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浙江省城镇污水处理厂尾水人工湿地深度提标研究

国际节能环保网  来源:中国给水排水  作者:孔令为等  日期:2019-02-12
  摘要:基于浙江污水处理厂主要工艺现状及常用提标技术,调研了几个主要污水处理厂尾水人工湿地技术深度处理运行效果及投资情况,分析了人工湿地的影响因素,并从技术规范等角度探讨了人工湿地深度提标的可行性。结果表明,人工湿地深度处理尾水后的出水水质基本可以满足地表水Ⅳ类水标准,但人工湿地占地面积大、投资大,应用时需根据提标要求进行深入论证,综合考虑尾水水质、占地面积及场地、投资及运行管理成本、季节等影响因素,同时结合当地技术、经济、水环境等情况。
 
  
 
  作者简介:孔令为(1984- ),浙江省环境保护科学设计研究院高级工程师,河南商丘人,博士/博士后,主要研究方向为水处理技术、生态修复和环保新材料研发等。
 
  2015年4月,国务院正式发布的《水污染防治行动计划》即“水十条”中明确提出了治理目标,截至2017年前消灭劣Ⅴ类水体。“水十条”的重要目标就是治理劣Ⅴ类水,通过提高污水处理厂的排放标准,达到治理目的。国家环保部2015年发布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(征求意见稿)中新标准排放限值总体与《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅳ类水质要求相当(TN除外),可以满足生态环境敏感区对城镇污水处理厂排放控制的需求(NH3-N、TN、粪大肠菌群数除外)。
 
  浙江省于2013 年提出“五水共治” “治污先行”等重要决策,并取得了明显的成效,2016年全省221个地表水省控监测断面中,劣Ⅴ类水质断面占比由2013年的12.20%降至2.70%,并提出于2017年底全省彻底消灭劣Ⅴ类水断面。然而从具体技术指标看,即使城镇污水处理厂全部执行一级A排放标准,排出的水质依然为劣Ⅴ类,如果没有更高的污水排放标准,则难以实现消灭劣Ⅴ类水体的目标。同时污水厂一级A出水标准中氮、磷含量依然偏高,如果直接补充河道、湖泊、城市景观用水时,会产生水体富营养化的风险。因此,后续在达到一级 A标准的基础上,城镇污水处理厂需要进行提标处理。
 
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  浙江省城镇污水处理厂提标现状研究
 
  目前,浙江省已建成各类规模城镇污水处理厂296座,污水处理能力达到1 224.55×104m3/d。浙江省城镇污水处理厂排放的污水量约占全省总污水量的60%,是浙江省水体污染物减排与水环境质量改善的重点。根据《浙江省水污染防治行动计划》的目标要求在2017年底前,所有城镇污水处理厂出水水质执行一级A标准,而截至2016年底数据显示,在已建成的城镇污水处理厂中,出水执行一级A标准的有243座,占总数的82%。浙江省城镇污水处理厂的主要处理工艺为“厌氧-缺氧-好氧”的污水处理工艺(A2/O)、序批式活性污泥法(SBR)、循环式活性污泥法(CAST)、氧化沟等(见图1)。
 
  
 
  而现阶段针对不同工艺和运行状况的城镇污水处理厂提标的主要技术有Fenton催化氧化、碳源投加、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、同步硝化反硝化技术、反硝化除磷技术、好氧颗粒污泥、膜生物反应器、反硝化滤池、人工湿地等。
 
  由于浙江省内水环境质量要求日趋严格,各地基于自身现状条件对污水处理厂排放限值提出了更高的要求,目前已制定相应标准的包含金华、台州、衢州等地。为提高治污绩效,金华市在市区污水处理厂实行严于国家标准、低于地表水Ⅲ类水标准的污水处理厂排放“金华标准”,要求氨氮排放浓度≤1mg/L、总磷≤0.35mg/L;“衢州标准”与“淳安标准”明确了出水水质除总氮外,其他污水排放指标基本达到《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)Ⅳ类水质;而台州市路桥污水处理厂“准Ⅳ类”提标工程是基于一级A提标的基础上的再次提标,率先在全省实现出水达到“准Ⅳ类”标准。
 
  NO.2

  污水处理厂尾水人工湿地技术提标研究
 
  与常规尾水提标工艺相比,人工湿地由于具有污水净化和景观营造的双重作用,且建造运行成本较低、维护管理相对简便,在城镇污水处理厂尾水深度处理中受到了较为广泛的关注,比较适宜作为城镇污水处理厂尾水深度处理的技术,将出水标准由《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)的一级B或一级A标准提升至《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)的Ⅴ类及以上标准,消灭劣Ⅴ类水体。
 
