改良人工湿地在服务区污水处理中的应用.pdf

改良人工湿地在服务区污水处理中的应用 * 刘学欣1孔亚平1李劲松2 1． 交通运输部科学研究院， 北京 100029; 2． 吉林省高等级公路建设局， 长春 130216 摘要 针对公路服务区传统人工湿地污水处理技术存在的启动调试滞后、 占地面积大、 湿地床易堵塞等实际问题， 开展 了改良人工湿地处理研究， 选用废砖块、 空心砖和废陶瓷等作为湿地填料， 引入湿地模块化设计的理念， 采用进水低位 双泵控制系统及阶梯增加水力负荷和间歇投配的启动方式， 在江西某服务区建设示范工程， 处理后出水水质稳定， 达 到 GB/T 189202002 城市污水再生利用 城市杂用水 中城市绿化用水标准。 关键词 服务区; 污水处理; 人工湿地; 填料; 模块 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201407014 APPLICATION OF THE MODIFIED CONSTＲUCTED WETLAND IN THE WASTEWATEＲ TＲEATMENT PＲOJECT OF SEＲVICE AＲEA Liu Xuexin1Kong Yaping1Li Jinsong2 1． China Academy of Transportation Sciences，MOT，Beijing 100029，China 2． Jilin Provincial High Class Highway Construction Bureau，Changchun 130216， China AbstractAccording to the wastewater characteristics of highway service areas，the traditional constructed wetland was modified in order to save construction investment，prevent blockage and concentrate area． The new technology based on the theory of modular design，started up by using the mixed packing medium with bricks and waste ceram，stepwise increasing of hydraulic loading and taking operation of intermittent filling． The application of wastewater treatment project in the service area in Jiangxi province showed that the effluent of wastewater project could reached the requirements of the standard of urban greenbelt water use of the“municipal wastewater reuse GB/T 189202002 ” ． Keywordsservice area;wastewater treatment;constructed wetland;packing medium;module * 交通运输建设科技项目 20113186701290 ; 吉林省交通运输科技项 目 2011 －1 －7 ; 江西省交通科技项目 2011C00005 。 收稿日期 2013 －09 －09 0引言 随着我国公路建设的快速发展， 公路沿线的服务 区也配套建设， 服务区在运营过程中产生的污水逐渐 成为我国水环境治理中亟待解决的一个问题。 高速公路服务区污水主要由卫生间污水、 餐饮污 水、 加油站及车辆冲洗废水等组成。与生活污水相 比， 服务区污水具有水质水量随季节性波动大， 悬浮 物和氨氮含量高， 含有一定量的石油类物质等特点。 目前服务区主要采用的污水处理技术包括接触 氧化、 序批式活性污泥法 SBＲ 、 膜生物反应器 MBＲ 和人工湿地、 土壤渗滤等方法， 其中人工湿地 技术具有出水水质好、 景观效果好、 运行维护简单等 优点， 在南方有一定场地空间的服务区具有很好的推 广应用前景［1 ］。