潜流湿地及曝气砾石床对污水厂尾水净化工艺包研究

刘 敏

(上海勘测设计研究院有限公司,上海 200335)

城市水环境治理工程一般重点先行解决直排、合流溢流及混错接等污染问题,对污水厂尾水的深度处理相对滞后.近几年,我国污水处理厂和污水年处理量持续增加(见图1),截至2019年底,污水处理厂已突破4 000座,年污水处理量已突破600亿m3[1].污水厂尾水具有排放量大且集中的特点,我国多数达标排放的尾水仍是劣Ⅴ类水[2-3].相比于黑劣水体,污水厂尾水属于一种低污染水,低污染水积累的氮化合物被认为是我国水体富营养化和生态毒性的主要诱因[4],随着城镇人口数量激增,尾水生态处理的重要性与紧迫性逐渐凸显.

图1 我国近年城镇污水处理厂数量及污水年处理量

作为典型的生态处理技术,人工湿地是削减尾水出水中污染物的有效工艺之一[5],近几年对尾水等低污染水的深度处理已成为污水处理研究的重要方向[1,3,6].水平潜流湿地因其具有污染去除率高、占地面积小、后期维护简便等优点,在土地资源相对紧张的地区颇受青睐[7].

我国潜流湿地的系统研究与规模化应用已有30多年的历程,国家先后出台诸多相关规范和技术导则指导工程建设[8];同时随着相关研究的不断发展也有了诸多的变型应用,包括新型混合填料、曝气砾石床等.随着各地尾水型人工湿地工程实践的增多,更高的需求被提出,如增加负荷减小占地、提高脱氮除磷效能、最佳适配工况总结、优化运维管理设计、赋能生态价值实现等,其中优化工况参数同时总结不同指标最佳净化组合,也成为尾水型人工湿地理论研究的热点.目前,此类研究多为在实验室等静态条件下利用模拟污水进行的单一湿地类型多工况或单一工况多类型研究,为此本文在室外动态条件下利用尾水排水对不同类型水平潜流湿地净化效果进行了探究,并探讨了不同强化措施、工况对其净化效果的影响,提出去除不同污染物的最佳工艺包设计方案,以为进一步丰富尾水型潜流湿地理论研究体系,为人工湿地在污水厂尾水深度净化的广泛应用提供科学参考.

1 实验与方法

1.1 供试场地概况

供试设施建设于上海某污水处理厂末级处理池旁,该厂已建成日处理20万t污水规模.主要设计工艺为A/O,后通过投加填料的MBBR工艺、反硝化深床滤池工艺进行提标改造.设计出水为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准,实际出水多优于一级A(见表1).

表1 供试尾水水质

注:ND表示低于检出限.

1.2 供试设施及工艺设计

模块化潜流湿地系统主体通过PVC(DN50)给水管连接不锈钢板水槽构建,借助流量计、蠕动泵、风机、阀门等配件实现对不同工况的设计.实验设施平面设计情况见图2,其中高位水箱与两座集水池长×高×宽均为1 m×1 m×1 m,并用砖砌支墩提高水位.高位水箱用于储存污水厂尾水,集水池用来实现均匀配水及不同工况的转换.曝气砾石床(LSCQL)设计长×高×宽为3 m×1.5 m×0.6 m,中间用无锈网分割为进水区、缺氧区、好氧区、回流渠道、沉淀段、出水区.4座潜流湿地池设计尺寸长×高×宽均为2.4 m×1.4 m×1.0 m,场地内满铺碎石.

图2 模块化实验设施平面分布

设施连接情况见图3.尾水通过虹吸进入高位水箱,其内通过浮球阀控制水位,自流入集水池A和B实现布水,各装置前后端配有流量计和控制阀来设置不同工况.集水池A配有风机和风管流量计用来进行曝气实验,集水池B配有蠕动泵用来调节不同进水浓度.曝气砾石床通过无锈网隔板分区,并通过空气管实现好氧区的曝气.每座设施尾端分别设置采样口和溢流管,溢流管终端连接到就近排水渠.

图3 各模块管线接连图

剖面图及水位设计见图4.曝气砾石床设计水面线位于地面以上0.7 m,水深1.3 m,缺氧区、好氧区、沉淀段池底铺设1.3 m高卵石.4座潜流湿地设计水面线位于地面以上0.8 m,水深0.8 m,填料高0.85 m,填料以上铺设0.25 m高碎石.

图4 潜流湿地模块剖面

填料作为潜流湿地系统的主要载体,在污染物削减方面发挥重要作用,是决定污水处理效果的重要因素[9].国内外近几年应用于潜流湿地的填料种类,主要包括天然产物、工业/农业副产物、人工制备3类(见表2)[10].根据相关研究[11-12]并结合工程实践经验,综合考虑可获得性、经济性、净化高效性等原则在每一类中选择一种进行实验探究,分别为砾石潜流模块(LSQL)、沸石潜流模块(FSQL)、生物质潜流模块(SWZQL)和改性填料潜流模块(GXQL),填料形态见图5.

表2 人工湿地填料分类

(a) 砾石填料;(b) 沸石填料;(c) 生物质填料;(d) 改性填料图5 不同填料形态

1.3 设计实验工况

表3 设计工况

1.4 水样采集与分析方法

各工况保证有效样品采集次数4次,工况切换时确保至少7 d的稳定运行时间,如遇极端天气等外界影响则顺延,每次采集进水及不同模块出水水样.检测指标共计13项,除pH、溶解氧(DO)两项指标采用便携式水质监测仪进行现场检测,其余水质样品各项指标全部由具有CMA资质的检测机构进行检测.

