生态砾石床（砾间接触氧化）技术的研究

生态砾石床（砾间接触氧化）技术的研究

金鑫

中节能铁汉生态环境股份有限公司广东省深圳市518040

摘要：生态砾石床（砾间接触氧化）作为一种新型的微污染水质生态净化技术，在日本和台湾已大范围应用并取得了良好的水质净化效果，为河川水质净化生态技术的大家庭又添一员得力干将。随着国家对污水治理和水生态修复越来越重视，寻求与生态相融合的水治理技术已越来越迫切，生态砾石床技术作为较少数可直接或间接设置于河道、河岸滩地以及地下的水处理技术，开发其作为部分微污染农村生活污水及河道的治理主线工艺，具有重大实际意义。

关键词：生态砾石床；污水治理；水生态修复

引言

生态砾石床技术是一种利用天然砾石作为接触填料，利用砾石槽作为容器来模拟自然河道中跌水及冲刷作用的强化自然生态净化水质过程，可通过接触沉淀、吸附、生物降解等多重作用有效去除污水中的BOD5、SS、氨氮、总磷。开发生态砾石床技术的本意是通过此项技术，可直接改善弱污染河川水质，此项技术起源在日本。经国内外多年实践表明，该技术既适用于弱污染的河川水质的直接净化，也可作为污水处理工程的尾端净化技术。特别是在国外和台湾侧重应用于污染程度不高的污水处理工程，而且生态砾石床技术还可直接建设于河内和岸边，对排入河内的合流制管道污水直接进行就地处理。在台湾，仅用于处理支流排水的生态砾石床工程已建成了20余座，既可解决河川的污染问题，使河道恢复其主要功能（如航运、泄洪等），还可杜绝因兴建管网带来的大量投资浪费。

1、净化机制

生态砾石床的特点是由于砾石填料孔隙间存在的孔隙比适中，沉降点距离又比较短，砾石面隙间能自然形成一些相对比较连续且畅通的孔隙水流通道，当水流通过这些孔隙时，水中所夹带的大量固体悬浮物会因沉淀、物理拦截、水动力作用等原因发生直接氧化运动从而降落沉淀至砾石表面。水中含有部分可溶性有机活性物质通过水分子与天然砾石表面微生物形成有机接触，因砾石表面带电性能好的缘故，水中的大量有机活态物质可以有效吸附或沉淀于砾石表面形成生物膜。生长并着附于砾石表面的生物膜，会迅速地氧化吸收和分解所吸附的污染物质，并在生物膜表面形成好氧环境，在生物膜内部形成厌氧环境，通过此两个不同的生物环境，分别进行硝化作用和反硝化作用，进而去除污染物中的氮；通过土壤和砾石自带的吸附效果，以及砾石表面生产的藻类的生物作用，可实现磷的去除。

2、对生态砾石床的处理速率影响较大的参数

（1）理化参数

对于生态砾石床工艺而言，砾石与生物膜构成的微生物环境在在整个水处理过程中起着举足轻重的作用，因此，良好的微生物环境是系统稳定运行的基石。温度和溶解氧是两个对微生物环境中微生物的生长和代谢活动影响最大的理化参数。首先，微生物的繁殖速度主要取决于微生物环境的温度，温度太低，大大降低了微生物的繁殖速率，阻碍了砾石表面微生物环境的形成，进而可能导致整个净化系统崩溃。梁建祺在低温状态的下的试验表明，反应区温度的高低可显著影响脱氮除磷的效果,当反应温度低于12℃时,去除效果也随之变差。其次，水体中溶解氧的量是否充足，是衡量微生物环境是否充分且良好生长的必要条件。众所周知，微生物水质净化过程，实际上是通过微生物环境的微生物，消耗分解水体中溶解氧，来消耗分解水体中所受到的有机物质污染，同时会降低水体中的溶解氧浓度，使水体呈现缺氧状态。根据国内外实际应用所得的经验，对于溶解氧小于5mg/L的水体，如直接采用生态砾石床技术，将很难达到净化效果。因此，在此经验基础上，为了此项技术能处理污染浓度较高的水体，经过各种类型和体量的河道模拟试验及近些年实际工程运行和维护经验，将穿孔曝气管均匀的铺设在砾石槽底部，通过风机的强制送风，定期定量的向水体输送空气，从而增大水体的溶解氧，进而提升微生物的繁殖速率。水体中污染因子的去除率受曝气量影响依次为氨氮>BOD>SS。在日本过去操作经验中，不曝气和曝气的生态砾石床BOD平均去除率分别为20~70％和50~80％。

