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        人工濕地技術(shù)在污水深度處理中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

        2016-11-16 08:07:26韓成鐵
        城市道橋與防洪 2016年6期
        關(guān)鍵詞:沸石單體填料

        韓成鐵

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)

        人工濕地技術(shù)在污水深度處理中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

        韓成鐵

        (上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)

        人工濕地以其建設(shè)運(yùn)行成本低、耗能少、運(yùn)行維護(hù)方便、對負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)、具有較強(qiáng)的氮磷去除能力以及生態(tài)環(huán)境效益顯著等優(yōu)點(diǎn)在處理污染水體中具有良好的應(yīng)用前景。針對上海市東區(qū)水質(zhì)凈化廠二級(jí)出水中存在的問題,以二級(jí)出水的深度處理為主要研究對象,研究人工濕地深度處理技術(shù)的影響和控制因素,開發(fā)高效、低成本的人工濕地深度處理技術(shù),可有效去除COD、氮、磷等污染物。

        人工濕地;深度處理;濕地結(jié)構(gòu);水力負(fù)荷;去除能力

        1 概況

        上海市東區(qū)水質(zhì)凈化廠(簡稱東廠)建成于1926年,至今已有80余年的歷史。根據(jù)廠區(qū)規(guī)劃調(diào)整整體方案,廠內(nèi)2個(gè)輻流式二沉池和6個(gè)濕污泥池目前基本閑置,擬改建為人工濕地用于二級(jí)出水的強(qiáng)化處理。圖1為東廠人工濕地整體規(guī)劃示意圖。

        圖1 東廠人工濕地整體規(guī)劃示意圖

        在一期實(shí)施工程中,規(guī)劃以2個(gè)輻流式二沉池為基礎(chǔ),構(gòu)建以人工濕地為主的生物生態(tài)處理系統(tǒng)對污水廠二級(jí)出水進(jìn)行強(qiáng)化處理,并將強(qiáng)化處理出水作為景觀用水用于廠區(qū)內(nèi)水體景觀。對原二沉池周邊綠化帶進(jìn)行調(diào)整,并種植兼具觀賞價(jià)值及凈化作用的大型挺水植物、浮水植物、沉水植物等,以構(gòu)成一個(gè)完整的生物處理-景觀生態(tài)系統(tǒng)。

        2 方案設(shè)計(jì)

        2.1水質(zhì)水量分析

        東廠2009年全年的月平均進(jìn)水水量接近7 000 m3/d,且來水分布時(shí)段極不均勻,每天僅有4~5 h有水,變化幅度極大,給污水廠的運(yùn)行帶來很大困難。

        東廠2009年8月至2010年5月的進(jìn)水平均水質(zhì)情況見表1。

        表1 東區(qū)水質(zhì)凈化廠進(jìn)水水質(zhì)月平均值 mg/L

        東廠主要工藝為傳統(tǒng)活性污泥法,經(jīng)處理后,二沉出水水質(zhì)COD<70 mg/L,TN<60 mg/L,其中NH4-N約為11 mg/L,NO3-N>30 mg/L,NO2-N<2 mg/L,TP<3 mg/L。該出水碳氮比偏低,較適合運(yùn)用人工濕地技術(shù)進(jìn)行深度處理。

        2.2濕地結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        根據(jù)二沉池周邊情況以及對人工濕地平面布置的要求,兩個(gè)二沉池內(nèi)人工濕地采用不同的平面布置,如圖2所示。

        圖2 人工濕地平面布置

        各濕地單體過水方式為:進(jìn)水由溢流堰進(jìn)入布水槽,通過穿孔花墻進(jìn)入濕地,通過人工濕地處理之后由穿孔花墻進(jìn)入出水槽,通過溢流管排出。濕地內(nèi)部從下而上分別為0.9 m填料層、0.3 m覆土層、植物。各濕地單體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2,各濕地單體主體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        表2 各濕地結(jié)構(gòu)參數(shù)

        2.3水力負(fù)荷設(shè)計(jì)

