技术标准视角下我国污水处理厂尾水人工湿地设计分析.pdf
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1、技术标准视角下我国污水处理厂尾水人工湿地设计分析马昱新1,陈启斌1,王朝旭1,李作臣2,李伟强2,申志鹏2,崔建国1*1.太原理工大学环境科学与工程学院2.中电建市政建设集团北方国际工程有限公司摘要人工湿地已逐渐应用于我国污水处理厂提标改造和尾水资源化利用工程实践中,并成为一项备受关注的技术。为指导和规范国内各地区污水处理厂尾水人工湿地工程的设计和建设,国家和地方相关职能部门及专业协会发布实施了多部尾水人工湿地技术标准。在全面梳理国内外尾水人工湿地工程应用现状和当前指导尾水人工湿地设计、建设的相关技术标准实施情况的基础上,对不同层面尾水人工湿地技术标准从工艺选型、设计参数等方面进行对比分析。依
2、据尾水人工湿地碳水平调控策略的可行性、经济性并结合实际工程应用可达性的综合分析,确定湿地结构优化、工艺改进、耦合工艺是优化尾水人工湿地工程设计和强化其脱氮效能的较好策略和途径。为保障人工湿地工程安全和正常运营,建议人工湿地工程设计时应依据当地的水文条件,进行湿地的总水量平衡计算。未来应构建基于基质和水生植物选择、工程运营监测等方面的基础数据库,加强技术标准在尾水人工湿地全生命周期中的指导作用。关键词人工湿地;污水处理厂尾水;技术标准;深度处理中图分类号:X703文章编号:1674-991X(2023)04-1287-08doi:10.12153/j.issn.1674-991X.2022093
3、7Design analysis of constructed wetlands for treatment of terminal effluent ofwastewater treatment plants from technical standard perspectiveMAYuxin1,CHENQibin1,WANGChaoxu1,LIZuochen2,LIWeiqiang2,SHENZhipeng2,CUIJianguo1*1.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology2.St
4、ecolCorporationNorthInternationalEngineeringCo.,Ltd.AbstractThe constructed wetlands(CWs)technology has been gradually applied to the upgrading andreconstructionofwastewatertreatmentplants(WWTPs)andtheutilizationofterminaleffluentofWWTPsinChina,and has become an important technical research field.So
5、me national and local responsible departments andprofessionalassociationshavepromulgatedandimplementedseveraltechnicalstandards,whichareusedtoguideandstandardizethedesignandconstructionofCWsfortreatmentofterminaleffluentofWWTPs.TheapplicationstatusofCWsprojectsfortreatmentofterminaleffluentofWWTPsat
6、homeandabroadandtheimplementationofrelevanttechnicalstandardsguidingthedesignandconstructionofCWsweresummarized,andtheprocessselectionandstructuredesignparametersinthetechnicalstandardsofCWsatdifferentlevelswerecomparedandanalyzed.Bycomparingthefeasibilityandeconomyofthecarbonlevelcontrolstrategieso
7、fCWsandtheaccessibilityoftheactualprojectapplications,itwasfoundthatthewetlandstructureoptimization,processimprovementandcouplingprocesswerethebetterstrategiesandpathwaystooptimizethedesignofCWsprojectsandenhancetheirnitrogenremovalefficiency.Meanwhile,inordertoensurethesafetyandnormaloperationofCWs
8、projects,itwassuggestedthatthetotalwaterbalanceofwetlandsshouldbecalculatedunderthelocalhydrologicalconditionsduringthedesignofCWsprojects.Itwasnecessarytobuildabasicdatabasebasedonsubstratesandaquaticplantselection,engineeringoperationmonitoringandotheraspectstostrengthentheguidingroleoftechnicalst
9、andardsinthewholelifecycleofCWs.Key wordsconstructedwetlands(CWs);terminaleffluentofWWTPs;technicalstandards;advancedtreatment收稿日期:2022-09-23基金项目:山西省自然科学基金项目(201901D111066);校企合作项目(北方低温地区再生水水质强化净化复合人工湿地构建关键技术研究)作者简介:马昱新(1998),男,硕士研究生,主要从事水污染控制与水质安全保障研究,*责任作者:崔建国(1965),男,教授,主要从事城市水系统理论与技术研究,Vol.13,No.
