時間：2011-07-08來源：
摘要 結(jié)合北京奧運會的重點工程——北京奧林匹克公園中心區(qū)龍形水系高效過濾、強化去磷系統(tǒng)工程；綜合最新的過濾技術(shù)、吸附除氨氮技術(shù)、除磷技術(shù)、除藻技術(shù)和介質(zhì)再生技術(shù)，研究開發(fā)了集成化的高效的水凈化循環(huán)處理系統(tǒng)。研究結(jié)果表明龍形水系高效過濾、強化去磷系統(tǒng)微絮凝的最佳選擇為PAC，最佳投藥量為3.0 mg/L；沸石作為本系統(tǒng)吸附除氨氮的主要物質(zhì)，其介質(zhì)最好粒徑范圍：（1.0~2.0） mm，最佳無機改性劑為NaCl，且NaCl 不會造成新的污染，每克沸石具有吸附18.0 mgNH3-N 的極限潛力；本系統(tǒng)最佳的水藻抑制劑為澳大利亞的Alge Strave 高濃縮水藻抑制劑，可以破壞水藻抑制劑，對魚類未產(chǎn)生不良影響。
1 奧運中心區(qū)龍形水系概況
龍形水系總水面面積16.5萬m2，水深（0.6 ～ 1.1） m之間，水體體積15.9 萬m3。
經(jīng)水質(zhì)模型分析，如水體僅進行循環(huán)過濾處理，水體每9 d 循環(huán)過濾1 次，每天需要循環(huán)水量1.77 萬m3。
蒸發(fā)損失按照北京市朝陽區(qū)最大月份約6 mm / d 計算，損失量為0.11 萬m3 / d。下滲量按10 mm /（d·m2）計算，滲漏面積為12.2 萬m2，損失水量為0.12 萬m3 / d。總循環(huán)需水量為2.0 萬m3 / d。
2 高效過濾系統(tǒng)的組成
高效過濾系統(tǒng)是配套加藥裝置、混合裝置、提升設(shè)備、反沖洗系統(tǒng)以及平衡水池等設(shè)施。在龍形水系的北端取原水，并將處理后的水再輸送回水系的南端，以此來形成循環(huán)。
循環(huán)凈化系統(tǒng)中去除池水濁度由自動過濾系統(tǒng)來完成，循環(huán)回水經(jīng)循環(huán)水泵增壓后先由自動反洗粗過濾器去除樹葉等大顆粒懸浮物，再進入自動高速過濾系統(tǒng)進行過濾，在過濾器前投加絮凝劑，借助在高效過濾器內(nèi)形成的微絮凝過程，有效去除水體中的懸浮顆粒物，降低水體濁度和去除水體中的部分藻類；可根據(jù)水質(zhì)情況，加入除藻劑可有效防止水體藻類的孳生；同時調(diào)節(jié)水體pH 值，使水體保持穩(wěn)定。
3 研究結(jié)果和討論
3.1 微絮凝除磷技術(shù)的研究
混凝劑的篩選是混凝工藝的關(guān)鍵步驟之一。本試驗選擇普通無機鹽三氯化鐵（Ferric Chloride，FC）和無機高分子聚合氯化鋁（Polyaluminium Chloride，PAC）作為混凝劑。FC 作為混凝劑時，所形成的絮體較致密，易沉降； PAC 作為人工預制、具優(yōu)化形態(tài)的聚合物，在混凝過程中可以發(fā)揮高效和優(yōu)良的凝聚和絮凝作用，水質(zhì)適應性強，適用的pH 值范圍較廣。本試驗通過混凝沉淀燒杯試驗對選定的3 種混凝劑進行了比較。3 種混凝劑對龍形水系水體的濁度、COD和TP 的混凝沉淀效果見圖1。
圖1 3種混凝劑對龍形水系水體的混凝沉淀效果
對于濁度的去除，當投藥量< 0.5 mg / L 時， FC 的效能高于兩種PAC；當投藥量> 0.5 mg / L 時，普通PAC 的效能明顯高于FC 和高純PAC，而后兩者的效能相近。
對于COD 的去除，高純PAC 的效能總體上高于普通PAC 和FC。混凝去除有機物的主要機理包括有機物膠體顆粒脫穩(wěn)、沉淀、吸附、共同沉降等。試驗結(jié)果表明，高純PAC 在電中、脫穩(wěn)和吸附架橋等方面的綜合性能要好于普通PAC 和FC。
