景观水质生态净化技术与试验研究.docx
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景观水质生态净化技术与试验研究
景观水质生态净化技术与试验研究
章芳
摘要
水体富营养化问题日益严峻,为了满足现代生活的要求,对景观水的处理已经迫在眉睫。
采用生态水处理的方式较之传统处理方式而言有减少投资等优势。
人工湿地系统处理后的出水水质可以达到地面水水质标准,因此它实际上是一种深度处理的方法。
而人工湿地系统中填料是关键,通过对粉煤灰、空心砖、煤渣和活性炭四种填料的试验研究,得出处理不同性质污水适应的最佳填料。
关键词:
景观水、生态处理、人工湿地、填料
Astract
Theproblemofnutrientwastewaterisbecomingmoreandmoreserious.Tomeetwiththerequestofmodernlife,handlingscenicalwaterisurgent.Comparingwiththetraditionalway,ecotypictreatmenthasmanyadvantagessuchasdecreasingtheinvestmentandsoon.Thequalityofenfluientcanreachthelevelofsurfacewaterafterbeingtreatedthroughtheconstructedwetlandsystemthatispracticallyakindofdeeptreatmentsystem.Becausemediaisthekeypartoftheconstructedwetlandsystem,wecanfindthebestmediatotreatwastewaterofdifferentqualitythroughtheexperimentalresearchwithfourmaterials:
flyash,hollowbrick,coalcinderandactivecarbon.
Keywords:
Scenicalwater,ecotypictreatment,constructedwetland,media
1.绪言
1.1课题的来源
随着工农业生产的高速发展和人民生活水平的日渐提高,水体的富营养化问题也日益严峻。
世界上一半以上的湖泊和水库的水质因受到污染而不断恶化,而地球表面90%的液体淡水来自这些湖泊和水库。
随着世界人口的不断增加,水资源的问题可能将进一步恶化。
据全国二十六个主要湖泊水库富营养的调查表明:
贫营养的一个,中营养的九个,富营养的十六个,其中,有六个的总氮、总磷的负荷量极高,已进入异常营养型阶段。
自20世纪70年代以来,世界各国都认识到控制水中氮磷的含量是控制富营养化的关键因素,开展了脱氮除磷机理及工艺的研究。
我国从80年代初开始,也进行了大量这方面的研究,其中有的已进入规模应用,并取得了满意的效果[1]。
据了解,经过人工湿地系统处理后的出水水质可以达到地面水水质标准,因此它实际上是一种深度处理的方法。
特别适用于饮用水源和景观用水保护,处理后的水可以直接排入饮用水源或景观用水的湖泊、水库或河流中。
因此特别适合处理饮用水源或景观用水区附近的生活污水或直接对受污染水体的水进行处理,或者为这些水体提供清洁的水源补充。
采取传统的方法需要大额的一次性投资和运行费用,而且需要专业的管理人员。
而采用人工湿地的技术来处理景观水,不仅投资低,能耗低,且脱氮除磷效果尤为明显。
本课题是由温岭锦园小区建设指挥和委托的。
