穩(wěn)定塘+人工濕地耦合系統(tǒng)在盧龍縣粉漿水處理中的應(yīng)用

賈子利

(河北環(huán)境工程學(xué)院，河北 秦皇島 066102)

1 盧龍縣粉漿水污染現(xiàn)狀

盧龍縣位于河北省東北部，屬秦皇島市轄縣，由于土壤、氣候等條件適宜，甘薯栽植已有150多年歷史，甘薯已成為全縣第一大主栽作物。1996年，盧龍縣被國家命名為“中國甘薯之鄉(xiāng)”，常年有約12萬畝的甘薯種植面積，品種達36種以上，為盧龍縣甘薯加工業(yè)提供了充足且優(yōu)良的原料，甘薯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)已成為全縣農(nóng)業(yè)特色主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。然而甘薯加工業(yè)大多以家庭作坊為主，設(shè)施簡陋、工藝落后，缺少必要的污水處理設(shè)施是這類甘薯加工作坊的共同特征。近幾年，隨著甘薯加工業(yè)的快速發(fā)展，每年需要排放數(shù)百萬t粉漿水，這些含有大量COD、BOD5、N、P等有機污染物的粉漿水大部分被直接排入了河流，嚴(yán)重影響了周邊水質(zhì)，粉漿水已經(jīng)成為盧龍縣河流污染的主要源頭。盧龍縣環(huán)境監(jiān)測站的河流水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，西洋河康各莊監(jiān)測斷面河流水質(zhì)在秋季甘薯加工季節(jié)惡化至劣V類，嚴(yán)重威脅了水中魚類的生存。此外，粉漿水污染也對周邊居民飲用水安全帶來了隱患，尤其是粉漿水厭氧發(fā)酵后使得水體發(fā)黑發(fā)臭，嚴(yán)重影響周邊居民的生活品質(zhì)。粉漿水污染治理問題已經(jīng)成為盧龍縣環(huán)境綜合整治的頑疾，當(dāng)?shù)卣畼O為重視粉漿水污染的治理問題。

2 粉漿水的水質(zhì)特征

粉漿水主要來源于甘薯加工過程，是一種高濃度有機廢水。有機物在水中主要呈現(xiàn)3種形態(tài)：懸浮態(tài)、膠體態(tài)、溶解態(tài)[1，2]。通常不同的時間、不同的地點所采集的水樣，其水質(zhì)特征均存在一定的差異，這種差異主要來源于生產(chǎn)工藝的不同及采樣誤差，屬于正常波動范圍。本實驗針對粉漿水的水質(zhì)特征進行了現(xiàn)場取樣檢測，一共采集了5個水樣樣本，所有樣本均呈現(xiàn)微黃色、渾濁、并帶有臭味。將上述5個水樣按照一定比例制成混合水樣，經(jīng)實驗室化驗檢測，粉漿水各項主要水質(zhì)參數(shù)平均值如表1所示。

表1 粉漿水水質(zhì)特征參數(shù)平均值

由表1可知粉漿水的主要水質(zhì)特征，并根據(jù)《淀粉工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 25461-2010)規(guī)定可得如下結(jié)論：

(1)粉漿水中COD值為22364 mg/L遠大于粉漿水直接排放COD濃度限值100 mg/L，有機物含量嚴(yán)重超標(biāo)。

(2)粉漿水中TN含量為611 mg/L，NH3-N僅僅為含量為13.2 mg/L，故絕大部分為有機氮形式，且大于粉漿水直接排放TN濃度限值30 mg/L，嚴(yán)重超標(biāo)。

(3)粉漿水中TP含量為61.2 mg/L大于粉漿水直接排放TP濃度限值為1 mg/L，嚴(yán)重超標(biāo)。

(4)粉漿水的pH值為3.85，酸性。粉漿水直接排放pH值范圍為6～9，pH值嚴(yán)重超標(biāo)。

綜上所述，粉漿水的水質(zhì)特征不符合《淀粉工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 25461-2010)，故不能直接排放，必須經(jīng)過廢水處理設(shè)施凈化后達標(biāo)方可排放。因此，準(zhǔn)確地判斷廢水的特性對于廢水處理工藝的設(shè)計十分重要。

廢水的可生化性是廢水重要特征指標(biāo)之一。通常用BOD5/COD的比值來表示廢水的可生物降解性強弱，一般認為BOD5/COD>0.3的廢水屬于可生物降解廢水[3，4]。該比值越高，采用生物法處理該廢水的效果就越好。粉漿水屬于薯類淀粉廢水，廢水中污染物幾乎全部為可生物降解有機物，故其可生化性指標(biāo)BOD5/COD比值很高，粉漿水具有良好的可生化性。粉漿水良好的可生化性是開展氧化塘+人工濕地耦合深度處理粉漿水研究的重要基礎(chǔ)。