2 结果与讨论

2.1 不同类型模块化潜流湿地对尾水污染物的去除效果

由图6可见,除GXQL外,其余模块出水pH值为7.67～8.71,在多数微生物适宜生长繁殖区间范围内[14-15];同时各模块出水pH均有所升高,其中GXQL出水pH升高最明显,LSQL变化最小,这与填料本身性质有关,与其他相关研究[16-17]中砾石这类天然惰性填料对湿地pH影响较低的结果一致.

图6 各潜流湿地模块理化指标均变化情况

除LSCQL外加曝气出水DO升高外,各模块出水DO含量均有所降低,其中LSQL出水DO下降20%左右,SWZQL、FSQL、GXQL降低幅度较为接近,在35%左右.这是由于微生物对有机物的作用过程和脱氮作用均会消耗大量氧气[18],而不同填料附着的微生物量存在差别所致.

不同模块对尾水中SS均有较好的净化效果,GXQL和FSQL去除率均在50%以上,LSCQL在40%以上,LSQL和SWZQL在30%以上.这可能因改性填料和沸石填料粒径相较于砾石和生物质填料更小,对悬浮物的拦截效果更好,而改性填料经过人工加工粒径较为均一、粒间距更小,故对SS的去除率较高.

除SWZQL外,各模块对TP去除效果均较明显,去除率均在60%以上,其中LSCQL的去除效果最佳,各湿地模块均去除率表现为LSCQL>GXQL>LSQL>FSQL>SWZQL.在废水中,磷以有机磷化合物和各种磷酸盐形式存在,后者居多并主要以颗粒态或溶解态存在于溶液、腐殖质粒子或水生生物中[19].本研究同步监测了各样点的可溶性磷酸盐浓度,由于除SWZQL模块外,在出水中未检出可溶性磷酸盐(浓度低于检测限),因此磷形态以颗粒态磷为主,主要通过吸附和沉降作用去除[20-21],故各湿地模块对磷的去除效果与SS的去除效果较为相似;而LSCQL除填料对磷的吸附作用外,曝气进一步促进了微生物对磷的吸收;SWZQL填料主要由农林秸秆高温煅烧而成,运行时填料中磷酸盐释放导致其出水TP含量有所升高[10].

从均去除情况来看,不同湿地模块对尾水中的COD与BOD均有一定的去除效果,去除率在10%左右,其中效果最好的为LSCQL,相较于潜流湿地其他高浓度污水的去除率低很多.这可能因为COD与BOD的分解主要依靠微生物作用,而微污染水体中该类降解反应效率较低,同时潜流湿地中有氧环境较差.

不同模块对石油类污染物的去除效果表现为均去除率FSQL>GXQL>SWZQL>LSCQL>LSQL,出水均浓度在地表Ⅳ类水标准以上.尾水经过不同的潜流湿地模块处理后,除GXQL外,粪大肠杆菌均有较大程度的降低.除以上指标,本实验同步检测了磷酸盐类和阴离子表面活性剂两项指标,但多数样品这两项指标值均低于检出限.

2.2 不同设计工况下潜流湿地模块对尾水污染物去除的影响

由图7可见,进水pH值较为稳定,出水pH均有所升高,但同一类型潜流湿地模块在不同工况下pH变化不明显.不同工况出水DO有一定差异,工况三出水DO降低幅度较大,可能因延长了HRT,同时也延长了该环境下微生物反应的时间、对氧气的消耗较高所致;工况四中,不同潜流湿地出水DO均有所升高,这可能因为进水溶解氧较低情况下,高污染负荷对好氧微生物有一定的抑制.

(a) 不同工况pH变化情况;(b) 不同工况DO变化情况;(c) 不同工况SS变化情况;(d) 不同工况TP变化情况;(e) 不同工况亚硝酸盐变化情况;(f) 不同工况硝酸盐变化情况;(g) 不同工况氨氮变化情况;(h) 不同工况TN变化情况;(i) 不同工况COD变化情况;(j) 不同工况BOD变化情况图7 不同设计工况下各潜流湿地模块出水不同指标变化情况

同一湿地类型不同工况下,工况三提高HRT对湿地出水SS的影响较为明显,在进水SS较高的情况下,其各类湿地出水SS去除率平均在80%以上,其余工况下不同类型湿地对尾水SS的去除率差别不大,去除率在35%～46%之间.SS的去除主要通过沉淀、过滤作用,固定的湿地面积、相同的HRT出水SS差别不大,延长HRT、减缓流速对其有一定影响.

相比基础工况一,提高HRT对湿地出水TP的去除有一定的提升,而增加曝气、提高C源与N源浓度效果不显著.

不同工况对COD和BOD的净化效果影响趋势较为一致,去除率均表现为高碳氮浓度进水>增加HRT>增加进水曝气>基础工况.除工况一,其他3种工况下不同湿地出水COD浓度基本在地表水Ⅲ类水标准以上,BOD在Ⅳ类水标准以上.

表4 不同指标最佳净化组合信息

3 结论

基础工况下,LSCQL对各类污染物的去除效果较好;SWZQL对各形态氮素去除效果较好,但有磷二次释放的风险,应用中宜进行预处理[10].改变工况,尤其是进水增加曝气后,各潜流湿地对污染物的去除能力显著增强,增加HRT有助于潜流湿地对SS和TP等通过吸附沉淀作用去除的污染物的净化效果,即潜流湿地在应用中通过增加曝气亦可保证其相对高负荷下的净化效率.