        根據(jù)前期的研究成果以及有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道,水平潛流人工濕地水力負(fù)荷設(shè)計(jì)值一般小于0.2 m/d。由于該工程處理水質(zhì)為二沉池出水,水質(zhì)較一般人工濕地處理較好,因此在保證水力停留時(shí)間的基礎(chǔ)上可適當(dāng)提升水力負(fù)荷。在該工程中,人工濕地的水力負(fù)荷設(shè)計(jì)值為0.4~1 m/d,設(shè)計(jì)總流量為100~250 m3/d。

        圖3 人工濕地單體結(jié)構(gòu)示意圖

        2.4植物及填料選用

        植物是人工濕地、生態(tài)景觀池的特點(diǎn)所在。一方面水生植物自身能吸收一部分營養(yǎng)物質(zhì),同時(shí)它的根區(qū)為微生物的生存和降解營養(yǎng)物質(zhì)提供了必要的場所和物質(zhì)條件??紤]到該工程中人工濕地的運(yùn)行管理以及景觀的要求,應(yīng)選用生物量大、氮吸收能力較強(qiáng)、景觀效果較好的植物,對植物抗逆性能則要求不高,因此在該工程中將選用蘆竹、茭白、千屈菜、美人蕉等作為濕地植物,選用睡蓮作為生態(tài)景觀池植物。

        人工濕地的填料為濕地內(nèi)的微生物生長提供載體,表面積越大,可生長的微生物數(shù)量越多,因此需要填料有盡可能大的比表面積,同時(shí)填料還具有吸附、過濾等功能。根據(jù)該工程中對人工濕地處理能力的要求,應(yīng)選用氮磷去除能力較強(qiáng)的填料,同時(shí)考慮填料取得的難易難度,因此選用礫石、沸石、鋼渣等作為該工程中人工濕地填料。

        經(jīng)過綜合選用植物和填料,最終設(shè)計(jì)各濕地植物填料配比見表3。

        表3 各濕地單元植物填料詳表

        3 人工濕地去除能力分析

        通過近半年的濕地啟動(dòng)運(yùn)行,由于各濕地填料和植物選擇配比的不同,各濕地處理能力也呈現(xiàn)顯著的差異性,各濕地單體處理能力基本穩(wěn)定,出水水質(zhì)也基本達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn),部分指標(biāo)達(dá)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

        3.1COD去除分析

        圖4為各濕地單體啟動(dòng)運(yùn)行期間COD去除率變化曲線。由圖可得,人工濕地進(jìn)水的COD基本在50 mg/L以下,已基本滿足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

        圖4 各濕地單體啟動(dòng)運(yùn)行期COD去除率變化曲線

        分析整個(gè)過程中COD的去除率變化情況,可以看到COD去除率變化趨勢大致為先下降后上升,其可能原因?yàn)樵趩?dòng)運(yùn)行初期,COD的去除以填料的吸附為主,微生物的降解為輔;一段時(shí)間過后,隨著填料吸附容量的飽和,去除能力有所下降;在啟動(dòng)運(yùn)行的中后期,微生物群落發(fā)育成熟,成為COD去除的主要方式,濕地去除COD的能力得到顯著上升。

        3.2氮去除分析

        由于污水中氮的化合形態(tài)復(fù)雜,且氮在微生物、植物生命活動(dòng)中參與較多,因此在人工濕地中氮的去除機(jī)理比磷的去除機(jī)理復(fù)雜,影響因素較多。該工程研究中嘗試從填料、植物、pH值等方面分析人工濕地對NH4-N、NO3-N、NO2-N等的去除能力。

