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浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地深度提標(biāo)研究
來源:中國給水排水 | 作者:孔令為等 | 發(fā)布時(shí)間: 2019-02-15 | 1918 次瀏覽 | 分享到:
基于浙江省污水處理廠主要工藝現(xiàn)狀及常用提標(biāo)技術(shù),,調(diào)研了幾個(gè)主要污水處理廠尾水人工濕地技術(shù)深度處理運(yùn)行效果及投資情況,,分析了人工濕地的影響因素,并從技術(shù)規(guī)范等角度探討了人工濕地深度提標(biāo)的可行性。結(jié)果表明,,人工濕地深度處理尾水后的出水水質(zhì)基本可以滿足地表水Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn),,但人工濕地占地面積大、投資大,,應(yīng)用時(shí)需根據(jù)提標(biāo)要求進(jìn)行深入論證,,綜合考慮尾水水質(zhì)、占地面積及場地,、投資及運(yùn)行管理成本,、季節(jié)等影響因素,同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)丶夹g(shù),、經(jīng)濟(jì),、水環(huán)境等情況。

2015年4月,,國務(wù)院正式發(fā)布的《水污染防治行動計(jì)劃》即“水十條”中明確提出了治理目標(biāo),,截至2017年前消滅劣Ⅴ類水體?!八畻l”的重要目標(biāo)就是治理劣Ⅴ類水,,通過提高污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到治理目的,。國家環(huán)保部2015年發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)中新標(biāo)準(zhǔn)排放限值總體與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅳ類水質(zhì)要求相當(dāng)(TN除外),,可以滿足生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)對城鎮(zhèn)污水處理廠排放控制的需求(NH3-N、TN,、糞大腸菌群數(shù)除外),。

浙江省于2013 年提出“五水共治” “治污先行”等重要決策,并取得了明顯的成效,,2016年全省221個(gè)地表水省控監(jiān)測斷面中,,劣Ⅴ類水質(zhì)斷面占比由2013年的12.20%降至2.70%,并提出于2017年底全省徹底消滅劣Ⅴ類水?dāng)嗝?。然而從具體技術(shù)指標(biāo)看,,即使城鎮(zhèn)污水處理廠全部執(zhí)行一級A排放標(biāo)準(zhǔn),排出的水質(zhì)依然為劣Ⅴ類,,如果沒有更高的污水排放標(biāo)準(zhǔn),,則難以實(shí)現(xiàn)消滅劣Ⅴ類水體的目標(biāo)。同時(shí)污水廠一級A出水標(biāo)準(zhǔn)中氮,、磷含量依然偏高,,如果直接補(bǔ)充河道、湖泊,、城市景觀用水時(shí),,會產(chǎn)生水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn),。因此,后續(xù)在達(dá)到一級 A標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,,城鎮(zhèn)污水處理廠需要進(jìn)行提標(biāo)處理,。

NO.1

浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)現(xiàn)狀研究

目前,浙江省已建成各類規(guī)模城鎮(zhèn)污水處理廠296座,,污水處理能力達(dá)到1 224.55×104m3/d,。浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠排放的污水量約占全省總污水量的60%,是浙江省水體污染物減排與水環(huán)境質(zhì)量改善的重點(diǎn),。根據(jù)《浙江省水污染防治行動計(jì)劃》的目標(biāo)要求在2017年底前,,所有城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn),而截至2016年底數(shù)據(jù)顯示,,在已建成的城鎮(zhèn)污水處理廠中,,出水執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)的有243座,占總數(shù)的82%,。浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠的主要處理工藝為“厭氧-缺氧-好氧”的污水處理工藝(A2/O),、序批式活性污泥法(SBR)、循環(huán)式活性污泥法(CAST),、氧化溝等(見圖1),。

而現(xiàn)階段針對不同工藝和運(yùn)行狀況的城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)的主要技術(shù)有Fenton催化氧化、碳源投加,、短程硝化反硝化,、厭氧氨氧化、同步硝化反硝化技術(shù),、反硝化除磷技術(shù),、好氧顆粒污泥、膜生物反應(yīng)器,、反硝化濾池、人工濕地等,。

