生态组合技术在城市污水厂尾水水质净化中的应用

王兰刚

(上海太和水科技发展股份有限公司,上海 200433)

随着社会经济不断发展,水资源问题日益严重,对污水厂尾水净化利用受到广泛研究。目前国内城市污水厂出水水质以«城镇污水处理厂污染物排放标准»(GB18918－2002)一级A 标准为主,其主要指标劣于«地表水环境质量标准»(GB3838－2002)中Ⅴ类水标准限值,尾水直排对河湖水系污染严重。因此,对污水厂尾水进行水质净化提标十分必要。生态组合技术具有投入成本低、净化效率高、维护方便及生态景观效果好等优点,被越来越多的应用于城市污水厂尾水深度净化工程和微污染水体的生态修复工程[1－3]。

1 工程概况

凯发污水处理(明光)有限公司(即明光市城市污水处理厂),设计处理污水能力为6.0万m3/d,其主体工艺采用奥贝尔氧化沟处理工艺,污水厂出水水质执行«城镇污水处理厂污染物排放标准»(GB18918－2002)一级A 标准,尾水排入九道湾公园内水体,通过北端西侧的闸口进入池河。出水口位置上游约1.2km处为池河国控断面监测点,下游约5km 处为女山湖省级湿地自然保护区,其水质要求均为地表水Ⅲ类水标准,明光市城市污水处理厂尾水直排入河严重威胁池河及女山湖水质。

九道湾公园位于明光市老城区西侧,紧邻池河,占地面积约1300亩,总建筑面积约44万m2,水域面积约19.5万m2。九道湾公园水域为狭长水体,隔嘉山大道分为南公园和北公园两处,公园内水体承纳污水处理厂6.0万m3/d尾水及汛期上游排涝水,受污染负荷冲击,水质波动大,水质较差,水体透明度低,加之公园配套绿化景观良好,草地宽阔,树木葱郁,导致水面漂浮有枯枝落叶,水域整体感官不佳,水上水下景观不匹配。

本工程位于明光市九道湾公园内,利用现状水域采用生态调蓄区＋多功能接触氧化区＋生态涵养区的生态组合工艺,对明光市城市污水处理厂尾水进行深度净化,同时改善九道湾公园水体水质,恢复水体生态景观功能。其中,生态调蓄区面积17592m2,水深约1.5～2m;多功能接触氧化区面积27677m2,水深约1.5～2m;生态涵养区面积133571m2,水深约2～4.5m。工程位置及总体布置见图1。

图1 工程位置及总体布置图

项目设计进水为凯发污水处理厂的尾水,其水质为«城镇污水处理厂污染物排放标准»中一级A 标准,设计出水目标为«地表水环境质量标准»(GB3838－2002)中Ⅲ类水标准,主要水质指标为化学需氧量(COD)、氨氮(NH3－N)、总磷(TP,以湖、库计)。

2 工程设计

2.1 工艺流程

根据进水水质和项目水质目标要求,基于节能环保的理念、节约占地的需求和后期维护的方便,同时结合工程周边的地形环境,本项目水质净化工程依托九道湾公园水域作为系统建设区,采取”生态调蓄区＋多功能接触氧化区＋生态涵养区”的生态组合工艺,其中生态调蓄区和多功能接触氧化区位于九道湾南公园,生态涵养区位于九道湾北公园。明光市城市污水处理厂尾水由现状管网排至九道湾南公园西南角,依靠重力流依次经过生态调蓄区,通过第一道生态滤料坝过滤出水进入多功能接触氧化区,再通过第二道生态滤料坝进入生态涵养区,尾水水质经净化达标后,从生态涵养区西侧出水排入池河。其工艺流程见图2。

图2 工艺流程图

2.2 主要处理单元及设计参数

2.2.1 生态调蓄区

生态调蓄区依托九道湾南公园尾水进水口处东西向水域进行设计,面积17592m2,水深1.5～2 m,水力停留时间0.51d。该处理单元主要设置砾石过滤床(进水口处,面积400 m2,高度1m,格宾石笼结构,砾石填料)和漂浮植物(铜钱草/粉绿狐尾藻3688 m2,120 株/m2;睡莲3040m2,3株/m2)。其主要作用为调蓄污水处理厂尾水,均量均质,确保均匀配水,通过设置砾石过滤床缓冲来水动能,降低流速,配置浮叶植物进一步消能促沉,减缓来水流速,并利用浮叶植物生长掠夺水体营养盐,初步削减污染物,利用浮叶植物遮光抑藻的作用,降低蓝绿藻爆发风险。

2.2.2 多功能接触氧化区

多功能接触氧化区依托九道湾南公园尾水进水口处东西向水域进行设计,面积27677m2,水深1.5～2m,水力停留时间0.8d。该处理单元主要设置生态滤料坝2座(前后端各一座,宽1.5m,高度2m,格宾石笼结构,钢渣和石灰石混合填料)、生态浮床5870.5 m2(网兜框架结构,搭配漂浮植物铜钱草、粉绿狐尾藻、水鳖草5870.5m2,120株/m2;生物基填料,64根/m2)、生态浮岛2025.5 m2(浮盆框架结构,搭配挺水植物西伯利亚鸢尾、美人蕉、梭鱼草2025.5m2,18株/m2;生物基填料,64根/m2)、沉水式曝气机2套(各7.5kw)、沉水植物7550m2(四季常绿矮型苦草,80株/m2)。其主要作用为强化对尾水净化,实现对尾水中有机污染物、氨氮和总磷的削减,通过构建由水上根系发达的营养掠夺型漂浮类植物、观赏性挺水植物和水下生物基填料组成的多功能自然接触区,形成推流/混流交错状态,提高系统污染负荷和抗冲击负荷,形成营养盐梯度分布,充分利用系统内部(漂浮植物固碳)植物碳源和生物膜内部缺氧/厌氧环境,提高反硝化脱氮效能;构建沉水植物区初步增加水体溶解氧,使中上层水体形成好氧环境,进一步去除有机污染物;通过根系发达漂浮植物和沉水植物实现植物吸收磷、植物根系吸附磷以及生态滤料坝填料吸附磷[4－5]。

