城市黑臭水体的整治应按照“控源截污、内源治理;活水循环、清水补给;水质净化、生态修复”的基本技术路线实施,其中截污纳管是黑臭水体整治最根本的工程措施^[1,2]。但是,在很多城市的黑臭水体整治过程中,沿河截污将没有清污分离的混合水收集进入污水处理厂,导致污水处理厂的进水水质逐渐降低,严重影响了污水处理厂的运行。

受污染河水具有与生活污水不同的特点,受污染河水的明显特点为碳氮比比较低和悬浮态的污染物含量较高^[1]。目前,国内外针对污染河水的处理,采用的方法包括物化法和生物法。物化法中最常用的是絮凝沉淀法^[2],针对河道悬浮态污染物去除具有较好的效果。生物法大多采用生物膜法,主要是因为生物膜在去除受有机物和氨氮污染比较严重的河水具有明显的净化效果^[3],同时具有抗冲击负荷能力强和占地面积小等优势。

磁混凝水体净化技术是将混凝过程与磁分离这一物理分离技术相结合的一种高效的混凝技术^[4]。FBSC工艺(固定床生物海绵填料工艺)是在FBSC生化池内装填一定数量的海绵填料,利用栖附在填料上的生物膜和充分供应的氧气,通过生物氧化作用,将废水中的有机物氧化分解,达到净化目的。本文将磁混凝和FBSC工艺组合,应用于黑臭河道治理中处理受污染的混合排水,通过对工程项目的运行数据分析,为该工艺在黑臭水体治理中的应用提供了实践参考。

琴亭河位于福州市晋安区,属于晋安河支流,全长562 m,宽6.5～8.5 m,因河道长期受居民生活污水、垃圾等污染,河水呈墨绿色,水质偏黑、发臭,根据监测结果,参照《城市黑臭水体整治工作指南》黑臭水体水质标准,琴亭河水质达到轻度黒臭。

琴亭河最大的污染源为上游暗涵,根据现场排查暗涵穿铁路往东北方向,穿过铁路机务段及北侧部分居民区,分析暗涵水源主要为上游铁路和居民排放污水、山泉水及东浦路下雨水管网排出的雨水,由于暗涵下穿铁路,基本全部被覆盖,溯源困难。根据监测,暗涵出水量为8 000～12 000 m³/d。

针对这种大水量、短期内难溯源实现清污分离的暗涵出水,采用磁混凝和FBSC生物膜组合工艺进行分散式处理,处理后的尾水直接补充河道,以改善河道水动力和提高水体流动性。

根据暗涵出水的实测水量,确定分散式处理站规模为12 000 m³/d。

根据2017年3～5月的实测河道水质,同时参考本地区同类项目,并考虑一定的安全余量综合进行确定。本工程运营期内要求河道水质在消除黑臭水体的基础上提升达到地表Ⅴ类水的主要指标。分散式处理站出水参考《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)地表Ⅴ类标准。本工程设计进出水水质见表1。

水质净化站的处理对象基本为受污染的河水,根据水质调研情况及设计进、出水水质指标分析,水质净化厂的主要任务是对COD、BOD₅、SS、氨氮及磷等项目的降解和去除,与传统污水处理厂类似,但相对于市政污水而言其污染物浓度要低很多,COD在70～90 mg/L,氨氮在20～25 mg/L,显示了较低的碳氮比。

COD、BOD₅及氨氮等污染物需要通过生化的技术手段实现降解和去除,工艺选择上需考虑低污染浓度负荷的处理特点,SS和磷主要通过物化作用进行去除。还需要选择适宜在河道边设置的污泥处理工艺和处置方式。同时,要充分考虑河道水质净化站的特点,建设地点多位于已建成的城市中心城区,可用地选择少,要求工艺占地面积小、处理效率高、运行管理简单方便、噪声等对周边居民的影响小。