由于浙江省內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量要求日趨嚴(yán)格,,各地基于自身現(xiàn)狀條件對污水處理廠排放限值提出了更高的要求,目前已制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的包含金華,、臺州,、衢州等地。為提高治污績效,,金華市在市區(qū)污水處理廠實(shí)行嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn),、低于地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠排放“金華標(biāo)準(zhǔn)”,要求氨氮排放濃度≤1mg/L,、總磷≤0.35mg/L;“衢州標(biāo)準(zhǔn)”與“淳安標(biāo)準(zhǔn)”明確了出水水質(zhì)除總氮外,,其他污水排放指標(biāo)基本達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅳ類水質(zhì);而臺州市路橋污水處理廠“準(zhǔn)Ⅳ類”提標(biāo)工程是基于一級A提標(biāo)的基礎(chǔ)上的再次提標(biāo),,率先在全省實(shí)現(xiàn)出水達(dá)到“準(zhǔn)Ⅳ類”標(biāo)準(zhǔn)。

NO.2

污水處理廠尾水人工濕地技術(shù)提標(biāo)研究

與常規(guī)尾水提標(biāo)工藝相比,,人工濕地由于具有污水凈化和景觀營造的雙重作用,,且建造運(yùn)行成本較低、維護(hù)管理相對簡便,,在城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理中受到了較為廣泛的關(guān)注,,比較適宜作為城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理的技術(shù),將出水標(biāo)準(zhǔn)由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)的一級B或一級A標(biāo)準(zhǔn)提升至《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)的Ⅴ類及以上標(biāo)準(zhǔn),,消滅劣Ⅴ類水體,。

2.1 浙江省應(yīng)用案例調(diào)研

2010年關(guān)于我國人工濕地工程情況的系統(tǒng)性研究結(jié)果顯示:人工濕地工程已在我國30%以上的地區(qū)得到應(yīng)用,建設(shè)區(qū)域較廣泛,,其處理規(guī)模多為1000~20000m3/d,,其中處理規(guī)模小于5000m3/d的工程數(shù)量占調(diào)查總數(shù)的62.50%,處理規(guī)模為10000~1000000m3/d的工程總量所占比例為28.70%,。

目前,,城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地提標(biāo)處理在浙江省已經(jīng)有了應(yīng)用,主要集中在金華,、杭州,、嘉興等地區(qū)。比較典型的有浦江第一,、第二和第四污水處理廠,,義烏、東陽,、臨安城市污水處理廠以及海寧尖山污水處理廠,。

所調(diào)研縣(市)城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理人工濕地工程的綜合分析見表1。從表1可知,,采用人工濕地技術(shù)對城鎮(zhèn)污水處理廠尾水進(jìn)行深度處理的項(xiàng)目中,,臨安城鎮(zhèn)污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B提升至一級A,其他均為從《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級A至地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類,。



   所調(diào)研案例中,,僅有臨安污水處理廠的人工濕地處理系統(tǒng)已經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行,其他縣市均處于調(diào)試及試運(yùn)行階段,。根據(jù)各地市測試數(shù)據(jù)(部分污水廠沒有測TN指標(biāo)),,所調(diào)研城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地深度處理效果良好(見表2)。


2.2應(yīng)用制約因素研究

2.2.1溫度的影響

一般來說,,人工濕地對COD有較高的去除率,,大多數(shù)濕地系統(tǒng)的去除率為80%~90%,COD的去除率與各種微生物數(shù)量有明顯的相關(guān)性;人工濕地的脫氮主要靠微生物的硝化,、反硝化作用來實(shí)現(xiàn);人工濕地系統(tǒng)對磷的去除途徑最主要是基質(zhì)對磷的吸附沉淀作用,,植物吸收對有機(jī)磷的去除效率影響不大,。

但值得注意的是,溫度對人工濕地處理效率的影響比較顯著,。大量的研究結(jié)果表明,,硝化反應(yīng)的最適溫度為25~30℃,當(dāng)溫度<15℃時(shí),,硝化細(xì)菌的硝化速率明顯下降,,活性也大幅度下降;Crites等研究發(fā)現(xiàn),在10℃時(shí)硝化速率比較穩(wěn)定,,低于此溫度,,濕地處理效率明顯下降;在溫度<5℃時(shí)硝化細(xì)菌的生長幾乎停止,低溫會抑制硝化細(xì)菌的最大比生長速率,。反硝化反應(yīng)的最適溫度為20~40℃,,當(dāng)溫度<15℃時(shí),反硝化細(xì)菌的生長繁殖和代謝速率都明顯下降,,溫度為8℃時(shí)的反硝化速率還不到溫度為30℃時(shí)的1/7,,低溫會影響反硝化菌活性,進(jìn)而影響反硝化菌的脫氮效果,。Brodrick等研究發(fā)現(xiàn)反硝化速率在5℃左右時(shí)非常低,,很大程度上限制了濕地脫氮作用的發(fā)揮。低溫還會影響微生物的生理特性,,主要是對微生物的細(xì)胞膜及其攝取養(yǎng)分,、代謝、蛋白質(zhì)的合成,、細(xì)胞分裂和RNA合成造成影響,。針對此問題,國內(nèi)外學(xué)者做了一系列研究,。Wallace等提出在亞寒帶地區(qū)冬季,,進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x設(shè)計(jì),研究表明不同覆蓋物對系統(tǒng)處理性能有很大影響,。周鍵等研究了序批式人工濕地低溫脫氮效能的試驗(yàn)表明,,在冬季低溫下序批式濕地運(yùn)行工況良好,出水水質(zhì)達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn);劉學(xué)燕等將人工濕地進(jìn)行改造,,使其具有防凍,高氧傳送功能,,此系統(tǒng)在溫度<4℃時(shí)硝化反應(yīng)也能進(jìn)行,。但以上研究均為實(shí)驗(yàn)室短期試驗(yàn),并不能保證整個(gè)冬季的長期運(yùn)行,。因此,,采用人工濕地技術(shù),,需要考慮季相變非植物生長季節(jié)系統(tǒng)處理效率降低的問題。

