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水环境治理技术大盘点(四): 水质净化

发布时间:2020-10-28 15:57

  黑臭水体经过底泥处理、面源与点源截污治理之后,需要对治理流域内的污染水质进行净化处理,以达到水质考核标准。本文对水质净化涉及的曝气增氧技术、化学物理技术和人工湿地技术做梳理介绍。

  曝气增氧技术是指向水中充气或搅动等方法增加水域空气接触面积,提高水体溶解氧的工艺技术。就曝气方法而言,主要分为潜水推流曝气、旋流曝气、射流曝气、提水式曝气、太阳能曝气、生态穹顶曝气等。

  潜水推流曝气机主要由潜水电机、固定在潜水电机壳体前端的气腔和位于气腔前的螺旋桨构成,螺旋桨的内毂固定于潜水电机穿过气腔的输出轴上,气腔侧壁连接导气管,并与螺旋桨内外毂的空隙相连。螺旋桨外毂前端

  连有曝气头,曝气头顶端开有通气孔。在潜水电机带动螺旋桨高速旋转时,不仅在曝气头顶端形成强力负压,经导气管抽吸外界空气,而且曝气头随螺旋桨高速旋转 ,曝气头的空气切割成大量小气泡,与水流充分搅拌混合,产生更为细小、均匀的气泡,提高增氧效率。

  旋流曝气是在曝气池边放置散气器或散泡器,使水体产生螺旋运动,主要用于曝气沉沙池与活性污泥法中,适用浅层曝气。旋流曝气运行费用低,但比微气泡曝气机需要更多的空气,传氧效率较低。

  射流曝气同样适用于活性污泥法工艺,在曝气池中利用射流式扩散器补充氧气,搅动混合能力强,传氧效率高,费用中等,但喷嘴容易堵塞。

  提水式曝气也称喷泉曝气,通过电动机带动水下叶轮旋转,将水提升喷洒到空中形成细小水滴,水滴携带氧气返回水体。水下叶轮的巨大扭矩可带动大范围水体流动,喷泉造成变成水体大量扰动也为水体提供极高的增氧率。

  提水式曝气形成特有的水体对流,使水流在垂直循环运动中,表层水体与底层水体不断交换,将氧气输入水体底部,同时将废气配出水体表面。由于表层水体较热厌氧性高,底部温度较低的水流输送到表层后,可有效抑制水体表面藻类繁殖,增强微生物好氧降解作用,消除有机物污染和黑臭。提水式曝气机安装简单、增氧能力强,而且有不同的喷泉花型喷嘴可以互换,增强水体景观效果。

  太阳能曝气是利用太阳能作为动力源,例如SOLAREAR解层式太阳能曝气机,设计出一种旋切提拉曝气叶轮,通过叶轮旋转提升,将底部缺氧的水转移到水体表面与富氧水混合,表层富氧水通过离心旋转横向扩散、纵向进入水体底部,实现水体解层、增氧和纵横向循环交换三重功效。

  生态穹顶是一个直径约2米、放置在30cm水泥底座上的倒扣的半球,半球内从大到小依次嵌套了4个半圆顶,形成7层表面,覆盖消解污染物的微生物膜,半圆顶中间留有直通到穹顶顶部的孔。生态穹顶安置在水体底部,通常排列几十个,一个生态穹顶所占面积约2.6平方米,但形成的微生物膜表面积达到260平方米。

  生态穹顶的工作原理是每层半圆顶下面安装环形的泡沫释放管,污水从水体底部吸入生态穹顶进行处理,释放出的泡沫再通过穹顶空腔从顶部的孔中溢出,达到净化水体的目的。

  生态穹顶技术起源于美国,一个生态穹顶价格大约200~300万元,几乎无需维护,单个耗电量近似一个75W的灯泡,每月运行费用只有几千元,如果利用太阳能或风能,费用更为低廉,而功效可以媲美污水处理厂。

  化学物理技术主要是通过添加化学药剂以及应用新型设备工艺实现强大的净水功效,例如添加除氮剂、除磷剂以及应用超磁分离水体净化技术。

  除氮剂主要化学成分是氧化硅和氧化铝,产品类型包括I型活性除氮剂和II型生物除氮剂。

  I型活性除氮剂具有独特的内部结构,对NH3极性分子有很强的亲和力。投入水体中,I型活性除氮剂将水体中的NH4+吸附到表面,NH4+将除氮剂中无害的阳离子置换出来,NH4+则被锁定在除氮剂结构中,不再释放,经水体微生物吸收转化,最终形成N2排放到大气中。

  II型生物除氮剂的微孔结构具有良好的吸附作用,并且适合微生物生长繁殖,因此除与I型一样进行离子吸附交换外,除氮微生物可吸附在除氮剂表面的微生物膜上,进行生物除氮。

