生态工程在尾水深度处理中的应用<br/>——以洪泽尾水生态工程为例

生态工程在尾水深度处理中的应用
——以洪泽尾水生态工程为例

2019-02-26李冬梅丁新春戴建军李睿华

四川环境 2019年1期

杨峰，曹勋，李冬梅，丁新春，施鹏,2，戴建军，李睿华,2

(1.南京大学盐城环保技术与工程研究院, 盐城 224000；2.南京大学环境学院，南京 210046；3.江苏南大华兴环保科技股份公司，江苏盐城 224000)

1 前言

生态工程能够有效结合生态系统物质循环原理[1]和系统工程的优化方法，实现资源的多层次和循环利用，生态工程在水处理领域的应用日渐广泛[2～4]。

淮安市洪泽区地处南水北调东线沿线，四面环水，东临白马湖，西靠洪泽湖，南连入江水道，北接苏北灌溉总渠。尾水生态深度处理工程建成之前，全县生产、生活废污水主要排入浔河后汇入白马湖，白马湖是南水北调东线工程输水干线，又是淮安市区规划的饮用水备用水源地。为保证南水北调东线工程调水和淮安市区饮用水的水质安全，洪泽县建设了生态处理工程，对污水厂尾水进行深度处理。洪泽尾水生态处理工程占地面积约5 100亩，分为2期进行建设。一期工程处理水量为6万t/d(南线处理水量4万t/d，北线处理水量2万t/d)，主要为生活污水，总投资1.3亿元，于2011年底建成，2012年上半年开始试运行。二期工程时，北线处理水量增加4万t/d，主要为工业废水，总投资1.9亿元(含拆迁与湿地公园建设)，2015年开始运行。生态处理后的尾水回用于周边农业灌溉、河道生态环境补水、城市杂用水、林地浇灌用水等，多余部分排入淮河入海水道。

其中一期工程南线工程处理城市污水处理厂一级B出水，采用曝气塘、兼性塘、表面流湿地与生态塘串联组合工艺。北线工程的进水为工业废水经处理达标后的出水，采用曝气塘、表面流湿地、兼性塘、潜流湿地和生态塘串联组合工艺，工艺参数详见表1。生态工程中，挺水植物优势种是芦苇和香蒲，表面流湿地中长势较好，潜流湿地调研期间由于填料表层未覆盖泥土或细沙，长势不佳；沉水植物以黑藻为主，部分水域盖度可达90%；浮叶植物以睡莲和菱为主，另外表面流湿地中设置有小岛，在小岛及其周边的浅水区域种植水葱、常绿鸢尾、再力花、旱伞草、香蒲、千屈菜、梭鱼草、黄花鸢尾、美人蕉等9种水生植物。

对洪泽尾水生态工程一期进行调研，对其运行效果进行分析评价，为污水处理领域的生态工程设计和管理提供参考。

表1 部分处理单元参数Tab.1 Parameter of part of processing units

2 材料与方法

洪泽尾水生态工程分为南线工程和北线工程，工艺流程如图1和图2。

图1 南线工艺流程Fig.1 The process flow chart of South Line Project Engineering

图2 北线工艺流程Fig.2 The process flow chart of North Line Project Engineering

曝气塘、兼性塘、生态塘都是由原来的鱼塘改造而成，有效水深分别为4.5 m、2.5 m和1.5 m；表面流湿地有效水深为0.8 m；潜流湿地分72个单元，每个单元规格约为45m×15m，为水平潜流形式，填料为普通石子，填充高度为0.8m。

在南线和北线全流程采取12组水样，采样点分布详见表2，分别于2015年7月10日和8月19日进行调研采样，测定其pH、溶解氧(DO)、浊度、氨氮、硝态氮、亚硝态氮、总氮、总磷、COD、BOD等指标。其中pH、DO使用HACH HQ30D测定；浊度使用HACH 3100Q测定；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB 11894—1989)测定；TP使用用钼酸铵分光光度法(GB 11893—1989)测定；CODMn、氨氮、硝氮、亚硝氮的测定参考《水和废水监测分析方法》第四版。

表2 采样点分布Tab.2 The distribution of sampling points

3 结果与分析

各采样点水质检测结果见表3。

3.1 环境因子的变化

3.1.1 pH的变化

尾水在南线生态处理过程中经曝气塘、表面流湿地、兼性塘、生态塘后，pH值由进水口的7.60上升到8.08，pH值整体上呈现上升趋势。在北线生态处理工艺中尾水的pH在7.63～7.78之间变化，波动幅度很小。

表3 各采样点水质数据Tab.3 Water quality data of each sampling point

3.1.2 浊度的变化

南线中，污水经过曝气塘后，浊度迅速下降，由初始的21.69 NTU下降到14.06 NTU。经过1#表面流湿地处理后浊度基本没有变化，但是经过3#表面流湿地处理后浊度反而迅速上升到35NTU左右。此后经过1#生态塘和5#表面流湿地处理，浊度基本没有变化，保持在35 NTU左右。