国内学者已经对人工湿地技术应用 于服务区污水处理进行了一些初步的尝试， 取得了一 定的成绩， 如肖冬燕 ［2 ］、 李向阳［3 ］、 李红艳［4 ］、 李虹［5 ］ 等对人工湿地技术应用于服务区污水处理及回用领 域进行了技术适宜性分析和科学论证; 钱鸿 ［6 ］等在 安徽六潜高速潜山服务区采用了水平潜流人工湿地 处理方法; 陈伟莉 ［7 ］在广梧高速建城服务区、 虎岩服 务区; 黄小云 ［8 ］等在湖北某服务区采用了接触氧 化 人工湿地的处理方法， 均取得了理想的处理效 果。但在部分工程应用过程中， 发现该技术存在启动 调试滞后、 建设成本偏高、 易堵塞、 场地受限等问 题 ［9 ］。因此本文针对上述问题开展改良型人工湿地 95 水污染防治 Water Pollution Control 研究， 重点解决根据地方特色因地制宜选择兼具处理 效果和经济成本的湿地填料， 根据场地情况设计并联 模块化布局并调控各模块间歇运行， 以及初期快速启 动调试等问题， 具有非常重要的实际应用价值。 1人工湿地填料选配 1. 1填料选择依据 人工湿地由土壤、 人工填料和湿地植物组成。在 湿地床体内装填复合湿地填料， 表面种植湿地植物， 并配有进水、 配水、 集水等管路， 通过过滤、 吸附、 沉 淀、 离子交换、 植物吸收和微生物分解等途径去除污 水中的污染物。湿地填料在整个处理系统中至关重 要， 在填料选配过程中， 应综合考虑功能性、 经济性、 生态相容性等因素［10 ］ 1 经济可行、 就地取材和各种废料的再利用。 2 具有一定的强度， 合适的密度、 孔隙率和比表 面积， 具有良好的生物附着性。 3 填料的化学稳定性好， 不溶出影响生物功能 的有害物质， 但希望能溶出一些有益于微生物生长的 元素。 1. 2填料种类确定 选择江西省作为示范点， 经过实地考察， 本着便 宜易得、 就地取材的原则， 初步选定废砖块、 空心砖等 建筑废料以及景德镇周边地区独有的废陶瓷作为填 料。相关研究结果表明［11- 12 ］ 废砖块、 空心砖和废陶 瓷具有较高的孔隙率和比表面积， 作为湿地填料可以 提供更好的吸附功能和微生物负载能力， 因此无论从 经济性、 功能性以及废弃物的循环利用等方面考虑， 利用上述 3 种填料构建人工湿地都是适宜可行的。 2模块化湿地设计 在江西省某服务区东西两侧， 分别建设了处理量 为 150 t/d 的改良人工湿地污水处理及回用示范工 程， 对服务区综合楼、 职工宿舍及宾馆产生的生活污 水， 餐厅产生的餐饮废水， 机修间产生的洗车废水进 行综合处理， 设计出水水质达到 GB/T 189202002 城市污水再生利用 城市杂用水 中城市绿化用水标 准， 在厂区各绿化需水点设置洒水栓， 利用中水进行 场区绿化浇灌。 示范工程采用调节池 沉淀池 人工湿地的工 艺流程， 其中核心处理单元人工湿地采用垂直潜流人 工湿地， 由体积分数为 20 的废砖块、 20 的空心砖 和 30的废陶瓷， 复配 20 的砾石及 10 的当地红 壤组成复合人工湿地填料。 2. 1模块化单元布局 由于该服务区东西两区平面布局不同， 根据现有 的地形地势， 依照保证处理效果和节约工程占地的原 则， 设计了两组不同的模块化单元系统， 见图 1 图 2。其中东区湿地模块矩阵式排列， 共设 4 组湿地 单元模块， 每一个净化床模块的大小为 13m 14m; 西区湿地模块线性排列， 共设 4 组湿地单元模块， 每 一个净化床模块的大小为 12 m 16 m， 湿地有效深 度均为 0. 8 m， 均采取并联的连接方式。 图 1东区湿地模块化布局 Fig．1Layout of the module of wetland in eastern area 图 2西区湿地模块化布局 Fig．2Layout of the module of wetland in western area 2. 2模块化调控运行方式 与生活污水相比， 服务区污水的处理难点在于其 水质水量季节性变化很大， 对处理系统的冲击性较 大。针对这一污水特征， 本工程采用了模块化的设计 方式， 可以根据现场的水量变化及污染负荷， 灵活的 开闭处理单元模块。通过调控模块运行方式， 既可以 节省运行成本， 又提高了系统的抗冲击性， 尤其适用 于服务区污水处理领域。 人工湿地的另一缺陷是长期运行易产生填料堵 塞问题。采用模块化湿地的运行方式， 可根据各湿地 单元模块的运行状况， 调控各模块单元干湿交替运 行， 经过一段时间的停止进水， 填料间隙的生物膜会 自行脱落， 有效缓解湿地的堵塞情况， 延长处理系统 的使用寿命。 3调试运行 3. 1快速启动调试系统 服务区污水与分散式生活污水水质较类似， 但是 其处理设施的启动调试情况存在较大差异。一般处 理设施设备安装结束， 清水试车后即可启动调试。