臭氧催化氧化與人工濕地組合工藝在工業園區污水處理廠尾水提標中的應用

褚培堅

同濟大學 上海 200092

隨著國家對長江流域水環境保護[1]的日益重視，對污水處理廠尤其是工業園區污水處理廠尾水的排放管控也越加嚴格。污水處理廠在通過改造升級以達到更高的水質標準的同時對排放水體及周圍的生態景觀建設也同樣重要。而工業園區污水處理廠因為復雜的進水、冗長的工藝流程以及緊張的用地規劃，無法合理平衡尾水提標、生態景觀建設和低占地面積三者之間的關系。

1 項目背景

南通某金屬表面處理園區污水處理廠一期處理規模為3500m3/d，出水排放至就近水體。處理工藝采用重金屬分類預處理+水解酸化+接觸氧化+反應沉淀+紫外消毒池處理工藝，目前出水能穩定達到國家一級A標準。根據當地環保部門針對受納水體的修復整治規劃[2]，要求該水廠尾水通過提標改造使出水達到類似地表V類水排放標準，并承擔部分生態調蓄與景觀功能[3]。經過多方論證與現場實地調研，考慮到實際工程場地有限，單一處理工藝不適合本項目現狀情況，需要采用組合工藝來保證出水達標。

2 水質及流程

2.1 設計水質

目前該污水處理廠的出水可以穩定達到原有設計出水標準，主要污染物指標（COD，NH3-H，TP）均低于國家一級A標準的限值。故本尾水提標工程設計進水水質為國家一級A標準，可涵蓋實際進水情況，具體指標如下。

表1 設計進水水質表

本尾水提標工程要求出水水質達到類似地表V類水標準，具體如下。

表2 設計出水水質表

2.2 工藝流程

由于場地受限，單獨采用人工濕地處理尾水所需的濕地面積太大，考慮選用高級氧化技術和人工濕地的組合工藝，先利用高級氧化技術降低尾水中的CODCr，再利用人工濕地優化其余污染物指標，達到出水水質要求。

經過綜合評論比選，確定采用臭氧催化氧化[4][5]+水平潛流人工濕地[6]作為本項目尾水提標的工藝：尾水從廠內紫外消毒池出水后經提升泵站提升至臭氧接觸池，充分反應后自流進入水平潛流人工濕地，經由濕地處理后最終排放進入受納水體。

3 工程構筑物及設計參數

針對該污水廠尾水提標工程主要新增構建筑物如下。

表3 主要構建筑物一覽表

3.1 提升泵站

設計1座提升泵站，將污水廠尾水進行提升，使得后續構筑物中水流可以自流。泵站形式為預制一體化泵站，平面尺寸：直徑2m，參數：Q=41L/s，H=10m，N=7.5kW。

3.2 臭氧接觸池

設計1座臭氧接觸池，氧化尾水中的有機物，改善濕地進水的可生化性。接觸池采用承壓密封池形式，尺寸為10 m×4 m×7m，設計有效水深6m。總有效反應時間1.5h，其中接觸氧化HRT=1h，臭氧尾氣脫氣HRT=0.5h；臭氧投加量：10~40mg/L。選取單元化鐵基催化劑作為臭氧催化氧化劑填料，催化劑體積70m3。

3.3 水平潛流人工濕地

3.3.1 濕地面積

① 按污染負荷計算面積

人工濕地污染負荷有BOD5表面負荷、CODCr表面負荷、TN表面負荷、NH3-N表面負荷、TP表面負荷，用污染負荷計算人工濕地面積公式為：

A=Q（Co-Ce）/N

式中：Q—污水流量，m3/d；

Co—進水污染物濃度，mg/L或g/m3；

Ce—出水污染物濃度，mg/L或g/m3；

N—污染物表面負荷，g/m2·d；

設計流量Q=3500m3/d。以CODCr表面負荷參數計算其面積，設計CODCr表面負荷為10 g/(m2·d)，設計進水CODCr C0=50 mg/L，設計出水CODCr Ce=40 mg/L，計算水平潛流人工濕地處理區面積≈3500 m2。

② 按水力負荷計算面積

用水力負荷計算人工濕地面積公式為：

A=Q/Nq

式中：Nq—水力負荷，m3/m2·d；

根據經驗數據，設計水力負荷為1.0 m3/( m2·d)計算，需要建設人工濕地面積≈3500 m2。

取二種設計結果的最大值為3500 m2。實際設計有效處理面積為3618 m2，校核設計水力負荷為0.97 m3/m2·d。考慮濕地四周墻體、隔墻、進出水區等非處理區面積。綜合考慮建設水平潛流人工濕地面積為A1=3760 m2。

3.3.2 單元尺寸

根據國內外人工濕地工程建設的經驗，水平潛流人工濕地的單元長寬比宜控制在3:1以下。長度過長，易造成人工濕地床中的死區，且使水位難以調節和控制，不利于濕地植物的栽培與生長。設計濕地長度為33.5 m，單體寬度為18m，長寬比約為1.86:1，單元面積約為603 m2。共并列布置6個濕地單元，濕地總進水方向沿單體長邊，且平行于河道走向。

3.3.3 池體深度

人工濕地水深的設計應該優先考慮植物根系深度：香蒲在水深0.15 m的環境中生存占優勢；蘆葦生長在岸邊和1.50 m的水深中，在淺水中是弱競爭者。香蒲和燈芯草的根系主要在0.30 m以內的區域，蘆葦的根系達0.60 m，藨草和寬葉香蒲則達到0.76 m。同時考慮到雨季的超高水位，淹沒的最大深度應保證大部分植物能夠生存并發揮其功能。

