常州新龍生態(tài)林低污染尾水凈化與回用技術(shù)研究

胡 穎，張 蔚(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 50116 ；2. 江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 21147；.常州環(huán)保服務(wù)公司，江蘇 常州 21022)

0 引 言

低污染水一般是指COD、氮磷等特征污染物濃度低于城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準一級標準而高于地表水環(huán)境質(zhì)量標準V類水標準的各種排放水，如地表水、城市污水廠尾水等， 屬于低污染水，其主要的超標指標為 N 或 P 等營養(yǎng)鹽物質(zhì)。低污染水水質(zhì)雖然屬于輕度污染，但由于水量巨大，如不進行有效處理，直接排放至河流或湖泊后，仍會對水質(zhì)造成較大影響[1,2]。生態(tài)林是指為了維護和改善生態(tài)環(huán)境，保持生態(tài)平衡，保護生物多樣性等滿足人類社會的生態(tài)、社會需求和可持續(xù)發(fā)展為主體功能的森林、林木和林地。生態(tài)林的構(gòu)建和維護對用水有著巨大需求，如能回用污水廠的低污染尾水作為生態(tài)林綠化和景觀用水，則在節(jié)流和減排的同時，對低污染尾水進行生態(tài)凈化，進一步減少外排尾水對受納水體的污染。常州新北區(qū)在新龍生態(tài)林濕地的建設(shè)中，在營造生態(tài)林地—濕地的基礎(chǔ)上，引入常州最大的污水處理廠—江邊污水處理廠尾水為中水水源作為景觀用水和綠化用水，一方面實現(xiàn)中水回用，另一方面深度處理尾水中污染物，達到凈化尾水與污水資源化的雙重目標，獲得了良好環(huán)境效益和生態(tài)效益。

1 工程概況

1.1 江邊污水處理廠工程概況

常州市江邊污水處理廠是常州市目前最大的城市污水處理廠，遠期規(guī)模為60 萬m3/d。一期工程2005年年底投產(chǎn)運行，處理能力為10 萬m3/d，采用改良A2/O(MUCT)工藝。2009年擴建二期工程10 萬m3/d，并進行提標改造，采用水解酸化+改良A2/O(MUCT)+高密度澄清池+V型濾池+ClO2消毒工藝。2012年三期工程擴建10 萬m3/d，采用改良A2O+高效沉淀池+V型濾池+ClO2消毒污水處理工藝，出水達到國家一級A標準[3]。2013年啟動四期擴建工程，規(guī)模20 萬m3/d。四期工程建成后，江邊污水廠形成至少50 萬m3/d的處理能力。江邊污水處理廠達標尾水通過排江泵站排入長江，由于常州市排江總量指標的限制，從三期工程開始必須至少利用4 萬m3/d的尾水，以達到減排的目的。污水的再生利用是污水廠節(jié)能減排的重要環(huán)節(jié)，尤其是對于水質(zhì)型缺水的常州市，不僅能使有限的淡水資源得到合理利用，同時可以減少排入水體的污染物。江邊污水處理廠處理后的尾水已達到一級A標準，可滿足再生水利用的要求。

1.2 新龍生態(tài)林工程概況

常州新龍生態(tài)林是常州首個以“林”為核心、體現(xiàn)野趣自然的“城市森林”，旨在以原生態(tài)森林為載體，著力于改善城市生態(tài)環(huán)境，打造滿足市民康體健身活動的多功能森林綠地。生態(tài)林總用地面積為540 hm2，東西長 9.7 km，南北最大寬度928 m，一般寬度為500 m[4]。生態(tài)林工程主要建設(shè)生態(tài)防護林、水體景觀、配套用房、道路、停車場等，建設(shè)生態(tài)防護林占地面積2 114 391 m2；因堆坡所需外運土方2 224 553 m3，水系開挖土方4 305 932 m3；水體景觀營造面積677 227 m2，整個工程對水量的需求非常巨大。

2 尾水回用與凈化項目水量與水質(zhì)分析

常州新龍生態(tài)林濕地低污染尾水回用與凈化項目是國家水體污染控制與治理科技重大專項—太湖富營養(yǎng)化控制與治理技術(shù)及工程示范項目的成果應(yīng)用。項目利用靠近江邊污水廠的優(yōu)勢，根據(jù)現(xiàn)有生態(tài)林布局、規(guī)模及可利用中水區(qū)域，設(shè)計中水利用量8 萬m3/d。中水用于生態(tài)林濕地補水，并通過生態(tài)凈化，進一步凈化中水水質(zhì)，達到地表水環(huán)境質(zhì)量標準Ⅲ類水質(zhì)排放。

