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    景觀水體修復(fù)的太陽(yáng)能生物浮島技術(shù)研究

    2013-08-06 03:32:52徐國(guó)梁鄧黛青刁一明
    關(guān)鍵詞:生物設(shè)備實(shí)驗(yàn)

    徐國(guó)梁,鄧黛青,刁一明,劉 剛

    (1.浙江水利水電專(zhuān)科學(xué)校,浙江杭州 310018;2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院,質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江杭州 310018)

    1 富營(yíng)養(yǎng)化淺層水體的處理技術(shù)現(xiàn)狀

    水體富營(yíng)養(yǎng)化是當(dāng)今重大水環(huán)境問(wèn)題之一,近年來(lái)我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化呈快速發(fā)展趨勢(shì)[1].淺水湖泊、景觀水體、淺水濕地、氧化塘、淺水溪流、河涌和溝渠等淺層水體,存在著水容量小、納污容量小,水生生態(tài)系統(tǒng)脆弱等特點(diǎn),十分容易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化[2].由于臨近人們的工作或生活區(qū)域,其富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程對(duì)人們?nèi)粘I钣绊憞?yán)重.

    目前,富營(yíng)養(yǎng)化水污染處理技術(shù)主要有化學(xué)處理、物理處理和生物處理方法.化學(xué)法處理需要投加大量的化學(xué)藥劑,成本高、并易引起二次污染[3];物理修復(fù)措施主要有底泥疏浚[4]、引水換水[5]等工程方法,修復(fù)過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的絕對(duì)量并沒(méi)有減少,不能從根本上解決問(wèn)題;人工濕地、生物浮島等生物處理技術(shù)通過(guò)原位構(gòu)建水生植物體系[6],利用植物根系的吸附、吸收作用,削減水中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),從而達(dá)到凈水效果,具有無(wú)二次污染,且兼具景觀美化作用的特點(diǎn),是目前富營(yíng)養(yǎng)化水體主流修復(fù)措施,但降解反應(yīng)慢,凈化處理周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)是限制其應(yīng)用的主要原因.向水體人工投加馴化的微生物[7],在去除BOD(生化需氧量)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫磷、脫氮作用,具有原位修復(fù)、處理效果好、見(jiàn)效快的優(yōu)點(diǎn),但是該類(lèi)方法中菌種費(fèi)用高,在自由懸浮生長(zhǎng)條件下容易流失,可持續(xù)性差.

    傳統(tǒng)的機(jī)械曝氣方法如固定的河道充氧站、水下設(shè)置曝氣充氧機(jī)[8]等,能夠有效控制和延緩水體富營(yíng)養(yǎng)化.曝氣增氧系統(tǒng)主要有由風(fēng)機(jī)、風(fēng)管和各種形式曝氣頭組成的曝氣系統(tǒng)、表曝設(shè)備和潛水曝氣設(shè)備.上述曝氣設(shè)施存在設(shè)備能耗高、充氧效率低的問(wèn)題,如噴水式增氧機(jī)、射流式增氧機(jī)等的動(dòng)力效率一般在0.60 ~1.20 kg/(kW·h)之間[9],噴水、攪水功能不健全,充氧效率不高.從而造成建設(shè)和實(shí)際運(yùn)行中基建投資大,運(yùn)行費(fèi)用高、維護(hù)管理復(fù)雜等問(wèn)題.

    2 太陽(yáng)能生物浮島的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

    近年來(lái)太陽(yáng)能等綠色能源應(yīng)用快速發(fā)展,大部分自然水體表面光照條件充分,非常適合于利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電進(jìn)行能源供給.在富營(yíng)養(yǎng)化水體中,藻類(lèi)含量較高,其光合作用釋放出氧氣,供菌種降解有機(jī)物,是一種太陽(yáng)能的自然生物利用方式.如果能充分利用水體原位生態(tài)修復(fù)功能和藻類(lèi)的充氧功能,構(gòu)建以原位太陽(yáng)能發(fā)電與原位生物修復(fù)相結(jié)合的一體化水體修復(fù)設(shè)備,將突破現(xiàn)有富營(yíng)養(yǎng)化水體處理技術(shù)屏障,為淺層水體修復(fù)和日常維護(hù)提供新型有效的技術(shù)手段,具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景.基于上述考慮,參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料及工程實(shí)際應(yīng)用要求,作者研制開(kāi)發(fā)了太陽(yáng)能生物浮島成套設(shè)備.該設(shè)備由生物浮島降解系統(tǒng)、曝氣造流系統(tǒng)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)三部分組成.

