土地處理系統(tǒng)處理尾水的可行性分析

土壤處理系統(tǒng)本質上是土壤微生物系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)。大多數(shù)污染物的去除主要發(fā)生在地表下30～50cm處具有良好結構的土層中。該層土壤由于處于非飽和帶,土壤顆粒間保持有一定的空隙,通氣性良好,其內生長著大量的細菌、真菌、霉菌、酵母、原生動物、后生動物甚至蚯蚓及植物等。污水中的污染物被土壤吸附,在土壤微生物的作用下被降解,土壤中的原生動物及后生動物又以微生物為食,植物的根系則吸收污水礦化而產(chǎn)生的氮、磷以供其生長所需的營養(yǎng)。植物的根系能為土壤微生物提供養(yǎng)分,土壤微生物反過來也促進了植物根系的發(fā)育,從而促進了植物的生長。其凈化過程十分復雜,綜合了物理、化學和生物等多種機理。目前很多國家采用土地處理法來處理城市污水,美國、俄羅斯、日本、澳大利亞、以色列和西歐等國長期以來一直十分重視地下土壤滲濾系統(tǒng)的研究和應用,許多技術及工程問題已得到解決。我國城市污水地下回灌技術研究起步較晚,在“六五”至“八五”期間,雖然也針對不同目的開展了一些實驗研究,建立了土地處理系統(tǒng),但也僅限于處理目的,尚未提到回用的高度。近年來,地下土壤滲濾法在我國已日益受到重視。中科院沈陽應用生態(tài)所“八五”、“九五”期間論證了在我國北方寒冷地區(qū)利用地下土壤滲濾法處理生活污水是可行的,并研究了其出水作為尾水回用的可行性。本文針對濟南市缺水狀況,綜合考慮了濟南水質凈化一廠的實際情況,探討了土地處理系統(tǒng)處理尾水的可行性。1污水來源及處理流程濟南市水質凈化一廠位于濟南市小清河以北蓋家溝,是國內首批利用奧地利政府貸款建設的現(xiàn)代化污水處理廠之一,也是山東省開展的最大的城市污水處理項目,設計日處理污水量為45萬m3,服務面積為108km2,分兩期建設。一期工程于1995年7月建成,1998年6月正式運行,日平均處理污水22萬m3。污水來自市區(qū)合流制下水道,在合流制下水道出口端設置污水截流泵站,污水通過截流泵提升后由專用污水管道送入污水處理廠。根據(jù)調查,污水中工業(yè)廢水占52%,生活污水占48%,其中未考慮初期雨水截流量。污水處理流程如圖1所示。污水處理部分的設計采用常規(guī)生物法去除工藝。污水進廠前設有總閘門一道,在總閘門前另有直接排放小清河的溢流管道。污水進廠后經(jīng)自動粗格柵進入集水池,在集水池內設有10臺潛水泵,污水提升后經(jīng)細格柵進入旋流沉砂池去除砂粒,再經(jīng)初沉池去除大部分懸浮固體,初沉出水經(jīng)廠內高架渠道進入曝氣池。曝氣池采用循環(huán)推流反應形式,其出水經(jīng)平流式二沉池分離后排入小清河。2土地處理系統(tǒng)可處理廢水的可行性2.1生物處理污水特點濟南水質凈化一廠傳統(tǒng)的尾水處理工藝流程如圖2所示。這種傳統(tǒng)的污水處理方法就是在水中加入石灰和混凝劑(如聚合硫酸鐵),有的還加入助凝劑(如聚丙烯酰胺),經(jīng)混凝沉淀后,再經(jīng)過澄清、加酸、殺菌和過濾,可去除污水中的暫時硬度、游離二氧化碳、膠體硅等雜質。但是該工藝占地面積大、復雜程度高、廠區(qū)衛(wèi)生條件不好、出水水質較差、自動化程度低,且工藝中涉及到的設備較多,設備調試非常費時。根據(jù)我國的實驗研究,生物處理是去除水中氨氮最有效的方法。