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河湖水污染生态修复关键技术

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[LV.8]教授级高工

发表于 2017-11-9 20:13:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
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水资源的日益匮乏与水污染的不断加剧已成为制约我国社会经济可持续发展的重大“瓶颈”问题。河湖水污染生态修复是关键技术。河流、湖泊等地表水体是排放各种污水的汇集地,由于人类活动的加剧,污水排入增多,河湖的稀释净化作用已大为削弱,超出了河湖的自净界限,因而使污染物沉积在水中,造成河湖黑臭和水体富营养化。



    一、河湖污染现状
    (1)河流污染现状
    目前我国十大流域都已经受到不同程度的污染。2012年长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河、浙闽片河流、西北诸河和西南诸河等十大流域的国控断面中,Ⅰ~Ⅲ类、Ⅳ~Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面比例分别为68.9%、20.9%和10.2%,如图2所示。主要污染指标为化学需氧量、五日生化需氧量和高锰酸盐指数。




    (2)湖泊(水库)库污染现状
2012年,62个国控重点湖泊(水库)中,Ⅰ~Ⅲ类、Ⅳ~Ⅴ类和劣Ⅴ类水质的湖泊(水库)比例分别为61.3%、27.4%和11.3%,如表1所示。主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。


表1  2012年重点湖泊(水库)水质状况 (单位:个)


湖泊(水库)类型 I
类 II
类 III
类 IV
类 V
类 劣V

三湖* 0 0 0 2 0 1
重要湖泊 2 3 8 12 1 6
重要水库 3 10 12 2 0 0
总计 5 13 20 16 1 7



*指太湖、滇池和巢湖
    除密云水库和班公错外,其他60个湖泊(水库)开展了营养状态监测。其中,4个为中度富营养状态,占6.7%;11个为轻度富营养状态,占18.3%;37个为中营养状态,占61.7%;8个为贫营养状态,占13.3%,如图3所示。




    我国人均水资源占有总量少、供需矛盾突出、河湖污染、水生态系统脆弱等问题比较突出。因此,开展河湖水生态系统保护与修复,切实改善水环境和水生态系统现状是社会经济发展及生态环境建设的迫切需要。
    二、我国河湖水污染治理
    多年来,我国通过“水专项”及各种立项项目,实施了大量河湖治理工程,并相继制定了全面开展河湖深度治理的计划。已实施的河湖治理工程采用了多种技术方法:(1)采用截污、岸线整治、驳岸修筑、清淤、换水等市政(水利)工程方法的治理;(2)采用浅滩湿地、浮床湿地、沉水植被修复,漂浮植物抑藻等生态工程方法进行治理;(3)采用生态工程和环境工程组合方法进行综合治理;(4)采用生化-物化药剂、臭氧、超声波、纳米微气泡、生化过滤箱、高强磁场、沉水生物带(人工水草)、竹炭滤床、太阳能生物反应仓、等离子体反应器等新技术方法进行综合治理。 然而,对污染较重的河湖,能达到好的治理效果,又能取得较好技术经济指标的工程很少。




