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表潛結(jié)合式人工濕地處理城市微污染水體

  人工濕地的污染物去除機(jī)理包括吸附過(guò)濾、離子交換與共沉、植物吸收與微生物降解等多重作用,與常規(guī)的污水處理工藝相比,具有處理效果好、氮磷去除能力強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)管理方便、工程基建和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低以及對(duì)負(fù)荷變化適應(yīng)能力強(qiáng)等顯著特點(diǎn)。

  通常情況下,按照系統(tǒng)布水方式的不同,可以將人工濕地劃分為表面流型和潛流型,潛流型人工濕地又可劃分為水平潛流型和垂直潛流型:表面流型人工濕地設(shè)計(jì)水位較淺,一般控制在0.3~0.5m,主要依靠濕地內(nèi)部水生植物的攔截以及附著在植物根莖上生物膜的生物降解作用,具有投資少、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),但占地面積較大,水力負(fù)荷率較小,去污能力有限。水平潛流型人工濕地通常由一個(gè)或多個(gè)填料床構(gòu)成,內(nèi)設(shè)吸附能力較強(qiáng)的填料,底部敷設(shè)有防滲膜或者其他防滲層用于防止污染地下水,能夠承載相對(duì)較大的水力負(fù)荷,對(duì)BOD5、COD、SS、重金屬等污染物質(zhì)具有較好的去除效果,在水平潛流型人工濕地中,水面在填料以下,污水能夠從池體進(jìn)水端水平流向出水端,可有效避免污水惡臭以及蚊蠅孳生等問(wèn)題。同時(shí),能夠適應(yīng)一定程度的溫差變化,但是水平潛流型人工濕地的代謝需氧量主要來(lái)自大氣復(fù)氧,容易出現(xiàn)溶解氧含量不足,因而對(duì)氨氮、有機(jī)氮類污染物的去除能力有限。垂直潛流型人工濕地的填料床體處于不飽和狀態(tài),污水從填料床的縱向進(jìn)入到填料床的底部,與此同時(shí)氧氣可以通過(guò)大氣擴(kuò)散以及植物的根莖傳輸作用進(jìn)入到人工濕地系統(tǒng),垂直潛流型人工濕地系統(tǒng)具有較高的硝化能力,對(duì)氮、磷的去除效果較好,但是垂直潛流型人工濕地對(duì)進(jìn)水懸浮物濃度要求比較嚴(yán)格,對(duì)有機(jī)污染物的去除能力相對(duì)較弱,且落干/淹水周期較長(zhǎng)、夏季蚊蠅孳生現(xiàn)象嚴(yán)重。

  基于以上原因,自主研發(fā)并已成功申請(qǐng)發(fā)明專利的“表潛結(jié)合式”人工濕地能夠?qū)⒈砻媪餍腿斯竦睾蜐摿餍腿斯竦赜袡C(jī)地融為一體,工程實(shí)施后外觀為表面流型人工濕地,實(shí)際水體處于潛流狀態(tài),既能充分發(fā)揮表面流型人工濕地的生態(tài)景觀效果,又能實(shí)現(xiàn)潛流型人工濕地的水質(zhì)凈化高效率,具有占地小、凈水能力強(qiáng)、景觀效果好等顯著特點(diǎn)。

  現(xiàn)以北京某地表微污染水體的生態(tài)處理工程為例,對(duì)“表潛結(jié)合式”人工濕地的凈水原理、設(shè)計(jì)參數(shù)以及污染物去除效果等進(jìn)行探討。

  1、工程概況

  本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理對(duì)象為北京某地表微污染水體,設(shè)計(jì)處理規(guī)模為5×104m3/d,項(xiàng)目建設(shè)于2017年5月,主體處理工藝為“表潛結(jié)合式”人工濕地,項(xiàng)目區(qū)占地20hm2,“表潛結(jié)合式”人工濕地有效占地10.2hm2,設(shè)計(jì)污染物COD、NH3-N削減量分別可達(dá)182.50、9.13t/a,具有良好的環(huán)境效益,出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),滿足下游景觀公園的用水水質(zhì)需求,具有良好的社會(huì)效益。

  1.1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)和處理目標(biāo)

  設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)見(jiàn)表1。根據(jù)人工濕地污染物去除負(fù)荷,同時(shí)結(jié)合本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理目標(biāo),“表潛結(jié)合式”人工濕地設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)的Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn),即COD≤40mg/L,BOD5≤10mg/L,NH3-N≤2.0mg/L,TP≤0.4mg/L。通過(guò)“表潛結(jié)合式”人工濕地的填料吸附、植物吸收以及微生物降解等多重作用,濕地出水最終能達(dá)到甚至優(yōu)于地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。

