1、太湖流域污水廠尾水生態凈化工程的長效運行對策研究胡 穎1,2,張 蔚3（1. 福州大學 土木工程學院，福建 福州，350116;2.江蘇城鄉建設職業學院，江蘇 常州，213147;3.常州環保服務公司，江蘇 常州，213022)摘要：針對太湖流域污水廠低污染尾水影響入湖河流水質改善的現實，以低污染水氮磷深度削減為目標，研究了生態凈化技術運用于低污染水氮磷削減的系統方案。基于入湖污水處理廠低污染尾水的水質特征分析，對人工濕地應用于低污染尾水生態凈化的途徑進行了研究。對生態凈化技術長效運行的制約因素進行分析，探索了人工濕地自碳源利用技術和人工濕地冬季保溫措施與運行技術保障尾水生態凈化工程的長效運行

2、技術。研究成果應用于示范工程，處理效果良好，為太湖流域污水廠尾水生態凈化技術示范與推廣應用提供了技術支撐。關鍵詞：低污染水 ；污水廠尾水； 生態凈化工程； 氮磷削減；長效運行 Research on Long-term Operation Countermeasures of Ecological Purification Engineering for Tail Water from Wastewater Plant in Taihu Lake BasinHU Ying1,2，ZHANG Wei3(1.College of Civil Engineering, Fuzhou Universi

3、ty, Fuzhou, Fujian 315108; 2.Jiangsu Urban and Rural Construction College, Changzhou, Jiangsu 213147;3.Changzhou Environmental Services Company,Changzhou,Jiangsu 213022)Abstract：Water quality improvement of river in Taihu Lake basin was affected by lightly polluted tail water from wastewater plant.

4、Aimed at deep removal of nitrogen and phosphorus from lightly polluted tail water, the system solutions applying ecological water purification technologies were studied .Based on the analysis on characteristics of water quality of lightly polluted tail water from wastewater plant, the application of

5、 constructed wetland in lightly polluted tail water using ecological way of purification was studied. The restricting factors of ecological purification technology long-term operation were analyzed. The technique of the carbon source utilization and winter heat preservation measures were used in con

6、structed wetland was explored to ensure long-term operation of the tail water ecological purification engineering. Research results were applied to the demonstration project.The treatment effect is good. Technical support was provided for ecological purification technology demonstration and promotio

7、n in treating tail water from wastewater plant in Taihu Lake basin.Key words: lightly polluted tail water; tail Water from wastewater plant; ecological purification engineering;nitrogen and phosphorus reduction; long-term operation_收稿日期：2016-5-19基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項“太湖富營養化控制與治理技術及工程示范項目”（項目編號：2012

8、ZX07101006）作者簡介：胡穎（1972-），女，副教授/工程師，博士研究生，研究方向：水處理技術及非傳統水源利用， E-mail:0 概述 低污染水的治理是我國湖泊環境保護的重要組成部分，經過污水廠處理排放的尾水或污染較重的溝渠水對于湖泊水體來說屬于低污染水1-2，低污染水水質雖然屬于輕度污染，但由于其水量巨大,且對于受納水體特別是敏感水體而言仍然施加了較重的污染負荷和生態毒性3，如不進行有效處理，直接排入河流湖泊后，仍會對水質造成較大影響。4-5采取生態工程手段對低污染水進行深度處理，可進一步削減污染負荷，以減輕湖泊流域水環境承載力的壓力6。太湖是我國第三大淡水湖，位于中國長江三角洲

9、核心區域，屬于中國社會經濟較發達地區。2001年以來，太湖水質一直處于劣類到類水質，且 70%以上水域面積處于中度富營養化水平，而營養鹽一直是主要污染物之一7。國家水體污染控制與治理科技重大專項太湖富營養化控制與治理技術及工程示范項目課題組通過對環太湖25條主要河流污水處理廠排放口監測結果的分析得出，入湖河道污水處理廠低污染尾水的氮磷輸入是太湖氮磷濃度超標的重要原因。因此，對污水處理廠低污染尾水進行深度凈化，對于改善太湖水環境質量具有非常重要的現實意義8，尤其對于中小規模的城鎮及農村污水處理廠，與大規模城市污水處理廠相比，其進水水量、水質隨季節變化較大，運行不穩定，出水水質達標率相對不高9，其