設計池體總深度為1500 mm，其中內部基質填料深度1300 mm，自上而下依次為超高、基質層和防滲層，其中人工濕地墻體超高（人工濕地表面至墻頂）為200 mm；基質層總深度1300 mm（其中土壤層400mm，細砂層100 mm，粒徑8~16 mm卵石層500 mm，粒徑32~16 mm卵石層500 mm）；防滲層位于基質層以下，厚度＞1mm，采用土工防滲膜防滲。濕地單體剖面設計示意如下。

圖1 水平潛流人工濕地單體設計的剖面示意圖

3.3.4 水力坡度

人工濕地底坡坡度標準的確定應以確保人工濕地能夠完全通暢的排水為前提。一般設計中要求水平潛流人工濕地池底坡度≥0.5%。根據經驗，本項目設計中池底坡度選取0.5%，滿足排水需求的同時可減少工程的土方量。

3.3.5 集配水

濕地進出水裝置的設計主要考慮在寬度方向上補水和集水的均勻性，同時出水裝置應該能夠提供整個濕地的水位控制，減少水流短路現象，以改變濕地內部的水深及水力停留時間。

本項目濕地布水采用穿孔花墻，穿孔花墻寬度與濕地寬度相同，穿孔花墻高度與濕地填料高度相同。穿孔花墻上開孔大小為120 mm×55 mm，開孔率50%。集水采用穿孔管，集水管位于出水端的底部，開孔方式為兩排45°交錯向下的長圓形孔。集水管中部連接出水管，出水管進入出水渠道中采用可拆卸短管，以調節水平流濕地內的水位。在有效處理區域前段有個寬度為1 m的進水區，有效處理區域末端有一寬度為1 m的集水區，均以大塊礫石填充。

3.3.6 填料基質

本項目選擇比較常見的卵石作為濕地基質填料。濕地進水區和出水區的填料采用30~70 mm粒徑的碎石，處理區域基質的平均粒徑為10~40 mm，既可以防止堵塞，又有利于運行管理。

3.3.7 植物配置

常用的人工濕地植物及性質如下。

表4 常用人工濕地植物的性質

本項目中植物選擇考慮以污染凈化能力強、運行維護簡單的多年生水生植物為主[7]。基于物種選擇原則和植物生長特性，選擇千屈菜、蘆葦、水蔥、香蒲、菖蒲和再力花這6種作為潛流濕地的主要植物。

本項目每個濕地單元采用相同的植物配置。濕地進水區1 m寬范圍、出水區1 m寬范圍種植千屈菜。其他自進水區至出水區依次種植水蔥、菖蒲、香蒲、蘆葦、再力花，種植寬度均為6.7 m。種植密度要求為9~16株/ m2。

3.3.8 防滲

本項目位于河道邊緣，對環境影響比較敏感，因此對防滲的要求較高。設計采用可靠度較高的土工布防滲做法。

3.3.9 防堵塞控制

本項目針對濕地堵塞主要以預防為主：填料選用質地堅硬的卵石，且優化填料級配，下層卵石粒徑要大于上層；濕地運行采用間歇進水方式，處理單元連續運行5~7d時適當進行放空停止運行；秋冬季及時進行植物收割和清理，避免堵塞。

濕地在通常運行5~8年以后，其處理效率和負荷將隨著填料堵塞而逐漸下降，此時可考慮將濕地停運，將內部填料去除清洗后再進行二次運行。

3.4 臭氧發生器間

設計1座臭氧發生器間用于布置臭氧制備系統成套設備。發生器間與變配電間合建，主體采用框架結構，平面尺寸:18m×10m。設置2臺空氣源臭氧發生器，單臺臭氧發生量3kg/h，功率N=55kW，配套空氣壓縮機、冷凍干燥機、吸附式干燥機、空氣過濾器、冷卻水泵、板式換熱器、儲氣罐等。

4 工程建設及運行

4.1 建設調試周期

本項目于2020年10月開始進場建設，同年12月完成主體結構驗收，2021年4月完成設備安裝調試和植物種植保活，5月開始逐步通水聯動調試，6月正式運行，至今運營情況良好，出水一直穩定達到設計標準。

4.2 實際運行情況

目前本項目已經穩定達標運行超過半年，實測出水數據優于預期設計目標。其中出水平均CODCr＜32 mg/L，去除率超過36%，出水平均NH3-N＜1 mg/L，去除率超過80%，出水平均TP＜0.1 mg/L，去除率超過80%。組合工藝項目實際占地面積約為純濕地工藝占地面積的1/3。證明了該組合工藝處理效果好，穩定性強且節省用地。設計的觀鳥棧道、休憩涼亭和景觀噴泉使得本項目極具觀賞性，在提升水質的同時亦美化了周邊環境。

5 結論

臭氧催化氧化+水平潛流人工濕地的組合工藝應用于工業園區污水處理廠尾水的提標改造是行之有效的，經過調試運行后的系統出水能夠穩定優于類似地表V類水排放標準，經優化后的部分指標可以滿足地表IV類水的排放要求。

實際運行中可以經由調節臭氧發生器產氧量來平衡水質波動和處理經濟性。在進水污染物濃度較低時通過調小或關閉發生器以節省運行成本；在進水污染物濃度較高時通過增加臭氧產量來提高系統的去除能力。