高效生態(tài)塘在污水廠尾水深度凈化中的應用研究

高 洋

（上海太和水科技發(fā)展股份有限公司，上海 201700）

引言

2015年國務院發(fā)布《水污染防治行動計劃》（又稱”水十條”），要求對江河湖海實施分流域、分區(qū)域、分階段科學治理，系統(tǒng)推進水污染防治、水生態(tài)保護和水資源管理。生態(tài)文明建設對河道、湖泊的水質(zhì)要求及管控措施也日益嚴格[1-2]。2019年住建部、生態(tài)廳、發(fā)改委聯(lián)合發(fā)布了《城鎮(zhèn)污水處理提質(zhì)增效三年行動方案（2019—2021）》，要求加快補齊城鎮(zhèn)污水收集和處理設施短板，盡快實現(xiàn)污水管網(wǎng)全覆蓋、全收集、全處理，保護環(huán)境，推動綠色發(fā)展。目前，大多數(shù)污水處理廠可實現(xiàn)一級A標準排放，但是尾水中的污染物仍然是河流湖泊的重要污染源，因此對尾水的深度凈化尤為必要。高效、穩(wěn)定的生態(tài)塘可用來對污水處理廠的尾水進行深度凈化，發(fā)揮較好的減污作用，增強生態(tài)環(huán)境效應[3-5]。本文以江蘇南部某城鎮(zhèn)污水處理廠尾水的深度凈化工程為例，對生態(tài)塘凈水原理、設計參數(shù)以及去除效果等進行探討及分析。

1 工程概況

該工程污水廠日處理污水量為30 000 m3，污水廠進出水水質(zhì)CODCr濃度為18～25 mg/L，TP濃度為0.04～0.19 mg/L，NH3-N濃度為0.07～1.05 mg/L。處理該尾水的深度凈化工程處理規(guī)模為30 000 m3/d，并將污水處理廠東側原有魚塘，升級改造為生態(tài)塘，總占地面積為36畝。采用“生態(tài)塘”工藝進一步凈化污水處理廠尾水，使處理后的污水達到工程水向生態(tài)水轉(zhuǎn)變的目的，同時能夠有效改善下游區(qū)域的水環(huán)境質(zhì)量。

2 工程設計

2.1 工藝流程

該尾水的深度凈化工程依托于“大型浮游動物引導的水體生態(tài)修復技術”，利用項目區(qū)塊的地形優(yōu)勢，打造“深度涵養(yǎng)生態(tài)塘”的多級并聯(lián)生態(tài)修復系統(tǒng)，構建大型浮游動物、沉水植物、水生動物、微生物群落的共生生態(tài)系統(tǒng)?；謴统了参铮闷涔夂献饔锰嵘w溶解氧，改善水體氧化還原電位；利用大型浮游動物控藻；通過沉水植物與藻類產(chǎn)生種間競爭抑制藻類爆發(fā)；通過水生動物的牧食作用，使水體中的營養(yǎng)鹽由植物蛋白向動物蛋白轉(zhuǎn)化。健康的微生物群落，可大大提高水體自凈能力，以此構建健康完善的水體生態(tài)系統(tǒng)，打造“水清氣凈”的“生態(tài)景觀”水體，提升區(qū)域綜合環(huán)境質(zhì)量。

2.2 設計參數(shù)

該工程生態(tài)塘主要設計參數(shù)為：水力停留時間為1.46 d，水力負荷為0.21 m3/m2·d，表面有機負荷為8.69 kg/hm2·d，均滿足《人工濕地污水處理工程技術規(guī)范》（HJ 2005-2010）[6]的要求。

2.3 生態(tài)塘設計

2.3.1 生態(tài)塘水流方向與結構設計

污水廠尾水經(jīng)管道輸送至生態(tài)塘，通過串并聯(lián)方式，最終由7#生態(tài)塘排放至外河道，如圖1所示。生態(tài)塘駁岸坡度設置在1:1.5～1:2之間，二級平臺寬度為1～1.5 m，水深為30 cm，生態(tài)塘水深控制在1.2～1.8 m。

圖1 生態(tài)塘平面布置圖

2.3.2 生態(tài)塘生態(tài)系統(tǒng)設計

2.3.2.1 生態(tài)系統(tǒng)恢復的關鍵因子浮游動物的作用

生態(tài)塘生態(tài)系統(tǒng)恢復初期，水下光照是沉水植物群落生長的限制性因素。大型浮游動物攝食能力強，可有效去除水體中的有機懸浮顆粒物，快速提高水體透明度，明顯改善水下光照條件，為沉水植物光合作用提供基礎，有利于沉水植物群落的正常生長。

2.3.2.2 植物的選擇原則與設計

植物的選擇應有層次感，相關人員可根據(jù)當?shù)貧夂蛱卣?、水下空間情況，選擇搭配不同類型的品種。沉水植物應選擇四季常綠、去污能力強的品種；挺水植物應選擇蔓延性較差的品種，便于維護管理；草本植物應考慮不同花期，同時以廣布種和本土種品種為主，防止外來物種入侵，最終實現(xiàn)沉水植物、挺水植物、草本植物的生物多樣性和景觀協(xié)調(diào)性。

該工程在生態(tài)塘梗上配置的草本植物有百慕大、柳葉馬鞭草、大花金雞菊、山桃草、美麗月見草、紫嬌花、常夏石竹，打造成片的花草景觀；在生態(tài)塘二級平臺上配置有挺水植物水生鳶尾、水生美人蕉、千屈菜、燈芯草、香蒲，浮葉植物有睡蓮與銅錢草；在塘底配置的沉水植物有矮型苦草、改良刺苦草、小茨藻等（見圖2）。

