生態(tài)工程在尾水深度處理中的應用
——以洪澤尾水生態(tài)工程為例

楊 峰，曹 勛，李冬梅，丁新春，施 鵬,2，戴建軍，李睿華,2

(1.南京大學鹽城環(huán)保技術與工程研究院, 鹽城 224000；2.南京大學環(huán)境學院，南京 210046；3.江蘇南大華興環(huán)?？萍脊煞莨荆K 鹽城 224000)

1 前 言

生態(tài)工程能夠有效結合生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)原理[1]和系統(tǒng)工程的優(yōu)化方法，實現(xiàn)資源的多層次和循環(huán)利用，生態(tài)工程在水處理領域的應用日漸廣泛[2～4]。

淮安市洪澤區(qū)地處南水北調東線沿線，四面環(huán)水，東臨白馬湖，西靠洪澤湖，南連入江水道，北接蘇北灌溉總渠。尾水生態(tài)深度處理工程建成之前，全縣生產、生活廢污水主要排入潯河后匯入白馬湖，白馬湖是南水北調東線工程輸水干線，又是淮安市區(qū)規(guī)劃的飲用水備用水源地。為保證南水北調東線工程調水和淮安市區(qū)飲用水的水質安全，洪澤縣建設了生態(tài)處理工程，對污水廠尾水進行深度處理。 洪澤尾水生態(tài)處理工程占地面積約5 100畝，分為2期進行建設。一期工程處理水量為6萬t/d(南線處理水量4萬t/d，北線處理水量2萬t/d)，主要為生活污水，總投資1.3億元，于2011年底建成，2012年上半年開始試運行。二期工程時，北線處理水量增加4萬t/d，主要為工業(yè)廢水，總投資1.9億元(含拆遷與濕地公園建設)，2015年開始運行。生態(tài)處理后的尾水回用于周邊農業(yè)灌溉、河道生態(tài)環(huán)境補水、城市雜用水、林地澆灌用水等，多余部分排入淮河入海水道。

其中一期工程南線工程處理城市污水處理廠一級B出水，采用曝氣塘、兼性塘、表面流濕地與生態(tài)塘串聯(lián)組合工藝。北線工程的進水為工業(yè)廢水經處理達標后的出水，采用曝氣塘、表面流濕地、兼性塘、潛流濕地和生態(tài)塘串聯(lián)組合工藝，工藝參數(shù)詳見表1。生態(tài)工程中，挺水植物優(yōu)勢種是蘆葦和香蒲，表面流濕地中長勢較好，潛流濕地調研期間由于填料表層未覆蓋泥土或細沙，長勢不佳；沉水植物以黑藻為主，部分水域蓋度可達90%；浮葉植物以睡蓮和菱為主，另外表面流濕地中設置有小島，在小島及其周邊的淺水區(qū)域種植水蔥、常綠鳶尾、再力花、旱傘草、香蒲、千屈菜、梭魚草、黃花鳶尾、美人蕉等9種水生植物。

對洪澤尾水生態(tài)工程一期進行調研，對其運行效果進行分析評價，為污水處理領域的生態(tài)工程設計和管理提供參考。

表1 部分處理單元參數(shù)Tab.1 Parameter of part of processing units

2 材料與方法

洪澤尾水生態(tài)工程分為南線工程和北線工程，工藝流程如圖1和圖2。

圖1 南線工藝流程Fig.1 The process flow chart of South Line Project Engineering

圖2 北線工藝流程Fig.2 The process flow chart of North Line Project Engineering

曝氣塘、兼性塘、生態(tài)塘都是由原來的魚塘改造而成，有效水深分別為4.5 m、2.5 m和1.5 m；表面流濕地有效水深為0.8 m；潛流濕地分72個單元，每個單元規(guī)格約為45m×15m，為水平潛流形式，填料為普通石子，填充高度為0.8m。

在南線和北線全流程采取12組水樣，采樣點分布詳見表2，分別于2015年7月10日和8月19日進行調研采樣，測定其pH、溶解氧(DO)、濁度、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、總氮、總磷、COD、BOD等指標。其中pH、DO使用HACH HQ30D測定；濁度使用HACH 3100Q測定；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(GB 11894—1989)測定；TP使用用鉬酸銨分光光度法(GB 11893—1989)測定；CODMn、氨氮、硝氮、亞硝氮的測定參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》第四版。

