潛流濕地及曝氣礫石床對(duì)污水廠(chǎng)尾水凈化工藝包研究

劉 敏

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200335)

城市水環(huán)境治理工程一般重點(diǎn)先行解決直排、合流溢流及混錯(cuò)接等污染問(wèn)題,對(duì)污水廠(chǎng)尾水的深度處理相對(duì)滯后.近幾年,我國(guó)污水處理廠(chǎng)和污水年處理量持續(xù)增加(見(jiàn)圖1),截至2019年底,污水處理廠(chǎng)已突破4 000座,年污水處理量已突破600億m3[1].污水廠(chǎng)尾水具有排放量大且集中的特點(diǎn),我國(guó)多數(shù)達(dá)標(biāo)排放的尾水仍是劣Ⅴ類(lèi)水[2-3].相比于黑劣水體,污水廠(chǎng)尾水屬于一種低污染水,低污染水積累的氮化合物被認(rèn)為是我國(guó)水體富營(yíng)養(yǎng)化和生態(tài)毒性的主要誘因[4],隨著城鎮(zhèn)人口數(shù)量激增,尾水生態(tài)處理的重要性與緊迫性逐漸凸顯.

圖1 我國(guó)近年城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)數(shù)量及污水年處理量

作為典型的生態(tài)處理技術(shù),人工濕地是削減尾水出水中污染物的有效工藝之一[5],近幾年對(duì)尾水等低污染水的深度處理已成為污水處理研究的重要方向[1,3,6].水平潛流濕地因其具有污染去除率高、占地面積小、后期維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),在土地資源相對(duì)緊張的地區(qū)頗受青睞[7].

我國(guó)潛流濕地的系統(tǒng)研究與規(guī)模化應(yīng)用已有30多年的歷程,國(guó)家先后出臺(tái)諸多相關(guān)規(guī)范和技術(shù)導(dǎo)則指導(dǎo)工程建設(shè)[8];同時(shí)隨著相關(guān)研究的不斷發(fā)展也有了諸多的變型應(yīng)用,包括新型混合填料、曝氣礫石床等.隨著各地尾水型人工濕地工程實(shí)踐的增多,更高的需求被提出,如增加負(fù)荷減小占地、提高脫氮除磷效能、最佳適配工況總結(jié)、優(yōu)化運(yùn)維管理設(shè)計(jì)、賦能生態(tài)價(jià)值實(shí)現(xiàn)等,其中優(yōu)化工況參數(shù)同時(shí)總結(jié)不同指標(biāo)最佳凈化組合,也成為尾水型人工濕地理論研究的熱點(diǎn).目前,此類(lèi)研究多為在實(shí)驗(yàn)室等靜態(tài)條件下利用模擬污水進(jìn)行的單一濕地類(lèi)型多工況或單一工況多類(lèi)型研究,為此本文在室外動(dòng)態(tài)條件下利用尾水排水對(duì)不同類(lèi)型水平潛流濕地凈化效果進(jìn)行了探究,并探討了不同強(qiáng)化措施、工況對(duì)其凈化效果的影響,提出去除不同污染物的最佳工藝包設(shè)計(jì)方案,以為進(jìn)一步豐富尾水型潛流濕地理論研究體系,為人工濕地在污水廠(chǎng)尾水深度凈化的廣泛應(yīng)用提供科學(xué)參考.

1 實(shí)驗(yàn)與方法

1.1 供試場(chǎng)地概況

供試設(shè)施建設(shè)于上海某污水處理廠(chǎng)末級(jí)處理池旁,該廠(chǎng)已建成日處理20萬(wàn)t污水規(guī)模.主要設(shè)計(jì)工藝為A/O,后通過(guò)投加填料的MBBR工藝、反硝化深床濾池工藝進(jìn)行提標(biāo)改造.設(shè)計(jì)出水為《城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),實(shí)際出水多優(yōu)于一級(jí)A(見(jiàn)表1).

表1 供試尾水水質(zhì)

注:ND表示低于檢出限.

1.2 供試設(shè)施及工藝設(shè)計(jì)

模塊化潛流濕地系統(tǒng)主體通過(guò)PVC(DN50)給水管連接不銹鋼板水槽構(gòu)建,借助流量計(jì)、蠕動(dòng)泵、風(fēng)機(jī)、閥門(mén)等配件實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工況的設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)設(shè)施平面設(shè)計(jì)情況見(jiàn)圖2,其中高位水箱與兩座集水池長(zhǎng)×高×寬均為1 m×1 m×1 m,并用磚砌支墩提高水位.高位水箱用于儲(chǔ)存污水廠(chǎng)尾水,集水池用來(lái)實(shí)現(xiàn)均勻配水及不同工況的轉(zhuǎn)換.曝氣礫石床(LSCQL)設(shè)計(jì)長(zhǎng)×高×寬為3 m×1.5 m×0.6 m,中間用無(wú)銹網(wǎng)分割為進(jìn)水區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)、回流渠道、沉淀段、出水區(qū).4座潛流濕地池設(shè)計(jì)尺寸長(zhǎng)×高×寬均為2.4 m×1.4 m×1.0 m,場(chǎng)地內(nèi)滿(mǎn)鋪碎石.

