人工濕地污水處理技術(shù)應(yīng)用研究與示范工程
1、前言
人工濕地作為一種生態(tài)型污水處理技術(shù)，目前在國(guó)外很多國(guó)家得到了普遍關(guān)注與應(yīng)用。這種技術(shù)與傳統(tǒng)污水生化處理技術(shù)相比，具有建設(shè)成本與運(yùn)行成本低、處理效果好、兼有生態(tài)修復(fù)功能與營(yíng)造生態(tài)景觀等特點(diǎn)。在我國(guó)，人工濕地技術(shù)逐漸開(kāi)始受到了人們的重視，并已經(jīng)在我國(guó)南方的一些城市與農(nóng)村地區(qū)得到了應(yīng)用，但是在我國(guó)的北方寒冷地區(qū)開(kāi)展相關(guān)研究的卻并不多見(jiàn)。國(guó)內(nèi)的一些研究多為小試、中試水平，實(shí)際應(yīng)用的較少，而且規(guī)模小，缺乏工程應(yīng)用和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，這就限制了人工濕地技術(shù)在我國(guó)北方地區(qū)的應(yīng)用。
本研究針對(duì)人工濕地技術(shù)在北方地區(qū)的氣候特點(diǎn)，開(kāi)展了潛流濕地工程應(yīng)用單元的設(shè)計(jì)與相關(guān)條件實(shí)驗(yàn)研究。同時(shí)，通過(guò)示范工程的建設(shè)和運(yùn)行，總結(jié)人工濕地技術(shù)在我國(guó)北方地區(qū)工程應(yīng)用的技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際考核其建設(shè)與運(yùn)行成本，綜合分析其社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，為我國(guó)北方地區(qū)人工濕地技術(shù)的應(yīng)用與推廣奠定基礎(chǔ)。
2、濕地單元實(shí)驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)
2．1潛流濕地單元尺寸設(shè)計(jì)
潛流式構(gòu)筑濕地應(yīng)作為北方地區(qū)人工濕地的首選和主要類型。污水處理單元長(zhǎng)度通常定為20～50m，過(guò)長(zhǎng)易造成濕地床中的死區(qū)，且使水位難于調(diào)節(jié)，不利于植物的栽培。也有一些學(xué)者建議，潛流濕地處理單元長(zhǎng)度應(yīng)控制在12～30m之間，以防止短路情況的發(fā)生[2]。選擇適宜的長(zhǎng)寬比有利于減少水流短路，使得濕地水流更趨近于推流，同時(shí)也利于導(dǎo)淤和工程應(yīng)用中的布水分配與收集。濕地處理系統(tǒng)長(zhǎng)寬比應(yīng)控制在3：1以下，工程應(yīng)用中建議采用1：1，減少濕地單元數(shù)量，降低建設(shè)成本。
考慮到本單元實(shí)驗(yàn)將與示范工程建設(shè)相結(jié)合，綜合分析工程應(yīng)用中的單元建設(shè)成本，污水處理對(duì)象，水力布設(shè)系統(tǒng)和試驗(yàn)基地土地的地形地勢(shì)與可利用性等因素，本研究中的獨(dú)立濕地單元長(zhǎng)(L：水力路徑)26m，寬(B：布水向)25m，有效面積為L(zhǎng)×B=26×25=650m2，長(zhǎng)寬比為1．04：1。
2．2填料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
濕地單元四周采用240磚墻、土工膜整體焊接護(hù)圍。底部平整設(shè)坡，坡度采用1～2。濕地結(jié)構(gòu)由濕地防滲膜、濕地填料、濕地植物、集配水系統(tǒng)及導(dǎo)膜管構(gòu)成。濕地床層自下而上各層填料的分布：夯實(shí)粘土，防水土工膜，土壤，不同粒徑和功能的礫石級(jí)配區(qū)(具有布收水、凈水、沉淤到膜功能)、表層種植土。深度不同的濕地床，填料的厚度構(gòu)成不同。
2．3布水與集水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
為保證濕地的處理效果，使污水在濕地床層內(nèi)流程順暢，著重考慮了在濕地整個(gè)寬度上均勻布水和集水的問(wèn)題。穿孔大小及間距取決于進(jìn)水流量、水質(zhì)情況、水力停留時(shí)間等因素，同時(shí)在濕地進(jìn)水方式上有較為獨(dú)特的創(chuàng)新，即采用水平潛流與上升式復(fù)合垂直布水方式，其好處主要有以下幾點(diǎn)：①水平潛流能夠保證冬季的正常運(yùn)行；②上升式垂直流能充分利用植物根系；③水平潛流與上升式復(fù)合垂直布水方式能完美地變換濕地內(nèi)部的水力流態(tài)，在植物的不同生長(zhǎng)季節(jié)進(jìn)行交替使用，最大空間上利用濕地的效能；④上升式垂直布水方式使得大部分懸浮物以及脫落的生物膜沉積在濕地填料層底部導(dǎo)膜區(qū)，便于清淤。
2．4水位調(diào)節(jié)、濕地防堵系統(tǒng)設(shè)計(jì)