表2 采樣點分布Tab.2 The distribution of sampling points

3 結果與分析

各采樣點水質檢測結果見表3。

3.1 環(huán)境因子的變化

3.1.1 pH的變化

尾水在南線生態(tài)處理過程中經曝氣塘、表面流濕地、兼性塘、生態(tài)塘后，pH值由進水口的7.60上升到8.08，pH值整體上呈現(xiàn)上升趨勢。在北線生態(tài)處理工藝中尾水的pH在7.63～7.78之間變化，波動幅度很小。

表3 各采樣點水質數(shù)據Tab.3 Water quality data of each sampling point

3.1.2 濁度的變化

南線中，污水經過曝氣塘后，濁度迅速下降，由初始的21.69 NTU下降到14.06 NTU。經過1#表面流濕地處理后濁度基本沒有變化，但是經過3#表面流濕地處理后濁度反而迅速上升到35NTU左右。此后經過1#生態(tài)塘和5#表面流濕地處理，濁度基本沒有變化，保持在35 NTU左右。

北線中，廢水經曝氣塘處理后濁度略有下降，經過潛流人工濕地后濁度反而上升到30NTU左右，此后經過表面流濕地、生態(tài)塘處理，濁度變化不大，在30～35 NTU之間波動。

3.1.3 溶解氧(DO)的變化

南線工程中，污水經過1#曝氣塘后，DO小幅提升，從8.60 mg/L升高到8.80 mg/L，升高了2.3%。1#表面流濕地對DO的提升效果明顯，由進水口的2.50 mg/L升高到出水口的7.66 mg/L，升高了2.06倍。

北線工程中，6#表面流濕地對DO的提升效果最佳，污水流經6#表面流人工濕地后，DO升高了1.20倍；2#生態(tài)塘對DO的提升效果次之，僅提升了2.5%；廢水流經2#曝氣塘和2#兼性塘后，DO略有下降，分別下降了15.90%和16.95%。

濕地中的氧的主要來源為水生植物(包括藻類、沉水植物、浮葉植物、挺水植物水面下莖葉等)光合作用直接向水體釋放的氧、植物根系泌氧、大氣自然復氧和水體更新復氧。南線和北線工程中的表面流人工濕地能有效地提高溶解氧的濃度，1#和6#表面流濕地可分別將溶解氧濃度提升2.06和1.20倍。水生植物可通過自身的光合作用，向水體輸送氧氣，提升濕地的氧化能力。另外，水生植物將部分氧氣輸送到根毛部位，在根毛周圍形成好氧-缺氧-厭氧的微環(huán)境，將有利于水體中污染物的降解、轉化和去除。調研過程中，1#曝氣塘和2#曝氣塘的曝氣裝置沒有運行，并沒有起到曝氧的作用。1#曝氣塘的深水處已經處于厭氧狀態(tài)，而廢水經過2#曝氣塘后，DO濃度反而下降了15.90%。

3.2 水體氮素的變化

圖3 不同處理單元中氮素的變化Fig.3 The changes of the nitrogen in different processing units

3.3 水體TP的變化

在南線生態(tài)處理工藝中，尾水自出水口依次流經曝氣塘、表面流、生態(tài)塘后，TP含量都呈現(xiàn)下降趨勢(圖4)，TP由進水口的0.28 mg/L降為5#表面流濕地出口的0.01 mg/L，去除效果明顯。在北線生態(tài)處理工藝中，尾水經2#曝氣塘曝氣后，水體TP含量由0.47 mg/L降至0.11 mg/L，TP的去除效果較為明顯，去除率達到76.6%。但是水體流經潛流濕地和7#、8#表面流濕地后，TP含量有所上升，出水口水體TP為0.36 mg/L。

在生態(tài)處理中，TP的去除主要依靠基質的吸附，植物的吸收也有一定的作用。由于該生態(tài)處理過程使用面積較大，因此，TP在生態(tài)處理工藝的前面2、3個處理單元就得到很好的去除。

