小区中水封闭景观水体处理实验研究

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3.0 陈辉 2024-11-20 5 4 3.58MB 84 页 15积分

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

1.1 小区中水回用研究现状.....................................................................................1

1.1.1 小区中水回用的必要性.........................................................................1

1.1.2 小区中水回用的处理技术研究现状.....................................................1

1.1.3 小区中水回用于景观水体现状分析.....................................................2

1.2 景观水体处理研究现状.....................................................................................3

1.2.1 景观水体处理技术研究现状.................................................................4

1.2.2 小区封闭景观水体污染现状分析.........................................................8

1.3 本文研究的内容和意义.....................................................................................9

1.3.1 研究意义及目的.....................................................................................9

1.3.2 研究内容...............................................................................................10

第二章回用于小区封闭景观水体的中水实验研究 ...................................................11

2.1 污水处理为中水工艺技术设计.......................................................................11

2.2 小区中水回用装置系统设计...........................................................................13

2.2.1 实验装置设计.......................................................................................13

2.2.2 自动控制运行与监测水质系统设计...................................................17

2.3 回用于小区封闭景观水体的中水实验研究...................................................18

2.3.1 污泥驯化培养.......................................................................................18

2.3.2 实验结果及其分析...............................................................................18

2.3.3 原生动物的指示作用实验研究...........................................................19

第三章浅层气浮处理小区中水封闭景观水体实验研究 .......................................... 23

3.1 气浮净水技术概述...........................................................................................23

3.1.1 气浮净水技术的发展概况...................................................................23

3.1.2 气浮净水技术分类及应用...................................................................24

3.1.3 浅层气浮净水技术...............................................................................26

3.2 浅层气浮装置系统设计...................................................................................28

3.2.1 总体设计...............................................................................................28

3.2.2 进水泵...................................................................................................29

3.2.3 溶解投药桶...........................................................................................30

3.2.4 絮凝箱...................................................................................................30

3.2.5 浅层气浮池...........................................................................................31

3.2.6 泵溶气系统...........................................................................................32

3.2.7 刮渣排污系统.......................................................................................33

3.3 浅层气浮装置系统实验研究...........................................................................48

3.3.1 水质指标分析.......................................................................................48

3.3.2 实验结果与分析...................................................................................50

第四章沸石去除小区中水封闭景观水体中氮实验研究 .......................................... 54

4.1 非金属矿物材料脱氮性能研究现状...............................................................54

4.2 沸石脱氮性能及其影响因素的实验研究.......................................................59

4.2.1 焙烧温度对脱氮性能的影响...............................................................60

4.2.2 吸附平衡时间.......................................................................................61

4.2.3 等温吸附曲线及饱和吸附量...............................................................62

4.2.4 pH 对脱氮性能的影响 ..........................................................................64

4.2.5 投加浓度对氨氮去除率的影响...........................................................65

4.3 小区中水封闭景观水体中沸石去除氮实验研究...........................................66

第五章结论和建议.......................................................................................................70

5.1 结论...................................................................................................................70

5.2 建议...................................................................................................................71

参考文献 .........................................................................................................................72

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 83

致谢 .........................................................................................................................85