濕地能否正常運(yùn)行，水位控制是非常重要的因素。在本研究中，設(shè)置兩種水位調(diào)節(jié)方式，一種是在出水管上設(shè)可轉(zhuǎn)動(dòng)彎管，隨彎管的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制調(diào)整濕地單元內(nèi)水位的高低，另一種是在出水渠內(nèi)設(shè)閘板，按要求控制濕地整體水位。
在運(yùn)行過(guò)程中，濕地內(nèi)部會(huì)形成一些生物膜等沉積物，為了有效防止堵塞淤積，為此專門在濕地底部設(shè)計(jì)一套導(dǎo)膜沖洗系統(tǒng)，定期開(kāi)啟，利用快速的水流將這些沉積物從濕地排出。導(dǎo)膜系統(tǒng)可根據(jù)濕地單元的尺寸與構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以在濕地坡降最低處設(shè)置單排導(dǎo)膜沖洗系統(tǒng)，亦可在濕地底部設(shè)網(wǎng)狀導(dǎo)膜沖洗系統(tǒng)。本研究中采用單排塑料管。
2．5預(yù)處理工藝的選擇與設(shè)計(jì)
預(yù)處理與人工濕地結(jié)合作為北方人工濕地組合工藝的重要意義不僅在于對(duì)濕地入水進(jìn)行初級(jí)處理，保證實(shí)地系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，更重要的是通過(guò)調(diào)整預(yù)處理的處理深度，保證系統(tǒng)各季節(jié)的運(yùn)行效。春夏秋季充分利用濕地的凈水功能，冬季強(qiáng)化預(yù)處理進(jìn)行補(bǔ)充。在保證污水處理效果的前提下，可極大地降低運(yùn)行成本。
通常出水指標(biāo)要求較低時(shí)，預(yù)處理采用常規(guī)一級(jí)處理即可，比如調(diào)節(jié)池沉砂池、格柵間、配水井或提升泵房等。當(dāng)出水指標(biāo)要求較高時(shí)，預(yù)處理采用常規(guī)一級(jí)半處理或一級(jí)強(qiáng)化處理，比如水解酸化、高負(fù)荷活性污泥法，當(dāng)出水指標(biāo)要求更高時(shí)，預(yù)處理采用二級(jí)處理，濕地系統(tǒng)作為深度處理工藝。本研究采用一級(jí)強(qiáng)化的浮動(dòng)生化床作為預(yù)處理工藝。
3、濕地單元實(shí)驗(yàn)方法
濕地實(shí)驗(yàn)單元根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行建設(shè)，濕地植物根據(jù)篩選結(jié)果選用北方優(yōu)勢(shì)品種蘆葦和已在沈陽(yáng)地區(qū)培養(yǎng)種植多年的茭白為主。植物栽種后，定期觀察測(cè)定生長(zhǎng)狀況，緩苗達(dá)到旺盛生長(zhǎng)期后在濕地中進(jìn)入污水，適應(yīng)兩周后開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。
入水為沈陽(yáng)馬官橋農(nóng)大地區(qū)的生活污水與嚴(yán)重污染的滿堂河河水，農(nóng)大污水經(jīng)預(yù)處理后，水質(zhì)控制在COD：100～150mg／L；SS：30～50mg／L；NH3一N：15～25IIlg／L；TP：2～4mg／L，河水經(jīng)初級(jí)沉淀、格柵處理后進(jìn)入濕地，上述水質(zhì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求調(diào)配控制。
濕地單元深度研究選3種不同深度，其它條件實(shí)驗(yàn)均選1．2m，水力負(fù)荷選擇5個(gè)不同范圍，其它條件實(shí)驗(yàn)均選1：3。冬季對(duì)濕地單元一般都采取了濕地收割物與地膜覆蓋的保溫措施。
測(cè)試指標(biāo)主要是CoD、NH3—N、SS與TP等。結(jié)果分析參考《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—2002)》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)。
4、單元試驗(yàn)結(jié)果與分析
4．1濕地單元深度研究
對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)，濕地深度不僅影響著建設(shè)成本、濕地水力負(fù)荷，還直接關(guān)系到冬季的保溫與正常運(yùn)行問(wèn)題。選取0．8m、1．2m、1．6m三種深度的濕地單元比較冬季的處理效果，同時(shí)測(cè)試冬季的凍土層深度。
從三種深度濕地的出水污染物濃度看，COD基本在2O～60mg／L范圍內(nèi)，NH3一N在6～15mg／L內(nèi)，TP在0．2～1．5mg／L范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)，在冬季采取保溫措施條件下，1．2m與1．6m深度的濕地出水水質(zhì)主要指標(biāo)在全年均可滿足《標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，0．8m深度的濕地也基本達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，但耐沖擊性較差，當(dāng)入水濃度較高時(shí)，出水水質(zhì)波動(dòng)較大。
