常州新龙生态林低污染尾水净化与回用技术研究

2016-03-22福州大学土木工程学院福州50116江苏城乡建设职业学院江苏常州21147常州环保服务公司江苏常州21022

中国农村水利水电 2016年12期

胡颖，张蔚(1.福州大学土木工程学院，福州 50116 ；2. 江苏城乡建设职业学院，江苏常州 21147；.常州环保服务公司，江苏常州 21022)

0 引言

低污染水一般是指COD、氮磷等特征污染物浓度低于城镇污水处理厂污染物排放标准一级标准而高于地表水环境质量标准V类水标准的各种排放水，如地表水、城市污水厂尾水等，属于低污染水，其主要的超标指标为 N 或 P 等营养盐物质。低污染水水质虽然属于轻度污染，但由于水量巨大，如不进行有效处理，直接排放至河流或湖泊后，仍会对水质造成较大影响[1,2]。生态林是指为了维护和改善生态环境，保持生态平衡，保护生物多样性等满足人类社会的生态、社会需求和可持续发展为主体功能的森林、林木和林地。生态林的构建和维护对用水有着巨大需求，如能回用污水厂的低污染尾水作为生态林绿化和景观用水，则在节流和减排的同时，对低污染尾水进行生态净化，进一步减少外排尾水对受纳水体的污染。常州新北区在新龙生态林湿地的建设中，在营造生态林地—湿地的基础上，引入常州最大的污水处理厂—江边污水处理厂尾水为中水水源作为景观用水和绿化用水，一方面实现中水回用，另一方面深度处理尾水中污染物，达到净化尾水与污水资源化的双重目标，获得了良好环境效益和生态效益。

1 工程概况

1.1 江边污水处理厂工程概况

常州市江边污水处理厂是常州市目前最大的城市污水处理厂，远期规模为60 万m3/d。一期工程2005年年底投产运行，处理能力为10 万m3/d，采用改良A2/O(MUCT)工艺。2009年扩建二期工程10 万m3/d，并进行提标改造，采用水解酸化+改良A2/O(MUCT)+高密度澄清池+V型滤池+ClO2消毒工艺。2012年三期工程扩建10 万m3/d，采用改良A2O+高效沉淀池+V型滤池+ClO2消毒污水处理工艺，出水达到国家一级A标准[3]。2013年启动四期扩建工程，规模20 万m3/d。四期工程建成后，江边污水厂形成至少50 万m3/d的处理能力。江边污水处理厂达标尾水通过排江泵站排入长江，由于常州市排江总量指标的限制，从三期工程开始必须至少利用4 万m3/d的尾水，以达到减排的目的。污水的再生利用是污水厂节能减排的重要环节，尤其是对于水质型缺水的常州市，不仅能使有限的淡水资源得到合理利用，同时可以减少排入水体的污染物。江边污水处理厂处理后的尾水已达到一级A标准，可满足再生水利用的要求。

1.2 新龙生态林工程概况

常州新龙生态林是常州首个以“林”为核心、体现野趣自然的“城市森林”，旨在以原生态森林为载体，着力于改善城市生态环境，打造满足市民康体健身活动的多功能森林绿地。生态林总用地面积为540 hm2，东西长 9.7 km，南北最大宽度928 m，一般宽度为500 m[4]。生态林工程主要建设生态防护林、水体景观、配套用房、道路、停车场等，建设生态防护林占地面积2 114 391 m2；因堆坡所需外运土方2 224 553 m3，水系开挖土方4 305 932 m3；水体景观营造面积677 227 m2，整个工程对水量的需求非常巨大。

2 尾水回用与净化项目水量与水质分析

常州新龙生态林湿地低污染尾水回用与净化项目是国家水体污染控制与治理科技重大专项—太湖富营养化控制与治理技术及工程示范项目的成果应用。项目利用靠近江边污水厂的优势，根据现有生态林布局、规模及可利用中水区域，设计中水利用量8 万m3/d。中水用于生态林湿地补水，并通过生态净化，进一步净化中水水质，达到地表水环境质量标准Ⅲ类水质排放。

2.1 尾水回用水量平衡分析

设计的8 万m3中水采用多点进水，多点出水的方式，通过DN1000 mm管道多点输送到水上森林湿地、垂直流湿地、表面流湿地、溪流湿地和河道湿地，其水量平衡如图1所示。