北线中，废水经曝气塘处理后浊度略有下降，经过潜流人工湿地后浊度反而上升到30NTU左右，此后经过表面流湿地、生态塘处理，浊度变化不大，在30～35 NTU之间波动。

3.1.3 溶解氧(DO)的变化

南线工程中，污水经过1#曝气塘后，DO小幅提升，从8.60 mg/L升高到8.80 mg/L，升高了2.3%。1#表面流湿地对DO的提升效果明显，由进水口的2.50 mg/L升高到出水口的7.66 mg/L，升高了2.06倍。

北线工程中，6#表面流湿地对DO的提升效果最佳，污水流经6#表面流人工湿地后，DO升高了1.20倍；2#生态塘对DO的提升效果次之，仅提升了2.5%；废水流经2#曝气塘和2#兼性塘后，DO略有下降，分别下降了15.90%和16.95%。

湿地中的氧的主要来源为水生植物(包括藻类、沉水植物、浮叶植物、挺水植物水面下茎叶等)光合作用直接向水体释放的氧、植物根系泌氧、大气自然复氧和水体更新复氧。南线和北线工程中的表面流人工湿地能有效地提高溶解氧的浓度，1#和6#表面流湿地可分别将溶解氧浓度提升2.06和1.20倍。水生植物可通过自身的光合作用，向水体输送氧气，提升湿地的氧化能力。另外，水生植物将部分氧气输送到根毛部位，在根毛周围形成好氧-缺氧-厌氧的微环境，将有利于水体中污染物的降解、转化和去除。调研过程中，1#曝气塘和2#曝气塘的曝气装置没有运行，并没有起到曝氧的作用。1#曝气塘的深水处已经处于厌氧状态，而废水经过2#曝气塘后，DO浓度反而下降了15.90%。

3.2 水体氮素的变化

图3 不同处理单元中氮素的变化Fig.3 The changes of the nitrogen in different processing units

3.3 水体TP的变化

在南线生态处理工艺中，尾水自出水口依次流经曝气塘、表面流、生态塘后，TP含量都呈现下降趋势(图4)，TP由进水口的0.28 mg/L降为5#表面流湿地出口的0.01 mg/L，去除效果明显。在北线生态处理工艺中，尾水经2#曝气塘曝气后，水体TP含量由0.47 mg/L降至0.11 mg/L，TP的去除效果较为明显，去除率达到76.6%。但是水体流经潜流湿地和7#、8#表面流湿地后，TP含量有所上升，出水口水体TP为0.36 mg/L。

在生态处理中，TP的去除主要依靠基质的吸附，植物的吸收也有一定的作用。由于该生态处理过程使用面积较大，因此，TP在生态处理工艺的前面2、3个处理单元就得到很好的去除。

图4 不同处理单元中TP的变化Fig.4 The changes of the TP in different processing units

3.4 水体有机污染物的变化

3.4.1 COD的变化

在南线生态处理过程中，污水经过1#曝气塘、1#兼性塘和1#表面流人工湿地后，尾水COD迅速下降，由进水口的124.4 mg/L降到20.8 mg/L，削减了83.28%。此后尾水经2#和3#表面流湿地、1#生态塘、4和5#表面流湿地处理时，COD在20～40 mg/L之间波动，基本没有COD去除效果。在北线生态处理过程中，废水经曝气塘处理后，COD由110 mg/L下降为63 mg/L，削减了40.51%。此后尾水依次经过6#表面流湿地、2#兼性塘、潜流湿地、7#和8#表面流湿地的处理后，COD在60mg/L左右波动，基本没有变化。南、北线生态处理的尾水最终合并后经过2#生态塘净化后，出水COD为29.6 mg/L。2#生态塘对COD有少量去除效果。

图5为各处理单元进出水COD的变化情况。1#曝气塘、1#表面流、1#生态塘、2#曝气塘和2#生态塘对COD的去除效果较好，去除率分别达到47.9%、67.9%、65.3%、40.7%和52.3%， 3#表面流湿地、5#表面流湿地、2#兼性塘和潜流湿地对COD的去除效果并不明显。

可见无论是南线还是北线生态处理中，COD主要在曝气塘和第一级表面流湿地中去除，后续的表面流湿地、潜流湿地、兼性塘等生态处理单元对COD基本没有去除。由于曝气塘水深4.5m，面积超过10万m2，曝气装置较少，且间歇工作，因此实质上该曝气塘已成为厌氧塘。污水在污水处理厂经过生化处理后，大部分可生化有机物都已矿化，尾水进入曝气塘后，经过厌氧处理，COD得到较好的去除。因此在利用生态技术处理生化尾水时，厌氧塘对COD的去除起着重要作用。