10、4环境工程技术学报第13卷,第4期Jul.,2023JournalofEnvironmentalEngineeringTechnology2023年7月马昱新,陈启斌,王朝旭,等.技术标准视角下我国污水处理厂尾水人工湿地设计分析 J.环境工程技术学报,2023,13(4):1287-1294.MAYX,CHENQB,WANGCX,etal.DesignanalysisofconstructedwetlandsfortreatmentofterminaleffluentofwastewatertreatmentplantsfromtechnicalstandardperspectiveJ.Jou
11、rnalofEnvironmentalEngineeringTechnology,2023,13(4):1287-1294.人工湿地技术起源于 20 世纪 70 年代,后来逐渐发展成为污水生态处理的重要手段之一。该技术利用植物、基质、微生物的协同作用,通过吸附、沉淀、过滤、离子交换、植物吸收和微生物降解等多种途径来去除污水中的有机物、氮和磷等1。人工湿地技术具有水质净化效果好、投资费用和处理成本低、运行管理简便且环境景观效果好等优势,将其应用于污水处理厂尾水的深度净化领域,既能解决受纳水体水质污染问题,也能在一定程度上缓解河道生态基流缺失、水动力不足的状况2-3。近年来,多部污水处理厂尾水人工
12、湿地技术标准陆续发布和实施,在指导和规范工程的设计、建设等方面发挥了积极的作用;一大批尾水人工湿地工程也相继建成并投入使用,极大地推动了污水处理厂尾水人工湿地领域的技术研究和工程实践。但需要指出的是,只有基于高质量的规范化工程设计和可持续的运营管理与维护,才能实现尾水人工湿地工程优良的水质净化效果和长久稳定的运行,保障人工湿地良好的环境景观效应,而这些都依赖于相关技术标准的编制质量及其良好的规范和指导作用。目前,对污水处理厂尾水人工湿地相关技术标准的对比分析鲜见报道。为此,收集并梳理了国家、省(区、市)及专业协会等不同层面上关于污水处理厂尾水人工湿地的技术标准(规范、规程、导则和指南),针对不
13、同技术标准中关于污水处理厂尾水人工湿地工程的总体设计进行比较分析,探讨标准条文的适用性和合理性,并提出工程优化设计建议,以期为国内污水处理厂尾水人工湿地工程的规范设计和建设提供建议。1国内外尾水人工湿地应用现状人工湿地技术因其集水质净化、景观营造于一身的独特优势,在包括污水处理厂尾水在内的低污染水的深度处理领域得到了大量的推广和应用,并成为重要的发展方向之一4。国外较早开始使用人工湿地技术进行尾水深度处理,如 1994 年荷兰在特赛尔岛建造了处理规模为 6 万 m3/d 的人工湿地,对污水处理厂的二级出水进行深度处理;2001 年,意大利佛罗伦萨采用 4 座不同类型的人工湿地进行尾水的三级处理
14、5。我国较早将人工湿地用于污水处理厂尾水深度处理的工程为浙江省舟山市的朱家尖污水处理厂人工湿地工程,该工程于 2007 年 9 月建成并完成调试,系统对尾水的处理效果良好6。截至2019 年上半年,我国处理污水处理厂尾水的人工湿地工程案例数量已达到 94 个,占人工湿地工程总数量的 12%7。笔者通过文献检索、网站搜索和媒体报道等途径,统计发现从 2019 年 6 月2022 年 10月,我国已建、在建和拟建的尾水人工湿地工程数量新增 61 个。尾水人工湿地处理单元常见的有强化预处理单元、表面流湿地、潜流湿地和稳定塘 4 种,除强化预处理单元外,其余工艺单元可进行组合,形成多种工艺流程。在尾水