图1 中水回用水量平衡图

2.2 尾水回用水质分析

生态林工程以江边三期出水作为再生水进行利用，对江边污水处理厂三期出水实际水质进行分析，在5个月中其水质指标浓度变化出现的频率如表1所示。

表1 江边污水处理厂三期出水水质频率表

据此推算出江边污水处理厂三期出水实际保证率如表2所示。

表2 江边污水处理厂三期出水实际水质保证率

从表2可以看出，在江边污水处理厂三期正常运行时，出水水质达到地表水环境质量Ⅲ类及Ⅳ类标准的保证率分别为84%和95%,远优于污水处理厂I级A排放标准。

2.3 用作中水原水的水质分析

根据表1数据分析计算，进入新北区生态林的江边污水处理厂中水水质为：化学需氧量(CODcr)< 25 mg/L，氨氮(NH3-N)<1.0 mg/L, 总氮(TN)<12 mg/L，总磷(TP)<0.3 mg/L。常州市的风景观赏河道依据国家《地面水环境质量标准(GB3838-2002)》，基本上属于Ⅳ类河道。如果用污水厂处理出水作为河道生态补水，其水质应达到相应级别的水质要求。将污水厂深度处理出水与Ⅳ类河道水质比较，可以看出污水厂深度处理出水除总氮外，其余指标均高于Ⅳ类水标准，如表3所示。

表3 中水进水水质与地表水Ⅳ类水水质比较 mg/L

经分析比较，可考虑使用江边污水厂的再生水作为生态林的绿化和景观用水，经生态林生态净化后的出水作为Ⅳ类水体河道的补充水源。

3 生态净化工艺及说明

人工湿地和生态沟渠因投资运行费用低、二次污染少、操作简单、处理效果稳定，作为简单而实用的水污染修复技术，被越来越多地用于污水处理厂尾水的深度处理[5-6]。新龙生态林工程作为一个大规模的生态补偿森林绿地，在对中水进行净化回用时，一方面要求水处理成本低、运行管理简单；另一方面也要求具有良好的水体景观效果，而集“生态水景”和“水中处理”功能于一体的人工湿地和生态沟渠能够很好地满足这两方面的要求[7]。

3.1 工艺设计原则

在生态林-湿地系统的设计中，考虑以下原则。

(1)利用原有的设计地形，建立多样的湿地处理系统，有效削减尾水中氮磷污染物含量。

(2)人工湿地与生态林建设融为一体，营造丰富多样的水体生态景观。

(3)有效维护生态安全，控制中水回用的生态和健康风险。

(4)利用湿地水生植物和富含磷的基质，通过堆肥形成有机肥，实现尾水氮磷营养物的资源化。

(5)克服传统生态技术在冬季受气候及植物生长周期影响除磷脱氮效率低下的问题，保证中水回用系统和生态林的长效运行。

3.2 主要处理工艺及参数

新龙生态林不同形态湿地处理系统主要工艺相关参数如表4所示。

3.3 工艺特点

新龙生态林作为生态补偿工程和城市湿地公园，设计了湖泊、河流片段、开敞水面、浅滩、溪流等不同的形式的水体类型，并充分考虑不同地形条件下产生的多样性的水体景观效应[8]，其主要的工艺特点有。

表4 湿地处理系统主要工艺及相关参数

(1)垂直流湿地。垂直流人工湿地硝化作用相对较强，是废水净化的可靠天然处理系统[1]。本项目中的垂直流人工湿地填料采用碎石、细石、土壤、改性生物质炭等。设计水生植物发酵罐60 m3，采用砖混结构。采用高效固氮和固磷吸附——生物再生技术，以及自循环生物补碳脱氮技术，进行反硝化脱氮，进一步去除中水中硝态氮、COD，同时通过吸附固磷削减中水中磷素。

(2)水生森林湿地。水生森林是指以乔木为主的生态湿地[9]，种植极耐水湿特性的树种，赖水而生，长成大树，形成森林。新龙生态林项目的水生森林湿地采用梯田式构造，种植池杉、水杉、河柳等湿生乔木为主，与周边环境融为一体，形成城市“绿肺”，湿地对中水进行净化，其水深30～40 cm。

