蘇州太倉市污水處理廠尾水排放河道的治理

趙聯芳,黃靖宇

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098)

蘇州太倉市污水處理廠尾水排放河道的治理

趙聯芳1,2,黃靖宇1,2

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098)

針對污水處理廠尾水污染受納河道河水的問題,提出在不影響河道原有使用功能的前提下,充分利用河道本身及其周邊的條件凈化污水處理廠排放的尾水,并研究蘇州太倉市雙鳳污水處理廠尾水排放河道治理示范工程的尾水深度凈化效果。結果表明,在河道的斷頭浜內布置水質強化凈化系統,能夠有效地削減污水處理廠尾水中的污染物質,對有機物、氮、磷的去除率均達到20%以上,降低了污水處理廠對受納河道河水的污染程度。

污水處理廠尾水;污水深度處理;河道治理;太倉市

目前,我國絕大多數污水處理廠采用的是二級生物處理工藝[1],執行的是GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級 B 標準。自2007年5月太湖流域發生藍藻暴發重大水污染事件以及引發無錫供水危機之后,環太湖流域城鎮污水處理廠開始嚴格執行一級 A 標準,并推動了全國城鎮污水處理廠一級A提標改造和擴建、新建工作[2]。但是,即使污水處理廠排放的尾水達到一級A標準,尾水中的污染物濃度仍明顯高于地表水環境質量標準。伴隨著我國污水處理廠建設力度的加大,尾水的排放量將會日益增大,更多的河流不可避免地成為接受尾水污染物的水體。如何治理遭受尾水污染的河流成為較為普遍的問題。

為了避免對地表水的污染,在污水處理廠內對尾水進行深度處理是最為理想的方法。在污水處理廠區內部構建污水深度處理[3]設施,采用混凝、沉淀、過濾、消毒、活性炭吸附等物理、化學方法,對經過二級生物處理之后的尾水進行處理,在尾水進入河道之前進一步削減水中的污染物質。但是由于用地、投資和運行資金等因素的制約,現階段我國大多數城鎮污水處理廠選擇在就近河道進行污水排放的情況非常普遍。因此,因地制宜、利用排放河道以及周邊可利用的條件盡可能減少尾水的污染,是目前這一階段減輕河道污染的可選擇途徑之一。

在不影響河道原有防洪、排澇、灌溉、航運及生態等功能的前提下,如何利用河道本身和周邊的條件進行水質凈化,是一個比較復雜的問題。一方面,不能將河道作為一個污水處理設施來看待,因為會影響河道原有的社會功能和生態服務功能;另一方面,不能無視被污染的河道喪失原有的社會功能、生態功能。如何巧妙利用原有條件,通過提高河道本身的凈化能力,達到處理尾水、減少污染,又盡可能不影響河道原有功能,應該是治理尾水污染河道的要點。

經過近5年的運行,蘇州太倉市雙鳳污水處理廠尾水排放河道治理工程發揮了較好的減污作用,并保持可持續運行。筆者以此為例探討尾水污染河道治理的模式,旨在為尾水污染河道的治理提供借鑒。

1 尾水河道處理模式介紹

1.1 尾水河道旁側生態處理系統

尾水河道旁側生態處理,是一種尾水進入河道之前進行深度處理的模式,多采用生態生物處理技術,其主要特點是充分利用尾水排放河道周邊的土地,構建人工濕地[4]、生物接觸氧化池[5]、生物礫石床[6]、土壤滲濾[7]等處理系統,利用土壤或填料、植物和微生物的綜合作用去除污水處理廠尾水中的污染物質,保護尾水受納河道。由于這種尾水深度處理充分利用了當地的地形條件,因此往往能夠減少投資、運行及維護費用,并且由于可以構建豐富的生態系統,因而具有良好的景觀效果。

但是,由于尾水河道旁側生態處理主要采用生態處理技術,較之污水處理廠內的物理化學處理技術,其除污能力較低,意味著處理同樣的水量、水質需要更大的土地面積。因此,此種模式非常適合于污水處理廠與尾水受納河道之間有足夠的可利用土地,或受納河道有較寬的河岸緩沖帶。

1.2 尾水河道生態生物處理模式

尾水河道生態生物處理,主要是利用受納河道的部分斷面或部分河段作為處理系統,在未經深度處理的污水處理廠尾水直接排入河道時,利用河道條件進行污水處理[8],但前提是不影響河道的原有功能。尾水河道生態生物處理采用的技術主要包括:生態浮床[9]、生物塘[10]、河道曝氣[11]、生態護坡[12]、生物膜強化凈化[13]等單項技術或幾種技術組合。采用此種深度處理模式需考慮尾水排放河道的等級、功能、斷面特點等具體條件。實際上這些技術措施都會對河道的功能產生影響,因此,必須分析對象河道原有的功能,才能確定哪些措施適合采用。一般來講,過于人工化的措施要盡量避免。