3 穩(wěn)定塘與人工濕地復(fù)合系統(tǒng)的構(gòu)建實驗

3.1 穩(wěn)定塘

穩(wěn)定塘又稱氧化塘，是一種利用水體自身生物凈化作用來凈化污水中各類污染物的構(gòu)筑物的總稱。一般由天然池塘、洼地經(jīng)過適當(dāng)?shù)娜斯ば拚?，并設(shè)置圍堤和防滲層，主要利用菌藻的共同作用處理廢水中的有機污染物。穩(wěn)定塘作為污水處理系統(tǒng)具有基建投資和運轉(zhuǎn)費用低、維護和維修簡單、便于操作、能有效去除污水中的可降解有機物和病原體、污泥產(chǎn)生量小等優(yōu)點[3～6]。

按照塘內(nèi)微生物的類型和供氧方式來劃分，穩(wěn)定塘可以分為厭氧塘、兼性塘、好氧塘、曝氣塘[4，5]。

3.2 人工濕地

人工濕地是指通過在合適的地形和土壤上模擬天然濕地系統(tǒng)構(gòu)建的一個人工可控的污水處理系統(tǒng)，由土壤、砂礫、碎石等混合成的填料床和在床體上栽成活率高、觀賞性大且具有一定經(jīng)濟價值的植物以及微生物共同組成，污水流過系統(tǒng)時，經(jīng)過微生物分解、植物吸收以及基質(zhì)吸附等物理化學(xué)步驟，可以有效地降低污水中的污染物的含量[3～5]。

根據(jù)不同的進水模式，人工濕地大致分為3種類型：表面流人工濕地、潛流人工濕地和垂直流人工濕地[7～10](表2)。

表2 各類型人工濕地的優(yōu)缺點

3.3 多級穩(wěn)定塘+人工濕地耦合系統(tǒng)構(gòu)建

通過技術(shù)可行性分析與經(jīng)濟可行性分析，本實驗決定采用多級穩(wěn)定塘+潛流式人工濕地作為核心構(gòu)筑物來設(shè)計粉漿水處理系統(tǒng)。本實驗中的粉漿水處理系統(tǒng)設(shè)計日處理能力為500 m3/d。

3.3.1 實驗主要構(gòu)筑物及參數(shù)

3.3.1.1 格柵

本實驗采用的是人工格柵，其主要作用是截留塑料、樹枝、樹葉等體積較大、不溶性雜物，需要人工定期清理防止堵塞。工程采用尺寸為2.5 m×2.5 m×1 m的不銹鋼格柵，格柵間隙為25 mm。過柵水流速度控制在0.6～1.0 m/s之間為宜。

3.3.1.2 調(diào)節(jié)池

調(diào)節(jié)池的設(shè)計尺寸為20.0 m×20.0 m×3.0 m，設(shè)有2臺潛污泵。其主要作用是儲存集中排放的過量粉漿水，并調(diào)節(jié)水流速度。

3.3.1.3 初次沉淀池

本實驗采用的是輻流式沉淀池，設(shè)計尺寸為直徑18.0 m，池底坡度0.1，中心進水周邊出水。設(shè)有1臺刮泥機和1臺潛污泵，用于抽取池底沉淀物。其主要作用是通過重力作用使粉漿水中不溶性甘薯淀粉從廢水中沉淀出來，從而降低后續(xù)穩(wěn)定塘與人工濕地耦合系統(tǒng)的處理負荷，使之能夠高效正常運行。

3.3.1.4 混凝沉淀池

混凝沉淀池分為反應(yīng)池和沉淀池。混凝沉淀池加藥裝置采用YJY0.3/0.72A-1型加藥裝置，藥劑為三氯化鐵。其主要目的是進一步降低水中膠體態(tài)有機物的量，從而減輕后續(xù)處理設(shè)施的負荷，保障出水水質(zhì)達標(biāo)。

3.3.1.5 穩(wěn)定塘

本實驗所采用的是多級穩(wěn)定塘，分一級厭氧塘和二級好氧塘，即厭氧塘+好氧塘組合。一級厭氧塘設(shè)計尺寸為80.0 m×20.0 m×3.0 m。二級好氧塘設(shè)計尺寸為60.0 m×30.0 m×0.3 m。沿水流方向分一級厭氧塘、二級好氧塘。