    生态-生物法是国外近年来发展很快的一种新技术,它是利用培育的植物或培养、接种的微生物的生命活动,对水中污染物进行转移、转化及降解作用,从而使水体得到净化的技术,具有处理效果好、工程造价相对较低、不需耗能或低耗能、运行成本低廉等优点。另外,这种处理技术不向水体投放药剂,不会形成二次污染,并且还可以与绿化环境及景观改善相结合,在治理区建设体闲和体育设施,创造人与自然相融合的优美环境。目前,国内已广泛使用的河湖污染水体生态治理技术主要有五项:生物膜修复技术、人工湿地技术、生态浮床技术、固定化生物酶技术以及曝气增氧技术。
    生物膜修复技术是以天然材料(如卵石、砾石及天然河床等)或人工合成接触材料(如碳纤维、纤维等)为载体,使微生物群体呈膜状附着于载体表面上,通过与污水接触,生物膜上的微生物摄取污水中的有机物作为营养并加以同化,从而使污水得到净化。
    人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面,将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上,污水与污泥在沿一定方向流动的过程中,主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用,对污水、污泥进行处理的一种技术。
    生态浮床技术是以可漂浮材料为基质或载体,将高等水生植物或陆生植物栽植到富营养化水域中,通过植物的根系吸收或吸附作用,削减水体中的氮、磷及有机污染物质,从而净化水质的生物防治法,同时通过收获植物的方法将水体中的富营养物质搬离水体,改善水质,创造良好的水环境。
    固定化微生物技术是将特选的微生物固定在选证的载体上,使其高度密集并保持生物活性,在适宜条件下能够快速、大量增殖的生物技术。这种技术应用于废水处理,有利于提高生物反应器内微生物(尤其是特殊功能的微生物)的浓度,有利于微生物抵抗不利环境的影响,有利于反应后的固液分离,缩短处理所需的时间。
    曝气增氧技术是根据河湖受到污染后缺氧的特点,利用自然跌水(瀑布、喷泉、假山等)或人工曝气对水体复氧,促进上下层水体的混合,使水体保持好氧状态,以提高水中的溶解氧含量,加速水体复氧过程,抑制底泥N、P的释放,防止水体黑臭现象的发生,恢复和增强水体中好氧微生物的活力,使水体中的污染物质得以净化,从而改善河湖水质。      
    三、河湖水污染生态修复解决方案
    北京市水处理环保材料工程技术研究中心回顾了近年来我国河湖水系治理历程中所取得的成就,分析其存在的主要问题,结合发达国家对河湖水系治理的一些经验,对我国河湖水系的治理提出了自己的观点,同时在总结多年的科学研究和工程经验的基础之上提出了河湖水污染综合生态治理研究方案和工程方案,如图4所示。以期为彻底治理河湖水系的污染提供新的思路,同时也可供其他城市在治理城市水系污染时参考。
    源头强制性达标排放是针对排污源头企业废水、农村污水进行物化与生化处理,实现达标排放,要求COD和氨氮去除率为10-20% 。        
    排污口截污针对入河生活排污口、工业排污口、养殖排污口和混合排污口不同水质特性采用生物滤池、人工湿地、碳纤维泛氧化塘、碳纤维一体化膜反应器等技术,实现清水入河,要求COD和氨氮去除率为20-30% 。
    河湖水生态修复通过底泥清理、投放微生物制剂、水生植被栽植与引入螺、贝、鱼、虾类等高级水生动物,实现河湖水生态系统恢复,要求COD和氨氮去除率为10-20% 。         
    河湖断面水质净化采用碳纤维浮床进行原位-移动修复,实现河道水质达标回用和景观效益,要求COD和氨氮去除率40-60%以上。
    四、河湖水生态修复关键技术
    北京市水处理环保材料工程技术研究中心经过多年的技术研发和工程实践,形成了一套河湖治理与生态修复关键技术,内容见表2。在河湖生物生态修复领域获得国家发明专利若干项,包括生态碳纤维材料、生物纤维草、生物碳纤维双层平板膜等专利技术,见表3。


表2 河湖水污染治理关键技术





序号 内容
1 碳纤维污水净化技术/生物碳纤维/生态碳纤维
2 生物碳纤维生态浮床技术
3 生物碳纤维双层平板膜技术
4 强化人工湿地技术
5 微纳米曝气
6 微生物挂膜菌剂BABRC-1


表3 生态修复相关国家发明专利

序号 名称 国家发明专利号
1 生态碳纤维材料 201110425425.3
2 生物纤维草 201110425930.8
3 生物碳纤维双层平板膜 201110425821.6
4 高强度生物碳纤维材料 201210308582.0
5 碳纤维湿地式生态浮床 201210308945.0
6 小型污水处理一体化设备 201210308942.7
7 一体化MBR膜生物反应器 201310598558X