圖4 不同處理單元中TP的變化Fig.4 The changes of the TP in different processing units

3.4 水體有機污染物的變化

3.4.1 COD的變化

在南線生態(tài)處理過程中，污水經過1#曝氣塘、1#兼性塘和1#表面流人工濕地后，尾水COD迅速下降，由進水口的124.4 mg/L降到20.8 mg/L，削減了83.28%。此后尾水經2#和3#表面流濕地、1#生態(tài)塘、4和5#表面流濕地處理時，COD在20～40 mg/L之間波動，基本沒有COD去除效果。在北線生態(tài)處理過程中，廢水經曝氣塘處理后，COD由110 mg/L下降為63 mg/L，削減了40.51%。此后尾水依次經過6#表面流濕地、2#兼性塘、潛流濕地、7#和8#表面流濕地的處理后，COD在60mg/L左右波動，基本沒有變化。南、北線生態(tài)處理的尾水最終合并后經過2#生態(tài)塘凈化后，出水COD為29.6 mg/L。2#生態(tài)塘對COD有少量去除效果。

圖5為各處理單元進出水COD的變化情況。1#曝氣塘、1#表面流、1#生態(tài)塘、2#曝氣塘和2#生態(tài)塘對COD的去除效果較好，去除率分別達到47.9%、67.9%、65.3%、40.7%和52.3%， 3#表面流濕地、5#表面流濕地、2#兼性塘和潛流濕地對COD的去除效果并不明顯。

可見無論是南線還是北線生態(tài)處理中，COD主要在曝氣塘和第一級表面流濕地中去除，后續(xù)的表面流濕地、潛流濕地、兼性塘等生態(tài)處理單元對COD基本沒有去除。由于曝氣塘水深4.5m，面積超過10萬m2，曝氣裝置較少，且間歇工作，因此實質上該曝氣塘已成為厭氧塘。污水在污水處理廠經過生化處理后，大部分可生化有機物都已礦化，尾水進入曝氣塘后，經過厭氧處理，COD得到較好的去除。因此在利用生態(tài)技術處理生化尾水時，厭氧塘對COD的去除起著重要作用。

3.4.2 BOD的變化

南線工程中，污水流經1#曝氣塘和1#表面流濕地后，出水口水體中BOD濃度呈現(xiàn)下降趨勢；北線工程也呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，廢水經過6#表面流、2#兼性塘、潛流濕地、2#生態(tài)塘后，出水口BOD濃度整體上呈現(xiàn)下降趨勢。

從各個處理單元來看，1#曝氣塘、1#表面流濕地、潛流濕地對BOD去除效果較好，去除率分別為51.6%、25.5%和37.0%，6#表面流濕地對BOD去除效果次之，去除率僅為2.9%。而2#曝氣塘、2#兼性塘和2#穩(wěn)定塘對BOD的去除效果欠佳，廢水經過其處理后，出水BOD濃度反而有所上升，分別上升了78.6%、2.5%和7.0%。圖6為各處理單元水體BOD的變化情況。1#曝氣塘、1#表面流濕地、潛流濕地對BOD去除效果較好，去除率分別為51.6%、25.5%和37.0%，6#表面流濕地對BOD去除效果次之，去除率僅為2.9%。而2#曝氣塘、2#兼性塘和2#穩(wěn)定塘對BOD的去除效果欠佳，廢水經過其處理后，出水BOD濃度反而有所上升，分別上升了78.6%、2.5%和7.0%。

圖6 各處理單元進出水BOD濃度的變化Fig.6 The changes in BOD concentration of inlet water and outlet water in each processing unit

與COD變化趨勢略有不同，除了表面流濕地外，潛流濕地對水體的BOD也有較好的去除效果。調研發(fā)現(xiàn)，潛流濕地中，水生植物生長情況不夠理想，因此有機物的去除主要依靠基質和微生物作用。顆粒性有機物會在潛流濕地中通過過濾或者沉淀，分解成可溶性有機物，然后附著在基質表面，在微生物的作用下實現(xiàn)有機物的降解。