第一章绪论

第1页共 85 页

第一章绪论

1.1 小区中水回用研究现状

1.1.1 小区中水回用的必要性

水是生命之源，更是城市社会和经济发展的保障。随着人口与经济的增长，

世界水资源的需求量不断增加，水资源短缺已经成为区域经济发展的首要制约因

素和举世瞩目的全球性问题[1]。我国是全球 13 个人均水资源最贫乏的国家之一，

并且我国的水资源在时间和地区上分布极其不均匀。特别是我国传统的“高投入、

高消耗、高污染”的社会经济发展模式导致了严重的水环境恶化，这些因素导致

了我国目前面临着严重的水资源短缺问题。上海位于水资源丰富的长江三角洲地

区。但是，太湖流域来水、黄浦江干流水及全市河道水的严重污染，部分长江过

境水的污染及盐水上溯、倒灌所导致的水面积减少和槽蓄量降低等问题使得上海

也同样面临着水资源危机——水质型缺水，并且已开始限制上海地区经济社会的

可持续发展。中水作为城市第二水资源，与其它几种新水源，如海（咸）水淡化、

雨水资源收集利用以及远距离（或者外流域）输水比较，在资源可靠性、技术进

步潜力、生态和环境影响、工程效果等方面都具有足够的战略发展优势。因此，

中水回用，特别是即时可行的城市污水回用，已成为既可控制和治理水体污染，

又可节约水资源及促进城市经济社会可持续发展的重要途径。

“中水”一词源于日本，它是一种将城市和居民生活中产生的杂排水经过适

当处理后作为补充用途的非饮用水，因其水质介于上水（自来水）和下水（污水）

之间而得名[2]。中水回用的处理模式可分为集中式和分散式。纵观国内外中水回用

的发展现状，研究较多的是集中回用处理系统。但是，集中回用处理系统存在着

以下弊端：需要建立庞大的管网系统和中途提升泵站；污水在城市管网中进行长

途运输时也会造成漏失和二次污染；各种污、废水和雨水混合给有效去除污染物

造成了困难；长距离输水过程会导致终端的回用水水质可能达不到回用用途要求。

为了克服集中式处理回用模式的缺陷，找出完整、生态和经济有效的污水处理回

用系统的新途径。近几年来不少研究者提出了新的想法和革新的观念，其建议的

共同点在于提出了分散式处理回用的概念[3~5]，即通过就地处理与回用，实现水平

衡和水循环，特别是引入了城市生态建筑或生态小区理念后，小区分散式处理与

回用就显得更有意义。

1.1.2 小区中水回用的处理技术研究现状

目前，国外小区中水回用的污水处理技术主要分为三类：(1)自然处理系统：

利用土壤作为污水处理和处置载体，在土地充分利用污水中的营养物质供应植物

小区中水封闭景观水体处理实验研究

第2页共 85 页

生长的同时净化污水，包括土地利用、人工湿地、地下渗滤等；(2)集水系统：不

使用传统重力式污水管，而代以轻质塑料管，其优点有埋深较浅、管接少、连接

结构不复杂等，常用的污水管道有压力式、真空式和小直径重力式；(3)传统处理

系统：即结合生化和物化工艺，由池、泵、鼓风机和其它机械设备组成的系统，

包括：悬浮式生长、固定式生长和两者的混合[6]。此外，近年来新技术和硬件、旧

技术新设备、以及传统技术的新工艺集成等方面的研究和应用有较大的进展[7~9]。

国内在小区中水回用的污水处理技术方面的研究还不及国外经济发达地区和

城市，主要集中在单个建筑的污水处理方面，且工艺基本上都是传统方法的组合。

赵玉军等采用曝气生物滤池与 ClO2相结合的工艺来进行小区中水回用的处理[10]。

陈浩玺等在工程上运用生物炭——臭氧工艺对小区生活污水进行深度处理，中水

系统出水水质良好且稳定，而且运行成本较低[11]。董泽琴等对悬浮填料浮动床/土

壤地下渗滤中水处理系统进行了示范研究[12]。关旭对比分析了采用生物接触氧化

工艺和生物转盘工艺的运行成本和总成本，结果表明采用生物接触氧化工艺在污

水处理为中水是比较经济的，而生物转盘工艺无论是初期投资还是长期运行，其

费用都较高[13]。

综上所述，目前国内外大多采用好氧生物处理法（包括活性污泥法和生物膜

法）和厌氧生物处理法及其组合技术，以及膜生物法，很少采用强化一级处理法。

随着科学技术的发展，尤其是膜技术和改良型 SBR 技术的发展[14,15]，污水处理设

