高速公路中南部服务区污水处理工艺优化设计黄小云

2009年第28卷增刊化工进展CHEMICALINDUSTRYANDENGINEE田NGPROGRESS高速公路中南部服务区污水处理工艺优化设计黄小云’,周惠德’,刘霖`,赵艳红2(’江西铜业德兴铜矿,德兴334224;2武汉清澄环保科技工程有限公司,湖北武汉430080)摘要:针对高速公路中南部服务区生活污水经过传统刀。法处理后,出水中c0D、BODS、N、P、石油类和粪大肠菌群等指标仍不能稳定达标等诸多问题,本文提出一种新的工艺,即采用习O法和人工湿地相结合的技术,对经过前处理(刀0法)后的出水采用人工湿地深度处理技术,进一步降解污水中的各种有机物,提高出水水质。此法由二工艺组成,相得益彰,可以保证寒冷冬季出水水质达标,而且可以保证长时间的稳定畅通运行。关键词:刀O法;人工湿地;污水处理;维护简易2007年底中国高速公路达5.36万千米,且每年以20%以上的速度快速发展巧年以上,其服务区污水治理不能不引起重视。服务区内生活污水污染已经严重影响到了农业生产和居民生活、引发了越来越多的群体事件、水污染已经到了非治不可的地步。其危害一是污染水质;二是传播疾病;三是影响城郊景观,与社会主义城市和新农村建设相形见拙。因此研究高速公路服务区污水处理的工艺是有现实意义的。据调查,高速公路中南部服务区已经建设好的污水处理站普遍采用水解+厌氧+生物接触氧化工艺,此工艺虽然建设成本较低,但出水中CoD、BODS、N、P、石油类和粪大肠菌群等指标不理想,很难达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918一2002)的一级A标准,不能够直接排入地表,因此需对此工艺进行革新。针对高速公路中南部服务区生活污水处理特征(①刀0工艺且出水不达标;②水量少;③水质水量变化大;④供水不方便;⑤地埋式;⑥土地资源丰富;⑦当地气候适宜),结合各种工艺特点及实用条件,选择低投资、低能耗、低处理成本、便于维护的人工湿地方法,提高出水水质,这样出水可直接排入河流,进行农田灌溉,或者直接进行中水回用,实现环境、经济、社会效益最大化。1人工湿地类型及特点人工湿地污水处理技术是20世纪七八十年代发展起来的一种污水生态处理技术,一般由人工基质和生长在其上的水生植物(如芦苇、香蒲等)组成,是一个独特的土壤(基质)一植物一微生物生态系统。当污水通过系统时,其中污染物质和营养物质被系统吸收、转化或分解,从而使水质得到净化〔`一。现有人工湿地分类及特点见表h由表1可知,人工湿地各分类及特点,结合高速公路现场特点,选择两组复合垂直流人工湿地并联,此方法不仅污染负荷高,与常规生活污水处理系统相比同时具有明显的优势。①低投资、低能耗、低处理成本:主要材料如碎石、砂砾、煤渣、土壤等均可就近获得;处理系表1人工湿地分类及特点人工湿地分类特点表面流型水平潜流型垂直流型组合式水面在固体介质表面以上,水力负荷一般较低,达到同等处理效果的条件下,其占地面积要比潜流型大,更不利的是易受季节影响,冬季会结冰,夏季有恶臭、蚊蝇滋生等问题水面在填料表面以下,较表面流型水力负荷和污染负荷大,对BODS、CODcr、55、重金属等污染指标的去除效果较好,且很少有恶臭和孽生蚊蝇现象单向垂直流型:普遍采用下行垂直流型,间歇运行,硝化能力高于水平潜流型,用于处理氨氮含量较高的污水复合垂直流型:由两个底部相连的池体组成,污水从一个池体垂直向下(或向上)流入另一个池体中后垂直向上(或向下)流出,连续运行,较高的污染负荷分为并联式、串联式、混合式化工进展2009年第28卷统依地势而建,污水可自流进入,无需额外动力;其建设成本和运营成本约为传统污水处理厂成本的10%一20%[l]。②对污染物处理的多样性:不同的基质能对不同的污染物质进行处理,多种基质的组合能对多种污染物进行处理;不同的植物对污染物质的处理具有一定的针对性,多种植物的组合能去除多种污染物。③处理污水的高效性:人工湿地对氮的去除率可达60%,对磷的去除率可达90%以上,对农药类、细菌总数等去除率在90%以上。