生態(tài)組合技術(shù)在城市污水廠尾水水質(zhì)凈化中的應用

王蘭剛

(上海太和水科技發(fā)展股份有限公司,上海 200433)

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展,水資源問題日益嚴重,對污水廠尾水凈化利用受到廣泛研究。目前國內(nèi)城市污水廠出水水質(zhì)以?城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準?(GB18918－2002)一級A 標準為主,其主要指標劣于?地表水環(huán)境質(zhì)量標準?(GB3838－2002)中Ⅴ類水標準限值,尾水直排對河湖水系污染嚴重。因此,對污水廠尾水進行水質(zhì)凈化提標十分必要。生態(tài)組合技術(shù)具有投入成本低、凈化效率高、維護方便及生態(tài)景觀效果好等優(yōu)點,被越來越多的應用于城市污水廠尾水深度凈化工程和微污染水體的生態(tài)修復工程[1－3]。

1 工程概況

凱發(fā)污水處理(明光)有限公司(即明光市城市污水處理廠),設(shè)計處理污水能力為6.0萬m3/d,其主體工藝采用奧貝爾氧化溝處理工藝,污水廠出水水質(zhì)執(zhí)行?城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準?(GB18918－2002)一級A 標準,尾水排入九道灣公園內(nèi)水體,通過北端西側(cè)的閘口進入池河。出水口位置上游約1.2km處為池河國控斷面監(jiān)測點,下游約5km 處為女山湖省級濕地自然保護區(qū),其水質(zhì)要求均為地表水Ⅲ類水標準,明光市城市污水處理廠尾水直排入河嚴重威脅池河及女山湖水質(zhì)。

九道灣公園位于明光市老城區(qū)西側(cè),緊鄰池河,占地面積約1300畝,總建筑面積約44萬m2,水域面積約19.5萬m2。九道灣公園水域為狹長水體,隔嘉山大道分為南公園和北公園兩處,公園內(nèi)水體承納污水處理廠6.0萬m3/d尾水及汛期上游排澇水,受污染負荷沖擊,水質(zhì)波動大,水質(zhì)較差,水體透明度低,加之公園配套綠化景觀良好,草地寬闊,樹木蔥郁,導致水面漂浮有枯枝落葉,水域整體感官不佳,水上水下景觀不匹配。

本工程位于明光市九道灣公園內(nèi),利用現(xiàn)狀水域采用生態(tài)調(diào)蓄區(qū)＋多功能接觸氧化區(qū)＋生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的生態(tài)組合工藝,對明光市城市污水處理廠尾水進行深度凈化,同時改善九道灣公園水體水質(zhì),恢復水體生態(tài)景觀功能。其中,生態(tài)調(diào)蓄區(qū)面積17592m2,水深約1.5～2m;多功能接觸氧化區(qū)面積27677m2,水深約1.5～2m;生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)面積133571m2,水深約2～4.5m。工程位置及總體布置見圖1。

圖1 工程位置及總體布置圖

項目設(shè)計進水為凱發(fā)污水處理廠的尾水,其水質(zhì)為?城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準?中一級A 標準,設(shè)計出水目標為?地表水環(huán)境質(zhì)量標準?(GB3838－2002)中Ⅲ類水標準,主要水質(zhì)指標為化學需氧量(COD)、氨氮(NH3－N)、總磷(TP,以湖、庫計)。

2 工程設(shè)計

2.1 工藝流程

根據(jù)進水水質(zhì)和項目水質(zhì)目標要求,基于節(jié)能環(huán)保的理念、節(jié)約占地的需求和后期維護的方便,同時結(jié)合工程周邊的地形環(huán)境,本項目水質(zhì)凈化工程依托九道灣公園水域作為系統(tǒng)建設(shè)區(qū),采取”生態(tài)調(diào)蓄區(qū)＋多功能接觸氧化區(qū)＋生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)”的生態(tài)組合工藝,其中生態(tài)調(diào)蓄區(qū)和多功能接觸氧化區(qū)位于九道灣南公園,生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)位于九道灣北公園。明光市城市污水處理廠尾水由現(xiàn)狀管網(wǎng)排至九道灣南公園西南角,依靠重力流依次經(jīng)過生態(tài)調(diào)蓄區(qū),通過第一道生態(tài)濾料壩過濾出水進入多功能接觸氧化區(qū),再通過第二道生態(tài)濾料壩進入生態(tài)涵養(yǎng)區(qū),尾水水質(zhì)經(jīng)凈化達標后,從生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)西側(cè)出水排入池河。其工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程圖

2.2 主要處理單元及設(shè)計參數(shù)

2.2.1 生態(tài)調(diào)蓄區(qū)

