多級(jí)生態(tài)處理工藝在尾水深度處理工程中的應(yīng)用

范敬蘭，牛乙寶，丁維程，吳鵬莉

（1.徐州市河湖管理中心，江蘇 徐州 221018；2.徐州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村水務(wù)局，江蘇 徐州 221000；3.江蘇天安永潤(rùn)環(huán)境科技有限公司，江蘇 徐州 221000）

城鎮(zhèn)生活污水未達(dá)標(biāo)排放或未經(jīng)處理隨意排放是導(dǎo)致農(nóng)村水生態(tài)環(huán)境持續(xù)下降的主要誘因之一［1-2］。近年來(lái)，城鎮(zhèn)生活污水有效收集和處理以及環(huán)保立法在一定程度上保護(hù)了農(nóng)村水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量［3］。但是城鎮(zhèn)污水處理廠常用工藝是A/O工藝、A2/O工藝和MBR工藝等，其排放標(biāo)準(zhǔn)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)，由于管理水平偏低和技術(shù)力量缺乏，城鎮(zhèn)污水處理廠監(jiān)督管理和運(yùn)行管理仍然存在較多問(wèn)題，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水超標(biāo)問(wèn)題較為普遍［4］。

隨著水環(huán)境質(zhì)量要求越來(lái)越高，很多地區(qū)污水處理廠尾水必須達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）準(zhǔn)Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)方可排入受納水體，給城鎮(zhèn)污水處理廠的運(yùn)行管理帶來(lái)了更大壓力。傳統(tǒng)的A/O工藝、A2/O工藝和MBR工藝出水一般情況下不可能達(dá)到（GB3838—2002）準(zhǔn)Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)。為此，很多城鎮(zhèn)通過(guò)在污水處理廠內(nèi)增加深度處理設(shè)備以達(dá)到（GB3838—2002）準(zhǔn)Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足排入受納水體的要求。目前最常見的深度處理方法是MBR工藝，MBR工藝存在系統(tǒng)復(fù)雜、能耗高、管理復(fù)雜、持久穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，給城鎮(zhèn)污水處理廠的運(yùn)行管理帶來(lái)了更大的問(wèn)題和難度［5-9］。

基于城鎮(zhèn)污水處理廠管理水平較低、水質(zhì)波動(dòng)較大、資金實(shí)力偏弱等問(wèn)題，尋求凈化效率高、管理簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低的技術(shù)顯得尤為重要。近些年來(lái)，生態(tài)工程技術(shù)在尾水深度處理中得到廣泛嘗試，取得了良好的效果，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。污水處理廠傳統(tǒng)工藝與生態(tài)工程技術(shù)相互協(xié)調(diào)和優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)降低能耗、改善水質(zhì)、簡(jiǎn)化管理具有顯著優(yōu)勢(shì)。本研究以徐州市某鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造為背景，污水處理廠尾水再進(jìn)入多級(jí)生態(tài)處理單元，研究多級(jí)生態(tài)處理組合工藝對(duì)污染物去除效果和去除特性，旨在為城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)改造和尾水深度處理提供參考。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 項(xiàng)目背景

徐州市某鎮(zhèn)污水處理廠包括2套污水處理系統(tǒng)，其中一套為膜法A/O工藝，處理規(guī)模為800 t/d；另一套為MBR工藝，處理規(guī)模為1 000 t/d；總處理規(guī)模為1 800 t/d，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)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)，服務(wù)人口7 000人。但是城鎮(zhèn)污水處理廠出水必須達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838—2002）準(zhǔn)Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn)方可排入受納水體。為此，該污水處理廠尾水深度處理主體工藝主要包括一體化MBR技術(shù)、臭氧高級(jí)氧化技術(shù)、反硝化脫氮濾池技術(shù)和生態(tài)工程技術(shù)等，從地形地貌、運(yùn)行管理、氣候條件等角度考慮，確定采取多級(jí)生態(tài)工程處理工藝作為其污水處理廠尾水深度處理方法。2022年1月開始動(dòng)工、2022年2月通水運(yùn)行，取得了良好效果。