對于TP 的去除，高純PAC 的效能最高， FC 次之，普通PAC 再次之。
綜合比較，盡管FC 在TP 去除方面性能好于普通PAC，但在濁度和COD 的去除方面，普通PAC 好于FC；考慮到普通PAC 比高純PAC 價格低，大規(guī)模應用時更經(jīng)濟，所以本研究后續(xù)試驗中選用普通PAC 作為混凝劑。
在相同的混凝試驗條件下，隨著普通PAC 投藥量的增加，混凝處理后污水的濁度逐漸降低，特別是當投藥量叟1.0 mg / L 時，污水濁度有很大降低。從COD的除去效果看，當投藥量達到3.0 mg / L 時，效果最佳。不同投量普通PAC 對污水的TP 去除效果如圖1中（c），投藥量叟3.0 mg/L 時，TP 達到燮0.1 mg / L，TP 除去率達到54.3%，符合設(shè)計要求，所以微絮凝的最佳投藥量為3.0 mg / L。
3.2 氨氮強化吸附去除的技術(shù)研究
氨氮污染的來源很多，且排放量大。沸石具有大的比表面積和可交換的層間陽離子，因而具有較好的吸附和離子交換性能。
新型的復合沸石型混合濾料由輕質(zhì)的沸石大顆粒濾料（直徑（0.6~1.2） mm，（1.0~2.2） mm 2 種，密度1.2 t / m3）和重質(zhì)的石榴石（顆粒直徑（0.2 ~0.6）mm，密度2.4 t / m3）按一定比例配成，并經(jīng)過化學處理，使其具有良好的物理吸附性能。該濾料與傳統(tǒng)的沸石濾料相比，具有如下顯著優(yōu)勢。
（1）出水水質(zhì)顯著提高。采用復合沸石型混合濾料，過濾精度達3 μm，出水濁度低于2NTU。與傳統(tǒng)的沸石濾料相比，復合沸石型混合濾料具有更高效去除小粒徑的懸浮顆粒物，特別是顆粒直徑10 μm 以下的懸浮物，復合沸石濾料比傳統(tǒng)的沸石濾料效果好1 倍以上。
（2）低的反沖洗耗水率和反沖強度。復合沸石實際上是一種多孔的礦物，所需的反沖洗強度低于傳統(tǒng)的沸石濾料，反沖洗耗水率也明顯減少。
（3）復合沸石對水體中的氨氮有較強的去除作用，可顯著減少水體中氮的濃度，在一定程度上抑制藻類的生長繁殖。測試結(jié)果表明，經(jīng)（2~3）次循環(huán)，氨氮可去除85％以上。
（4）介質(zhì)不易板結(jié)，通過普通反沖洗即可恢復過濾性能。
選擇粒徑分別為（0.2～0.5） mm、（0.6～1.0） mm、（1.0～2.0） mm、（2.0～4.0） mm 以及（5.0～6.0） mm 的沸石顆粒，各取等量沸石放入500 mL 燒杯中，加入400 mL 滲濾液，用六聯(lián)攪拌機充分攪拌。對廢水氨氮的去除率見表1。
表1 沸石粒徑與氨氮去除率
通過研究表明：粒徑越小，沸石對氨氮的吸附速度好；當沸石粒徑2.0 mm以下，粒徑進一步減小，氨氮的去除率沒有明顯變化，所以得出結(jié)論，沸石介質(zhì)最好粒徑范圍：（1.0～2.0） mm。
沸石經(jīng)過適當?shù)奈锢砘瘜W方法改性后，可提高其吸附性能和離子交換作用。試驗采用3 種不同的無機試劑對沸石進行處理，通過無機改性劑使原有封閉孔道暢通，或改變陽離子類型使靜電場發(fā)生變化，有利于提高沸石吸附容量的性能。
（1）對不同無機改性劑提高沸石氨氮吸附容量進行研究，結(jié)果見表2。
表2 不同無機改性劑提高沸石氨氮吸附容量
由表2 可知，經(jīng)NaCl 改性后的沸石對氨氮飽和吸附容量增強，且氯化鈉不會造成新的污染。因此確定NaCl 為改性劑。通過研究表明：每克沸石具有吸附18.0 mg NH3-N 的潛力。
（2）不同NaCl 浸泡時間和物質(zhì)的量濃度。通過圖2、圖3 可以看出，初始階段隨著浸泡時間的增加，沸石對NH3-N 的吸附容量提高，超過3 h 后吸附容量基本不再變化。而濃度對NH3-N 的吸附影響曲線顯示，吸附容量極大值出現(xiàn)在物質(zhì)的量濃度0.94 mol/L 左右。
