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人工湿地在回用水中的应用及应考虑的问题

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摘要:分析了城市污水处理厂污水回用技术存在的问题,指出应重新认识人工湿地的作用,改变传统的将人工湿地作为城市污水处理厂二级处理工艺的观念,回归人工湿地深度净化污水的真正意义。此外,对人工湿地在设计时须考虑的问题进行了介绍和探讨。


关键词:人工湿地 污水处理 回用水


一、前言


我国是世界上13个贫水国家之一,人均占有水资源量仅为世界平均水平的四分之一。根据水利部门的预测,到2030 年我国总缺水量为400~500亿m3。我国在面临水资源紧缺的同时,水污染也日益严重,我国每年排放的废水高达400多亿m3,其中一半以上是来源于城市。根据资料统计,截至2008年3月底,全国已有1320座城市污水处理厂投入运营,处理能力达9725万吨/日,在建的城市污水厂达890座,处理能力3639万m3/日[2]。根据世界各国污水处理的发展,经污水处理厂处理后的出水多数均能再处理后回用。目前国内污水回用率平均不足20%,大部分没有得到很好的利用。而污水回用在很大程度上将缓解缺水城市的用水危机,符合节能减排的思想,其意义重大。


二、城市污水厂出水常规回用技术及存在的问题


一般而言,对城市污水处理厂的出水进行回用,其用途主要有城市杂用、景观环境用水、工业用水、农业用水以及地下水回灌等,所以回用的用途不同,其处理后的标准不同,回用技术及出水水质也不同。而回用技术及出水水质决定着回用水中的污染物生态毒理问题及危害程度[4]。


我国研究、引进和应用的污水处理回用工艺,在很大程度上解决了污水深度处理的问题,极大地缓解了局部城市严重缺水的局面,这些常规的污水回用技术随着经济和科学技术的发展,也在逐步得到改进和提高,它们也将在污水回用中发挥更大的作用。但是将城市污水回用,其价格、安全性是必须着重考虑的问题,这也是常规的污水回用技术必须面临的问题。


1、设施复杂,运行成本高


我国传统的污水回用技术基本上是借鉴了我国给水处理的工艺,同时考虑脱氮除磷的需要,多数常规回用技术工艺复杂,不仅增加了管理的难度,而且增加了运行的成本。目前城市污水处理(二级处理)投资大约在900~1400元/m3.d水,在此基础上的再生处理约400~600元/m3.d [3]。据调查,北京市多数污水处理厂采用MBR处理城市污水处理厂二级出水,如北京某再生水厂深度处理成本接近1.5元/m3。这对大多数城市的污水处理厂来说,采用这种技术处理污水处理厂出水,其价格是难以承受的。


2、运行不稳定,安全性受质疑


采用常规污水回用技术处理后的污水,其水质与我国地面水源水质还有许多差别,对部分污染物质的去除效果较差。在另一方面,人们对污水处理厂的污水进行回用,其安全性受到人们的质疑。根据研究发现,城市污水处理厂出水中可能含有的有害物质主要包括难于降解且溶于水的无机与有机污染物。而国内在对大多数的无机和有机污染物生态毒理特性缺乏有效的长期研究,数据也缺乏可靠性。污水回用的安全性引人关注,尤其是与人体发生直接关系的回用污水,其处理工艺流程的选择是回用水的可靠性及安全性的关键。


此外,采用常规污水回用技术消毒是必不可少的。目前,常用的消毒工艺有氯消毒、紫外线消毒和臭氧消毒。氯消毒运用得最广泛,工艺也最成熟,但是自从人们发现氯消毒会产生致癌物质之后,对氯的使用则越来越谨慎了。用紫外线消毒比较方便,还可以减少致癌性消毒副产物,但缺乏规模化,且寿命不长。


臭氧除了可以利用其强氧化作用杀灭细菌和病毒外,还可以氧化分解水中的各种杂质,包括明显地提高污水的可生化降解性,但是当水中含有溴离子时可能生成溴化物,臭氧具有毒性和强氧化性,操作管理要求高。


对安全性要求越高,回用技术的成本就越高,这是多数污水处理厂没法承受的。众多的污水回用技术在一定程度上可以确保回用水的安全,但是回用水如果要和人体直接接触或与人类的食物链发生关系,采用人工湿地对城市污水处理厂出水进行自然净化,无论是运行成本,还是处理效果方面都是符合未来发展趋势的。


三、人工湿地在污水二级处理中存在的问题


以往,人们过分强调由于运行成本低、管理简单等优点,将人工湿地代替污水处理厂的常规二级处理。


据十几年的运行情况和调研发现,随着经济的快速发展以及人口的快速增长,采用人工湿地代替常规二级处理的城市污水处理厂运行状况不容乐观,出水水质无法满足要求,运行效果并不理想,一些以湿地工程为主体工艺的污水处理厂处在相当尴尬的境地。某采用人工湿地处理作为二级处理的污水处理厂,处理能力为3万m3/d,运行情况见表2。


