污水处理厂是拦截污染物向地表水体输送的重要工具。近年来有越来越多的研究和实践指出,即便是达到较高排放标准的污水处理厂,如《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的一级B或A标准,其尾水对于受纳水体特别是敏感水体而言仍然施加了较重的污染负荷和生态毒性^[1],因此进一步提高排放标准和开发深度处理技术的需求日益增长。

　　 人工湿地即是一种重要且广受欢迎的污水处理厂尾水净化技术,作为一种生态手段凭借其效果良好、低能耗和运行维护简便等特点,在尾水深度净化领域迅速得到推广应用,并取得了良好的工程和环境效益。然而,长期实践和观察表明,人工湿地固有的一些不足,包括效率较低、占地面积大、运行效果欠稳定和受季节性影响较大等,在一定条件特别是用地受限状况下也多少抑制了该技术在尾水净化中的广泛应用。因此,拓展具有更高效率的生态型接触氧化技术已逐步成为污水处理厂尾水深度净化领域的研究热点。

　　 砾间接触氧化工艺的实质是对天然河床中生长在砾石表面生物膜的一种人为模仿和工程强化技术^[2]。河流具有自净功能。当河水流经水浅处时,因水流相对速度较快,产生自然曝气现象,河水中溶氧增加;当流经水深处时,河水中的悬浮物因流速减缓而产生沉淀;河床上的天然砾石可以吸附、过滤污染物,同时砾石间附着生长的微生物可以降解污染物;当降雨河川流量增加时,丰沛的水量可产生冲刷及稀释的作用将砾石间污泥带出,使河川再度恢复原有的自净能力^[3]。

　　 砾间接触氧化技术开发于20世纪70年代,由于对污水尤其是低污染水的处理效果显著,自80年代起该技术在东亚的日本、韩国和台湾等国家和地区得到了大量的工程应用,并获得了令人满意的水质净化效果和环境效益。我国台湾地区的一些工程实例显示,设计、施工和运行得当的砾间对于主要污染物的削减成效显著,例如其中BOD₅、SS和NH₃-N的平均去除率分别可达85%,90% 和95% 以上。也有研究指出,在常规水质条件下,砾间净化的COD去除率>75%^[4]。根据台湾和日本的资料经典砾间工艺对TN和TP的去除率较低。

　　 砾间工艺的构造核心为砾间净化槽,其净化机理由物理、化学和生化等多重作用组成。砾间槽内填充有形状圆滑及粒径均匀的砾石,由于砾石间存在许多大小不同的孔隙,孔隙率一般保持在30%~40%,形成连续的水流通道,当污水流经这些孔隙时,水流受砾石阻挡而致流速减缓,水中的悬浮物质与砾石接触并在很短的孔隙距离内沉降;同时,砾石粗糙的表面亦作为生物膜附着生长的载体,具有表面粘性的生物膜一方面负责吸附悬浮物质,另一方面水中溶解性的有机物在流经这些生物膜时,被其中包含的大量微生物摄取和利用,从而使水质获得净化。而经由沉降、吸附及生物氧化实现固液分离的污泥,则被阻留于砾石中进行生物分解,通常系统设计赋予污泥较长的自降解时间。试验数据表明,通过该自我降解方式可将污泥的有机成分降至原来的1/4以下。

　　 目前,常规的砾间接触氧化法均配置有强制曝气措施,通过连续鼓风曝气向砾石床提供微生物氧化分解所需的氧气,增强微生物降解有机污染物和氨氮等污染物的效能,有效提升砾间的处理效率。

　　 砾间槽体通常由曝气区及非曝气区两部分组成。其中曝气区通过连续曝气提供生化反应所需的氧气,提升污染物净化效率;在氧化分解污染物的同时,砾石床体内生物膜大量增殖,生物量增殖和曝气的扰动,使得生物体(膜)易于从砾石表面剥离。剥离的生物膜,因持续的曝气扰动在曝气区主要呈悬浮状,并随水流移动至非曝气区,由于外部扰动作用消失和砾石的接触阻拦作用,这些生物膜于非曝气区加速沉淀从而实现理想的固液分离效果,净化后的上清液即可出流排放。因此,砾间净化槽凭借同一槽体内曝气区与非曝气区的分工协作,可实现砾间系统出色的水质净化效果。

