陕西省土地工程建设集团 黄河西岸土地整治分公司 陕西西安 710075
摘要：河流水质污染是我国突出的环境问题之一，生态河道技术具有处理量大、处理效果好、处理费用低以及良好的生态效应等优点，在河流治理方面有很好的发展前景。通过分析砾石接触氧化法和生态河道技术的特点，将处理生活污水的砾石接触氧化法引入到生态河道技术中，通过模拟自然河流的蜿蜒和阶梯流形态改善生态河道的构型，能够增加水体中的溶解氧浓度、增加水力停留时间，并构造交替出现的好氧、缺氧区，能够强化净化效果，强化河流生态系统的自我恢复能力，有助于实施山水林田湖共同体的生态修复。
关键字：砾石接触氧化法；河流治理；生态河道；河道构型
Application of Gravel Contact Oxidation Method on Ecological River
LUO Ming
(Yellow River West Bank Land Consolidation Branch of Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group，Xi'an, Shaanxi Province，710075, China）
Abstract：River water pollution is one of the prominent environmental issues in China. The ecological river technology has the advantages of large treating capacity, good treatment effect, low treating cost and good ecological effect, and it has a good development prospect in river management. Based on analysing the characteristics, the gravel contact oxidation method for the treatment of domestic sewage can be introduced into the ecological river technology. By simulating the meandering and stepped flow patterns of natural rivers, it is possible to increase the dissolved oxygen concentration and hydraulic retention time in the river. The structure of alternating aerobic and anoxic zone can strengthen the purification effect and self-restoration ability, and restore the damaged river ecosystem. It can be contributed to restoring the ecosystem of orderly ecological system for mountains, rivers, forest, farmland and lakes.
Key words：Gravel contact oxidation method; River management; Ecological river; River structure
0引言
目前，我国对生活污水的治理研究较为广泛，相对于传统活性污泥法来说，生物接触氧化法也具有一定的优势，因此得到越来越多的关注和研究。同时，我国河流污染严重，河流水质恶化，使我国水资源短缺的状况更加严重，需要加快对河流污染治理的研究。目前对河流污染治理的研究比较少，生物接触氧化法投资小、运行成本低、处理效果好，可以将生物接触氧化法的处理技术应用于河流治理。
1 砾石接触氧化法
1.1 生物接触氧化法
生物接触氧化法最早始于20世纪60年代，是生物滤池与活性污泥的组合工艺，微生物在填料表面生长，污水从填料表面流过,在填料表面会逐渐生长生物膜，这种生物膜对于污水中的污染物质具有吸附、代谢的功能,从而使出水得到净化[1]。