2.2.3 生态涵养区

生态涵养区依托九道湾北公园水域进行设计,面积133571m2,水深2～4.5m,水力停留时间7.2d。该处理单元以“食藻虫引导的水体生态修复技术”为核心,构建“草型清水态”涵养湖泊,主要设置沉水植物(四季常绿矮型苦草84598m2、刺苦草10609m2、小茨藻10476m2,120株/m2)、浮叶植物(睡莲1300m2,3株/m2)、水生动物(鳡鱼397尾、狗鱼397尾,300～500g/尾;青虾198kg、体长2～3cm;河蚌5343kg、体长4～6cm;环棱螺13357kg、体长1～2cm),结合水域形状布置沉水式曝气机2 套(各7.5kw)和涌浪机9 套(各2.2kw)。其主要作用为进一步净化水质,使出水水质稳定达标,通过构建“控藻浮游动物－水下森林－水生动物－微生物群落”共生系统,通过恢复沉水植物群落,发挥沉水植物对营养物质的吸收净化与光合作用放氧功能,构建健康完善的水体生态系统,打造草净水、菌净水、虫控藻、鱼控虫、鱼控鱼、鱼控草等能量流动和物质循环系统,实现深度涵养净化水体水质,提升水景观的目的[6－7]。

3 运行效果分析

3.1 主要污染物去除效果分析

明光市污水处理厂尾水净化系统已于2022年12月开始运行,在项目工程内设置3处采样点进行水质监测,研究分析工程运行整体效果,采样点位置分别在生态调蓄区出水口(S1)、多功能接触氧化区出水口(S2)、生态涵养区末端(出水口S3),具体位置详见图1。主要监测分析指标为COD、NH3－N 和TP,COD 采用重铬酸钾法,NH3－N 采用纳氏试剂分光光度法,TP采用过硫酸盐－钼酸铵分光光度法[8]。监测时间:2023年1－8月,采样频率:每月一次。工程系统对主要污染物的去除效果见表1。由表1可知,本工程出水水质中COD、NH3－N 和TP浓度均值分别为12.5、0.39 和0.041mg/L,出水满足«地表水环境质量标准»(GB3838－2002)中Ⅲ类水标准限值要求。本工程对COD、NH3－N 和TP 去除率分别达到35.6、73.1 和70.7%,对其削减量分别为151.11、23.21 和2.17t/a,有效削减了尾水中污染物入河排放量。

表1 工程系统对主要污染物的去除效果

由图3可知,尾水中的主要污染物经过生态调蓄区、多功能接触氧化区和生态涵养区的生态组合工艺净化后,其出水水质均可达到地表水Ⅲ类水标准;各处理单元对COD 的去除率从高至低依次为生态涵养区(23.8%)、多功能接触氧化区(14.1%)和生态调蓄区(7.2%);对NH3－N 的去除率从高至低依次为生态涵养区(62.5%)、多功能接触氧化区(18.7%)和生态调蓄区(11.7%);对TP的去除率从高至低依次为多功能接触氧化区(60.0%)、生态涵养区(14.6%)和生态调蓄区(14.3%)。各处理单元均发挥较好的净化效果,多功能接触氧化区对TP的去除效果最好,生态涵养区对NH3－N 和COD 的去除效果最好。

图3 各处理单元对COD、NH3－N、TP的去除效果

3.2 效益分析

项目工程利用生态组合技术构建水质净化系统,无二次污染,运行效果稳定,出水达到地表水Ⅲ类水标准,有效缓解池河水污染防治压力;修复明光市九道湾公园水生态环境,提升水环境质量和水景观,保护和恢复河湖生态廊道和生态功能多样化,增强人水和谐程度,为旅游品质和人民福祉生活的提升创造良好环境条件,有效提升居民幸福感和满意度,具有明显的生态环境效益与社会效益。

项目工程运行后,每天可产生地表Ⅲ类水6.0万m3,工程出水可代替自来水用于绿化浇灌、道路清扫等。根据明光市制定的非居民生活用水价格2.24元/m3,回用率按20%计,其产生的经济效益为981.12万元/a。另外,根据光合作用方程,生态系统每产生1.00g植物干物质能固定1.63gCO2和释放1.19gO2,本工程以设置的四季常绿矮型苦草、刺苦草和小茨藻计算,沉水植物种植面积113233 m2的沉水植物,种植密度120株/m2,单株苦草鲜重9g,干重为鲜重的10%,则每天的固碳量19.93t,每天释放氧气量为14.55t,则项目工程的固碳量为7274.45t/a,释放氧气量5310.75t/a[9]。根据造林成本法对其价值进行评价,固定CO2的造林价为1320 元/tC,则产生的经济效益为960.22万元/a[10]。

4 结论

(1)采用生态组合技术处理城市污水厂尾水,既可以满足削减污染物、净化水质的需要,又可以促进九道湾公园亲水、清水、可游、可渔的生态景观功能恢复,达到“鱼翔浅底、水清岸绿、蓝绿交织”的景色,全面提升区域水环境和生态品质。

(2)工程系统稳定后,可以有效净化污水厂尾水水质,对COD、NH3－N 和TP去除率分别达到35.6、73.1和70.7%,出水达到地表Ⅲ类水质标准(即COD≤20 mg/L,氨氮≤1.0 mg/L,总磷(湖、库)≤0.05mg/L)。