潛流濕地及曝氣礫石床對污水廠尾水凈化工藝包研究

劉 敏

(上?？睖y設計研究院有限公司,上海 200335)

城市水環境治理工程一般重點先行解決直排、合流溢流及混錯接等污染問題,對污水廠尾水的深度處理相對滯后.近幾年,我國污水處理廠和污水年處理量持續增加(見圖1),截至2019年底,污水處理廠已突破4 000座,年污水處理量已突破600億m3[1].污水廠尾水具有排放量大且集中的特點,我國多數達標排放的尾水仍是劣Ⅴ類水[2-3].相比于黑劣水體,污水廠尾水屬于一種低污染水,低污染水積累的氮化合物被認為是我國水體富營養化和生態毒性的主要誘因[4],隨著城鎮人口數量激增,尾水生態處理的重要性與緊迫性逐漸凸顯.

圖1 我國近年城鎮污水處理廠數量及污水年處理量

作為典型的生態處理技術,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、后期維護簡便等優點,在土地資源相對緊張的地區頗受青睞[7].

我國潛流濕地的系統研究與規?；瘧靡延?0多年的歷程,國家先后出臺諸多相關規范和技術導則指導工程建設[8];同時隨著相關研究的不斷發展也有了諸多的變型應用,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踐的增多,更高的需求被提出,如增加負荷減小占地、提高脫氮除磷效能、最佳適配工況總結、優化運維管理設計、賦能生態價值實現等,其中優化工況參數同時總結不同指標最佳凈化組合,也成為尾水型人工濕地理論研究的熱點.目前,此類研究多為在實驗室等靜態條件下利用模擬污水進行的單一濕地類型多工況或單一工況多類型研究,為此本文在室外動態條件下利用尾水排水對不同類型水平潛流濕地凈化效果進行了探究,并探討了不同強化措施、工況對其凈化效果的影響,提出去除不同污染物的最佳工藝包設計方案,以為進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尾水深度凈化的廣泛應用提供科學參考.

1 實驗與方法

1.1 供試場地概況

供試設施建設于上海某污水處理廠末級處理池旁,該廠已建成日處理20萬t污水規模.主要設計工藝為A/O,后通過投加填料的MBBR工藝、反硝化深床濾池工藝進行提標改造.設計出水為《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準,實際出水多優于一級A(見表1).

表1 供試尾水水質

注:ND表示低于檢出限.

1.2 供試設施及工藝設計

模塊化潛流濕地系統主體通過PVC(DN50)給水管連接不銹鋼板水槽構建,借助流量計、蠕動泵、風機、閥門等配件實現對不同工況的設計.實驗設施平面設計情況見圖2,其中高位水箱與兩座集水池長×高×寬均為1 m×1 m×1 m,并用磚砌支墩提高水位.高位水箱用于儲存污水廠尾水,集水池用來實現均勻配水及不同工況的轉換.曝氣礫石床(LSCQL)設計長×高×寬為3 m×1.5 m×0.6 m,中間用無銹網分割為進水區、缺氧區、好氧區、回流渠道、沉淀段、出水區.4座潛流濕地池設計尺寸長×高×寬均為2.4 m×1.4 m×1.0 m,場地內滿鋪碎石.

圖2 模塊化實驗設施平面分布

設施連接情況見圖3.尾水通過虹吸進入高位水箱,其內通過浮球閥控制水位,自流入集水池A和B實現布水,各裝置前后端配有流量計和控制閥來設置不同工況.集水池A配有風機和風管流量計用來進行曝氣實驗,集水池B配有蠕動泵用來調節不同進水濃度.曝氣礫石床通過無銹網隔板分區,并通過空氣管實現好氧區的曝氣.每座設施尾端分別設置采樣口和溢流管,溢流管終端連接到就近排水渠.

圖3 各模塊管線接連圖

剖面圖及水位設計見圖4.曝氣礫石床設計水面線位于地面以上0.7 m,水深1.3 m,缺氧區、好氧區、沉淀段池底鋪設1.3 m高卵石.4座潛流濕地設計水面線位于地面以上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的主要載體,在污染物削減方面發揮重要作用,是決定污水處理效果的重要因素[9].國內外近幾年應用于潛流濕地的填料種類,主要包括天然產物、工業/農業副產物、人工制備3類(見表2)[10].根據相關研究[11-12]并結合工程實踐經驗,綜合考慮可獲得性、經濟性、凈化高效性等原則在每一類中選擇一種進行實驗探究,分別為礫石潛流模塊(LSQL)、沸石潛流模塊(FSQL)、生物質潛流模塊(SWZQL)和改性填料潛流模塊(GXQL),填料形態見圖5.