根据GB 18918-2002,如果城镇污水处理厂出水排入GB3838地表水Ⅳ、Ⅴ类功能水域或GB3097海水三、四类功能海域,执行二级标准,而采用人工湿地处理作为二级处理的污水处理厂其出水根本无法满足排放要求,更不能满足一级B标准。随着经济的发展,尤其是工业废水比例的增加,进水浓度也在逐年提高,污水厂出水的水质变差,难以满足越来越严格的标准要求。


人工湿地是一种低负荷的处理系统,虽然效果好,但效率低,如果进水浓度高,占地面积会更大,处理效果会变差。据调查,多数采用人工湿地作为二级处理的污水处理厂又开始进行改造并转向常规的二级处理工艺。


四、对人工湿地再认识


随着人们环保意识的增强以及人们对地表水水质要求的提高,特别是对回用水水质要求的提高,迫使人们寻找其它经济可行的技术,作为污水处理厂的补充,对污水处理厂的出水进行深度净化,保证污水的回用安全。在这样的形势下,人工湿地在逐渐得到人们的重新认识。采用自然处理技术对污水处理厂的出水进行自然净化,可以进一步去除污水中引起富营养化的主要污染物质N、P、重金属以及致病微生物等,使污水的安全性得到提高。自然处理系统,尤其是人工湿地,可以成为鸟类的栖息地,在有条件的城市可以营造城市景观和休闲公园,如杭州的西湖长桥溪生态修复公园就是一个成功的典型例子。


人工湿地能处理污水,且价格便宜是毋庸置疑的,一些应用工程均证明了这点。笔者通过研究也发现,运用较好且长期稳定运行的人工湿地其进水浓度多数比较低,国内多数学者的研究也表明,人工湿地在进水浓度较低的情况下对污水处理能达到最好的效果。如深圳市某小区生活污水人工湿地进水浓度BOD5为60~130 mg/L,NH4-N为30~60 mg/L,TP为5~8mg/L [7];又如多数人工湿地在处理微污染水方面多见成功报道,如洪湖人工湿地系统水质净化工程,深圳甘坑人工湿地工程等[5]。我国人工湿地用于污水处理厂出水进行三级处理的工程也多有成功应用的实例,如舟山市朱家尖污水处理厂人工湿地系统深度处理工程,该工程已于2007年9月完成调试,目前系统运行稳定,处理效果良好。


在国外,采用人工湿地对污水进行深度处理是西方发达国家环境工作者研究的重点课题。如在意大利人工湿地用于污水三级处理的构造湿地就有16个,并取得较好的去除效果,COD的去除率为88%,氮的去除率在78-84%之间[8]。在荷兰的特赛尔岛,当地政府在1994年就建立了一个大型的人工构造湿地,处理水量约为6万m3/d,该湿地处理系统用来对来自污水处理厂的出水进行三级处理。


由荷兰政府支助Utrecht 大学对该湿地系统进行了3年(1995年-1998年)的监测研究。监测结果表明,用湿地对污水厂的出水进行三级处理,不但节约了成本,而且提高了水的再生利用价值,排放的水不但不会造成对周边环境的影响,而且也成了荷兰一大生态景点,成为众多野生动物栖息繁殖的场所。在北美,用构造湿地作为三级处理的系统大约就有300多个。如The River Hebert湿地是加拿大大西洋海岸建立的第一个用来处理二级出水的构造湿地[10],该湿地既可以处理污水,又成为了野生动物栖息的场所。


从国内外人工湿地的成功运行经验来看,人工湿地处理系统并不能完全代替城市二级污水处理,其真正的功能在于对污水进行深度处理(即三级处理),对污水进行自然净化,保证水质的安全。


过去因为国力有限,要发展环保事业,一步到位解决污水问题,采用人工湿地代替常规污水处理工艺,在一定时期发挥了作用,但是从本质上来看,这违背了人工湿地的最终定位。人工湿地真正的功能在于深度处理污水,即处理进水浓度低的污水(包括污水处理厂的二级出水)。尤其是在各种病毒肆虐的今天,在污水回用过程中,人们越来越担心污水循环使用的安全性,而采用人工湿地系统,等于在污水回用与人之间建立了一道安全的屏障,采用低成本的人工湿地处理技术对城市污水处理厂二级出水进行深度处理后回用是符合我国“节能减排、循环经济”总体思想的。


五、人工湿地在设计时须考虑的问题


人工湿地在实际运行时,须着重考虑以下几个问题:


1、公式计算的选择


人工湿地多数采用潜流式,对人工湿地面积的确定,多数是采用通过水力负荷率和污染面积负荷来确定,根据水力负荷设计湿地面积,计算公式A=Q/(HL),式中:A为湿地面积,m2,Q为需要处理的污水量,m3/d,HL为湿地的水力负荷,m/d。