1.2 城鎮(zhèn)污水處理廠處理流程

城鎮(zhèn)污水處理廠進(jìn)水在調(diào)節(jié)池內(nèi)進(jìn)行預(yù)沉淀和調(diào)節(jié)水質(zhì)水量后，分別被提升泵泵入膜法A/O池和一體化MBR池內(nèi)進(jìn)行處理，2套污水處理系統(tǒng)最后形成的尾水匯入多級(jí)生態(tài)處理工藝配水池。城鎮(zhèn)污水處理廠各構(gòu)筑物參數(shù)，見表1。

表1 城鎮(zhèn)污水處理廠各構(gòu)筑物參數(shù)

進(jìn)入膜法A/O系統(tǒng)內(nèi)的污水在重力流作用下依次通過(guò)缺氧池、好氧池和混凝沉淀池、清水池、計(jì)量槽等后匯入配水池，缺氧池和好氧池內(nèi)補(bǔ)充30%左右的多孔懸浮球填料（內(nèi)置聚氨酯棉），強(qiáng)化污水處理系統(tǒng)的處理能力；進(jìn)入MBR系統(tǒng)內(nèi)的污水依次通過(guò)厭氧池、缺氧池和好氧池，最后在抽吸泵作用下也匯入配水池。該配水池內(nèi)尾水通過(guò)重力自流方式依次通過(guò)多級(jí)生態(tài)處理工藝的4級(jí)氧化塘和1級(jí)潛流濕地進(jìn)行深度處理，尾水經(jīng)過(guò)深度處理后排入受納水體；多級(jí)生態(tài)處理工藝流程圖如圖1所示。

圖1 多級(jí)生態(tài)處理工藝流程

1.3 城鎮(zhèn)污水處理廠原水水質(zhì)

城鎮(zhèn)污水處理廠原水水質(zhì)隨季節(jié)、氣溫、降水量和周邊環(huán)境等情況變化而變化，以2021年11月至2022年7月為例，COD為45.6～221.3 mg/L，NH3-N為6.51～35.6 mg/L，TN為9.64～54.3 mg/L，TP為0.91～6.54 mg/L。

1.4 水質(zhì)分析方法

膜法A/O系統(tǒng)和一體化MBR系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)以在線檢測(cè)儀（江蘇海德）顯示的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)；多級(jí)生態(tài)處理工藝出水以手工檢測(cè)為準(zhǔn)，手工檢測(cè)方法采用國(guó)標(biāo)法。

2 主要構(gòu)筑物

多級(jí)生態(tài)處理工藝面積約為5 111.9 m2，包括4級(jí)氧化塘（占地面積3 150 m2）和1級(jí)潛流人工濕地（占地面積250 m2）以及溝渠面積1 711.9 m2，推流式流態(tài)設(shè)計(jì)，其工藝流程是1#氧化塘-潛流人工濕地-2#氧化塘-3#氧化塘-4#氧化塘。岸坡以1∶3的緩坡入水，構(gòu)建復(fù)式生態(tài)護(hù)坡，由岸邊至池底依次為陸生草本、親水植物、挺水植物和沉水植物。

2.1 1#氧化塘

1#氧化塘最大水深為2.8 m，坡度為13%，庫(kù)容為5 500 m3，水力停留時(shí)間為73.3 h，是一座兼性氧化塘。表層是好氧狀態(tài)，底層是兼性或厭氧狀態(tài)，其周邊種植有挺水植物菖蒲，利用菖蒲同化吸收、菖蒲根圈微生物等作用凈化污染物，同時(shí)1#氧化塘具有一定的沉淀和調(diào)節(jié)水質(zhì)水量的作用。另外，為了提高其生物量，強(qiáng)化1#氧化塘的凈化效果，采取了以下2個(gè)措施：（1）1#氧化塘池邊坡淺岸種植有大量的沉水植物苦草，形成沉水植物群落（俗稱水底森林），利用苦草莖葉表面微生物群落氧化作用、苦草攔截吸附作用，實(shí)現(xiàn)污染物的去除；（2）增設(shè)立體浮島生物凈化單元+人工水草，填充率約40%，水域覆蓋面積為400 m2，強(qiáng)化污染物的去除與轉(zhuǎn)化。

相比后續(xù)生態(tài)處理單元，1#氧化塘水體氮磷含量偏高，從2022年5月份開始，在1#氧化塘表面滋生了大量的浮萍，浮床生長(zhǎng)過(guò)程中消耗了氮磷和有機(jī)物，并通過(guò)持續(xù)打撈的方式將污染物帶出系統(tǒng)。