10、尾水排入環太湖河流后，將成為太湖流域氮磷濃度超標的重要污染源。保護太湖水環境的關鍵是削減源頭污染，控制入湖污染物的總量，因此，開展入湖污水處理廠尾水深度生態凈化技術研究與示范工程， 對減少排入太湖的污染物總量，保護太湖流域水環境意義重大。1 污水廠尾水特征分析與處理工藝選擇 1.1 尾水特征分析“十一五”以來，尤其是2007年太湖水危機后，蘇南地區加大了城鎮污水處理廠的建設力度，到2011年底，實現161個建制鎮污水處理設施全覆蓋，新建設施排水均達到一級A標準10。蘇南地區的城鎮污水處理廠，分析其出廠尾水特征主要有:(1)有機物含量低，氮磷含量較高。尤其冬季生物脫氮受到抑制，總氮達標排放難度較

11、大。10(2)常規的污水處理措施大多用來處理污染物濃度較高的生活污水或工業廢水，處理低污染水效果較差。(3)出水水質與地表水環境質量標準還存在一定差距。從圖1可以看出，即使出廠水執行城鎮污水處理廠污染物排放標準(GB 18918-2002)一級A標準，污水廠尾水中的污染物質仍然高于地表水類水污染物質的標準，部分指標甚至是地表水質量標準中的幾倍。圖1 污水處理廠出廠水水質與地表水類水水質比較(4）流量大，負荷總量高，且波動性強。雖然水質污染程度較低，污染物濃度不高，但是因為入湖河流總流量大，所以輸入湖泊的污染負荷量依然較高。溫度、降雨量等氣候條件會影響流域入湖河流的流量，暴雨沖刷以及地表徑流的變

12、化會影響入湖河流污染物的濃度和負荷量。入湖流量和污染物濃度的波動性，大大增加了污染控制與治理難度。基于入湖污水處理廠低污染尾水的水質特征，對其進行深度凈化的目標旨在有效削減出水氨氮和總磷，通過比選篩選出最佳可行適用的低污染水生態凈化技術和組合模式，并探索污水處理廠尾水生態處理的長效運行管理模式。1.2 尾水處理工藝選擇 生態凈化技術由于具有處理效果好、投資少、操作簡單、維護和運行費用低等優點，已越來越多地用于污水處理廠尾水的深度處理。而人工濕地因其投資運行費用低、二次污染少、運行維護方便、對負荷變化適應性強，處理效果穩定等優點成為尾水深度處理的主體工藝7，并具有美化環境、與自然景觀融為一體的特

13、點11，尤其適用于資金相對不足、管理水平相對偏低的相對分散的中、小城鎮污水處理廠尾水的深度處理。國內的學者對不同類型人工濕地及其組合工藝應用于污水廠尾水的生態凈化進行了深入研究與實踐。近年來，為了提高生態凈化技術的處理效果，微生物強化與生態凈化耦合集成技術在污水處理廠尾水深度處理中也逐漸得到研究和應用。如蔣嵐嵐等采用曝氣生物強化氧化-三級表流濕地-二級潛流濕地-生物穩定塘復合型人工濕地工藝處理城鎮污水處理廠尾水12；楊立君將生態氧化池生態礫石床組合工藝作為強化型前處理系統13，與垂直流人工濕地工藝相結合，用于處理城市污水處理廠尾水；張小東等采用生態填料人工濕地作為構筑物對某生態村中心湖的微污染

