尾水收集处理中太阳能水生态修复系统工艺的应用

徐 剑 姚建忠 顾 俊 单文彬

（1.洪泽县水利局，江苏 淮安 223100；2.金湖县水务局，江苏 淮安 211600；3.淮安市水利局，江苏 淮安 223100）

0 引言

南水北调工程是我国的一项重大基础性投资建设项目。江苏省位于南水北调东线的起点上，按照东线工程规划，在向天津、山东正式通水时，干线水质要达到国家地表水环境质量Ⅲ类水标准。洪泽县地处南水北调东线沿线，目前全县生产、生活废污水主要排入浔河后汇入白马湖，白马湖是南水北调东线工程输水干线，又是淮安市区规划的饮用水第二（备用）水源地。为保证东线工程调水和淮安市区饮用水的水质安全，解决洪泽城市尾水向白马湖排放、影响白马湖水质安全的现状，洪泽县在实施白马湖退围（圩）还湖工作的同时，积极寻找新的尾水通道，启动了城市尾水处理和综合利用工程。

项目利用宁连高速公路东侧，苏北灌溉总渠以南，宽500 m、长约6500 m 的地块，建设人工湿地以及生态廊道，对污水处理厂尾水进行生物－生态处理，处理后的尾水一部分用于农业灌溉、生态补水，多余水穿越苏北灌溉总渠排入入海水道，不再向白马湖排放，从根本上保证了白马湖的水质。项目日处理尾水总规模10万t，本项目的实施不仅是东线工程发挥效益的保障，也是对洪泽县实施可持续发展战略的重要推动。

随着社会经济的快速发展和沿海地区人口的高度集中，污水处理厂尾水排放引起的环境问题日趋严重。究其原因是污水处理厂利用污水处理系统经过物化、生化等一系列处理工艺处理污水时，仍残留一些氮、磷等不易被微生物利用的物质，使尾水成为尚未达到排放标准的废水［1］。其排放的尾水已经成为区域水环境重要的污染源。

国外从20 世纪20年代开始实践城市污水深度处理与回用技术，目前已在许多国家得到广泛应用。美国是世界上城市污水回用最早的国家之一，城市污水处理等级基本上都在2 级以上，处理率达到100%［2］。日本在20 世纪60年代就开始回用污水，70年代已初见规模［3］。以色列是世界上污水利用程度最高的国家，100% 的生活污水和72% 的城市污水得到回用。南非及加拿大的许多湖库都受城镇和工业地区的城市污水二级处理厂所排放的尾水影响而发生水质恶化［4］。目前，我国污水处理厂每年产生的近100 亿t 尾水的回用率仅为10%［5］，大多数尾水直接排放至附近水体，势必对周围水环境带来负面影响。故工业尾水的处理以及资源化利用已迫在眉睫。

目前，我国尾水处理的工艺多采用物化法和生物膜法［6］，投资费用和运行费用较高，污水深度处理和回用的工程大都存在“工程建设得起，长期运营不起”的现象。生物－生态处理是利用生物－生态原理对排放尾水中的有机物、氮、磷进行降解，是一种低耗高效、无二次污染、同时可实现资源再利用的水生态处理技术［7］。

本文采用具有国际先进水平的太阳能水生态修复系统［8，9］，该系统独特的富氧、循环、混合优势，可为洪泽尾水收集处理再利用工程量体裁衣，实现低碳节能的复氧系统和改变水动力系统等微环境，摆脱洪泽尾水收集再利用工程系统对电网电力的强烈依赖，大大降低整体工程的运营成本，进一步实现节能减排的效果，结合湿地系统、生态廊道，能为洪泽尾水收集处理再利用工程的可持续运行提供一个适用可行的方案，降低整个工程的设备投资和运营成本，为洪泽工程带来较大的综合效益。

1 工程概况

本工程分为南线、北线两部分，工程区总长度为6500 m，太阳能水生态修复系统主要安装于曝气蓄水塘（曝气塘）、兼性塘中，即：南线1#曝气塘、1#兼性塘，北线2#曝气塘、2#兼性塘。

南线工程起始于宁连高速公路入口以北1200 m 处，处理洪泽天楹污水处理公司尾水，1#曝气塘安装5台，1#兼性塘安装1 台。北线工程起始于双喜河以南850 m 处，处理清涧污水处理厂尾水，2# 曝气塘安装5台，2#兼性塘安装1 台。曝气塘进行强化复氧，兼性塘营造厌氧—好氧的兼性环境，结合湿地系统、生态廊道等工艺可综合日处理10万t 尾水，工艺流程图见图1。

2 太阳能水生态修复系统机理

2.1 混合复氧机理

太阳能水生态修复系统利用太阳能电机系统将水体底层低溶解氧的水提升到表层，在提升系统的作用下，提升到表层的低溶解氧水以层流状缓慢流出而形成表面流，构建立体的水体交换模式，如图2。

由于层流所受阻力较小，水流可以扩张到远处，因此，覆盖面积明显增加。表面流的形成使表层水体不断更新，不仅有助于改善水体的表面张力，而且提高了大气和水面的氧浓度梯度，从而加快水气界面大气复氧速度。另外，在水体自重作用下，被提升的底层水由邻近的上层水体替代，实现了上下层水体的交换。如此往复循环，覆盖面积内水体不仅实现了水体的纵向循环，而且改善了水体溶解氧及营养盐分层状况，使整个水体溶解氧含量明显提高，并逐渐均化。