2.2.2 基質(zhì)堵塞的影響

長期運(yùn)行的人工濕地會受到有機(jī)物積累,、懸浮顆粒物沉積,、淤堵層在水流作用下的機(jī)械壓縮以及細(xì)小顆粒物隨水遷移等作用導(dǎo)致基質(zhì)的堵塞,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,。堵塞物質(zhì)在濕地表層和上層大量累積,,不僅對濕地水力停留時(shí)間有極大的影響,還會導(dǎo)致濕地出現(xiàn)表面流,、短流等問題,,從而影響濕地對于污水的處理效果,導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化,。Knowles等研究了25個(gè)水平潛流人工濕地,,這些濕地內(nèi)的基質(zhì)直徑在6~11mm之間,結(jié)果發(fā)現(xiàn)大粒徑的基質(zhì)并沒有影響濕地的處理效果,。通過增加填料的粒徑,,可逐漸提高濕地的壽命。除了粒徑的大小之外,,基質(zhì)的粒度和形狀同樣會影響濕地的滲透系數(shù),。填料棱角的存在會增加生物膜的附著面,減小濕地的孔隙率,,加劇濕地的堵塞,。Morales等研究了填料不同的排列方式對濕地堵塞的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過合理的排列,,可以增加濕地的自然曝氣,,從而延緩濕地的堵塞。人工濕地的堵塞是一個(gè)復(fù)雜的過程,,為了深入探討堵塞的機(jī)理,,有必要對其進(jìn)行分類研究。前人考慮了生物膜堵塞和有機(jī)顆粒堵塞,,并將其分開進(jìn)行了對比研究,,但實(shí)際情況要更加復(fù)雜,除這些之外,,還存在無機(jī)顆粒的堵塞,,以及這些堵塞相互作用的情況存在,目前還缺乏對這些問題的詳細(xì)研究,。

2.2.3 運(yùn)行維護(hù)管理的影響

雖然與傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)和工藝相比,,人工濕地的運(yùn)行管理更簡單,但不能因此忽視運(yùn)行管理的重要性,。人工濕地存在堵塞,、基質(zhì)表面板結(jié),、低溫運(yùn)行效率低、布水不均勻,、植物病蟲害以及植物需定期收割等問題,,如果不進(jìn)行科學(xué)的運(yùn)行管理,會使人工濕地系統(tǒng)功能得不到發(fā)揮,,容易造成污染物去除效率降低,、使用壽命減少等問題,使得建成的人工濕地最終荒廢,,大大縮短工程使用年限,。

NO.3

污水處理廠尾水深度提標(biāo)可行性研究

3.1 污水處理廠尾水人工濕地處理提標(biāo)效果

對于人工濕地技術(shù)的去除率沒有準(zhǔn)確定論,這與人工濕地類型,、結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì),、植物選取、處理的水質(zhì)和水量等多種因素有關(guān),。因此,,對于城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地技術(shù)的去除率,并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),,只能通過研究人員的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相似工程案例類比分析,。

《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ2005—2010)中對人工濕地技術(shù)污染物去除率從綜合的角度進(jìn)行了寬泛的界定(具體數(shù)值詳見表3),其中潛流式人工濕地,,尤其是垂直流人工濕地具有更好的水質(zhì)凈化效果,。