而生物濾池或生物接觸氧化劑要保證氧氣充分,水與填料上生物膜有足夠的接觸時間,才能將氨氮去除80%左右(原水中氨氮0.5～5mg/L),CODMn去除15%～20%,同時還能不同程度地去除鐵、錳、色、嗅、濁度,全面地提高水質。由于有生物絮凝作用還可使原水中膠體的zeta電位降低,節(jié)約后續(xù)投加混凝劑(約1/4～1/3)。生物處理存在的問題是水的停留時間過長(1h)或過濾速度較低(6m/h),這致使構筑物體積大、基建投資較高,約100～120元/(m3/d)。這種方案在實行上耗費高,設備復雜。土地處理污水就是將污水投配到土壤亞表面具有一定構造的滲濾溝中,污水在滲濾溝內通過毛細浸潤作用經(jīng)具有良好擴散性能的特殊土壤緩慢地向周圍土壤浸潤、滲透和擴散,污染物則通過土壤、微生物及植物組成的穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的良好凈化作用得以降解。該處理法是一種淺型的土地處理技術。這種方法是一種集自然生態(tài)凈化與人工工藝于一體的小規(guī)模原位污水凈化技術。它源自古老的污灌,繼承并發(fā)展了污灌技術簡便、可資源化的優(yōu)點,對其存在的不足(如處理能力和處理效率低、易堵塞、對周圍環(huán)境造成危害等)則通過工程技術手段加以改進。該技術具有簡便、基建投資低(為傳統(tǒng)二級處理系統(tǒng)的1/3～1/2)、能耗少(一般不需運行費用或費用低)、凈化效率高、去除氮、磷有效和再生水可回用等特點。作為解決水污染和污水回用問題的一種有效的手段,它尤其適用于農(nóng)村和城市獨立社區(qū)的生活污水的處理。濟南水質凈化一廠,地面標高為23～24m,地層土壤構造為上層是50～70cm的填土,往下是大約7～8m的粉土(為主要成分),在地下9～10m處有1層粉細土,再往下就是粉質粘土。分析該地段土壤結構等,上層土壤適合植物生長,下層土壤滲透系數(shù)較小,能夠防止污水下滲,比較適用土地處理方法。2.2尾水回用的經(jīng)濟效益濟南水質凈化一廠出水經(jīng)土地處理系統(tǒng)處理后實現(xiàn)尾水回用,可以為使用者帶來顯著的經(jīng)濟效益。目前,濟南市用水到戶水價企事業(yè)單位為3.8元/m3,經(jīng)營服務業(yè)為5.4元/m3,旅游定點賓館飯店為4.75元/m3。隨著城市供水價格的不斷提高,尾水回用的經(jīng)濟效益越來越突出,已經(jīng)成為單位節(jié)約挖潛和降低成本的重要手段。如濟南機車車輛廠在1998年建成污水處理廠的基礎上,于2001年投資165萬元建設尾水回用工程,日平均回用尾水2300m3,高峰回用量達3000m3,主要用于冷卻、除塵、試壓等生產(chǎn)工藝,建筑工地、衛(wèi)生保潔、景觀綠化等用水,實現(xiàn)了污水零排放。按照現(xiàn)行水價計算,該企業(yè)尾水回用每年可節(jié)約水費近150萬元,1a多時間就可收回全部投資。尾水處理設施工程投資一般約為1500～2500元/m3,按照濟南市城市供水和污水處理(含污水管網(wǎng))工程投資現(xiàn)狀,每回用1m3的尾水,可節(jié)省城市給排水設施建設投資2000～3000元。如果到2010年,城市尾水回用量達到20萬m3/d,則可節(jié)省城市給排水設施建設投資4億元以上。2.3尾水回用量成本增5.5%研究表明,城市供水量的75%～80%轉化為污水,經(jīng)再生處理,污水的70%可回用于城市雜用(沖廁保潔、園林綠化、汽車沖洗、河道景觀、道路撒水等)和設備冷卻、工藝洗滌等工業(yè)用水,相當于城市供水量增加50%。