2.2 促进水生态修复机理

太阳能水生态修复系统是以太阳能为动力，以高效的水循环和原水生物膜法处理为机理，对污染水体进行混合、复氧，提高水体溶解氧含量，降低氮、磷营养水平，抑制湖底淤泥厌氧而产生的黑臭现象，促进水质好转，帮助恢复水体生态系统。系统促进水体生态修复的机理见图3。

2.3 改善水质机理

图1 工艺流程图

图2 太阳能水生态修复系统混合与复氧机理

图3 太阳能水生态修复技术机理

2.3.1 彻底消除水体黑臭现象

本系统的运行使水体中DO 分层现象消失，中下层DO 含量能够增加约达3～5 倍，从而增加了好氧微生物的新陈代谢作用，使硫化氢等厌氧分解产物降低，取而代之的是好氧分解产物二氧化碳和水，水体黑臭现象消失。

2.3.2 降低营养盐水平

水体DO 含量的增加，不仅加速了好氧生物的新陈代谢作用，加速了水体中营养物质的降解，使COD 指标得到改善，促进氮的分解，而且好氧微生物的呼吸作用，有助于增加水体中的碳酸类物质，促进氨氮的挥发。

底层水体DO 的增加，可抑制底泥中的磷向水体释放，这是因为Fe（OH）2在有氧条件下被氧化成稳定态Fe（OH）3，在Fe-P 外层形成保护层，抑制磷的释放。

2.3.3 能够持续降解水体底部淤泥

好氧微生物在有氧条件下，可降解一部分底泥中的营养物质。动植物排泄物中的磷酸盐经微生物分解转化为可溶性磷酸盐，并被浮游动植物吸收利用，最终能使水体底部淤泥的厚度有较为显著的降低。

3 太阳能水生态修复系统对水体改善效果

3.1 DO 的变化

对南北线的曝气塘、兼性塘进出水的DO 进行检测得知，1# 曝气塘、1#兼性塘、2#曝气塘、2#兼性塘DO分别提高了21.30%、20.86%、41.56%、33.07%，复氧效果得到显著改善。见图4。

3.2 污染物的变化

对南北线进出水各污染物浓度进行检测，1#曝气塘与2#曝气塘、1#兼性塘与2#兼性塘对污染物的消减存在较大差异。

曝气塘中提高水体DO 促进了溶解性小分子污染物的转化与去除，故1#曝气塘对TN、TP、氨氮、CODMn的去除率分别为1.71%、5.52%、4.49%、4.88%；2# 曝气塘对TN、TP、氨氮、CODMn的去除率分别为6.57%、3.08%、2.85%、3.41%。见图5。

通过兼性塘厌氧、好氧环境的交替，将大分子有机物等污染物分解成可溶性的小分子，进一步消减污染物。1#兼性塘对TN、TP、氨氮、CODMn的去除率分别为24.22%、75.73%、58.82%、15.38%；2# 兼性塘对TN、氨氮、CODMn的去除率分别为29.75%、33.88%、13.04%，2# 兼性塘对TP 的去除效果不是很明显，经分析可能与进水浓度不稳定有关。见图6。

图4 曝气塘和兼性塘DO 浓度变化

图5 1#曝气塘与2#曝气塘污染物去除率

图6 1#兼性塘与2#兼性塘污染物去除率

4 结论

（1）通过对太阳能水生态修复系统中混合复氧机理、水生态修复机理、改善水质机理的研究，可为洪泽尾水处理提供技术支撑。

（2）利用太阳能水生态修复系统在曝气塘、兼性塘中对DO 提升、污染物去除效率等方面做探索，）复氧效果显著，污染物的去除效果显著，应用前景广阔。

（3）本系统处理成本为0.011 元/t，传统工艺处理成本0.089 元/t，运行和维护成本大大降低，具有较大的经济效益和环境效益。用其替代潜流曝气机和搅拌机，每年可节省用电2496 MW，减少3730 t 的CO2。

［1］杜娟，倪天华.区域尾水处置研究进展［J］.水资源保护，2006，22（6）：81-85.

［2］李本高，陆婉珍，汪燮卿.污水回用技术的进展与发展趋势［J］.环境经济杂志，2007，41（5）：59-64.

［3］日本：污水处理技术正引入超深度处理方法［M］.给水排水动态，2008（47）.

［4］孙和和，刘鹏.垂直流一水平潜流复合人工湿地深度处理电镀废水的效果［J］.生态环境，2008，17（1）：64-69.

［5］陈亚萍，康永祥.城市污水回用及其途径［J］.干旱区研究，2005，22（3）：382-386.

［6］盛铭军，詹健，王秀英.生物膜—沸石组合工艺深度处理城市二级出水［J］.南昌大学学报，2003，25（4）：51-54.

［7］王青翔，梅凯，孙文全，等.生态处理技术在工业尾水处理治理中的应用与探讨［J］.西南给排水，2011，33（4）：32-34.

［8］汪丽，边园琦.太阳能水生态修复系统对微污染水源地水质改善效果研究［C］.中国土木工程学会水工业分会给水深度处理研究会2012年年会，北京：中国学术期刊电子出版社，2012：512-520.

［9］鲁巍，郄燕秋，张韵.太阳能水生态修复系统在水库水质保障体系中的应用研究［J］.积水排水，2012，38（增刊）：73-75.