圖2 浸泡時間對吸附NH3-N 的影響
圖3 NaCl 物質(zhì)的量濃度對吸附NH3-N 的影響
經(jīng)過以上研究分析，本課題研究的沸石最佳活化方法：使用NaCl 物質(zhì)的量濃度0.94 mol / L 的NaCl 溶液浸泡3 h。
3.3 藻類去除技術(shù)的研究
龍形水系有以下3 方面因素有利于藻類的生長。
（1）水池水層淺，光照充足，夏季水溫升高快，且維持時間長。
（2）水面寬，氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)來源較多。
（3）有較好的pH 條件。
對于藻類污染，必須采用“以防為主，以治為輔，綜合防治”的技術(shù)路線，必須把污染控制于未然。發(fā)生嚴重藻類污染，處理起來較為費時費力。
防治藻類污染從3 個途徑來進行：一是減少水體營養(yǎng)物質(zhì)的來源或采用水處理辦法減少水質(zhì)營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，使藻類無法繁殖；二是在藻類還未生長時向水中加入各種藻類生長抑制劑，防止其大面積生長；三是通過物理、化學或生物的方法去除或殺死水體中已存在的藻類。
藻類在水體中部分以懸浮狀態(tài)存在，但大多數(shù)藻類在池壁和池底形成墨綠色底斑點。后一種情況使水體周圍形成了一種抗?jié)B透性臘狀保護層，使氯化劑受此保護層的阻礙而無法殺死藻群。
通過試驗研究使用澳大利亞的Alge Strave 高濃縮水藻抑制劑。通過定期加入水藻抑制劑可以破壞水藻上的臘狀保護層，使氯化劑能進入水藻細胞內(nèi)而殺死它，然后通過本處理系統(tǒng)去除。
此種除藻劑是一種高效廣譜性除藻劑，具有以下特點：①廣譜性，高效殺死大多數(shù)藻類；②去除水藻表面的污泥層，增強氯制劑的效果，氯制劑有協(xié)同作用；③經(jīng)濟便宜；④加藥量少，經(jīng)濟安全。
北京冬季氣溫較低，藻類無法形成，故從4 月份開始檢測水系水質(zhì)，4 月、5 月份均無藻類出現(xiàn)，5 月底水系水質(zhì)逐漸變渾濁、N、P 含量也逐漸升高，但還沒有藻類出現(xiàn)。為了保障龍形水系的水質(zhì)，人員在龍形水系附近已發(fā)現(xiàn)藻類的河道中取水，進行試驗研究。試驗采用靜態(tài)觀測法，即在水樣中分別投加不同劑量的除藻劑，在進行相同的攪拌后保持靜態(tài)。
在5 個相同的水樣（2L）中分別投加Alge Strave，投加比分別為：A 號：0.5 mL / m3； B 號：1 mL / m3；C號：3 mL / m3；D號：5 mL / m3；E號：7 mL / m3。水溫保持在常溫，試驗水樣置于有陽光照射的位置，保持空氣流通，適宜藻類生長。試驗時間為6 月2 日。通過比較可知：5 種不同投加量均能有效地降低水樣中的藻類。觀察燒杯中的水樣，藻類絮凝成絮狀物，并不斷下沉；水樣逐漸澄清， 24 h 后，檢測5 個水樣，C、D、E 水樣檢測不到藻類，所以投藥量控制在3 mL / m3濃度。
工程運行方式：生態(tài)藥劑投加系統(tǒng)由溶藥箱、攪拌器、計量泵等組成。
根據(jù)試驗結(jié)論，投加量按3 mL / m3，連續(xù)投加1周后水系清澈見底無藻類出現(xiàn)。考慮到任何藥劑都有不同程度的毒性，投加量越少對動植物的毒性就越小。但同時還要有良好的處理效果，減少投加量，按1 mL / m3，連續(xù)投加1 周后水系清澈見底，無藻類出現(xiàn)。為了節(jié)省能耗，進一步改成隔1 天投加的方法，連續(xù)試驗2 周，水系清澈度下降。但仍無藻類出現(xiàn)。再進一步減少投加量，采用隔2 d 投加1 d 的方法，試驗1 周后水系清澈度下降，但仍無藻類出現(xiàn)，但試驗到第13 d 時水系中可以檢測到藻類。為了去除水系中的藻類，首次加藥按3 mL / m3，第3天經(jīng)檢測，水系中已無藻類。之后按1 mL / m3 的投藥量隔天投加的方法連續(xù)運行，定期檢測藻類，連續(xù)檢測1 個月均未發(fā)現(xiàn)藻類。10 月份停止加藥，定期檢測，均未發(fā)現(xiàn)藻類。
