稳定塘+人工湿地耦合系统在卢龙县粉浆水处理中的应用

贾子利

(河北环境工程学院，河北 秦皇岛 066102)

1 卢龙县粉浆水污染现状

卢龙县位于河北省东北部，属秦皇岛市辖县，由于土壤、气候等条件适宜，甘薯栽植已有150多年历史，甘薯已成为全县第一大主栽作物。1996年，卢龙县被国家命名为“中国甘薯之乡”，常年有约12万亩的甘薯种植面积，品种达36种以上，为卢龙县甘薯加工业提供了充足且优良的原料，甘薯产业现已成为全县农业特色主导产业之一。然而甘薯加工业大多以家庭作坊为主，设施简陋、工艺落后，缺少必要的污水处理设施是这类甘薯加工作坊的共同特征。近几年，随着甘薯加工业的快速发展，每年需要排放数百万t粉浆水，这些含有大量COD、BOD5、N、P等有机污染物的粉浆水大部分被直接排入了河流，严重影响了周边水质，粉浆水已经成为卢龙县河流污染的主要源头。卢龙县环境监测站的河流水质监测数据显示，西洋河康各庄监测断面河流水质在秋季甘薯加工季节恶化至劣V类，严重威胁了水中鱼类的生存。此外，粉浆水污染也对周边居民饮用水安全带来了隐患，尤其是粉浆水厌氧发酵后使得水体发黑发臭，严重影响周边居民的生活品质。粉浆水污染治理问题已经成为卢龙县环境综合整治的顽疾，当地政府极为重视粉浆水污染的治理问题。

2 粉浆水的水质特征

粉浆水主要来源于甘薯加工过程，是一种高浓度有机废水。有机物在水中主要呈现3种形态：悬浮态、胶体态、溶解态[1，2]。通常不同的时间、不同的地点所采集的水样，其水质特征均存在一定的差异，这种差异主要来源于生产工艺的不同及采样误差，属于正常波动范围。本实验针对粉浆水的水质特征进行了现场取样检测，一共采集了5个水样样本，所有样本均呈现微黄色、浑浊、并带有臭味。将上述5个水样按照一定比例制成混合水样，经实验室化验检测，粉浆水各项主要水质参数平均值如表1所示。

表1 粉浆水水质特征参数平均值

由表1可知粉浆水的主要水质特征，并根据《淀粉工业水污染物排放标准》(GB 25461-2010)规定可得如下结论：

(1)粉浆水中COD值为22364 mg/L远大于粉浆水直接排放COD浓度限值100 mg/L，有机物含量严重超标。

(2)粉浆水中TN含量为611 mg/L，NH3-N仅仅为含量为13.2 mg/L，故绝大部分为有机氮形式，且大于粉浆水直接排放TN浓度限值30 mg/L，严重超标。

(3)粉浆水中TP含量为61.2 mg/L大于粉浆水直接排放TP浓度限值为1 mg/L，严重超标。

(4)粉浆水的pH值为3.85，酸性。粉浆水直接排放pH值范围为6～9，pH值严重超标。

综上所述，粉浆水的水质特征不符合《淀粉工业水污染物排放标准》(GB 25461-2010)，故不能直接排放，必须经过废水处理设施净化后达标方可排放。因此，准确地判断废水的特性对于废水处理工艺的设计十分重要。

废水的可生化性是废水重要特征指标之一。通常用BOD5/COD的比值来表示废水的可生物降解性强弱，一般认为BOD5/COD>0.3的废水属于可生物降解废水[3，4]。该比值越高，采用生物法处理该废水的效果就越好。粉浆水属于薯类淀粉废水，废水中污染物几乎全部为可生物降解有机物，故其可生化性指标BOD5/COD比值很高，粉浆水具有良好的可生化性。粉浆水良好的可生化性是开展氧化塘+人工湿地耦合深度处理粉浆水研究的重要基础。

3 稳定塘与人工湿地复合系统的构建实验

3.1 稳定塘

稳定塘又称氧化塘，是一种利用水体自身生物净化作用来净化污水中各类污染物的构筑物的总称。一般由天然池塘、洼地经过适当的人工修整，并设置围堤和防渗层，主要利用菌藻的共同作用处理废水中的有机污染物。稳定塘作为污水处理系统具有基建投资和运转费用低、维护和维修简单、便于操作、能有效去除污水中的可降解有机物和病原体、污泥产生量小等优点[3～6]。

按照塘内微生物的类型和供氧方式来划分，稳定塘可以分为厌氧塘、兼性塘、好氧塘、曝气塘[4，5]。

3.2 人工湿地

人工湿地是指通过在合适的地形和土壤上模拟天然湿地系统构建的一个人工可控的污水处理系统，由土壤、砂砾、碎石等混合成的填料床和在床体上栽成活率高、观赏性大且具有一定经济价值的植物以及微生物共同组成，污水流过系统时，经过微生物分解、植物吸收以及基质吸附等物理化学步骤，可以有效地降低污水中的污染物的含量[3～5]。

根据不同的进水模式，人工湿地大致分为3种类型：表面流人工湿地、潜流人工湿地和垂直流人工湿地[7～10](表2)。

表2 各类型人工湿地的优缺点

3.3 多级稳定塘+人工湿地耦合系统构建

通过技术可行性分析与经济可行性分析，本实验决定采用多级稳定塘+潜流式人工湿地作为核心构筑物来设计粉浆水处理系统。本实验中的粉浆水处理系统设计日处理能力为500 m3/d。