    2.1 生物浮島降解系統(tǒng)——原位高效降解

    微生物降解和生物浮島是兩種快速發(fā)展的原位景觀水處理技術(shù).如何提高微生物降解功能,加強(qiáng)水生植物吸收作用,促進(jìn)二者之間的協(xié)同作用,是實(shí)現(xiàn)水體原位高效生物降解的關(guān)鍵所在.

    針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,本設(shè)備的生物浮島系統(tǒng)通過(guò):

    (1)投加填料,加大微生物附著面積,便于微生物富集成膜;

    (2)添加可富集在填料表面的特效功能菌,加強(qiáng)多菌種協(xié)同作用,高效降解氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);

    (3)構(gòu)建植物與微生物的復(fù)合生物體系;

    (4)改善微生物生長(zhǎng)環(huán)境,一方面人工曝氣提高水體溶氧量,增強(qiáng)微生物代謝,另一方面利用人工造流,加快水體傳質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)高效的原位生物降解.

    生物浮島系統(tǒng)由浮床單元拼接、組合而成,浮床單元內(nèi)部種植水生植物,水下增加填料并接種特效氮、磷處理菌,整體環(huán)繞于曝氣造流系統(tǒng)外圍,通過(guò)植物和微生物的共同作用,實(shí)現(xiàn)水體修復(fù)目的.

    浮床單元Φ225 mm,每平米可負(fù)載為12 kg;采用HDPE材質(zhì)、綠色環(huán)保、耐腐蝕、可反復(fù)多次使用;浮床單元之間采用柔性連接方式,固定在曝氣系統(tǒng)周?chē)?選用美人蕉等作為浮島植物,其具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和氮、磷利用能力;填料輕質(zhì)多孔,利于水中微生物固著生長(zhǎng);填料上接種能高效除氮的納豆菌.

    2.2 曝氣造流系統(tǒng)——原位低能耗供氧

    對(duì)水體進(jìn)行曝氣是改善微生物生長(zhǎng)環(huán)境、提高降解效率的必不可缺的步驟之一.機(jī)械曝氣法由于設(shè)備能耗高、充氧效率低、運(yùn)行存在安全隱患而不適用于景觀水處理.

    針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,本設(shè)備的曝氣造流系統(tǒng)具備如下條件:

    (1)在充分利用水體自身藻類(lèi)光合作用復(fù)氧和大氣復(fù)氧前提下,改變曝氣充氧模式,提高充氧效率,控制充氧時(shí)間,實(shí)現(xiàn)低能耗供氧;

    (2)改變單一曝氣充氧方式,利用直接曝氣制造循環(huán)流,在直接曝氣的基礎(chǔ)上,攪動(dòng)水流,提高液面更新速率,提高充氧效率;

    (3)根據(jù)水體中溶解氧自然變化規(guī)律,控制人工充氧時(shí)間.從而實(shí)現(xiàn)原位低能耗高效供氧.

    曝氣造流系統(tǒng)由空氣泵、曝氣盤(pán)、懸浮載體和導(dǎo)流裝置四部分組成.空氣泵壓縮的空氣通過(guò)導(dǎo)氣管進(jìn)入曝氣盤(pán),再以微小氣泡的形式釋放到深層水體中,并與其混合,增加水體溶氧;水氣混合后的液體因密度減小而在導(dǎo)流筒內(nèi)垂直上升到達(dá)淺層水體,同時(shí),深層水體因?qū)Я魍矁?nèi)的壓力較小而被不斷吸入到導(dǎo)流筒內(nèi),形成一個(gè)以壓力差為動(dòng)力的循環(huán)流,實(shí)現(xiàn)水體最大效率供氧.

    中心浮床作為整套設(shè)備的結(jié)構(gòu)中心,為太陽(yáng)能供電系統(tǒng)提供浮力,同時(shí)支撐曝氣造流系統(tǒng),Φ800 mm;空氣泵使用35 W直流空氣泵,通過(guò)管路連接曝氣盤(pán)進(jìn)行曝氣工作;曝氣盤(pán)采用防堵塞剛玉曝氣盤(pán),Φ175 mm.

