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給水排水 |組合濕地在處理化工園區污水處理廠尾水工程中的應用


聚合氯化鋁生產車間

小編說

采用垂直流濕地+生態塘+表面流濕地+水平流濕地組合工藝處理化工園污水處理廠尾水工程示范。工程運行結果表明:系統穩定運行452 d,COD、NH3-N、TN、TP平均進水濃度45.5 mg/L、3.96 mg/L、7.99 mg/L、0.09 mg/L,平均出水濃度20.2 mg/L、0.54 mg/L、1.05 mg/L、0.02 mg/L,平均總去除率分別556%、86.4%、86.9%及77.8%,出水水質優于地表水Ⅳ類標準。COD、NH3-N、TP主要在垂直流濕地中去除,去除率分別為44.56%、71.49%、45.45%;TN主要在水平流濕地中去除,去除率達到79.21%。氣相色譜-質譜法(GC-MS)結果顯示組合濕地對尾水中難降解有機物去除較好,Miseq技術檢測結果表明垂直流人工濕地中的硝化菌和水平流濕地中反硝化菌豐度較高,表明組合濕地系統中具備了穩定的脫氮微生物結構。

化工園區在我國經濟發展中起到舉足輕重的作用。隨著環保要求的提高和水環境惡化,化工園區污水處理廠尾水深度處理成為管理者和研究者關注的熱點問題。與城市污水處理廠相比,化工園區污水處理廠尾水具有難降解物質多、水質水量變化大、氮素污染嚴重的特點?;@區污水處理廠尾水深度處理方法有膜處理(超濾、納濾、反滲透等)、高級氧化、活性炭吸附等,這幾種工藝存在投資大、運行成本高和導致二次污染等問題。以人工濕地為代表的生態濕地處理工藝具有運行成本低,環境友好等特點,受到越來越多研究者的關注。

人工濕地處理污水處理廠尾水需要根據不同的水質特征進行工藝組合。目前國內外采用人工濕地處理化工園區污水處理廠尾水的研究較少。廖波等研究了強化型垂直流人工濕地用于污水處理廠尾水深度處理,COD、BOD5、NH3-N和TP出水水質優于地表水Ⅳ類標準。鄭曉英等采用鐵炭內電解垂直流人工濕地對污水處理廠尾水深度脫氮效果,系統出水維持在10 mg/L以下。如何將化工園區污水處理廠尾水主要水質指標從一級A標準處理至地表水Ⅳ類標準是本文研究的難點。本文以蘇南某化學工業園區污水處理廠尾水為研究對象,構建組合濕地處理工藝,將一級A標準尾水處理至Ⅳ類水,考察組合濕地凈化效果,探討TN等指標去除機理,以期對化工園區污水處理廠尾水深度治理提供借鑒。

1 項目概況

1.1

化工園區污水處理廠概況

江蘇某化工園區重點發展氟化學新材料、精細化工、生物化工等主導產業。園區排污水企業約有40家,每個企業均有預處理設施,經過預處理后達到接管標準然后排入化工園區污水處理廠。工業園區污水處理廠采用調節池+混凝沉淀+厭氧水解+水解沉淀+缺氧池+好氧池+二沉池作為主體工藝,出水COD、NH3-N、TN、TP執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A標準,氟化物滿足《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)一級標準。設計處理規模為1.0萬m3/d,化工污水占比例90%以上。

1.2

示范工程項目概況

組合濕地處理設計規模0.4萬m3/d,平均流量Qavg=166.7 m3/h??傋兓禂等Z=1.2,最大設計流量為Qmax=200.04 m3/h。組合濕地工程設計進、出水水質見表1。

2 示范工程設計

2.1

示范工程工藝技術路線

針對化工園區污水處理廠尾水TN濃度高、難降解有機物高、B/C低的特點,選擇以垂直流-水平流濕地為主,這個組合工藝優點是脫氮效果好。尾水中NH3-N和有機氮在垂直流單元好氧條件下進行氨化和硝化作用,將難降解有機物轉化成易降解有機物,為反硝化提供碳源;其次在水平流濕地單元缺氧條件下利用垂直流濕地出水中的碳源和硝酸鹽進行反硝化,最終達到脫氮的目的。因本工程污水處理廠尾水中TP濃度較低,考慮到遠期園區發展,預留在垂直流和水平流之間設施生態塘和表面流濕地作為除磷備用單元。工藝流程見圖1。

(1)化工園區污水處理廠尾水通過泵提升至調節池。在調節池中污水進行水質調節,通過布水器將污水均勻布置到垂直流濕地中。

(2)在垂直流濕地中濾料及植物通過吸附、過濾、吸收作用,降解尾水中難降解的有機物、進行硝化作用;垂直流出水自流進入生態塘,生態塘出水進入表面流濕地。

(3)表面流濕地自流進入水平流濕地,在水平流濕地中污水得到進一步凈化,通過濾料及植物上微生物反硝化作用去除污水中TN。

(4)水平流人工濕地達標污水進入工業水廠進行回用。

2.2

示范工程各工藝單元設計

(1)調節池。功能:調節進水水量和水質,自動控制垂直流濕地的布水。調節池為鋼筋混凝土結構,尺寸:D×H=12 m×2.5 m,有效容積約230 m3。主要設備:設有電動閥20套,功率0.75 kW;配溢流堰。