但 服务区一般运营初期车流量较小， 服务区驻留人员较 少， 服务区产生污水量较低， 无法启动生化处理单元 06 环境工程 Environmental Engineering 调试， 影响路段环保验收进度。 针对这一特殊情况， 研究提出一种进水低位双泵 控制系统 见图 3 将水泵安装在调节池保证泵体安 全的最低位置， 设置浮球水位控制、 时间继电器控制 和手动控制的 3 种方法控制进水水量。进入调节池 的污水超过低水位水泵的抽取液位， 提升系统就会自 动启动， 将污水泵入后续处理系统， 极大缩短系统启 动调试时间。如果水量确实较低， 则调节池进水只进 入部分湿地模块单元， 调试该单元的湿地系统， 待水 量充足后， 再全部启动各湿地模块， 可充分应对不同 处理负荷条件， 非常适宜应用于水量变化系数较大的 服务区污水处理领域。 污水处理设施正常运行时双泵设置满足 1 用 1 备的需求， 保证处理系统在水泵单机故障情况下， 也 可正常运行， 而且系统设有干运转保护控制机制， 可 延长水泵使用寿命。当暴雨等大水量冲击负荷超过 设定的警戒水位后， 系统也会自动开启双泵实现调节 池内暴雨或冲击负荷快速导出， 避免对系统机电设备 造成损害， 减少系统管养操作。 时间控制策略可用于湿地间歇运行及初期暴雨 径流弃流等情况。 图 3进水低位双泵控制系统策略 Fig． 3Strategy of water low double pump control system 3. 2启动运行方式 改良人工湿地处理系统调试采用阶梯增加水力负 荷和间歇投配的启动运行方式 ［ 13 ］。设定的阶梯进水 水力负荷为5， 10， 15 和20 cm/d， 水力负荷由小逐步增 加到设计水力负荷20cm/d， 每个水力负荷运行时间为 7 d。阶梯增加水力负荷时， 采用间歇投配的进水方 式， 干湿比为1∶1。经过30 d 的调试， 系统即达到稳定 成熟阶段， 比普通调试方式节省时间一半以上。 4处理效果分析 2008 年 7 月中旬改良人工湿地污水处理工程完 成植物的整体移栽配置及调试， 2008 年 9 月中旬， 随 着湿地内植物生长繁育， 内部生态体系逐步形成完 善， 处理效果日趋稳定。2008 年 8 月开始， 水体中开 始出现了大量的软体动物幼虫， 包括红丝蚓、 摇蚊幼 虫、 水蛆等。2008 年 9 月出现了甲虫和螺蛳等生物。 2009 年 9 月 17 日10 月 30 日， 对系统的进出 水水质进行了 6 次跟踪监测， 结果见图 4图 7。从 图 4悬浮物去除效果 Fig．4Ｒemoval effect of suspended substance 监测结果可看出 1 处理出水的悬浮物、 氨氮、 COD 和总磷等指标 均能稳定达到 GB/T 189202002 中城市绿化用水 标准。 2 10 月 15 日系统稳定以后， 各出水水质指标浓 度 ρ SS＜ 15 mg/L， ρ NH3－N＜ 5 mg/L， ρ COD ＜20 mg/L， ρ TP＜ 0. 5 mg /L， NH3－N、 COD 和 TP 16 水污染防治 Water Pollution Control 图 5氨氮去除效果 Fig．5Ｒemoval effect of ammonia nitrogen 图 6 COD 去除效果 Fig．6Ｒemoval effect of chemical oxygen demand 图 7总磷去除效果 Fig．7Ｒemoval effect of total phosphorus 的去除率均高于 80， 说明该技术处理效果优良， 值 得推广应用。 3 当进水氨氮浓度达到45 mg/L 时， 系统出水效 果依旧稳定， 氨氮浓度低于 5 mg/L， 说明系统对氨氮 具有良好的抗冲击性。 经过近一年的运行后， 监测服务区东西两侧改良 人工湿地处理工程进出水水质见表 1表 2， 满足 GB/T 189202002 中城市绿化用水标准， 系统运行 稳定。 5结果与讨论 1 根据公路服务区污水的特征， 针对人工湿地 表 1东侧服务区污水水质分析结果 Table 1Ｒesults of sewage water quality analysis on east side service area 项目COD BOD5 氨氮SSTPTN 进水/ mg L －1 220 13649. 05303. 4677. 89 出水/ mg L －1 58 16. 90. 75990. 079. 