        (1)NH4-N

        圖5為啟動(dòng)運(yùn)行期間各濕地單體進(jìn)出水中NH4-N濃度變化曲線,進(jìn)水濃度一般在8~10 mg/L。

        圖5 各濕地單體啟動(dòng)運(yùn)行期NH4-N濃度變化曲線

        圖6 各濕地單體啟動(dòng)運(yùn)行期硝態(tài)氮濃度變化曲線

        在啟動(dòng)運(yùn)行期間對各個(gè)濕地單體出水中的NH4-N濃度進(jìn)行縱向比較,可以看到隨著啟動(dòng)期的延長,在1 m/d的水力負(fù)荷條件下,出水中的NH4-N濃度可普遍控制在5 mg/L以下,其中部分濕地單元可穩(wěn)定控制在2 mg/L以下??梢娙斯竦貙τ贜H4-N的去除能力較強(qiáng),可以處理到較低的濃度。分析其原因,隨著植物的不斷生長,一方面植物對NH4-N進(jìn)行了吸收利用,另一方面,植物生長之后根系的輸氧能力和分泌能力為濕地中的硝化反應(yīng)提供了足夠的氧氣和有機(jī)物,從而極大地促進(jìn)了硝化作用的進(jìn)行。

        對各濕地單體進(jìn)行橫向比較,可以看到濕地A、D、H在啟動(dòng)運(yùn)行初期即對NH4-N保持較高的去除能力,此時(shí)植物仍處于發(fā)芽期,去除能力的差異只能由各濕地單體中的填料導(dǎo)致。分析濕地A、D、H中的填料,濕地A、D均為100%沸石,濕地H為50%礫石+50%沸石,由圖5可以看到,A、D的去除能力要強(qiáng)于H,可見沸石對NH4-N有特異去除性,這一結(jié)果也與一般報(bào)道相符合。進(jìn)一步分析其他濕地單體中的填料,濕地E、I中配比25%沸石、濕地F、G中配比50%的沸石,但這幾個(gè)濕地單體并未表現(xiàn)出有較強(qiáng)的NH4-N去除能力,其中濕地G常出現(xiàn)出水NH4-N濃度高于進(jìn)水的情況。分析其可能原因,濕地I中沸石配比較低,濕地E、F、G中其他配比填料分別為爐渣和鋼渣,具有較高的堿度,從而影響了沸石對NH4-N的特異去除性。

        因此可以認(rèn)為,如需對NH4-N有較高的去除能力,可盡可能多采用沸石作為濕地填料;同時(shí),沸石對NH4-N的去除能力受環(huán)境pH值的影響,堿度越高,去除能力越差。

        (2)硝態(tài)氮

        考慮到NO2-N為NO3-N的第一級(jí)還原產(chǎn)物,且在好氧條件下,NO2-N易被氧化為NO3-N,因此在該工程研究中對NO3-N和NO2-N作為硝態(tài)氮綜合考察。圖6為啟動(dòng)運(yùn)行期間各濕地單體進(jìn)出水中硝態(tài)氮濃度變化曲線。

        由圖5可以看到,人工濕地出水中硝態(tài)氮的濃度縱向變化較小,僅呈緩慢下降趨勢;橫向差異性也不大,除濕地F在4月到7月間顯著較低外,其余出水中硝態(tài)氮濃度一般在15 mg/L左右。由圖4可以看到,在整個(gè)過程中,人工濕地中的硝化反應(yīng)在不斷加強(qiáng),因此,雖然出水中的硝態(tài)氮濃度下降較慢,但實(shí)際上人工濕地中的反硝化反應(yīng)在不斷加強(qiáng)。

        3.3磷去除分析

        一般認(rèn)為,人工濕地對磷的去除主要通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收等途徑完成,以上途徑與濕地中的填料、植物以及微環(huán)境均有關(guān)系,其中填料的影響因素最大。

        由于東區(qū)水質(zhì)凈化廠的污水處理環(huán)節(jié)中無特定的除磷環(huán)節(jié),二沉出水的TP濃度較高,一般在2.5 mg/L左右,根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002),TP的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)為1.5 mg/L,一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)為1 mg/L,因此后續(xù)人工濕地深度處理過程中TP的去除壓力較大。圖7為啟動(dòng)運(yùn)行期間各濕地單體進(jìn)出水中TP濃度變化曲線。

        圖7 各濕地單體啟動(dòng)運(yùn)行期TP濃度變化曲線

        由圖7可以看到,人工濕地進(jìn)水TP濃度一般在2.2 mg/L以上,經(jīng)過長期啟動(dòng)運(yùn)行之后,各濕地單元對TP均有一定的去除能力,出水中TP濃度可控制在1.5 mg/L左右。