  除磷剂由改性粘土制成,主要成分是氧化硅和氧化铝,也含有少量氧化钙、氧化镁、氧化铁及其他特殊物质,是最经济有效的除磷方法。

  除磷剂主要运用絮凝沉淀方式除磷,与水中的磷离子结合产生不易分解的沉淀物。除磷剂沉入水底,在底泥表层形成薄薄的粘土膜阻止底泥中的活性磷释放到水体中。

  超磁分离水体净化技术替代传统的混凝沉淀等依靠重力分离的悬浮物去除技术,应用稀土永磁技术,主动吸附悬浮物,提高分离效率。

  该技术原理是在水体中投加磁种(微磁絮凝剂),并配合添加混凝剂、助凝剂,将非磁性水体悬浮物与磁种快速凝聚成微小的磁性絮团,通过超磁分离机强大的磁力作用,与水分离。

  (2)处理时间短:磁力为重力的640倍,需处理水体从进入极速磁水分离器到达标出水,时间只需3~5分钟。

  (3)处理水量大:单台设备占地面积约100平米,处理水量在5000~10000吨/天以上。

  (4)运行成本低廉:运行费用包括电费、药剂费、磁分的初次投资费用,较常规沉淀工艺节省30%以上药剂投加量,系统吨水电耗0.01元,处理10000立方米每天水量的全套设备装机功率仅40余千瓦。

  (5)处理效率高:分离出的污泥含水率90%, SS去除率95%以上,总磷去除率90%以上,COD去除率50%以上。

  人工湿地技术是指用人工筑成水池或沟槽,在底部铺设防渗漏隔水层,再填充一定深度的土壤或填料,种植水生植物,污水从湿地一端通过布水管渠进入湿地,与生物膜、水生植物根系接触使水体净化。主要包括表面流人工湿地、潜流人工湿地、复合垂直流人工湿地、三角洲型(扇形)人工湿地等。

  表面流人工湿地通常由一个或几个池体组成,池体间设隔墙,底部及墙体采取防渗措施防止污水扩散。池体一般填有土壤、砂或者其它合适的基质供水生植物根系的发育和固定。

  表面流湿地流动水位较浅,多在0.1~0.6m,污水在湿地中缓慢水平流动,植物水下茎杆生长有生物膜,去除污水中的绝大部分有机物,与自然湿地最为接近。

  表面流湿地建造简单、投资较低,但占地面积大、负荷也较低。湿地温度较高时易孳生蚊蝇,温度较低时会发生表面结冰导致系统的处理效果大幅下降,且不能充分利用填料及丰富的植物根系,因而实际应用较少。

  潜流人工湿地类似于表面流人工湿地,但污水在基质中流动时,水面低于基质表面,呈潜流状态,一方面充分利用基质表面生长的生物膜、植物根系与基质截留作用,提高污水处理能力,另一方面水面在基质表面以下可避免表面流中蚊蝇滋生和温度变化的问题。

  潜流人工湿地分为水平潜流和垂直流湿地,水平潜流湿地是指污水以水平方式在基质中流动,在微生物、植物和基质共同作用下,水平潜流湿地水力负荷高,可有效去除BOD、COD、SS、重金属等污染物,目前使用比较广泛,但控制较为复杂,去除N、P效果不如垂直流人工湿地。

  垂直流人工湿地分为下向流和上向流,下向流是指污水从湿地表面流入,自上而下经基质从底层流出,上向流则为自下而上方向,下向流操作简单较为常用。垂直流人工湿地中氧气可以通过大气扩散和植物传输进入湿地,使内部氧气更为充分,利于好氧微生物生长和硝化作用,N、P去除效果明显。

  复合垂直流人工湿地由上行流池和下行流池构成,下行流池略高,下行流池表面排有布水管,污水经进水管均匀分布在下行流池的湿地表面,经下行流池基质填料层至池底。下行池与上行池底由连通管连接,水流经上行池基质填料层向上流至上行池填料表面的集水管出水,上行池底设置排空管排出空气。

  复合垂直流人工湿地使水流更加充分流经整个基质,形成好氧、厌氧并存的复合水处理结构,显著提高污染物尤其是氮、磷的去除效率。该系统常年运行稳定,且费用较低,仅为常规污水处理的1/5~1/3,并兼具景观效果,美化环境。

  三角洲型(扇形)人工湿地位于河流交汇处,是削减支流污染负荷的最后一道屏障,选用高吸附性能填料,高吸收性能植物,强化对支流来水的深度净化。

  高吸附性能填料以白云岩、沸石为主,填料粒径6-10cm。白云岩是一种沉积碳酸盐岩。主要由白云石组成,常混入石英、长石、方解石和粘土矿物。沸石是沸石族矿物的总称,是一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物,具有吸附性、离子交换性、催化和耐酸耐热等性能,广泛应用于吸附剂、离子交换剂和催化剂、气体干燥净化和污水处理等方面。

  高吸收性能植物以芦苇为主,并可在三角洲湿地来水处及两侧水浅处种植千屈菜、鸢尾、水葱、慈姑、梭鱼草、泽泻等兼具净化污水和美化景观的植物。

  通过各种技术手段增加水体动力、含氧量及污水处理能力,根据水体实际情况匹配最经济、高效的水质净化技术组合,尽快实现水质达标,黑臭水体治理已成功了一大半。

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