(2)垂直流濕地。功能:污水通過重力,從上至下流經生態濕地進行物理處理和生化處理。1座,20組,2布1膜。尺寸:20 000 m2。停留時間5 d。主要設備:設有回流泵1臺,功率為7.5 kW。種植蘆葦(Phragmites australis)、美人蕉(Canna indica L.)等植物,種植密度不低于16株/m2。

(3)生態塘。功能:進一步凈化水質,構建微生態系統,帶來生態及景觀效應。1座,2布1膜。尺寸:2 400 m2。有效容積約5 000 m3,停留時間1.25 d。主要設備:設有除磷投加系統1套,含計量泵2臺;種植水蔥(Scirpus validus Vahl),菖蒲(Acorus calamus L.),千屈菜(Lythrum salicaria L.)等,種植密度不低于16株/m2。

(4)表面流濕地。功能:降低各污染指標濃度,基本達到出水水質要求。1座,2布1膜。尺寸:4 920 m2。停留時間約0.5 d。主要植物:種植鳶尾(Iris L.)、千屈菜(Lythrum salicaria L.)等,種植密度不低于16株/m2。

(5)水平流濕地。功能:進一步降解有機物和反硝化脫氮。1座,2組,2布1膜。尺寸:10 000 m2。停留時間>2.5 d。

主要設備:設有碳源投加系統1套,含計量泵2臺;應急排放泵1臺,功率N=15 kW。

(6)監測中心。包括實驗室、中控室等。1座,鋼筋混凝土結構,建筑面積1 000 m2。

(7)太陽能電站。為監測中心等提供電力,占地1 500 m2。主要設備:設有太陽能電池板360塊,共79.2 kW。

(8)出水泵房。功能:監測出水水質,為運行管理提供技術支撐。主要設備:設有超聲波液位儀1臺;COD在線監測儀1臺;NH3-N在線監測儀1臺;TN在線監測儀1臺;TP在線監測儀1臺;pH在線監測儀1臺。

3 結果與討論

3.1

主要污染物指標去除效果分析

3.1.1 主要污染物全年去除效果分析

選取示范工程自2016年1月1日~2017年3月31日(共452 d)常規污染物運行數據進行分析,組合濕地進水、出水常規污染物指標的累積頻率見圖2和圖3。組合濕地進水、出水水質匯總結果見表2。

由圖2可知,組合濕地進水COD的達標保證率為69%,說明化工園區污水處理廠COD的出水達標保證率為69%,水質波動較大。組合濕地進水NH3-N、TN、TP達標保證率分別為96%、99.9%、100%,說明污水處理廠對TN、TP的去除效果較好,能夠達到一級A標準。

由圖3可知,組合濕地出水COD的達標保證率達到100%,出水COD低于25 mg/L的樣本累積概率為99.8%;出水TP的達標保證率達到99.9%,其中TP低于0.2 mg/L的概率達到了99.9%,可見該污水處理廠對磷的去除效果良好而穩定;出水NH3-N和TN達標保證率分別達到了100%。

由表2可知, COD、NH3-N、TN、TP平均進水濃度45.5 mg/L、3.96 mg/L、7.99 mg/L、0.09 mg/L,平均出水濃度20.2 mg/L、0.54 mg/L、1.05 mg/L、0.02 mg/L,平均總去除率分別55.6%、86.4%、86.9%及77.8%,出水水質優于《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)Ⅳ類水標準。

3.1.2 主要污染物指標沿程去除效果分析

組合濕地主要污染物指標去除效果見表3。

由表3可知,COD、NH3-N、TP主要在垂直流濕地中去除,去除率分別為44.56%、71.49%、45.45%;TN主要在水平流濕地中去除,去除率達到79.21%。COD和TP進水濃度低,經過組合濕地出水水質優于地表水Ⅳ類水標準。TN進水濃度高,出水要求濃度低,是本示范項目的難點。通過垂直流濕地在好氧條件下硝化作用和水平流濕地在缺氧條件下的反硝化作用,實現了總氮的去除。

