（环境工程专业论文）城市尾水深度处理回灌河道技术研究.pdf

摘要 综观国内各地城市，水环境日益恶化，水资源日渐紧张已成为普遍现象。如 何治理并改善城市水环境，实现水资源的科学利用、循环利用，保障社会稳定和 经济的可持续发展，是各级政府乃至中央所关心的重大问题之一。宁波，虽为江南 水乡城市，这一问题也同样严重。本文以位于宁波江东南区污水处理厂的同名课 题为基础，研究城市尾水资源再生利用与城市水环境改善提高相结合的技术与途 径。 本项研究遴选国内外尾水深度处理先进工艺，提出以“超微气泡人工湿地 生态稳定塘”为核心的组合处理工艺，采用物理、生态方法对污水处理厂的二、 三级尾水进行深度处理。通过近一年的监测试验，结果表明：城市污水处理厂出 厂尾水经此项工艺处理后优于城市河网现状水质，已达到地表水环境质量i 类 ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 标准，符合再生水回灌河道标准。 研究认为，“超微气泡人工湿地生态稳定塘 的组合深度处理工艺，高效低 耗，无二次污染，出水水质稳定良好，实现了城市尾水经深度处理后以“准自然 水体”回补到河网地表水体的理念。这一易于推广应用的城市尾水深度处理技术， 将为各地的水环境建设、尾水资源再生利用、污水处理工艺与规划建设等方面提 供参考与借鉴。 关键诃：超微气泡；人工湿地；生态稳定塘；深度处理；尾水；回灌河道 分类号： t v 2 t1 1 + 1 1 a bs t r a c t a g e n e r a lv i e wo ft h ew a t e re n v i r o n m e n ti si n c r e a s i n gd e t e r i o r a t i o na l lo v e rt h e c i t i e si nc h i n a i ti su s u a lt h a tt h ew a t e rr e s o u r c ei sg e t t i n gt e n s i o n h o wt od e a lw i t h a n di m p r o v et h em u n i c i p a lw a t e re n v i r o n m e n ta n da c h i e v et h es c i e n t i f i ca n dc y c l i c m i l i z a t i o no fw a t e rr e s o u r c et oa s s u r et h es o c i e t ys t a b i l i z a t i o na n dt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fe c o n o m i ci so n eo ft h ei m p o r t a n tp r o b l e m sw h i c ht h eg o v e r n m e n t sa t a l ll e v e l se v e nt h ec e n t r a lc o n c e r n a l t h o u g h n i n gb o i sar i v e r s i d et o w ni ns o u t hc h i n a , i ti sa l s om e e t i n gt h es a m ep r o b l e m i nt h i sr e s e a r c h ，t h et e c h n o l o g i e si st h em o s t a d v a n c e dt a i l w a t e rt r e a t m e n ti nc h i n a t h ec o r eo ft h ec o m b i n e dt r e a t m e n tp r o c e s si s s u p e rm i c r o - b u b b l e , c o n s t r u c t e d w e t l a n d - e c o l o g ys t a b l ep o n d b yu s i n gt h ep h y s i c a l ，e c o l o g i c a lm e t h o d ，t h es e c o n da n d t h i r dt a i l w a t e rf r o mt h ew a t e rt r e a t m e n tp l a n tc a nb ed e e p l yt r e a t e d a f t e ra l m o s to n e y e a r st e s tm o n i t o r i n gt h er e s u l ts h o w st h a tt h eq u a l i t yo ft a i l w a t e ra f t e rt r e a t e di sb e t t e r t h a nt h eq u a l i t yo ft h em u n i c i p a lr i v e rn e t w o r ka n dt h eq u a l i t ym e tt h et h i r ds t a n d a r d r e q u i r e db ys u r f a c ew a t e rq u a l i t y ( g b 3 8 38 - 2 0 0 2 ) , a c c o r d i n gw i t ht h es t a n d a r do f r e c y c l ew a t e rr e c i r c u l a t i o ni n t or i v e r s t h es t u d yc o n s i d e r st h a t “s u p e rm i c r o - b u b b l e ，c o n s t r u c t e dw e t l a n d e c o l o g ys t a b l ep o n d i sac o m b i n e dp r o c e s sw i t hh i g he f f i c i e n c yl o wc o n s u m p t i o n ，1 1 0s e c o n d a r yp o l l u t i o n a n dt h ee f f l u e n tq u a l i t yi ss t a b l e i ta c h i e v e dt h ec o n c e p tn l a tt h em u n i c i p a lt a i l w a t e