15、人工湿地工程设计时,在前期充分调研的基础上,依据尾水处理量、水质特征、当地的气候条件、地形地貌特点、水质提标升级或资源化利用等要求,因地制宜地确定工艺设计方案。国内各地大量的工程实践(表 1)表明,人工湿地能够将尾水水质由 GB189182002城镇污水处理厂污染物排放标准的一级 B 及以上提升至 GB38382002地表水环境质量标准的类及以上。其中,2014年建成的浙江省临安污水处理一厂的高效复合人工湿地系统对尾水有着良好的净化效果,该人工湿地系统对尾水中的氨氮(NH3-N)、硝态氮(NO3-N)、总氮(TN)的年平均去除率分别为 84.3%、33.1%、39.5%,对总磷(TP)和 CO
16、D 的去除率分别为 77.8%和 46.0%8,出水水质(COD为 23.80mg/L、NH3-N 为0.19mg/L、TN为 9.14mg/L、TP 为 0.44mg/L)优于GB189182002 一级 A 排放标准9。在此基础上,2018 年建成的临安污水处理二厂尾水人工湿地处理系统包含接触氧化系统、鱼草乔(木)生态平衡系统、高效自净水生态系统、生态滤地系统和景观生态塘。该人工湿地出水 COD、TP、TN 浓度可降低 20%,色、嗅等感官指标满足 GB/T189212002城市污水再生利用景观环境用水水质中的观赏性景观环境用水水质标准,NH3-N、粪大肠菌群数等指标达到或优于 GB383
17、82002类水质要求10。2尾水人工湿地设计 2.1国内外尾水人工湿地技术标准20 世纪 90 年代,为使人工湿地的建设与维护管理更加规范,美国各州共同编制了适用于美国的EPA843-B-00-003处理型人工湿地指导原则:提供水质和野生动物栖息地,主要规定了人工湿地的场址选择、设计、施工、操作、维护和监测指导原则等内容11。在此基础上,美国国家环境保护局(USEPA)开发了北美湿地水质处理数据库,减少重复劳动并改良传统设计方法,对人工湿地的设计、建设、运行、维护、管理等起到了很好的规范和指导作用。2006 年 3 月,德国发布了第一部人工湿地标准DWA-A262城市污水生物净化用土壤过滤器污
18、水1288环境工程技术学报第13卷处理厂的尺寸、建设和运行原则12,并于 2017 年完成了该标准的修订(DWA-A262E)13,为污水生物处理人工湿地设计、建设和运维提供了依据。目前,在人工湿地深度净化污水处理厂尾水领域,尚未检索到国外已发布的技术标准。20092021 年,我国住房和城乡建设部、原环境保护部、生态环境部分别发布了人工湿地相关技术标准,包括 RISN-TG006-2009人工湿地污水处理技术导则14、HJ20052010人工湿地污水处理工程技术规范15、CJJ/T542017污水自然处理工程技术规程16和人工湿地水质净化技术指南17,用于规范和指导国内人工湿地工程的设计与建
19、设。近年来,在省级层面,江苏省、云南省、上海市等 10 多个省(区、市)已出台人工湿地地方技术标准。上述技术标准的发布和实施极大地推动了人工湿地技术在我国各地的工程应用实践。随着人工湿地技术在污水处理厂尾水深度处理领域的拓展和广泛应用,不同层级的污水处理厂尾水人工湿地相关技术标准亦陆续发布。目前,国内已发布实施的污水处理厂尾水人工湿地相关技术标准共有 6 部(表 2)。从表 2可知,近年来污水处理厂尾水人工湿地相关技术标准的级别从地方标准逐渐提升至国家标准,且标准的适用范围有所扩大,除了污水处理厂尾水以外,还涉及到微污染河水、农田退水以及小规模的城镇或农村生活污水。2.2尾水人工湿地工艺选型开
20、展人工湿地处理系统总体设计时,应首先进行工艺选型。湿地具体工艺的选择应该在综合考虑受纳水体的水质要求、污水处理厂尾水的水质特点或处理难点的基础上,对各项指标进行分析、研判,再依据技术标准的设计原则,针对性选择具体的工艺流程。针对尾水处理需去除的主要目标污染物类型,污水处理厂尾水人工湿地深度净化技术指南(T/CSES302021,简称TCSES 指南)指出了适宜的人工湿地工艺类型,并指出可以根据尾水水质特征进行工艺的集成与组合(图1)。DB63/T13502015河湟谷地人工湿地污水处理技术规范(简称青海省规范)指出,对于人工湿地的组合形式的选择,主要是根据处理水量来确定。单一式和单联式人工湿地
