申请日2007.07.05
公开(公告)日2009.01.07
IPC分类号C02F3/32
摘要
本发明公开了一种污水处理厂二级处理水的深度生态净化工艺。该方法通过优选出适合盐碱地景观河道生态修复的水生及陆生先锋植物，并对其进行驯化及优化配置，成功构建起污水处理厂二级处理水的深度生态净化系统—河道式生态湿地。通过控制生态湿地净化系统的水深、水力停留时间、水力负荷、COD表面负荷及植被恢复面积等参数，对污水处理厂二级处理水进行深度生态净化，以降低出水中N、P等营养物质的含量，防止水体富营养化。
权利要求书
1、一种污水处理厂二级处理水的深度生态净化工艺，包括下列步骤：
(1)构建污水处理厂二级处理水的深度生态净化系统(主体为河道式生态湿地)：
a.将沉水、挺水及陆上植物，分别置于盐浓度为6000～18000mg/L，温度为20～30℃的 环境中进行培养，筛选能在此环境下正常生长的植物作为生态净化系统构建的耐盐先锋植物;
b.采用污水处理厂再生水对生态净化系统的基底土壤进行洗盐和压盐，1年后河道出水含 盐量由初始8000-18000mg/L降低为4000～6000mg/L，同时，采用原土拌沙、排盐暗沟、排 盐暗管及可降解薄膜技术对河道中心岛进行防盐;
c.在生态净化系统的浅水区生态护岸带、河滨缓冲带及中心岛区域，按4～6株/m2的密 度分别种植沉水、挺水及陆上先锋植物，种植深度为1～4cm。
d.当生态护岸带、河滨缓冲带和中心岛植被恢复后，让其逐步自然扩展、演替，直至污 水处理厂二级处理水深度生态湿地净化系统被成功构建。
(2)生态湿地净化系统的主要参数设计及控制：根据国内外工程经验及本工程实际情况设 定生态净化系统运行参数，采用控制生态净化系统(河道式生态湿地)工艺参数的方法，加 强其对污水处理厂二级处理水深度净化效果。生态净化系统主要工艺参数如下：
净化规模：14000～16000m3/d;
水深：10～130cm;
水力停留时间：(HRT)12～16天;
水力负荷：50～70L/(m2d);
植被恢复面积：4.60ha，约为河道总水面的21%;
COD表面负荷：28～31kgCOD/(104m2.d);
BOD表面负荷：2～5kgCOD/(104m2.d);
TP表面负荷：0.4～0.7kgCOD/(104m2.d);
NH3-N表面负荷：1～4COD/(104m2.d)。
(3)实现污水处理厂二级处理水的深度生态净化：长期监测结果显示，生态净化系统对污 水处理厂二级处理水的净化效果明显，多数情况下总磷去除率可达80%～90%;磷酸盐去除 率可达85%～95%;总氮去除率可达70%～80%;氨氮去除率相对较低，为20%～50%。 通过构建人工生态净化系统，成功实现污水处理厂二级处理水的深度净化。
2、如权利要求1所述的系统构建技术，其中挺水植物包括：水葱、香蒲、美人蕉和扁杆 镳草;沉水植物包括：川蔓藻和篦齿眼子菜;陆上植物包括：盐地碱蓬、凤尾兰、柽柳和西 伯利亚白刺。
3、如权利要求1所述的系统构建技术，其特征在于步骤(2)所述的再生水洗盐是指：在 河道建设初期，补充水源为污水处理厂含盐量为4000～6000mg/L的再生水，由于河道底质 的含盐量高达25000～38000mg/L，一定时期内河水的流动会将溶出的盐份带离河道，起到降 低底质含盐量的作用;压盐指是指：底泥土壤含水量饱和后会下渗，将表层中的盐碱带到土 壤深层，起到降低土壤表层含盐量的作用。
4、如权利要求1所述的系统构建技术，其特征在于步骤(2)所述的原土拌沙是指：原状 土与建筑用砂以1∶4的比例混匀后置于岛上，厚30cm;排盐暗沟是指：沟间距10米，沟断 面400mm×400mm，排水滤料为炉渣，上面放置30cm厚的绿地用土;排盐暗管是 指：管间距10米，暗管材质为薄壁波纹塑料管收水管排水断面400mm×400mm， 排水滤料炉渣，上面放置30cm厚的绿地用土;可降解薄膜是指：于原状土表面铺 设农用可降解薄膜，在薄膜上放置20cm和30cm厚的绿地用土。