施实现了装置化、小型化，使得分散式小区中水回用得以实现。

1.1.3 小区中水回用于景观水体现状分析

目前，小区生活污水经处理后的中水主要回用于：①环境用水：作为娱乐性

景观、观赏性景观和湿地环境用水；②城市杂用水：作为城市绿化、道路清扫、

清洗汽车、冲洗厕所、建筑施工、消防用水；③农、林、牧、渔业用水；④工业

用水；⑤补充地下水和地表水[16]。

随着经济的发展和生活水平的提高，人们对居住环境的要求也越来越高。景

观水体以其独特、多样的表现形式和良好的观赏娱乐功能逐渐成为小区公共设施

的重要组成部分。此外，当小区污水就地处理后回用于浇灌绿化、清洁道路和清

洗汽车等小区公共用水时，需要一个容积比较大的蓄水池供上述不同用途、不同

时间的生活杂用，而小区景观水体可满足这一要求。因此，小区中水回用于景观

水体越来越受到人们的关注。

国外在中水回用于景观水体方面的研究早在 20 世纪 30 年代就已开始，以美

国、日本为主。1932 年美国在加利福尼亚州的旧金山建立了世界上最早的回用于

公园湖泊观赏用水的污水处理厂[17]。1961 年美国又在加利福尼亚州圣地亚哥城首

第一章绪论

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次实施了将城市污水再生回用于限制性娱乐用水（主要指钓鱼、划船、观赏湖泊

用水等）的工程，并取得了成功[18]。日本回用于景观环境用水部分约占污水再生

总量的 10%。日本从 1985 年到 1996 年用中水复活了 150 多条城市小溪，改变了

市区河道污染严重的局面[19]。日本大部分地区利用处理后的中水恢复受污染的水

体，修复和保护水资源[20]。东京将部分城市污水处理后再输送至河流上游，作为

城市河道景观用水。大阪市目前运转的十几个污水处理厂中有 5个主要用于改善

污水厂附近居民休闲场所的水环境。其中，中滨污水处理厂的深度处理出水用于

大阪市护城河的补充用水，并为水鸟繁殖提供了适宜的场所；而平野污水处理厂

向没有固定水源的市内河流今川、驹川、细江川提供经过深度处理的中水作为补

充水源。

我国将城市污水回用于景观水体的研究最早开始于“七五”国家科技攻关计

划。之后，一些学者在该领域进行了卓有成效的探讨。樊开青等采用 A2/O 工艺对

小区生活污水回用于景观水体进行了小试研究[21]。甄好权[22]、钱靖华[23]、何安琪[24]

分别对小区中水回用于景观水体的可行性进行了分析研究，其结果都表明中水景

观水体应尤其注意防止水体的富营养化。李春丽等以污水处理厂二级出水作为观

赏性景观水体的补水水源，研究了过滤系统在改善再生水景观功能中的作用[25]。

此外，国家建设部于 2000 年颁布了《再生水回用于景观水体的水质标准》的推荐

性行业标准。但由于 2000 年标准中的水质要求偏低，不能满足景观回用实践的需

要，2002 年国家标准化管理委员会组织制定了国家标准 GB/T 18921-2002《城市污

水再生利用景观环境用水水质》，简称为《景观标准》[26]。在《景观标准》中对

与河湖富营养化密切相关的营养盐含量、与人体健康紧密相连的卫生学和毒理学

指标进行了详细的规定[27]。

总之，国内对小区中水回用于景观水体的研究主要集中在对小区污水处理为

符合景观用水标准方面，而对受污染的中水景观水体的处理工艺系统集成方面研

究甚少。

1.2 景观水体处理研究现状

近年来，随着社会经济的不断发展，人们生活水平的不断提高，景观水体已

融入生活和工作场所，同时在人们对自身生存环境要求越来越高的今天，对城市

或居住小区的景观水体的期望值也越来越高，为此呈现了越来越多的具有人工景

观湖（河）的亲水住宅。然而，由于受到各种外界条件的影响，景观水体的污染

在所难免，甚至一些小区或公园的景观水体由于水质恶化，直接影响了附近居民

的正常生活。因此，对受污染的景观水体进行修复，已是社会经济发展及生态环

小区中水封闭景观水体处理实验研究

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境建设的迫切需要。目前，在对受污染景观水体处理方面，专家和学者大多数针

