褚培堅

同濟大學(xué) 上海 200092

隨著國家對長江流域水環(huán)境保護[1]的日益重視，對污水處理廠尤其是工業(yè)園區(qū)污水處理廠尾水的排放管控也越加嚴格。污水處理廠在通過改造升級以達到更高的水質(zhì)標準的同時對排放水體及周圍的生態(tài)景觀建設(shè)也同樣重要。而工業(yè)園區(qū)污水處理廠因為復(fù)雜的進水、冗長的工藝流程以及緊張的用地規(guī)劃，無法合理平衡尾水提標、生態(tài)景觀建設(shè)和低占地面積三者之間的關(guān)系。

1 項目背景

南通某金屬表面處理園區(qū)污水處理廠一期處理規(guī)模為3500m3/d，出水排放至就近水體。處理工藝采用重金屬分類預(yù)處理+水解酸化+接觸氧化+反應(yīng)沉淀+紫外消毒池處理工藝，目前出水能穩(wěn)定達到國家一級A標準。根據(jù)當?shù)丨h(huán)保部門針對受納水體的修復(fù)整治規(guī)劃[2]，要求該水廠尾水通過提標改造使出水達到類似地表V類水排放標準，并承擔(dān)部分生態(tài)調(diào)蓄與景觀功能[3]。經(jīng)過多方論證與現(xiàn)場實地調(diào)研，考慮到實際工程場地有限，單一處理工藝不適合本項目現(xiàn)狀情況，需要采用組合工藝來保證出水達標。

2 水質(zhì)及流程

2.1 設(shè)計水質(zhì)

目前該污水處理廠的出水可以穩(wěn)定達到原有設(shè)計出水標準，主要污染物指標（COD，NH3-H，TP）均低于國家一級A標準的限值。故本尾水提標工程設(shè)計進水水質(zhì)為國家一級A標準，可涵蓋實際進水情況，具體指標如下。

表1 設(shè)計進水水質(zhì)表

本尾水提標工程要求出水水質(zhì)達到類似地表V類水標準，具體如下。

表2 設(shè)計出水水質(zhì)表

2.2 工藝流程

由于場地受限，單獨采用人工濕地處理尾水所需的濕地面積太大，考慮選用高級氧化技術(shù)和人工濕地的組合工藝，先利用高級氧化技術(shù)降低尾水中的CODCr，再利用人工濕地優(yōu)化其余污染物指標，達到出水水質(zhì)要求。

經(jīng)過綜合評論比選，確定采用臭氧催化氧化[4][5]+水平潛流人工濕地[6]作為本項目尾水提標的工藝：尾水從廠內(nèi)紫外消毒池出水后經(jīng)提升泵站提升至臭氧接觸池，充分反應(yīng)后自流進入水平潛流人工濕地，經(jīng)由濕地處理后最終排放進入受納水體。

3 工程構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù)

針對該污水廠尾水提標工程主要新增構(gòu)建筑物如下。

表3 主要構(gòu)建筑物一覽表

3.1 提升泵站

設(shè)計1座提升泵站，將污水廠尾水進行提升，使得后續(xù)構(gòu)筑物中水流可以自流。泵站形式為預(yù)制一體化泵站，平面尺寸：直徑2m，參數(shù)：Q=41L/s，H=10m，N=7.5kW。

3.2 臭氧接觸池

設(shè)計1座臭氧接觸池，氧化尾水中的有機物，改善濕地進水的可生化性。接觸池采用承壓密封池形式，尺寸為10 m×4 m×7m，設(shè)計有效水深6m?？傆行Х磻?yīng)時間1.5h，其中接觸氧化HRT=1h，臭氧尾氣脫氣HRT=0.5h；臭氧投加量：10~40mg/L。選取單元化鐵基催化劑作為臭氧催化氧化劑填料，催化劑體積70m3。

3.3 水平潛流人工濕地

3.3.1 濕地面積

① 按污染負荷計算面積

人工濕地污染負荷有BOD5表面負荷、CODCr表面負荷、TN表面負荷、NH3-N表面負荷、TP表面負荷，用污染負荷計算人工濕地面積公式為：

A=Q（Co-Ce）/N

式中：Q—污水流量，m3/d；

Co—進水污染物濃度，mg/L或g/m3；

Ce—出水污染物濃度，mg/L或g/m3；

N—污染物表面負荷，g/m2·d；

設(shè)計流量Q=3500m3/d。以CODCr表面負荷參數(shù)計算其面積，設(shè)計CODCr表面負荷為10 g/(m2·d)，設(shè)計進水CODCr C0=50 mg/L，設(shè)計出水CODCr Ce=40 mg/L，計算水平潛流人工濕地處理區(qū)面積≈3500 m2。