④具有独特的绿化环境功能:人工湿地同自然湿地一样,由于栽种有大量的水生植物,所以对环境起到了绿化的功能,成规模的人工湿地不但可增加绿地面积,还能为人们提供一个优美的新型的生态景观。进水下行池上行池二二二二””{’{{{{{{{{{{{{{{{{{{{填填砂层层寸一「了才jjj填填填砂层层,,=====斌〕出水卵石层图2复合垂直流人工湿地示意图3设计实例以湖北省高速公路某服务区污水处理为例,以污水量为360吨旧设计复合垂直人工湿地。.31水质指标(见表2)表2湖北省高速公路某服务区生活污水水质指标进水水质mg/·L一1出水水质m/gL一1ōōō溯绷邻2A/O十人工湿地系统工艺流程刀O十人工湿地系统是对经过前处理(刀O)后的出水采用人工湿地深度处理技术,进一步降解污水中的各种有机物,提高出水水质。此法相得益彰,可以保证寒冷冬季出水水质达标,也可以保证长时间的稳定畅通运行。具体工艺流程见图l(a)、图l(b)。CODSSBODSNH3一NTNTP石油类动植物油粪大肠菌群数毛50(10成10簇5(8)毛15石1夏l共1簇1000(个/升)其它污水隔隔渣池池池隔油池池化化粪池.....生化池池··污泥池池注:污水排放必须达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》厕所污水(GB18918一2002)一级A标准。夕川卜图la()刀O前处理工艺流程图前处理出水标外排图1(b)人工湿地处理工艺流程图生活污水经过传统的生物膜法,即经过水解酸化池、接触氧化池、二沉池后,去除大部分的污染物,降低其污染负荷,接着进入湿地系统进行深度处理,然后进入好氧塘,最终达标排放。湿地系统由两组并联的复合垂直流人工湿地组成。每组由一级湿地系统(下行池)和二级湿地系统(上行池)串联而成,示意图见图2。.32工程设计3.2.1配水井设计配水井的主要作用是对前处理出水水质及水量进行重新调节与分配。本次设计配水井停留时间为4h,按平均日流量矛360m3d/设计,配水井有效容积S为60m3,配水井的尺寸:长x宽、高二.75mx4mx2.3m(0.3m超高)。3..22复合垂直流人工湿地(l)湿地单元尺寸设计设计过高的表面负荷,虽然可以节约湿地面积,但污染物不能得到有效净化;过低的表面负荷,增大了湿地面积,浪费土地资源,同时提高了湿地的建设费用。故设计适宜的表面水力负荷,既可以减少投资费用,又可以使生活污水得到有效的处理。根据国内外关于人工湿地建设的经验和设计单位对人工湿地的多年研究,本次人工湿地的表面水力负增刊黄小云等:高速公路中南部服务区污水处理工艺优化设计荷q=18c而d。则人工湿地总表面积A总二2000mZ,其中每组湿地面积A组二1000扩,下行池和上行池面积各为A单元=500扩。垂直流湿地不宜采用过大的长宽比L/砰,否则难以保证布水均匀,一般要求单池的长宽比小于2:1。本次设计的四个湿地单元总体为长方形形状,每单元长L单元=25m,牙耘=20m。同时考虑超高.03m。(2)水力停留时间计算本次设计湿地高度月三1.lm,则人工湿地的总体积v总为2200m3,填料的平均空隙率为48%,则人工湿地总有效体积尸总为1056m3。故人工湿地总的停留时间HRT总为.29天。其中每组湿地水力停留时间HRT组为.29天,每单元水力停留时间HRT单元为1.45天。(3)布水系统(见图3)进水系统采用垂直布水的方式,对并联运行的系统设置配水井,进水通过流量分配计(从中引出2根布水总管),分别进入两组一级湿地,从中引出数根布水支管进行均匀布水。总管进水端用直径为2rnn。的耐腐蚀金属网包裹,以防粗大颗粒物进入管道。布水支管距离湿地表面一定高度处布设。采用钢制多孔管作为布水系统。具体做法是:在布水管上开取一定数量和大小的小孔,孔口向下。具体开孔计算可以参照农业灌溉设备及计算手册或结合现场试验确定参数。同时考虑设置溢流装置。