生態(tài)調(diào)蓄區(qū)依托九道灣南公園尾水進水口處東西向水域進行設(shè)計,面積17592m2,水深1.5～2 m,水力停留時間0.51d。該處理單元主要設(shè)置礫石過濾床(進水口處,面積400 m2,高度1m,格賓石籠結(jié)構(gòu),礫石填料)和漂浮植物(銅錢草/粉綠狐尾藻3688 m2,120 株/m2;睡蓮3040m2,3株/m2)。其主要作用為調(diào)蓄污水處理廠尾水,均量均質(zhì),確保均勻配水,通過設(shè)置礫石過濾床緩沖來水動能,降低流速,配置浮葉植物進一步消能促沉,減緩來水流速,并利用浮葉植物生長掠奪水體營養(yǎng)鹽,初步削減污染物,利用浮葉植物遮光抑藻的作用,降低藍綠藻爆發(fā)風險。

2.2.2 多功能接觸氧化區(qū)

多功能接觸氧化區(qū)依托九道灣南公園尾水進水口處東西向水域進行設(shè)計,面積27677m2,水深1.5～2m,水力停留時間0.8d。該處理單元主要設(shè)置生態(tài)濾料壩2座(前后端各一座,寬1.5m,高度2m,格賓石籠結(jié)構(gòu),鋼渣和石灰石混合填料)、生態(tài)浮床5870.5 m2(網(wǎng)兜框架結(jié)構(gòu),搭配漂浮植物銅錢草、粉綠狐尾藻、水鱉草5870.5m2,120株/m2;生物基填料,64根/m2)、生態(tài)浮島2025.5 m2(浮盆框架結(jié)構(gòu),搭配挺水植物西伯利亞鳶尾、美人蕉、梭魚草2025.5m2,18株/m2;生物基填料,64根/m2)、沉水式曝氣機2套(各7.5kw)、沉水植物7550m2(四季常綠矮型苦草,80株/m2)。其主要作用為強化對尾水凈化,實現(xiàn)對尾水中有機污染物、氨氮和總磷的削減,通過構(gòu)建由水上根系發(fā)達的營養(yǎng)掠奪型漂浮類植物、觀賞性挺水植物和水下生物基填料組成的多功能自然接觸區(qū),形成推流/混流交錯狀態(tài),提高系統(tǒng)污染負荷和抗沖擊負荷,形成營養(yǎng)鹽梯度分布,充分利用系統(tǒng)內(nèi)部(漂浮植物固碳)植物碳源和生物膜內(nèi)部缺氧/厭氧環(huán)境,提高反硝化脫氮效能;構(gòu)建沉水植物區(qū)初步增加水體溶解氧,使中上層水體形成好氧環(huán)境,進一步去除有機污染物;通過根系發(fā)達漂浮植物和沉水植物實現(xiàn)植物吸收磷、植物根系吸附磷以及生態(tài)濾料壩填料吸附磷[4－5]。

2.2.3 生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)

生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)依托九道灣北公園水域進行設(shè)計,面積133571m2,水深2～4.5m,水力停留時間7.2d。該處理單元以“食藻蟲引導的水體生態(tài)修復技術(shù)”為核心,構(gòu)建“草型清水態(tài)”涵養(yǎng)湖泊,主要設(shè)置沉水植物(四季常綠矮型苦草84598m2、刺苦草10609m2、小茨藻10476m2,120株/m2)、浮葉植物(睡蓮1300m2,3株/m2)、水生動物(鳡魚397尾、狗魚397尾,300～500g/尾;青蝦198kg、體長2～3cm;河蚌5343kg、體長4～6cm;環(huán)棱螺13357kg、體長1～2cm),結(jié)合水域形狀布置沉水式曝氣機2 套(各7.5kw)和涌浪機9 套(各2.2kw)。其主要作用為進一步凈化水質(zhì),使出水水質(zhì)穩(wěn)定達標,通過構(gòu)建“控藻浮游動物－水下森林－水生動物－微生物群落”共生系統(tǒng),通過恢復沉水植物群落,發(fā)揮沉水植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收凈化與光合作用放氧功能,構(gòu)建健康完善的水體生態(tài)系統(tǒng),打造草凈水、菌凈水、蟲控藻、魚控蟲、魚控魚、魚控草等能量流動和物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng),實現(xiàn)深度涵養(yǎng)凈化水體水質(zhì),提升水景觀的目的[6－7]。