據(jù)測算,到2010年,濟南市每年城市尾水回用量將達到5000～7000萬m3(15～20萬m3/d)。即每年可以節(jié)約5000～7000萬m3自來水,同時減少4000～5600萬m3污水排放量,這對于恢復泉水長年噴涌、保護城市水環(huán)境及實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。3處理后返回的可能性3.1機組水處理系統(tǒng)目前濟南水質凈化一廠實際運行中處理污水的能力達到11萬m3/d左右,黃臺電廠新改建的機組和原電廠機組最大補水量為8萬m3/d,取用水質凈化一廠的二級處理水用于汽輪機循環(huán)冷卻水,在水量上是可行并有保證的,能完全滿足電廠97%的用水保證率。3.2污水回用循環(huán)冷卻補充水含工業(yè)冷卻水設計污水廠出水執(zhí)行《污水綜合排放標準》GB8978-88中城市污水處理廠二級排放標準,水質指標如表1。根據(jù)GB50335-2002《污水再生利用工程設計規(guī)范》,可計算出處理后的污水回用于循環(huán)冷卻補充水(含工業(yè)冷卻水)的出水水質指標(見表2)。根據(jù)前人用土地處理方法試驗得出的各項指標的去除率和濟南水質凈化一廠的出水水質,可以計算出水中主要指標經(jīng)土地處理后的數(shù)值(見表3)。由上面數(shù)值我們可以看出,尾水經(jīng)土地處理系統(tǒng)后可以達到循環(huán)冷卻水水質要求,也就是說濟南水質一廠的出水經(jīng)土地處理后完全達到標準,能夠滿足黃臺電廠循環(huán)冷卻水水質要求,因此在水質上也是有保障的。4尾水處理的總成本4.1污水處理廠、黃臺電廠的地下水開采量利用黃臺火力發(fā)電廠所在的區(qū)域為濟南市東郊泉域,東郊泉域是濟南市3大泉域的重要組成部分。對濟南市地下水埋深檢測結果表明,濟南市3大泉域的地下水位呈現(xiàn)出西高東低的變化趨勢,即西郊泉域地下水位最高,市區(qū)泉域次之,東郊泉域最低。1982～1990年期間,西郊泉域地下水位平均比市區(qū)泉域高2.5m。1987年以來,市區(qū)泉域停止普利門、泉城路和飲虎池3個水廠地下水開采,地下水位下降趨勢減緩,基本上與西郊泉域齊平,并拉大了與東郊泉域地下水位的差值,到2001年和2002年,東郊泉域的地下水位比市區(qū)泉域地下水位低4～5m。為滿足工業(yè)生產(chǎn)和生活的需水要求而進行的地下水開采使地下水位越來越低,東郊泉域已經(jīng)成了3大泉域的排泄區(qū),其地下水開采量的增加會導致市區(qū)泉域的地下水位進一步下降,由于地下水的超量開采,到目前為止東郊泉域已有32a巖溶水超采,累計超采量約為2.6億m3,已經(jīng)形成面積近300km2的巖溶地下水降落漏斗區(qū),因此東郊區(qū)的地下水降落已經(jīng)形成嚴重的生態(tài)環(huán)境問題。污水處理廠達標排放的尾水經(jīng)深度處理后可以滿足循環(huán)冷卻水的補水要求。黃臺電廠為減少地下水的開采量,保護東郊泉域,取用濟南市水質凈化一廠的二級出水8萬m3/d,用于新改建機組和電廠原7、8號機組的循環(huán)補充水,可以使處理的污水得到二次利用,提高了水的重復利用率,節(jié)約了天然水資源和市政供水,有效防止了東郊區(qū)地下水位進一步下降,解決了濟南市污水處理廠城市污水二級處理水的出路問題,實現(xiàn)了資源綜合利用。