從各污染物的去除率來(lái)看，不同濕地深度的效果差別還是存在的，見(jiàn)表1。
從表1結(jié)果可以看出，深度不同對(duì)濕地單元的處理效率有一定影響，深度增加，處理效果有不同程度的提高，但超過(guò)1.2m后，增加深度對(duì)于提高COD等污染物的去除率已經(jīng)不明顯了。
此外，從表2的冬季凍土深度看，采取保溫措施后，各種深度的濕地單元凍土深度都在0．2m以內(nèi)；如果不采取保溫措施，則影響程度略有不同，因?yàn)閮鐾翆訉?duì)0．8m深度的濕地單元有效體積的影響最大，該深度在北方應(yīng)用存在一定風(fēng)險(xiǎn)，而1．2m與1．6m深的濕地單元受影響程度差異不大。
綜上，為了提高濕地處理效率，還要保證冬季處理效果，同時(shí)降低建設(shè)成本，北方人工濕地深度選擇1．2m是比較合適的。
4．2濕地單元水力負(fù)荷研究
水力負(fù)荷按照人水量／濕地面積的比例關(guān)系，選擇了1：1、1：2、1：3、1：5、1：10等5個(gè)不同范圍不同水力負(fù)荷下去除效率見(jiàn)表3。監(jiān)測(cè)時(shí)間選擇在6～8月，每周取樣，最后結(jié)果取平均值。
從表3看出，在一定的人水濃度下，水力負(fù)荷對(duì)濕地單元的凈化效果有著顯著的影響作用。隨著水力負(fù)荷的降低，濕地單元的處理效果會(huì)逐漸得到提高，但當(dāng)超過(guò)1：3以后，濕地的去除效率增加不再明顯了。在該入水濃度下，1：2是濕地單元能承受的最高水力負(fù)荷，此時(shí)各項(xiàng)污染物指標(biāo)可以達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。1：3是濕地單元最適合的水力負(fù)荷，此時(shí)濕地對(duì)污染物去除效率較高，同時(shí)與更低的水力負(fù)荷相比，其占地面積更小，因而大大降低了建設(shè)成本。
4．3濕地單元污染負(fù)荷研究
控制濕地入水COD在：6O～100、100～150、200～250、35O～400mg／L四個(gè)不同濃度范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)時(shí)間選定在9～10月份，每周取樣，最后結(jié)果取平均值，結(jié)果見(jiàn)表4～表7。
可以看出，濕地試驗(yàn)單元對(duì)不同濃度的污染物均有著較好的去除效率。當(dāng)入水濃度在7O～400mg／L之間變動(dòng)時(shí)，濕地的COD、SS去除率均在60%以上，NH3—N、TP的去除率在55%以上。當(dāng)入水污染物濃度增加時(shí)，濕地的處理效率會(huì)有一定幅度的下降當(dāng)控制入水COD在100～150mg／L之間時(shí)，出水各項(xiàng)指標(biāo)可以達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)以上。
4．4濕地單元保溫效果研究
比較采取保溫措施與未采取保溫措施對(duì)濕地運(yùn)行的影響，主要指標(biāo)是濕地冬季凍土深度。同時(shí)，對(duì)采取保溫措施時(shí)濕地的進(jìn)出水水溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選擇北方每年冬季氣溫較低的12月、1月和2月三個(gè)月進(jìn)行觀測(cè)，每日觀測(cè)一次，每天上午九點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。凍土深度采用自制的一套測(cè)溫裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖1、2。
經(jīng)分析可以看出：
(1)采取保溫措施的濕地比無(wú)保溫的濕地凍土層深度大約減少400mm左右，凍土層保持在200mm以內(nèi)，而未采取保溫措施的濕地地塊全年最深凍層達(dá)到600mm。
(2)采取保溫措施后，濕地內(nèi)水溫降低幅度較小，在2℃左右，基本不受氣溫的影響。
(3)濕地試驗(yàn)單元采取保溫措施后，經(jīng)過(guò)冬季運(yùn)行的檢驗(yàn)，結(jié)果證明運(yùn)行正常，效果良好，各項(xiàng)設(shè)施完好。濕地填料層絕大部分沒(méi)有結(jié)凍。因此，濕地收割物與地膜覆蓋是北方地區(qū)一種簡(jiǎn)易和行之有效的構(gòu)筑濕地保溫方法。
4．5濕地單元污染物去除效果分析
為了研究濕地單元在全年中對(duì)污染物的去除效果，對(duì)濕地單元進(jìn)行連續(xù)一年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，每周測(cè)試一次。另外，冬季適當(dāng)提高預(yù)處理的作用，以此來(lái)降低濕地單元的進(jìn)水污染物負(fù)荷。