说明书
污水处理厂二级处理水的深度生态净化工艺
技术领域
本发明涉及污水处理厂二级处理水的深度生态净化工艺，属于水生态深度处理技术领域。
背景技术
水是人类社会赖以生存发展不可替代的物质基础，是经济发展的命脉。水资源的可持续 利用是所有自然资源可持续利用中最重要的一个问题，水资源短缺和水环境污染已经成为制 约世界经济可持续发展的主要因素。自20世纪以来，随着世界社会经济的发展，人口的“爆炸 性”增长，世界各国水危机的不断出现，人们对水资源自身价值以及水资源污染所造成的各种 危害和损失有了深刻的认识。
我国水资源总量大，为28124亿m3，居世界第6位，但我国人口众多，人均占有水量仅 2474m3/人，只为世界人均占有水量的1/4，居世界第88位。解决我国水资源短缺问题，除了 节约用水，实现全国水资源的合理配置，加强水资源保护和加强水资源管理等方法外，污水 的有效利用也非常重要。污水经过简单净化处理后再利用，可以节约大量的淡水资源，世界 发达国家污水利用率已达到70%～90%以上，美国、日本、德国、以色列等国，都早已开始 实施污水回用，在获得大量水资源的同时也取得了可观的经济效益。通过城市污水处理厂处 理后达标的污水，可利用程度最高，但城市污水处理厂主要强调COD、BOD、SS的去除，其 二级出水往往含有N、P等营养物质，以二级出水作为水源补给城市景观河道或湖泊，极易 产生大量藻类而使水质富营养化。因此，要实现污水处理厂二级出水的高标准利用，往往需 要对出水进行深度处理，以去除N、P等营养物质。目前，污水深度处理最经济有效的方法 是生态系统修复法，而在实际应用时，更倾向于以生态系统修复为主，物化方法为辅的多种 技术的集成。
污水生态修复的方法主要有植物净化、人工湿地、稳定塘等技术，其主体是水生态系统 本身，宗旨是利用水生态系统中的植物、微生物和其它生物的协同作用，加速修复水体中的 污染物质。水生态修复除了依靠水生态系统本生的自适应，自组织，自调节能力来恢复其原来 的规律外，还通过一些辅助人工措施为水生态系统的健康运转服务而加快恢复。生态修复的 提出是要调整生态修复的思路，摆正人与自然的关系，以自然演化为主，遏止水生态系统的 进一步退化。水生生态系统逐步恢复，关键取决于其自身的自净能力和环境容量，而自净能 力和环境容量又取决于稳定的和优化的水生植物群落的形成。众多的研究表明，植物能够吸 收、降解水体中的氮磷营养盐和各种有机污染物，同时发达的植物根系还能对污染物起到吸 附、过滤、沉淀作用，对藻类起到抑制作用。目前，河水的植物净化技术主要是指浮床植物 技术(即植物浮岛)。它是利用废轮胎、废泡沫塑料、煤矸石等废物制成大型浮岛，通过在浮 岛上栽植陆地植物，并以其根部来吸收氮磷等造成水体富营养化的物质，从而将水耕栽培和 水质净化结为一体，短时间内达到大面积水域的净化。该技术是利用生态工学原理，降解水 中的COD、氮磷含量。最早是20年前由德国的BESTMAN公司想出来的。在日本的琵琶湖， 作为鱼类用的产卵床的人工浮岛70年代末开始在做。近年来，随着人们对环境问题的越来越 关心，周围的自然环境特别是水边的自然景观状况也越来越受到重视，在此背景下，不光是 水的净化，人们对创造多样性生态系统的人工浮岛技术也寄予了很大希望。现在，植物浮岛 因具有净化水质、创造生物的生息空间、改善景观、消波效果对岸边构成保护作用等综合性 功能，在水位波动大的水库或因波浪的原因难以恢复岸边水生植物带的湖沼或是在有景观要 求的池塘等闭锁性水域得到广泛的应用。
