尾水收集處理中太陽能水生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)工藝的應(yīng)用

徐 劍 姚建忠 顧 俊 單文彬

（1.洪澤縣水利局，江蘇 淮安 223100；2.金湖縣水務(wù)局，江蘇 淮安 211600；3.淮安市水利局，江蘇 淮安 223100）

0 引言

南水北調(diào)工程是我國的一項(xiàng)重大基礎(chǔ)性投資建設(shè)項(xiàng)目。江蘇省位于南水北調(diào)東線的起點(diǎn)上，按照東線工程規(guī)劃，在向天津、山東正式通水時(shí)，干線水質(zhì)要達(dá)到國家地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。洪澤縣地處南水北調(diào)東線沿線，目前全縣生產(chǎn)、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(diào)東線工程輸水干線，又是淮安市區(qū)規(guī)劃的飲用水第二（備用）水源地。為保證東線工程調(diào)水和淮安市區(qū)飲用水的水質(zhì)安全，解決洪澤城市尾水向白馬湖排放、影響白馬湖水質(zhì)安全的現(xiàn)狀，洪澤縣在實(shí)施白馬湖退圍（圩）還湖工作的同時(shí)，積極尋找新的尾水通道，啟動(dòng)了城市尾水處理和綜合利用工程。

項(xiàng)目利用寧連高速公路東側(cè)，蘇北灌溉總渠以南，寬500 m、長約6500 m 的地塊，建設(shè)人工濕地以及生態(tài)廊道，對污水處理廠尾水進(jìn)行生物－生態(tài)處理，處理后的尾水一部分用于農(nóng)業(yè)灌溉、生態(tài)補(bǔ)水，多余水穿越蘇北灌溉總渠排入入海水道，不再向白馬湖排放，從根本上保證了白馬湖的水質(zhì)。項(xiàng)目日處理尾水總規(guī)模10萬t，本項(xiàng)目的實(shí)施不僅是東線工程發(fā)揮效益的保障，也是對洪澤縣實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要推動(dòng)。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和沿海地區(qū)人口的高度集中，污水處理廠尾水排放引起的環(huán)境問題日趨嚴(yán)重。究其原因是污水處理廠利用污水處理系統(tǒng)經(jīng)過物化、生化等一系列處理工藝處理污水時(shí)，仍殘留一些氮、磷等不易被微生物利用的物質(zhì)，使尾水成為尚未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的廢水［1］。其排放的尾水已經(jīng)成為區(qū)域水環(huán)境重要的污染源。

國外從20 世紀(jì)20年代開始實(shí)踐城市污水深度處理與回用技術(shù)，目前已在許多國家得到廣泛應(yīng)用。美國是世界上城市污水回用最早的國家之一，城市污水處理等級基本上都在2 級以上，處理率達(dá)到100%［2］。日本在20 世紀(jì)60年代就開始回用污水，70年代已初見規(guī)模［3］。以色列是世界上污水利用程度最高的國家，100% 的生活污水和72% 的城市污水得到回用。南非及加拿大的許多湖庫都受城鎮(zhèn)和工業(yè)地區(qū)的城市污水二級處理廠所排放的尾水影響而發(fā)生水質(zhì)惡化［4］。目前，我國污水處理廠每年產(chǎn)生的近100 億t 尾水的回用率僅為10%［5］，大多數(shù)尾水直接排放至附近水體，勢必對周圍水環(huán)境帶來負(fù)面影響。故工業(yè)尾水的處理以及資源化利用已迫在眉睫。

目前，我國尾水處理的工藝多采用物化法和生物膜法［6］，投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用較高，污水深度處理和回用的工程大都存在“工程建設(shè)得起，長期運(yùn)營不起”的現(xiàn)象。生物－生態(tài)處理是利用生物－生態(tài)原理對排放尾水中的有機(jī)物、氮、磷進(jìn)行降解，是一種低耗高效、無二次污染、同時(shí)可實(shí)現(xiàn)資源再利用的水生態(tài)處理技術(shù)［7］。