圖2 生態(tài)塘植物配置斷面圖

2.3.2.3 水生動物的選擇原則與設計

該工程生態(tài)塘中投放了大型肉食性魚類及底棲動物，利用生物操縱原理，控制水體中的野生雜魚，防止雜食性魚類和底棲魚類影響沉水植物生長，利用底棲動物的牧食作用，過濾凈化水體，加強生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自凈能力。

2.4 輔助設施設計

本工程考慮到水體生態(tài)修復系統(tǒng)的穩(wěn)定性及水質(zhì)凈化的高效性等多重要求，欲打造水體內(nèi)部微循環(huán)系統(tǒng)，在實現(xiàn)水體良好增氧效果的同時，提升水質(zhì)凈化效率，提高生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過曝氣增氧系統(tǒng)的增氧、造流、循環(huán)、凈化水質(zhì)等功能，可以推動水體流動，促進水體交換，避免水體死角產(chǎn)生，防止非流動性的水質(zhì)得不到充分凈化。根據(jù)生態(tài)塘水深及形狀，本工程在每個生態(tài)塘配置1套小型浮水泵起到曝氣增氧，推動水體流動的作用。

3 工程效益分析

3.1 生態(tài)塘凈化效果分析

3.1.1 生態(tài)塘溶解氧濃度分析

該工程人工濕地建成后，形成了以四季常綠矮型苦草為主要建群種的水下生態(tài)系統(tǒng)。沉水植物的光合作用使生態(tài)塘始終處于高溶解氧狀態(tài)，7個生態(tài)塘溶解氧年平均值為10.97～13.01 mg/L（見表1），大大提高了生態(tài)塘的自凈能力。

表1 各生態(tài)塘溶解氧年平均值 單位：mg/L

3.1.2 生態(tài)塘出水營養(yǎng)鹽濃度分析

生態(tài)塘建成后，起到了涵蓄水源、調(diào)節(jié)水量的作用，該工程在運行養(yǎng)護期間每個月對生態(tài)塘出水進行水質(zhì)檢測分析，數(shù)據(jù)見表2。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，生態(tài)塘出水pH值在6.98～7.56之間，全年平均值為7.25，偏弱堿性。這主要是因為沉水植物光合作用大量消耗水體中的二氧化碳，使水體中二氧化碳的濃度降低，進而表現(xiàn)出水體pH值升高。生態(tài)塘出水CODCr濃度為18～24 mg/L，全年平均值為21.25 mg/L，去除率在20%～30%之間；TP濃度為0.04～0.12 mg/L，全年平均值為0.06 mg/L，去除率在20%～30%之間；NH3-N濃度為0.17～0.24 mg/L，全年平均值為0.21 mg/L，去除率在20%～30%之間。經(jīng)過生態(tài)塘凈化后，出水達到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838-2002）[7]中的Ⅳ類標準，可以滿足景觀補水的水質(zhì)需求。

表2 生態(tài)塘出水1～12月營養(yǎng)鹽濃度 單位：mg/L（pH除外）

3.2 生態(tài)與景觀效益

該工程在生態(tài)塘梗上種植觀花類草本植物；在生態(tài)塘二級平臺上配置挺水植物、浮葉植物；在塘底配置沉水植物。生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定后，沉水植物覆蓋率達到80%以上。沉水植物為魚類、底棲動物、浮游動物提供了棲息地；挺水植物為水鳥、昆蟲等動物提供了食物來源。該工程建立起了物種多樣化的濕地系統(tǒng)，改變了污水廠周邊環(huán)境，使其成為科普教育基地，其生態(tài)與景觀效益為當?shù)厣鷳B(tài)文明建設做出了貢獻。

4 生態(tài)塘的管理與維護

生態(tài)塘水下生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定是其長期保持自凈能力的基礎。水下生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定取決于沉水植物能否健康生長。在運行養(yǎng)護期間，相關人員要定期監(jiān)測水生動物的種類及數(shù)量，使肉食性、雜食性魚類處于相對穩(wěn)定的比例范圍內(nèi)；二級平臺上的挺水植物在冬季要及時收割，以防干枯倒伏后二次污染生態(tài)塘；同時，要加強對沉水植物種類的調(diào)控，減少頂冠型沉水植物（如狐尾藻、輪葉黑藻等）的比例，以防四季常綠的矮型苦草在種間競爭中失去優(yōu)勢，避免生態(tài)塘出現(xiàn)水華現(xiàn)象；定期收割也有助于植被擴張與根系生長，使植物保持較高的新陳代謝率，達到去除水中營養(yǎng)鹽的功效。

5 結語

城市污水廠尾水深度處理技術一方面可以減輕尾水對自然水體的污染，另一方面可以將其回用于生產(chǎn)生活領域，緩解水資源短缺的問題[8-9]。高效率的生態(tài)塘凈化系統(tǒng)對降低水污染、保護水資源有重大意義，可最大限度地減少水資源的浪費和污染，促進資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。對有條件的污水處理廠，利用其周邊閑置地塊，將其改造成高效生態(tài)塘，并加強對生態(tài)塘的管理與維護，保證水下生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定及可持續(xù)性，充分利用生態(tài)塘的凈化能力對污水廠尾水進行進一步凈化，對城鎮(zhèn)生態(tài)文明建設與高質(zhì)量發(fā)展具有一定積極意義。