2 太倉市尾水受納河道概況

2.1 污水處理廠基本情況

蘇州太倉市雙鳳污水處理廠位于蘇州太倉市雙鳳鎮,處理的污水類型主要為生活污水,采用的工藝為奧貝爾氧化溝,設計出水排放標準為1級B。2009年完成污水處理廠的升級改造工程,出水達到一級A排放標準。雙鳳污水處理廠的設計處理規模為:遠期(2020年)處理規模為10 000 t/d,近期(2010年)處理規模為5 000 t/d,現狀(2009年)污水處理量為1 500～2 000 t/d。

2.2 污水受納河道基本情況

雙鳳污水處理廠外有一條村級河道,在污水處理廠處成為斷頭狀態,是污水處理廠尾水排放河道,尾水排放口的位置詳見圖1。該村級河道在污水處理廠的河段不作為主要的排澇和泄洪通道,也沒作通航的要求。該河道斷面寬約20 m,水深約2 m,水流平緩。河道靠近污水處理廠的一岸為人工直立護岸,對岸為自然狀況的自然岸坡,地形較為平緩。

圖1 太倉雙鳳污水處理廠排放尾水河道

2.3 污水處理廠和尾水受納河道的水質情況

表1是實測的雙鳳污水處理廠的出水及尾水受納河道的水質情況。污水處理廠排放Ⅰ級A標準的COD指標以CODCr計，地表水Ⅳ類標準、雙鳳污水處理廠尾水和受納河水的COD指標以CODMn計。

表1 污水處理廠達標出水、地表水標準及現場監測水質指標對比 mg/L

注:①為2009年7月13日現場取樣測定的污水處理廠尾水水質指標;② 為同時測定的雙鳳尾水河道的水質指標。

由表1可以明顯看出:雙鳳污水處理廠尾水水質已經達到污水處理廠排放標準Ⅰ級A要求,但超過地表水Ⅳ類水標準,尤其TN超標嚴重。尾水的水質特點為典型的低碳高氮污水,這意味著所選用的水質強化凈化處理技術應具有較強的脫氮效率。

3 尾水河道處理技術示范工程設計

根據太倉市雙鳳污水處理廠尾水類型、污染物特征、尾水的入河方式及排放河道的水文、水質、地形、河道斷面等實際情況,進行雙鳳污水處理廠尾水河道處理技術示范工程設計,以進一步削減雙鳳污水處理廠尾水中的污染負荷,改善尾水受納河道的水質。

3.1 方案布置

方案主要包括兩部分內容:污水處理廠尾水的水質強化凈化系統工程和河道的生態凈化系統工程。

3.1.1 水質強化凈化區

由于污水處理廠處的河段沒有具體的使用功能要求,因此可充分利用此斷頭浜實施污水處理廠尾水的強化凈化工程,進一步削減尾水中的污染物。水質強化凈化區采用的主要技術包括:“太陽能曝氣+生物接觸氧化+浮床”系統、濕地塘系統和生態護坡技術。

利用管道將污水處理廠的尾水引入斷頭浜的盡端,尾水依次流經“太陽能曝氣+生物接觸氧化+浮床”系統、濕地塘系統,然后從人工壩頂溢流進入受納河道。

3.1.2 河道生態凈化區

對尾水受納河道的生態修復主要包括對直立護岸的生態修復及對原有天然濕地的修復,目的是改善尾水受納河道水質狀況,恢復河道生態功能。

方案布置詳見圖2。

圖2 雙鳳污水處理廠尾水河道治理工程方案布置(單位：m)

3.2 設計內容

3.2.1 水質強化凈化區

雖然目前雙鳳污水處理廠尾水排放水質優于Ⅰ級A標準,但為安全考慮,水質強化凈化區系統的設計進水水質按Ⅰ級A標準設計,出水水質按地表水Ⅳ類水水質標準設計。另外,盡管污水處理廠的現狀污水處理量僅有1 500 t/d,但從安全角度考慮,凈化系統的處理規模水量按5 000 t/d(近期設計污水處理量)設計。

a. 太陽能曝氣系統。曝氣系統主要提供生化反應過程中微生物所需的氧氣,供氧的強度及均勻性對微生物凈化污染物的效果有非常明顯的影響。本設計采用美國先進的SolarBee水循環增氧系統,將該系統安裝于斷頭浜適宜位置。其工作原理為:系統通過太陽能光電板將太陽能轉化為電能,驅動泵工作,把水體深處含氧量較低的水通過軟管抽取到上部,并通過分水盤以一種近層流的方式重新分布,在水表面進行復氧,同時產生縱向的高速流,攪動整個水體,使表面水體和下層水體不斷更新交換、復氧,從而整個水體得以均勻混合。

b. 生物接觸氧化系統。為了保證尾水凈化效果,借鑒污水生物膜處理工藝中凈化效果較為穩定、應用較成熟的生物接觸氧化法,將生物接觸氧化法作為工藝主體。污染物去除的主要目標為有機物和TN,將生物膜區域分為硝化區和反硝化區。