  2.1 浙江省应用案例调研
 
  2010年关于我国人工湿地工程情况的系统性研究结果显示:人工湿地工程已在我国30%以上的地区得到应用,建设区域较广泛,其处理规模多为1000~20000m3/d,其中处理规模小于5000m3/d的工程数量占调查总数的62.50%,处理规模为10000~1000000m3/d的工程总量所占比例为28.70%。
 
  目前,城镇污水处理厂尾水人工湿地提标处理在浙江省已经有了应用,主要集中在金华、杭州、嘉兴等地区。比较典型的有浦江第一、第二和第四污水处理厂,义乌、东阳、临安城市污水处理厂以及海宁尖山污水处理厂。
 
  所调研县(市)城镇污水处理厂尾水深度处理人工湿地工程的综合分析见表1。从表1可知,采用人工湿地技术对城镇污水处理厂尾水进行深度处理的项目中,临安城镇污水处理厂出水标准由《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B提升至一级A,其他均为从《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A至地表水环境质量标准Ⅴ类。
 
  
 
  所调研案例中,仅有临安污水处理厂的人工湿地处理系统已经长时间运行,其他县市均处于调试及试运行阶段。根据各地市测试数据(部分污水厂没有测TN指标),所调研城镇污水处理厂尾水人工湿地深度处理效果良好(见表2)。
 
 
  2.2应用制约因素研究
 
  2.2.1温度的影响
 
  一般来说,人工湿地对COD有较高的去除率,大多数湿地系统的去除率为80%~90%,COD的去除率与各种微生物数量有明显的相关性;人工湿地的脱氮主要靠微生物的硝化、反硝化作用来实现;人工湿地系统对磷的去除途径最主要是基质对磷的吸附沉淀作用,植物吸收对有机磷的去除效率影响不大。
 
  但值得注意的是,温度对人工湿地处理效率的影响比较显著。大量的研究结果表明,硝化反应的最适温度为25~30℃,当温度<15℃时,硝化细菌的硝化速率明显下降,活性也大幅度下降;Crites等研究发现,在10℃时硝化速率比较稳定,低于此温度,湿地处理效率明显下降;在温度<5℃时硝化细菌的生长几乎停止,低温会抑制硝化细菌的最大比生长速率。反硝化反应的最适温度为20~40℃,当温度<15℃时,反硝化细菌的生长繁殖和代谢速率都明显下降,温度为8℃时的反硝化速率还不到温度为30℃时的1/7,低温会影响反硝化菌活性,进而影响反硝化菌的脱氮效果。Brodrick等研究发现反硝化速率在5℃左右时非常低,很大程度上限制了湿地脱氮作用的发挥。低温还会影响微生物的生理特性,主要是对微生物的细胞膜及其摄取养分、代谢、蛋白质的合成、细胞分裂和RNA合成造成影响。针对此问题,国内外学者做了一系列研究。Wallace等提出在亚寒带地区冬季,进行适当的隔离设计,研究表明不同覆盖物对系统处理性能有很大影响。周键等研究了序批式人工湿地低温脱氮效能的试验表明,在冬季低温下序批式湿地运行工况良好,出水水质达到一级标准;刘学燕等将人工湿地进行改造,使其具有防冻,高氧传送功能,此系统在温度<4℃时硝化反应也能进行。但以上研究均为实验室短期试验,并不能保证整个冬季的长期运行。因此,采用人工湿地技术,需要考虑季相变非植物生长季节系统处理效率降低的问题。
 
  2.2.2 基质堵塞的影响
 
  长期运行的人工湿地会受到有机物积累、悬浮颗粒物沉积、淤堵层在水流作用下的机械压缩以及细小颗粒物随水迁移等作用导致基质的堵塞,严重影响系统的稳定运行。堵塞物质在湿地表层和上层大量累积,不仅对湿地水力停留时间有极大的影响,还会导致湿地出现表面流、短流等问题,从而影响湿地对于污水的处理效果,导致出水水质恶化。Knowles等研究了25个水平潜流人工湿地,这些湿地内的基质直径在6~11mm之间,结果发现大粒径的基质并没有影响湿地的处理效果。通过增加填料的粒径,可逐渐提高湿地的寿命。除了粒径的大小之外,基质的粒度和形状同样会影响湿地的渗透系数。填料棱角的存在会增加生物膜的附着面,减小湿地的孔隙率,加剧湿地的堵塞。Morales等研究了填料不同的排列方式对湿地堵塞的影响,结果发现通过合理的排列,可以增加湿地的自然曝气,从而延缓湿地的堵塞。人工湿地的堵塞是一个复杂的过程,为了深入探讨堵塞的机理,有必要对其进行分类研究。前人考虑了生物膜堵塞和有机颗粒堵塞,并将其分开进行了对比研究,但实际情况要更加复杂,除这些之外,还存在无机颗粒的堵塞,以及这些堵塞相互作用的情况存在,目前还缺乏对这些问题的详细研究。
 
