建立城鎮(zhèn)水體污染治理工程成果轉(zhuǎn)化市場(chǎng)化
運(yùn)行機(jī)制，搭建產(chǎn)業(yè)科研間橋梁
WATER POLLUTION CONTROL TECHNOLOGY MAJOR PROJECT
行業(yè)交流
BOUNCE
2015年4月，國務(wù)院正式發(fā)布的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》即“水十條”中明確提出了治理目標(biāo),，截至2017年前消滅劣Ⅴ類水體,。“水十條”的重要目標(biāo)就是治理劣Ⅴ類水,，通過提高污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn),，達(dá)到治理目的。國家環(huán)保部2015年發(fā)布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(征求意見稿)中新標(biāo)準(zhǔn)排放限值總體與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅳ類水質(zhì)要求相當(dāng)(TN除外),，可以滿足生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠排放控制的需求(NH3-N,、TN、糞大腸菌群數(shù)除外),。
浙江省于2013 年提出“五水共治” “治污先行”等重要決策,，并取得了明顯的成效，2016年全省221個(gè)地表水省控監(jiān)測(cè)斷面中,，劣Ⅴ類水質(zhì)斷面占比由2013年的12.20%降至2.70%,，并提出于2017年底全省徹底消滅劣Ⅴ類水?dāng)嗝妗Ｈ欢鴱木唧w技術(shù)指標(biāo)看,，即使城鎮(zhèn)污水處理廠全部執(zhí)行一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn),，排出的水質(zhì)依然為劣Ⅴ類，如果沒有更高的污水排放標(biāo)準(zhǔn),，則難以實(shí)現(xiàn)消滅劣Ⅴ類水體的目標(biāo),。同時(shí)污水廠一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)中氮,、磷含量依然偏高，如果直接補(bǔ)充河道,、湖泊,、城市景觀用水時(shí)，會(huì)產(chǎn)生水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn),。因此,，后續(xù)在達(dá)到一級(jí) A標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，城鎮(zhèn)污水處理廠需要進(jìn)行提標(biāo)處理,。
NO.1
浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)現(xiàn)狀研究
目前,，浙江省已建成各類規(guī)模城鎮(zhèn)污水處理廠296座，污水處理能力達(dá)到1 224.55×104m3/d,。浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠排放的污水量約占全省總污水量的60%,，是浙江省水體污染物減排與水環(huán)境質(zhì)量改善的重點(diǎn),。根據(jù)《浙江省水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的目標(biāo)要求在2017年底前,，所有城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，而截至2016年底數(shù)據(jù)顯示,，在已建成的城鎮(zhèn)污水處理廠中,，出水執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的有243座，占總數(shù)的82%,。浙江省城鎮(zhèn)污水處理廠的主要處理工藝為“厭氧-缺氧-好氧”的污水處理工藝(A2/O),、序批式活性污泥法(SBR)、循環(huán)式活性污泥法(CAST),、氧化溝等(見圖1),。
而現(xiàn)階段針對(duì)不同工藝和運(yùn)行狀況的城鎮(zhèn)污水處理廠提標(biāo)的主要技術(shù)有Fenton催化氧化、碳源投加,、短程硝化反硝化,、厭氧氨氧化、同步硝化反硝化技術(shù),、反硝化除磷技術(shù),、好氧顆粒污泥、膜生物反應(yīng)器,、反硝化濾池,、人工濕地等。
由于浙江省內(nèi)水環(huán)境質(zhì)量要求日趨嚴(yán)格,，各地基于自身現(xiàn)狀條件對(duì)污水處理廠排放限值提出了更高的要求,，目前已制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的包含金華、臺(tái)州,、衢州等地,。為提高治污績(jī)效,，金華市在市區(qū)污水處理廠實(shí)行嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)、低于地表水Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠排放“金華標(biāo)準(zhǔn)”,，要求氨氮排放濃度≤1mg/L,、總磷≤0.35mg/L;“衢州標(biāo)準(zhǔn)”與“淳安標(biāo)準(zhǔn)”明確了出水水質(zhì)除總氮外，其他污水排放指標(biāo)基本達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)Ⅳ類水質(zhì);而臺(tái)州市路橋污水處理廠“準(zhǔn)Ⅳ類”提標(biāo)工程是基于一級(jí)A提標(biāo)的基礎(chǔ)上的再次提標(biāo),，率先在全省實(shí)現(xiàn)出水達(dá)到“準(zhǔn)Ⅳ類”標(biāo)準(zhǔn),。