对的是天然景观水体和以自来水为水源的人工景观水体的处理技术和工艺系统集

成方面，研究的主要处理技术为物理法、化学法、生物法和生物－生态法等。

1.2.1 景观水体处理技术研究现状

1）物理法

（1）底泥处理

景观水体的底泥（沉积物）是水体污染物质的重要蓄积库[28]。来自各种途径

的污染物质，特别是营养性污染物质（如氮、磷）和重金属[29]，经过一系列物理、

化学及生物化学作用，其中的一部分或大部分沉积到水体的底部，成为水体主要

的内污染源[30]。通过对底泥的处理来控制水体的内源污染，一般有以下两种途径：

①阻止底泥中污染物的释放，如底泥掩蔽、底泥氧化等；②去除底泥中的污染物，

如底泥疏浚、底泥的微生物和水生生物修复技术。

目前，应用最为广泛的是底泥疏竣技术。底泥的疏竣技术，对于小水体在一

定程度上具有较为明显的效果，但对于较大的水体其效果不甚明显[31]。此外，底

泥的疏竣技术还存在着以下问题：①成本高。机械清淤 1km2底泥一般需要 9.9~24.7

万美元[32]。郭慧光等对昆明滇池底泥的疏竣成本进行了估算，其疏竣成本每吨底

泥高达 62.5 元[33]。②可能会对水生生态系统造成影响。底泥疏竣过程中可能会去

除底栖生物，破坏水生生态系统的食物链。如果底泥完全被疏竣，则需要较长的

时间才能重新建立底栖生物群落。如果底泥疏竣不彻底，又会影响水体的处理效

果。③疏竣底泥的处置易引起二次污染。由于疏竣底泥具有泥量大、含水率高、

污染物成分复杂等特点，因此其资源化价值低且难以处置[34]。目前，国内多采用

填埋和农用的处置方法。

底泥处理技术往往治标不治本，我国通过底泥处理来成功修复水体的例子还

不多见。此外，像美国、荷兰、瑞典等发达国家那样花费大量的资金来进行底泥

处理，在我国不一定适用。

（2）补水换水

补水换水的实质是对水体中的污染物进行稀释，并没有改变污染物的性质和

总量[35]。对于水量较小的景观水体，补水换水是一种行之有效的方法。但对于水

量较大的景观水体，补水换水量太小，无法达到净化的效果；而提高补水量又会

造成水资源的浪费，且成本较高。此外，置换出来的污水又要面临新的处理问题。

（3）曝气复氧法

污染严重的水体由于耗氧量大于水体的自然复氧量，溶解氧很低，甚至处于

缺氧或厌氧状态。此时对水体进行曝气复氧，可以增强水体的自净能力，改善水

第一章绪论

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质、改善或恢复水体的生态系统。曝气复氧的方式主要有自然跌水曝气和人工机

