垂直流人工湿地技术在中水回用工程中的应用实例朱卫

人工湿地是一种综合的生态系统，它是在模拟天然湿地的基础上，利用植物和微生物处理污水的一种污水处理技术。人工湿地在中水回用处理中具有以下的发展优势：（1）人工湿地具有良好的净化能力，对好氧有机物、N、P等都具有很好的去除效果；（2）具有低能耗、低运行成本、方便维护管理的特点；（3）具有一定的景观生态效果，能改善当地的生态环境。因此，人工湿地在中水回用处理中具有广泛的应用。本文以成都某中水回用工程为工程实例，该工程利用湿地技术处理污水的同时将湿地与景观相结合，开发成湿地公园。由此探讨垂直流人工湿地处理技术在中水回用中的应用。1设计规模和水质成都某中水回用工程设计规模100,000m3/d。进水水源采用的是污水处理厂的出水，该水源达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准，据此确定设计进水水质。出水水质指标达到《地表水环境质量标准》GB3838-2002III类水质标准。设计进、出水水质见表1。表1设计进出水水质mg·L-1项目进水水质出水水质BOD5≤20≤4CODcr≤60≤20SS≤20——NH3-N≤8.0≤1.0TP≤1.0≤0.22工艺流程本工程采用的工艺流程如图1所示。污水微絮凝池纤维转盘滤池出水泵站垂直流人工湿地达标排放至景观湖图1污水处理工艺流程3预埋微生物垂直流人工湿地介绍本工程所采用的垂直流人工湿地技术的剖面图如图2所示。图2垂直流人工湿地剖面图这种技术利用厌氧生物滤池与湿地植物相结合的原理，与普通人工湿地的原理有本质区别。普通人工湿地的作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。普通垂直流人工湿地的BOD负荷为0.008～0.012KgBOD/（m3·d）[人工湿地污水处理工程技术规范HJ2005-2010]，水力负荷为0.4～0.8m3/m2·d（南方）。厌氧生物滤池是一种内部装填有微生物载体（即滤料）的厌氧生物反应器。厌氧微生物部分附着生长在滤料上，形成厌氧生物膜，部分在滤料空隙间悬浮生长。污水流经挂有生物膜的滤料时，水中的有机物扩散到生物膜表面，并被生物膜中的微生物降解转化为沼气，净化后的水通过排水设备排至池外，所产生的沼气被收集利用。本工程所采用的垂直流人工湿地技术技术是利用高效率的生物滤池的原理进行改进，首先降低生物滤池的高度和填料的高度，再在生物滤池填料表面上种植湿地挺水植物，目的是为中上层填料中的微生物输氧，从而形成了从上往下依次为好氧、缺氧、厌氧的环境，所以有了去除COD、BOD、氨氮和总氮的条件。经过多年的工程经验总结，该技术的COD负荷高达0.1～0.2Kg-COD/（m3·d），水力负荷为1.0～1.2m3/m2·d，总氮负荷高达0.1～0.15kgNO3-N/（m3·d）。4预埋微生物垂直流人工湿地污染物的去除原理4.1碳的转化与循环碳的转化与循环有以下方式：（1）细菌代谢（分解、合成）；（2）藻类光合作用和呼吸作用；（3）植物的光合作用，根部吸收水【第一作者】朱卫（1981－），男，广东中山人，工程师，研究方向：水污染防治技术。“垂直流人工湿地”技术在中水回用工程中的应用实例朱卫（中山市环保产业有限公司，广东中山528400）【摘要】结合垂直流人工湿地在中水回用中的应用实例，介绍预埋微生物垂直流人工湿地的原理、特点、设计参数，为人工湿地处理技术的推广应用提供参考。【关键词】预埋微生物垂直流人工湿地；中水回用；湿地公园【中图分类号】X524【文献识别码】A【文章编号】2095-3518（2018）07-89-022018年第34卷第7期轻工科技LIGHTINDUSTRYSCIENCEANDTECHNOLOGYVol.34，No.7，201889中溶解性有机物。不溶性有机物及积聚在根部的细菌机体、藻类，经厌氧发酵分解为有机碳和无机碳，再由根部吸收转化为植株体或转化为二氧化碳气体。