    2.3 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)——原位能源供給

    能源消耗是影響水體處理工程成本的重要因素.現(xiàn)有技術(shù)方法在水污染處理過(guò)程中,多數(shù)存在投資大、能耗高的問(wèn)題,受到成本和運(yùn)行費(fèi)用約束,水污染治理工作不能持久.針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,本設(shè)備的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)利用光伏發(fā)電技術(shù)直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能,無(wú)需燃料,沒(méi)有任何污染,并且,大部分的富營(yíng)養(yǎng)化水體表面水域開(kāi)闊,陽(yáng)光照射條件良好,通過(guò)懸浮載體將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)利用于設(shè)備當(dāng)中,無(wú)需外界能源輸入,在能源自給的同時(shí)實(shí)現(xiàn)水體修復(fù)的目標(biāo),節(jié)能降耗,消除污染.

    太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、控制器、時(shí)間控制開(kāi)關(guān)、蓄電池以及配套支架和相應(yīng)線路組成,為整套設(shè)備提供電力支持.電池板采用100 W高效單晶硅太陽(yáng)能電池,在光照充足的情況下,太陽(yáng)能電池板將產(chǎn)生20 V的電壓和1.5 A的電流,通過(guò)太陽(yáng)能控制器穩(wěn)壓到12 V后為系統(tǒng)供電,并為蓄電池充電;太陽(yáng)能控制器采用12 V/24 V自動(dòng)識(shí)別控制器,用以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池和負(fù)載的過(guò)流保護(hù)和欠壓保護(hù);蓄電池為12 V/50 AH,在無(wú)光照條件下向負(fù)載(空氣泵)供電,保證其持續(xù)工作;通過(guò)時(shí)間控制開(kāi)關(guān),控制空氣泵工作時(shí)間.

    2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    太陽(yáng)能生物浮島整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依照太陽(yáng)花形狀,以曝氣造流系統(tǒng)的浮床為結(jié)構(gòu)主體,浮床采用雙曲面球體構(gòu)型,上承太陽(yáng)能電池板,內(nèi)置蓄電池和空氣泵等所有配套設(shè)備,下方以絲桿連接懸掛導(dǎo)流裝置,周?chē)h(huán)繞生物浮島單元,曝氣盤(pán)通過(guò)管道連接固定在導(dǎo)流裝置內(nèi)部,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1和圖2.

    2.5 運(yùn)行控制方案

    光照充足的白天,太陽(yáng)能電池板通過(guò)控制器向蓄電池供電,夜間蓄電池放電帶動(dòng)空氣泵工作;利用時(shí)間控制開(kāi)關(guān)控制空氣泵的工作狀態(tài);空氣泵在凌晨00:00~06:00連續(xù)工作6 h(可調(diào)).陰雨天氣,太陽(yáng)能控制器直接控制蓄電池充放電,保證蓄電池提供空氣泵18 h工作能力.

    3 應(yīng)用于景觀水體的實(shí)驗(yàn)研究

    以中國(guó)計(jì)量學(xué)院景觀水日月湖為研究對(duì)象進(jìn)行太陽(yáng)能生物浮島對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的處理效能試驗(yàn).日月湖為硬質(zhì)湖底景觀,東西兩岸各有一個(gè)進(jìn)水口,使用隔水布在日月湖西北方向(圖3中的點(diǎn)3)隔離出5 m×5 m實(shí)驗(yàn)區(qū),見(jiàn)圖3,實(shí)驗(yàn)區(qū)域附近綜合考慮天氣條件、溫度、水量變化條件,設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和兩個(gè)對(duì)照點(diǎn).布點(diǎn)參照?qǐng)D4.