3.4.2 BOD的变化

南线工程中，污水流经1#曝气塘和1#表面流湿地后，出水口水体中BOD浓度呈现下降趋势；北线工程也呈现相似的变化规律，废水经过6#表面流、2#兼性塘、潜流湿地、2#生态塘后，出水口BOD浓度整体上呈现下降趋势。

从各个处理单元来看，1#曝气塘、1#表面流湿地、潜流湿地对BOD去除效果较好，去除率分别为51.6%、25.5%和37.0%，6#表面流湿地对BOD去除效果次之，去除率仅为2.9%。而2#曝气塘、2#兼性塘和2#稳定塘对BOD的去除效果欠佳，废水经过其处理后，出水BOD浓度反而有所上升，分别上升了78.6%、2.5%和7.0%。图6为各处理单元水体BOD的变化情况。1#曝气塘、1#表面流湿地、潜流湿地对BOD去除效果较好，去除率分别为51.6%、25.5%和37.0%，6#表面流湿地对BOD去除效果次之，去除率仅为2.9%。而2#曝气塘、2#兼性塘和2#稳定塘对BOD的去除效果欠佳，废水经过其处理后，出水BOD浓度反而有所上升，分别上升了78.6%、2.5%和7.0%。

图6 各处理单元进出水BOD浓度的变化Fig.6 The changes in BOD concentration of inlet water and outlet water in each processing unit

与COD变化趋势略有不同，除了表面流湿地外，潜流湿地对水体的BOD也有较好的去除效果。调研发现，潜流湿地中，水生植物生长情况不够理想，因此有机物的去除主要依靠基质和微生物作用。颗粒性有机物会在潜流湿地中通过过滤或者沉淀，分解成可溶性有机物，然后附着在基质表面，在微生物的作用下实现有机物的降解。

4 讨论

生态工程可以利用植物吸收[5]、基质的过滤吸附、植物根系泌氧形成的好氧-缺氧-厌氧微环境[6]、根系及填料上的生物膜[7～9]等实现对目标污染物的去除。总体上看，洪泽生态工程运行效果良好，在进水符合一级B排放标准的情况下，COD、N、P等常规指标都远优于一级A的设计标准。南线生态工程处理生活污水尾水，在夏季出水的COD可降到20mg/L以下，TN、TP可降到2和0.02mg/L以下，接近地表水IV类水的出水水质。北线生态工程处理工业废水尾水，由于可生化性差，COD由110mg/L左右降到60mg/L后很难再进一步降解，TN、TP则可降到8和0.1mg/L以下。

洪泽工程综合运用了稳定塘、人工湿地、曝气生物措施等生物-生态技术，对污水厂的达标尾水进行处理、再利用，最大限度地节约和保护水资源，相对于常规的物理、化学处理技术，具有投资运行成本低、无二次污染的特点。工程充分利用宁连高速旁的绿化带、现有鱼塘，既能净化水质，又可以结合现状环境设计成湿地生态景观，起到一举多得的效果。工程水生植物选取合理，选择了根系发达、生长迅速且繁殖能力强、生物量较大、净化效果好的芦苇、香蒲、菰、鸢尾、美人蕉、再力花等，既能适应当地的气候条件，也有很好的观赏性。在设计表面流湿地时注重生境多样性的构造，植物群落布局合理，生物多样性较好，合理的植物种植间距也保证了水体的流动性，一级表面流湿地对COD、BOD的去除率可达67.9%、25.5%，对氮磷等营养盐也有较好的去除。冬季低水温时，种植了水芹、水葱、伊乐藻、菹草、黑麦草等耐寒植物，增强湿地冬季的净化效果。另外，有组织的植物残体收割，有效地避免了水体的二次污染[10-11]。

洪泽工程的设计和管理方面还存在需要改进的地方，曝气塘和兼性塘进出口设置欠妥，存在短流现象，产生部分死水区域；曝气塘和表面流湿地出水流速过大，可设置出水堰；潜流湿地基质为普通石子，基本无植物分布，对COD、TN、TP的去除效果不佳，建议二期将基质改成瓜子片+石子+黄沙分层铺设；曝气塘曝气装置功率不足和间歇式运行方式，导致曝气塘并没有起到很好的曝氧作用，1#曝气塘深水处DO浓度仅为0.35 mg/L，已经处于厌氧状态，而废水经过2#曝气塘后，DO浓度反而下降了15.90%。1#曝气塘设置了生态浮岛，但基本没有起到任何作用，调研期间未见植被分布，建议选择根系发达的植物，如水芹、黑麦草等，必要的时候，可悬挂填料，提高工程净化效果，水质监测结果也证明了1#曝气塘和2#曝气塘运行管理方面存在问题，对氮、磷、COD和BOD的去除效果都不太不理想。