劉文杰 石玉敏
( 遼寧省環(huán)保集團有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽110161)
人工濕地是生活污水處理廠尾水深度凈化中最為典型和突出的生態(tài)處理方法( 廖子清,2017),具有脫氮除磷率高、建設(shè)運營成本低、運行維護管理方便等特點,并具有污水深度凈化、提升景觀效果、提供野生生物棲息地等多重生態(tài)環(huán)境效益。近年來人工濕地發(fā)展迅速,在遼寧、吉林、山東等地區(qū)建設(shè)了百余項大型人工濕地,用于處理城市綜合生活污水、中水、河湖污染水體和生態(tài)修復(fù)等( 孔向東, 2015)。我國地域遼闊,不同區(qū)域間氣候條件和植被類型差異較大,人工濕地技術(shù)應(yīng)用、工程建設(shè)與運行存在較大差異。北方地區(qū)特別是東北寒冷地區(qū),以遼寧省為例,冬季極端氣溫可達(dá)-40℃,12 月至次年1 月平均氣溫為-16 ~-25℃,污水處理廠進(jìn)水平均水溫4 ~8℃,人工濕地系統(tǒng)進(jìn)水平均水溫為4 ~6℃,給人工濕地工程的建設(shè)和穩(wěn)定運行帶來極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本研究依托國家水體污染控制與治理科技重大專項,研發(fā)了北方寒冷地區(qū)高效人工濕地成套技術(shù)及配套設(shè)備并進(jìn)行了工程實踐,取得了良好的運行效果,為人工濕地技術(shù)在北方寒冷地區(qū)的建設(shè)、運行與產(chǎn)業(yè)化推廣提供了重要參考。
工程位于遼寧省鐵嶺市西豐縣,遼河二級支流寇河西岸,采用 “均勻配水設(shè)備+ 復(fù)合水平流- 垂直流人工濕地組合+ 功能性強化生物產(chǎn)品+ 液位調(diào)節(jié)設(shè)備” 組合技術(shù),流程如圖1 所示。設(shè)計規(guī)模10 000 m3/d,變化系數(shù)Kh=1.2,設(shè)計水力停留時間4 d,設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)如表1 所示。
表1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì) mg/L Table 1 List of designed inlet and outlet water quality rate mg/L
人工濕地系統(tǒng)主要包括人工濕地均勻配水設(shè)備、水平流+垂直流人工濕地系統(tǒng)、人工濕地液位調(diào)節(jié)設(shè)備。
圖1 工藝流程Fig.1 Process flow
污水處理廠二沉池出水經(jīng)管線輸送至人工濕地前端的均勻布水系統(tǒng),通過布水系統(tǒng)接入濕地單元。均勻布水系統(tǒng)采用渠堰式均勻布水技術(shù)設(shè)備,由進(jìn)水槽、導(dǎo)流槽和布水槽3 部分構(gòu)件組成,污水依次通過進(jìn)水槽、導(dǎo)流槽和布水槽均質(zhì)勻速流入濕地系統(tǒng)內(nèi)。進(jìn)水槽由進(jìn)水槽體、進(jìn)水口、法蘭和進(jìn)水槽體蓋板組成,進(jìn)水槽通過進(jìn)水管與上級構(gòu)筑物相連,將上級構(gòu)筑物出水引入進(jìn)水槽,進(jìn)水槽標(biāo)高設(shè)計保證上級構(gòu)筑物液面有足夠的水差自由流入進(jìn)水槽。導(dǎo)流槽通過法蘭與布水槽相連接,保證水流穩(wěn)定流動。導(dǎo)流槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)及寬、高與進(jìn)水槽相同,長度不同。布水槽由布水槽體、溢流堰板、法蘭和槽體蓋板組成,保證進(jìn)水均質(zhì)均速流入濕地系統(tǒng)。
將基底土平整碾壓處理后,鋪設(shè)900 g/m2HDPE膜,填料深度1.2 m。填料層自下而上依次為粗砂層10 cm、礫石層85 cm(礫石直徑20 ~30 mm)、豆石層5 cm( 豆石直徑5 ~8 mm)、草炭土2 cm、種植土18 cm。濕地植物選取蘆葦、鳶尾、菖蒲和香蒲,按1:1:1:1 比例種植,種植密度為25 株/m2。
為保證濕地的處理效率,根據(jù)季節(jié)變化有效控制濕地系統(tǒng)的水位,在濕地系統(tǒng)末端設(shè)置液位調(diào)節(jié)系統(tǒng),以實現(xiàn)對濕地內(nèi)液位高度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。經(jīng)過人工濕地處理的出水由集水管收集至集水井的內(nèi)腔,螺旋調(diào)節(jié)器可調(diào)節(jié)濕地水位,調(diào)節(jié)后出水經(jīng)溢流口排入受納水體。濕地內(nèi)的水位受水位調(diào)節(jié)管高度的影響,可通過更換不同長度的調(diào)節(jié)管達(dá)到調(diào)節(jié)濕地水位的目的。