2.1 尾水回用水量平衡分析

設(shè)計的8 萬m3中水采用多點進水，多點出水的方式，通過DN1000 mm管道多點輸送到水上森林濕地、垂直流濕地、表面流濕地、溪流濕地和河道濕地，其水量平衡如圖1所示。

圖1 中水回用水量平衡圖

2.2 尾水回用水質(zhì)分析

生態(tài)林工程以江邊三期出水作為再生水進行利用，對江邊污水處理廠三期出水實際水質(zhì)進行分析，在5個月中其水質(zhì)指標濃度變化出現(xiàn)的頻率如表1所示。

表1 江邊污水處理廠三期出水水質(zhì)頻率表

據(jù)此推算出江邊污水處理廠三期出水實際保證率如表2所示。

表2 江邊污水處理廠三期出水實際水質(zhì)保證率

從表2可以看出，在江邊污水處理廠三期正常運行時，出水水質(zhì)達到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類及Ⅳ類標準的保證率分別為84%和95%,遠優(yōu)于污水處理廠I級A排放標準。

2.3 用作中水原水的水質(zhì)分析

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析計算，進入新北區(qū)生態(tài)林的江邊污水處理廠中水水質(zhì)為：化學(xué)需氧量(CODcr)< 25 mg/L，氨氮(NH3-N)<1.0 mg/L, 總氮(TN)<12 mg/L，總磷(TP)<0.3 mg/L。常州市的風(fēng)景觀賞河道依據(jù)國家《地面水環(huán)境質(zhì)量標準(GB3838-2002)》，基本上屬于Ⅳ類河道。如果用污水廠處理出水作為河道生態(tài)補水，其水質(zhì)應(yīng)達到相應(yīng)級別的水質(zhì)要求。將污水廠深度處理出水與Ⅳ類河道水質(zhì)比較，可以看出污水廠深度處理出水除總氮外，其余指標均高于Ⅳ類水標準，如表3所示。

表3 中水進水水質(zhì)與地表水Ⅳ類水水質(zhì)比較 mg/L

經(jīng)分析比較，可考慮使用江邊污水廠的再生水作為生態(tài)林的綠化和景觀用水，經(jīng)生態(tài)林生態(tài)凈化后的出水作為Ⅳ類水體河道的補充水源。

3 生態(tài)凈化工藝及說明

人工濕地和生態(tài)溝渠因投資運行費用低、二次污染少、操作簡單、處理效果穩(wěn)定，作為簡單而實用的水污染修復(fù)技術(shù)，被越來越多地用于污水處理廠尾水的深度處理[5-6]。新龍生態(tài)林工程作為一個大規(guī)模的生態(tài)補償森林綠地，在對中水進行凈化回用時，一方面要求水處理成本低、運行管理簡單；另一方面也要求具有良好的水體景觀效果，而集“生態(tài)水景”和“水中處理”功能于一體的人工濕地和生態(tài)溝渠能夠很好地滿足這兩方面的要求[7]。

3.1 工藝設(shè)計原則

在生態(tài)林-濕地系統(tǒng)的設(shè)計中，考慮以下原則。

(1)利用原有的設(shè)計地形，建立多樣的濕地處理系統(tǒng)，有效削減尾水中氮磷污染物含量。

(2)人工濕地與生態(tài)林建設(shè)融為一體，營造豐富多樣的水體生態(tài)景觀。

(3)有效維護生態(tài)安全，控制中水回用的生態(tài)和健康風(fēng)險。

(4)利用濕地水生植物和富含磷的基質(zhì)，通過堆肥形成有機肥，實現(xiàn)尾水氮磷營養(yǎng)物的資源化。

(5)克服傳統(tǒng)生態(tài)技術(shù)在冬季受氣候及植物生長周期影響除磷脫氮效率低下的問題，保證中水回用系統(tǒng)和生態(tài)林的長效運行。

3.2 主要處理工藝及參數(shù)

新龍生態(tài)林不同形態(tài)濕地處理系統(tǒng)主要工藝相關(guān)參數(shù)如表4所示。

3.3 工藝特點

新龍生態(tài)林作為生態(tài)補償工程和城市濕地公園，設(shè)計了湖泊、河流片段、開敞水面、淺灘、溪流等不同的形式的水體類型，并充分考慮不同地形條件下產(chǎn)生的多樣性的水體景觀效應(yīng)[8]，其主要的工藝特點有。

