常州新龍生態(tài)林低污染尾水凈化與回用技術(shù)研究

胡 穎，張 蔚(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 50116 ；2. 江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 21147；.常州環(huán)保服務(wù)公司，江蘇 常州 21022)

0 引 言

低污染水一般是指COD、氮磷等特征污染物濃度低于城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)而高于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)V類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)的各種排放水，如地表水、城市污水廠尾水等， 屬于低污染水，其主要的超標(biāo)指標(biāo)為 N 或 P 等營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)。低污染水水質(zhì)雖然屬于輕度污染，但由于水量巨大，如不進(jìn)行有效處理，直接排放至河流或湖泊后，仍會(huì)對(duì)水質(zhì)造成較大影響[1,2]。生態(tài)林是指為了維護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，保持生態(tài)平衡，保護(hù)生物多樣性等滿足人類(lèi)社會(huì)的生態(tài)、社會(huì)需求和可持續(xù)發(fā)展為主體功能的森林、林木和林地。生態(tài)林的構(gòu)建和維護(hù)對(duì)用水有著巨大需求，如能回用污水廠的低污染尾水作為生態(tài)林綠化和景觀用水，則在節(jié)流和減排的同時(shí)，對(duì)低污染尾水進(jìn)行生態(tài)凈化，進(jìn)一步減少外排尾水對(duì)受納水體的污染。常州新北區(qū)在新龍生態(tài)林濕地的建設(shè)中，在營(yíng)造生態(tài)林地—濕地的基礎(chǔ)上，引入常州最大的污水處理廠—江邊污水處理廠尾水為中水水源作為景觀用水和綠化用水，一方面實(shí)現(xiàn)中水回用，另一方面深度處理尾水中污染物，達(dá)到凈化尾水與污水資源化的雙重目標(biāo)，獲得了良好環(huán)境效益和生態(tài)效益。

1 工程概況

1.1 江邊污水處理廠工程概況

常州市江邊污水處理廠是常州市目前最大的城市污水處理廠，遠(yuǎn)期規(guī)模為60 萬(wàn)m3/d。一期工程2005年年底投產(chǎn)運(yùn)行，處理能力為10 萬(wàn)m3/d，采用改良A2/O(MUCT)工藝。2009年擴(kuò)建二期工程10 萬(wàn)m3/d，并進(jìn)行提標(biāo)改造，采用水解酸化+改良A2/O(MUCT)+高密度澄清池+V型濾池+ClO2消毒工藝。2012年三期工程擴(kuò)建10 萬(wàn)m3/d，采用改良A2O+高效沉淀池+V型濾池+ClO2消毒污水處理工藝，出水達(dá)到國(guó)家一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[3]。2013年啟動(dòng)四期擴(kuò)建工程，規(guī)模20 萬(wàn)m3/d。四期工程建成后，江邊污水廠形成至少50 萬(wàn)m3/d的處理能力。江邊污水處理廠達(dá)標(biāo)尾水通過(guò)排江泵站排入長(zhǎng)江，由于常州市排江總量指標(biāo)的限制，從三期工程開(kāi)始必須至少利用4 萬(wàn)m3/d的尾水，以達(dá)到減排的目的。污水的再生利用是污水廠節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)于水質(zhì)型缺水的常州市，不僅能使有限的淡水資源得到合理利用，同時(shí)可以減少排入水體的污染物。江邊污水處理廠處理后的尾水已達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，可滿足再生水利用的要求。

1.2 新龍生態(tài)林工程概況

常州新龍生態(tài)林是常州首個(gè)以“林”為核心、體現(xiàn)野趣自然的“城市森林”，旨在以原生態(tài)森林為載體，著力于改善城市生態(tài)環(huán)境，打造滿足市民康體健身活動(dòng)的多功能森林綠地。生態(tài)林總用地面積為540 hm2，東西長(zhǎng) 9.7 km，南北最大寬度928 m，一般寬度為500 m[4]。生態(tài)林工程主要建設(shè)生態(tài)防護(hù)林、水體景觀、配套用房、道路、停車(chē)場(chǎng)等，建設(shè)生態(tài)防護(hù)林占地面積2 114 391 m2；因堆坡所需外運(yùn)土方2 224 553 m3，水系開(kāi)挖土方4 305 932 m3；水體景觀營(yíng)造面積677 227 m2，整個(gè)工程對(duì)水量的需求非常巨大。

