氧化塘組合人工濕地提高污水廠出水水質(zhì)

楊素霞 姜久寧 楊寓筠 張立勇

(1.保定市生態(tài)環(huán)境局涿州市分局， 保定 072750； 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038；3.保定市河北寰球工程有限公司， 保定 072754； 4.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 保定 071000)

0 前言

隨著水污染防治的不斷深入，水環(huán)境治理已經(jīng)從主要干流擴(kuò)大到中小河流[1]。近年來(lái)，人工濕地作為一種生態(tài)型污水治理技術(shù)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用[2]。與傳統(tǒng)的污水處理工藝相比，人工濕地具有建設(shè)費(fèi)用低、處理效果好、操作簡(jiǎn)便、景觀效果好的特點(diǎn)。填料和植物是人工濕地的主要組成部分，二者通過(guò)與濕地中的微生物發(fā)生一系列的物理、化學(xué)、生物的作用實(shí)現(xiàn)對(duì)水中污染物的去除[3-4]。氧化塘是一種依靠自身生物凈化污水的技術(shù)，主要通過(guò)自身所含微生物的活動(dòng)分解水中的有機(jī)質(zhì)，去除效果較好[5]。本文采用氧化塘耦合人工濕地的方式對(duì)實(shí)際河道進(jìn)行治理，取得了良好效果，對(duì)氧化塘和人工濕地的推廣及河道治理有一定的借鑒價(jià)值。

1 工程概況和工藝選擇

污水處理廠出水為某河道的主要補(bǔ)水水源，排放標(biāo)準(zhǔn)為《城鎮(zhèn)污水廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，為響應(yīng)國(guó)家《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》(簡(jiǎn)稱《水十條》)的要求，需保證河道水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，特在污水廠排污口處構(gòu)建功能性濕地以提升水質(zhì)，恢復(fù)河道生態(tài)及環(huán)境功能。

本工程的設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)、出水水質(zhì)指標(biāo)

本工程主要以污水處理廠出水水質(zhì)達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，同時(shí)具備一定的景觀效果。由于進(jìn)水水質(zhì)較高，所以選用施工簡(jiǎn)便、投資較少的“氧化塘+表面流人工濕地”工藝。

人工濕地技術(shù)是通過(guò)模擬自然濕地的結(jié)構(gòu)和功能，選擇一定的地形，根據(jù)需要人為設(shè)計(jì)和建造的濕地[1]。氧化塘設(shè)置的目的在于利用底泥修復(fù)后所具有的多孔結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部附著的土著微生物消除污水廠出水的生物毒性。氧化塘深度為4 m，設(shè)置兩套由藥包、生態(tài)基和太陽(yáng)能曝氣機(jī)組成的污水處理裝置對(duì)污水進(jìn)行處理。生態(tài)基的布置遵循由下至上附著厭氧菌、兼氧菌及好氧菌的規(guī)律，在其表面及附近形成豐富的生物群落，配合塘底出水、表面流出進(jìn)表流濕地，完成對(duì)污水廠出水中有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)物的高效逐級(jí)降解，以及大幅減少活性污泥量。氧化塘中的太陽(yáng)能曝氣機(jī)所產(chǎn)生的分子級(jí)別的納米氧具有大氣泡沒(méi)有的物理及化學(xué)特性，比表面積大，水中停滯時(shí)間長(zhǎng)，其表面所帶的電荷可以吸附水中的有機(jī)物，使其更好地被膜表面的微生物吸收利用，而且水中納米氧氣液界面消失時(shí)，其化學(xué)能的變化會(huì)產(chǎn)生大量的羥基自由基，降解水中難以生物氧化分解的污染物，如苯酚等。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程及主要設(shè)計(jì)參數(shù)

首先采用生態(tài)修復(fù)材料對(duì)氧化塘、濕地的土壤進(jìn)行原位修復(fù)。污水處理廠排出的污水經(jīng)DN80波紋管進(jìn)入氧化塘，氧化塘中線水深2 m，污水流入量為8 000 m3/d，水力停留時(shí)間為27 h。經(jīng)氧化塘處理的污水由明渠進(jìn)入表面流濕地中，表面流濕地有效水深為0.5 m，流入水量為8 000 m3/d，水力停留時(shí)間為6.4 h，濕地中種植多種水生植物。污水由濕地排出后回補(bǔ)于河道。