（2）设计参数

①接触填料：一般分为天然石料类和人工合成类，由于工程造价的原因，目前，大多采用容易取得且价格便宜的天然石材，实际中应用较多且效果较好的是尺寸适中且大小一致的圆形卵石、火山岩和石英砂等；

②填料填充率：砾石槽内接触填料的容积与砾石槽的有效容积的比值称之为填充率，通过实验数据，有效填充率设置为55%时，可最大限度的提高水力传导率，减少布水断面，进而方便水流通过，并避免砾石床的堵塞；

③污泥储存与排除：砾石槽内由于微生物的代谢死亡、无机颗粒胶体的沉积，会产生污泥，为避免堵塞填料并保证砾石槽的有效处理空间，采用曝气排泥的方式将污泥扬起至后段污泥储存槽，污泥堆积天数常选择6个月或3个月；

④曝气系统：砾石槽系统前段为曝气区，后段为非曝气区。前段溶解氧充足，微生物发生硝化反应，降解有机物，继而进入非曝气区发生反硝化作用，同时在非曝气区补充反硝化所需要碳源。因为反硝化速率较慢，因此适当增加非曝气区容积能够使反硝化作用更充分，系统处理效果更显著；

（3）水力参数

①水力停留时间（HRT=V/Q）。水力停留时间为污水与砾石槽内微生物的反应时间，一般用来衡量流量。根据实际操作经验，水力停留时间越长，反应时间就越长，BOD的去除率也就约高，且两者呈对数关系，公式（0.65-R）=0.4965•exp（-0.026t），其中R为去除率（%），t为接触时间（分）。其中孔隙比与砾石槽的设计有效水深，都与砾石槽的有效容积积（V）有直接的关联性，孔隙率通过设计选定，水深取决于实际运行。设计中槽体流况一般按照均匀流进行设计，且槽体孔隙率一般取最佳比率55%，这样就能演算得到砾石槽的理论水力停留时间。根据实际操作经验，水力停留时间越长，污染物去除率便越高，高桥定雄指出在生态砾石床中随着水力停留时间的增加，BOD的降解效果越来越好，水力停留时间为1h，BOD去除率约为70％，1.2h去除率约为75％，水力停留时间延长至2h，去除率约为80％。

②水力负荷（HLR）。水力负荷的大小能从侧面反映砾石槽内微生物降解污染物质的平均反映时间。按照常理推断，水力负荷越大越有利，但一旦过高，砾石槽内流速增大，强大的水力冲刷会造成挂膜的微生物脱落流失，反而降低处理性能。稻森悠平进行河道模拟污染河水变化，观察生物膜在不同流速下的附着、剥离情形，流速低曝气能力亦低，当流速超过10cm/s时，生物膜易于剥离。

在实际应用中，生态砾石床工艺需要设置预处理设施（水平流沉砂池、粗格栅、进流扬水井、进水井、细格栅）、过水设施（泵取水或堰取水）、砾石槽（根据各项设计参数优化设计，槽内包含生物区和污泥区）和排放设施（包括二次曝气系统、排放灌渠等）。

结语

综上所述，生态砾石床工艺，具有处理效果好、适应性强、占地少、能耗低、运行维护简便、无臭味、污泥量少、建设周期短、见效快、生态性高和低碳性等优点。尽管我国近年相继引进并开展了相关方面的研究，也取得了大量理论成果，且生态砾石床技术也逐渐开始被广泛的应用于各种大中型城市河道清淤疏浚和治理过程以及污水项目工程中，但对于该系列工艺技术的深入探讨及挖掘该工艺与其他处理工艺互相融汇贯通所带来的处理效果和效益上的增值，仍然有很大的空间。

参考文献

[1]梁建祺, 宁寻安. 生物接触氧化技术在低温条件下脱氮除磷效果试验研究[J]. 环境工程, 2009(S1):4.

[2]葛俊. 砾间接触氧化技术在洱海白鹤溪水质净化中应用研究[D]. 苏州科技学院, 2015.

[3]蒋宇豪, 李敏, 唐明哲,等. 砾间接触氧化/水平潜流人工湿地净化微污染河道水[J]. 中国给水排水, 2021.