生物接触氧化法一般采用的是固定式填料方式和悬挂式填料方式，填充材料一般为聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等特制塑料或树脂制成。生物接触氧化法相对于传统的活性污泥法和生物滤池、生物转盘法等[2, 3]，其优势有以下几点：首先，生物接触氧化法的处理效率高，它的填料具有更大的比表面积，在处理相同水量的同时，水力停留时间短，场地占用面积小。其次，生物接触氧化法冲击负荷能力强，污泥产量少，在操作过程中一般不会产生污泥膨胀，因此不需要污泥回流装置。第三，生物接触氧化法的氧利用率高，动力消耗低，比活性污泥法的氧利用率高3-8倍。第四，生物接触氧化法的工艺操作简单，维护方便，可间歇运行，且运行费用低，综合能耗低。因此，生物接触氧化法对于处理微污染水源具有很大优势。[4]。
1.2 砾石接触氧化法
砾石接触氧化法是生物接触氧化法的一种，只是将其中填料用砾石代替 [5]。目前，对砾石接触氧化法应用于生活污水处理一般的工艺流程为：初沉池—接触氧化池—后续处理单元，接触氧化池可设置曝气设备，形成好氧或厌氧池[6][3]。通过研究发现，砾石接触氧化法对生活污水水质具有一定的抗冲击负荷能力，且处理后的出水SS可保持在10 mg•L-1 以下，COD 可保持在50 mg•L-1以下，氨氮可保持在10 mg•L-1以下[7-9]。
砾石接触氧化法除了具有生物接触氧化法的优点之外，由于采用的填料是砾石、沸石等天然材料，砾石表面更容易挂膜，且生物膜生长到适当厚度会自然脱落；砾石球之间形成的空间较大，不易堵塞；此外，砾石的比重较大，一般不随水漂流，坚固性强，经久耐用。[10]
2 生态河道技术
针对河流的污染，目前国内外的治理方法主要有物理法、化学法、生态法。物理法是通过底泥疏浚、引水换水、水动力循环等方法达到河流水质恢复的目的；化学法通过添加一些化学药剂，包括混凝沉淀、化学杀藻和加药气浮等方法除去其中的污染物质；而生态法是近些年来发展起来的技术，与其他相比，生态法处理成本较低，对环境影响小，不仅能够恢复河流水质，并能够在一定程度上修复受污染河道的生态系统，使河流生态系统趋于稳定，是接近自然生态的一种河流治理方法。生态法一般是利用特定微生物或植物对水体污染物的吸收、转化或降解，减少或消除水体污染的方法，包括水生植物修复、微生物净化以及人工湿地等方法[11]；近几年新兴发展起来的生态-水工法则是通过构建生态河道、生态护岸或水工建筑物等方式，人工加强河流去除污染物的能力，来达到恢复河流水质的目的[12]。其中，生态河道是生态水工法的主要方法，生态河道修复技术是人为的强化或构建具有净化污水、改善水质能力的河道，将自然净化作用与人工强化作用结合的河流治理技术[13, 14]。
生态河道中应用较多的工艺是砾石接触氧化工艺、生物飘带工艺以及排水渠接触氧化工艺等，其中以砾石接触氧化工艺最为常见。此外，生态河道的不同构型，生态护岸等技术也是生态河道研究的主要方面[12, 15, 16]。
3 生态河道中砾石接触氧化法的应用
3.1 污染河流治理与生活污水处理的区别
虽然都是将污染物从水体中去除，但污染河流治理与生活污水处理有不同之处，也造成将生活污水处理工艺应用于河流治理时，需要考虑到这些不同点，进行一些改进。
第一，河流治理的水量大，而生活污水处理量有一定的范围；第二，河流污染物成分不确定，且大多数情况下污染物浓度较生活污水较小，用活性污泥法处理达不到处理浓度，容易引起污泥上浮等问题；第三，河水较生活污水难以收集，生活污水有固定管道进行收集处理，而若将河水引入污水处理厂难度大；第四，对河流治理时还需要考虑河流生态系统的恢复问题，由于河流被污染时，生态系统一般也遭到破坏，所以，除了将河水中污染物去除，还需要尽可能的恢复河流生态系统[17]。
3.2 生态河道中砾石接触氧化法的应用
生态河道法是依据天然河床上附着的生物膜的净化和过滤作用，人工填充滤料或载体，供细菌的生长，形成生物膜，可以有效的去除污染河水中的有机物及氮、磷等物质，进而达到净化河水的作用[18-20]。而生态河道中用到最多的填料就是各种天然的砾石、砂子、沸石等自然生态填料，利用这些材料时不需要更多的消耗能源，而且用于生态河道铺设生态河床时，最后不用考虑回收及对环境产生污染等问题。在由这些生态河床材料上，既可以生长对水体生态修复有重要作用的生物膜，也可生长大型的水生植物。
3.2.1 生态河道的构建方法
生态河道治理污染河流的方法，具体为利用砾石接触氧化法构建生态护岸和生态河床，在河道浅滩处或河床内填充滤料，利用河道内已存在的底泥微生物或接种微生物，在滤料表面形成生物膜，通过滤料的截留、过滤、吸附作用，生物膜的降解作用，使污水得到净化的过程。更进一步的恢复河流生态系统，可以在河道旁种植植物，强化河流内的微生态环境的形成，使河流生态系统能在一定程度上得到恢复。构建生态河床，可以防止河床被冲刷维持河床稳定以及底泥污染物向水体释放的作用，还能增加空隙率和湖底的比表面积，有利于恢复河道的自净能力及生态系统[21-23]。还可以与生态护岸相结合，营造水体景观，构成完整的河流生态系统，形成保护与发展良性循环的体系。