圖2 模塊化實(shí)驗(yàn)設(shè)施平面分布

設(shè)施連接情況見(jiàn)圖3.尾水通過(guò)虹吸進(jìn)入高位水箱,其內(nèi)通過(guò)浮球閥控制水位,自流入集水池A和B實(shí)現(xiàn)布水,各裝置前后端配有流量計(jì)和控制閥來(lái)設(shè)置不同工況.集水池A配有風(fēng)機(jī)和風(fēng)管流量計(jì)用來(lái)進(jìn)行曝氣實(shí)驗(yàn),集水池B配有蠕動(dòng)泵用來(lái)調(diào)節(jié)不同進(jìn)水濃度.曝氣礫石床通過(guò)無(wú)銹網(wǎng)隔板分區(qū),并通過(guò)空氣管實(shí)現(xiàn)好氧區(qū)的曝氣.每座設(shè)施尾端分別設(shè)置采樣口和溢流管,溢流管終端連接到就近排水渠.

圖3 各模塊管線(xiàn)接連圖

剖面圖及水位設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4.曝氣礫石床設(shè)計(jì)水面線(xiàn)位于地面以上0.7 m,水深1.3 m,缺氧區(qū)、好氧區(qū)、沉淀段池底鋪設(shè)1.3 m高卵石.4座潛流濕地設(shè)計(jì)水面線(xiàn)位于地面以上0.8 m,水深0.8 m,填料高0.85 m,填料以上鋪設(shè)0.25 m高碎石.

圖4 潛流濕地模塊剖面

填料作為潛流濕地系統(tǒng)的主要載體,在污染物削減方面發(fā)揮重要作用,是決定污水處理效果的重要因素[9].國(guó)內(nèi)外近幾年應(yīng)用于潛流濕地的填料種類(lèi),主要包括天然產(chǎn)物、工業(yè)/農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物、人工制備3類(lèi)(見(jiàn)表2)[10].根據(jù)相關(guān)研究[11-12]并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),綜合考慮可獲得性、經(jīng)濟(jì)性、凈化高效性等原則在每一類(lèi)中選擇一種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,分別為礫石潛流模塊(LSQL)、沸石潛流模塊(FSQL)、生物質(zhì)潛流模塊(SWZQL)和改性填料潛流模塊(GXQL),填料形態(tài)見(jiàn)圖5.

表2 人工濕地填料分類(lèi)

(a) 礫石填料;(b) 沸石填料;(c) 生物質(zhì)填料;(d) 改性填料圖5 不同填料形態(tài)

1.3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)工況

表3 設(shè)計(jì)工況

1.4 水樣采集與分析方法

各工況保證有效樣品采集次數(shù)4次,工況切換時(shí)確保至少7 d的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間,如遇極端天氣等外界影響則順延,每次采集進(jìn)水及不同模塊出水水樣.檢測(cè)指標(biāo)共計(jì)13項(xiàng),除pH、溶解氧(DO)兩項(xiàng)指標(biāo)采用便攜式水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),其余水質(zhì)樣品各項(xiàng)指標(biāo)全部由具有CMA資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè).

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類(lèi)型模塊化潛流濕地對(duì)尾水污染物的去除效果

由圖6可見(jiàn),除GXQL外,其余模塊出水pH值為7.67～8.71,在多數(shù)微生物適宜生長(zhǎng)繁殖區(qū)間范圍內(nèi)[14-15];同時(shí)各模塊出水pH均有所升高,其中GXQL出水pH升高最明顯,LSQL變化最小,這與填料本身性質(zhì)有關(guān),與其他相關(guān)研究[16-17]中礫石這類(lèi)天然惰性填料對(duì)濕地pH影響較低的結(jié)果一致.

圖6 各潛流濕地模塊理化指標(biāo)均變化情況

除LSCQL外加曝氣出水DO升高外,各模塊出水DO含量均有所降低,其中LSQL出水DO下降20%左右,SWZQL、FSQL、GXQL降低幅度較為接近,在35%左右.這是由于微生物對(duì)有機(jī)物的作用過(guò)程和脫氮作用均會(huì)消耗大量氧氣[18],而不同填料附著的微生物量存在差別所致.

不同模塊對(duì)尾水中SS均有較好的凈化效果,GXQL和FSQL去除率均在50%以上,LSCQL在40%以上,LSQL和SWZQL在30%以上.這可能因改性填料和沸石填料粒徑相較于礫石和生物質(zhì)填料更小,對(duì)懸浮物的攔截效果更好,而改性填料經(jīng)過(guò)人工加工粒徑較為均一、粒間距更小,故對(duì)SS的去除率較高.