4.2氮的转化与循环（氮的去除）（1）细菌代谢：氨化作用，有机氮分解为氨态氮；硝化作用，氨氮转化为硝态氮；反硝化作用，异养厌氧菌将硝态氮转化为氮气。（2）挥发作用：在pH较高、水力停留时间较长、温度较高下，氨向大气挥发（21％）。（3）吸收作用：微生物及水生植物吸收合成机体。（4）分解作用：沉积层中的有机氮经厌氧分解。根据氮的转化与循环机理，氮的处理主要依靠植物根部的微生物进行脱氮的。其次靠动植物的吸收合成有机体。最后通过割草、捕获动物而除氮。4.3磷的转化与循环（磷的去除）（1）细菌藻类吸收无机磷化合物，转化为有机磷，有机磷在细菌作用下又可分解。（2）植物的根部吸收水中无机磷转化为植物体。溶解磷和不溶磷之间相互转化：白昼pH高，磷酸盐易沉淀，夜间pH降低，部分已沉淀磷酸盐重新溶解；为了减少生物处理的磷负荷，本工程在运行时，应结合现有污水处理厂的运作进行调整，以最大能力将磷含量降到最低。控制污水处理厂出水的总磷达到0.5mg/L以下。（3）化学作用：水中的磷酸根与湿地填料中的钙、铁、镁反应生成不溶性的沉淀物。根据磷的转化与循环机理，一部分被吸附在藻类中，最后形成泥土，一部分形成难溶物沉积在填料里。一部分被植物直接吸收最终转化成植物的机体，然后通过收获而除去磷。4.4有害物质（合成有机物、重金属离子）的转化生物生物降解，水生植物根系吸附、吸收，螯合及沉淀作用4.5COD、BOD的去除污水中的BOD5的去除主要是靠微生物的吸附与代谢作用。有机污染物被好氧微生物氧化分解的过程，一般分为两个阶段：第一阶段主要是有机物被转化成二氧化碳、水和氨；第二阶段主要是氨被转化为亚硝酸盐和硝酸盐。一部分兼氧菌与厌氧菌在生活时也消耗有机物转变成CO2和H2O、甲烷，从而产生能量。COD为用化学氧化剂氧化水中有机污染物时所消耗的氧化剂量，化学需氧量愈高，也表示水中有机污染物愈高（以mg/L为单位）。水中的COD去除的原理与BOD5的去除原理基本相同，消耗COD以好氧微生物与厌氧甲基烷菌为主。4.6SS的去除（1）大的杂物：本工程由于是污水厂净化后的出水，水中不含有大的杂物。（2）进水的SS已很低，但在人工湿地的过滤下，出水的SS将更低，出水非常清澈。5主要工艺参数设计（1）微絮凝池数量1座，工艺尺寸为38.0m×5.0m×5.0m，钢筋混凝土结构。（2）纤维转盘滤池数量1座，工艺尺寸为27.9m×4.6m×4.7m，钢筋混凝土结构。（3）出水泵站数量1座，工艺尺寸为17.1m×4.6m×4.7m，钢筋混凝土结构。（4）垂直流人工湿地污水经预处理后引入预埋微生物垂直流人工湿地，利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水进行进一步处理，除去水中有机物及氮、磷，实现达标排放。人工湿地总占地面积110322m2，有效面积90440m2，水力负荷0.90m3/（m2·d），湿地总深度1.5m，有效水深1.2m。6本工程特点（1）铺设高效的除磷脱氮填料提高除磷脱氮效率。（2）填料层中预埋高效的兼氧、厌氧、硝化、反硝化纯菌。（3）科学的设置布水系统，可防止湿地填料堵塞。（4）科学的计算除磷填料的数量，可保证整体填料在不堵塞情况下的使用寿命（10～50年均可）。（5）铺设的高效脱氮填料能够持续释放碳元，能够给反硝化菌提供营养，使出水的总氮降到1.0mg/L以下。（6）本工程利用湿地污水处理技术与湿地园林造景技术建成人工湿地生态公园，从根本上解决城市市区景观单调的问题，另外还能改善水体质量，为城市居民提供休憩、娱乐的场所。7运行效果该工程于2013年5月调试完成并正常运行后，各项指标均能达标排放，处理效果见表2。由表2的监测数据来看，整个处理系统对CODcr、BOD5、NH3-N、TP的去除率较高，出水水质较稳定，各项指标均达到了设计标准。（下转第92页）90工艺特点。对于四维生物脱氮反应器而言，在实际应用中的优势主要体现在以下几个方面：（1）该反应器具备生物接触氧化法工艺特点，在实际应用中产泥量比较少，且能够实现过滤功能，在出水时其内部所含悬浮物比较少，也不需要另外设置反冲洗装置，也不需要设置二沉池。