本文采用具有國際先進(jìn)水平的太陽能水生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)［8，9］，該系統(tǒng)獨(dú)特的富氧、循環(huán)、混合優(yōu)勢，可為洪澤尾水收集處理再利用工程量體裁衣，實(shí)現(xiàn)低碳節(jié)能的復(fù)氧系統(tǒng)和改變水動(dòng)力系統(tǒng)等微環(huán)境，擺脫洪澤尾水收集再利用工程系統(tǒng)對電網(wǎng)電力的強(qiáng)烈依賴，大大降低整體工程的運(yùn)營成本，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的效果，結(jié)合濕地系統(tǒng)、生態(tài)廊道，能為洪澤尾水收集處理再利用工程的可持續(xù)運(yùn)行提供一個(gè)適用可行的方案，降低整個(gè)工程的設(shè)備投資和運(yùn)營成本，為洪澤工程帶來較大的綜合效益。

1 工程概況

本工程分為南線、北線兩部分，工程區(qū)總長度為6500 m，太陽能水生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)主要安裝于曝氣蓄水塘（曝氣塘）、兼性塘中，即：南線1#曝氣塘、1#兼性塘，北線2#曝氣塘、2#兼性塘。

南線工程起始于寧連高速公路入口以北1200 m 處，處理洪澤天楹污水處理公司尾水，1#曝氣塘安裝5臺(tái)，1#兼性塘安裝1 臺(tái)。北線工程起始于雙喜河以南850 m 處，處理清澗污水處理廠尾水，2# 曝氣塘安裝5臺(tái)，2#兼性塘安裝1 臺(tái)。曝氣塘進(jìn)行強(qiáng)化復(fù)氧，兼性塘營造厭氧—好氧的兼性環(huán)境，結(jié)合濕地系統(tǒng)、生態(tài)廊道等工藝可綜合日處理10萬t 尾水，工藝流程圖見圖1。

2 太陽能水生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)機(jī)理

2.1 混合復(fù)氧機(jī)理

太陽能水生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)利用太陽能電機(jī)系統(tǒng)將水體底層低溶解氧的水提升到表層，在提升系統(tǒng)的作用下，提升到表層的低溶解氧水以層流狀緩慢流出而形成表面流，構(gòu)建立體的水體交換模式，如圖2。

由于層流所受阻力較小，水流可以擴(kuò)張到遠(yuǎn)處，因此，覆蓋面積明顯增加。表面流的形成使表層水體不斷更新，不僅有助于改善水體的表面張力，而且提高了大氣和水面的氧濃度梯度，從而加快水氣界面大氣復(fù)氧速度。另外，在水體自重作用下，被提升的底層水由鄰近的上層水體替代，實(shí)現(xiàn)了上下層水體的交換。如此往復(fù)循環(huán)，覆蓋面積內(nèi)水體不僅實(shí)現(xiàn)了水體的縱向循環(huán)，而且改善了水體溶解氧及營養(yǎng)鹽分層狀況，使整個(gè)水體溶解氧含量明顯提高，并逐漸均化。

2.2 促進(jìn)水生態(tài)修復(fù)機(jī)理

太陽能水生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)是以太陽能為動(dòng)力，以高效的水循環(huán)和原水生物膜法處理為機(jī)理，對污染水體進(jìn)行混合、復(fù)氧，提高水體溶解氧含量，降低氮、磷營養(yǎng)水平，抑制湖底淤泥厭氧而產(chǎn)生的黑臭現(xiàn)象，促進(jìn)水質(zhì)好轉(zhuǎn)，幫助恢復(fù)水體生態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)促進(jìn)水體生態(tài)修復(fù)的機(jī)理見圖3。

2.3 改善水質(zhì)機(jī)理

圖1 工藝流程圖

圖2 太陽能水生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)混合與復(fù)氧機(jī)理

圖3 太陽能水生態(tài)修復(fù)技術(shù)機(jī)理

2.3.1 徹底消除水體黑臭現(xiàn)象

本系統(tǒng)的運(yùn)行使水體中DO 分層現(xiàn)象消失，中下層DO 含量能夠增加約達(dá)3～5 倍，從而增加了好氧微生物的新陳代謝作用，使硫化氫等厭氧分解產(chǎn)物降低，取而代之的是好氧分解產(chǎn)物二氧化碳和水，水體黑臭現(xiàn)象消失。