22 去除率/7488 98709888 表 2西侧服务区污水水质分析结果 Table 2Ｒesults of sewage water quality analysis on west side service area 项目COD BOD5 氨氮SSTPTN 进水/ mg L －1 5016. 66. 487220. 79. 81 出水/ mg L －1 162. 50. 25750. 051. 32 去除率/2. 968 85967793 的投资较高、 易堵塞、 场地受限等问题， 进行技术改 进， 提出的改良型人工湿地技术尤其适用于服务区污 水处理领域。 2 江西地区的废砖块、 空心砖和废陶瓷具有较 高的孔隙率和比表面积， 可以变废为宝， 作为人工湿 地填料使用。 3 人工湿地的模块化设计模式， 可以更好的规 划处理设施建筑用地， 合理调控模块单元的开闭， 节 省运行费用， 有效缓解填料堵塞问题。 4 进水低位双泵控制系统可以极大地缩短系统 的启动调试时间， 而且能够及时导排暴雨径流， 解决 服务区污水处理设施运行的实际问题。 5 根据研究成果建设的改良型人工湿地污水处 理工程， 采用阶梯增加水力负荷和间歇投配的启动运 行方式， 极大地缩短调试时间。 6 该处理工程抗冲击性强， 主要污染物去除效 率可达 80 以上， 出水各项水质指标优于 GB/T 189202002 中城市绿化用水标准。 参考文献 ［1］刘学欣， 孔亚平． 公路服务区污水处理工艺综合分析［J］． 公 路， 2011 6 189- 191． ［2］肖东燕． 人工湿地在高速公路服务区中水回用系统的应用研 究［J］． 中外建筑， 2010， 8 207- 208． ［3］李向阳， 胡辉． 人工湿地处理污水的占地指标比较及运用［J］． 平顶山工学院学报， 2007， 16 1 23- 26． ［4］李红艳， 章光新． 人工湿地净化高速公路污染的研究［J］． 安 徽农业科学， 2009， 37 15 7164- 7166． ［5］李虹， 赵娟芳． 浅谈高速公路服务区人工湿地营造管理技术 ［J］． 山西建筑， 2010， 36 30 180- 181． 下转第 28 页 26 环境工程 Environmental Engineering 洗液 pH ＞2 ， 正常工作流量， 0. 138 ～ 0. 276 Mpa 压 力向系统输入清洗液， 将初始的回水排掉， 防止清洗 液被稀释， 清洗液在管路循环 5 min。观察回流液的 浊度和 pH， 若明显变浊或者 pH 变化超过 0. 5， 说明 清洗效果不好， 重新用新清洗液再进行上述操作。完 成上述操作后停止清洗泵循环， 膜组件全部浸泡在清 洗液中 1 h 左右， 之后加大流量到清洗正常流量的 1. 5 倍进行清洗， 运行压力以系统无或稍有产水压力 为限， 循环30 min。最后用产水冲洗系统 30 min， 将 清洗液完全冲出无残留。清洗过程结束。经过上述 清洗过程， 反渗透膜通量完全恢复至初始状态。 3结论 1 不同操作条件下超滤膜的产水水质稳定， 渗 透通量衰减缓慢。周期性反冲洗可以降低膜的污染， 延缓膜渗透通量的衰减。试验表明， 超滤最佳的操作 压力为 0. 1 MPa。当超滤膜正常膜通量下降 30时， 首先用清水进行反冲洗， 然后采用1 HCl 和200 mg/L NaClO 溶液进行循环化学清洗。 2 超滤膜可有效降低乙烯生产废水的浊度， 出 水浊度在 0. 05 ～ 0. 28 NTU， 对浊度的平均去除率达 96; 超滤膜对胶体具有良好的去除作用， 产水 SDI ＜ 2. 5; 超滤膜对细菌总数的平均去除效果可达 94。超滤出水水质优于反渗透进水水质推荐值， 故 超滤完全可以满足反渗透预处理要求。 3 反渗透系统具有良好的运行效果， 产水水质稳 定， pH 值稳定在7. 7， 同时反渗透系统还具有良好的离 子去除效果， 反渗透产水电导率平均为20. 6 μs/cm， 对 总硬度和总碱度去除率分别达到 99. 0 和 98. 0， 平均脱盐率达到 98以上。 4 反渗透系统产水量比初始值下降 15 以上 时， 采用 0. 2 HCl 和反渗透产水配制的清洗液 pH ＞2 对系统进行循环清洗， 可有效去除膜污染。 参考文献 ［1］杨友麒，庄芹仙． 炼油化工企业节水减排的进展和存在问题 ［J］． 化工进展， 2012， 31 12 2780- 2785. ［2］刘春平． 石油化工企业的节水减排［J］． 化工环保，2006， 26 1 74- 77. ［3］刘旦宇， 荣宏伟． 石化乙烯工业废水中关键毒性物质的鉴别 ［J］． 环境工程， 2012， 30 4 101- 104. ［4］Strom D，Ｒalph P J，Stauber J L．