人工湿地系统是在长期湿地净化功能基础上于20世纪70～80年代发展起来的一种水净 化资源生态工程技术。它在污水深度净化处理，河流污染治理中的作用逐渐受到重视，得到 越来越多的应用。北美自70年代开始对不同设计的人工湿地进行了广泛的试验，根据对104 座潜流系统和70座自由水面系统的运行数据统计表明，2种人工湿地均可有效的去除SS、 BOD与病原微生物，也能有效去除氮和磷，出水可达三类水域(适用于中式生活饮用水水源 地二级保护区、鱼类保护区及游泳区)的水质标准。1996年9月在奥地利维也纳召开的第四 届国际研讨会标志着人工湿地系统作为一种独特新型废水处理技术正式进入水污染控制领 域。近年来，作为一种生态治污技术得到了迅速发展，并已成为提高大型水体水质的有效方 法。我国进行湿地处理系统研究较晚，在“七五”期间开始人工湿地研究。1987年建立了第一 个人工湿地系统，以后在北京、深圳等地都建立了类似的处理系统，并进行了相应研究。其 分别是由天津市环境保护科学研究所建成的6hm2的芦苇湿地工程、1989年建成的北京昌平 自由水面人工湿地、90年代在深圳建成的白泥坑人工湿地示范工程。20世纪末建成的成都活 水公园更展示了人工湿地污水处理新工艺用“绿叶鲜花装饰大地，把清水活鱼送还自然”的魅 力。
生态系统的构建是污水深度处理的核心内容，其中最重要的环节是水生植被系统的构建， 植物系统的恢复与构建的优劣会不同程度的影响到整个水生态修复的净化效果、审美效果的 成败。影响植物生长的因素除了气候、水分、养分等以外，土壤的理化性质也很重要。土壤 含盐量高通常会对植物的生长产生胁迫作用，因此，对于盐碱地区水生态修复系统的构建， 需要采取一定的洗盐、防盐、抑盐措施。目前，我国在盐碱地改良措施上主要有蓄淡压盐、 灌水洗盐、整平地面、深沟晒，开沟抬田、晚栽浅埋、培育选择耐盐碱植物物种、隔盐袋、 隔盐层法、微区改土法等，而且在治理中常将各种措施相互结合即综合治理。生态系统进水 参数(进水水量、水深、水力停留时间、水力负荷、COD表面负荷、BOD表面负荷、TP表 面负荷及NH3-N表面负荷等)的控制，对生态系统净化水质效果也十分关键，只有进水参数 适合，才能更好的发挥生态系统对污水的深度净化能力。
本发明所需深度处理的水为天津经济技术开发区污水处理厂出水，这需要利用现场条件， 在污水处理厂附近构建深度处理所需的生态修复系统-景观河道，由于现场土壤粘性大、透 气性差、含盐量高，普通植物难以存活。因此，构建生态修复系统时，应采取一定的洗盐、 防盐和抑盐措施。生态修复系统构建的关键点是耐盐先锋植物的选择、驯化及优化配置，筛 选耐盐先锋植物时，即要考虑美观性及又要兼顾水质净化效果。生态修复系统运行参数的控 制，对污水处理厂出水的深度净化效果也十分重要。近些年，国内外在生态系统深度处理污 水处理厂出水方面进行了大量的研究，取得了很大的进展，但在滨海盐碱地条件下却遇到了 很多困难，主要原因是盐生植物的培育困难且时间较长，即使水生植物被恢复，但也不能形 成稳定、有效的生态净化系统，污水深度生态处理难度较大，因此，迫切需要一种即经济又 有效的方法来构建滨海盐碱地生态修复系统，实现污水处理厂二级处理水的深度处理及利用。
发明内容：
本发明的目的是提供一种污水处理厂二级处理水的深度生态净化工艺。该工艺能有效降 低污水处理厂二级处理水中N、P等营养物质的含量，减少藻类的大量发生，实现污水资源 的综合利用。
本发明所述的污水处理厂二级处理水的深度生态净化工艺，采用以下技术路线：
(1)构建污水处理厂二级处理水的深度生态净化系统(主体为河道式生态湿地)：
a.将沉水、挺水及陆上植物，分别置于盐浓度为6000～18000mg/L，温度为20～30℃的 环境中进行培养，筛选能在此环境下正常生长的植物作为生态净化系统构建的耐盐先锋植物;
b.采用污水处理厂再生水对生态净化系统的基底土壤进行洗盐和压盐，1年后，河道出水 含盐量由初始8000-18000mg/L降低为4000～6000mg/L，同时，采用原土拌沙、排盐暗沟、 排盐暗管及可降解薄膜技术对河道中心岛进行防盐;