3 運行效果分析

3.1 主要污染物去除效果分析

明光市污水處理廠尾水凈化系統(tǒng)已于2022年12月開始運行,在項目工程內(nèi)設(shè)置3處采樣點進行水質(zhì)監(jiān)測,研究分析工程運行整體效果,采樣點位置分別在生態(tài)調(diào)蓄區(qū)出水口(S1)、多功能接觸氧化區(qū)出水口(S2)、生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)末端(出水口S3),具體位置詳見圖1。主要監(jiān)測分析指標為COD、NH3－N 和TP,COD 采用重鉻酸鉀法,NH3－N 采用納氏試劑分光光度法,TP采用過硫酸鹽－鉬酸銨分光光度法[8]。監(jiān)測時間:2023年1－8月,采樣頻率:每月一次。工程系統(tǒng)對主要污染物的去除效果見表1。由表1可知,本工程出水水質(zhì)中COD、NH3－N 和TP濃度均值分別為12.5、0.39 和0.041mg/L,出水滿足?地表水環(huán)境質(zhì)量標準?(GB3838－2002)中Ⅲ類水標準限值要求。本工程對COD、NH3－N 和TP 去除率分別達到35.6、73.1 和70.7%,對其削減量分別為151.11、23.21 和2.17t/a,有效削減了尾水中污染物入河排放量。

表1 工程系統(tǒng)對主要污染物的去除效果

由圖3可知,尾水中的主要污染物經(jīng)過生態(tài)調(diào)蓄區(qū)、多功能接觸氧化區(qū)和生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)的生態(tài)組合工藝凈化后,其出水水質(zhì)均可達到地表水Ⅲ類水標準;各處理單元對COD 的去除率從高至低依次為生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)(23.8%)、多功能接觸氧化區(qū)(14.1%)和生態(tài)調(diào)蓄區(qū)(7.2%);對NH3－N 的去除率從高至低依次為生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)(62.5%)、多功能接觸氧化區(qū)(18.7%)和生態(tài)調(diào)蓄區(qū)(11.7%);對TP的去除率從高至低依次為多功能接觸氧化區(qū)(60.0%)、生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)(14.6%)和生態(tài)調(diào)蓄區(qū)(14.3%)。各處理單元均發(fā)揮較好的凈化效果,多功能接觸氧化區(qū)對TP的去除效果最好,生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)對NH3－N 和COD 的去除效果最好。

圖3 各處理單元對COD、NH3－N、TP的去除效果

3.2 效益分析

項目工程利用生態(tài)組合技術(shù)構(gòu)建水質(zhì)凈化系統(tǒng),無二次污染,運行效果穩(wěn)定,出水達到地表水Ⅲ類水標準,有效緩解池河水污染防治壓力;修復明光市九道灣公園水生態(tài)環(huán)境,提升水環(huán)境質(zhì)量和水景觀,保護和恢復河湖生態(tài)廊道和生態(tài)功能多樣化,增強人水和諧程度,為旅游品質(zhì)和人民福祉生活的提升創(chuàng)造良好環(huán)境條件,有效提升居民幸福感和滿意度,具有明顯的生態(tài)環(huán)境效益與社會效益。

項目工程運行后,每天可產(chǎn)生地表Ⅲ類水6.0萬m3,工程出水可代替自來水用于綠化澆灌、道路清掃等。根據(jù)明光市制定的非居民生活用水價格2.24元/m3,回用率按20%計,其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為981.12萬元/a。另外,根據(jù)光合作用方程,生態(tài)系統(tǒng)每產(chǎn)生1.00g植物干物質(zhì)能固定1.63gCO2和釋放1.19gO2,本工程以設(shè)置的四季常綠矮型苦草、刺苦草和小茨藻計算,沉水植物種植面積113233 m2的沉水植物,種植密度120株/m2,單株苦草鮮重9g,干重為鮮重的10%,則每天的固碳量19.93t,每天釋放氧氣量為14.55t,則項目工程的固碳量為7274.45t/a,釋放氧氣量5310.75t/a[9]。根據(jù)造林成本法對其價值進行評價,固定CO2的造林價為1320 元/tC,則產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為960.22萬元/a[10]。

4 結(jié)論

(1)采用生態(tài)組合技術(shù)處理城市污水廠尾水,既可以滿足削減污染物、凈化水質(zhì)的需要,又可以促進九道灣公園親水、清水、可游、可漁的生態(tài)景觀功能恢復,達到“魚翔淺底、水清岸綠、藍綠交織”的景色,全面提升區(qū)域水環(huán)境和生態(tài)品質(zhì)。

(2)工程系統(tǒng)穩(wěn)定后,可以有效凈化污水廠尾水水質(zhì),對COD、NH3－N 和TP去除率分別達到35.6、73.1和70.7%,出水達到地表Ⅲ類水質(zhì)標準(即COD≤20 mg/L,氨氮≤1.0 mg/L,總磷(湖、庫)≤0.05mg/L)。