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人工湿地处理工业废水的工艺设计

1工艺设计

1.1工艺流程

工艺的选择直接关系到处理出水的水质指标能否稳定可靠的达到处理要求、运行管理是否方便、建设费用和运行费用是否节省,以及占地和能耗指标的高低,因此,工艺方案的选择非常关键。项目湿地的进水水质具备以下特征:(1)废水进入人工湿地前,预先经过芬顿工艺处理,有机污染物大部分被分解,剩余部分难分解的高分子有机物;(2)废水中含有一定盐度(主要为铁盐、硫酸盐与氯盐),约1%~2%;(3)水质波动大,进水水质的氨氮指标有较大浮动,最高氨氮可达120mg/L;水中磷以元素磷、正磷酸盐、缩合磷酸盐、焦磷酸盐、偏磷酸盐和有机团结合的磷酸盐等形式存在,而项目进水以除正磷酸盐外的形式为主,不利于植物吸收。因此,工艺的选择应根据水质、水量、设计出水要求、以及当地的温度、工程地质等因素综合考虑。具体工程的选择原则为:(1)工艺选择保证合理性、先进性和成熟性的有机结合,确保处理后的污水再生水达到排放标准,无二次污染;(2)在出水达标的前提下,尽可能采用节能、高效的处理设备,降低建设投资和运行费用;(3)工程操作、运行与维护管理简单、方便,设备运行性能可靠;本设计方案选定的工艺为“提升泵池+垂直流人工湿地+景观水池”。项目废水通过一系列环保处理工艺处理至湿地进水标准后排入清液缓存池中均质,缓存池设有氨氮在线分析仪以及COD在线监测仪,对水质中的COD指标与氨氮指标进行实时监测。当进水水质满足湿地进水要求时,则PLC进行“模式一”的进水方案(正常运营),清液缓存池内的水泵将废水动力提升至高效垂直流人工湿地中,同时经砂石填料的过滤、特殊填料的吸附作用、湿地植物的吸收以及微生物的分解作用后,水中污染物得到去除,出水由底部集水管道输送至景观池中,与景观池连接的管道末端设置可调节式管接,根据实际运行需要调整人工湿地的好氧―厌氧比重,进而微调微生物的硝化、反硝化作用,对污水中氨氮、硝态氮进行针对性控制,达到污水的高效效率处理。景观池出水通过管道输送至指定排放点中计量排放。当进水水质超出湿地进水要求时,则PLC进行“模式二”的进水方案(事故运营)。当末端氨氮在线检测设备检测水质超过设定值时,自动开启应急吸附阀,同时关闭总排水阀,污水通过应急循环水泵,将污水抽至I级应急吸附池与II级应急吸附池中进行处理,净化后的水进入排放池中,经操作员检测合格后排放;当末端COD在线检测设备检测水质超过设定值时,或氨氮与COD同时超标时,只开启内循环阀,同时关闭总排水阀,应急循环水泵将超标水质抽至高效垂直流人工湿地布水主管中,由配水支管与配水电动阀进行脉冲配水,实现污水循环不外排,直至末端在线检测设备合格后恢复正常运行状态。出水达到目标水质标准后排放。

1.2主要构筑物设计参数

污水通过管道流入提升泵池,再进入垂直流人工湿地系统,通过均匀布水,植物吸收分解、湿地净化后,出水最终流入景观水池,实现处理流程的完结。

1.2.1提升泵池及泵房

1.2.1.1提升泵池

设计流量:Q=900m3/d,数量:1座,有效水深:h=4.0m,有效容积:V=150m3,结构:钢砼。

1.2.1.2进水泵房

设计流量:900m3/d,数量:1座,尺寸:平面尺寸为7×5m。其中,提升泵的Q=20m3/h,H=8m,N=4kW,共3台(两用一备)。

1.2.2垂直流人工湿地

垂直流人工湿地系统水质净化技术是一种生态工程处理技术,是人工湿地的一种类型,其基本原理是在一定的填料上种植特定的湿地植物,从而建立起一个人工湿地生态系统,当待处理的污水以垂直潜流的方式通过湿地处理系统时,污水中的污染物质和营养物质被系统吸收或分解,最终使水质得到净化[4-7]。设计参数方面,垂直流人工湿地面积为4064m2,湿地高度设计为1.6m,湿地内填料层高度设计为1.5m。

1.2.3景观水池

设计流量:900m3/d,数量:1座,有效水深:1.0m,池体尺寸:r=4.5m,结构:钢混,其他:种植部分挺水植物、沉水植物,以增强景观效果。

2垂直流人工湿地系统设计

2.1填料及微生物菌种

本工程所选用填料主要为不同的砂砾级配,填料厚度1.5m,从上至下依次为50cm厚粒径0~5mm砂石填料层(包括10cm的特殊填料),30cm厚特殊填料层,40cm厚粒径10~30mm砂石填料层,30cm厚粒径20~40mm碎石填料层。特殊填料由活性炭与沸石按比例混合而成,为湿地长效运行,活性炭与沸石配比设定为25%:75%。为增强特殊填料对COD、NH4+-N的去除作用,将特殊填料分两部分,其中0.3m铺设在原来的位置,包裹植物根系,0.1m铺设在上层布水管管沟中。由于人工湿地对TP去除效果一般,为增加人工湿地对TP的去除效果,可在碎石层中混合铺设0.1m石灰石。与此同时,在垂直流湿地系统中添加高效微生物菌种,利用复合微生物进行污染环境治理是近几年才发展起来的新型污染治理技术[8-10]。它以处理工艺简单,对污染位点的干扰、破坏小、污染物降解速度快、降解彻底、不易造成二次污染等优势被认为是一项很有希望、很有前途的水污染治理技术。本项目中所用高效微生物菌种主要由含铜绿假单胞菌、施氏假单胞菌、海洋假单胞菌、粪产碱菌、脱氮副球菌、地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、蜡状芽孢杆菌等。其中既有分解性细菌,又有合成性细菌,既有厌氧菌、兼性菌,又有好氧菌,是一个多种菌共存的生物集合。高效微生物菌种主要用于人工湿地投加,菌种的投加可加快菌群形成速度和污水处理效率,同时菌种的投加还可优化微生物群落,强化处理效果。