2 尾水回用與凈化項(xiàng)目水量與水質(zhì)分析

常州新龍生態(tài)林濕地低污染尾水回用與凈化項(xiàng)目是國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)—太湖富營(yíng)養(yǎng)化控制與治理技術(shù)及工程示范項(xiàng)目的成果應(yīng)用。項(xiàng)目利用靠近江邊污水廠的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)現(xiàn)有生態(tài)林布局、規(guī)模及可利用中水區(qū)域，設(shè)計(jì)中水利用量8 萬(wàn)m3/d。中水用于生態(tài)林濕地補(bǔ)水，并通過(guò)生態(tài)凈化，進(jìn)一步凈化中水水質(zhì)，達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類(lèi)水質(zhì)排放。

2.1 尾水回用水量平衡分析

設(shè)計(jì)的8 萬(wàn)m3中水采用多點(diǎn)進(jìn)水，多點(diǎn)出水的方式，通過(guò)DN1000 mm管道多點(diǎn)輸送到水上森林濕地、垂直流濕地、表面流濕地、溪流濕地和河道濕地，其水量平衡如圖1所示。

圖1 中水回用水量平衡圖

2.2 尾水回用水質(zhì)分析

生態(tài)林工程以江邊三期出水作為再生水進(jìn)行利用，對(duì)江邊污水處理廠三期出水實(shí)際水質(zhì)進(jìn)行分析，在5個(gè)月中其水質(zhì)指標(biāo)濃度變化出現(xiàn)的頻率如表1所示。

表1 江邊污水處理廠三期出水水質(zhì)頻率表

據(jù)此推算出江邊污水處理廠三期出水實(shí)際保證率如表2所示。

表2 江邊污水處理廠三期出水實(shí)際水質(zhì)保證率

從表2可以看出，在江邊污水處理廠三期正常運(yùn)行時(shí)，出水水質(zhì)達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類(lèi)及Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的保證率分別為84%和95%,遠(yuǎn)優(yōu)于污水處理廠I級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 用作中水原水的水質(zhì)分析

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析計(jì)算，進(jìn)入新北區(qū)生態(tài)林的江邊污水處理廠中水水質(zhì)為：化學(xué)需氧量(CODcr)< 25 mg/L，氨氮(NH3-N)<1.0 mg/L, 總氮(TN)<12 mg/L，總磷(TP)<0.3 mg/L。常州市的風(fēng)景觀賞河道依據(jù)國(guó)家《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB3838-2002)》，基本上屬于Ⅳ類(lèi)河道。如果用污水廠處理出水作為河道生態(tài)補(bǔ)水，其水質(zhì)應(yīng)達(dá)到相應(yīng)級(jí)別的水質(zhì)要求。將污水廠深度處理出水與Ⅳ類(lèi)河道水質(zhì)比較，可以看出污水廠深度處理出水除總氮外，其余指標(biāo)均高于Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示。

表3 中水進(jìn)水水質(zhì)與地表水Ⅳ類(lèi)水水質(zhì)比較 mg/L

經(jīng)分析比較，可考慮使用江邊污水廠的再生水作為生態(tài)林的綠化和景觀用水，經(jīng)生態(tài)林生態(tài)凈化后的出水作為Ⅳ類(lèi)水體河道的補(bǔ)充水源。

3 生態(tài)凈化工藝及說(shuō)明

人工濕地和生態(tài)溝渠因投資運(yùn)行費(fèi)用低、二次污染少、操作簡(jiǎn)單、處理效果穩(wěn)定，作為簡(jiǎn)單而實(shí)用的水污染修復(fù)技術(shù)，被越來(lái)越多地用于污水處理廠尾水的深度處理[5-6]。新龍生態(tài)林工程作為一個(gè)大規(guī)模的生態(tài)補(bǔ)償森林綠地，在對(duì)中水進(jìn)行凈化回用時(shí)，一方面要求水處理成本低、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單；另一方面也要求具有良好的水體景觀效果，而集“生態(tài)水景”和“水中處理”功能于一體的人工濕地和生態(tài)溝渠能夠很好地滿足這兩方面的要求[7]。