NO.2
污水處理廠尾水人工濕地技術(shù)提標(biāo)研究
與常規(guī)尾水提標(biāo)工藝相比，人工濕地由于具有污水凈化和景觀營造的雙重作用,，且建造運(yùn)行成本較低,、維護(hù)管理相對(duì)簡(jiǎn)便，在城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理中受到了較為廣泛的關(guān)注,，比較適宜作為城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理的技術(shù),，將出水標(biāo)準(zhǔn)由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)的一級(jí)B或一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)提升至《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)的Ⅴ類及以上標(biāo)準(zhǔn)，消滅劣Ⅴ類水體,。
2.1 浙江省應(yīng)用案例調(diào)研
2010年關(guān)于我國人工濕地工程情況的系統(tǒng)性研究結(jié)果顯示：人工濕地工程已在我國30%以上的地區(qū)得到應(yīng)用,，建設(shè)區(qū)域較廣泛，其處理規(guī)模多為1000~20000m3/d,，其中處理規(guī)模小于5000m3/d的工程數(shù)量占調(diào)查總數(shù)的62.50%,，處理規(guī)模為10000~1000000m3/d的工程總量所占比例為28.70%。
目前,，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地提標(biāo)處理在浙江省已經(jīng)有了應(yīng)用,，主要集中在金華、杭州,、嘉興等地區(qū),。比較典型的有浦江第一、第二和第四污水處理廠,，義烏,、東陽、臨安城市污水處理廠以及海寧尖山污水處理廠,。
所調(diào)研縣(市)城鎮(zhèn)污水處理廠尾水深度處理人工濕地工程的綜合分析見表1,。從表1可知，采用人工濕地技術(shù)對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠尾水進(jìn)行深度處理的項(xiàng)目中,，臨安城鎮(zhèn)污水處理廠出水標(biāo)準(zhǔn)由《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B提升至一級(jí)A,，其他均為從《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級(jí)A至地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類。
所調(diào)研案例中,，僅有臨安污水處理廠的人工濕地處理系統(tǒng)已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,，其他縣市均處于調(diào)試及試運(yùn)行階段。根據(jù)各地市測(cè)試數(shù)據(jù)(部分污水廠沒有測(cè)TN指標(biāo))，所調(diào)研城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地深度處理效果良好(見表2),。
2.2應(yīng)用制約因素研究
2.2.1溫度的影響
一般來說,，人工濕地對(duì)COD有較高的去除率，大多數(shù)濕地系統(tǒng)的去除率為80%~90%,，COD的去除率與各種微生物數(shù)量有明顯的相關(guān)性;人工濕地的脫氮主要靠微生物的硝化,、反硝化作用來實(shí)現(xiàn);人工濕地系統(tǒng)對(duì)磷的去除途徑最主要是基質(zhì)對(duì)磷的吸附沉淀作用，植物吸收對(duì)有機(jī)磷的去除效率影響不大,。
