封閉過濾再生人工濕地中高等水生植物對礦化水進行植物脫鹽的綠色技術(shù)落地

曲 波 庫里留克·尼古拉 波洛夫尼科夫·伊戈爾 庫里留克·阿列克謝

烏克蘭技術(shù)科學(xué)院 烏克蘭 基輔 00047007

在世界各國，特別是在淡水供應(yīng)有限的地區(qū)，鹽水淡化的問題尤為突出。目前，中亞國家、中東國家、人口稠密的印度尼西亞、中國、印度和幾乎所有非洲國家以及歐洲、美洲和美國的一些國家都存在農(nóng)業(yè)和供水淡水不足的問題，需要在不久之后立即解決清潔水短缺的問題。根據(jù)聯(lián)合國的數(shù)據(jù)，全世界的淡水短缺正以每年13-20%的速度增長，到2050年將有超過50億人面臨水的問題[1]。解決確保地球人口獲得清潔淡水的問題是世界上所有國家的目標(biāo)，沒有例外。解決這個問題的基本方向是在飲用水和技術(shù)供水中使用礦化水，在其脫鹽后達到法定要求，首先是鹽分濃度不高于1000-1500毫克/立方分米。處理前的原水鹽度最高可達千分之3.5（ppm）。

1 鹽水脫鹽的現(xiàn)狀

水脫鹽的主要方法是反滲透、離子交換、蒸發(fā)（蒸餾）、電滲析和其組合。目前，最常見的水淡化方法是反滲透和離子交換。不太常用的是電滲析和蒸餾。在大多數(shù)情況下，離子交換允許水被淡化到幾乎完全的陰陽離子提取。為此，水被連續(xù)通過陽離子交換和陰離子交換過濾器以及裝載有陰離子和陽離子交換器混合物的混合作用過濾器。過濾階段的數(shù)量和離子交換材料的類型由水的脫鹽深度、雜質(zhì)的質(zhì)量和數(shù)量組成以及對去除污染離子的要求決定。在大多數(shù)情況下，離子交換被推薦用于初始濃度為1500-2000 毫克/立方分米的咸水淡化[3]，盡管有些作者推薦更多。離子法的優(yōu)點包括脫鹽的高可靠性。這種方法的缺點是用于離子交換器定期再生的大量試劑，這導(dǎo)致排放的廢棄再生溶液洗脫液的鹽分含量平均比咸水中的鹽分質(zhì)量大2.0-3.5[4]。一個重要的問題是這些溶液的處理，它們被禁止排入水體。

近幾十年來，反滲透（超濾）等膜工藝在水淡化中得到了廣泛的使用。這些工藝通過在壓力下通過特殊的膜過濾來減少礦化水的含鹽量。鹽分作為濃縮物被濃縮或送去進一步處理。水壓應(yīng)高于水中鹽類的滲透壓，滲透壓隨著離子濃度的增加而增加。例如，如果飲用水的滲透壓達到0.10兆帕，那么對于含有35克/立方分米鹽分的海水，滲透壓是2.58兆帕的重要值，這需要使用高壓泵。脫鹽水（滲透物）的輸出量最大達到75%[5]。多級過濾被用來提高水淡化的效率，并減少廢棄濃縮物的體積。在鹽分濃度較高的情況下，使用兩級脫鹽在第一階段使用反滲透或電滲析，在第二階段使用離子交換，在經(jīng)濟上是可行的。這種聯(lián)合脫鹽方案減少了試劑的數(shù)量和鹽類的排放濃度。

與離子交換凈化和水脫鹽相比，反滲透有以下優(yōu)點：過程的連續(xù)性和較少的膜再生試劑。然而，應(yīng)該注意到這種技術(shù)的缺點，如膜對生物污垢、膠體、重金屬和有機雜質(zhì)的敏感性，在膜表面形成的沉積物不溶性鹽，膜上鑲嵌的鹽的硬度和較高的電力成本。所有這些都需要對水進行仔細的預(yù)消毒和凈化，使其遠離泥漿、重金屬和有機雜質(zhì)，這些都會“毒害”膜。此外，為了防止不溶性化合物在膜表面的沉積，要在原水中加入特殊的化學(xué)品（沉積抑制劑或抗垢劑）。