1.2人工湿地简介
1.2.1人工湿地的发展
最初的人工湿地污水处理系统与土地处理系统相似:
将污水引入按一定目的和方式人为平整过的土地中,并在这片土地中种植大量高等水生植物。
由于土壤的渗水能力有限,因此,种不同的植物对人工湿地的处理能力将产生不同的影响。
经过深入研究,选出芦苇在提高土壤的渗透系数方面有显著的效果,所以欧洲的人工湿地有相当一部分种植芦苇,称为芦苇床。
七十年代起,北美和澳大利亚也开始研究人工湿地污水处理系统,并在如何提高湿地的处理能力方面有了较大的进展。
到了八十年代,出现了以砂和碎石铺垫池底,在砂(石)上种植高等水生植物的人工湿地。
从此,在人工湿地的设计中,增加了如何选择基质(植物生长的一层物质)这一项工作,以土壤为基质的人工湿地逐渐被以砂石为基质的人工湿地所取代,从而使得人工湿地的占地面积有可能大幅度的减少。
目前,人工湿地污水处理系统已成为国际上十分热门的研究课题。
1.2.2人工湿地的优缺点
目前,人工湿地作为一项新技术,已经越来越引起了人们的重视,总结人工湿地的优点有:
(1)建设成本低
据国外统计,一般人工湿地污水处理系统的投资比常规的二级污水厂的低。
对我国已建成或正在建的二级污水处理厂的投资进行分析,也表明人工湿地的投资远远低于常规污水处理设施(见表1-1)[2].而较低的投资对于我国现阶段经济承受能力来说是最佳方案。
(2)运行管理成本低-无需专职人员管理、无电耗及药耗
从表1-1可以看出,人工湿地吨水处理费用仅为相近地区的鼓风曝气型项目的16%(珠海)-20%(深圳),为同一地区氧化沟方法的34%。
原因有:
表1-1人工湿地污水处理系统与其他污水处理系统比较表
项目名称
处理方式
吨水投资
(元/m3)
吨水处理费(元/m3)
年耗电(万度)
吨水耗电(度/m3)
吨水用地
(m2/m3)
深圳某厂
鼓风曝气
660
>0.20
319
0.175
2
珠海某厂
鼓风曝气
833
>0.20
420
0.64
1
海南某厂
氧化沟
574
0.20
102.4
0.28
1.2
深圳某人工湿地
人工湿地
138
0.02
0
0
2.7
1)由于人工湿地基本上不需要机电设备,故维护上只是清理渠道及管理作物,一般人员完全可以承担,只需个别专业人员定期检查。
2)人工湿地基本上不耗能,也不需要投药,这是其他处理方法无法与之相比的。
而且其他处理工艺的能耗不仅是经济问题,同时也是环境问题,因为耗能过程中产生的CO2、SO2等气体会污染大气环境。
(3)污水处理产物资源化-回用
人工湿地污水处理系统特别注意污水处理与水资源利用相结合的特点,代表了21世纪小城镇污水处理发展的主要方向[3]。
表1-2人工湿地污水处理系统与传统二级污水处理系统效果比较表
污水成分
/mg·L-1
人工湿地污水处理系统
传统二级污水处理系统
平均
最高
BOD
10~20
<30
30
SS
10
<20
30
TN
10
<20
20
NH3-N
5~10
<15
15
TP
4
<10
10
从表1-2可看出,人工湿地污水处理系统的出水水质优于常规的二级处理,其出水一般可直接用于农灌或景观用水等回用。
(4)N、P处理效果显著
从表1-2可看出,人工湿地污水处理系统对N、P等指标的去除效果是常规二级处理所不及的。
(5)操作简单
尽管人工湿地的优点很多,但是也存在着如下缺点:
(1)占地面积大,进水负荷小
从表1-1中可知,人工湿地的占地面积较之另两种而言要大,约是常规污水处理厂的1-3倍。
可能受到土地面积需求的限制,特别是在城市化地区。
