水体势能的大气复氧法-水科学进展

水体势能的大气复氧法———势能增氧生态床法陈鸣钊,丁训静(河海大学环境科学与工程学院,浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室,江苏南京　210098)摘要:天然河流水质受到污染,但水能依然存在且可以利用。

研究了利用水体的势能进行大气复氧的方法,并将其引进污水生物处理领域。

被污染的河水通过势能增氧生态床法进行原位生态修复后,其水质可达到地表水Ⅲ类标准,而且大大降低了污水处理费用。

该研究革除了鼓风曝气进行大气复氧(利用动能),突破了污水生物处理的“障碍”,充分发挥利用水体势能进行大气复氧的运行费用低的优点,开辟了水能利用的新领域。

关　键　词:水体势能;大气复氧;增氧;生态床中图分类号:X 522 文献标识码:A 文章编号:100126791(2008)0520742204收稿日期:2007210225作者简介:陈鸣钊(1937-),男,江苏南京人,教授,主要从事环境科学与污水处理工程研究。

E 2mail :ch -mz @sina 1com本文提出的“势能增氧生态床法”处理工艺是将大气复氧由采用鼓风曝气改变为利用水体的势能,并应用于污水处理好氧工艺。

若利用天然河流的势能进行大气复氧,就可将被污染的河水进行原位生态修复,使其达到地表水Ⅲ类标准,不用电能,一旦建成后其污水处理能力也可取之不尽、用之不竭,因此,它的最大优点是大大降低了污水处理的运行费用。

1　革除鼓风曝气进行大气复氧的方法111　鼓风曝气进行大气复氧进入21世纪后,我国对污水处理提出更高的标准,要求达到排放一级A 标准[1]。

若要恢复水体的自净能力,需达到地表水Ⅲ类标准[2]。

为了消除有机污染物,现行成熟的的水处理工艺有活性污泥法、氧化沟法、S BR 法、A 2B 法等,这些工艺都必须采用“鼓风曝气”。

鼓风曝气是应用风机(利用动能)将空气鼓入水中形成气泡,在气泡上浮的过程中进行大气复氧,增加水中溶解氧,给水中好氧细菌和好氧微生物提供一个好氧的环境,以便生长、繁殖、分解污水,使污水得到净化。

由于鼓风曝气的传质要经过气泡内部空气由气相进入水相、气泡表面氧气扩散到水体、从生物絮凝体表面扩散到微生物的3次传质,还有采用微孔曝气会增加气压损失、气泡上升过程中氧气分压不断降低的沿程损失、气泡一出水面就破裂等缺点,鼓风曝气的动能利用率仅有10%～15%,这正是现行所有好氧生物处理工艺共同的缺点,也是技术上的“障碍”。

要恢复水体的自净能力和生态平衡,必须使污水经过处理达到地表水Ⅲ类标准(才能实现大气复氧速率大于有机物耗氧速率)。

现行的污水处理工艺中还没有处理污水达到地表水Ⅲ类标准的工程实例。

若按处理工艺原理推算,处理工艺的吨水造价和运行费用至少增加2～4倍(C OD 从100mg/L 降到50mg/L 为一个半衰期,再降到25mg/L 为两个半衰期[3])。

这就是现行污水生物处理工艺在经济上的“障碍”。

112　不用鼓风曝气进行大气复氧所有各种好氧生物处理方法中,只有传统的滴滤池和生物转盘属于膜法一类,不需要鼓风曝气。

研究生物转盘运行原理可知:若在生物转盘盘片上取一单位面积,作上彩色标志并跟踪观测,则可以看到,该单位面积第19卷第5期2008年9月 水科学进展ADVANCES I N W ATER SCIE NCE V ol 119,N o 15　Sep.,2008　在不断地做出露水面、淹没水下的周而复始运动。