溫度對人工濕地系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在濕地植物和微生物等方面。濕地系統(tǒng)對污染物的凈化作用主要體現(xiàn)在植物通過光合作用、呼吸作用等吸收污水中的有機物、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì),同時通過根系的呼吸作用為濕地系統(tǒng)微生物提供好氧環(huán)境,形成互利共生的污染物凈化體系。低溫環(huán)境下濕地系統(tǒng)中的植物進(jìn)入休眠狀態(tài)、枯萎或者死亡,根系呼吸作用減弱,系統(tǒng)內(nèi)部含氧量降低,同時低溫環(huán)境下微生物活性降低,系統(tǒng)硝化與反硝化反應(yīng)速率降低甚至幾乎停止。硝化細(xì)菌的適應(yīng)溫度是20 ~30℃,溫度低于15℃時反應(yīng)急速下降,5℃時反應(yīng)幾乎停止( 高廷耀等, 2004)。相關(guān)研究表明,濕地中85% 的氮通過反硝化作用實現(xiàn),反硝化作用是濕地脫氮的最有效途徑(Lin et al, 2002),當(dāng)溫度過低時,反硝化速度下降,氮的凈化效果下降。
北方寒冷地區(qū)冬季多采用濕地植物覆蓋、地膜覆蓋和冰雪混合覆蓋等保溫措施。冬季植物覆蓋的方式是將枯萎的蘆葦、菖蒲、香蒲等濕地植物收割后就地覆蓋于濕地表面,是一種經(jīng)濟實用的廢棄物綜合利用的保溫措施,具有一定的保溫效果。但植物腐爛會釋放一定量的有機物、氮、磷等污染物,增加濕地系統(tǒng)有機物及氮磷等污染物濃度,影響濕地系統(tǒng)的凈化效果及出水水質(zhì)。地膜覆蓋主要是通過塑料薄膜覆蓋的方式對濕地系統(tǒng)進(jìn)行保溫,塑料薄膜不易降解,且費用較高,易產(chǎn)生白色污染,塑料薄膜損壞后進(jìn)入濕地系統(tǒng)可能造成濕地系統(tǒng)的內(nèi)部堵塞。冰雪覆蓋的方式主要是通過濕地系統(tǒng)表層的自然結(jié)冰和自然降雪形成覆蓋層,該方式對濕地系統(tǒng)的保溫效果差,濕地系統(tǒng)的熱量損失較大,凈化效果低。
圖2 COD 進(jìn)出水濃度及去除率變化 Fig.2 Variation of in and out water concentration and removal rate of COD
圖3 NH3-N 進(jìn)出水濃度及去除率變化Fig.3 Variation of in and out water concentration and removal rate of NH3-N
圖 4 TN 進(jìn)出水濃度及去除率變化 Fig.4 Variation of in and out water concentration and removal rate of TN
圖 5 TP 進(jìn)出水濃度及去除率變化 Fig.5 Variation of in and out water concentration and removal rate of TP
利用 “功能性生物強化產(chǎn)品+ 液位調(diào)節(jié)設(shè)備+15 cm 冰層、15 cm 空氣” 的組合方式對人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行冬季保溫,保證凈化效果不降低。當(dāng)氣溫達(dá)到或接近冰點溫度時,向濕地系統(tǒng)投加自主研發(fā)的功能性生物強化產(chǎn)品,如按10:0.5:0.5 體積比投加低溫有機物降解菌、低溫脫氮細(xì)菌、低溫除磷細(xì)菌以及按1:1 濃度比投加低溫硝化菌群、低溫反硝化細(xì)菌,確保低溫環(huán)境濕地系統(tǒng)微生物量的恒定。液位調(diào)節(jié)設(shè)備采用防堵均勻集水和水位無極調(diào)節(jié)技術(shù),濕地系統(tǒng)的出水經(jīng)過集水系統(tǒng)收集至集水設(shè)備。根據(jù)連通器原理,集水設(shè)備內(nèi)液位高度與濕地系統(tǒng)內(nèi)液位高度一致,通過調(diào)節(jié)無極螺旋調(diào)節(jié)器精準(zhǔn)提高濕地系統(tǒng)的液位高度,保證濕地系統(tǒng)液位高度為1.2 m。當(dāng)濕地表面結(jié)冰厚度約15 cm 時,降低濕地液位高度為0.9 m,使?jié)竦乇砻嫘纬?“15 cm 冰層+15 cm 空氣層” 的保護層,減少濕地的熱量損失,同時保證濕地的凈化效果。
本研究對西豐人工濕地處理工程進(jìn)行了為期5個月冬季凈化效果的連續(xù)監(jiān)測,出水COD 平均值為35.47 mg/L,去除率為31.58%,達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002) Ⅰ級A 標(biāo)準(zhǔn)要求( 圖2)。出水氨氮平均值為7.67 mg/L,去除率為59.8%;總氮平均值為18.32 mg/L,去除率為25.02%; 總磷平均值為0.85 mg/L, 去除率為26.19%,達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002) Ⅰ級B 標(biāo)準(zhǔn)要求( 圖3 ~圖5)。
本研究開發(fā)的 “均勻配水設(shè)備+ 復(fù)合水平流-垂直流人工濕地組合+ 功能性強化生物產(chǎn)品+ 液位調(diào)節(jié)設(shè)備” 寒冷地區(qū)人工濕地成套處理技術(shù)及設(shè)備可在工程實踐中穩(wěn)定運行。冬季低溫環(huán)境下較常規(guī)濕地工藝有機物、氮、磷等污染物去除率提升10%左右,削減COD 529.25 t/a,NH3-N 56.58 t/a,大大改善了支流河的河流水質(zhì)和西豐縣居民的生活環(huán)境,促進(jìn)了社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,為人工濕地技術(shù)在寒冷地區(qū)的工程建設(shè)、運行維護與產(chǎn)業(yè)化推廣提供了重要參考。