14、水體進行處理14，均獲得了理想的凈化效果。1.3 生態凈化技術長效運行的制約因素分析 生態處理技術如人工濕地、氧化塘、生態溝渠等廣泛應用于污水處理廠尾水生態凈化工程中，取得了一定的成效，但是由于生態技術的植物生長易受氣候影響、占地規模大，而蘇南地區人多地少，生態技術的施展空間受到制約，特別是生態處理技術在低溫條件下的處理效果不佳，亟待在技術研發和應用上有所突破。因此，在冬季低溫條件下生態凈化技術氮磷穩定去除是目前生態處理技術進一步發展和推廣應用的技術瓶頸。同時針對尾水生態處理技術，還缺乏在處理效果和經濟適用的約束條件下的處理單元優化的技術方法，以及相應于水質特點和處理規模，符合太湖流域污水處理

15、廠尾水特點的生態深度凈化和資源化利用的技術方案。課題組通過比選篩選出最佳可行適用的低污染水生態凈化技術和組合模式，并探索污水處理廠尾水生態處理的長效運行管理模式，以期實現太湖流域低污染水生態凈化技術的示范與推廣應用，提升太湖流域低污染水排放水質。2 人工濕地應用于低污染尾水生態凈化的途徑研究2.1 人工濕地優化組合研究 由于污水處理廠尾水中污染物數量多，成分復雜，尾水的處理技術具有不同的特點和適用范圍，用單一方法進行處理，無論從經濟上還是技術上都很難完全解決水污染問題，應結合當地實際情況研究前置庫、穩定塘、生態溝渠及表面流、水平潛流、垂直潛流人工濕地等處理單元優化布置，以期達到最佳處理效果，并

16、構建豐富多樣的景觀效果。表面流人工濕地一般利用天然河道或洼地改造而成，投資較少，適用于湖泊周邊河道的改造。其缺點是污染物去除效果有限，且冬季氣溫較低時水面結冰，引起去除效果大幅下降。在實際工程中很少單獨使用該技術4。而水平潛流具有衛生條件較好、占地較少、處理效好的優點，但除磷能力及對污水中氨氮的硝化能力不如垂直潛流人工濕地4。垂直流人工濕地硝化作用相對較強，是廢水凈化的可靠天然處理系統，但夏季衛生條件較差，造價較高。因此在設計中應合理選擇人工濕地種類并進行優化組合，且合理布置廢水進入方式以期達到最佳處理效果。22 濕地植物選擇及配置技術研究2.2.1 濕地植物的選擇植物是人工濕地的重要組成部分

17、，作為濕地的初級生產者，可以直接吸收氮、磷和重金屬等污染物質；光合作用產生的氧輸送到根際可增加根際的DO，改變根際氧化還原條件，增加根際微生物的活性；植物發達的根系還可提高人工濕地的滲透系數。對于人工濕地處理系統而言，選擇合適的水生植物很重要。選擇植物時考慮的因素主要包括以下幾個方面：(1）耐污能力強、去污效果好；（2）適合當地環境；(3)根系的發達程度；（4)有一定的經濟價值。2.2.2 濕地植物的配置不同水生植物的生活型、生長周期、生長條件不同，由其構成的凈化系統對水質改善的特征也不盡相同，因此人工濕地處理系統中水生植物的合理鑲嵌組合能夠提高系統的去除效率15，并發揮其最大凈化潛力。在植物

18、的配置方面，一是應考慮植物種類的多樣性，二是盡量采用本地植物。多種類植物的搭配，不僅在視覺效果上相互襯托，形成豐富而又錯落有致的效果，對水體污染物處理的功能也能夠互相補充，有利于實現生態系統的完全或半完全(配以必要的人工管理)的自我循環，從而使出水水質達到項目要求，同時保護濕地生態系統多樣性和景觀生態學效應。課題組依據太湖流域污水處理廠尾水的水質現狀，構建了更適于低污染尾水的挺水浮葉沉水植物系統，形成了水上水面水下立體式景觀效果，進一步削減有機污染物和氮磷等營養物質的濃度，從而達到深度凈化尾水的目的。2.2.3 濕地植物的栽種人工濕地可選擇一種或多種植物作為優勢種搭配栽種，增加植物的多樣性并具

