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(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(xù)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(diǎn),我國多數(shù)達(dá)標(biāo)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(rèn)為是我國水體富營養(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 我國近年城鎮(zhèn)污水處理廠數(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)簡便等優(yōu)點(diǎn),在土地資源相對緊張的地區(qū)頗受青睞[7].

我國潛流濕地的系統(tǒng)研究與規(guī)?；瘧?yīng)用已有30多年的歷程,國家先后出臺(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)行的單一濕地類型多工況或單一工況多類型研究,為此本文在室外動(dòng)態(tài)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(jìn)行了探究,并探討了不同強(qiáng)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(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 供試場地概況

供試設(shè)施建設(shè)于上海某污水處理廠末級(jí)處理池旁,該廠已建成日處理20萬t污水規(guī)模.主要設(shè)計(jì)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(jìn)行提標(biāo)改造.設(shè)計(jì)出水為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(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)、閥門等配件實(shí)現(xiàn)對不同工況的設(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(chǔ)存污水廠尾水,集水池用來實(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×高×寬為3 m×1.5 m×0.6 m,中間用無銹網(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×高×寬均為2.4 m×1.4 m×1.0 m,場地內(nèi)滿鋪碎石.

圖2 模塊化實(shí)驗(yàn)設(shè)施平面分布

設(shè)施連接情況見圖3.尾水通過虹吸進(jìn)入高位水箱,其內(nèi)通過浮球閥控制水位,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)用來進(jìn)行曝氣實(shí)驗(yàn),集水池B配有蠕動(dòng)泵用來調(diào)節(jié)不同進(jìn)水濃度.曝氣礫石床通過無銹網(wǎng)隔板分區(qū),并通過空氣管實(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 各模塊管線接連圖

剖面圖及水位設(shè)計(jì)見圖4.曝氣礫石床設(shè)計(jì)水面線位于地面以上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].國內(nèi)外近幾年應(yīng)用于潛流濕地的填料種類,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(見表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(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)測儀進(jìn)行現(xiàn)場檢測,其余水質(zhì)樣品各項(xiàng)指標(biāo)全部由具有CMA資質(zhì)的檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測.

2 結(jié)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(shù)微生物適宜生長繁殖區(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]中礫石這類天然惰性填料對濕地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.這是由于微生物對有機(jī)物的作用過程和脫氮作用均會(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,對懸浮物的攔截效果更好,而改性填料經(jīng)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(xiàn)為LSCQL>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(濃度低于檢測限),因此磷形態(tài)以顆粒態(tài)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(jìn)一步促進(jìn)了微生物對磷的吸收;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?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.

不同模塊對石油類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類水標(biāo)準(zhǔn)以上.尾水經(jīng)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(biāo),本實(shí)驗(yàn)同步檢測了磷酸鹽類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尾水污染物去除的影響

由圖7可見,進(jìn)水pH值較為穩(wěn)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(shí)也延長了該環(huán)境下微生物反應(yīng)的時(shí)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?yàn)檫M(jìn)水溶解氧較低情況下,高污染負(fù)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(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(jìn)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(chǔ)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(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類水標(biāo)準(zhǔn)以上,BOD在Ⅳ類水標(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對各類污染物的去除效果較好;SWZQL對各形態(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,各潛流濕地對污染物的去除能力顯著增強(qiáng),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(yīng)用中通過增加曝氣亦可保證其相對高負(fù)荷下的凈化效率.