c.在生态净化系统的浅水区生态护岸带、河滨缓冲带及中心岛区域，按4～6株/m2的密 度分别种植沉水、挺水及陆上先锋植物，种植深度为1～4cm。
d.当生态护岸带、河滨缓冲带和中心岛植被恢复后，让其逐步自然扩展、演替，直至污 水处理厂二级处理水深度生态湿地净化系统被成功构建。
(2)生态湿地净化系统的主要参数设计及控制：根据国内外工程经验及本工程实际情况设 定生态净化系统运行参数，采用控制生态净化系统(河道式生态湿地)工艺参数的方法，加 强其对污水处理厂二级处理水深度净化效果。生态净化系统主要工艺参数见下：
净化规模：14000～16000m3/d;
水深：10～130cm;
水力停留时间：(HRT)12～16天;
水力负荷：50～70L/(m2d);
植被恢复面积：4.60ha，约为河道总水面的21%;
COD表面负荷：28～31kgCOD/(104m2.d);
BOD表面负荷：2～5kgCOD/(104m2.d);
TP表面负荷：0.4～0.7kgCOD/(104m2.d);
NH3-N表面负荷：1～4COD/(104m2.d)。
(3)实现污水处理厂二级处理水的深度生态净化：长期监测结果显示，生态净化系统对污 水处理厂二级处理水的净化效果明显，多数情况下，总磷去除率可达80%～90%;磷酸盐去 除率可达85%～95%;总氮去除率可达70%～80%;氨氮去除率相对较低，为20%～50%。 通过构建人工生态净化系统，成功实现污水处理厂二级处理水的深度净化。
本发明所述的挺水植物包括：水葱、香蒲、美人蕉和扁杆镳草;沉水植物包括：川蔓藻 和篦齿眼子菜;陆上植物包括：盐地碱蓬、凤尾兰、柽柳和西伯利亚白刺。
本发明所述的再生水洗盐是指：在河道建设初期，补充水源为污水处理厂含盐量为4000～ 6000mg/L的再生水，由于河道底质的含盐量高达25000～38000mg/L，一定时期内河水的流 动会将溶出的盐份带离河道，起到降低底质含盐量的作用;压盐指是指：底泥土壤含水量饱 和后会下渗，将表层中的盐碱带到土壤深层，起到降低土壤表层含盐量的作用。
本发明所述的原土拌沙是指：原状土与建筑用砂以1∶4的比例混匀后置于岛上，厚30cm; 排盐暗沟是指：沟间距10米，沟断面400mm×400mm，排水滤料为3～8mm炉渣，上面放 置30cm厚的绿地用土;排盐暗管是指：管间距10米，暗管材质为薄壁波纹塑料管，80mm， 收水管排水断面400mm×400mm，排水滤料3～8mm炉渣，上面放置30cm厚的绿地用土; 可降解薄膜是指：于原状土表面铺设农用可降解薄膜，在薄膜上放置20cm和30cm厚的绿地 用土。
本发明的污水处理厂二级处理水的深度生态净化工艺具有以下特点：
本发明的污水处理厂二级处理水的深度生态净化工艺，能充分利用污水资源，具有投资 少，处理效率高，运行稳定，抗冲击负荷能力强，经济效益高等优点。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明做进一步的描述。
实施例
1、全面调研天津经济技术开发区污水处理厂出水水质情况，以及深度生态净化系统主体 -景观河道的土壤及植被现状，为后续生态净化系统的构建及其深度净化污水处理厂出水提 供可靠的数据及背景支持。调研结果显示，天津经济技术开发区污水处理厂出水达到二级水 质标准，出水的N、P等营养物质浓度变化较大，生态净化系统-景观河道土壤粘性大、透 气性差、含盐量高，植被以零星的碱蓬、碱蓬加芦苇等群落为主。
2、构建污水处理厂二级处理水深度生态净化系统(主体为河道式生态湿地)：
(1)生态净化系统耐盐先锋植物筛选：
a挺水先锋植物筛选：分别配制盐浓度为6000mg/L、9000mg/L、10000mg/L、12000mg/L、 14000mg/L、15000mg/L和18000mg/L的水溶液，作为植物培养用水。将挺水植物水葱、香蒲、 美人蕉和扁杆镳种植在体积约50L，水深30cm的塑料桶中，每种植物栽培4桶(每桶水溶液 盐浓度均不同)，每桶5株，每周换水一次，定期观察植物生长情况。结果表明，挺水植物水 葱、香蒲、美人蕉和扁杆镳草都具有较好的耐盐特性，均可作为生态净化系统构建的先锋植 物;