② 按水力負荷計算面積

用水力負荷計算人工濕地面積公式為：

A=Q/Nq

式中：Nq—水力負荷，m3/m2·d；

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，設(shè)計水力負荷為1.0 m3/( m2·d)計算，需要建設(shè)人工濕地面積≈3500 m2。

取二種設(shè)計結(jié)果的最大值為3500 m2。實際設(shè)計有效處理面積為3618 m2，校核設(shè)計水力負荷為0.97 m3/m2·d?？紤]濕地四周墻體、隔墻、進出水區(qū)等非處理區(qū)面積。綜合考慮建設(shè)水平潛流人工濕地面積為A1=3760 m2。

3.3.2 單元尺寸

根據(jù)國內(nèi)外人工濕地工程建設(shè)的經(jīng)驗，水平潛流人工濕地的單元長寬比宜控制在3:1以下。長度過長，易造成人工濕地床中的死區(qū)，且使水位難以調(diào)節(jié)和控制，不利于濕地植物的栽培與生長。設(shè)計濕地長度為33.5 m，單體寬度為18m，長寬比約為1.86:1，單元面積約為603 m2。共并列布置6個濕地單元，濕地總進水方向沿單體長邊，且平行于河道走向。

3.3.3 池體深度

人工濕地水深的設(shè)計應(yīng)該優(yōu)先考慮植物根系深度：香蒲在水深0.15 m的環(huán)境中生存占優(yōu)勢；蘆葦生長在岸邊和1.50 m的水深中，在淺水中是弱競爭者。香蒲和燈芯草的根系主要在0.30 m以內(nèi)的區(qū)域，蘆葦?shù)母颠_0.60 m，藨草和寬葉香蒲則達到0.76 m。同時考慮到雨季的超高水位，淹沒的最大深度應(yīng)保證大部分植物能夠生存并發(fā)揮其功能。

設(shè)計池體總深度為1500 mm，其中內(nèi)部基質(zhì)填料深度1300 mm，自上而下依次為超高、基質(zhì)層和防滲層，其中人工濕地墻體超高（人工濕地表面至墻頂）為200 mm；基質(zhì)層總深度1300 mm（其中土壤層400mm，細砂層100 mm，粒徑8~16 mm卵石層500 mm，粒徑32~16 mm卵石層500 mm）；防滲層位于基質(zhì)層以下，厚度＞1mm，采用土工防滲膜防滲。濕地單體剖面設(shè)計示意如下。

圖1 水平潛流人工濕地單體設(shè)計的剖面示意圖

3.3.4 水力坡度

人工濕地底坡坡度標準的確定應(yīng)以確保人工濕地能夠完全通暢的排水為前提。一般設(shè)計中要求水平潛流人工濕地池底坡度≥0.5%。根據(jù)經(jīng)驗，本項目設(shè)計中池底坡度選取0.5%，滿足排水需求的同時可減少工程的土方量。

3.3.5 集配水

濕地進出水裝置的設(shè)計主要考慮在寬度方向上補水和集水的均勻性，同時出水裝置應(yīng)該能夠提供整個濕地的水位控制，減少水流短路現(xiàn)象，以改變濕地內(nèi)部的水深及水力停留時間。

本項目濕地布水采用穿孔花墻，穿孔花墻寬度與濕地寬度相同，穿孔花墻高度與濕地填料高度相同。穿孔花墻上開孔大小為120 mm×55 mm，開孔率50%。集水采用穿孔管，集水管位于出水端的底部，開孔方式為兩排45°交錯向下的長圓形孔。集水管中部連接出水管，出水管進入出水渠道中采用可拆卸短管，以調(diào)節(jié)水平流濕地內(nèi)的水位。在有效處理區(qū)域前段有個寬度為1 m的進水區(qū)，有效處理區(qū)域末端有一寬度為1 m的集水區(qū)，均以大塊礫石填充。

3.3.6 填料基質(zhì)