因此许多学者致力于研究提高人工湿地处理效率的方法,以提高人工湿地进水负荷,从而减少占地面积。
(2)易堵塞,运行周期较短
人工湿地堵塞后,目前还没有很好的恢复对策。
国外流行的做法是让堵塞后的床体经过几个星期的停床修整来部分恢复渗透性,而轮休期的长短则取决于天气条件。
但是还是有很多学者认为堵塞问题可以得到有效解决。
他们认为人工湿地污水处理系统趋于成熟稳定后,堵塞速率会逐渐降低[4]。
(3)达到稳定状态所需时间较长
深圳市环境科学研究所设计的“洪湖公园人工湿地系统水质净化工程”在运行开始阶段(约6个月)处于不稳定状态。
系统运行半年以后,污染物去除效果才好。
这表明人工湿地生态系统需经过约半年时间才能达到稳定状态[5]。
(4)处理效果不稳定
人工湿地能有效去除悬浮物和有机物。
但是,考虑到营养物质的累积,人工湿地的运行并不很好,因为只有30%的N和P被去除[6],而且通常在几年内基质吸附P的能力就会饱和,并开始释放过剩的P[7]。
同时人工湿地处理效果受温度,气候影响比较大。
有研究表明:
水温低于10度时,人工湿地的处理效果会明显下降[8],就是说,夏天的处理效果要好过冬天[9],但是温度高于30度又会对硝化与反硝化等生物化学过程产生抑制作用[10]。
也有研究表明,N的去除率会随季节变化而产生统计意义上的差异[11]。
不过Yang等[12]发现,当绿地运作一段时间(如3年)后,去除效率基本不再受环境因子(如温度、污水流量等)的影响。
1.2.3人工湿地处理污水的机理
人工湿地处理污水的机理较复杂。
学者们一般认为人工湿地系统中,生长着大量的水生植物和大量的厌氧菌、好氧菌。
污水在流经人工湿地时,经过物理沉淀、吸附,微生物分解、植物吸收等作用而使污染物浓度降低。
其中具有沉降性的有机物通过沉积和过滤可很快被去除;而磷的去除主要靠沉淀、吸附及水生植物的吸收。
具体解释为:
人工湿地污水处理系统中,氮通常以有机氮和离子氮的形式存在。
有机氮首先被截留或沉淀,然后在微生物的作用下转化为离子氮。
由于填料颗粒带有负电荷,NH4+很容易被吸附。
硝化细菌通过硝化作用将NH4+转化为NO3-,填料又可恢复对NH4+吸附功能。
硝化作用在植物根系区的微氧环境下发生,植物根系又为硝化细菌提供了丰富的表面。
填料对带负电荷的NO3-没有吸附截留能力,NO3-可以为植物根系吸收而成为植物营养成分或通过反硝化最终转化为N2或者N2O而挥发掉。
反硝化作用在纯土层(缺氧和厌氧环境)中很快发生。
因此,影响氮去除的主要限制过程是氮的硝化作用,而冬季较低的气温抑制硝化作用和植物根系放氧作用时,这种限制会更大[13]。
人工湿地污水处理系统对磷的去除作用主要包括填料的物理作用、化学作用和微生物的同化作用以及植物的摄取作用[14].其中,填料的物理作用即填料截留悬浮物所引起总磷的去除作用,即过滤性总磷的去除作用。
化学作用主要是吸附和化学沉淀作用,生物作用包括微生物的同化作用和植物的摄取作用。
人工湿地对磷的主要去除作用是化学吸附和沉淀以及微生物同化作用[15]。
选用适宜的填料土体可使除磷效果跟更好。
1.3试验研究的意义
由人工湿地处理污水的机理可知:
填料的选择对于人工湿地污水处理系统的运行效果有着重要的意义。
填料土体是人工湿地的基质与载体,填料的所有理化性状都可能影响到它对污水的处理效果。
在人工湿地内部填充多孔的、有较大比表面积的填料,可以改善人工湿地的水力学性能,为微生物提供更大的附着面积,同时增强系统对污染物(尤其是氮、磷)的去除能力。
土体对污染物的成功截留为后续植物吸收创造良好条件,是出水水质的重要保证。