当单位面积盘片淹没水中时,其上所附生物膜中的好氧微生物则分解污水,获取食物,得以生长繁殖,同时使污水得到净化。

在单位面积盘片出露水面期间,附在盘片上的水膜与大气之间进行氧分子交换,称之为大气复氧效应。

遵循大气复氧双膜理论[4],一个流动的水体从大气中吸收氧气的过程称为“复氧过程”也称“再曝气过程”。

则可用下式表达:d O d t =K L A (O S -O )V (1)式中　O S 、O 分别为水中溶解氧的饱和浓度和实际浓度;A 、V 分别为水的表面积和水的体积;K L 为氧的质量传输系数。

由式(1)可知氧的传输率d O/d t 与污水中溶解氧的(O S -O )成正比,与比表面积A/V 有关,应用到生物转盘可分别转换为盘片表面的总表面积及盘片的总体积。

盘片的比表面积越大,其大气复氧率也越大。

生物转盘最大比表面积为157m 2/m 3。

可以得出,只要能让盘片(或填料)作周期性出露水面、暴露于大气之中和淹没水中的周而复始运动,即可利用大气复氧使水膜中得到较高的溶解氧含量和处理污水,而无需采用鼓风曝气的环节。

113　利用水体的势能进行大气复氧的雏形研究传统的滴滤池运行原理可知:传统的滴滤池(池高≤2m )中满装大颗粒填料,池顶设旋转布水器,污水由布水器洒入池中。

若在滴滤池的池壁上做一单位长条有机玻璃观察条,可以看到布水器到达时,污水由于重力自上而下运动,流过填料时由淹没填料(其上生物膜分解污水)到排干,由于滴滤池内外温差和圆型形成拔风状态,空气可在大颗粒填料的大空隙中畅通地与填料上的生物膜和水膜进行大气复氧。

布水器再次到达时,再次重复上述过程,周而复始。

利用重力使污水自上而下运动,这是利用势能进行大气复氧的雏形。

114　人工湿地水体生态修复技术从20世纪50年代德国创立了“近自然河道治理工程”开始,就对受污染水体进行生物生态修复技术方面研究。

近年来,水利部在水污染治理中坚持按自然规律办事,注重生态用水。

通过调水改善河流、湖泊和湿地生态功能,开展对受污染水体生物生态修复技术研究,已研制出人工湿地、种植水生植物等多种水体生态修复技术。

其特点一是流域内生物多样性明显增长;二是河流自净能力明显提高,改善了水质;三是不应用好氧生物处理工艺的鼓风曝气进行大气复氧。

人工湿地的结构一般来说是整理一定的长、宽比以及地面有坡度的洼地,将土壤和填料(如卵石等)混合组成填料床,并在床体表面种植具有处理性能好、成活率高的水生植物(如芦苇等),形成一个独特的动植物生态环境。

这种结构可使污水在床体的填料缝隙中曲折地流动或在床体表面流动进行大气复氧,对污水中不溶性有机物具有沉淀、过滤作用,在其被截留后可被微生物利用分解,污水中可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附及生物代谢降解过程而被分解去除,同时植物能去除氮、磷。

这种水体生态修复技术一般只能处理轻度污染的水体,且开始去除效果明显,以后越来越差,必须定期更换湿地床填料并及时收割湿地植物,才能将新生的有机物体从系统中去除。

若污水浓度较大且连续不断排入,由于沉淀、过滤作用易形成堵塞,其植物根系的比表面积较小,吸附及生物代谢降解过程的速率小于污水浓度负荷,则对浓度较大的污水去除效果很差,很难保持可持续的恢复水生生态,若设计不好还有杂草丛生感觉,这是人工湿地法最大的缺点。

2　利用水体的势能进行大气复氧211　势能增氧生态床结构为了消除有机污染物、恢复水体中的溶解氧含量和建立生态学角度的“岛”,克服现行采用的污水处理工艺的缺点,设计势能增氧生态床,见图1。