龍形水系生態(tài)藥劑的投加時間為：6—9 月份。工程運行方式：當發(fā)現(xiàn)水系有藻類出現(xiàn)時首次投藥量按3 mL / m3，正常維護情況下按1 mL / m3 的投藥量隔天投加。
以監(jiān)測投藥量不同情況下Alge Strave 高濃縮水藻抑制劑對魚的影響。試驗共4 個2 L魚缸，每個魚缸中均放入相同的湖水及2 條相同的景觀魚，編號為①、②、③、④。其中①號不投加Alge Strave，②號投加2×10-3ml Alge Strave（即投加比1 mL / m3），③號投加6×10-3ml Alge Strave（即投加比3 mL / m3），④號投加10×10-3ml Alge Strave （即投加比5 mL / m3），每周投加1次藥劑，試驗時間為60 d，從7 月1日至8 月30日，每天向水中連續(xù)曝氣以供魚的生存需要。在連續(xù)60 d的試驗觀察中，在加藥最初24 h 內(nèi)，②、③、④號魚缸中的魚有輕微的不適反應，如游動少，不活潑，隨后幾天內(nèi)，不適反應消失，未見有中毒的跡象；①、②、③、④號魚缸中的各條魚均無死亡現(xiàn)象，也無其他異常變化，初步說明Alge Strave 在投加比為1 mL / m3、3 mL / m3、5 mL / m3 時對魚類是安全的，無致死毒性。
4 結(jié)論
通過本試驗的研究，采用建設(shè)水循環(huán)處理系統(tǒng)，利用PAC 微絮凝除磷技術(shù)、新型的復合沸石型混合濾料氨氮強化吸附去除的技術(shù)和Alge Strave 高濃縮水藻抑制劑藻類去除技術(shù)防止了水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化和水質(zhì)惡化，避免頻繁換水，減少了水資源浪費。
參考文獻
[1] 宋永會，高英，趙永瑞，等. 聚硅酸金屬鹽類混凝劑研究進展綜述[J]. 煤礦環(huán)境保護，1997，11（5）：3—6.
[2] 湯鴻霄. 無機高分子絮凝機的基礎(chǔ)研究[J]. 環(huán)境化學，1990，9（3）：1-13.
[3] Luan Z K, Tang H X. Chemical species distribution and transformation in polyaluminium chemical solutions[J]. J. Environ. Sci., 1990, 2(2): 25-39.
[4] 李爽，張曉健. 優(yōu)化混凝控制水中可生物降解有機物[J].中國給水排水，2003，19（4）：39-41.
[5] 杜冬云，王偉利，于鳳娥，揭武.沸石處理氨氮廢水的研究[J].河南化工，2003.9（3）：15-17.
[6] 肖舉強.沸石去除污水中氨氮的研究[J].蘭州鐵道學院學報(自然科學版),2002,21(1):87-89.
[7] WEATHERLEY L R, MILADINOVIC N D. Comparison of the ion exchange uptake of ammonium ion onto New Zealand clinoptilolite and mordenite [J]. Water Research, 2004, 38.
[8] 肖舉強,于連群,李桂榮.活化沸石去除水中氨氮的研究[J].蘭州鐵道學院學報,1995,14(1):79-82.
作者簡介：孟繁龍（1977—），男，碩士研究生。