在大多數(shù)情況下，隨著大量海水的淡化，鹽類的濃縮溶液連同防垢劑和洗滌劑一起返回到環(huán)境中，這對環(huán)境極為有害。沿海的魚類動物和珊瑚礁尤其受到超濾后的濃縮物排放到海水中的影響。特別是，美國環(huán)境部發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年數(shù)量龐大的海水淡化廠已經(jīng)傷害了超過34億條魚和其他海洋動物生物，給該國漁業(yè)造成的經(jīng)濟損失超過2.125億美元。在短時間內(nèi)，海水淡化廠還可以破壞約90%的浮游生物[6]。

目前，有一種趨勢是利用可再生自然資源，特別是通過高等水生植物，使用自然方法來凈化和調(diào)節(jié)水。從自然水處理系統(tǒng)來看，人工濕地[7-8]類型的生物工程結(jié)構(gòu)，用于處理家庭、工業(yè)廢水、水庫中的自然水和受污染的地表徑流，正變得非常普遍。大多數(shù)人工濕地運作的本質(zhì)是，通過高等水生植物的根系對水進行過濾，由于植物的光合作用，確保其吸收、積累、氧化和在二氧化碳的生物降解中合成氧氣的能力，在其中進行植物凈化。封閉式水培型人工濕地是很常見的[9-10]，其中高等水生植物的根系被固定在多孔（礫石）的過濾負荷中，并不斷被從上到下或從下到上垂直移動的水沖刷。

在有效去除泥漿、有機雜質(zhì)、生物氮和磷化合物的同時，可溶性鹽類也被高等水生植物從水中去除。因此，當(dāng)使用鳳眼蓮與污水處理一起從生物濾池（生物反應(yīng)器）的有機雜質(zhì)，觀察到刪除氯化物高達32%，硫酸鹽高達43%[11]。蘆葦?shù)母晌镔|(zhì)產(chǎn)量為44噸/公頃，可以積累高達419公斤/公頃的鉀，408公斤/公頃的氯化物，450公斤/公頃的鈉[12]。在生物工程結(jié)構(gòu)上，如利用高等水生植物建造的濕地，硫酸鹽的凈化效率高達25-30%，鈉離子高達10-15%[13]。

同時，在人工濕地中，過濾器回填物的孔隙、高等水生植物根際空間和排水系統(tǒng)逐漸被生物膜和礦化沉積物所包圍。此外，高等水生植物和藻類的根部不斷枯萎，進一步堵塞了回填和排水系統(tǒng)。這些過程減少了對高等水生植物根系的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，破壞了光合作用、蒸騰作用和水的植物凈化過程。由于這樣的生物盆地不允許清除沉積物，那么它在過濾回填和根際空間的積累和壓實就開始了。厭氧生物過程開始流動，導(dǎo)致礦物鹽提取、吸附和有機雜質(zhì)解毒的效率降低。厭氧過程開始流動，多成分的膠體雜質(zhì)被消化，結(jié)果是觀察到處理過的水的二次污染，高等水生植物死亡，人工濕地的效率和生產(chǎn)力降低。

如實驗數(shù)據(jù)所示，在人工濕地設(shè)施運行144小時之前，硫酸鹽的提取處于高水平，為0.404-0.837毫克/小時，然后吸收強度下降到0.121-0.046毫克/小時[11]。在去除氯化物方面也觀察到同樣的情況。為了恢復(fù)人工濕地的運行，需要定期關(guān)閉設(shè)施，進行與過濾器回填和排水的清洗和再生有關(guān)的維修和恢復(fù)工作，為高等水生植物創(chuàng)造壓力條件，并對隨后的植物凈化過程產(chǎn)生不利影響。