1.3.1填料的选择与级配
一些学者认为,不同的填料对人工湿地的处理效果影响较大,比如:
土壤的去污功能不如砾石[16,17]。
1.3.2水流类型
不同的水流类型也会对处理效果产生影响。
人工湿地污水处理系统按填料土体的构造形式可分为水平流系统和垂直流系统,两者各有优缺点[18],见表1-3。
最初人们感兴趣的是水平流系统,因为它简易、造价低、运行能耗省,因此已得到广泛的应用。
但是它的输氧能力差,不利于除氮,所以垂直流系统又得到了重视。
垂直流系统还有比水平流系统稳定性好的优点,学者们分析原因是:
1)
垂直流系统中微生物浓度高;2)垂直流系统受温度影响小;3)营养物易于留在垂直流系统基质里[19]。
表1-3水平流系统和垂直流系统优缺点比较表
名称
水平流系统HF
(horizontal-flow)
垂直流系统VF
(vertical-flow)
优点
1)易于去除SS和细菌;
1)易于硝化(输氧能力好);
2)易去除BOD5(一定溶解氧水平下);
2)易去除BOD5和COD;
3)易反硝化。
3)可去除细菌。
缺点
不易硝化(输氧能力差)
1)易堵塞;2)SS去除效果不好。
由于水平流系统和垂直流系统各有优缺点,许多学者将两者组合使用,取得了良好的效果。
如将垂直流系统放在组合系统前端,输氧率高,处理效果较好,同时可以通过反硝化去除总氮;也有人将水平流系统前置于垂直流系统,先去除部分TSS,有效地防止了堵塞。
1.3.3填料土体的面积、形状、温度以及污水在填料土体中的滞留时间和运行方式[20,21]
人工湿地污水处理系统有四种不同的进水方式[22]:
推流式、回流式、阶梯进水式、综合式。
见图1-1。
其中,阶梯进水可避免处理填料土体前部堵塞,使植物长势均匀,有利于后部的硝化脱氮作用;回流式可对进水进行一定的稀释,增加水中的溶解氧并减少出水中可能出现的臭味;出水回流还可促进填料土体中的硝化和反硝化作用,采用低扬程水泵,通过水力喷射或跌水等方式进行充氧;综合式则一方面设置出水回流,另一方面还将进水分布至填料土体的中部,以减轻填料土体前端的负荷。
图1-1人工湿地进水方式图
人工湿地污水处理系统有四种不同的运行组合:
单一式、串联式、并联式、综合式。
见图1-2。
图1-2人工湿地运行组合图
1.3.4管理措施
人工湿地运行过程中,采取一些措施也能提高填料土体处理效果。
例如,Davies发现往水体中加入一定量的明矾[A12(SO4)3],会使磷的去除率显著升高;主要原因是由于Al3+与PO43—结合生成了AlPO4沉淀[23],更容易被填料截留。
最近Ann等发现FeCl3固化磷酸根的效果比明矾更好[24]。
还有研究发现,人为升高湿地中的BOD:
NO3-N之比(如添加秸秆或甲醇),填料土体中氮的去除率会大幅度提升,能从30%左右上升至80%-90%左右[25];原因是BOD:
NO3-N太低时不利于反硝化的进行,当比值上升到2、3时,反硝化率达到最大值。
不过,Baker[26]直接用C:
N来表示NO32—的去除率,他发现C:
N>5:
1时,反硝化效率最高。
2.景观水质生态净化技术
2.1景观水的概念
水景同绿化一样,都是一种景观。
从来源上说,水景又可分为两类,即借景和造景,前者是在规划设计中创造更多、更好的景观朝向,将天然的水景借过来;而后者则是指人工造出水景,而这种水景。
借景型的以观水为主,而造景型的则以亲水为主。
随着生活水平的提高,现在人们日益关注以水景为主题的小区、园林、城镇等建设。
水是否是清水?
水景的水是否是已经治理过的?
将来治理成什么样子?