2.3.2 降低營養(yǎng)鹽水平

水體DO 含量的增加，不僅加速了好氧生物的新陳代謝作用，加速了水體中營養(yǎng)物質(zhì)的降解，使COD 指標(biāo)得到改善，促進(jìn)氮的分解，而且好氧微生物的呼吸作用，有助于增加水體中的碳酸類物質(zhì)，促進(jìn)氨氮的揮發(fā)。

底層水體DO 的增加，可抑制底泥中的磷向水體釋放，這是因?yàn)镕e（OH）2在有氧條件下被氧化成穩(wěn)定態(tài)Fe（OH）3，在Fe-P 外層形成保護(hù)層，抑制磷的釋放。

2.3.3 能夠持續(xù)降解水體底部淤泥

好氧微生物在有氧條件下，可降解一部分底泥中的營養(yǎng)物質(zhì)。動(dòng)植物排泄物中的磷酸鹽經(jīng)微生物分解轉(zhuǎn)化為可溶性磷酸鹽，并被浮游動(dòng)植物吸收利用，最終能使水體底部淤泥的厚度有較為顯著的降低。

3 太陽能水生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)對水體改善效果

3.1 DO 的變化

對南北線的曝氣塘、兼性塘進(jìn)出水的DO 進(jìn)行檢測得知，1# 曝氣塘、1#兼性塘、2#曝氣塘、2#兼性塘DO分別提高了21.30%、20.86%、41.56%、33.07%，復(fù)氧效果得到顯著改善。見圖4。

3.2 污染物的變化

對南北線進(jìn)出水各污染物濃度進(jìn)行檢測，1#曝氣塘與2#曝氣塘、1#兼性塘與2#兼性塘對污染物的消減存在較大差異。

曝氣塘中提高水體DO 促進(jìn)了溶解性小分子污染物的轉(zhuǎn)化與去除，故1#曝氣塘對TN、TP、氨氮、CODMn的去除率分別為1.71%、5.52%、4.49%、4.88%；2# 曝氣塘對TN、TP、氨氮、CODMn的去除率分別為6.57%、3.08%、2.85%、3.41%。見圖5。

通過兼性塘厭氧、好氧環(huán)境的交替，將大分子有機(jī)物等污染物分解成可溶性的小分子，進(jìn)一步消減污染物。1#兼性塘對TN、TP、氨氮、CODMn的去除率分別為24.22%、75.73%、58.82%、15.38%；2# 兼性塘對TN、氨氮、CODMn的去除率分別為29.75%、33.88%、13.04%，2# 兼性塘對TP 的去除效果不是很明顯，經(jīng)分析可能與進(jìn)水濃度不穩(wěn)定有關(guān)。見圖6。

圖4 曝氣塘和兼性塘DO 濃度變化

圖5 1#曝氣塘與2#曝氣塘污染物去除率

圖6 1#兼性塘與2#兼性塘污染物去除率

4 結(jié)論

（1）通過對太陽能水生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)中混合復(fù)氧機(jī)理、水生態(tài)修復(fù)機(jī)理、改善水質(zhì)機(jī)理的研究，可為洪澤尾水處理提供技術(shù)支撐。

（2）利用太陽能水生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)在曝氣塘、兼性塘中對DO 提升、污染物去除效率等方面做探索，）復(fù)氧效果顯著，污染物的去除效果顯著，應(yīng)用前景廣闊。

（3）本系統(tǒng)處理成本為0.011 元/t，傳統(tǒng)工藝處理成本0.089 元/t，運(yùn)行和維護(hù)成本大大降低，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。用其替代潛流曝氣機(jī)和攪拌機(jī)，每年可節(jié)省用電2496 MW，減少3730 t 的CO2。

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