为校核人工湿地面积,根据污染物的面积负荷确定湿地面积,计算公式可以采用A=Q(Co-Ce)/N,式中:A为湿地面积,m2,Q为需要处理的污水量,m3/d,HL为湿地的水力负荷,m/d,Co为湿地进水中污染物浓度,g/m3,N为污染物面积负荷,g/(m2.d)。


对于每一种污染物质来说,要降到要求的水平,所需要的湿地面积不同。最终确定的面积应该是满足出水水质要求的最大面积。因此分别计算去除COD、BOD、TN、TP、SS等污染物质所需要的面积,选取其中最大的用地面积对设计湿地面积进行校正。一般而言深度处理将污水进行回用,TN、TP是限制性指标。


2、人工湿地冬季越冬问题


人工湿地越冬是保证人工湿地正常运行的关键,尤其是在北方,冬季气温低,会影响处理效果。在冬季运行时,首先应该加强管理,植物尽量选择挺水植物。在11月~3月期间,宜在初冻时加大水深。多数情况下,由于污水温度较高,湿地并不结冰或只有湿地后部结冰。所以应该根据实际情况,控制水深,以保证湿地在冬季的运行。此外,为了便于人工湿地在冬季运行时能支撑冰面,并有利于春季发芽生长,在收割时应保留植物茬20~40cm。


为保证人工湿地能长年运行,在设计计算时,冬季运行的温度也是设计须考虑的限制性参数。要保证该系统能常年运行,湿地系统对COD的去除率须达60%以上。据实际运行经验,人工湿地在夏季一平方米湿地每天能去除6~9kg的COD,而冬季运行时,一平方米湿地每天能去除16~24.5g的COD。


在设计时应充分考虑到冬季运行的效果,将计算所得的人工湿地所需面积与初步确定的人工湿地面积进行校核,根据实际情况进行调整。有时,为保证湿地在冬季能有更好的去污效果,可考虑采用表面流和潜流相结合的运行方式,以解决保证人工湿地在冬季的正常运行。


3、人工湿地对地下水的影响及防渗处理


在对人工湿地是否需作防渗处理时,首先应该对场地进行调查和评价,充分考虑当地的水文地质条件,正确地选择适合的田地和工艺方式以保证对污水的净化,同时避免对地下水的污染。国外研究资料也表明,只要选择适当场地,正确的工程参数选取和设计,并具有良好的运行管理措施,湿地对地下水的影响程度将是很小的。


一般而言,人工湿地的场地选择在渗透性较低的土层上,且以表面流或潜流的方式处理污水。为切实防止人工湿地系统因渗漏造成对地下水的污染,应该采取适当的防渗措施,最基本的方式就是素土夯实。从环境安全的角度考虑,可以在施工时尽量保持原土层,在原土层上采取防渗措施,防渗材料可以根据当地的实际情况选取,如用粘土、膨润土、沥青、油毡等防渗材料作为防渗层。


人工湿地处理工程防渗层的厚度取决于所选的防渗材料,如选择沥青,防渗层厚度为2~5cm;选择膨润土,防渗层厚度5~10cm;选择粘土,防渗层厚度10~20cm。此外,为随时监测人工湿地污水处理工程对地下水的影响,须布设监测井,通常在湿地系统地下水流向的上游和下游设置两个地下水监测井,以监测处理系统对地下水的影响情况。


只要设计合理并采取相应的防渗措施,就完全可以使人工湿地系统构成相对独立的水力系统,使其净化水无论在垂直方向还是水平方向均不和相邻地下水发生明显的水力联系。此外,进入地下的水是经净化后的污水,其对地下水的影响也仅发生在非常有限的范围。在一般的情况下靠地下水的稀释也足以消除其影响。所以,人工湿地对地下水的污染在采取相应措施是可以避免的。


六、结束语


对人工湿地的应用需要重新再认识,由积极推广将其作为低成本的城市污水处理厂二级替代工艺,转变为处理城市污水处理厂二级出水和微污染水的自然净化工艺,实现湿地处理污水的真正意义。


将人工湿地处理城市污水处理厂二级出水,在很大程度可以减少运行成本和可能产生的生态风险,降低污水回用可能造成的生态毒害危害。
由于没有统一的设计公式和模型,在人工湿地设计时应选择合理的计算公式,对设计参数进行校核,尤其是在设计时,保证冬季正常运行也是其重点考虑的因素。


合理选择建设场地,选取正确的工程参数,根据需要采取相应的防渗措施,制定良好的运行管理方案,可降低湿地对地下水的影响。
由于人工湿地具有低投资、低运转费、低能耗等优点,在对水质安全要求越来越严格的今天,人工湿地在污水与人类之间建立一道自然的屏障,在一定程度上可以确保回用水的可靠性和安全性,其应用前景广阔。来源:水工业市场杂志 作者: 余 杰 田宁宁 钱靖华 李燕林 高成杰



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