19、有景觀效果。人工濕地植物種植的時間宜為春季。植物種植密度可根據植物種類與工程的要求調整，挺水植物的種植密度宜為 925株 /m2，浮水植物和沉水植物的種植密度均宜為 39 株/m2。 2.3 人工濕地強化技術研究 低污染尾水的低有機碳濃度影響反硝化脫氮及冬季時受氣溫影響除磷脫氮效率降低是制約生態凈化工程長效穩定運行的主要難題。課題組開發了人工濕地自碳源利用技術和人工濕地冬季保溫措施與運行技術來保障尾水生態凈化工程的長效運行。 2.3.1 人工濕地自碳源利用技術碳源作為反硝化過程的電子供體，是影響人工濕地反硝化過程的主要因素。人工濕地的反硝化碳源主要來自于進水，但是由于進水中的溶解性有機碳濃度很

20、低，并且大部分為難降解有機碳，因此需要考慮使用外加碳源提供反硝化電子供體。用于人工濕地反硝化碳源主要有污水、低分子碳水化合物和植物生物質等。植物生物質作為人工濕地反硝化碳源有其獨特的優勢，不僅價格低廉，來源充足，而且解決了濕地植物的處置問題，還不會增加系統的能耗和二氧化碳的排放量。水生植物是人工濕地重要組成部分，在厭氧條件下分解可釋放出單糖和其他營養元素，作為反硝化碳源。本項目開發了自碳源利用技術，利用水生植物厭氧發酵產生有機酸，然后投入到人工濕地中，進行反硝化脫氮。2.3.2 人工濕地冬季保溫措施與運行技術 人工濕地處理技術在冬季時受氣溫影響，除磷脫氮效率降低。表面流人工濕地在冬季表面易結冰

21、，系統處理效果受溫度影響較大；潛流人工濕地因污水在處理中被覆蓋起來，使污水因蒸發和流動造成的能量損失較小，從而對較小和短期溫度變化具有較強抗沖擊能力，但在寒冷地區對秋季進入冬季的極大氣候溫差變化階段凈化效果仍會較差。為保證人工濕地冬季運行的凈化效果，對于表面流濕地可選擇種植耐寒能力強的鳶尾、菹草等水生植物，提高冬季氮磷削減的能力；對于水平潛流和垂直流人工濕地，由于污水流入面積比較小，污水處理廠生化尾水具有一定的溫度，在冬天能保持在8-12 0C，可將熱阻力比較大的隔離物如水生植物鋪在人工濕地的頂部，減少污水向大氣的熱量損失，實現保溫的目的。2.4 人工濕地運行方式優化方案 人工濕地運行管理中，

22、可采取以下措施來保障工程的長效運行：（1）靈活調整水位和水力負荷。冬季前可提高水位，保持高水位運行，隨著氣溫的下降，再逐步降低水位，有助于形成絕熱的冰蓋層和空氣保溫層，保證生態凈化系統的正常運行；春季植物發芽階段，可提高水位進行淹水，防止雜草的生長，待植物在競爭中成為優勢種后，恢復正常水位；在植物栽植初期，稍加大水力負荷并保持輕度淹水，植物生長快，成活率高。 （2）定期、及時地收割植物。太湖流域地處長江中下游地區，尾水生態凈化工 程的植物收割應該一年一次，為每年 9-10月份。及時收割可以延長植物的生長周期，刺激二次萌芽，且保證植物安全越冬。（3）及時定期除草。有利于保持生態凈化工程的種植植物

23、最快生長速度，也有利于提高植物的存活率，從而給生態凈化工程帶來最佳績效。 （4）定期打撈植物殘體。有利于防止濕地堵塞，也有利于防止死亡植物的停留造成有機物增加，營養元素不能去除，形成二次污染。 （5）發現植物死亡情況時需要及時補種。確保濕地植物達到設計標準，從而保證污染物去除率和出水水質，使尾水生態凈化工程達到最佳效果。3示范項目工程設計太湖灣污水處理廠是位于太湖流域的一座中小規模污水處理廠，國家水體污染控制與治理科技重大專項太湖富營養化控制與治理技術及工程示范項目將其作為低污染水生態凈化技術的工程示范項目。3.1 工程概況常州武進區太湖灣污水處理廠設計規模為3萬m3/d，現污水處理量為0.7