2.2防渗设计

人工湿地在安装工作时也需做好严格的防渗处理,达到双保险的目的。按照《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ2005-2010),人工湿地底部和侧面应进行防渗处理,防渗层的渗透系数不低于10~8m/s。本项目垂直流人工湿地的防渗层也按此规范进行,具体做法为修筑好湿地池体后,铺设垃圾填埋场专用光面HDPE防渗膜(厚度1.0mm)。

2.3配水管与运行

为了保证湿地系统布水均匀,人工湿地划分成21个配水单元,每个配水单元约200m2。本次900m3/d规模的尾水治理工程的工艺管道由两部分组成,上层布水管道与下层集水管道。通过水泵将清液储存池的原水动力提升至垂直流人工湿地,进入布水区域后东西向分成2条,最终由蝶阀控制每个配水单元的穿孔管进行布水。

2.3.1上层布水管设计

尾水由项目进水动力系统通过DN80PE主管输送至高效垂直流人工湿地后,东西向分为2条DN80PE布水主管,布水干管(DN65,PE材质)与主管垂直相接,主管两侧干管各设一控制阀门,干管两侧对称驳接DN40PE穿孔管,向各湿地单元均匀布水。穿孔管间距2.0m,管孔φ5mm,孔间间距200mm,采用热熔连接。不同管径使用转接头进行变换连接。

2.3.2垂直流人工湿地下层集水管设计

在湿地床体中间位置设置集水管,集水主管采用管径为DN150PE管,穿孔集水干管采用管径为DN100PE管,斜向下30°双侧间隔开孔,穿孔集水管间距16m。出水收集后汇入景观池中,在景观池中的集水主管向上蔓延,向上蔓延的长度可进行手动调节,最终引至排放渠内计量排放。每个人工湿地下层管道均设置有通气管,用于消除湿地内部负压,提高配水下渗速度。

2.3.3管道阀门的选用及布置

阀门选用首先掌握介质的性能、流量特性,以及温度、压力、流速、流量等性能,然后,结合工艺、操作、安全诸因素,选用相应类型、结构形式、型号规格的阀门。本项目垂直流人工湿地配水系统中,需要对进水进行调节,结合阀门的特点及本项目的需要,选择蝶阀作为进水调节阀,通过蝶阀的圆盘控制管道污水的开关。首先在湿地进水主管上调压阀、安装手动蝶阀、电动蝶阀和电磁流量计,其次在湿地进水管以及布水干管上安装水表、手动蝶阀和电动蝶阀。应急事故管道以及最终排水管道(均为PE管)各安装一个手动蝶阀和电动蝶阀。

2.4植物设计

设计种植植物与厂区环境相协调,重点选择去污能力较高并且具有一定的耐盐能力的植物品种。种植方式为分区种植,具体分区和造型根据周围景观情况布置,以保证与整体景观协调一致。

2.4.1设计原则

根据污水性质及当地气候、地理实际状况以及相关文献的论证结果,选择适宜的水生植物,才能建立良好的填料―植物系统,保证良好的净化效果。湿地水生植物的选择原则如下:(1)能适应当地生长的植物或天然湿地原存的优势种。(2)根据处理对象即污水的特性选择适宜的植物;如多年生的芦苇、风车草、花叶芦荻等去除BOD5、N、P的效率高。这些植物根系发达,根状茎粗壮,形成不定芽,是微生物栖息生长的良好介质,在根区能形成巨大的生物量,具有强大的净化能力。一些维管组织的茎、根状茎具有发达的呈海绵状空腔组织,氧气能通过这些空腔利用叶从大气中将氧输送至根部,这样其根区恰如一个好氧反应区,具有生物膜法的净化功能。(3)多种植物混植或串联种植,发挥各自优点,提高系统的总体净化能力。(4)景观效果好,能美化环境,为户外休闲娱乐提供良好的环境。

2.4.2湿地植物选择

通过试验及查阅相关文献,筛选对高盐废水有较高适应性的人工湿地植物,得出芦苇、花叶芦荻和香根草长势最好;蜘蛛兰、风车草、柽柳长势一般;红树林类植物、鸢尾、纸莎草、千屈菜和水葱长势较差,因此,芦苇、花叶芦荻和香根草为高盐废水湿地项目的主要植物用于大面积栽植,而蜘蛛兰、风车草、柽柳可作为次要植物,可小面积种植。红树林类植物、鸢尾、纸莎草、千屈菜和水葱长势较差,将不予以考虑。

3结论

经过工艺设计的分析,人工湿地系统处理工业废水尾水具有一定的可行性,且可以实现高标准排放。进水主要特征为低COD、低氨氮,高盐度,水质波动较大,有机污染物以难降解的高分子化合物为主。进水满足一定标准后,经过人工湿地系统处理后,出水主要指标可以达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)IV类标准。

作者:班峰 覃吉善 单位:深圳市深投环保科技有限公司

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