 3。从表 3中可以看出，工程运行费用仅为0.23元·t-1，经济优势明显。工程的主要耗电包括机械格栅、提升泵、罗茨风机以及照明用电，总运行功率为80.2 kW，按照每度0.8元计算，吨水平均电耗费用为0.14元·t-1；人工方面，配备格栅间、提升泵房操作人员3人，中心控制室及化验室技术人员2人，设备电器维护人员3人，人员工资按照每月3 000元加福利绩效计算，吨水平均人工费用为0.08元·t-1；仪器检修维护费用主要包括仪器仪表的日常检修维护以及材料的更新等费用，按照每年3万~4万元计算，吨水平均检修维护费用为0.01元·t-1。较高的自动化水平以及简单的人工操作使得该工程的运行成本较之其他水质净化工程更低。4.3. 工程效益
该工程旨在净化龙凤河黑臭水体。通过该工程的实施，不仅提升了河道水质，还解决了黑臭水体的臭味扩散问题，具有良好的环境效益。净化后的达标水体还可用于农田浇灌，对于农作物增收具有重要作用。另外，氧化深塘缓坡区种植美观的水生植物，潜流湿地上种植景观性良好的湿地植物，具有良好的景观效应。2) 运行结果表明，即使在水体污染物含量激增、去污效果较差的秋冬季节，SS、COD和氨氮的处理效果依然能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。该工程解决了出水水质不稳定的问题，对于季节性变化明显的农村河流有良好的处理效果。
3) 该工程运行成本低，吨水成本仅为0.23元·t-1，且自动化水平高，操作简单。
参考文献