表4 濕地處理系統(tǒng)主要工藝及相關(guān)參數(shù)

(1)垂直流濕地。垂直流人工濕地硝化作用相對較強，是廢水凈化的可靠天然處理系統(tǒng)[1]。本項目中的垂直流人工濕地填料采用碎石、細石、土壤、改性生物質(zhì)炭等。設(shè)計水生植物發(fā)酵罐60 m3，采用磚混結(jié)構(gòu)。采用高效固氮和固磷吸附——生物再生技術(shù)，以及自循環(huán)生物補碳脫氮技術(shù)，進行反硝化脫氮，進一步去除中水中硝態(tài)氮、COD，同時通過吸附固磷削減中水中磷素。

(2)水生森林濕地。水生森林是指以喬木為主的生態(tài)濕地[9]，種植極耐水濕特性的樹種，賴水而生，長成大樹，形成森林。新龍生態(tài)林項目的水生森林濕地采用梯田式構(gòu)造，種植池杉、水杉、河柳等濕生喬木為主，與周邊環(huán)境融為一體，形成城市“綠肺”，濕地對中水進行凈化，其水深30～40 cm。

(3)表面流濕地。表面流人工濕地不需要礫石或土壤作為介質(zhì)，一般只需利用天然河道或洼地改造而成，在底部鋪以防滲材料或者利用天然防水屏障以阻止污水中有害物質(zhì)進入地下水系[1]。在濕地的下層鋪上滲水性能較好的介質(zhì)，并種植沉水植物、挺水植物和浮水植物，形成不同景觀類型的表面流濕地。

(4)溪流濕地。溪流濕地是在地勢相對波折陡峭，水流速度變化多端時形成的動水景觀[10]。溪流作為一個小型的濕地系統(tǒng),具備了濕地擁有的各種生態(tài)功能[11]。本項目的溪流濕地采用水生植物增氧技術(shù)和好氧反硝化同步脫氮技術(shù)，去除水體中硝態(tài)氮。

(5)河道濕地。河道濕地是本項目中規(guī)模最大的處理單元，采用生態(tài)溝渠技術(shù)構(gòu)建，優(yōu)化水流流態(tài)以增加水力停留時間，從而提高TN和TP的去除率[12]。對原有河道岸基進行改性，添加納米材料，提高固磷能力，添加量0.1%，厚度5 cm。在基地改造基礎(chǔ)上，岸邊梯度種植挺水植物、浮葉植物、沉水植物等，種植品種包括沉水植物：穗狀狐尾藻、菹草、伊樂藻；浮葉植物：田字萍、睡蓮；漂浮植物：浮萍；挺水和濕生植物：鳶尾、再力花、藍花梭魚草、狹葉香蒲、蘆葦、菰、水蔥、蓼、雙穗雀稗、水芹、南美天胡荽和苔草，在岸邊臺地上水生植物種植平均寬度5 m，利用水生動植物聯(lián)合凈化，實現(xiàn)氮磷深度削減，同時，提高水體溶解氧。

本項目中,中水回用于景觀用水、濕地生態(tài)凈化系統(tǒng)總水力停留時間為2.5～3 d。

3.4 工程中采用的關(guān)鍵技術(shù)

南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院和常州環(huán)?？萍奸_發(fā)推廣中心承擔(dān)了“十二五”國家重大水專項《低污染水生態(tài)技術(shù)集成研究與工程示范課題》，開展了大量污水處理廠尾水深度生態(tài)凈化技術(shù)研究，開發(fā)了系列高效的生態(tài)凈化深度處理技術(shù)，并應(yīng)用于江邊污水廠尾水凈化與回用工程中，應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)如下。

(1)自循環(huán)生物補碳脫氮技術(shù)。項目運用了自循環(huán)生物補碳脫氮技術(shù)，以解決污水處理廠尾水碳源不足影響反硝化脫氮的難題。污水處理廠生化尾水中TN一般在10～14 mg/L，以硝態(tài)氮為主，需要進行反硝化脫氮才能使總氮小于8 mg/L。人工濕地的反硝化碳源主要來自于污水處理廠生化尾水，但是由于尾水中的溶解性有機碳濃度很低，因此需要使用外加碳源提供反硝化電子供體。水生植物是人工濕地重要組成部分，在厭氧條件下分解可釋放出單糖和其他營養(yǎng)元素，作為反硝化碳源。本項目應(yīng)用了自碳源利用技術(shù)，利用水生植物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生有機酸，然后投入到人工濕地中，進行反硝化脫氮。