采用磁混凝和FBSC工艺组合工艺,适宜在河道周边建设,满足工艺和实际需求。此外,针对受污染河水低碳氮比的特点,增设碱度投加装置,以保持适宜的pH来保证硝化反应的正常进行。

根据进水出水水质要求和工艺需求分析,设计工艺流程如图1所示。

河道暗涵出水被新增溢流堰截留后,经人工粗格栅和机械细格栅去除漂浮物和大块杂质后,进入集水池,经提升泵输送至混凝装置,投加絮凝剂和助凝剂后,污水中悬浮物以磁粉为晶核生成大团的絮体,在磁分离机中含有磁粉的污泥絮体被吸附在磁盘上,由刮板分离后自流进入磁分离磁鼓,除去悬浮物、TP和部分COD的清水自流进入FBSC生化池,通过生化作用除去水中的COD和氨氮,达标出水自流至河道。

磁分离磁鼓中的污泥经磁盘刮板刮除污泥后,污泥自流进入污泥池,磁粉则回流至混凝装置。储泥池中污泥由泵输送至叠螺脱水机,泥饼最终运送至政府指定收纳处填埋。

拦截并储存琴亭河起点暗涵处出水,将污水提升至磁混凝单元进行处理,人工和机械格栅拦截的栅渣外运处置。河道暗涵末端新增溢流堰设置有插板闸门,当上游量极大时,可开启插板闸门,方便水流通过防止内涝。集水池进口设置有一道人工粗格栅(间隙30 mm)和一道机械细格栅(间隙10 mm),用于除去河水中大块的悬浮物和杂质,保护水泵及后续设备。集水池内设置有提升泵,将河水提升至磁混凝一体化装置进行处理,水泵共3台(2用1备)。

磁混凝处理单元采用成套的磁混凝处理集装设备,包含混凝单元、磁分离单元和加药及污泥脱水单元3部分。

包含三格式混凝装置,提供磁种及混凝和絮凝药剂与原水的混合空间,通过搅拌的方式使原水与投加物质混合均匀。混凝单元停留时间4 min。

包含磁分离机、磁分离磁鼓。用于对于混凝后混合液的泥水分离、磁粉回收。磁分离机是磁混凝水体净化工艺的主要设备,由一组超强磁力的磁盘及分离机构组成。当流体流经磁盘之间的流道时,流体中所含的磁性悬浮絮团受到超强磁场力的作用而吸附在磁盘表面,随着磁盘的转动,逐渐从水体中分离出来。磁分离磁鼓用于实现磁性絮团的分散和回收;分离出来的渣和水排至污泥处理系统。磁粉设计起始投加量100 kg,运行时每天补充5 kg。

混凝剂和絮凝剂采用PAC和PAM,设计投加量为30 mg/L和1 mg/L,运行过程中随进水浓度变化可进行相应的调整。磁混凝单元产生的污泥经过储泥池后进入叠螺污泥脱水机,处理后的泥饼运送至政府指定收纳处填埋。

FBSC生化池内设有FBSC生物海绵填料,该填料以海绵当载体,微生物蓄积于海绵孔洞中,可提高悬浮固体物拦截的机会,同时,由于载体属于开放性孔洞,有助于水流流态稳定。多孔性载体提供广大表面积作为微生物附着、增殖介质,可累积大量生物膜微生物,有助于达到去除各种污染物的目的。多孔性载体上成长大量微生物,FBSC生化池具有高负荷、高效率、高稳定性的优点。

FBSC生化池最重要的部分是海绵填料载体,该填料载体材质为惰性聚氨酯,化学性质稳定;海绵填料发泡指数PPI=20～25;密度约等于1 g/L,与水接近;比表面积大,约为10⁴m²/m³,有利于活性悬浮污泥的附着和生物膜的生长。