3.3.1.6 潛流式人工濕地

本實驗所采用的是目前應(yīng)用最為廣泛的潛流式人工濕地。實驗設(shè)計尺寸為100 m×12 m×1.5 m，以土壤、礫石、稻草、稻殼等為填料，從下往上依次填充組成基質(zhì)床體，并種植蘆葦、菖蒲、香蒲、黑藻、水蘊草、金魚藻等水生植物，形成基質(zhì)—微生物—植物的復(fù)合生態(tài)凈化系統(tǒng)。

3.3.2防滲設(shè)計

為了防止粉漿水下滲引起地下水污染，工程施工中需要在人工濕地和穩(wěn)定塘底部做一定程度的防滲處理，一般采用鋪設(shè)防滲膜的方式。

3.3.3 實驗工藝流程圖

實驗工藝流程如圖1所示。

圖1 實驗工藝流程

4 粉漿水處理效果分析

穩(wěn)定塘+人工濕地耦合系統(tǒng)實驗項目連續(xù)穩(wěn)定運行后，本項目針對粉漿水處理后的出水水質(zhì)進行了現(xiàn)場取樣檢測，按照一定比例取混合水樣。經(jīng)實驗室化驗檢測，粉漿水處理后出水各項主要水質(zhì)參數(shù)平均值如表3所示。

表3 出水水質(zhì)各項參數(shù)平均值

由表3出水水質(zhì)特征可得如下結(jié)論：

(1)對有機物的去除效果。粉漿水首先經(jīng)過輻流式沉淀池，通過重力沉降作用去除水中大量懸浮態(tài)有機物，經(jīng)過混凝沉淀后，再經(jīng)過一級厭氧塘和二級好氧塘，利用微生物降解污水中大量膠體態(tài)和溶解態(tài)有機物，最終尾水排入潛流式人工濕地進一步處理。水中有機物含量顯著降低，COD殘留量僅為85 mg/L，達到預(yù)期效果。

(2)對氮的去除效果。TN包括有機氮和無機氮，該系統(tǒng)脫氮主要依靠水中微生物的硝化與反硝化作用、植物的吸收作用凈化處理。該處理系統(tǒng)對NH3-N的去除效果優(yōu)于TN，TN殘留量為21 mg/L，NH3-N僅為0.32 mg/L，達到預(yù)期效果。

(3)對磷的去除效果。該處理系統(tǒng)除磷主要依靠的是基質(zhì)的物理吸附和化學(xué)沉降，以及微生物代謝、植物吸收作用。TP殘留量僅為0.6 mg/L，達到預(yù)期效果。

(4)pH值中和效果。本實驗采用了堿性藥劑中和法來調(diào)整粉漿水pH值，其具體做法是向粉漿水中投加石灰或石灰石。經(jīng)過中和處理后，粉漿水pH值為6.3，達到預(yù)期效果。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

(1)多級穩(wěn)定塘+潛流式人工濕地耦合系統(tǒng)對粉漿水中主要污染物的去除效果非常明顯。對COD、NH3-N、TN和TP的去除率可高達99.62%、97.6%、96.6%、99.02%，出水水質(zhì)能完全達到《淀粉工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 25461-2010)，該系統(tǒng)在技術(shù)上是可行的。

(2)多級穩(wěn)定塘+潛流式人工濕地耦合系統(tǒng)可以大幅降低地表受納水體河流、湖泊的污染負荷，有效改善地表水水質(zhì)及周邊環(huán)境。

(3)多級穩(wěn)定塘+潛流式人工濕地耦合系統(tǒng)對TN和TP去除效果很好，有效地降低了水體富營養(yǎng)化風(fēng)險。

(4)多級穩(wěn)定塘+潛流式人工濕地耦合系統(tǒng)與現(xiàn)有處理技術(shù)相比，具有建設(shè)與運營成本低、易于管理維護、處理效果好等特點，非常適合農(nóng)村地區(qū)因地制宜使用。

5.2 展望

本次實驗中所采用的多級穩(wěn)定塘+潛流式人工濕地耦合系統(tǒng)很容易受到外界溫度變化的影響。不同溫度下，該系統(tǒng)對各類污染物的去除效果存在很大的差異。由于本實驗是在7～9月份開展的，當(dāng)時氣溫較高，故污水凈化效果也較好。針對冬季氣溫低的問題，建議調(diào)整薯類淀粉加工生產(chǎn)季節(jié)，從而避開低溫對系統(tǒng)的不良影響，保障水質(zhì)達標(biāo)排放。此外，人工濕地的填料與種植植物對于污水處理效率也存在很大影響。

總之，穩(wěn)定塘+潛流式人工濕地耦合系統(tǒng)在粉漿水處理中具有一定的應(yīng)用前景，希望能為盧龍縣粉漿水的分散排放所造成的水污染治理難題提供一定的借鑒意義。