2.2 平面布置

氧化塘和濕地的形狀根據(jù)原有河道進(jìn)行設(shè)計(jì)，在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下最大限度地保留河道原貌。本工程的平面布置如圖1所示，其中氧化塘的周長(zhǎng)為360 m，面積4 500 m2，濕地周長(zhǎng)320 m，面積4 290 m2，共需挖明渠兩道，寬度為3 m，共計(jì)290 m。氧化塘明渠深度為4 m，邊坡坡度為1∶0.75，濕地明渠深度為3 m，邊坡坡度為1∶0.5。

2.3 底泥改良

對(duì)施工地點(diǎn)的土壤進(jìn)行原位修復(fù)，主要是在土壤中加入一種生態(tài)修復(fù)材料。該生態(tài)修復(fù)材料是一種高效物化凝聚劑，由礦物質(zhì)組成，主要化學(xué)元素為鈣、鋁、鈉等，利用多成分、多介質(zhì)、多結(jié)構(gòu)、多機(jī)能的超細(xì)粉末技術(shù)制成，無(wú)二次污染，可去除底泥中的重金屬、氮、磷、有機(jī)物等，同時(shí)改變底泥的性質(zhì)，消除底泥板結(jié)問(wèn)題，增加底泥的透水性與透氣性。改良后的土壤可作為微生物的基床，長(zhǎng)期有效去除水體中的有毒有害物質(zhì)，恢復(fù)水體生物的多樣性與自凈功能。藥劑翻拌后晾曬時(shí)間為20～30 d，其中氧化塘和濕地的底泥改良采用機(jī)械翻拌，渠道的底泥改良采用人工翻拌。

2.4 氧化塘設(shè)備及材料布置

2.5 人工濕地基質(zhì)選擇

基質(zhì)是人工濕地中的植物和微生物生存的基礎(chǔ)?；|(zhì)在人工濕地中可以起到為植物根系生長(zhǎng)提供介質(zhì)、為微生物生長(zhǎng)提供載體、過(guò)濾和吸附水中污染物質(zhì)的作用。研究發(fā)現(xiàn)，人工濕地使用混合基質(zhì)對(duì)污染物的去除效果優(yōu)于單一基質(zhì)[6]。尹楚等[7]研究了多種人工濕地基質(zhì)在除磷、除氮方面的凈化效果，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。本工程選用硅藻土水生態(tài)修復(fù)材料和火山巖作為濕地基質(zhì)，共使用了硅藻土60 t，火山巖90 t。

2.6 人工濕地植物選擇

植物是人工濕地的重要組成部分，不僅可以吸收水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和其他元素用于自身的生長(zhǎng)發(fā)育，還會(huì)吸附和富集一些重金屬和有機(jī)物。此外，植物還為水生動(dòng)物和微生物提供棲息地和食物，維持河道的生物多樣性。陳滿軍等[8]開(kāi)展?jié)竦刂参镌倭ǖ暮癄I(yíng)養(yǎng)液水培試驗(yàn)，考察了再力花的汞富集效能，并對(duì)種植再力花的人工濕地進(jìn)行除汞試驗(yàn)，分析其除汞效果。結(jié)果顯示，種植適宜數(shù)量的再力花后，人工濕地對(duì)汞的去除率達(dá)到80%以上。

濕地中的植物還具有輸氧作用，空氣中的氧轉(zhuǎn)運(yùn)到植物根部后擴(kuò)散到水中，由于植物根部土壤混合了底泥改良的生態(tài)修復(fù)材料，可加快土著微生物的激活及繁殖，而土壤上方的填料具有多且密的吸附孔，使植物生長(zhǎng)的表面流濕地依次出現(xiàn)好氧區(qū)、兼性厭氧區(qū)、厭氧區(qū)，為硝化和反硝化作用及生物除磷提供了反應(yīng)條件。

本工程選擇了適合當(dāng)?shù)貧夂虻乃参?，包括再力花、千屈菜、香蒲、菖蒲、蘆葦、黃花鳶尾、金魚(yú)藻等，共種植28 000株，并根據(jù)植物群落特征按一定比例在空間尺度內(nèi)合理布局，發(fā)揮各種植物的優(yōu)點(diǎn)，提高濕地的凈化能力，完善濕地的景觀效果。

3 運(yùn)行效果

本項(xiàng)目在原河道中建設(shè)功能性濕地面積9 800 m2，工藝采用“氧化塘+表面流人工濕地”凈水技術(shù)，其中氧化塘約4 500 m2，表流濕地約4 290 m2。項(xiàng)目于2019年7月5日開(kāi)工，于2019年8月19日開(kāi)始試運(yùn)行，試運(yùn)行期間對(duì)該工程出水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明其水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，污水處理廠的出水水質(zhì)明顯提升，對(duì)河道水質(zhì)起到了保護(hù)作用。