3.2

GC-MS結果分析

組合濕地各處理單元的GC-MS分析結果見表4。

由表4可知,GC-MS分析結果顯示調節池進水中共19種有機物,包括4種脂類,5種長鏈烷烴化合物,4種酸,1種酚,1種酮,1種醇,1種苯環化合物,1種酰胺類化合物和亞乙基硫脲。垂直流濕地出水中共21種有機物,包括3種脂類,3種長鏈烷烴化合物,3種酸,2種酚,4種酮,2種醇,2種苯環化合物,1種雜環化合物,1種酰胺類化合物。表面流濕地出水中共22種有機物,包括6種脂類,4種長鏈烷烴化合物,3種酸,1種酚,4種酮,1種醇,1種苯環化合物,1種酰胺類化合物、油酰氯。水平流濕地中共17種有機物,包括3種脂類,2種長鏈烷烴化合物,3種酸,2種酚,1種酮,2種醇,1種苯環化合物,1種雜環化合物,1種酰胺類化合物,1種烯烴氯代物。這表明:經垂直流濕地和表面流濕地后,廢水中有機物僅濃度有所降低,其種類變化不大;而經水平流濕地后,酸類、脂類和烷烴類含量明顯降低,說明組合濕地對難降解有機物有一定的去除效果。

3.3

微生物種群分析

采用Miseq檢測技術進一步探討組合濕地脫氮效果微生物種群進行分析。對組合濕地中垂直流濕地和水平流濕地濾料上的微生物進行分析,結果見圖4。

由圖4可知,垂直流濕地中的硝化螺菌門(Nitrospira)豐度達到1.04%。相比Ruiz-Rueda等采用的DGGE等半定量手段,Miseq技術更精確地反應出了垂直流濕地硝化菌的豐度。Peralta等同樣采用高通量測序技術,對多處類別自然濕地和人工濕地進行微生物群落鑒定,結果表明Nitrospira在各類濕地系統中均處于較低的豐度水平,在0~1%。這說明本工程垂直流濕地中硝化菌得到了較高程度的富集。高豐度的硝化菌是系統中NH3-N得以高效去除的保障。而水平流濕地中,反硝化菌的總豐度為19.2%。反硝化菌群也得到了進一步的富集,確保了垂直流-水平流組合人工濕地中TN的高效去除。硝化菌和反硝化菌的富集為組合濕地去除氨氮和總氮提供保障。

3.4

經濟分析及環境效益分析

(1)項目投資及直接運行成本核算。該工程設計規模0.4萬m3/d,工程直接投資約3 500萬元。根據示范工程自2016年1月1日~2017年3月31日(共452 d)實際運行結果,項目實際處理規模平均0.3萬m3/d。

人工費E1:3 000元/月,定員5人,3 000×5/30/3 000=0167(元/m3)。

電費E2:采用太陽能供電,無需用電費。

藥劑費E3:本示范項目為濕地工藝,處理過程不加藥劑,無藥劑費用產生。

濕地植物維護費E4:需要組合濕地雜草進行清理、補種、收割等,費用為2 000元/月,2 000/30/3 000=0.027(元/m3)。

因此,直接運行成本E=E1+ E2 +E3 +E4=0.189元/m3。

(2)環境效益分析。根據示范工程自2016年1月1日~2017年3月31日(共452 d)實際運行結果,項目實際處理規模平均0.3萬m3/d,結合表2污染物去除結果測算污染物減排量,組合濕地項目每年減少COD、NH3-N、TN、TP每年削減量為27.70 t、3.74 t、7.60 t、0.08 t。改善了區域的水環境質量,為太湖水質的改善提供基礎。

4 結論

(1)采用垂直流濕地+生態塘+表面流濕地+水平流濕地組合工藝處理氟化工園污水處理廠尾水,設計規模4 000 m3/d。工程運行結果表明:2016年1月1日~2017年3月31日(共452 d),COD、NH3-N、TN、TP平均出水濃度20.2 mg/L、0.54 mg/L、1.05 mg/L、0.02 mg/L,平均總去除率分別55.6%、86.4%、86.9%及77.8%,出水水質優于地表水Ⅳ類標準。該工藝適合于工業園區污水處理廠尾水處理工程新建、擴建及提標改造。

(2)COD、TN、TO主要在垂直流濕地中去除,去除率分別為44.56%、71.49%、45.45%;TN主要在水平流濕地中去除,去除率達到79.21%。通過垂直流濕地硝化作用和水平流濕地的反硝化作用,實現了總氮的去除。Miseq檢測也證明垂直流濕地中硝化菌和水平流反硝化菌豐度較高。

(3)示范工程設計規模0.4萬m3/d,工程總投資約3 500萬元。實際處理規模0.3萬m3/d,直接運行費用0.189元/m3。每年減少COD、NH3-N、TN、TP每年削減量為27.70 t、3.74 t、7.60 t、0.08 t。改善了區域的水環境質量,為太湖水質的改善提供基礎。

微信對原文有修改。原文標題:組合濕地處理化工園區污水處理廠尾水工程示范;作者:許明、謝忱、劉偉京、李云、涂勇、蔡偉民、范子武、邵孝侯;作者單位:江蘇省環境科學研究院,江蘇省環科院環境科技有限責任公司,水利部交通運輸部國家能源局 南京水利科學研究院,江蘇常熟新材料產業園管委會,河海大學水利水電學院??窃凇督o水排水》2019年第2期。

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