但值得注意的是,，溫度對(duì)人工濕地處理效率的影響比較顯著。大量的研究結(jié)果表明,，硝化反應(yīng)的最適溫度為25~30℃,，當(dāng)溫度<15℃時(shí)，硝化細(xì)菌的硝化速率明顯下降,，活性也大幅度下降;Crites等研究發(fā)現(xiàn),，在10℃時(shí)硝化速率比較穩(wěn)定，低于此溫度,，濕地處理效率明顯下降;在溫度<5℃時(shí)硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)幾乎停止,，低溫會(huì)抑制硝化細(xì)菌的最大比生長(zhǎng)速率。反硝化反應(yīng)的最適溫度為20~40℃,，當(dāng)溫度<15℃時(shí),，反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖和代謝速率都明顯下降,，溫度為8℃時(shí)的反硝化速率還不到溫度為30℃時(shí)的1/7,，低溫會(huì)影響反硝化菌活性，進(jìn)而影響反硝化菌的脫氮效果,。Brodrick等研究發(fā)現(xiàn)反硝化速率在5℃左右時(shí)非常低,，很大程度上限制了濕地脫氮作用的發(fā)揮。低溫還會(huì)影響微生物的生理特性,，主要是對(duì)微生物的細(xì)胞膜及其攝取養(yǎng)分,、代謝、蛋白質(zhì)的合成,、細(xì)胞分裂和RNA合成造成影響,。針對(duì)此問題，國內(nèi)外學(xué)者做了一系列研究,。Wallace等提出在亞寒帶地區(qū)冬季,，進(jìn)行適當(dāng)?shù)母綦x設(shè)計(jì)，研究表明不同覆蓋物對(duì)系統(tǒng)處理性能有很大影響,。周鍵等研究了序批式人工濕地低溫脫氮效能的試驗(yàn)表明,，在冬季低溫下序批式濕地運(yùn)行工況良好，出水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn);劉學(xué)燕等將人工濕地進(jìn)行改造,，使其具有防凍,，高氧傳送功能,，此系統(tǒng)在溫度<4℃時(shí)硝化反應(yīng)也能進(jìn)行。但以上研究均為實(shí)驗(yàn)室短期試驗(yàn),，并不能保證整個(gè)冬季的長(zhǎng)期運(yùn)行,。因此，采用人工濕地技術(shù),，需要考慮季相變非植物生長(zhǎng)季節(jié)系統(tǒng)處理效率降低的問題,。
2.2.2 基質(zhì)堵塞的影響
長(zhǎng)期運(yùn)行的人工濕地會(huì)受到有機(jī)物積累、懸浮顆粒物沉積,、淤堵層在水流作用下的機(jī)械壓縮以及細(xì)小顆粒物隨水遷移等作用導(dǎo)致基質(zhì)的堵塞,，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。堵塞物質(zhì)在濕地表層和上層大量累積,，不僅對(duì)濕地水力停留時(shí)間有極大的影響,，還會(huì)導(dǎo)致濕地出現(xiàn)表面流、短流等問題,，從而影響濕地對(duì)于污水的處理效果,，導(dǎo)致出水水質(zhì)惡化。Knowles等研究了25個(gè)水平潛流人工濕地,，這些濕地內(nèi)的基質(zhì)直徑在6~11mm之間,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大粒徑的基質(zhì)并沒有影響濕地的處理效果。通過增加填料的粒徑,，可逐漸提高濕地的壽命,。除了粒徑的大小之外，基質(zhì)的粒度和形狀同樣會(huì)影響濕地的滲透系數(shù),。填料棱角的存在會(huì)增加生物膜的附著面,，減小濕地的孔隙率，加劇濕地的堵塞,。Morales等研究了填料不同的排列方式對(duì)濕地堵塞的影響,，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過合理的排列，可以增加濕地的自然曝氣,，從而延緩濕地的堵塞,。人工濕地的堵塞是一個(gè)復(fù)雜的過程，為了深入探討堵塞的機(jī)理,，有必要對(duì)其進(jìn)行分類研究,。前人考慮了生物膜堵塞和有機(jī)顆粒堵塞，并將其分開進(jìn)行了對(duì)比研究,，但實(shí)際情況要更加復(fù)雜,，除這些之外，還存在無機(jī)顆粒的堵塞，以及這些堵塞相互作用的情況存在,，目前還缺乏對(duì)這些問題的詳細(xì)研究,。
2.2.3 運(yùn)行維護(hù)管理的影響
雖然與傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)和工藝相比，人工濕地的運(yùn)行管理更簡(jiǎn)單,，但不能因此忽視運(yùn)行管理的重要性,。人工濕地存在堵塞、基質(zhì)表面板結(jié),、低溫運(yùn)行效率低,、布水不均勻、植物病蟲害以及植物需定期收割等問題,，如果不進(jìn)行科學(xué)的運(yùn)行管理,，會(huì)使人工濕地系統(tǒng)功能得不到發(fā)揮，容易造成污染物去除效率降低,、使用壽命減少等問題,，使得建成的人工濕地最終荒廢，大大縮短工程使用年限,。
NO.3
污水處理廠尾水深度提標(biāo)可行性研究
3.1 污水處理廠尾水人工濕地處理提標(biāo)效果
對(duì)于人工濕地技術(shù)的去除率沒有準(zhǔn)確定論,，這與人工濕地類型、結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì),、植物選取,、處理的水質(zhì)和水量等多種因素有關(guān)。因此,，對(duì)于城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地技術(shù)的去除率,，并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只能通過研究人員的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及相似工程案例類比分析,。