在本設計中,生物接觸氧化法的池容采用“氨氮負荷(Nf)”進行設計,設計中取氨氮負荷Nf為0.05 kg/(m3/d),計算得到所需硝化區長度為24 m。考慮到遠期規劃,并結合斷頭浜尺寸,取硝化區長度為36 m。反硝化區長度按硝化區的1/3計算,則長度為12 m。工程采用的填料為高效立體彈性纖維填料。

污水處理廠尾水是一種典型的低碳高氮污水,為了提高TN的去除效率,需補充反硝化碳源。根據筆者課題組的研究成果,蘆葦稈的分解能釋放出大量的有機物,可顯著提高脫氮效率。而且蘆葦是岸邊天然濕地中的主要物種,來源有保證,因此,本設計中采用蘆葦稈作為有機碳源,添加量為100 kg。將蘆葦以簾狀形式布置在從硝化區進入反硝化區的過水斷面。

c. 濕地塘。濕地塘所占水面面積大約為300 m2。在濕地塘種植睡蓮等浮葉植物,利用植物和微生物的作用去除水中的污染物,還可增加濕地塘景觀生態效果。

d. 浮床。按照一定的間隔,將浮床布置在生物接觸氧化池水面以上0.5 m水深的位置。這一方面通過植物根系和填料生物膜上的微生物作用對污染物進行降解,吸收水中N、P,發揮浮床凈化水質的作用,另一方面浮床上的水生植物也會產生一定的景觀效果。

e. 生態護坡。水質強化凈化區所在河段的河岸為土壤基質,河岸上長滿雜草和灌木。對河岸進行修整后,種植菖蒲、香蒲等當地水生植物。這些植物的主要作用是攔截面源污染,并改善河道的自然狀態。

3.2.2 河道生態凈化區(未建)

尾水受納河道靠近污水處理廠的一側為直立型混凝土護岸。原有的河道斷面非常狹窄,不適宜采取在河道中構筑邊坡的修復方式。另外,如果拆除現有的直立護岸,要花費高額的人力、物力和財力。基于此,筆者設計了3種原位生態修復的示范工程方案:第一種是沉床式生態修復方式,即在水下打樁,在樁上安裝沉床。可以從河岸向河中心將樁設計成一定的高度梯度,篩選不同類型的水生植物,從而,形成不同層次的景觀效果。第二種是浮床式生態修復方式,即在距離直立護岸150 cm地方的河底安裝光滑的套管,套管上套浮床。由于河道水位有一定的波動性,浮床可以隨水面上下浮動,因此產生一定的河道生態景觀效果。第三種也是浮床方式,但是浮床依靠錨或大石來固定。

尾水受納河道的另一側為以蘆葦為主的天然濕地。原有天然濕地的植物生長狀況良好,但植物種類單一,且其中一些灌木產生雜亂無章的景觀效果。對此塊天然濕地,僅需進行簡單修整,去除一些雜亂灌木,并補栽一些其他水生植物,以改善天然濕地生態系統植物的多樣性。

但是,由于種種原因,示范工程中“河道生態凈化區”并未建設。

4 工程實施效果

太倉市雙鳳污水處理廠水質強化凈化系統工程于2009年12月18日開始動工,至2010年3月20日完成生物接觸氧化系統工程的建設及太陽能曝氣系統的安裝調試,2010年4月10日完成生態護坡、濕地塘及浮床工程的建設,工程竣工。

4.1 竣工初期的工程效果

圖3 水質強化凈化系統沿程凈化效果

總體而言,水質強化凈化系統對污水處理廠尾水水質有一定的凈化效果,能夠有效地削減部分污染物質。但系統出水尚未達到地表水環境質量標準的Ⅳ類水標準。分析其主要原因,主要是由于運行初期生物接觸氧化區的填料上沒有形成成熟的微生物系統:一方面,工程統竣工后的2個月時間里,氣溫較低,不利于微生物生長繁殖;另一方面,由于污水處理廠尾水水質達到Ⅰ級A標準,水中的污染物質濃度較低,也不利于微生物掛膜。