(3)表面流湿地。表面流人工湿地不需要砾石或土壤作为介质，一般只需利用天然河道或洼地改造而成，在底部铺以防渗材料或者利用天然防水屏障以阻止污水中有害物质进入地下水系[1]。在湿地的下层铺上渗水性能较好的介质，并种植沉水植物、挺水植物和浮水植物，形成不同景观类型的表面流湿地。

(4)溪流湿地。溪流湿地是在地势相对波折陡峭，水流速度变化多端时形成的动水景观[10]。溪流作为一个小型的湿地系统,具备了湿地拥有的各种生态功能[11]。本项目的溪流湿地采用水生植物增氧技术和好氧反硝化同步脱氮技术，去除水体中硝态氮。

(5)河道湿地。河道湿地是本项目中规模最大的处理单元，采用生态沟渠技术构建，优化水流流态以增加水力停留时间，从而提高TN和TP的去除率[12]。对原有河道岸基进行改性，添加纳米材料，提高固磷能力，添加量0.1%，厚度5 cm。在基地改造基础上，岸边梯度种植挺水植物、浮叶植物、沉水植物等，种植品种包括沉水植物：穗状狐尾藻、菹草、伊乐藻；浮叶植物：田字萍、睡莲；漂浮植物：浮萍；挺水和湿生植物：鸢尾、再力花、蓝花梭鱼草、狭叶香蒲、芦苇、菰、水葱、蓼、双穗雀稗、水芹、南美天胡荽和苔草，在岸边台地上水生植物种植平均宽度5 m，利用水生动植物联合净化，实现氮磷深度削减，同时，提高水体溶解氧。

本项目中,中水回用于景观用水、湿地生态净化系统总水力停留时间为2.5～3 d。

3.4 工程中采用的关键技术

南京大学环境学院和常州环保科技开发推广中心承担了“十二五”国家重大水专项《低污染水生态技术集成研究与工程示范课题》，开展了大量污水处理厂尾水深度生态净化技术研究，开发了系列高效的生态净化深度处理技术，并应用于江边污水厂尾水净化与回用工程中，应用的关键技术如下。

(1)自循环生物补碳脱氮技术。项目运用了自循环生物补碳脱氮技术，以解决污水处理厂尾水碳源不足影响反硝化脱氮的难题。污水处理厂生化尾水中TN一般在10～14 mg/L，以硝态氮为主，需要进行反硝化脱氮才能使总氮小于8 mg/L。人工湿地的反硝化碳源主要来自于污水处理厂生化尾水，但是由于尾水中的溶解性有机碳浓度很低，因此需要使用外加碳源提供反硝化电子供体。水生植物是人工湿地重要组成部分，在厌氧条件下分解可释放出单糖和其他营养元素，作为反硝化碳源。本项目应用了自碳源利用技术，利用水生植物厌氧发酵产生有机酸，然后投入到人工湿地中，进行反硝化脱氮。

(2)人工湿地冬季物化强化脱氮除磷技术。人工湿地处理技术在冬季时受气温影响，除磷脱氮效率降低，课题组针对此开发了人工湿地冬季物化强化脱氮除磷技术。由于污水处理厂生化尾水具有一定的温度，在冬天能保持在8～12 ℃，将热阻力比较大的隔离物如水生植物铺在人工湿地的顶部，减少污水向大气的热量损失，实现保温的目的。表面流湿地冬季种植耐寒能力强的鸢尾、菹草等水生植物，提高冬季氮磷削减的能力。同时菹草作为反硝化补碳的原料，通过向系统中添加碳源，提高BOD/NO-3-N有利于反硝化进行，氮去除率从30%提高到80%～90%，以实现资源循环利用。

(3)生态净化长效运行技术。传统生态技术在冬季受气候及植物生长周期影响面临除磷脱氮效率低的问题，从而难以保证生态净化工程长效稳定运行。新龙生态林项目比选低污染水生态净化所用的湿生、水生植物等经济生物，利用冬季保温方法，筛选出适用于秋冬季运行的植物种类以及可用于生态净化的经济水生植物种群，比选各种水生、湿生花卉、苗木的经济价值和对低污染水的净化效率，在模块化组装和组合上建立基于自循环的营养物质链技术，将示范工程建设成为水生花卉生产基地，实现植物资源化与景观化，从技术上和经济上实现生态处理的长效运行。