    根据河湖的污染特性,本中心所提出的污染治理的生态修复技术隶属于水处理技术中的生物化学技术和膜技术范畴,但是和其他常见水污染处理工程中应用的技术相比,存在着以下一些不同点。第一,两者所处理的水体对象不同。生态修复技术所处理的是受到污染的河湖,属于微污染水体,COD100mg/L,氨氮10mg/L;而水污染处理工程所处理的水体通常为工业和生活废水,污染物浓度较高。第二,两者的做法不同。生态修复技术是对河湖水体的原位和移动修复,不需要任何设备;而工业和生活废水则需要进行集中处理,工程规模较大,设备较多。第三,两者的投资不同。生态修复技术的投资通常为600-900元/m3,远远低于水处理工程投资的4000-10000元/m3。最后,两者在管理需求和运行费用方面也不相同。生态修复工程在投入使用后不需要额外的维护管理,运行费用低廉;而水处理工程在投入使用后则需要进行维护与管理,并且运行费用较高。各生态修复技术介绍如下。
    (1)碳纤维污水净化技术
    碳纤维污水净化技术方面主要科研成果有生态碳纤维和生物相容性纤维两项。他们具有高比表面积、强吸附能力等特点。经实验研究与工程运用证明,与美国的阿科蔓生态基相比较,该碳纤维材料具有更好的水处理效果和更低的成本优势。该材料是净化受污染水域、修复水环境生态的最佳选择,能够实现环境零污染与生物安全。
    生态碳纤维材料是一种比表面积大、吸附和脱附性能强、与生物有良好兼容性的新型填料,由腈纶、丙纶和表面修饰后的活性碳纤维复合而成。它具有丰富的微孔结构,孔径分布范围广;比表面积很大,一般都在1000m2/g以上,具有较大的吸附容量;其微孔直接分布于纤维的表面,因而吸附质扩散的路径短、时间短,其吸附和再生的速率快,可在较温和条件下再生。针对其吸附容量大、吸附速率快、脱附速度快、灰分少、处理量大且使用时间长等优点,本单位将其用于水处理领域,由于体积密度小和吸脱层薄的原因,具备操作安全、不会造成蓄热和过热现象,也不易发生事故,且节能和经济,可用于多种类型废水(生活污水、养殖废水、印染废水、养殖废水等)处理、中水回用、河湖净水处理,不仅净化效率高,而且处理量大,装置紧凑,占地面积小,设备投资少,经济效益显著。




    生物相容性碳纤维是具有良好生物相容性的纤维状的碳材料,由其用途可进一步划分为生物医学材料与生物环境材料,在生物环境材料领域,生物碳纤维分为高强度生物碳纤维及生物活性碳纤维两类,因其在宿主与生物反应上具有优异的生物相容性、电、机械等综合特性被人们所瞩目。高强生物碳纤维是在生物碳纤维基础上,对其进行表面处理,增强生物相容性。碳纤维表面能低,与水的润湿性差,表面呈现出疏水性,经表面修饰处理后,碳纤维表面含氧官能团增加,表面能增加,与水的润湿性得到改善,接触角变小,表面呈现出亲水性。在污水处理过程中对污染物的吸附以及生物膜的负载都与生物碳纤维表面官能团的结构与组成密切相关,通过调整表面修饰方法和工艺参数,制备出润湿性好和微生物相容性高的生物碳纤维。
    中心联合国家碳纤维工程中心对生物碳纤维进行二次表面活性处理,模拟天然水草形态加工而成并编织成环状生物草,使其具有极高的吸附性和生物亲和性,经太阳光照射后,吸引微生物菌群并在其表面形成粘着性活性生物膜。这些微生物以有机污染物为能量来源,通过自身的新陈代谢作用降解水体中的有机污染物。




   
   


