生態組合技術在城市污水廠尾水水質凈化中的應用

王蘭剛

(上海太和水科技發展股份有限公司,上海 200433)

隨著社會經濟不斷發展,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。目前國內城市污水廠出水水質以?城鎮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?地表水環境質量標準?(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凈化提標十分必要。生態組合技術具有投入成本低、凈化效率高、維護方便及生態景觀效果好等優點,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修復工程[1－3]。

1 工程概況

凱發污水處理(明光)有限公司(即明光市城市污水處理廠),設計處理污水能力為6.0萬m3/d,其主體工藝采用奧貝爾氧化溝處理工藝,污水廠出水水質執行?城鎮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水體,通過北端西側的閘口進入池河。出水口位置上游約1.2km處為池河國控斷面監測點,下游約5km 處為女山湖省級濕地自然保護區,其水質要求均為地表水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。

九道灣公園位于明光市老城區西側,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,水質波動大,水質較差,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,利用現狀水域采用生態調蓄區＋多功能接觸氧化區＋生態涵養區的生態組合工藝,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,恢復水體生態景觀功能。其中,生態調蓄區面積17592m2,水深約1.5～2m;多功能接觸氧化區面積27677m2,水深約1.5～2m;生態涵養區面積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

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

2 工程設計

2.1 工藝流程

根據進水水質和項目水質目標要求,基于節能環保的理念、節約占地的需求和后期維護的方便,同時結合工程周邊的地形環境,本項目水質凈化工程依托九道灣公園水域作為系統建設區,采取”生態調蓄區＋多功能接觸氧化區＋生態涵養區”的生態組合工藝,其中生態調蓄區和多功能接觸氧化區位于九道灣南公園,生態涵養區位于九道灣北公園。明光市城市污水處理廠尾水由現狀管網排至九道灣南公園西南角,依靠重力流依次經過生態調蓄區,通過第一道生態濾料壩過濾出水進入多功能接觸氧化區,再通過第二道生態濾料壩進入生態涵養區,尾水水質經凈化達標后,從生態涵養區西側出水排入池河。其工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程圖

2.2 主要處理單元及設計參數

2.2.1 生態調蓄區

生態調蓄區依托九道灣南公園尾水進水口處東西向水域進行設計,面積17592m2,水深1.5～2 m,水力停留時間0.51d。該處理單元主要設置礫石過濾床(進水口處,面積400 m2,高度1m,格賓石籠結構,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)。其主要作用為調蓄污水處理廠尾水,均量均質,確保均勻配水,通過設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,降低藍綠藻爆發風險。

2.2.2 多功能接觸氧化區

多功能接觸氧化區依托九道灣南公園尾水進水口處東西向水域進行設計,面積27677m2,水深1.5～2m,水力停留時間0.8d。該處理單元主要設置生態濾料壩2座(前后端各一座,寬1.5m,高度2m,格賓石籠結構,鋼渣和石灰石混合填料)、生態浮床5870.5 m2(網兜框架結構,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)、生態浮島2025.5 m2(浮盆框架結構,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,實現對尾水中有機污染物、氨氮和總磷的削減,通過構建由水上根系發達的營養掠奪型漂浮類植物、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,形成推流/混流交錯狀態,提高系統污染負荷和抗沖擊負荷,形成營養鹽梯度分布,充分利用系統內部(漂浮植物固碳)植物碳源和生物膜內部缺氧/厭氧環境,提高反硝化脫氮效能;構建沉水植物區初步增加水體溶解氧,使中上層水體形成好氧環境,進一步去除有機污染物;通過根系發達漂浮植物和沉水植物實現植物吸收磷、植物根系吸附磷以及生態濾料壩填料吸附磷[4－5]。

2.2.3 生態涵養區

生態涵養區依托九道灣北公園水域進行設計,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修復技術”為核心,構建“草型清水態”涵養湖泊,主要設置沉水植物(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;環棱螺13357kg、體長1～2cm),結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,使出水水質穩定達標,通過構建“控藻浮游動物－水下森林－水生動物－微生物群落”共生系統,通過恢復沉水植物群落,發揮沉水植物對營養物質的吸收凈化與光合作用放氧功能,構建健康完善的水體生態系統,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循環系統,實現深度涵養凈化水體水質,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已于2022年12月開始運行,在項目工程內設置3處采樣點進行水質監測,研究分析工程運行整體效果,采樣點位置分別在生態調蓄區出水口(S1)、多功能接觸氧化區出水口(S2)、生態涵養區末端(出水口S3),具體位置詳見圖1。主要監測分析指標為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]。監測時間:2023年1－8月,采樣頻率:每月一次。工程系統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?地表水環境質量標準?(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過生態調蓄區、多功能接觸氧化區和生態涵養區的生態組合工藝凈化后,其出水水質均可達到地表水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涵養區(23.8%)、多功能接觸氧化區(14.1%)和生態調蓄區(7.2%);對NH3－N 的去除率從高至低依次為生態涵養區(62.5%)、多功能接觸氧化區(18.7%)和生態調蓄區(11.7%);對TP的去除率從高至低依次為多功能接觸氧化區(60.0%)、生態涵養區(14.6%)和生態調蓄區(14.3%)。各處理單元均發揮較好的凈化效果,多功能接觸氧化區對TP的去除效果最好,生態涵養區對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

項目工程利用生態組合技術構建水質凈化系統,無二次污染,運行效果穩定,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環境,提升水環境質量和水景觀,保護和恢復河湖生態廊道和生態功能多樣化,增強人水和諧程度,為旅游品質和人民福祉生活的提升創造良好環境條件,有效提升居民幸福感和滿意度,具有明顯的生態環境效益與社會效益。

項目工程運行后,每天可產生地表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,其產生的經濟效益為981.12萬元/a。另外,根據光合作用方程,生態系統每產生1.00g植物干物質能固定1.63gCO2和釋放1.19gO2,本工程以設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,則產生的經濟效益為960.22萬元/a[10]。

4 結論

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

(2)工程系統穩定后,可以有效凈化污水廠尾水水質,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類水質標準(即COD≤20 mg/L,氨氮≤1.0 mg/L,總磷(湖、庫)≤0.05mg/L)。