當(dāng)使用再生過濾水培型人工濕地[14]時，人工濕地的這些缺點就不存在了，它可以對過濾器回填物、高等水生植物的根系和排水系統(tǒng)進行持續(xù)沖洗。人工濕地的清洗和再生是通過對人工濕地的過濾回填物中被污染的循環(huán)清洗水進行水力自動排水，并在自清洗的發(fā)泡聚苯乙烯過濾器上進行后續(xù)凈化處理。它可以為人工濕地的植物結(jié)構(gòu)提供自我修復(fù)的工作模式，而不會為人工濕地上的高等水生植物的生長創(chuàng)造壓力條件。由于發(fā)達的技術(shù)和設(shè)計再生過濾水培型人工濕地的運行模式，無論源水的污染濃度如何，人工濕地都可以、其處理的周期性備案，服務(wù)人員的可用性，并在任何氣候條件下，實現(xiàn)更高的質(zhì)量和穩(wěn)定的水凈化使用高等水生植物。因此，使用再生過濾水培型人工濕地從礦化水中復(fù)雜地去除污染物和鹽分，在無反應(yīng)和無膜水淡化的情況下，是有希望的。

這項科學(xué)著作的目的是分析水在人工濕地上的處理情況，并論證使用再生過濾水培型人工濕地對高等水生植物的礦化水進行同步脫鹽的可能性。

2 研究結(jié)果

為了證實在高等水生植物的幫助下同時進行礦化水淡化的可能性，使用了再生過濾水培型人工濕地的植物技術(shù)，其基本方案如圖所示。

圖1 用于復(fù)雜凈化和淡化礦化水的再生過濾水培型人工濕地的示意圖

1是身的人工濕地、2是人工濕地頂部排水口的供水、3是過濾回填的頂層、4是過濾器回填物的底層、5是收集和排放循環(huán)再生水的中層排水、6是收集和排放凈化水的下層排水管、7是循環(huán)-再生水的泵、8是凈化用礦化源水的供應(yīng)管、9是浮選反應(yīng)器-澄清器、10是自沖式泡沫過濾器、11是水力自動過濾器沖洗裝置、12是高等水生植物、13是試劑場、14是沉淀物排放、15是過濾器洗滌水積聚的能力。

圖2 使用高等水生植物建造水凈化設(shè)施的選項（負載再生）

水處理廠生物柏拉圖-超聲波再生器由用于處理水的管道、填充有顆粒狀負載的植物箱、在其中爆炸的高級水生植物和/或喜濕樹木、用于在區(qū)域中分配水的排水收集器組成。高等水生大型植物的根系，預(yù)制的排水收集器，位于植物建筑的下部，用于去除純凈水的管道，還配備了超聲波激活系統(tǒng)，其形式為水動力發(fā)射器超聲波振動，位于負載的顆粒層。

圖3 高等水生植物凈化水的一種變體，通過 Schauberger 方法進行水活化

配有 Schauberger 水活化劑 AQUA-U-PLATO-162 的Bioplato 過濾器由一個充滿過濾顆粒的外殼組成，其中種植有高等水生植物 -大型植物，一個供水管道，其分布在根部區(qū)域的排水網(wǎng)絡(luò)高等水生植物系統(tǒng)-大型植物 它還包含收集排水、再循環(huán)水制備和供應(yīng)的綜合體，其中包括中間選擇和再循環(huán)管道。再循環(huán)管道還配備了一個水激活器，該水激活器至少由一根垂直放置的紹伯格螺旋管和一個用于破壞水射流的可混淆漏斗組成，該漏斗通過液壓連接到供水管道。

根據(jù)再生過濾水培型人工濕地的技術(shù)方案，植物脫鹽和水凈化是分幾個階段進行的。水的脫鹽和凈化的主要程度發(fā)生在人工濕地（1）本身，通過利用高等水生植物的光合作用過程，從水中吸收鹽分和生物化合物，并在高等水生植物的生物質(zhì)中積累。因此，根據(jù)V.Kravets[15]的研究表明，在目前使用高等水生植物進行水的植物性凈化的系統(tǒng)中、人工濕地過濾器對硫酸鹽和氯化物的去除率分別為58-35%和67-49%，這取決于人工濕地的結(jié)構(gòu)、年份和高等水生植物的種類。從礦化水中提取的溶解鹽分總量平均可達到原咸水總鹽分的40-55%，鹽分濃度為2500-3500毫克/立方分米。