24、5萬m3/d。主要采用A2/O工藝，現由上海同濟環保實業有限公司進行BOT運行。該污水處理廠以生活污水為主，出水排入雅浦河，最后排入竺山灣，出水水質達到城鎮污水處理廠污染物排放一級A標準。尾水生態凈化工程設計處理最大水量2000 m3 /d， 濕地處理總面積4000 m2。污水處理廠尾水出水口到雅浦河現有水頭為50-70cm。3.2設計進出水水質 (1)設計進水水質 進入生態凈化工程的尾水水質執行污水處理廠排放水一級A標準，主要指標包括pH 6-9，化學需氧量（CODcr）<50 mg/L，氨氮(NH3-N) < 5.0 mg/L，總磷(TP) < 0.5 mg/L，總氮(T

25、N) < 15 mg/L。 (2)設計出水水質尾水經生態凈化后，排入雅浦河，執行國家地表水標準（GB3838-2002）V類水標準，主要指標包括pH 6-9，化學需氧量（CODcr）< 40 mg/L，氨氮(NH3-N) < 2.0 mg/L，總磷(TP) < 0.4 mg/L，溶解氧(DO) > 2 mg/L，明顯改善受納河道的水質。 3.3 工藝流程及設計參數 工程采用的工藝流程如圖2所示：圖2 尾水凈化工藝流程圖工藝流程說明如下：（1)垂直流濕地垂直流濕地面積500 m2，1.5 m深。表面以漂浮植物為主，包括水鱉、圓幣草等。垂直流濕地水力負荷4 m3/m2

26、·d，硝態氮去除率60%，氨氮去除率25%，TP去除率30%。水生植物發酵罐40 m3,利用水生植物發酵罐產生的高濃度有機物作為碳源補碳，進行尾水的反硝化脫氮。（2)表面流濕地表面流濕地面積1300 m2，水深0.7-1.0 m。表面流濕地水體種植沉水植物，主要品種有狐尾藻、苦草、黑藻、馬來眼子菜、金魚藻等。表面流濕地水力負荷2.5 m3/m2·d。氨氮去除率20%，TP去除率10%。（3)水平潛流壩以挺水植物為主，包括再力花、鳶尾和水芹等。水平潛流壩面積110 m2，厚度1.0 m。水平潛流壩硝態氮去除率20-30% ，氨氮去除率30%，TP去除率20%。（4)生態溝渠生

27、態溝渠面積1300 m2，1.3 m深。以浮葉植物、挺水植物為主，包括睡蓮、水蔥、再力花、鳶尾、香蒲等。水力停留負荷 2.5 m3/m2·d。TN去除率15%，氨氮去除率20%，TP去除率10%。3.4 處理效果示范工程采用垂直流濕地、表面流濕地和潛流壩的工藝組合有效地實現脫氮除磷，出水氨氮低于 1mg/L, 總磷低于 0.1mg/L，總氮和總磷平均削減率大于30%。圖3 武進太湖彎污水處理廠尾水生態凈化工程4 小結以人工濕地、塘、生態溝渠組合工藝為主要的生態凈化技術，是對污水廠尾水進行深度處理的有效手段。針對太湖流域入湖低污染水的水質特點，構建了低污染水氮磷削減的生態凈化工程系統方案，并研究了冬季低溫條件下生態凈化技術氮磷穩定去除的長效運行對策。通過合理選擇人工濕地種類并進行優化組合，且合理布置廢水進入方式以及對濕地植物的選擇與配置來達到最佳凈化效果；通過人工濕地自碳源利用技術和人工濕地冬季保溫措施與運行技術來保障尾水生態凈化工程的長效運行。從示范工程應用情況來看，本項