2.2 潛流人工濕地

潛流人工濕地占地面積250 m2，水力停留時(shí)間為6.67 h，該潛流人工濕地是尾水深度處理的主要單元。潛流人工濕地基質(zhì)為體積比為1∶1的輕質(zhì)混凝土、火山巖，靶向除磷、除氨氮效果好。

輕質(zhì)混凝土比表面積大，材料易得，加氣輕質(zhì)混凝土由水泥、石膏、礦渣粉按一定比例混合攪拌發(fā)泡成型，由鈣質(zhì)和粉煤灰質(zhì)的加氣混凝土制備，當(dāng)量粒徑為5 cm的飽滿顆粒，顆粒表觀密度為0.5～0.8 kg/dm3，置入水中浸潤(rùn)飽和吸水后，密度與水接近，具有較大比表面積和吸附功能，除磷效果尤為顯著。

火山巖填料是有密集氣孔的玻璃質(zhì)熔巖，氣孔體積占巖石體積的50%以上，因孔隙多、質(zhì)量輕、能浮于水面，加上配重以后，懸浮于水體，形成自懸浮、自疏通的人工濕地，表面粗糙且微孔分布，特別適合于微生物在其表面生長(zhǎng)和繁殖，形成生物膜且化學(xué)穩(wěn)定性好?；鹕綆r比表面積5～20 m2/g，孔隙率60%，尺寸為Φ20～50 mm。

人工濕地內(nèi)種植有黃菖蒲，種植間距為20 cm，利用多孔性基質(zhì)和植物根系交織生長(zhǎng)，形成一種凈化能力很強(qiáng)的生態(tài)濾池結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)。而且潛流人工濕地具有良好的過(guò)濾效果，將1#氧化塘流入的浮萍和懸浮物進(jìn)行徹底攔截和吸附，為后續(xù)生態(tài)處理單元提供良好的條件。

2.3 3級(jí)串聯(lián)好氧型氧化塘

3級(jí)串聯(lián)氧化塘（2#氧化塘、3#氧化塘和4#氧化塘）總面積為2 150 m2，其水深為0.8～1.0 m，其有效停留時(shí)間為25.8 h，屬于好氧型氧化塘，其水面面積分別為900 m2、230 m2和1 020 m2。在滯水區(qū)增設(shè)生態(tài)軟圍隔導(dǎo)流，軟圍隔導(dǎo)流約550 m，強(qiáng)化推流流場(chǎng)和傳質(zhì)效果，提高了水體的凈化效果，3級(jí)串聯(lián)氧化塘采用弧線形設(shè)計(jì)。好氧型氧化塘周圍種植有大量的菖蒲，提高污染物的凈化能力。

2.4 多孔介質(zhì)濾床

多級(jí)生態(tài)凈化單元末端增設(shè)多孔介質(zhì)濾床，火山巖生物填料床位于輕質(zhì)混凝土凈水填料之后，置放于多孔混凝土濾壩之間，填充厚度為0.7 m。接觸時(shí)間為20 min，面積為42 m2。以多孔性火山巖為過(guò)濾基質(zhì)，火山巖具有優(yōu)良的過(guò)濾作用和吸附作用，攔截前端多級(jí)生態(tài)凈化單元內(nèi)的植物秸稈、顆粒物和污染物，保障出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。

3 運(yùn)行效果和成本分析

2022年3-7月數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，多級(jí)生態(tài)處理工藝對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠具有良好效果，進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)見表2所示。

表2 多級(jí)生態(tài)處理工藝對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠尾水處理效果

4 結(jié)論

多級(jí)生態(tài)處理工藝是由兼性氧化塘-潛流人工濕地-多級(jí)好氧型氧化塘-生態(tài)濾壩，結(jié)合了不同類型的生態(tài)凈化單元，達(dá)到了良好的協(xié)同凈化效果，保證了出水水質(zhì)的穩(wěn)定性和可靠性。多級(jí)生態(tài)處理工藝運(yùn)行管理費(fèi)用幾乎為零，利用自然生態(tài)系統(tǒng)深度凈化，實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，多級(jí)生態(tài)處理工藝為人們生產(chǎn)生活提供了良好的休閑地，改變了區(qū)域微生態(tài)系統(tǒng)，形成生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的有效結(jié)合。