3.1 工藝設(shè)計(jì)原則

在生態(tài)林-濕地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，考慮以下原則。

(1)利用原有的設(shè)計(jì)地形，建立多樣的濕地處理系統(tǒng)，有效削減尾水中氮磷污染物含量。

(2)人工濕地與生態(tài)林建設(shè)融為一體，營(yíng)造豐富多樣的水體生態(tài)景觀。

(3)有效維護(hù)生態(tài)安全，控制中水回用的生態(tài)和健康風(fēng)險(xiǎn)。

(4)利用濕地水生植物和富含磷的基質(zhì)，通過(guò)堆肥形成有機(jī)肥，實(shí)現(xiàn)尾水氮磷營(yíng)養(yǎng)物的資源化。

(5)克服傳統(tǒng)生態(tài)技術(shù)在冬季受氣候及植物生長(zhǎng)周期影響除磷脫氮效率低下的問(wèn)題，保證中水回用系統(tǒng)和生態(tài)林的長(zhǎng)效運(yùn)行。

3.2 主要處理工藝及參數(shù)

新龍生態(tài)林不同形態(tài)濕地處理系統(tǒng)主要工藝相關(guān)參數(shù)如表4所示。

3.3 工藝特點(diǎn)

新龍生態(tài)林作為生態(tài)補(bǔ)償工程和城市濕地公園，設(shè)計(jì)了湖泊、河流片段、開(kāi)敞水面、淺灘、溪流等不同的形式的水體類(lèi)型，并充分考慮不同地形條件下產(chǎn)生的多樣性的水體景觀效應(yīng)[8]，其主要的工藝特點(diǎn)有。

表4 濕地處理系統(tǒng)主要工藝及相關(guān)參數(shù)

(1)垂直流濕地。垂直流人工濕地硝化作用相對(duì)較強(qiáng)，是廢水凈化的可靠天然處理系統(tǒng)[1]。本項(xiàng)目中的垂直流人工濕地填料采用碎石、細(xì)石、土壤、改性生物質(zhì)炭等。設(shè)計(jì)水生植物發(fā)酵罐60 m3，采用磚混結(jié)構(gòu)。采用高效固氮和固磷吸附——生物再生技術(shù)，以及自循環(huán)生物補(bǔ)碳脫氮技術(shù)，進(jìn)行反硝化脫氮，進(jìn)一步去除中水中硝態(tài)氮、COD，同時(shí)通過(guò)吸附固磷削減中水中磷素。

(2)水生森林濕地。水生森林是指以喬木為主的生態(tài)濕地[9]，種植極耐水濕特性的樹(shù)種，賴(lài)水而生，長(zhǎng)成大樹(shù)，形成森林。新龍生態(tài)林項(xiàng)目的水生森林濕地采用梯田式構(gòu)造，種植池杉、水杉、河柳等濕生喬木為主，與周邊環(huán)境融為一體，形成城市“綠肺”，濕地對(duì)中水進(jìn)行凈化，其水深30～40 cm。

(3)表面流濕地。表面流人工濕地不需要礫石或土壤作為介質(zhì)，一般只需利用天然河道或洼地改造而成，在底部鋪以防滲材料或者利用天然防水屏障以阻止污水中有害物質(zhì)進(jìn)入地下水系[1]。在濕地的下層鋪上滲水性能較好的介質(zhì)，并種植沉水植物、挺水植物和浮水植物，形成不同景觀類(lèi)型的表面流濕地。

(4)溪流濕地。溪流濕地是在地勢(shì)相對(duì)波折陡峭，水流速度變化多端時(shí)形成的動(dòng)水景觀[10]。溪流作為一個(gè)小型的濕地系統(tǒng),具備了濕地?fù)碛械母鞣N生態(tài)功能[11]。本項(xiàng)目的溪流濕地采用水生植物增氧技術(shù)和好氧反硝化同步脫氮技術(shù)，去除水體中硝態(tài)氮。

(5)河道濕地。河道濕地是本項(xiàng)目中規(guī)模最大的處理單元，采用生態(tài)溝渠技術(shù)構(gòu)建，優(yōu)化水流流態(tài)以增加水力停留時(shí)間，從而提高TN和TP的去除率[12]。對(duì)原有河道岸基進(jìn)行改性，添加納米材料，提高固磷能力，添加量0.1%，厚度5 cm。在基地改造基礎(chǔ)上，岸邊梯度種植挺水植物、浮葉植物、沉水植物等，種植品種包括沉水植物：穗狀狐尾藻、菹草、伊樂(lè)藻；浮葉植物：田字萍、睡蓮；漂浮植物：浮萍；挺水和濕生植物：鳶尾、再力花、藍(lán)花梭魚(yú)草、狹葉香蒲、蘆葦、菰、水蔥、蓼、雙穗雀稗、水芹、南美天胡荽和苔草，在岸邊臺(tái)地上水生植物種植平均寬度5 m，利用水生動(dòng)植物聯(lián)合凈化，實(shí)現(xiàn)氮磷深度削減，同時(shí)，提高水體溶解氧。