    3.1 日月湖水質(zhì)狀況分析

    根據(jù)富營(yíng)養(yǎng)化水體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[10]對(duì)日月湖的TP(總磷)、TN(總氮)、CODMn(化學(xué)需氧量)進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)布點(diǎn)見(jiàn)圖4,監(jiān)測(cè)方法參考國(guó)家水質(zhì)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法[11];實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)取樣監(jiān)測(cè)方式,數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

    表1 日月湖各項(xiàng)指標(biāo)背景值

    根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比富營(yíng)養(yǎng)化水體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),可知日月湖水體中TP、TN已經(jīng)達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化水平

    研究表明,在富營(yíng)養(yǎng)化水體中,存在著水體溶解氧晝夜變化幅度大的特點(diǎn),但從圖5中可見(jiàn),日月湖晝間溶解氧變化并不完全符合富營(yíng)養(yǎng)化水體溶氧規(guī)律變化,其晝間溶氧會(huì)達(dá)到高點(diǎn),但是夜間溶氧并不會(huì)降低到預(yù)計(jì)低點(diǎn).由于日月湖各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)均已經(jīng)達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化狀況,其水體夜間的耗氧量低,可能是由于日月湖作為景觀水,其硬質(zhì)湖底的特點(diǎn)造成底泥含量較低、懸浮微生物較少、水體微生物活動(dòng)較弱的原因.因而本研究探討了相同條件下對(duì)日月湖湖水溶氧變化與微生物量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn).該實(shí)驗(yàn)使用五個(gè)水桶進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),通過(guò)投加不同污泥量進(jìn)行水體耗氧變化規(guī)律探究.1號(hào)桶內(nèi)作為對(duì)照不添加活性污泥,2~5號(hào)桶內(nèi)依次控制污泥濃度在 50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L,同時(shí)進(jìn)行水體溶氧測(cè)定.為確保其溶氧不受溫度和藻類(lèi)光合作用影響,實(shí)驗(yàn)時(shí)間選擇在夜間,從19:00~06:00,進(jìn)行12 h監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7.

    由圖6可知,水體中活性污泥量越高,同一時(shí)間內(nèi)水中的溶氧值越低,由此可以推斷,微生物含量低是已經(jīng)富營(yíng)養(yǎng)化的日月湖夜間溶氧不持續(xù)下降的原因之一.由于硬質(zhì)湖底的景觀水體都存在水(富營(yíng)養(yǎng)化水平指標(biāo)為 TP<600 μg/L、TN<1.2 mg/L),CODMn已經(jīng)嚴(yán)重超標(biāo)(富營(yíng)養(yǎng)化水平指標(biāo)為7.1 mg/L)日月湖水體已經(jīng)呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化.

    3.2 日月湖水體自然降解特性分析

    溶解氧變化是水體自?xún)籼卣鞯谋磉_(dá)方式之一,日月湖水體自然降解特性分析實(shí)驗(yàn)選在晴天,以小時(shí)為單位、對(duì)日月湖水體進(jìn)行連續(xù)24 h溶解氧監(jiān)測(cè).并將其溶氧變化曲線與已有研究資料[10]進(jìn)行比較,結(jié)果見(jiàn)圖5.體中微生物少的特點(diǎn),這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果間接證明了可通過(guò)富集微生物的方式強(qiáng)化水體凈化功能.

    3.3 太陽(yáng)能生物浮島的充氧能力測(cè)試

    在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi),采用標(biāo)準(zhǔn)曝氣設(shè)備充氧能力檢測(cè)方法[12]檢測(cè)設(shè)備的充氧性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

    表2 太陽(yáng)能生物浮島各項(xiàng)曝氣指標(biāo)測(cè)定值

    從表2中可見(jiàn),較傳統(tǒng)表面曝氣機(jī)等的曝氣充氧設(shè)備,太陽(yáng)能生物浮島具有阻力損失小,充氧能力強(qiáng)的特點(diǎn).

    3.4 太陽(yáng)能生物浮島的充氧效果實(shí)驗(yàn)

    在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi),太陽(yáng)能生物浮島自動(dòng)運(yùn)行(白天充電,夜間從24:00~06:00供氧6 h),測(cè)定實(shí)驗(yàn)區(qū)域1、2點(diǎn)的溶解氧平均值A(chǔ)與對(duì)照區(qū)域3、4點(diǎn)的溶解氧平均值B的變化連續(xù),溶解氧采用在線溶解氧儀及碘量法[11]測(cè)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7和圖8.

    從圖7中可見(jiàn):對(duì)照區(qū)域內(nèi)夜間水中溶解氧持續(xù)下降,平均下降速率為0.53 mg/(L·h),到日出前達(dá)到最低值5.8 mg/L.實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)夜間水中溶解氧亦持續(xù)下降,開(kāi)始曝氣后,溶解氧濃度上升1.1 mg/L,此后亦持續(xù)下降,平均下降速率約為0.51 mg/(L·h),到日出前達(dá)到最低值 7.4 mg/L.