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  1.2 工藝流程

  工藝流程見(jiàn)圖1。

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  依賴新建的液位可調(diào)式景觀水壩形成壅水,在“表潛結(jié)合式”人工濕地建設(shè)區(qū)上下游形成液位差:新建水壩上游來(lái)水依靠重力流,通過(guò)“八”字取水口進(jìn)入到“表潛結(jié)合式”人工濕地生態(tài)系統(tǒng),在濕地系統(tǒng)的填料吸附、植物吸收以及微生物降解等多重作用下,實(shí)現(xiàn)對(duì)微污染水體中各類污染物質(zhì)的有效削減,出水達(dá)到甚至優(yōu)于地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)設(shè)計(jì)要求后,經(jīng)由末端的景觀跌水堰進(jìn)行富氧曝氣,隨后再次退回到下游河道內(nèi),對(duì)河道內(nèi)現(xiàn)有污染物進(jìn)行進(jìn)一步的稀釋凈化,最終出水補(bǔ)充下游的景觀公園用水。

  2、工程設(shè)計(jì)

  2.1 工藝選擇

  本次設(shè)計(jì)優(yōu)先采用自主研發(fā)并成功申請(qǐng)發(fā)明專利的“表潛結(jié)合式”人工濕地,該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)表面流型人工濕地和潛流型人工濕地的空間立體結(jié)合(上層為表面流型人工濕地部分和下層為潛流型人工濕地部分),在同一投影面內(nèi)既能體現(xiàn)表面流型人工濕地的景觀效果,又能實(shí)現(xiàn)潛流型人工濕地的凈水能力,有效降低了人工濕地對(duì)土地占用面積的限制需求,具有占地面積小、凈水能力強(qiáng)、景觀效果好等顯著特點(diǎn)。

  2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

  參照并對(duì)《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ2005—2010)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理規(guī)模為5×104m3/d,“表潛結(jié)合式”人工濕地有效占地10.2hm2,下層潛流型人工濕地部分填料床有效高度為1.2m,上層表面流型人工濕地部分設(shè)計(jì)水深控制在0.3~1.2m,平均水深為0.5m。人工濕地主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

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  2.3 填料設(shè)計(jì)

  2.3.1 填料選擇

  為了實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑垃圾的資源化利用,優(yōu)先采用再生填料(主要成分為碎磚陶粒濾料),該類填料應(yīng)用于人工濕地水質(zhì)凈化領(lǐng)域應(yīng)滿足如下主要技術(shù)參數(shù)要求:

 ?、俨缓梢?jiàn)泥土、粉屑或有機(jī)雜質(zhì)。

  ②碎磚陶粒濾料不應(yīng)使濾后水產(chǎn)生有毒、有害成分。

 ?、鬯榇u陶粒濾料的粒徑為8~16mm。

 ?、芩榇u陶粒濾料不均勻系數(shù)≤1.6。

 ?、萘?lt;8mm、粒徑>16mm的量均不應(yīng)大于5%。

 ?、藜庸げ牧蠎?yīng)以廢磚為主, >

 ?、卟煌萎a(chǎn)品堆積密度差距<10%。

  2.3.2 填料床設(shè)計(jì)

  “表潛結(jié)合式”人工濕地下層潛流型人工濕地部分填料床有效設(shè)計(jì)高度為1.2m,采用級(jí)配填料進(jìn)行填充,由下往上依次為夯實(shí)粘土(200mm厚)、HDPE防水土工膜(450g/m2)、d50~80mm碎磚陶粒濾料(600mm厚)、d20~50mm碎磚陶粒濾料(300mm)、d10~20mm碎磚陶粒濾料(300mm厚)。

  2.4 植物設(shè)計(jì)

  “表潛結(jié)合式”人工濕地的水生植物全部在上層表面流型人工濕地部分種植,該部分設(shè)計(jì)水深控制在0.3~1.2m之間,平均水深為0.5m。

  濕地植物選擇污染水體適應(yīng)能力強(qiáng)、污染物去除效果好、生態(tài)景觀塑造功能顯著的土著類水生植物,淺水區(qū)(0.3~0.5m)主要種植蘆葦、香蒲、千屈菜,種植密度均為16株/m2。中水區(qū)(0.5~0.8m)主要種植荷花、睡蓮,種植密度均為4株/m2。深水區(qū)(0.8~1.2m)主要種植菹草、狐尾藻、眼子菜,種植密度均為30株/m2。同時(shí)對(duì)“表潛結(jié)合式”人工濕地周邊的植物緩沖帶進(jìn)行了優(yōu)化配置,與“表潛結(jié)合式”人工濕地一起構(gòu)建了一個(gè)生物多樣性豐富、水質(zhì)凈化效果穩(wěn)定的生態(tài)景觀型人工濕地生態(tài)系統(tǒng)。