  2.2.3 运行维护管理的影响
 
  虽然与传统的污水处理技术和工艺相比,人工湿地的运行管理更简单,但不能因此忽视运行管理的重要性。人工湿地存在堵塞、基质表面板结、低温运行效率低、布水不均匀、植物病虫害以及植物需定期收割等问题,如果不进行科学的运行管理,会使人工湿地系统功能得不到发挥,容易造成污染物去除效率降低、使用寿命减少等问题,使得建成的人工湿地最终荒废,大大缩短工程使用年限。
 
  NO.3

  污水处理厂尾水深度提标可行性研究

  3.1 污水处理厂尾水人工湿地处理提标效果
 
  对于人工湿地技术的去除率没有准确定论,这与人工湿地类型、结构及尺寸设计、植物选取、处理的水质和水量等多种因素有关。因此,对于城镇污水处理厂尾水人工湿地技术的去除率,并没有统一的标准,只能通过研究人员的经验数据以及相似工程案例类比分析。
 
  《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ2005—2010)中对人工湿地技术污染物去除率从综合的角度进行了宽泛的界定(具体数值详见表3),其中潜流式人工湿地,尤其是垂直流人工湿地具有更好的水质净化效果。
 
 
 
  不同类型人工湿地将城镇污水处理厂尾水从一级A提升至地表水环境质量标准的情况(采用表流式+潜流式组合方式,取下限值)如表4所示。通过对比可知,城镇污水处理厂尾水采用人工湿地处理技术提标,如果湿地类型或不同类型的组合选择适当,且面积设置合理,深度处理后的出水理论上基本可以满足“准Ⅳ类”标准(不考虑总氮指标)。
 
  
 
  3.2 人工湿地处理水量与人工湿地面积关系
 
  图2是人工湿地处理水量与湿地面积经单因素方差分析后的相关性拟合图。由图2中拟合曲线可知,随着湿地处理水量的增加,湿地面积也基本成曲线增长(R2=0.5527)。不过线性拟合数据由于样本量过少,不具有代表性,仅能解释目前样本容量下两者间的大概关系与相关趋势。污水深度处理提标若采用人工湿地工艺,按纯生活污水处理厂及工业废水占比0~50%的污水处理厂提标需求计计,需新增的土地约为40亩/104m3水,而目前浙江省的大部分城镇污水处理厂在建设时未考虑深度提标的土地预留,深度处理水质提标如采用人工湿地技术,土地局限性明显,不利于提标。
 
  
  3.3 人工湿地处理水量与人工湿地投资关系
 
  我国已建成的部分人工湿地工程(处理各种废水)占地指标区间在0.003~0.045亩/(m3·d-1)之间,而调研中浙江省的人工湿地占地指标区间偏小,为0.002~0.006亩/(m3·d-1)。有资料显示,采用人工湿地技术(以潜流式人工湿地为例)将城镇污水处理厂尾水水质从《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准提升到地表水Ⅴ类~Ⅲ类,所需要的占地面积为0.0015~0.007 5亩/(m3·d-1),如城镇污水处理厂尾水要达到或接近地表水环境质量标准的Ⅳ类水质,所需占地指标估算为0.0045亩/(m3·d-1)。一般来说,同种工艺参数前提下(如水力负荷),处理水量的增加会导致占地面积的增大,面积的增大又会造成投资的增加。人工湿地处理水量与投资的关系见图3。根据所调研的案例数据分析可知,随着人工湿地处理水量的增加,人工湿地的投资呈曲线增长,即人工湿地投资与进水量的变化成正相关(R2=0.9927)。理论上采用人工湿地技术可以达到“准Ⅳ类”标准(TN除外),但投资巨大,应根据提标需求进行深入论证。
 
  
 
  NO.4

  结语
 
  ①采用人工湿地处理达到一级A出水标准的城镇污水处理厂尾水,如果湿地类型或不同种类的湿地组合选择适当,同时面积设置合理,深度处理后的出水水质基本可以满足地表水环境质量标准Ⅳ类水。
 
  ②随着人工湿地处理水量的增加,所需湿地面积呈曲线增长,人工湿地面积与进水量的变化成正比;随着人工湿地处理水量的增加,人工湿地的投资呈曲线增长,即人工湿地投资与进水量的变化成正相关(R2=0.9927)。
 
  ③城镇污水处理厂尾水人工湿地深度处理提标工程应该综合考虑尾水处理达标与否、占地面积及场地选择是否合理、投资及运行管理成本、季节影响等多种因素,应因地制宜,针对性地组织专家进行可研及后续设计论证。
 
  ④建议不要盲目跟“高标准”风,一定要结合当地技术、经济、水环境等综合考虑,既要推进提标改造项目,又要做到钱花到刀刃上;鼓励一些工业废水占比小、处于环境敏感区域上游、具备用地条件的城镇污水处理厂开展尾水人工湿地技术处理。
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