表2 人工濕地填料分類

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

1.3 設計實驗工況

表3 設計工況

1.4 水樣采集與分析方法

各工況保證有效樣品采集次數4次,工況切換時確保至少7 d的穩定運行時間,如遇極端天氣等外界影響則順延,每次采集進水及不同模塊出水水樣.檢測指標共計13項,除pH、溶解氧(DO)兩項指標采用便攜式水質監測儀進行現場檢測,其余水質樣品各項指標全部由具有CMA資質的檢測機構進行檢測.

2 結果與討論

2.1 不同類型模塊化潛流濕地對尾水污染物的去除效果

由圖6可見,除GXQL外,其余模塊出水pH值為7.67～8.71,在多數微生物適宜生長繁殖區間范圍內[14-15];同時各模塊出水pH均有所升高,其中GXQL出水pH升高最明顯,LSQL變化最小,這與填料本身性質有關,與其他相關研究[16-17]中礫石這類天然惰性填料對濕地pH影響較低的結果一致.

圖6 各潛流濕地模塊理化指標均變化情況

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.這是由于微生物對有機物的作用過程和脫氮作用均會消耗大量氧氣[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填料更小,對懸浮物的攔截效果更好,而改性填料經過人工加工粒徑較為均一、粒間距更小,故對SS的去除率較高.

除SWZQL外,各模塊對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為LSCQL>GXQL>LSQL>FSQL>SWZQL.在廢水中,磷以有機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或溶解態存在于溶液、腐殖質粒子或水生生物中[19].本研究同步監測了各樣點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(濃度低于檢測限),因此磷形態以顆粒態磷為主,主要通過吸附和沉降作用去除[20-21],故各濕地模塊對磷的去除效果與SS的去除效果較為相似;而LSCQL除填料對磷的吸附作用外,曝氣進一步促進了微生物對磷的吸收;SWZQL填料主要由農林秸稈高溫煅燒而成,運行時填料中磷酸鹽釋放導致其出水TP含量有所升高[10].

從均去除情況來看,不同濕地模塊對尾水中的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LSCQL,相較于潛流濕地其他高濃度污水的去除率低很多.這可能因為COD與BOD的分解主要依靠微生物作用,而微污染水體中該類降解反應效率較低,同時潛流濕地中有氧環境較差.

不同模塊對石油類污染物的去除效果表現為均去除率FSQL>GXQL>SWZQL>LSCQL>LSQL,出水均濃度在地表Ⅳ類水標準以上.尾水經過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,本實驗同步檢測了磷酸鹽類和陰離子表面活性劑兩項指標,但多數樣品這兩項指標值均低于檢出限.

2.2 不同設計工況下潛流濕地模塊對尾水污染物去除的影響

由圖7可見,進水pH值較為穩定,出水pH均有所升高,但同一類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,可能因延長了HRT,同時也延長了該環境下微生物反應的時間、對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,這可能因為進水溶解氧較低情況下,高污染負荷對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 不同設計工況下各潛流濕地模塊出水不同指標變化情況

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

相比基礎工況一,提高HRT對濕地出水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COD和BOD的凈化效果影響趨勢較為一致,去除率均表現為高碳氮濃度進水>增加HRT>增加進水曝氣>基礎工況.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類水標準以上,BOD在Ⅳ類水標準以上.

表4 不同指標最佳凈化組合信息

3 結論

基礎工況下,LSCQL對各類污染物的去除效果較好;SWZQL對各形態氮素去除效果較好,但有磷二次釋放的風險,應用中宜進行預處理[10].改變工況,尤其是進水增加曝氣后,各潛流濕地對污染物的去除能力顯著增強,增加HRT有助于潛流濕地對SS和TP等通過吸附沉淀作用去除的污染物的凈化效果,即潛流濕地在應用中通過增加曝氣亦可保證其相對高負荷下的凈化效率.