再生過濾水培型人工濕地技術(shù)對礦化（微咸）水進行了額外程度的淡化，通過使用試劑和益生菌在浮選反應(yīng)器中凈化水并同時從人工濕地的循環(huán)水和再生水中提取鹽分。澄清器（9），然后在自沖洗泡沫過濾器中，這些都被組合成一個水處理綜合體[16]?；炷齽?、金屬氫氧化物、過濾材料和斜發(fā)沸石、矽藻土、水鎂石、凝灰石的天然礦物懸浮液、混凝土磚、泥炭[17]及其組合可用于循環(huán)再生水的凈化和脫鹽。

當(dāng)使用氫氧化鋁混凝劑與鋁酸鈉凈化硫酸鹽濃度為500-700毫克/立方分米的礦化水時，硫酸鹽的凈化程度達到83-88%[18]。通過使用金屬陽極進行電解獲得的磁鐵礦、鐵和鋁的氫氧化物，即所謂的電凝過程，對溶解的鹽類有很高的吸附性能。作者獲得的實驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)電凝時，從礦化咸水中提取氯化物的程度達到13-15%，硫酸鹽達到20-31%，甚至更多，這是因為金屬氫氧化物在金屬陽極被作用電流電離后形成的高吸附能力或金屬芯片的內(nèi)部電解[19-20]。益生菌[21]和基于沸石（斜發(fā)沸石）和其他天然礦物質(zhì)或其復(fù)合混合物的活性天然懸浮液[22]被添加到源水中，以加強高等水生植物的光合作用過程，保證人工濕地中綠色生物量的持續(xù)增加。

沸石天然懸浮液的活化可以通過膜細胞陰極區(qū)獲得的有效微生物-酶、益生菌和陰離子來進行[19-20]，或者通過復(fù)合活化[23-24]。懸浮活化通過沸石和其他天然過濾材料以及生物氮和磷化合物的懸浮液提供更密集的積累，并刺激高等水生植物根系的密集生長，從而促進光合作用和高等水生植物對鹽分的固定化。

再生過濾水培型人工濕地的礦化水的凈化和伴生脫鹽的技術(shù)方案如下。礦化水通過收集器（8）被送入人工濕地（1），并通過上層排水系統(tǒng)（2）均勻地分布在過濾器回填物（3）的上層，那里是高等水生植物（12）的根系最活躍的吸水區(qū)。

由于高等水生植物與水的不斷接觸，水和高等水生植物的根系之間發(fā)生了積極的質(zhì)量交換，人工濕地中的光合作用發(fā)生了轉(zhuǎn)化水中的有機和礦物雜質(zhì)的復(fù)雜生化過程，植物的生物量吸收了溶解的鹽分。然后，水從上到下通過過濾器回填層（3、4）進行過濾，通過過濾區(qū)被下層排水管（6）均勻收集，并按計劃排出。

在過濾回填層和人工濕地植物根部區(qū)域的水流過程中，不斷有活性污泥、微型藻類、懸浮礦物和有機雜質(zhì)的薄膜積聚，導(dǎo)致回填層和排水管的堵塞。增加了過濾層的水力阻力，開始發(fā)生窒息過程，這導(dǎo)致凈化水的質(zhì)量下降。

為了防止這一過程，一些被污染的水通過中間排水管（5）從上層過濾器中排出，這確保了上層過濾器回填物和高等水生植物根系的持續(xù)再生。最初，被污染的循環(huán)水和再生水被送到浮選反應(yīng)器澄清器（9）進行進一步凈化，在那里還提供了用于混凝和吸附懸浮物以及提取溶解鹽的試劑，以及用于浮選泥漿和氧氣飽和水的壓縮空氣。形成的污泥和沉積物定期從澄清反應(yīng)器（9）中抽出。漿液中澄清水的凈化是在一個發(fā)泡聚苯乙烯過濾器（10）上進行的。過濾器的回填物被堵塞時，定期通過一個特殊的虹吸裝置（11）以水力自動模式進行清洗。沖洗水被收集在一個容器（15）中，然后與循環(huán)-再生水一起被送入浮選澄清器（10）中進行凈化。如果有必要，益生菌、酶和有效微生物的懸浮液可以在泡沫聚苯乙烯過濾器之后被注入凈化的再生過濾水中。在生物浮選澄清反應(yīng)器（9）和自清洗聚苯乙烯過濾器（10）中凈化后，再生過濾水與微咸水的流動混合，并被送入人工濕地（1）的“頭部”。