不同類型人工濕地將城鎮(zhèn)污水處理廠尾水從一級A提升至地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的情況(采用表流式+潛流式組合方式,取下限值)如表4所示,。通過對比可知,,城鎮(zhèn)污水處理廠尾水采用人工濕地處理技術(shù)提標(biāo),如果濕地類型或不同類型的組合選擇適當(dāng),,且面積設(shè)置合理,,深度處理后的出水理論上基本可以滿足“準(zhǔn)Ⅳ類”標(biāo)準(zhǔn)(不考慮總氮指標(biāo))。

3.2 人工濕地處理水量與人工濕地面積關(guān)系

圖2是人工濕地處理水量與濕地面積經(jīng)單因素方差分析后的相關(guān)性擬合圖,。由圖2中擬合曲線可知,,隨著濕地處理水量的增加,濕地面積也基本成曲線增長(R2=0.5527),。不過線性擬合數(shù)據(jù)由于樣本量過少,,不具有代表性,僅能解釋目前樣本容量下兩者間的大概關(guān)系與相關(guān)趨勢,。污水深度處理提標(biāo)若采用人工濕地工藝,,按純生活污水處理廠及工業(yè)廢水占比0~50%的污水處理廠提標(biāo)需求計(jì)計(jì),需新增的土地約為40畝/104m3水,而目前浙江省的大部分城鎮(zhèn)污水處理廠在建設(shè)時(shí)未考慮深度提標(biāo)的土地預(yù)留,,深度處理水質(zhì)提標(biāo)如采用人工濕地技術(shù),土地局限性明顯,,不利于提標(biāo),。


3.3 人工濕地處理水量與人工濕地投資關(guān)系

我國已建成的部分人工濕地工程(處理各種廢水)占地指標(biāo)區(qū)間在0.003~0.045畝/(m3·d-1)之間,而調(diào)研中浙江省的人工濕地占地指標(biāo)區(qū)間偏小,,為0.002~0.006畝/(m3·d-1),。有資料顯示,采用人工濕地技術(shù)(以潛流式人工濕地為例)將城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質(zhì)從《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)提升到地表水Ⅴ類~Ⅲ類,,所需要的占地面積為0.0015~0.007 5畝/(m3·d-1),,如城鎮(zhèn)污水處理廠尾水要達(dá)到或接近地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅳ類水質(zhì),所需占地指標(biāo)估算為0.0045畝/(m3·d-1),。一般來說,,同種工藝參數(shù)前提下(如水力負(fù)荷),處理水量的增加會導(dǎo)致占地面積的增大,,面積的增大又會造成投資的增加,。人工濕地處理水量與投資的關(guān)系見圖3。根據(jù)所調(diào)研的案例數(shù)據(jù)分析可知,,隨著人工濕地處理水量的增加,,人工濕地的投資呈曲線增長,即人工濕地投資與進(jìn)水量的變化成正相關(guān)(R2=0.9927),。理論上采用人工濕地技術(shù)可以達(dá)到“準(zhǔn)Ⅳ類”標(biāo)準(zhǔn)(TN除外),,但投資巨大,應(yīng)根據(jù)提標(biāo)需求進(jìn)行深入論證,。


NO.4

結(jié)語

①采用人工濕地處理達(dá)到一級A出水標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠尾水,,如果濕地類型或不同種類的濕地組合選擇適當(dāng),同時(shí)面積設(shè)置合理,,深度處理后的出水水質(zhì)基本可以滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水,。

②隨著人工濕地處理水量的增加,所需濕地面積呈曲線增長,,人工濕地面積與進(jìn)水量的變化成正比;隨著人工濕地處理水量的增加,,人工濕地的投資呈曲線增長,即人工濕地投資與進(jìn)水量的變化成正相關(guān)(R2=0.9927),。

③城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地深度處理提標(biāo)工程應(yīng)該綜合考慮尾水處理達(dá)標(biāo)與否,、占地面積及場地選擇是否合理、投資及運(yùn)行管理成本,、季節(jié)影響等多種因素,,應(yīng)因地制宜,針對性地組織專家進(jìn)行可研及后續(xù)設(shè)計(jì)論證。

④建議不要盲目跟“高標(biāo)準(zhǔn)”風(fēng),,一定要結(jié)合當(dāng)?shù)丶夹g(shù),、經(jīng)濟(jì)、水環(huán)境等綜合考慮,,既要推進(jìn)提標(biāo)改造項(xiàng)目,,又要做到錢花到刀刃上;鼓勵(lì)一些工業(yè)廢水占比小、處于環(huán)境敏感區(qū)域上游,、具備用地條件的城鎮(zhèn)污水處理廠開展尾水人工濕地技術(shù)處理,。