經(jīng)過(guò)對(duì)濕地單元連續(xù)一年的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，我們認(rèn)為該濕地運(yùn)行效果良好，能夠滿足在北方寒冷地區(qū)運(yùn)行的要求，水質(zhì)處理完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求(《標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn))。潛流濕地單元在每年的6月到10月對(duì)污染物的處理效果最好，這也是一年中濕地植物生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)候。濕地單元對(duì)COD的去除率最高達(dá)到71.3%，對(duì)SS的去除率最高達(dá)到76.6%，對(duì)NH3—N的去除率最高達(dá)到63.5%，對(duì)TP的去除率最高達(dá)到68.9%。在冬季，潛流濕地處理效果略有下降，但各項(xiàng)污染物指標(biāo)下降率未超過(guò)15%，出水水質(zhì)良好。
5、工程應(yīng)用
5．1示范工程概況
示范工程位于沈陽(yáng)市東陵區(qū)滿堂河的下游馬官橋附近，其主要污染源包括沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)(簡(jiǎn)稱農(nóng)大)校區(qū)污水，以及馬官橋斷面上游近18km河道沿途居民分散排放的生活污水與部分企業(yè)排放的工業(yè)廢水。人工濕地生態(tài)示范工程分為兩部分：
(1)對(duì)農(nóng)大排污口城市污水，采用浮動(dòng)生化床一級(jí)強(qiáng)化預(yù)處理與潛流構(gòu)筑濕地工藝組合，處理量1萬(wàn)t／d。出水部分進(jìn)入表流景觀濕地系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)預(yù)處理系統(tǒng)與北方潛流濕地系統(tǒng)污染負(fù)荷的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)最佳工藝組合。
(2)對(duì)滿堂河的部分污水采用格柵／沉砂預(yù)處理與潛流濕地工藝組合進(jìn)行凈化處理，處理量約為1萬(wàn)t／d。根據(jù)河流水質(zhì)變化情況調(diào)整負(fù)荷分配，凈化河道水質(zhì)。
該工程建設(shè)投資1343萬(wàn)元，日處理污水量2萬(wàn)t／d。工程于2003年5月動(dòng)工，9月底完工，10月通水調(diào)試。
5．2運(yùn)行效果
本示范工程自2003年1O月開(kāi)始調(diào)試運(yùn)行，年底進(jìn)入滿負(fù)荷運(yùn)行，經(jīng)過(guò)2003、2004、2005連續(xù)三年的持續(xù)越冬運(yùn)行(最低氣溫達(dá)到-30度左右)，證明了該技術(shù)的先進(jìn)性與可靠性。出水主要指標(biāo)達(dá)到《標(biāo)準(zhǔn)》中一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，甚至優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。
5．3效益分析
示范工程自2003年底進(jìn)入正常運(yùn)行以來(lái)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境效益：
(1)出水指標(biāo)在同等投資條件下，優(yōu)于常規(guī)污水生化處理，可作為中水回用于景觀綠化與熱電廠用水；
(2)投資與運(yùn)行成本比常規(guī)二級(jí)污水處理廠降低3O%以上，特別是在運(yùn)行費(fèi)用方面優(yōu)勢(shì)明顯，單位水處理成本僅為0．2O～O．35元。
(3)生態(tài)效果顯著，在高效處理污水的同時(shí)，改善了局部小氣候與生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了生物多樣性恢復(fù)與保護(hù)，運(yùn)行3年來(lái)動(dòng)植物種類逐年增加，吸引了大量鳥(niǎo)類棲息。營(yíng)造了優(yōu)美的濕地生態(tài)景觀；
(4)該工程的建設(shè)與運(yùn)行為濕地技術(shù)在我國(guó)北方地區(qū)的應(yīng)用推廣起到了積極的示范作用，提供了大量寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，吸引了眾多專家學(xué)者前來(lái)參觀學(xué)習(xí)。并已成為沈陽(yáng)市環(huán)境保護(hù)與濕地生態(tài)科普教育的基地
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