除SWZQL外,各模塊對(duì)TP去除效果均較明顯,去除率均在60%以上,其中LSCQL的去除效果最佳,各濕地模塊均去除率表現(xiàn)為L(zhǎng)SCQL>GXQL>LSQL>FSQL>SWZQL.在廢水中,磷以有機(jī)磷化合物和各種磷酸鹽形式存在,后者居多并主要以顆粒態(tài)或溶解態(tài)存在于溶液、腐殖質(zhì)粒子或水生生物中[19].本研究同步監(jiān)測(cè)了各樣點(diǎn)的可溶性磷酸鹽濃度,由于除SWZQL模塊外,在出水中未檢出可溶性磷酸鹽(濃度低于檢測(cè)限),因此磷形態(tài)以顆粒態(tài)磷為主,主要通過(guò)吸附和沉降作用去除[20-21],故各濕地模塊對(duì)磷的去除效果與SS的去除效果較為相似;而LSCQL除填料對(duì)磷的吸附作用外,曝氣進(jìn)一步促進(jìn)了微生物對(duì)磷的吸收;SWZQL填料主要由農(nóng)林秸稈高溫煅燒而成,運(yùn)行時(shí)填料中磷酸鹽釋放導(dǎo)致其出水TP含量有所升高[10].

從均去除情況來(lái)看,不同濕地模塊對(duì)尾水中的COD與BOD均有一定的去除效果,去除率在10%左右,其中效果最好的為L(zhǎng)SCQL,相較于潛流濕地其他高濃度污水的去除率低很多.這可能因?yàn)镃OD與BOD的分解主要依靠微生物作用,而微污染水體中該類(lèi)降解反應(yīng)效率較低,同時(shí)潛流濕地中有氧環(huán)境較差.

不同模塊對(duì)石油類(lèi)污染物的去除效果表現(xiàn)為均去除率FSQL>GXQL>SWZQL>LSCQL>LSQL,出水均濃度在地表Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)以上.尾水經(jīng)過(guò)不同的潛流濕地模塊處理后,除GXQL外,糞大腸桿菌均有較大程度的降低.除以上指標(biāo),本實(shí)驗(yàn)同步檢測(cè)了磷酸鹽類(lèi)和陰離子表面活性劑兩項(xiàng)指標(biāo),但多數(shù)樣品這兩項(xiàng)指標(biāo)值均低于檢出限.

2.2 不同設(shè)計(jì)工況下潛流濕地模塊對(duì)尾水污染物去除的影響

由圖7可見(jiàn),進(jìn)水pH值較為穩(wěn)定,出水pH均有所升高,但同一類(lèi)型潛流濕地模塊在不同工況下pH變化不明顯.不同工況出水DO有一定差異,工況三出水DO降低幅度較大,可能因延長(zhǎng)了HRT,同時(shí)也延長(zhǎng)了該環(huán)境下微生物反應(yīng)的時(shí)間、對(duì)氧氣的消耗較高所致;工況四中,不同潛流濕地出水DO均有所升高,這可能因?yàn)檫M(jìn)水溶解氧較低情況下,高污染負(fù)荷對(duì)好氧微生物有一定的抑制.

(a) 不同工況pH變化情況;(b) 不同工況DO變化情況;(c) 不同工況SS變化情況;(d) 不同工況TP變化情況;(e) 不同工況亞硝酸鹽變化情況;(f) 不同工況硝酸鹽變化情況;(g) 不同工況氨氮變化情況;(h) 不同工況TN變化情況;(i) 不同工況COD變化情況;(j) 不同工況BOD變化情況圖7 不同設(shè)計(jì)工況下各潛流濕地模塊出水不同指標(biāo)變化情況

同一濕地類(lèi)型不同工況下,工況三提高HRT對(duì)濕地出水SS的影響較為明顯,在進(jìn)水SS較高的情況下,其各類(lèi)濕地出水SS去除率平均在80%以上,其余工況下不同類(lèi)型濕地對(duì)尾水SS的去除率差別不大,去除率在35%～46%之間.SS的去除主要通過(guò)沉淀、過(guò)濾作用,固定的濕地面積、相同的HRT出水SS差別不大,延長(zhǎng)HRT、減緩流速對(duì)其有一定影響.

相比基礎(chǔ)工況一,提高HRT對(duì)濕地出水TP的去除有一定的提升,而增加曝氣、提高C源與N源濃度效果不顯著.

不同工況對(duì)COD和BOD的凈化效果影響趨勢(shì)較為一致,去除率均表現(xiàn)為高碳氮濃度進(jìn)水>增加HRT>增加進(jìn)水曝氣>基礎(chǔ)工況.除工況一,其他3種工況下不同濕地出水COD濃度基本在地表水Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)以上,BOD在Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)以上.

表4 不同指標(biāo)最佳凈化組合信息

3 結(jié)論

基礎(chǔ)工況下,LSCQL對(duì)各類(lèi)污染物的去除效果較好;SWZQL對(duì)各形態(tài)氮素去除效果較好,但有磷二次釋放的風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)用中宜進(jìn)行預(yù)處理[10].改變工況,尤其是進(jìn)水增加曝氣后,各潛流濕地對(duì)污染物的去除能力顯著增強(qiáng),增加HRT有助于潛流濕地對(duì)SS和TP等通過(guò)吸附沉淀作用去除的污染物的凈化效果,即潛流濕地在應(yīng)用中通過(guò)增加曝氣亦可保證其相對(duì)高負(fù)荷下的凈化效率.