3.3.1 实验主要构筑物及参数

3.3.1.1 格栅

本实验采用的是人工格栅，其主要作用是截留塑料、树枝、树叶等体积较大、不溶性杂物，需要人工定期清理防止堵塞。工程采用尺寸为2.5 m×2.5 m×1 m的不锈钢格栅，格栅间隙为25 mm。过栅水流速度控制在0.6～1.0 m/s之间为宜。

3.3.1.2 调节池

调节池的设计尺寸为20.0 m×20.0 m×3.0 m，设有2台潜污泵。其主要作用是储存集中排放的过量粉浆水，并调节水流速度。

3.3.1.3 初次沉淀池

本实验采用的是辐流式沉淀池，设计尺寸为直径18.0 m，池底坡度0.1，中心进水周边出水。设有1台刮泥机和1台潜污泵，用于抽取池底沉淀物。其主要作用是通过重力作用使粉浆水中不溶性甘薯淀粉从废水中沉淀出来，从而降低后续稳定塘与人工湿地耦合系统的处理负荷，使之能够高效正常运行。

3.3.1.4 混凝沉淀池

混凝沉淀池分为反应池和沉淀池。混凝沉淀池加药装置采用YJY0.3/0.72A-1型加药装置，药剂为三氯化铁。其主要目的是进一步降低水中胶体态有机物的量，从而减轻后续处理设施的负荷，保障出水水质达标。

3.3.1.5 稳定塘

本实验所采用的是多级稳定塘，分一级厌氧塘和二级好氧塘，即厌氧塘+好氧塘组合。一级厌氧塘设计尺寸为80.0 m×20.0 m×3.0 m。二级好氧塘设计尺寸为60.0 m×30.0 m×0.3 m。沿水流方向分一级厌氧塘、二级好氧塘。

3.3.1.6 潜流式人工湿地

本实验所采用的是目前应用最为广泛的潜流式人工湿地。实验设计尺寸为100 m×12 m×1.5 m，以土壤、砾石、稻草、稻壳等为填料，从下往上依次填充组成基质床体，并种植芦苇、菖蒲、香蒲、黑藻、水蕴草、金鱼藻等水生植物，形成基质—微生物—植物的复合生态净化系统。

3.3.2防渗设计

为了防止粉浆水下渗引起地下水污染，工程施工中需要在人工湿地和稳定塘底部做一定程度的防渗处理，一般采用铺设防渗膜的方式。

3.3.3 实验工艺流程图

实验工艺流程如图1所示。

图1 实验工艺流程

4 粉浆水处理效果分析

稳定塘+人工湿地耦合系统实验项目连续稳定运行后，本项目针对粉浆水处理后的出水水质进行了现场取样检测，按照一定比例取混合水样。经实验室化验检测，粉浆水处理后出水各项主要水质参数平均值如表3所示。

表3 出水水质各项参数平均值

由表3出水水质特征可得如下结论：

(1)对有机物的去除效果。粉浆水首先经过辐流式沉淀池，通过重力沉降作用去除水中大量悬浮态有机物，经过混凝沉淀后，再经过一级厌氧塘和二级好氧塘，利用微生物降解污水中大量胶体态和溶解态有机物，最终尾水排入潜流式人工湿地进一步处理。水中有机物含量显著降低，COD残留量仅为85 mg/L，达到预期效果。

(2)对氮的去除效果。TN包括有机氮和无机氮，该系统脱氮主要依靠水中微生物的硝化与反硝化作用、植物的吸收作用净化处理。该处理系统对NH3-N的去除效果优于TN，TN残留量为21 mg/L，NH3-N仅为0.32 mg/L，达到预期效果。

(3)对磷的去除效果。该处理系统除磷主要依靠的是基质的物理吸附和化学沉降，以及微生物代谢、植物吸收作用。TP残留量仅为0.6 mg/L，达到预期效果。

(4)pH值中和效果。本实验采用了碱性药剂中和法来调整粉浆水pH值，其具体做法是向粉浆水中投加石灰或石灰石。经过中和处理后，粉浆水pH值为6.3，达到预期效果。

5 结论与展望

5.1 结论

(1)多级稳定塘+潜流式人工湿地耦合系统对粉浆水中主要污染物的去除效果非常明显。对COD、NH3-N、TN和TP的去除率可高达99.62%、97.6%、96.6%、99.02%，出水水质能完全达到《淀粉工业水污染物排放标准》(GB 25461-2010)，该系统在技术上是可行的。

(2)多级稳定塘+潜流式人工湿地耦合系统可以大幅降低地表受纳水体河流、湖泊的污染负荷，有效改善地表水水质及周边环境。

(3)多级稳定塘+潜流式人工湿地耦合系统对TN和TP去除效果很好，有效地降低了水体富营养化风险。

(4)多级稳定塘+潜流式人工湿地耦合系统与现有处理技术相比，具有建设与运营成本低、易于管理维护、处理效果好等特点，非常适合农村地区因地制宜使用。

5.2 展望

本次实验中所采用的多级稳定塘+潜流式人工湿地耦合系统很容易受到外界温度变化的影响。不同温度下，该系统对各类污染物的去除效果存在很大的差异。由于本实验是在7～9月份开展的，当时气温较高，故污水净化效果也较好。针对冬季气温低的问题，建议调整薯类淀粉加工生产季节，从而避开低温对系统的不良影响，保障水质达标排放。此外，人工湿地的填料与种植植物对于污水处理效率也存在很大影响。

总之，稳定塘+潜流式人工湿地耦合系统在粉浆水处理中具有一定的应用前景，希望能为卢龙县粉浆水的分散排放所造成的水污染治理难题提供一定的借鉴意义。