Development of a toxicity identification uation protocol using chlorophyll- A fluorescence in a marine microalga［J］． Arch Environ Contam Toxicol，2009， 56 1 30- 38. ［5］Abbas H，Hossain M M，Chen X． Modelling of anhydrous milkfat fractionation in an ultrafiltration membrane process［J］． Chemical Engineering and Processing， 2007， 46 8 393- 397. ［6］Lee E K，Chen V，Fane A G． Natural organic matter NOM fouling in low pressure membrane filtration- effect of membranes and operation modes［J］． Desalination， 2008， 218 13 257- 270. ［7］Mo J H，Lee Y H，Kim J，et al．Treatment of dye aqueous solutions using nanofiltration polyamide composite membranes for the dye wastewater reuse［J］． Dyes and Pigments， 2008， 76 4 429- 434. ［8］陈永强，龚小芝，李铭． 预处理 － 超滤 － 反渗透工艺深度处理 炼油厂污水［J］． 化工环保， 2013， 30 2 140- 143. ［9］董利珠． 超滤 反渗透工艺深度处理钢铁厂综合污水［J］． 环 境工程， 2011， 29 2 58- 60， 77. ［ 10］国家环境保护总局． 水和废水监测分析方法［M］． 北京中国 环境科学出版社， 2002 200- 286. ［ 11］叶舟，王敏． 超滤/反渗透双膜法处理印染废水及其回用工程 应用［J］． 环境工程， 2011， 29 6 128- 131. ［ 12］于鲁冀，唐敏，刘培，等． 超滤 － 反渗透集成膜技术深度处理 酒精废水［J］． 环境科学与技术， 2012， 35 7 82- 85. ［ 13］李健秀，王建刚，邱俊，等． 超滤 － 反渗透集成工艺处理玉米 酒糟废水［J］． 化学工程， 2007， 35 8 42- 44， 56. ［ 14］曾杭成，张国亮，孟琴，等． 超滤/反渗透双膜技术深度处理 印染废水［J］． 环境工程学报， 2008， 2 8 1021- 1025. 第一作者 李长波 1982 － ， 男， 博士， 讲师， 主要研究方向为石化行业 水污染控制及资源化技术。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 lnpulcb126． com 上接第 62 页 ［6］钱鸿． 六潜高速公路服务区生态型污水处理工艺选择［J］． 工 程与建设， 2011， 25 2 201- 203． ［7］陈伟莉． 人工湿地在广梧高速公路典型示范工程中的应用 ［J］． 交通科技， 2010 6 40- 42． ［8］黄小云， 周慧德． 高速公路中南部服务区污水处理工艺优化设 计［J］． 化工进展， 2009， 28 215- 218． ［9］邵丽， 林志祥． 人工湿地存在的问题及解决措施［J］ ． 云南农 业大学学报， 2009， 24 4 603- 606． ［ 10］黄逸群， 张民． 人工湿地填料净化生活污水级配优化研究［J］． 环境科学与技术， 2009， 32 3 130- 134． ［ 11］林岩清， 何苗． 处理污染河水的渗流式生物床填料性能研究 ［J］． 中国给水排水， 2006， 22 7 13- 16． ［ 12］邵文生， 张建． 人工湿地系统处理污染河水的填料选配［J］． 中国给水排水， 2006， 22 3 65- 68． ［ 13］童晶晶， 籍国东． 高效功能陶粒生物滤池处理农村生活污水研 究［J］． 农业环境科学学报， 2009， 28 9 1924- 1937． 第一作者 刘学欣 1980 － ， 男， 硕士， 工程师， 主要从事水污染控制的 研究。nkone sina． com 82 环境工程 Environmental Engineering