本团队长期承接河口海岸(港口航道)潮流泥沙、温排水、波浪、水质数模专题研究

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 楼主| 发表于 2017-11-9 20:15:10 | 显示全部楼层
(2)生物碳纤维生态浮床技术
    湖泊、河流等由于面积大等原因,利用一般工业或者生活污水采用的工艺具有一定的难度,而生态浮床工艺不仅具备较高的污水处理效率,在净化水质的同时也能起到景观的效果。其净化污水的机理为:①水生植物能吸收污水中的N、P等有机物作为营养物质用于自身的合成;②水生植物的发达根系能分泌促进有机物降解的物质;③水生植物能遮蔽阳光,能抑制藻类的生长;④水生植物发达根系表面附着大量微生物能降解污染物。但是,由于植物吸收能力有限,再加上根系上微生物量和种类有限等原因,导致这种传统的浮床工艺处理效果受限。
针对以上不足,围绕生物碳纤维材料,中心提出采用人工浮床+生物接触氧化的组合工艺处理河流、湖泊等微污染水体,将生物碳纤维与植物相结合,形成了生物碳纤维浮床技术,由浮床框体、浮床床体、浮床基质、浮床植物、生物碳纤维材料五个部分组成。




    本组合工艺具有以下几点优点:
    ①生物纤维材料具有高比表面积,吸附性能强,适应微生物生长及高强度等特点,完全解决了传统的生态浮床存在的问题;
    ②生物纤维材料的性状与水生植物的根系有很好的相似性,利用水生植物和纤维填料附着的生物膜,强化植物与微生物之间的协同作用,提高了微生物对水体的净化效果;
    ③生物纤维与床体的组合中放置于水中的纤维会受到水的牵引力,使得浮床整体不容易移动,提高了浮床的稳定性和牢固性。
基于中心的生物碳纤维浮床技术,根据水生植物载体材料的差异,中心提出了4种用于污水处理的生物碳纤维浮床组件,它们分别如下图所示:


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    (3)生物碳纤维双层平板膜技术
    生物碳纤维双层过滤平板膜是由设置在衬板一侧的生物碳纤维复合材料(比表面积大于1000m2/g)和设置在生物碳纤维复合材料远离衬板的一侧的过滤膜组成的平板膜组件。该平板膜中的生物活性碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维作为碳纤维原料,经逐渐升温进行预氧化处理,形成预氧丝,并在氮气气氛下,逐渐升温,以水蒸气作为活化剂,进行炭化及活化处理制备而成。在使用前,对上述活性碳纤维经过氧化氢和氨水溶液进行两次表面处理。最终制得由芯层(生物活性碳纤维)和包裹在芯层的外周的外层(丙纶纤维网眼布构成)组成的生物碳纤维双层过滤平板膜。
    生物碳纤维双层平板膜组件,将过滤膜与生物活性炭纤维复合材料合理地结合在一起,对污水先经过滤膜过滤,再经生态碳纤维复合材料进一步吸附净化,提高了清水的纯度和洁净度并提高了平板膜组件的耐污性和膜通量及使用寿命。




    工程中心在碳纤维双层平板膜技术的基础上研发了生物碳纤维+膜组件一体化反应器,它是将高效能的生物碳纤维作为填料的接触氧化池与碳纤维双层平板膜生物反应器串联进行处理废水的一体化反应器。这种反应器具有高强度处理效率,兼有生物接触氧化池和膜生物反应器的优点,而且接触氧化池中挂膜材料采用极具高效性能的生物碳纤维,使得生物接触氧化效果大大提高,能高效去除绝大多数污染物;并且这种一体化反应器运行成本低,生物碳纤维生物接触氧化处理之后出水,使得膜生物反应器负荷压力小,减少膜污染,延长膜更换周期,大大降低污水处理运行成本。




    (4)强化人工湿地技术
    本中心在湿地研究方面建立了专门的人工生态湿地实验室,对人工湿地运行的众多基本参数进行了研究,并进行了中试试验,取得了很大的成果,并以此为基础,开发出了一系列污水处理新工艺、新方法,提出了许多新的理论,获得相关专利两项。
    目前,环境中心已完成了工程项目十余项,并将生态湿地成功推广到了东北、西北等高纬度高寒地带,这在国内属于首创,为整个生态湿地在我国的推广做出了巨大的贡献。强化人工湿地分为串联床强化湿地、滤坝强化湿地、净化床强化湿地、潮汐流强化湿地和组合型强化湿地,由防渗层、基质层、腐殖层、水生植物层和水体层组成,包括预处理系统(格栅、沉砂池、沉淀池、稳定塘等)、床体系统、布水系统、根系净化系统和集水系统,通过化学作用、物理作用和生化反应,去除悬浮固体物、BOD、COD、氨氮等各种污染物。