3.1 COD去除效果

本項(xiàng)目中COD的去除途徑主要有：1)濕地植物生長(zhǎng)過(guò)程中的同化吸收作用；2)水體中、植物根系間、基質(zhì)中微生物的降解作用和自身生長(zhǎng)發(fā)育的吸收作用；3)氧化塘和表流濕地的底部和四周使用的底泥修復(fù)材料的螯合及有機(jī)物降解作用。

本項(xiàng)目中進(jìn)、出水COD濃度變化和COD的去除率如圖2所示。由圖2可知，進(jìn)水中COD濃度變化幅度較大，但出水COD平均濃度為20 mg/L，最高為24 mg/L，最低為17 mg/L，達(dá)標(biāo)率為100%。

3.2 總氮的去除效果

污水中的氮元素主要分為無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮，本項(xiàng)目對(duì)氮的去除途徑主要有：1)水體中、植物根系間、基質(zhì)中的微生物通過(guò)硝化和反硝化作用除氮，這也是本項(xiàng)目中最主要除氮途徑。在好氧條件下，硝化細(xì)菌將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的反應(yīng)為硝化反應(yīng)；在缺氧條件下，反硝化細(xì)菌將硝酸鹽中的氮還原為氮?dú)獾姆磻?yīng)為反硝化反應(yīng)；2)植物生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)氮的吸收；3)氨態(tài)氮的揮發(fā)；4)濕地基質(zhì)的吸附作用。

本項(xiàng)目中進(jìn)出水TN濃度變化和TN的去除率如圖3所示。由圖3可知，本項(xiàng)目進(jìn)水TN濃度比較平穩(wěn)，出水TN濃度維持在1.5 mg/L左右，TN去除率在88%以上，說(shuō)明本項(xiàng)目對(duì)氮的去除效果較好。

3.3 總磷的去除效果

水體中的磷主要以無(wú)機(jī)磷的形式存在，本項(xiàng)目對(duì)磷的去除途徑主要有：1)水體中、植物根系間、基質(zhì)中的聚磷菌在好氧條件下的超量攝磷作用；2)濕地基質(zhì)對(duì)磷的吸附作用；3)植物生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)磷的吸收作用。

本項(xiàng)目中進(jìn)、出水TP濃度及去除率變化如圖4所示。由圖4可知，本項(xiàng)目進(jìn)出水中TP的波動(dòng)較大，但均低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 維護(hù)管理

為了使項(xiàng)目具有長(zhǎng)久的污水治理效果，需要專業(yè)的單位和人員進(jìn)行維護(hù)，并且定期監(jiān)測(cè)出水水質(zhì)，根據(jù)水質(zhì)狀況進(jìn)行相關(guān)調(diào)整[9]。

1)水位的控制。根據(jù)暴雨、干旱、結(jié)冰期等極端狀況，當(dāng)出現(xiàn)進(jìn)水端壅水、出水端淹沒(méi)和河道斷流等狀況時(shí)，要及時(shí)調(diào)整水位。

2)護(hù)坡的維護(hù)。要經(jīng)常檢查護(hù)坡，如果水面以下的護(hù)坡出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，要及時(shí)修復(fù)，定期清理護(hù)坡表面的雜草，防止其與濕地中的植物形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

3)濕地植物的管理。沉水植物生長(zhǎng)速度較快，在生長(zhǎng)季節(jié)應(yīng)及時(shí)收割、打撈和清理。 挺水植物生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢，在生長(zhǎng)季節(jié)要注意進(jìn)行適當(dāng)?shù)男藜艉统?，?duì)于長(zhǎng)勢(shì)較弱的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖┓蔥10]；在秋冬季節(jié)要對(duì)挺水植物枯萎的枝葉進(jìn)行修剪，避免出現(xiàn)枝葉枯萎腐爛污染物重新排到水體中的情況。需要注意的是，一些惡性水生植物可能會(huì)與濕地植物形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，影響濕地植物的生長(zhǎng)，因此要及時(shí)控制惡性水生植物蔓延。

5 結(jié)束語(yǔ)

在河道綜合治理過(guò)程中采用氧化塘加人工濕地的方式處理污水處理廠的出水，并回補(bǔ)于河道，能夠?qū)⒊鏊|(zhì)穩(wěn)定地從《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)提升到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。此方法對(duì)提升河流水質(zhì)和景觀效果具有積極作用，可為其他污水處理廠提標(biāo)建設(shè)或河道治理提供借鑒。