        考察整個(gè)過程中出水TP濃度,多數(shù)濕地單體呈現(xiàn)升高后降低的變化趨勢,其可能原因?yàn)椋涸趩?dòng)初期,填料對磷的吸附作用較大,但隨著吸附容量的不斷消耗,填料對磷的吸附截留能力下降,出水TP濃度有所提升;5月份以后,植物生長進(jìn)入茂盛期,植物在生長過程中攝取了大量的磷,又有效降低了出水中的TP濃度。

        對各濕地單體進(jìn)行出水TP濃度的橫向?qū)Ρ?,可以發(fā)現(xiàn)濕地G的出水TP濃度顯著偏低,其余濕地則差異不明顯。導(dǎo)致這一差異的可能原因只能為濕地所使用的植物和填料。從植物方面看,濕地G中原有植物為茭白,但成活率較低,其實(shí)際植物種類較多樣化,對磷有特異性吸收的可能性較小,而且從其他濕地單體對比情況看,不同植物對磷的吸收能力并不存在較大的差異。從填料方面看,一般研究認(rèn)為,鋼渣中含有較多的重金屬離子,且pH值較高,有利于磷的物理截留。濕地G的填料配比了50%的鋼渣,從結(jié)果上看對磷的去除效果顯著。

        因此可以認(rèn)為,在該工程研究中,選用的鋼渣填料可顯著去除TP,而選用的植物對TP去除有一定的作用,但作用不顯著,且不同植物種類之間的差異性不大。此結(jié)論也與一般研究認(rèn)可的濕地除磷機(jī)理相符合,即濕地除磷以填料截留為主,植物吸收為輔。綜上所述,以除磷為主要目的填料應(yīng)滿足含有較多金屬離子、pH值較高兩個(gè)主要條件。

        4 結(jié) 論

        人工濕地的處理能力優(yōu)秀,可有效用于污水廠二級(jí)出水的深度處理。在1 m/d的水力負(fù)荷下,人工濕地對COD有著較好的去除效率,在進(jìn)水COD 50 mg/L下,COD平均去除率在40%以上,出水COD在30 mg/L以下;鋼渣填料對TP去除效果優(yōu)秀,在進(jìn)水TP 2.2 mg/L下,出水TP在0.5 mg/L以下;沸石填料對NH4-N去除效果優(yōu)秀,在進(jìn)水NH4-N 8~10 mg/L下,出水NH4-N在2 mg/L以下。

        人工濕地具有建設(shè)運(yùn)行成本低、耗能少、運(yùn)行維護(hù)方便、對負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)、具有較強(qiáng)的氮磷去除能力以及美化環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),在污水深度處理工藝中具有相當(dāng)?shù)耐茝V應(yīng)用價(jià)值。

        [1]龔琴紅,田光明,丁嘩,等.垂直流濕地對生活污水中磷的去除效果研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2004,23(6):1046-1049.

        [2]彭舉威,康春莉,崔玉波,等.表面流人工濕地處理糠醛生產(chǎn)廢水的應(yīng)用 [J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2010,40(6): 1419-1424.

        [3]張瓊?cè)A,吉倩倩,王曉昌,等.城市景觀水體水質(zhì)凈化的人工濕地設(shè)計(jì)[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2009,3(11):1965-1968.

        [4]Huett D O,Morris S G,Smith G,et al.Nitrogen and phosphorus removal from plant nursery runoff in vegetated and unvegetated subsurface flow wetlands[J].Water Res,2005(39):3259-3272.

        X703

        B

        1009-7716(2016)06-0160-04

        2016-02-18

        上海市楊浦區(qū)國家創(chuàng)新型試點(diǎn)城區(qū)建設(shè)與管理資金項(xiàng)目(2012YPCX03-001)

        韓成鐵(1977-),男,吉林和龍人,工程師,從事給排水設(shè)計(jì)工作。

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