　　 砾间接触氧化法,除了具有常规接触氧化工艺的一般特征外,在反应器构造中,糅合了多项精巧设计,使该工艺进一步具有生态、环保、经济,以及建设工期短和操作维护工作量小等特点。砾间大量采用天然材料和非混凝土化作为生化反应载体和主要结构形式,使环保设施本身亦具备了生态、环保和低碳化,以及结构承载力强的特点,且降低了工程造价。

　　 此外,砾间槽和主要附属构筑物一般采用全地下式构造,且造价低廉,地面以上可充分利用,宜设置成草坪、植栽绿化、休憩娱乐场所,甚至停车场等。全地下结构一方面节省了大量的土地资源,也易与周边环境、景观和城市规划相融合,避免了污水处理设施容易造成的视觉污染,也实现了土地综合利用、美化景观环境的目的。

　　 此外,砾间接触氧化法还具有如下一些特点:

　　 (1)不同于活性污泥法等传统工艺,对于较淡水质的污水,亦有可观的处理效果;此外,对于进水水质较大幅度的波动,有较强的适应能力。

　　 (2)与活性污泥法和人工湿地等常规技术相比,占地面积大为减少,处理效率高。

　　 (3)运行维护简便,砾间无需配置复杂的仪表和自控系统,设计和施工得当的砾间日常仅需有限的操作维护工作量,即可常年稳定运行。

　　 (4)无需设置特殊的除臭设施,亦无传统生态处理技术常见的臭气污染问题。

　　 (5)与传统工艺相比,污泥量大幅减少,减轻了后续污泥处理处置的压力。

　　 (6)灵活运用砾间技术,可很好地弥补传统手段的不足,如污水处理厂和管网配置之间常见的失衡,砾间更擅长于分散和就地处理,因此通常对大规模收集系统并无太大的依赖。

　　 (7)运用砾间技术尤其适用于分散污水直接处理后就地排放,或直接对地表水进行水质干预,可克服以往“统一收集、集中处理”等常规布局所造成的河道上游枯水现象,被认为是对传统理念的一种完善和修正。

　　 合肥市某乡镇污水处理厂项目要求尾水排放前必须经过人工湿地的深度净化,设计处理规模2 500 m³/d,人工湿地的设计进出水水质如表1所示。

　　 目前常用的人工湿地工艺可分为表面流和潜流2种类型。一般而言,表面流湿地运行维护便捷,但处理效率较低,单位处理规模用地较大;潜流湿地处理效率较高,但造价偏高,维护工作量较大。为确保排放水质,避免单纯设置表面流湿地造成占地过大的问题,本项目拟定了2 套工艺方案进行综合比选,即方案一:表面流人工湿地与前置的砾间接触氧化单元构成的砾间+ 湿地组合;方案二:水平潜流湿地与后置的表面流人工湿地组成的复合型人工湿地。

　　 方案二中,水平潜流湿地设计停留时间约1.25d,有效水深1.5m,共分为6个单元,其中5块运行1块轮休,单块有效面积约1 200m²;表面流湿地停留时间约1.3d,有效水深0.6~1.2m;复合型人工湿地总占地面积约1.45hm²。

　　 根据表2的分析,方案二以水平潜流为主的复合型人工湿地,尽管运行效果尚可且维护成本低廉,但运行稳定性较低、波动性大,存在堵塞风险,且需大量征地和拆迁,给项目业主在土地征用和移民安置等方面带来较大压力。

　　 方案一以砾间接触曝气氧化法为主处理单元,由于前置砾间拦截了绝大部分入流污染负荷,工艺配置决定了该方案具有处理效率高、出水水质优、操作运行稳定可靠且可控性强等特点,尤其是全地下设置免除了冬季低温条件的干扰,在硝化效率等方面亦可常年保持稳定,确保出水达标,且节省了大量征地费用和宝贵的土地资源;因此推荐采用方案一,即砾间接触曝气氧化法-表面流人工湿地工艺作为本项目的首选方案。