在反应器中所存在的沉泥，只需要在对设备进行检修过程中将其抽取，不必设置专门设备进行排泥。（2）对于这种类型反应器而言，其不但具备循环功能，且具备折流运行功能，可使折流及循环流两种运行流态实现有效结合，从而也就能够使装置容积利用率得以有效提升，在实际应用中所存在水力死区相对较小，并且在设备启动运行及设备管理方便能够比较简便，具有比较稳定的高效工作状态。（3）反应器内部存在两种不同局部溶解氧梯度，分别为宏观状态与微观状态，对于生物脱氮中关于溶氧环境相关要求，其能够符合，可同步高效去除有机物以及氮，且对于总氮具备较好同步去除能力。2.2折流水力特性分析就折流式反应器实际应用情况而言，其首先应用于厌氧折流反应器内，由于折流反应器具有比较良好的水力条件，沿着水流方向微生物群落表现出较明显递变，具有较稳定处理效果，在化工及水处理领域具有十分广泛的应用。目前，对于折流反应器很多学者均实行大量实验及理论研究，主要研究内容就是在反应器实际运行过程中不同结构条件之间所存在关系，且取得较理想成果，为折流反应器更好应用奠定比较理想的基础。2.3循环流水力特性分析在四维脱氮生物反应器中，其反应属于比较典型的气升式内环流反应器，对于这种类型反应器而言，其内部水流具有比较复杂的流态，且池内所存在填料会在很大程度上对水流态产生影响，由于这一特点的存在，也就很难直接研究其内部有关流体特点。另外，这种类型反应器主要包括两种不同形式，其中一种为内环流反应器，另一种为外环流反应器，其原理相同，同时相互间所存在联系较密切，其中对于内循环流而言，可对其进行简化，使其成为多个外循环流并联组合。因此，可利用实验方式研究反应器的水力特性，在建立模型之后，再将其在内环流反应器中进行应用[3]。根据相关文章从液体含气率、循环液体流速和氧传质特性方面的分析，四维生物脱氮反应器与其他式反应器相比，交替循环流较明显的特点就是具备较理想的曝气充氧能力及载体脱模能力，同时具备较好进水均质能力，另外，在时间轴曝气控制的基础上，可导致反应器内部的局部出现水力特性的不断改变，在此基础上也就能够减少反应器内部水力死区，并且折流可使反应器内部污水流经长度增加，可有效延长生化反应时间，通过三者共同作用，可使反应器表现出较理想水力特性，同时使容积利用率达到最大，理论上而言可得到比较理想的污水处理效果。3结语本文分别从气升式环流反应器、折流反应器、曝气生物滤池和生物接触氧化各种工艺的特点出发，分析这四种工艺的水力学特性，四维生物脱氮反应器结合了这四种工艺的优点，分析反应器的折流水力特性和循环流水力特性。参考文献[1]丁富新,李飞,袁乃驹.环流反应器的发展和应用[J].石油化工,2004,33(9):801-807．[2]王丽朋,张文飞,刘永民.高长径比环流反应器中气、固含率的轴向分布研究[J].化工科技,2011,19(5):12-15.[3]徐金兰,刘茵,黄廷林.多隔室厌氧折流板反应器(ABR)的水力特性试验研究[J].环境工程学报,2005,6(12):52-55.（上接第90页）表2处理效果mg·L-1项目数值1数值2数值3数值4数值5进水出水进水出水进水出水进水出水进水出水BOD511.322.249.743.7510.503.3418.993.8915.422.97CODcr32.7711.6232.8315.5337.2512.8538.6518.2232.7414.85NH3-N2.450.763.710.893.420.684.630.943.510.72TP0.280.070.300.080.250.060.310.080.270.068结论人工湿地污水处理技术通过模拟天然湿地的结构达到污水治理的良好效果，不仅具有较好的经济效益和生态效益，在处理城市生活废水方面也具有独到的可行性，能很大程度地改善当前的城市水体污染问题，对城市生态建设具有非常重要的推动作用。它非常适合中国建设节约型城市的国情，