4 討 論

生態(tài)工程可以利用植物吸收[5]、基質的過濾吸附、植物根系泌氧形成的好氧-缺氧-厭氧微環(huán)境[6]、根系及填料上的生物膜[7～9]等實現(xiàn)對目標污染物的去除?？傮w上看，洪澤生態(tài)工程運行效果良好，在進水符合一級B排放標準的情況下，COD、N、P等常規(guī)指標都遠優(yōu)于一級A的設計標準。南線生態(tài)工程處理生活污水尾水，在夏季出水的COD可降到20mg/L以下，TN、TP可降到2和0.02mg/L以下，接近地表水IV類水的出水水質。北線生態(tài)工程處理工業(yè)廢水尾水，由于可生化性差，COD由110mg/L左右降到60mg/L后很難再進一步降解，TN、TP則可降到8和0.1mg/L以下。

洪澤工程綜合運用了穩(wěn)定塘、人工濕地、曝氣生物措施等生物-生態(tài)技術，對污水廠的達標尾水進行處理、再利用，最大限度地節(jié)約和保護水資源，相對于常規(guī)的物理、化學處理技術，具有投資運行成本低、無二次污染的特點。工程充分利用寧連高速旁的綠化帶、現(xiàn)有魚塘，既能凈化水質，又可以結合現(xiàn)狀環(huán)境設計成濕地生態(tài)景觀，起到一舉多得的效果。工程水生植物選取合理，選擇了根系發(fā)達、生長迅速且繁殖能力強、生物量較大、凈化效果好的蘆葦、香蒲、菰、鳶尾、美人蕉、再力花等，既能適應當?shù)氐臍夂驐l件，也有很好的觀賞性。在設計表面流濕地時注重生境多樣性的構造，植物群落布局合理，生物多樣性較好，合理的植物種植間距也保證了水體的流動性，一級表面流濕地對COD、BOD的去除率可達67.9%、25.5%，對氮磷等營養(yǎng)鹽也有較好的去除。冬季低水溫時，種植了水芹、水蔥、伊樂藻、菹草、黑麥草等耐寒植物，增強濕地冬季的凈化效果。另外，有組織的植物殘體收割，有效地避免了水體的二次污染[10-11]。

洪澤工程的設計和管理方面還存在需要改進的地方，曝氣塘和兼性塘進出口設置欠妥，存在短流現(xiàn)象，產生部分死水區(qū)域；曝氣塘和表面流濕地出水流速過大，可設置出水堰；潛流濕地基質為普通石子，基本無植物分布，對COD、TN、TP的去除效果不佳，建議二期將基質改成瓜子片+石子+黃沙分層鋪設；曝氣塘曝氣裝置功率不足和間歇式運行方式，導致曝氣塘并沒有起到很好的曝氧作用，1#曝氣塘深水處DO濃度僅為0.35 mg/L，已經處于厭氧狀態(tài)，而廢水經過2#曝氣塘后，DO濃度反而下降了15.90%。1#曝氣塘設置了生態(tài)浮島，但基本沒有起到任何作用，調研期間未見植被分布，建議選擇根系發(fā)達的植物，如水芹、黑麥草等，必要的時候，可懸掛填料，提高工程凈化效果，水質監(jiān)測結果也證明了1#曝氣塘和2#曝氣塘運行管理方面存在問題，對氮、磷、COD和BOD的去除效果都不太不理想。

5 結 論

5.1 洪澤生態(tài)工程運行效果良好，在進水水質接近一級B排放標準的情況下，總出水主要水質指標優(yōu)于一級A的設計標準。南線工程凈化效果優(yōu)于北線工程，南線出水COD、TN、TP分別低于20、2、0.02 mg/L，北線出水COD、TN、TP分別低于60、8、0.1 mg/L。

5.2 潛流濕地的設計注重基質的選擇，不建議采用單一的基質，采用瓜子片+石子+黃沙分層鋪設。

5.3 曝氣塘運行過程中，注重曝氣方式及掛膜效果，生態(tài)浮島種植根系發(fā)達的植物，必要時懸掛填料，作為生物膜載體，提高工程的凈化效率。