    强化人工湿地特点概括为:①工艺简单,不需要复杂的操作,易于维护;②湿地处理工艺有效可靠,对COD、BOD5的去除率可达90%以上,一般处理出水COD<15mg/L,BOD5<4mg/L,SS<10mg/L,对氮、磷的去除能力强(对TN和TP的去除率分别可达85%和95%),有效的控制和防止水体的富营养化;③湿地处理系统构筑物、处理设备少,建设投资少,运行费用低。处理每立方污水的投资500-1000元(常规投资2000-300元)运行费为0.04元/m3*d(常规1-20元),每立方污水处理所需的用地面积为0.5-1m2 (常规4-40m2);④强化湿地在北方冬季气温低的环境下正常、稳定的运行,不出现堵塞现象,也可以进行反冲洗。
    (5)微生物挂膜菌剂BABRC-1
    碳纤维微生物挂膜菌剂BABRC-1含有异养硝化细菌,好氧反硝化细菌,芽孢杆菌和光合细菌,能够同时处理污染水体中的有机物、氨氮及亚硝氮,并能显著提高碳纤维生物膜反应器的挂膜效率和污染物去除率,用于碳纤维水处理可以提高过滤系统挂膜效率,改善水体环境,降低生产成本。该产品是卓越的活性微生物和酶的混合体,包括杆菌等多种微生物以及脂肪酶、蛋白酶、纤维素酶等生物酶。在使用过程中,可以迅速分解有机物质,并且能够衍生出更多的有用的菌种,减少病原菌和寄生虫的生成。用于碳纤维水处理,可以改善河湖水体环境,降低产品的生产成本。




    (6)微纳米气泡发生装置
    目前,我国通常采用的曝气设备,难以产生微纳的细小气泡,溶氧率低、能耗高。而微纳米气泡装置能够生产直径在50微米和数十纳米(nm)的微小气泡,可快速地溶解于水体中,溶氧效率提高。该技术作为一种新型水体曝气技术,在水治理中的市场前景极为广阔。微纳米气泡发生装置主要由发生装置、微纳米头及连接管件组成。通过水泵加压,由曝气头内部的曝气石高速旋转,在离心作用下,使其内部形成负压区,空气通过进气口进入负压区,在容器内部分成周边液体带和中心气体带。由高速旋转的气石出气部将空气均匀切割成直径5~30μm的微纳米气泡。由于气泡细小,不受空气在水中溶解度的影响,不受温度、压力等外部条件限制,可以在污水中长时间停留,具有良好的气浮效果。




    五、河湖水污染生态修复工程案例
    (1)源头强制性达标排放工程案例















    (2)排污口截污工程案例
















    (3)河湖水生态修复工程案例
    (4)河湖断面水质净化工程案例






    六、结语
    北京市水处理环保材料工程技术研究中心通过7年的努力,相继研发了生态碳纤维、生物相容性碳纤维、碳纤维双层平板过滤膜这三种孔隙的吸附材料及其挂膜菌剂。以材料的研发为核心,还研制了基于材料的多种污水处理反应器和装备,并形成了多套碳纤维水质净化与污水处理技术体系,在河湖水污染生态修复领域得到了广泛的应用,并取得了显著的成绩。
    在未来,希望通过我们的努力,以将研发装备与工艺应用实现工程化为目的,以装备与工艺应用实现产业化为目标,进一步研发碳纤维材料,将具有特定活性的生物酶通过表征测定,固定在生物碳纤维上,用于高效专性处理特定污染水体,解决国内河湖水污染生态修复存在的难题,改善水生态环境,促进我国可持续发展与控污减排,为我国污水资源化提供技术支持。
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