《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ2005—2010)中對(duì)人工濕地技術(shù)污染物去除率從綜合的角度進(jìn)行了寬泛的界定(具體數(shù)值詳見表3),，其中潛流式人工濕地，尤其是垂直流人工濕地具有更好的水質(zhì)凈化效果,。
不同類型人工濕地將城鎮(zhèn)污水處理廠尾水從一級(jí)A提升至地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的情況(采用表流式+潛流式組合方式，取下限值)如表4所示,。通過對(duì)比可知,，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水采用人工濕地處理技術(shù)提標(biāo)，如果濕地類型或不同類型的組合選擇適當(dāng),，且面積設(shè)置合理,，深度處理后的出水理論上基本可以滿足“準(zhǔn)Ⅳ類”標(biāo)準(zhǔn)(不考慮總氮指標(biāo))。
3.2 人工濕地處理水量與人工濕地面積關(guān)系
圖2是人工濕地處理水量與濕地面積經(jīng)單因素方差分析后的相關(guān)性擬合圖,。由圖2中擬合曲線可知,，隨著濕地處理水量的增加，濕地面積也基本成曲線增長(zhǎng)(R2=0.5527)。不過線性擬合數(shù)據(jù)由于樣本量過少,，不具有代表性,，僅能解釋目前樣本容量下兩者間的大概關(guān)系與相關(guān)趨勢(shì)。污水深度處理提標(biāo)若采用人工濕地工藝,，按純生活污水處理廠及工業(yè)廢水占比0~50%的污水處理廠提標(biāo)需求計(jì)計(jì),，需新增的土地約為40畝/104m3水，而目前浙江省的大部分城鎮(zhèn)污水處理廠在建設(shè)時(shí)未考慮深度提標(biāo)的土地預(yù)留,，深度處理水質(zhì)提標(biāo)如采用人工濕地技術(shù),，土地局限性明顯，不利于提標(biāo),。
3.3 人工濕地處理水量與人工濕地投資關(guān)系
我國已建成的部分人工濕地工程(處理各種廢水)占地指標(biāo)區(qū)間在0.003~0.045畝/(m3·d-1)之間,，而調(diào)研中浙江省的人工濕地占地指標(biāo)區(qū)間偏小，為0.002~0.006畝/(m3·d-1),。有資料顯示,，采用人工濕地技術(shù)(以潛流式人工濕地為例)將城鎮(zhèn)污水處理廠尾水水質(zhì)從《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)提升到地表水Ⅴ類~Ⅲ類，所需要的占地面積為0.0015~0.007 5畝/(m3·d-1),，如城鎮(zhèn)污水處理廠尾水要達(dá)到或接近地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅳ類水質(zhì),，所需占地指標(biāo)估算為0.0045畝/(m3·d-1)。一般來說,，同種工藝參數(shù)前提下(如水力負(fù)荷),，處理水量的增加會(huì)導(dǎo)致占地面積的增大，面積的增大又會(huì)造成投資的增加,。人工濕地處理水量與投資的關(guān)系見圖3,。根據(jù)所調(diào)研的案例數(shù)據(jù)分析可知，隨著人工濕地處理水量的增加,，人工濕地的投資呈曲線增長(zhǎng),，即人工濕地投資與進(jìn)水量的變化成正相關(guān)(R2=0.9927)。理論上采用人工濕地技術(shù)可以達(dá)到“準(zhǔn)Ⅳ類”標(biāo)準(zhǔn)(TN除外),，但投資巨大,，應(yīng)根據(jù)提標(biāo)需求進(jìn)行深入論證。
NO.4
結(jié)語
①采用人工濕地處理達(dá)到一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)的城鎮(zhèn)污水處理廠尾水,，如果濕地類型或不同種類的濕地組合選擇適當(dāng),，同時(shí)面積設(shè)置合理，深度處理后的出水水質(zhì)基本可以滿足地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅳ類水,。
②隨著人工濕地處理水量的增加,，所需濕地面積呈曲線增長(zhǎng)，人工濕地面積與進(jìn)水量的變化成正比;隨著人工濕地處理水量的增加,，人工濕地的投資呈曲線增長(zhǎng),，即人工濕地投資與進(jìn)水量的變化成正相關(guān)(R2=0.9927),。
③城鎮(zhèn)污水處理廠尾水人工濕地深度處理提標(biāo)工程應(yīng)該綜合考慮尾水處理達(dá)標(biāo)與否、占地面積及場(chǎng)地選擇是否合理,、投資及運(yùn)行管理成本,、季節(jié)影響等多種因素，應(yīng)因地制宜,，針對(duì)性地組織專家進(jìn)行可研及后續(xù)設(shè)計(jì)論證,。
④建議不要盲目跟“高標(biāo)準(zhǔn)”風(fēng)，一定要結(jié)合當(dāng)?shù)丶夹g(shù),、經(jīng)濟(jì),、水環(huán)境等綜合考慮，既要推進(jìn)提標(biāo)改造項(xiàng)目,，又要做到錢花到刀刃上;鼓勵(lì)一些工業(yè)廢水占比小,、處于環(huán)境敏感區(qū)域上游、具備用地條件的城鎮(zhèn)污水處理廠開展尾水人工濕地技術(shù)處理,。