(2)人工濕地冬季物化強化脫氮除磷技術(shù)。人工濕地處理技術(shù)在冬季時受氣溫影響，除磷脫氮效率降低，課題組針對此開發(fā)了人工濕地冬季物化強化脫氮除磷技術(shù)。由于污水處理廠生化尾水具有一定的溫度，在冬天能保持在8～12 ℃，將熱阻力比較大的隔離物如水生植物鋪在人工濕地的頂部，減少污水向大氣的熱量損失，實現(xiàn)保溫的目的。表面流濕地冬季種植耐寒能力強的鳶尾、菹草等水生植物，提高冬季氮磷削減的能力。同時菹草作為反硝化補碳的原料，通過向系統(tǒng)中添加碳源，提高BOD/NO-3-N有利于反硝化進行，氮去除率從30%提高到80%～90%，以實現(xiàn)資源循環(huán)利用。

(3)生態(tài)凈化長效運行技術(shù)。傳統(tǒng)生態(tài)技術(shù)在冬季受氣候及植物生長周期影響面臨除磷脫氮效率低的問題，從而難以保證生態(tài)凈化工程長效穩(wěn)定運行。新龍生態(tài)林項目比選低污染水生態(tài)凈化所用的濕生、水生植物等經(jīng)濟生物，利用冬季保溫方法，篩選出適用于秋冬季運行的植物種類以及可用于生態(tài)凈化的經(jīng)濟水生植物種群，比選各種水生、濕生花卉、苗木的經(jīng)濟價值和對低污染水的凈化效率，在模塊化組裝和組合上建立基于自循環(huán)的營養(yǎng)物質(zhì)鏈技術(shù)，將示范工程建設(shè)成為水生花卉生產(chǎn)基地，實現(xiàn)植物資源化與景觀化，從技術(shù)上和經(jīng)濟上實現(xiàn)生態(tài)處理的長效運行。

3.5 水質(zhì)凈化效果分析

中水經(jīng)各生態(tài)凈化工藝流程后，其進出水水質(zhì)變化見表5。

表5 生態(tài)林各工藝單元進出水水質(zhì)

將中水進出水水質(zhì)現(xiàn)地表水環(huán)境Ⅲ類水水質(zhì)指標比較如圖2所示。

圖2 中水進出水水質(zhì)與地表水環(huán)境Ⅲ類水質(zhì)指標

從圖2可以看出，中水出水各項指標除總氮外均優(yōu)于地表水Ⅲ類，就地表水環(huán)境質(zhì)量標準而言，河道水質(zhì)總氮不作為考核指標，但由于水體中過高的硝態(tài)氮會在天然河道水體中轉(zhuǎn)化為氨氮，因此，需要在凈化工藝中進行反硝化脫氮，降低中水中硝態(tài)氮濃度。

4 結(jié) 語

(1)常州新龍生態(tài)林對江邊污水廠8 萬m3/d的低污染尾水進行回用，并對尾水中的污染物進行深度處理，達到減少污染物排放和污水資源化的雙重目標。

(2) 新龍生態(tài)林作為生態(tài)補償工程和城市濕地公園，組合了水上森林濕地、垂直流濕地、表面流濕地、溪流濕地和河道濕地等不同水流形態(tài)和景觀效應(yīng)的人工濕地對污水處理廠尾水進行生態(tài)凈化。

(3)新龍生態(tài)林項目運用自循環(huán)生物補碳脫氮技術(shù)、人工濕地冬季物化強化脫氮除磷技術(shù)、生態(tài)凈化長效運行技術(shù)，克服了傳統(tǒng)尾水碳源不足影響反硝化脫氮和冬季受氣候及植物生長周期影響除磷脫氮效率低的難題，保證生態(tài)凈化工程長效穩(wěn)定運行。

(4)中水出水水質(zhì)達到《地表水環(huán)境質(zhì)量》Ⅲ類水體標準，環(huán)境效益和社會效益顯著，為低污染尾水回用于生態(tài)補償工程進行生態(tài)凈化作了良好的工程示范。

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