21、的处理量宜小于 500m3/d;当水量大于1000m3/d 时,宜采用多级串联或并联式人工湿地;水量大于 2000m3/d 时,就应采用综合式人工湿地,即由多个复合流潜流人工湿地单元以并联方式组合表 1 国内污水处理厂尾水人工湿地典型工程案例4,10Table1BasicinformationoftypicaldomesticprojectcasesofCWsforterminaleffluentofWWTPs工程名称设计规模/(m3/d)设计进水水质设计出水水质工艺流程浙江临安污水处理一厂尾水人工湿地6104一级B标准一级A标准潜流人工湿地+表流人工湿地浙江临安污水处理二厂尾水人工湿地810
22、4一级A标准地表水类标准接触氧化系统+鱼草乔(木)生态平衡系统+高效自净水生生态系统+生态滤地系统+景观生态塘深圳龙华污水处理厂一期尾水人工湿地2104一级A标准地表水类标准生态氧化池+生态砾石床+垂直流人工湿地浙江慈溪市域污水处理一期工程尾水人工湿地(北部)10104一级B标准一级A标准植物碎石床+表流湿地+生态塘+强化生物滤床深圳茅洲河燕川湿地1.4104一级B标准地表水类标准 生态氧化池+高效沉淀池+垂直流湿地+表流湿地浙江东阳污水处理厂尾水人工湿地6104一级A标准地表水类标准潜流人工湿地+表流人工湿地表 2 国内已发布实施的污水处理厂尾水人工湿地技术标准情况Table2Chinasc
23、urrentpublishedtechnicalstandardsofCWsforterminaleffluentofWWTPs标准类型标准名称发布部门发布年份适用范围技术指南/导则人工湿地水质净化技术指南(简称生态环境部指南)生态环境部2021达标排放的污水处理厂出水、微污染河水、农田退水及类似性质的低污染水安徽省污水处理厂尾水湿地处理技术导则(试行)安徽省住房和城乡建设厅2015安徽省省内排入封闭水体的污水处理厂尾水技术规范/规程T/CSES302021污水处理厂尾水人工湿地深度净化技术指南(简称TCSES指南)中国环境科学学会2021NH3-N、TN、TP浓度和COD等达到GB18918
24、2002一级B标准的污水处理厂尾水DB63/T13502015河湟谷地人工湿地污水处理技术规范(简称青海省规范)原青海省质量技术监督局、原青海省环境保护厅2015青海境内河湟谷地区域城镇污水处理厂尾水、经过适当预处理的分散型或集中式生活污水、或其他性质类似的低浓度污/废水DB41/T19472020污水处理厂尾水人工湿地工程技术规范(简称河南省规范)河南省生态环境厅、河南省市场监督管理局2020水质符合GB189182002和地方标准的城镇污水处理厂尾水CJJ/T542017污水自然处理工程技术规程(简称CJJ规程)住房和城乡建设部2017规模小于或等于10万m3/d的城镇污水处理厂出水、受有
25、机污染的地表水第4期马昱新等:技术标准视角下我国污水处理厂尾水人工湿地设计分析1289构成潜流人工湿地单元组,并由多组潜流人工湿地单元组以并联方式组成潜流人工湿地系统。在具体的工程实践中,复合流人工湿地的工艺组成主要包括塘(氧化塘)、床(水平或垂直潜流人工湿地)、表(表流人工湿地)等。按照工艺组成及类型分类,尾水人工湿地可以分为强化预处理组合工艺、塘床组合工艺、塘表组合工艺以及(塘)床表组合工艺 4 种常用的工艺处理系统4。图 1 尾水人工湿地目标污染物的推荐工艺Fig.1RecommendedprocessfortargetpollutantsinCWsforterminaleffluent
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