  3、運(yùn)行結(jié)果與討論

  3.1 人工濕地對(duì)COD去除效果

  “表潛結(jié)合式”人工濕地對(duì)水體中COD的去除機(jī)理以濕地植物根區(qū)生物膜的吸附降解作用為主,此外還兼有自然沉淀、物理過(guò)濾、填料吸附等多重作用。對(duì)2018年5月—8月的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行定量分析,得出“表潛結(jié)合式”人工濕地對(duì)微污染地表水體中COD的實(shí)際去除效果如圖2所示。

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  由圖2可知,在連續(xù)4個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行中,盡管濕地進(jìn)水COD濃度存在一定程度的波動(dòng),尤其是在5月的兩次檢測(cè)中,由于河道上游農(nóng)田灌溉等原因造成濕地進(jìn)水COD濃度超過(guò)了設(shè)計(jì)進(jìn)水限值,但是經(jīng)過(guò)濕地的填料吸附、植物吸收,尤其是根區(qū)微生物的代謝降解作用,始終能將濕地出水COD濃度控制在30mg/L及以下,濕地出水COD濃度能夠滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)規(guī)定的Ⅳ類水限值要求。在實(shí)際檢測(cè)中,濕地進(jìn)水COD濃度在7月達(dá)到了最低值,隨后在8月又出現(xiàn)了上升,這主要是7月降雨量達(dá)到了最大,對(duì)濕地上游河道內(nèi)COD具有一定程度的稀釋作用,8月降雨量減少,濕地上游河道內(nèi)COD又出現(xiàn)了上升趨勢(shì),但是整個(gè)檢測(cè)周期內(nèi),濕地生態(tài)系統(tǒng)始終處于一個(gè)逐漸自我完善的過(guò)程,尤其是在7月、8月濕地系統(tǒng)的生物多樣性及系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到最高,對(duì)上游來(lái)水的水質(zhì)、水量波動(dòng)適應(yīng)能力最強(qiáng),濕地系統(tǒng)對(duì)上游來(lái)水中的COD去除率基本維持在20%~40%,符合濕地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)COD的去除規(guī)律。

  3.2 人工濕地對(duì)NH3-N去除效果

  “表潛結(jié)合式”人工濕地對(duì)水體中NH3-N的去除機(jī)理主要是濕地植物根系生物膜的硝化、反硝化作用,將NH3-N轉(zhuǎn)化為N2或N2O進(jìn)而從濕地系統(tǒng)逸出。2018年5月—8月連續(xù)4個(gè)月的進(jìn)出水NH3-N濃度分析結(jié)果如圖3所示。

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  由于存在灌溉退水等原因,濕地系統(tǒng)在5月的進(jìn)水NH3-N濃度最大,甚至超出了濕地進(jìn)水的設(shè)計(jì)限值,隨后在6月出現(xiàn)降低,在7月達(dá)到最低值,8月份降雨減少,濕地進(jìn)水NH3-N濃度又出現(xiàn)回升,但整個(gè)檢測(cè)周期內(nèi),濕地系統(tǒng)都能夠通過(guò)自身的調(diào)節(jié)功能將NH3-N的去除能力控制在29%~33%的范圍內(nèi),濕地出水NH3-N始終保持在1.5mg/L以下,能夠滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅳ類水的限值要求。在實(shí)際檢測(cè)中,濕地對(duì)NH3-N的去除效果與COD表現(xiàn)出了基本類似的規(guī)律,在7月、8月濕地系統(tǒng)的生物多樣性及系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到最大,濕地植物生長(zhǎng)、根區(qū)微生物的代謝過(guò)程對(duì)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的需求量最大,濕地出水NH3-N甚至降低了1.2mg/L左右,表現(xiàn)出了顯著的氮、磷去除效果。

  4、結(jié)論

 ?、倮靡何豢烧{(diào)式景觀水壩上下游的水頭差,依靠重力進(jìn)入“表潛結(jié)合式”人工濕地,在水質(zhì)達(dá)到甚至優(yōu)于地表Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)設(shè)計(jì)要求后,再依靠重力退回到河道下游,整個(gè)水質(zhì)凈化過(guò)程無(wú)動(dòng)力消耗,實(shí)現(xiàn)了污水處理的“零成本”運(yùn)行。

 ?、诓捎谩氨頋摻Y(jié)合式”人工濕地,在同一投影面內(nèi)既能體現(xiàn)表面流型人工濕地的景觀效果,又能實(shí)現(xiàn)潛流型人工濕地的凈水能力,有效降低了人工濕地對(duì)土地占用面積的限制需求。

  ③優(yōu)先采用了再生填料,主要成分為碎磚陶粒濾料,實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑垃圾的資源化利用。

 ?、鼙M管進(jìn)水COD、NH3-N濃度在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)了波動(dòng),甚至部分時(shí)段超出了設(shè)計(jì)進(jìn)水濃度限值,但是濕地系統(tǒng)都能夠通過(guò)自身的調(diào)節(jié)機(jī)制將出水COD、NH3-N濃度分別控制在30、1.5mg/L及以下,濕地出水能夠滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅳ類水限值要求。( >

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