械曝气，前者充氧效率低，能耗较省，维护管理简单，多用于园林水景；后者充

氧效率高，选择灵活。用曝气复氧法处理景观水体的研究在国内外已经开展了 20

多年，是一种较为成熟和有效的工程措施[36~40]。曝气复氧法依靠水的曝气充氧只

能局部提高水体中的溶解氧含量，但很难保证整个水体的好氧环境，因此其只能

作为景观水处理的辅助手段。该方法可以避免水体发臭，能延缓水体富营养化，

但不能从根本上解决水体富营养化问题。

（4）气浮

气浮法作为一种景观水体的处理技术，其优点主要有：①可有效去除水中的

细小悬浮颗粒、藻类、固体杂质和磷酸盐等污染物；②气浮使水中的溶解氧含量

得到了大幅度增加，有效地改善了水环境的质量；③易于操作和维护，可实现全

自动控制；④抗冲击负荷能力强，对水质、水量的变化适应性好[41]。此外，气浮

法去除藻类的效果明显优于沉淀法[42]。但是，传统的气浮法也存在一些不足，如：

气泡直径较大，气固接触面积有限；进出水口的设置不够合理，造成水体的扰动，

致使净化效率降低；气浮池较深、液面负荷较低[43]。而浅层气浮技术在传统的溶

气气浮基础上，通过采用零速原理、浅池理论和新溶气机理，克服了上述传统气

浮技术的缺点，极大地提高了气浮效率。但是，浅层气浮技术虽可有效去除附着

在悬浮物上的污染物，却对溶于水中的污染物无能为力。

此外，景观水体的物理处理技术还有过滤[44,45]、活性炭吸附[46]、水位调节、

高压放电、超声波等，这些方法效果明显，但投资大、运行费用高[35]。

2）化学法

（1）化学沉淀法

化学沉淀法是指通过向水中投加硫酸铝、石灰、铁盐等化学药剂，以去除水

中的悬浮物和胶体杂质[47]。化学沉淀法具有操作和维护方便、处理效果好等特点，

可用于含大量悬浮物、藻类的景观水体处理。但是，化学沉淀法的基建费用和药

剂成本较高。此外，还需有效解决处理过程中产生的污泥问题。目前，化学沉淀

法通常协同其它工艺作为景观水的预处理措施。

（2）化学除藻

化学药剂可迅速杀死藻类。目前常用的化学药剂主要有松香胺类、季胺盐、

有机酸等有机化合物，以及铜盐、氯系氧化剂、高锰酸钾等无机物[48~50]。应用最

为广泛的除藻剂是硫酸铜。研究表明，硫酸铜不仅对藻类的去除效果较好，而且

在处理后的 2个月内藻类的浓度都可维持在一个较低的水平下，但其对水生生态

系统的毒理作用还有待进一步研究[51]。化学除藻虽然暂时效果较为明显，但是死

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亡的藻类所产生的二次污染及化学药品的生物富集和生物放大对整个生态系统的