這將大大緩解濟南市水資源緊缺的現(xiàn)狀及帶動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,同時為濟南市保泉節(jié)水做出貢獻,符合當?shù)厮Y源開發(fā)利用的政策。4.2污水處理廠正常運行根據(jù)《水污染防治法》,任何單位向水體排放污染物,除了要登記上報外還須按國家規(guī)定交納排污費,工業(yè)企業(yè)排水要求達標排放,城市污水應當集中處理,興建污水處理廠,各單位繳納的排污費主要用于污水處理廠的正常運行。但是,目前大部分城市處理費標準偏低,企業(yè)欠交拒交的現(xiàn)象嚴重,有些地區(qū)交費率不足10%,影響了污水處理廠的正常運行。濟南市向企事業(yè)單位收取的排污費僅0.45元/m3,濟南市水質凈化一廠處理污水單方成本已經(jīng)超過0.6元/m3,若從市場經(jīng)濟規(guī)律考慮,污水處理廠為虧本運行,每年需要政府補助才能維持其正常運行。水質凈化一廠處理達標排放的尾水直接排入小清河,沒有其他用水戶取用,沒有任何經(jīng)濟效益,尾水在經(jīng)深度處理后回用于黃臺電廠,不僅使有限的水資源得到充分利用,而且為污水處理廠注入了活力,增加了經(jīng)濟效益,有利于其正常運行。4.3小清河水質污染小清河干流系人工開挖而成,全長233km,流域面積1.05萬km2,原為一條排水、航運、灌溉、防洪等多功能河道,但由于幾十年來,大量廢污水的排放,河道淤積嚴重,變成了一條納污排污無人使用的河道,現(xiàn)在處理后的尾水排入小清河,造成水資源的浪費。經(jīng)處理后,水中COD和BOD5的含量還是不能滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、市政等用水,灌溉季節(jié)水質質量較差,實測資料顯示小清河水質一般為超Ⅴ類,不能滿足灌溉用水水質要求,小清河的功能退化為排水排污和防洪兩項功能。小清河濟南段污染主要來自濟南市工業(yè)廢水和生活污水,僅經(jīng)6大排污系統(tǒng)進入小清河的污水就達56～57萬t/d。山東省環(huán)境保護科學研究設計院于2002年3月完成的《小清河綜合整治后水質功能保護技術及對策研究》的有關資料顯示,1998年小清河流域排放廢污水總量為37821.9萬t,流域廢水入河總量為28427.9萬t,其中濟南市廢水入河量為15405.85萬t。黃臺電廠擴建工程需增加用水量3.74萬m3/d,年增需水量870萬m3。這部分水量由濟南市水質凈化一廠處理達標排放的尾水供給,取用量為現(xiàn)狀處理量的21.7%,為濟南市廢水入河量的5.6%,雖然量值不算很大,還是會對小清河的水質改善產(chǎn)生一定的影響。5污水回用的優(yōu)點(1)濟南的水資源短缺問題已經(jīng)成為工農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的嚴重問題,而污水處理后回用正是解決水資源短缺的有效途徑。(2)土地處理系統(tǒng)充分利用了土壤—植物—微生物系統(tǒng)的凈化能力,既可去除水中有機污染物,又可去除造成水體富營養(yǎng)化的氮、磷等污染物。它不僅具有建設費低、運行費低、操作簡單和凈化效率高等優(yōu)點,同時由于該系統(tǒng)主要構筑物處于地表下,故還具有不產(chǎn)生臭味和不影響地表景觀的特點。(3)結合濟南的實際情況,將此項技術應用于濟南水質凈化一廠,不僅節(jié)約了當?shù)氐乃Y源,而且與綠地建設結合起來,在有效處理污水的同時還可取得美化與改善環(huán)境的綜合效果。濟南水質凈化一