347　第5期陈鸣钊、丁训静:水体势能的大气复氧法———势能增氧生态床法图1　势能增氧生态床剖面图 Fig 11Sectional drawing of potential energy reaerationecological bed 增氧生态床的结构为浅层、多层结构,填料在每一层中按颗粒大小级配分层铺砌,设计的填料比表面积为450m 2/m 3(填料为PVC 花球)～600m 2/m 3(填料为卵石、黄砂),并在生态床两头加设利用水力学中负压原理设计的增氧机。

这就将消除有机污染物、恢复水体中的溶解氧含量和岛屿生物平衡模型有机的结合起来。

212　势能增氧生态床的工作原理当污水自第一层进入增氧机1时,污水自下而上运动。

当生态床2中的水位上升到增氧机中的虹吸管顶部4并超过后,由于虹吸作用的产生,污水以较大的流速自虹吸管中向下一层排出。

与此同时,由于填料中污水被吸干,大气也随着进入并沿大颗粒孔隙向小颗粒孔隙自下而上的与所有填料中的水膜相接触进行大气复氧。

当每一层污水被吸干后,虹吸自动断开,由于其上一层来水有一段间歇时间,使得填料中水膜的大气复氧时间很充分。

由于污水不断进入(或上一层污水向下一层排入),生态床2中的水位再次上升,排入的污水与填料水膜中的溶解氧很快对流扩散混合,污水中的溶解氧迅速增加,在其水位再次上升超过虹吸管顶部时,又将污水吸干排入下一层,周而复始的运动。

多层的生态床不断地自上而下传递,上层得到增加溶解氧的污水被传递到下层时,该层填料中的水膜又与大气之间进行大气复氧,再次增加污水中的溶解氧,污水每向下一层传递一次,溶解氧都要再增加一次,即溶解氧是递增的。

因此层次越多,势能利用也越多,填料的生物膜也越多,溶解氧增加越多,水质变好越快,达到的标准也越高。

3　势能增氧生态床的工程实例“势能增氧生态床”工程实例之一是南京腊梅食品厂的污水处理工程。

该工程将C OD 平均3000mg/L 左右降到100mg/L 左右,效果很好。

从进水到出水的处理过程包括前处理隔油池和厌氧池在内,“势能增氧生态床”处理仅是最后的好氧生化处理部分。

为了将其分开,体现势能增氧生态床的处理效果,又单独监测了厌氧池出水浓度即“势能增氧生态床”进水浓度C OD 为204mg/L ,出水C OD 最大值102mg/L ,去除率达50%以上[5]。

“势能增氧生态床”工程实例之二是在南京建邺区河道管理处设置了一个小的污水处理设施,已将黑色的河水处理为清水。

该污水处理设施直接用潜水泵从闸前取水(水为黑色)进入设备,污水先进入2级厌氧箱,然后进入调节箱,再用潜水泵将水打入势能增氧生态床,生态床为6层(每层300mm ,内装填料PVC 花球),处理后进入二沉池,上清液再用潜水泵打入势能增氧生态床作循环处理,每4h 排水一次进入生态草皮(为了配合陆地环境的美化)再处理后排放,处理能力为610m 3/d ,全部自控,无需管理。

对该污水处理设施的进水和出水进行取样化验,监测结果见表1。

由表1可知,出水水质指标的两次监测值平均后达到地表水Ⅲ类标准。

表1　南京建邺区河道管理处污水处理设施的监测值mg/L T able 1Monitor values for w astew ater treatment facility in N anjing river administrative检测项目监测时间DO COD COD Mn BOD 5进水2004211201未检出133********出水7142813317115进水2004211202/82出水910//447水科学进展第19卷4　结 论(1)势能增氧生态床法充分利用了水泵的有效水头,将势能转为动能进行大气复氧,不需曝气再耗能,故运行费用低,且无噪音,无泡沫,不堵塞,污泥量小。