FBSC生化池采用推流式,分为4格,总HRT=2.77 h;填料层高度3 m,填料层上下采用不锈钢格网拦截,防止海绵填料流失,填料填充率63.8%;FBSC生化池BOD容积负荷0.41 kgBOD₅/(m³填料·d),硝化容积负荷0.32 kgTKN/(m³填料·d),负荷均较低,以应对河道暗涵水质变化的冲击影响。

FBSC生化池曝气采用不锈钢穿孔曝气管,易于运行维护,不需要定期更换,适用于河道旁边的处理站。FBSC生化池设有用于曝气供氧的曝气风机,3台(2用1备),变频控制,单台风量25 Nm³/min,气水比为6∶1,满足生化要求。

在FBSC第一格补充碱度,采用NaHCO₃,以维持适宜硝化菌生长的pH。

琴亭河水质净化站建成稳定运营后,平均处理水量8 000 m³/d。目前水质净化站运行情况良好,设备设施均运行稳定。水质净化站运行维护人员3人(共3班,每班1人),负责加药、污泥脱水和设备的维护。运行中根据进水水质及时调整加药量,降低了磁粉的补充量和PAC投加量,平均每天补充2.5 kg的磁粉和投加200 kg的PAC,PAM的投加量和设计基本一致。运行过程中发现FBSC生化池第一格易受到磁粉流失和絮体的影响,比较容易堵塞,解决方案是尽量减少前端磁混凝段磁粉和PAC的投加量,同时定期加大FBSC生化池第一格的曝气量。

针对2018年12月～2019年1月净化站各单元进、出水水质数据进行分析,出水水质均优于设计标准,具体如图2～图4所示。

河道暗涵水经净化站处理后,COD平均值由80.5 mg/L降至23 mg/L,COD去除率达71.4%;BOD₅平均值由35.2 mg/L降至6.2 mg/L,BOD₅去除率达81.1%;氨氮平均值由17.1 mg/L降至0.8 mg/L,氨氮去除率达95.2%。

其中,磁混凝单元显示了较好的对污染物的去除效果。磁混凝对COD去除率达到40%以上,结果表明,PAC、PAM等絮凝剂与磁粉协同絮凝,对COD的去除效果较好。这是因为磁粉的投加使絮凝作用得到了强化,磁粉和絮凝剂絮体结合形成更紧密的磁性“复合”絮体,粒子间的相互吸引力增大,随后凝聚起来形成更大的絮体,可进一步提高去除率。此外,磁混凝单元显示了较好的氨氮去除效率,氨氮去除率可达30%以上,磁混凝对氨氮的去除原因可能是磁粉和絮凝剂形成的絮体对带有氨元素的有机物质和无机物质颗粒有较好的吸附作用。

另外,FBSC生化单元平均COD、氨氮去除率分别为50.8%、92%,显示出较强的污染物去除能力。主要是由于生化池内悬浮的海绵填料载体具有较大比表面积,孔隙率高,生物量大,同时还具有较强的物理截留和吸附作用。FBSC生化单元具有和曝气生物滤池相近的污染物去除原理和效果,但是相比于曝气生物滤池,省去了复杂的气水反冲洗系统(仅在第一格设置了简单的气冲洗系统),运行维护相对简单,更适用于河道边的分散式水质净化站。

采用磁混凝—FBSC组合工艺对大水量、短期内难溯源实现清污分离的暗涵出水进行分散式处理,具有占地面积小、处理效率高、运行管理简单方便等优点,处理后的尾水直接补充河道,对河道进行清水补给,有效的解决了黑臭水体治理中水量较大的点源污染,为黑臭水体治理中处理受污染河水的工艺提供了参考。河道暗涵水经净化站处理后,COD去除率达到71.4%,BOD₅去除率达到81.1%,氨氮去除率达到95.2%,出水主要水质指标均稳定达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)地表Ⅴ类标准。但是,在城区河道边设置分散式处理设施需要考虑噪声、臭味和给居民感官影响等问题,远期仍然要考虑源头的清污分离,才能保证河道的长制久清。