b沉水先锋植物的筛选：将野外采集或市场购买的沉水植物川蔓藻，蓖齿眼子菜，马来 眼子菜，线叶眼子菜，狐尾藻，金鱼藻，黑藻，菹草，苦草，水兰，派斯小水兰，刺叶皇冠， 大波浪草移植在7个体积125 L的玻璃缸中，底层铺10厘米厚砾石，分别加入100L河道水， 加NaCl调节盐度到10ms/cm，三周后将生长较好的种类移入盐度为15ms/cm的塑料水箱中进 行培养，将能耐受此盐度的物种作为沉水先锋植物，包括川蔓藻和篦齿眼子菜;
c陆上先锋植物的筛选：实验以景观河道8个中心岛的现场中试种植实验为主，以实验 室试试验为辅，经过长期观察，最终优选出4种耐盐陆上先锋植物：盐地碱蓬、凤尾兰、柽 柳和西伯利亚白刺。
(2)生态净化系统的洗盐、防盐处理：洗盐、防盐处理技术为生态净化系统的构建提供前 提保障，在生态净化系统建设初期，补充平均含盐量为5100mg/L的天津经济技术开发区污 水处理厂再生水，由于河道底质的平均含盐量高达30000mg/L，河水流动会将溶出的盐份带 离河道，有效降低底泥含盐量。
采用排盐暗沟、排盐暗管、铺设可降解薄膜和原土拌沙技术对生态净化系统进行防盐。 排盐暗沟技术的沟间距10米，沟断面400mm×400mm，排水滤料为3-8mm炉渣，上面放置30cm 厚的绿地用土;排盐暗管技术的管间距10米，收水管排水断面400mm×400mm，上面放置30cm 厚的绿地用土;铺设可降解薄膜技术是于原状土表面铺设农用可降解薄膜，在薄膜上放置20cm 或30cm厚的绿地用土;原土拌砂技术是指原状土与建筑用砂以1∶4的比例混匀后置于岛上， 厚30cm。
(3)在生态净化系统的生态护岸带、河滨缓冲带及中心岛区域，按5株/m2的密度种植沉 水先锋植物(川蔓藻或篦齿眼子菜)，挺水先锋植物(水葱、香蒲、美人蕉或扁杆镳草)及陆 上先锋植物(盐地碱蓬、凤尾兰、柽柳或西伯利亚白刺)，同时控制种植深度，沉水植物种植 深度平均约为2cm，挺水和陆上植物种植深度平均约为3cm。根据生态净化系统的景观效果及 水力洗盐结果优化配置生态护岸带、河滨缓冲带和中心岛种植的植物，并定期浇灌、维护生 态净化系统所移植的植物，保证所有植物稳定、正常的生长繁殖。
(4)当生态护岸带、河滨缓冲带和中心岛植被恢复后，让其逐步自然扩展、演替，直至污 水处理厂二级处理水深度生态净化系统被成功构建。
3、生态净化系统的主要参数设计及控制：生态净化系统总面积为25.3ha，总有效容量 约为200000m3，根据国内外工程经验及本工程实际情况设定生态净化系统主要参数：净化规 模15000m3/d，水深10～130cm，水力停留时间(HRT)约13天，水力负荷60L/(m2d)，植被 恢复面积4.60ha，约为河道总水面的21%、COD表面负荷29.64kgCOD/(104m2.d)，BOD表 面负荷3.56kgCOD/(104m2.d)，TP表面负荷0.593kgCOD/(104m2.d)，NH3-N表面负荷2.96 COD/(104m2.d)。控制生态净化系统工艺的运行参数，能够加强净化系统对污水处理厂二级处 理水深度净化效果。
4、实现污水处理厂二级处理水的深度生态净化：长期监测结果显示，生态净化系统对 污水处理厂二级处理水的净化效果明显，一般情况下，总磷去除率平均可达85.40%，平均出 水浓度约为0.63mg/L;磷酸盐平均去除率可达92.86%，平均出水浓度约为0.116mg/L;总氮 去除率大多在80%左右，出水浓度基本保持在3mg/L以下;氨氮去除率相对较低，平均仅为 39.71%，出水浓度基本保持在1mg/L以下。以上结果说明通过构建人工生态净化系统，能 够成功实现污水处理厂二级处理水的深度净化。