本項(xiàng)目中,中水回用于景觀用水、濕地生態(tài)凈化系統(tǒng)總水力停留時(shí)間為2.5～3 d。

3.4 工程中采用的關(guān)鍵技術(shù)

南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院和常州環(huán)?？萍奸_(kāi)發(fā)推廣中心承擔(dān)了“十二五”國(guó)家重大水專(zhuān)項(xiàng)《低污染水生態(tài)技術(shù)集成研究與工程示范課題》，開(kāi)展了大量污水處理廠尾水深度生態(tài)凈化技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)了系列高效的生態(tài)凈化深度處理技術(shù)，并應(yīng)用于江邊污水廠尾水凈化與回用工程中，應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)如下。

(1)自循環(huán)生物補(bǔ)碳脫氮技術(shù)。項(xiàng)目運(yùn)用了自循環(huán)生物補(bǔ)碳脫氮技術(shù)，以解決污水處理廠尾水碳源不足影響反硝化脫氮的難題。污水處理廠生化尾水中TN一般在10～14 mg/L，以硝態(tài)氮為主，需要進(jìn)行反硝化脫氮才能使總氮小于8 mg/L。人工濕地的反硝化碳源主要來(lái)自于污水處理廠生化尾水，但是由于尾水中的溶解性有機(jī)碳濃度很低，因此需要使用外加碳源提供反硝化電子供體。水生植物是人工濕地重要組成部分，在厭氧條件下分解可釋放出單糖和其他營(yíng)養(yǎng)元素，作為反硝化碳源。本項(xiàng)目應(yīng)用了自碳源利用技術(shù)，利用水生植物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生有機(jī)酸，然后投入到人工濕地中，進(jìn)行反硝化脫氮。

(2)人工濕地冬季物化強(qiáng)化脫氮除磷技術(shù)。人工濕地處理技術(shù)在冬季時(shí)受氣溫影響，除磷脫氮效率降低，課題組針對(duì)此開(kāi)發(fā)了人工濕地冬季物化強(qiáng)化脫氮除磷技術(shù)。由于污水處理廠生化尾水具有一定的溫度，在冬天能保持在8～12 ℃，將熱阻力比較大的隔離物如水生植物鋪在人工濕地的頂部，減少污水向大氣的熱量損失，實(shí)現(xiàn)保溫的目的。表面流濕地冬季種植耐寒能力強(qiáng)的鳶尾、菹草等水生植物，提高冬季氮磷削減的能力。同時(shí)菹草作為反硝化補(bǔ)碳的原料，通過(guò)向系統(tǒng)中添加碳源，提高BOD/NO-3-N有利于反硝化進(jìn)行，氮去除率從30%提高到80%～90%，以實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用。

(3)生態(tài)凈化長(zhǎng)效運(yùn)行技術(shù)。傳統(tǒng)生態(tài)技術(shù)在冬季受氣候及植物生長(zhǎng)周期影響面臨除磷脫氮效率低的問(wèn)題，從而難以保證生態(tài)凈化工程長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)行。新龍生態(tài)林項(xiàng)目比選低污染水生態(tài)凈化所用的濕生、水生植物等經(jīng)濟(jì)生物，利用冬季保溫方法，篩選出適用于秋冬季運(yùn)行的植物種類(lèi)以及可用于生態(tài)凈化的經(jīng)濟(jì)水生植物種群，比選各種水生、濕生花卉、苗木的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和對(duì)低污染水的凈化效率，在模塊化組裝和組合上建立基于自循環(huán)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)鏈技術(shù)，將示范工程建設(shè)成為水生花卉生產(chǎn)基地，實(shí)現(xiàn)植物資源化與景觀化，從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上實(shí)現(xiàn)生態(tài)處理的長(zhǎng)效運(yùn)行。