本項目選擇比較常見的卵石作為濕地基質(zhì)填料。濕地進水區(qū)和出水區(qū)的填料采用30~70 mm粒徑的碎石，處理區(qū)域基質(zhì)的平均粒徑為10~40 mm，既可以防止堵塞，又有利于運行管理。

3.3.7 植物配置

常用的人工濕地植物及性質(zhì)如下。

表4 常用人工濕地植物的性質(zhì)

本項目中植物選擇考慮以污染凈化能力強、運行維護簡單的多年生水生植物為主[7]?；谖锓N選擇原則和植物生長特性，選擇千屈菜、蘆葦、水蔥、香蒲、菖蒲和再力花這6種作為潛流濕地的主要植物。

本項目每個濕地單元采用相同的植物配置。濕地進水區(qū)1 m寬范圍、出水區(qū)1 m寬范圍種植千屈菜。其他自進水區(qū)至出水區(qū)依次種植水蔥、菖蒲、香蒲、蘆葦、再力花，種植寬度均為6.7 m。種植密度要求為9~16株/ m2。

3.3.8 防滲

本項目位于河道邊緣，對環(huán)境影響比較敏感，因此對防滲的要求較高。設(shè)計采用可靠度較高的土工布防滲做法。

3.3.9 防堵塞控制

本項目針對濕地堵塞主要以預(yù)防為主：填料選用質(zhì)地堅硬的卵石，且優(yōu)化填料級配，下層卵石粒徑要大于上層；濕地運行采用間歇進水方式，處理單元連續(xù)運行5~7d時適當進行放空停止運行；秋冬季及時進行植物收割和清理，避免堵塞。

濕地在通常運行5~8年以后，其處理效率和負荷將隨著填料堵塞而逐漸下降，此時可考慮將濕地停運，將內(nèi)部填料去除清洗后再進行二次運行。

3.4 臭氧發(fā)生器間

設(shè)計1座臭氧發(fā)生器間用于布置臭氧制備系統(tǒng)成套設(shè)備。發(fā)生器間與變配電間合建，主體采用框架結(jié)構(gòu)，平面尺寸:18m×10m。設(shè)置2臺空氣源臭氧發(fā)生器，單臺臭氧發(fā)生量3kg/h，功率N=55kW，配套空氣壓縮機、冷凍干燥機、吸附式干燥機、空氣過濾器、冷卻水泵、板式換熱器、儲氣罐等。

4 工程建設(shè)及運行

4.1 建設(shè)調(diào)試周期

本項目于2020年10月開始進場建設(shè)，同年12月完成主體結(jié)構(gòu)驗收，2021年4月完成設(shè)備安裝調(diào)試和植物種植?；?，5月開始逐步通水聯(lián)動調(diào)試，6月正式運行，至今運營情況良好，出水一直穩(wěn)定達到設(shè)計標準。

4.2 實際運行情況

目前本項目已經(jīng)穩(wěn)定達標運行超過半年，實測出水數(shù)據(jù)優(yōu)于預(yù)期設(shè)計目標。其中出水平均CODCr＜32 mg/L，去除率超過36%，出水平均NH3-N＜1 mg/L，去除率超過80%，出水平均TP＜0.1 mg/L，去除率超過80%。組合工藝項目實際占地面積約為純濕地工藝占地面積的1/3。證明了該組合工藝處理效果好，穩(wěn)定性強且節(jié)省用地。設(shè)計的觀鳥棧道、休憩涼亭和景觀噴泉使得本項目極具觀賞性，在提升水質(zhì)的同時亦美化了周邊環(huán)境。

5 結(jié)論

臭氧催化氧化+水平潛流人工濕地的組合工藝應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)污水處理廠尾水的提標改造是行之有效的，經(jīng)過調(diào)試運行后的系統(tǒng)出水能夠穩(wěn)定優(yōu)于類似地表V類水排放標準，經(jīng)優(yōu)化后的部分指標可以滿足地表IV類水的排放要求。

實際運行中可以經(jīng)由調(diào)節(jié)臭氧發(fā)生器產(chǎn)氧量來平衡水質(zhì)波動和處理經(jīng)濟性。在進水污染物濃度較低時通過調(diào)小或關(guān)閉發(fā)生器以節(jié)省運行成本；在進水污染物濃度較高時通過增加臭氧產(chǎn)量來提高系統(tǒng)的去除能力。