负面影响较大，而且长期使用还会产生抗药性。因此，化学除藻只能作为一种辅

助技术或应急控制技术。

3）生物法

当景观水体的原水和补充水中的有机物含量较高，则可利用人工强化的生物

处理技术去除此类污染物。景观水体的生物处理技术主要有生物廊道、生物模块、

生物滤池、生物接触氧化等[52~54]。目前，被广泛采用的工艺主要是膜生物法中的

生物接触氧化技术和生物滤池技术。生物接触氧化技术利用填料作为生物载体，

通过生物膜上的微生物新陈代谢作用来去除污水中的污染物质。生物接触氧化对

CODcr、氨氮的去除率可分别达到 20%~30%和80%~90%，是一种行之有效的景观

水处理方法[55]。生物滤池技术则是以土壤自净原理为依据，在污水灌溉的实践基

础上，经较原始的间歇砂滤池和接触滤池而发展起来的人工生物处理技术。王凌

云等采用天然沸石、炉渣、砂子为填料，构建了上向流－下向流复合型多层生物

滤床，分别在静态和动态条件下研究了其对景观水体中氮、磷等营养盐的去除效

果，并对其去除机理进行了分析[56]。但是，由于景观水体的污染物浓度一般都比

较低，这就对生物处理技术的运行管理提出了更高的要求。此外，生物处理技术

单位时间的处理量较小，难以适用于水量较大的景观水体。

4）生物－生态修复法

生物－生态修复技术实质上就是按照生态学原理，通过对受污染或受破坏、

受胁迫环境下的生物（包括生物群体）的生存和发展状态进行改善、改良或恢复、

重现，以达到强化水体自净能力、最终恢复良好水质的目的[57,58]。

（1）微生物修复法

微生物是景观水生态系统中的分解者，可以降解各类污染物质，同时使水体

的各级营养结构趋于稳定并保持平衡，促使水生态系统恢复到正常状态，其对景

观水体的净化作用不容忽视。因此，微生物修复法在处理景观水体中得到了较为

广泛的应用。微生物修复法一般分为两种：一种是通过提供营养物质、表面活性

剂、微生物酶等方法，提高水体中原有的微生物（土著微生物）对污染物的降解

能力，如 BIO.E1、Bio OxidatorTM(BO)、Nutra ComplexTM(NC)、BZ 复合酶剂 [59~62]；

另一种是引入合适的微生物菌种来降解水体中的污染物质，如 Clear-Flo 系列菌剂、

EM 制剂、固定化氮循环细菌（INCB）[63~67]。日本、韩国、澳大利亚等国采用定

期向水中投放光合细菌来达到净化水质的作用[68,69]。李征等在严重富营养化的水体

中投加由光合细菌、硝化细菌和土著细菌按特定比例组成的优势菌群，达到了强

化水体自净能力、抑制藻类过度繁殖、使水质逐渐变好的目的[70]。

EM 制剂能够比

第一章绪论

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较有效地控制水体中的蓝藻水华，但其有效控制期大约只有 45 天[71]。由于微生物

修复法的局限性，其无法降解景观水体中所有的污染物质，因此其修复效果还取

决于景观水的可生化性。此外，微生物修复法易受低温的影响，并且投加外来的

微生物菌种可能会影响水生态系统的平衡[72]。

（2）水生植物修复法

水生植物修复法就是利用水生植物特别是高等水生植物能够大量吸收营养物

质、降解有毒有害物质的特点，对受污染的景观水体进行处理的技术。水生植物

对水体的修复作用主要体现在以下四个方面：①通过自身的生长代谢大量吸收水

体和底泥中的营养盐[73]；②通过吸收作用，将重金属、农药等污染物质富集、固

定在体内，以减少水体中的污染物[74]；③促进微生物的生长代谢，可以去除水中

大部分可生物降解有机物[75]；④通过分泌他感物质抑制藻类的生长、控制富营养

化现象[76]。水生植物修复系统主要有挺水植物系统[77~80]、沉水植物系统[81,82]和漂

浮植物系统[83]，见表 1-1。

表1-1 水生植物修复系统

类型

污染物去除机理

使用较多的

植物种类

研究及应用情况

挺水植物系统

微生物的代谢、植物吸

收（以是否收割而定）

陆委、香蒲、

灯心草

一般通过湿地的方式使用，研究

应用最多，工艺设计已渐成熟。

漂浮植物系统

植物的吸收、微生物的

代谢

凤眼莲、浮

萍、大漂、水

花生、满江红

一般通过氧化塘的方式使用，设

计简单，但工艺优化的研究较

少，应用受制约。

沉水植物系统

对氮、磷的短期储存、

控制富营养化表现形式

水体原有种

类

操作和实施难度较大，研究和应

用较少。

（3）水生动物修复法

水生动物包括浮游动物、游泳动物和底栖动物，它们以水体中的游离细菌、

浮游藻类、有机碎屑等为食，可以有效减少水体中的悬浮物，提高水体的透明度。

投放数量合适，物种配比合理的水生动物，对于延长水生态系统食物链、提高生

物净化效果有明显作用[84]。通过定期对游泳动物和底栖动物进行打捞，可以防止

其过量繁殖造成的内源污染，同时也将已转化成生物有机体的有机质和氮磷等营

养盐从水体中彻底输出。

在水生动物修复法中，应用和研究较为广泛的是生物调控技术

（Biomanipulation）。该技术主要是采用鱼类种群的下行控制，通过增加食鱼性鱼

类以减少甚至消除食浮游动物的鱼类（如北方狗鱼、蓝鳃太阳鱼等），或直接捕杀

食浮游动物的鱼类，以保证有充分的浮游动物来控制藻类，其修复机理如图 1-1

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