也成为人们关注的话题。
景观用水包括池水、流水、跌水、喷水和涌水等用水,景观水应为流动水循环使用,并根据需要设置循环水净化装置和水生植物生化系统,无水质恶化现象。
2.2景观水标准
2.2.1标准的分类
按照水体的不同功能,分为三大类:
A类:
主要适用于天然浴场或其他与人体直接接触的景观、娱乐水体。
B类:
主要适用于国家重点风景游览区及那些与人体非直接接触的景观娱乐
水体。
C类:
主要适用于一般景观用水水体。
2.2.2标准值
各类水质标准项目及标准值列于表2-1:
2.3景观水处理方式比较
2.3.1处理景观水的几种方式
(1)物理方法
1)引水换水方式
当水体中的悬浮物(如泥、沙)增多,水体的透明度下降,水质发浑。
可以通过引水、换水的方式,稀释水中的杂质浓度,以此来降低杂质的浓度但是需要
更换大量的水,而水资源在我国是相当的匮乏,势必要浪费宝贵的水资源。
表2-1景观娱乐用水水质标准
序号
分类
标准值
项目
A类
B类
C类
1
色
颜色无异常变化
不超过25色度单位
2
嗅
不得含有任何异嗅
无明显异嗅
3
漂浮物
不得含有漂浮的浮膜、油班和聚集的其他物质
4
透明度,m
≥
1.2
0.5
5
水温,℃
不高于近十年当月
平均水温2℃
不高于近十年当月平均水温4℃
6
pH值
6.5-8.5
7
溶解氧(DO),mg/L
≥
5
4
3
8
高锰酸盐指数,mg/L
≤
6
6
10
9
生化需氧量(BOD5),mg/L
≤
4
4
8
10
氨氮1),mg/L
≤
0.5
0.5
0.5
11
非离子氨,mg/L
≤
0.02
0.02
0.2
12
亚硝酸盐氮,mg/L
≤
0.15
0.15
1.0
13
总铁,mg/L
≤
0.3
0.5
1.0
14
总铜,mg/L
≤
0.01
(浴场0.1)
0.01
(海水0.1)
0.1
15
总锌,mg/L
≤
0.1
(浴场1.0)
0.1
(海水1.0)
1.0
16
总镍,mg/L
≤
0.05
0.05
0.1
17
总磷(以P计),mg/L
≤
0.02
0.02
0.05
18
挥发酚,mg/L
≤
0.005
0.01
0.1
19
阴离子表面活性剂,mg/L
≤
0.2
0.2
0.3
20
总大肠菌群,个/L
≤
1000
21
粪大肠菌群,个/L
≤
2000
注:
1)氨氮和非离子氨在水中存在化学平衡关系,在水温高于20℃,pH≥8时,必须用非离子氨作为控制水质的指标。
2)浴场水温各地区根据当地的具体情况自行规定。
2)循环过滤的方式。
在水景设计的初期,根据水体的大小,设计配套的过滤沙缸和循环用的水泵,并且埋设循环用的管路,用于以后日常的水质保养。
如果水体面积较大,必定延长循环过滤的周期,使水质不能达到预期的效果。
和引水、换水相比较,虽然减少了用水量,但日常的电能耗费增加了,同时也增加了设备的日常维护保养的费用。
(2)化学方法:
投加杀菌灭藻剂
敞开式的水体,在阳光的照射下,会使水中的藻类大量繁殖,布满整个水面,不仅影响了水体的美观,而且挡住了阳光,致使许多水下的植物无法进行光合作用,释放氧气,使水中的污染物质发生化学变化,导致水质恶化,发出难闻的恶臭,水也变成了黑色。
所以投加化学灭藻剂,杀死藻类。
久而久之,水中会出现耐药的藻类,灭藻剂的效能会逐渐下降,投药的间隔会越来越短,而投加的量会越来越多,灭藻剂的品种也要频繁的更换,对环境的污染也在不断地增加,而这种污染会影响我们的下一代。
所以说用化学的方式处理水质,虽然是立竿见影的,但它的危害也是显而易见的。
(3)微生物方法:
投加微生物
微生物在自然界大量而广泛的存在,是生态系统的重要组成之一。
它们能将自然界中的动、植物的尸体及残骸分解,将一些有害的污染物质加以吸收和转化,成为无毒害或毒害较小的物质。
可以在景观水水质恶化的时候,投加适当的适量的微生物(各类菌种),加速水中污染物的分解,起到水质净化的作用。
微生物的繁殖速度惊人,呈几何级增长,每一次繁殖都或多或少的会产生一些变异品种,导致微生物处理水质能力下降,而且很难控制其数量,其生长又受环境的影响很大,例如温度、气压等等。
同时微生物的分解物,会造成藻类的大量繁殖,再次导致水质变坏。