因此，循環(huán)再生的水整天都在循環(huán)，通過人工濕地的過濾回填物（3）的上層，反復(fù)清洗高等水生植物的根部系統(tǒng)、這確保了它們的不斷清洗，并允許穩(wěn)定再生過濾水培型人工濕地技術(shù)中咸水的凈化和脫礦過程。

根據(jù)水的污染和礦化程度，再生過濾水培型人工濕地的復(fù)合塊可以按照凈化和植物脫鹽系統(tǒng)的指定操作模式，以一些組合變體的形式工作。在污染物和礦物鹽濃度相對較高的情況下，整個水流可以直接進入浮選反應(yīng)器澄清器（9）和自清洗泡沫聚苯乙烯過濾器（10）進行預(yù)處理和脫鹽，然后與循環(huán)再生水一起進行生物平板。在污染物濃度相對平均的情況下，水可以分為兩股，其中一股直接進入人工濕地，另一股與循環(huán)水混合并在澄清器反應(yīng)器和過濾器中凈化。流量的比例由污染物的濃度、用于凈化的水流模式、對凈化水和脫鹽水的質(zhì)量要求以及人工濕地的設(shè)計等參數(shù)決定。

再生過濾水培型人工濕地設(shè)施的運行模式也決定了試劑的類型、活化的天然懸浮液以及有效的酶和益生菌，將使用試劑場（13）進行定量或合成。這樣就可以調(diào)整水的特性，或按照凈化水的消費者要求的方向改變它們，以及在任何氣候條件下凈化水。特別是，在試劑的幫助下，有可能去除特別有毒的雜質(zhì)（重金屬、工業(yè)性質(zhì)的復(fù)雜有機雜質(zhì)），對純化水進行調(diào)節(jié)。

再生過濾水培型人工濕地可以是水處理的物理化學(xué)技術(shù)方案的一般綜合方案的一部分。在這種情況下，人工濕地可以放在污染水處理總體方案的開始或結(jié)束部分。如果水中含有高濃度的易氧化有機物和礦物質(zhì)雜質(zhì)，需要深度還原礦化，那么將人工濕地放在技術(shù)方案的開始部分更為合適。這樣就有可能去除人工濕地上的大部分有機物，特別是有毒的礦物污染物，并降低鹽的濃度，在下一階段實現(xiàn)澄清水的深度凈化。把人工濕地放在技術(shù)方案的最后，可以使水從有機和無機雜質(zhì)中得到深度凈化，并通過與高等水生植物接觸恢復(fù)其自然屬性。

3 結(jié)論

再生過濾水培型人工濕地類型中植物脫鹽的可能性分析表明以下：

1.基于再生過濾水培型人工濕地技術(shù)的人工濕地可用于礦化水的水力自動凈化和同時進行的無膜植物脫鹽處理。再生過濾水培型人工濕地的礦化水脫鹽是通過人工濕地中的高等水生植物提取鹽分，并在凝結(jié)劑的幫助下對循環(huán)再生水進行處理、磁鐵礦、金屬氫氧化物、天然礦物質(zhì)懸浮液等試劑的電化學(xué)活化處理。

2.人工濕地循環(huán)再生水的處理和凈化裝置必須包括一個浮選反應(yīng)器澄清器，用于引入額外的試劑和一個自清洗泡沫聚苯乙烯過濾器，在澄清的水中添加酶、生物試劑和益生菌，這可以使綠色生物量穩(wěn)定增加，并加強高等水生植物的鹽分提取。

3.計算結(jié)果表明，單獨使用再生過濾水培型人工濕地對初始鹽濃度為2500-3500毫克/立方分米的微咸水的總脫鹽率可以達到40-60%、取決于再生過濾水培型人工濕地的設(shè)計，同時提供所需程度的循環(huán)再生水。

4.下一階段的工作是利用再生過濾水培型人工濕地技術(shù)對咸水的復(fù)合凈化和伴隨的植物脫鹽過程進行建模，并根據(jù)水的循環(huán)程度和污染成分的濃度，確定技術(shù)方案的設(shè)施運作的基本參數(shù)。