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3.2.2 生态河道填料选择
在构建生态河道时，需选择能够对污水净化效果最好的填料或填料组合。一般用于生态河道的填料包括沸石、砂子、砾石（包括粗砾石和细砾石）、块石、碎石等，在进行选择时需要考虑填料的粒径、比表面积、吸附特性、挂膜性质等，另外还要考虑到河流的冲刷性、连续性等要求[24]。
已经有研究表明，沸石、砂子、砾石等填料对废水中的氮、磷均有吸附作用，砾石河床要比一般的土壤河床对污染物有更好的去除效果。其中沸石和砾石的吸附能力较强，而碎石由于比块石粒径小有更大的比表面积，去污能力更强。沸石、砾石、碎石等填料的挂膜性质相似，这些填料对污染物的去除效果的不同主要取决于粒径和吸附性质，因为粒径决定填料的比表面积，进而确定填料上的生物膜面积。通常生态河道的填料选择组合式填料，如果选择单一填料，粒径单一，若粒径较大，则孔隙率过大，造成比表面积很小，生物膜面积很小，若粒径较小，则孔隙率过小，流速稍大即易被冲走，难以形成稳定的滤料层。因此采用一定比例的不同填料可以避免这一问题。
3.2.3 生态河道形态构建
在用生物接触氧化法处理生活污水时，通常在接触氧化池需要进行曝气，以保证污水中的有机物能够充分的进行好氧消化作用。在生态河道的案例中也有一些设置了曝气设备，但曝气设备需要消耗一定能耗，需要一定的人员进行管理和维护，同时也影响河道原有的生态系统和河道的景观性，因此较少使用。
生态河道的充氧一般充分利用河道的构型进行设置，即充分利用河道的水力学特性进行跌水增氧，修筑水工建筑物增加跌水高度和加强水体紊流提高溶解氧[25, 26]。主要方法是修筑水工泄水建筑物复氧、溢流坝面加糙复氧、接触氧化透水堤复氧以及跌水曝气充氧[27-29]。虽然修筑水工建筑物能在一定程度上提高水中溶解氧浓度，但水工建筑物将河道阻截成独立的一段一段相对静止的“人工湖”，造成河流的不连续化，[30]对整个河流生态系统内生物的生长和多样性造成影响。
目前已经有研究表明，自然河流的蜿蜒形态和阶梯深潭-浅滩构型能够提高河水中的溶解氧浓度[21]。如果将自然河流的蜿蜒形态和阶梯深潭-浅滩构型[31]，与生态河道技术结合，构建蜿蜒复式断面湿地型生态河道和阶梯深潭-浅滩生态河道两种构型，能提高生态河道净污效果的同时，最大限度的恢复河流生态系统的功能[22, 32]。
从理论层面上，蜿蜒河道与直线型河道相比，降低了河道的坡降，从而减少了河道流速以及泥沙输移能力。同时，蜿蜒河道更有利于河流形成主流、支流、河湾、沼泽、激流和浅滩等丰富多样的生态环境，可以增加栖息地的质量和数量[23]。除此之外，蜿蜒河道能够增加河水的停留时间，增加河流复氧和污染物去除的时间，可以以获得更好的恢复效果[33]。另一方面，自然的阶梯深潭-浅滩系统存在强紊流[31]，而且内部的温度和氧气分布不均匀，水体内存在不同流速、不同深浅的区域，复氧能力强，且在水体中的好氧、厌氧区域交替出现，更有利于氮的去除[34]。
根据以上研究，可以将生态河道的填料按照自然河流的形态进行构建，形成一种近自然生态河道，不仅能够对污染物进行去除，还能够恢复河流生态系统，形成具有观赏价值和生态价值的河流，是最优的一种生态河道构建方式。
4 总结
砾石接触氧化法是利用天然砾石作为填料的一种生物接触氧化法，它相对于传统的污水处理方法具有一定的优势，能够很好的去除水中的COD和氮、磷等污染物，且材料为天然生态材料，对环境和生态系统的污染较少，因此适用于河道治理的生态河道法。并且通过拟自然蜿蜒形态和阶梯深潭-浅滩生态河道构型设计，可以强化生物接触氧化法的处理效果，无需额外增加曝气设备，强化河流的生态恢复能力，能够最大限度的恢复受到破坏的河流生态系统。
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作者简介：
罗鸣（1989-），女，硕士，环境工程专业，主要从事水处理、生态修复等方面的研究及工作。
论文作者:罗鸣,王怡晗,周小飞
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/24
标签：河道论文; 河流论文; 生态论文; 砾石论文; 生物论文; 填料论文; 水体论文; 《基层建设》2017年第31期论文;