因此用微生物处理水质,必须定期进行微生物的筛选培育、保存、复壮等等一系列专业处理过程,而且不能保证水质状况长期处于良好的状态之中。
(4)生态处理的方法
生态水处理简而言之,就是在水域中人为地建立起一个生态系统,无需人类外在干预,其实质是结合生态学的能量流动和物质循环原则构建合适的食物链以达。
到水体的生态平衡。
此过程看似简单,但需要在实施前进行缜密的规划设计。
因为生态法处理水体是一个系统工程,必须按新建或老水体的实际情况,科学合理设计水处理方案。
在工程设计时即综合考虑;全面规划。
景观水体与外界水体的交接处应设有合理的可控缓冲装置,然后按生态系统的平衡过程及水质变化,将自然与人工结合,对水质等进行调控。
2.3.2生态水处理的优越性
从表2-2可以看出,采用生态水处理的方式的优越性有:
(1)无需过滤,大大减少设备投资,降低设备的运行费用和设备的维修保养费。
(2)无需专人管理,也能达到水质要求。
(3)整个水体自身调节能力增加,对水质的波动可以通过自身的生态来进行调整。
(4)营造出一个更自然更优美的天然水景。
2.4景观水生态处理
2.4.1景观水生态处理的原理
一个完整的水体生态系统应包含种类及数量恰当的生产者、消费者和分解者,具体地说包括水生植物、鱼、虾、贝类等水生动物以及种类和数量众多的微生物。
当污染物进入水体后由相应的微生物把它们逐步分解为无机营养元素,从而为水生植物的生长提供了营养。
微生物在分解污染物过程的同时获得能量,得以维持自身种群的繁衍。
水生植物一方面吸收水中无机营养元素,避免了水中无机物过量积累,另一方面植物的光合作用为水体中各生物种群提供了赖以生存的溶解氧,同时,水生植物是浮游植物食性和草食性水生动物的食物来源。
因此水生植物(生产者)是水体中所有水生动物和微生物最主要的和最初的能量来源,其种类和数量在水体生态系统的平衡中起到至关重要的作用。
水生动物(消费者)直接或间接以水生植物和微生物为食,可控制水生植物和微生物数量的过量增长,在保持水质清澈的过程中起重要作用。
水生动物排泄的粪便和水生动、植物死亡后的尸体又为微生物(分解者)提供了食物来源,因此微生物是水体中的“清道夫”,它们为避免由水生生物带来的水体二次污染起着关键性的作用。
人工湖泊是在一定空间内,由生命系统和环境系统的多种因素,相互联系,相互制约,互为因果而组成的一个统一整体,即生态系统。
人工湖泊生态系统是复杂的系统,这不仅是因为所受外部影响的复杂性,而且因为其内部运行机制及各因子的并联的复杂性。
水色和透明度,随湖水化学成分的不同和水中悬浮物质及浮游生物的多少而变化,叶绿素a与湖水透明度之间存在着明显的负相关关系。
要防止湖泊富营养化,根本的是控制污染物,即水体初级生产力营养性物质的负荷量。
表2-2各种水处理方式的比较
处理方式
设备成本
运行成本
效果
维持时间
操作难易程度
物理方式
1.引水换水
一般
高
不确定
不确定
易
需要洁
净水源
依补水
量而定
2.循环过滤
高
很高
一般
时间一长会引发另外形式的污染
一般
1.循环设备
2.过滤设备
1.耗电
2.人工费
3.设备维护保养费
需专人管理
化学方式
灭藻剂
较高
一般
较明显
短
般
1.循环设备
2.加药装置
1.耗电
2.药剂费用
需专人管理
微生物方式
投加菌种
无需
较高
较明显
不长
较难
菌种费
需专人负责菌种的提纯
生态方式
菌种、水生动物、水生植物等等联合作用
一般
极低
显著
长期
有效
较难
菌种投放水生动物、植物的引种
水生生态法主要依赖于湖泊生态系内能量流动和物质转移的动态变化,运用水生生物的食物(营养)关系,根据住宅小区水域地理位置、气象气候、水体大小、水位变化、湖底底质、湖泊形态、湖水运动特点、水质特征等实际情况,科学合理设计水生动物的放养模式(包括种类、数量、个体大小、食性、种间关系、生活习性等),可以直接吸收溶解的营养物质及有机碎屑,又可吃掉一些藻类,使各种群生物量和生物密度达到营养平衡水平,同时可以考虑种植一些观赏水生植物,不仅可以吸收水体中部分营养盐和有毒物质,降低湖泊中氮、
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