4.2 工程的長效運行效果

2014年10月27日,筆者在工程運行4年多后對工程運行效果進行了回訪。

圖4為水質強化凈化系統所在河浜的現狀照片。通過回訪發現,太陽能曝氣系統已經發生故障,停止運行將近2年;生物接觸氧化系統的填料上附著了一層厚厚的褐色剛毛藻;濕地塘中零星漂浮幾處睡蓮;河兩岸的美人蕉及香蒲等大型水生植物生長茂盛,但比較雜亂;水面上沒有看到浮床,據說因無人管理維護,浮床在幾次大風后被吹得東倒西歪,所以被移除出河道。

圖4 太倉雙鳳污水處理廠排放尾水河道(2014-10-27現狀)

對水質強化凈化系統沿程取水樣(取樣位置同圖2)進行水質檢測,測定指標包括TN、TP、COD,測定方法參照《水和廢水檢測分析方法》[14]。各水質指標的沿程去除規律性不顯著,但是整個水質強化凈化系統表現出一定的凈化效果。對2號～6號采樣點的數據取平均值,并與污水處理廠尾水水質進行比較,可以發現,COD、TN和TP的平均去除率分別達到37.1%、27.0%和10.3%,系統出水的 COD、TN和TP平均質量濃度分別為13.30 mg/L、1.10 mg/L和0.05 mg/L,各指標均穩定達到地表水環境質量標準的Ⅳ類水標準(表2)。現場也觀察到水質清澈,可以清晰地看到水面下生物接觸氧化系統的填料,并能夠看到魚在填料的間隙中游動。

5 結 語

本研究根據污水處理廠尾水排放河道的具體條件,充分利用該河道盡頭的斷頭浜這一有利地形,布置水質強化凈化系統,有效地削減了污水處理廠尾水中的污染物質,降低了對尾水受納河道水質的污染程度。筆者對工程的實施效果及運行過程中取得的經驗及存在的問題進行總結和分析,以便為其他工程提供參考。

表2 水質強化凈化系統凈化效果

a. 在進行污水處理廠尾水深度處理的方案設計階段,不要僅僅局限于污水處理廠內部各項深度處理技術的優化比選,還需要充分調研尾水排放河道及其周邊的具體條件,看是否有充分的地形條件、河道斷面可以利用。這對有尾水深度處理和污水處理設施升級改造要求但占地面積嚴重不足的污水處理廠而言尤為重要。

b. 在利用河道進行污水處理廠尾水深度處理設計時,應以不影響河道的原有使用功能為前提,充分考慮河道的防洪、排澇、灌溉、航運及生態等功能的要求,盡量利用沒有上述功能要求的部分河段,充分利用河道附近廢棄的河浜、水塘等。

c. 一定要重視尾水排放河道治理工程后續的維護管理工作,以保證工程的長效持續性運行。雖然通常情況下,尾水河道治理模式的運行管理較為簡單,但仍然需要安排專人負責管理。如果本工程中對太陽能曝氣系統的日常巡查工作正常進行,則有助于及時發現問題。生態護坡、濕地塘及浮床等的植物的收割和維護也需要定期進行。對于尾水受納河道距離污水處理廠較近的工程,可以與污水處理廠進行協商,派專人負責管理;對于受納河道距離污水處理廠較遠的工程,可以與當地的河道管理站進行協商,派專人負責管理。

致謝:衷心感謝太倉市水利局曹炳華副局長及其他工作人員對現場工作的支持,并感謝朱偉教授對本工程設計的指導及在論文撰寫過程中的悉心指點,同時感謝課題組高玉春、胡婧、陳懷民等同學幫助進行現場采樣及水樣測試。

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Renovation to effluent discharging river of sewage treatment plant in Taicang, Suzhou City

ZHAO Lianfang1,2,HUANG Jingyu1,2

(1.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourceDevelopmentonShallowLakes,MinistryofEducation,Nanjing210098,China; 2.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Aiming at the problem of the pollution to effluent discharging river from sewage treatment plant, this paper proposed an idea that taking advantage of the conditions of river itself and surroundings of river to purify the effluent from sewage treatment plant without affecting the original functions of the river. And the purification effects of the demonstration project renovating on the effluent discharging river from sewage treatment plant in Taicang, Suzhou City was studied. The results show that the enhanced purification system set inside the river could further remove the pollutants from the effluent effectively, and the removal efficiency of organic matter, TN, TP were more than 20%, reducing the pollution of the sewage treatment plant on the receiving river.

effluent from sewage treatment plant; advanced sewage treatment; river renovation; Taicang City

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.01.010

國家自然科學基金(51209070);江蘇省科技基礎設施建設計劃(BM2013013)

趙聯芳(1972—),女,副教授,博士,主要從事水體污染控制理論與技術研究。E-mail:lfzhao@hhu.edu.cn

X703

A

1004-6933(2015)01-0063-06

2014-10-31 編輯：彭桃英)