    從圖8中可見(jiàn):由于測(cè)試期間氣侯變化較大(第1天陰,第2~3天晴、第4~7天陰),水中DO值變化幅度較大,但實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)夜間水中溶解氧濃度比對(duì)照區(qū)域平均高0.73 mg/L.

    從上述實(shí)驗(yàn)可推測(cè):

    (1)淺層水體中DO的絕對(duì)水平是由水中的菌藻共生體系決定的,并受制于日間的光照條件.

    (2)夜間充氧量不足以維持生物降解所需氧量,但能使水體夜間溶解氧濃度保持在一個(gè)較高水平,防止微生物死亡.

    3.5 太陽(yáng)能生物浮島的凈化效果實(shí)驗(yàn)

    實(shí)驗(yàn)連續(xù)7天對(duì)4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行水質(zhì)分析,測(cè)試實(shí)驗(yàn)區(qū)域1、2點(diǎn)的葉綠素a平均值A(chǔ)與對(duì)照區(qū)域3、4點(diǎn)的葉綠素a平均值B的連續(xù)變化,葉綠素a采用分光光度法[11]測(cè)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9.

    從圖9中可見(jiàn),實(shí)驗(yàn)區(qū)域較對(duì)照區(qū)的葉綠素a數(shù)值明顯下降,1周后實(shí)驗(yàn)區(qū)域較對(duì)照區(qū)的葉綠素a的濃度下降了19.8 mg/L,可以初步推斷設(shè)備能快速有效抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化.

    4 水體修復(fù)機(jī)理分析

    結(jié)合設(shè)備的設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果,太陽(yáng)能生物浮島的水體修復(fù)功能主要通過(guò)以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn),其綜合作用機(jī)制見(jiàn)圖10.

    (1)設(shè)備直接曝氣充氧促進(jìn)好氧微生物代謝,加快水體有機(jī)污染物降解速率;

    (2)設(shè)備曝氣形成環(huán)流,加快水體液面更新速率,提高大氣復(fù)氧效率;

    (3)浮島植物根系吸收水體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),攔截固體顆粒、沉降膠體物質(zhì),提高凈化效果;

    (4)浮島中的生物填料,通過(guò)富集微生物,提高水體中的微生物數(shù)量和降解能力;

    (5)曝氣形成的環(huán)流,有利于凈化后水體與污染水體的交換,擴(kuò)大設(shè)備有效的凈化面積.

    綜上所述,太陽(yáng)能生物浮島通過(guò)構(gòu)建立體式的生物體系,使富營(yíng)養(yǎng)化水體在植物、微生物的協(xié)同作用下,通過(guò)太陽(yáng)能供能強(qiáng)化曝氣和水體循環(huán),實(shí)現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化水體的快速修復(fù).

    5 結(jié)語(yǔ)

    基于水體原位修復(fù)的理念,通過(guò)組合太陽(yáng)能、低能耗充氧和高效生物降解措施,構(gòu)建了一體化的立體式生物處理設(shè)備——太陽(yáng)能生物浮島.該設(shè)備能直接安置于受處理水體上、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,安裝簡(jiǎn)便、自動(dòng)運(yùn)行、造價(jià)低、無(wú)需外界能源供給,運(yùn)行成本為零、無(wú)二次污染,且外形美觀,與水體景觀和諧共處,技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯.

    實(shí)驗(yàn)表明,在淺層水體中,菌藻共生體系是水中溶解氧和污染物降解能力的主要來(lái)源,設(shè)備構(gòu)建的立體生物體系能有效增加水中的生物量,提高水體的凈化能力.太陽(yáng)能儲(chǔ)能所提供的夜間供氧能有效維持水體溶解氧水平,促進(jìn)好氧微生物代謝,強(qiáng)化水體凈化效果;成套設(shè)備能快速降低景觀水體的富營(yíng)養(yǎng)化水平.

    [1]楊青海.中國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化水體修復(fù)技術(shù)進(jìn)展[J].遼東學(xué)院學(xué)報(bào),2008,15(2):72 -75.

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