垂直流湿地底面坡度主要是为了满足系统排空的需要,同时由于系统出水收集系统集中在底面,因此需要一定的坡度,以便积水向收集管方向运动,同时加大湿地收集管内水的流速,避免水中颗粒物淤积管道,导致管道堵塞。同时坡度也不宜过大,本次设计取坡度=i(仪5%~1%)。(6)湿地防渗与防洪沟渠为防止地下水受到污染或防止地下水反渗湿地,系统需要考虑防渗。本次设计采用豁土回填、机械夯实方式改造湿地基础,进行防渗。为保证湿地的正常运行以及避免雨水对湿地造成影响,整个系统周围应该设置沟渠,以利于雨水的引导。沟渠设置以当地降雨量以及底面坡度为依据。(7)基质设置(见图4)人工湿地中的基质又称填料、滤料,一般由土壤、细砂、粗砂、砾石、碎瓦片、粉煤灰、煤渣、泥炭、页岩、铝矾土、膨润土、沸石、陶粒等介质的一种或几种所构成51[。在常用的填料中,沸石、陶粒对氮的吸附能力极强。以脱氮为目的的湿地最好能选择沸石、陶粒为填料。陶粒由于有很大的吸附表面和发达的微孔和内孔结构,特别适合于微生物的生长,并可以提供物理化学吸附的场所,是除氮的理想填料6[]。磷的去除主要依靠物理化学吸附,矿渣、粉煤灰、蛙石净化磷素污染效果最好。基于上述原因本次设计初步选择采用一定粒径的人工湿地基质:一级湿地为建筑碎石、沸石、陶粒、石灰石等;二级湿地为鹅卵石、碎石、砂等。一级湿地由下至上依次填充建筑碎石、沸石、陶粒、石灰石。二级湿地为底层为卵石,其上为碎石和砂。基质施用前需进行清洗,以去除堵塞孔隙的细小颗粒物,以免影响湿地的正常运行。图3布水方式示意图(4)集水系统出水穿孔支管处于距离湿地表面一定高度,在施工时极易被碎石和石屑堵塞,因此需对砾石进行冲洗、分级和压实。穿孔管周围采用粒径较大的砾石。支管与排水渠相通,最后以跌水的形式排入氧化塘。排水渠底部设置放空管道,以便进行系统的检修维护。同时考虑暴雨的影响,增加的径流会对出水系统造成影响,因此必须考虑设置排洪措施,建设排洪沟渠或雨水溢流口。(5)湿地底面坡度确定图4一级湿地基质布置示意图(8)植物选择一般湿地植物选择应遵循以下的基本原则:去污能力强、根系发达、生物量较大、抗病虫害能力强、景观效果佳且有一定的经济价值。根据以上原化工进展2009年第28卷则从常用的湿地植物中筛选到了以下5种种植效果比较好的湿地植物:芦苇、美人蕉、葛蒲、灯心草、旱伞草。栽种方法视植物而定,一般每平方米8~10穴,每穴栽2~3株。亦可用行距10cm,株距巧cm控制。由于两池的理化环境不同,下行池水流冲击较大,水中营养物浓度较高,水流渗入基质中,基质含水量迅速下降;上行池水流较缓,水质较好。水流被基质表面收集过程中,基质处于淹水状态。因此,下行池以生物量大的湿生植物为主,上行池种植较耐水淹的植物。(9)人工湿地的主要管理和维护措施随着湿地的运行,部分营养物质会逐渐积累,湿地中的微生物相应的繁殖,如果维护不当,很容易产生淤积、堵塞现象;随着污水处理过程的不断进行,基质吸附能力不断饱和,也会影响湿地的处理效果。因此,有关湿地的管理和维护显得尤为重要。①清理系统人工湿地表面枯枝落叶有助于改善系统的渗透性。系统运转l年以后,植物滤池表面有许多植物落叶,因而每年对池内的植物修剪两次将有利于保持系统的渗透性。②为减少系统的堵塞,一方面需加强污水的前处理,去除污水中的悬浮物质;另一方面设计时采用两块湿地并联,便于交替运行,以便于检修与维护,减少堵塞现象的出现次数。③在系统长时间(一般大于10年)运行后,可利用一定的技术手段更换系统的填料。④进一步加强人工湿地的植物选种,如越冬植物等。关于植物选种的问题还优待于进一步研究,既要考虑植物对季节的适应性,又要考虑净化效果、美化功能等方面的因素。4工程效益分析(l)环境效益:污水处理本身即为环保项目,工程的实施大大减少排入农村水体的污染物总量,改善当地水环境状况,保护自然环境;改善居民居住环境,环境效益显著;可以与绿化环境及景观改善相结合,创造人与自然相融合的优美环境,具有景观效益。(2)经济效益:本工程的全套工艺均为低能耗工艺,工程运行成本低,管理简易方便。本工程的间接经济效益主要通过减少水污染对