　　 特别需要指出的是:本项目的设计进水水质指标和湿地设置,主要源于地方排放标准和业主要求。然而根据以往的大量工程实例,即使进水浓度更高或在无后置湿地的情况下,经优化设计的砾间接触氧化工艺也足以满足既定的排放水质要求;这也意味着若设计标准允许,砾间有能力多承担一些污水处理厂污染负荷,因此增设砾间可为污水处理厂的设计与运行提供一定的灵活度和弹性。另一方面,表面流人工湿地的设置除借助其一定的工艺性能外,在更大程度上则是出于强化项目本身景观和生态功能的需要。

　　 该乡镇污水处理厂尾水不经提升,可藉重力自流进入砾间接触氧化单元。砾间设计处理规模为2 500m³/d,由进水渠道、进流整流渠道、砾间主槽体、出流整流渠道和出水渠道等组成,总水力停留时间约3h。

　　 砾间主槽体内填充天然砾石,粒径10~25cm。砾间槽体底部配置有曝气系统,可以为生化反应供氧,并为反洗排泥供气,排泥频率为3~6月/次,反洗后砾间污泥随出水渠道排出,并进入污水处理厂污泥处理系统或回流至污水处理厂进水端,设计污泥产量约1 200kgDS/季。

　　 砾间单元采用全地下结构,平面尺寸约30m×14m,水深约4m,占地面积约420m²。

　　 砾间单元配置有2 台罗茨鼓风机供氧,1 用1备,单机功率约5.5kW。砾间鼓风机单元与污水处理厂鼓风机房合建。

　　 砾间接触氧化单元出水利用自然地形重力自流入表面流人工湿地,湿地设计处理规模为2 500m³/d,占地面积约6 700m²,有效水深0.6~1.2m,水力停留时间约1.3d。

　　 湿地由开放水面区和挺水植物密植区交替组成,湿地内栽种有芦苇、香蒲和灯芯草等水生植物。为强化环保项目本身的环保和生态特性,本项目充分利用现场的地质条件,避免采用任何土工材料等人工防渗措施,采用晶化法施工作业构筑湿地的自然防渗层。经表面流湿地进一步优化水质后,尾水排入临近河道。

　　 目前该乡镇污水厂的尾水深度净化工程已投入施工建设,调试和试运行也将随后陆续展开。为对项目的实际运行效果进行合理预测,需对已建成并运行多年的类似工程进行调研摸底,收集实测数据进行比照分析。本文引用两项已建项目进行研究,分别为南湖砾间和江翠砾间(见图2)。

　　 南湖砾间位于台湾省台北市,用以处理基隆河沿岸的合流管道污水,设计处理规模为5 500m³/d,项目于2006 年9 月建成通水。2006 年11 月~2007年4月的主要进出水实测水质详见表3。南湖砾间自建成后,至今一直保持持续稳定运行。

　　 江翠砾间位于台湾省新北市,用以处理新店溪沿岸的合流管道污水,设计处理规模28 500 m³/d,项目于2009年建成通水。2012年9月~2013年4月的主要进出水实测水质详见表4所示。

　　 综上,根据对类似项目实际运行效果,包括进出水水质和一般去除率等操作参数的分析研究,预计本项目建成后尾水深度净化设施可满足排放水质的要求,并实现既定的设计目标,其中的砾间工程将承担大部分污染物的降解工作。

　　 我国水环境现状的基本情况是污染负荷大,环境容量有限,水环境质量虽已经大量投入和整治但依然不容乐观。 因此,从市政污水处理厂的设计和运行角度而言,近年来以地表水环境质量标准为目标,进一步提高排放标准的需求日益强烈,研究和探索适应我国国情的污水处理厂尾水深度净化工艺的努力从未间断。虽然已获得了广泛应用,但业内普遍认为人工湿地在处理效果、长期稳定性,特别是大量占地等方面依然存在诸多技术和实施障碍。

　　 砾间接触氧化法在河道整治、水环境修复和污水处理厂替代等领域已大量应用;同时,经优化设计、施工和运行的砾间工艺同样适用于污水处理厂尾水的深度净化单元,并可与污水处理厂的常规工艺流程无缝耦合;此外,砾间在工艺的处理效果、运行稳定性和可操控性,以及控制占地面积等方面可有效克服了人工湿地的固有不足,因此可以被认为是既有手段的一种替代或补充。可以预期,在提标升级需求的不断推动下,砾间接触氧化法有潜力在污水处理厂的新建和改造领域获得进一步的推广应用,其技术前景值得广大工程技术人员深入探索和研究。