3.5 水質(zhì)凈化效果分析

中水經(jīng)各生態(tài)凈化工藝流程后，其進(jìn)出水水質(zhì)變化見(jiàn)表5。

表5 生態(tài)林各工藝單元進(jìn)出水水質(zhì)

將中水進(jìn)出水水質(zhì)現(xiàn)地表水環(huán)境Ⅲ類(lèi)水水質(zhì)指標(biāo)比較如圖2所示。

圖2 中水進(jìn)出水水質(zhì)與地表水環(huán)境Ⅲ類(lèi)水質(zhì)指標(biāo)

從圖2可以看出，中水出水各項(xiàng)指標(biāo)除總氮外均優(yōu)于地表水Ⅲ類(lèi)，就地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)而言，河道水質(zhì)總氮不作為考核指標(biāo)，但由于水體中過(guò)高的硝態(tài)氮會(huì)在天然河道水體中轉(zhuǎn)化為氨氮，因此，需要在凈化工藝中進(jìn)行反硝化脫氮，降低中水中硝態(tài)氮濃度。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)常州新龍生態(tài)林對(duì)江邊污水廠8 萬(wàn)m3/d的低污染尾水進(jìn)行回用，并對(duì)尾水中的污染物進(jìn)行深度處理，達(dá)到減少污染物排放和污水資源化的雙重目標(biāo)。

(2) 新龍生態(tài)林作為生態(tài)補(bǔ)償工程和城市濕地公園，組合了水上森林濕地、垂直流濕地、表面流濕地、溪流濕地和河道濕地等不同水流形態(tài)和景觀效應(yīng)的人工濕地對(duì)污水處理廠尾水進(jìn)行生態(tài)凈化。

(3)新龍生態(tài)林項(xiàng)目運(yùn)用自循環(huán)生物補(bǔ)碳脫氮技術(shù)、人工濕地冬季物化強(qiáng)化脫氮除磷技術(shù)、生態(tài)凈化長(zhǎng)效運(yùn)行技術(shù)，克服了傳統(tǒng)尾水碳源不足影響反硝化脫氮和冬季受氣候及植物生長(zhǎng)周期影響除磷脫氮效率低的難題，保證生態(tài)凈化工程長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)中水出水水質(zhì)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量》Ⅲ類(lèi)水體標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境效益和社會(huì)效益顯著，為低污染尾水回用于生態(tài)補(bǔ)償工程進(jìn)行生態(tài)凈化作了良好的工程示范。

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[1] 仝欣楠.蘆葦對(duì)人工濕地脫氮效果影響研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2014.

[2] 凌子微.處理低污染水的復(fù)合人工濕地脫氮過(guò)程[D].上海:上海交通大學(xué)，2013.

[3] 戴羅平.常州市江邊污水廠三期工程的設(shè)計(jì)與運(yùn)行[J].中國(guó)給水排水，2012,28(22):62-66.

[4] 江天舒.常州新北區(qū)打造城市第一“綠肺”[N].常州日?qǐng)?bào)，2014-04-09.

[5] 吳 丹，繆愛(ài)軍，李 麗，等.表面流人工濕地不同植物及其組合凈化污水處理廠尾水研究[J]. 水資源保護(hù)，2015,31(6)：115-121.

[6] 余紅兵.生態(tài)溝渠水生植物對(duì)農(nóng)區(qū)氮磷面源污染的攔截效應(yīng)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[7] 劉 曦，陳芳清，楊 丹，等.垂直流人工濕地系統(tǒng)中氮去除影響因素的研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43(15):226-228.

[8] 李 娜.濕地公園水體景觀設(shè)計(jì)研究[D].北京：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，2015.

[9] 王其超，張行言.保護(hù)濕地森林，開(kāi)發(fā)生態(tài)旅游——以武漢漲渡湖水上森林為例[J]. 農(nóng)業(yè)科技與信息：現(xiàn)代園林，2008,(5)：1-5.

[10] 干 瑜.城市溪谷型濕地景觀恢復(fù)與重建研究——以重慶馬鞍溪濕地公園為例[D].重慶：西南大學(xué)，2012.

[11] 殷婷.城市綠地人工溪流景觀設(shè)計(jì)研究.[D]. 長(zhǎng)沙：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[12] 王 令， 王文杰， 夏訓(xùn)峰.生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)村生活污水脫氮除磷效果的研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38(8)：196-199.