r a f t e ra d v a n c e dt r e a t m e n tc a nb er e c i r c u l a t i o ni n t or i v e rn e t w o r ks u r f a c ew a t e ra s “q u a s i - n a t u r a lw a t e r d u r i n gt o i t s e a s yt op o p u l a r i z ea n da p p l y , i tw i l la f f o r d c o n s u l t a t i o na n dr e f e r e n c ef o rt h ew a t e re n v i r o n m e n tc o n s t r u c t i o n ，t a i l w a t e rr e c y c l e u t i l i z a t i o n ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sa n dl a y o u tc o n s t r u c t i o na l lo v e rt h ec i t i e s k e y w o r d s ：s u p e rm i c r o - b u b b l e ；c o n s t r u c t e dw e t l a n d ；e c o l o g ys t a b l ep o n d ； a d v a n c e dt r e a t m e n t ；t a i l w a t e r ；r e c i r c u l a t i o ni n t or i v e r s c l a s s n o ： t v 2 11 1 + 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：压2 以 签字日期：加彩年胁月，日 5 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复锘i j 手段保存、汇编以供查阅和借阅。l 可意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密盼学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：彦多山 导师签名：骢 去 签字日期： 沙锯年f 7 月，日 签字日期：埘g fz 月矿日 致谢 本论文的工作是在我的导师 李进】教授的悉心指导下完成的，【李进】教授严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来【李 进】老师对我的关心和指导。 【李久义 教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向【李久义】老师表示衷心的谢意。 【黄漪平】教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间， 崔杰】、 徐彬】等同学对我论文中的【课题】 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人【叶丹妮】，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 序 由于平原河网水体流动性差、大量污水入河等原因，宁波市城区河网水质的 改善相当缓慢，而由于水资源的限制，作为有效措施之一，水体调控工作又无法 开展。另一方面，城市污水经二级处理后直排入江，造成水资源的极大浪费。如 何将两者有机结合，是开展本项研究工作的直接目的。 笔者认为，其中的关键在于城市尾水经过再次处理后能否达到回灌河道的水 质要求。经过勘察选址，申报确立了尾水深度处理回灌河道的技术研究课题，研 究旨在探索有效的深度处理技术，并对经济技术指标进行分析，为规模化应用提 供参数，并为拓展中水应用方向提供参考。 研究课题获得了宁波市城市管理局、宁波市科技局、宁波市城区内河管理处、 宁波市城市排水有限公司等单位的支持与资助。 1 1研究背景 1引言 水是人类生存的基础。中国的水资源总量位居世界第六位。人均水资源量却 排在世界1 0 0 位之后，年人均水资源量只有2 2 0 0 - - 2 4 0 0 m 3 ，相当于世界年人均水 资源量6 9 1 8 m 3 的1 3 左右。随着工农业的发展、城市化进程的加快、人民生活水 平的提高，水体污染不断加剧，造成不少地方出现水量虽多却不能使用的水质性 缺水现象。当前相当部分城市水资源短缺，城市缺水范围不断扩大，缺水程度日 趋严重，据统计全国6 6 9 个城市中，4 0 0 个城市常年供水不足，其中有1 1 0 个城市 严重缺水，日缺水量达1 6 0 0 万立方米，年缺水量6 0 亿立方米，由于缺水每年影 响工业产值2 0 0 0 多亿元【l 】。在这样的背景下，人们不得不采取节约用水、保护水 资源、开辟新水源等措施来缓解水资源危机。目前已经或者正在开发利用非传统 水资源的方法有【2 】：在沿海地区直接利用海水做工业冷却水或冲洗厕所；淡化海水 或苦咸水以获取淡水；人工增雨以解决局部地区的长时间干旱；农村和城市的雨 水收集利用；长距离、跨流域调水以克服地区间水资源量的不平衡，促进缺水地 区的经济发展；极地冰山淡水资源开发利用；以城市污水为水源，经过适当处理 后，回用于工业用水、农业用水、城市杂用水、环境用水以及用来补充水源水等， 包括建筑物和建筑小区中水回用。其中中水回用是较为有效的措施之一，由于它 具有水源稳定可靠、处理成本较低等优点，已经越来越受到各国的重视。 宁波市水资源的人均占有量仅为全国人均水平的5 5 和浙江省人均水平的 5 7 左右。随着国民经济的快速发展，宁波市水资源的供需矛盾日益突显。根据宁 波市水环境治理领导小组办公室和宁波市经济建设规划研究院的预测，到2 0 1 0 年， 全市需水总量为2 4 4 4 亿m 3 ，其中生活用水约5 4 8 亿m 3 ，工业用水约8 1 8 亿m 3 ， 中心城区( 六区) 的用水量为1 1 4 3 亿m 3 ，到2 0 2 0 年，全市需水总量为3 1 2 9 亿 m 3 ，其中生活用水7 8 亿m 3 ，工业用水1 2 亿m 3 ，中心城区用水量1 6 0 7 亿m 3 。 在现有水资源工程条件下，年均可利用水资源约为2 l 亿m 3 ，供需之间存在很大 缺口。宁波市河道由于受工业、农业、生活污水和其他污染源的污染，2 0 0 4 年6 4 个监测断面的水质达标率仅为3 2 8 ，大部分的河网水质为i v 类劣v 类，水体 污染属有机型污染，富营养化程度严重，一些河道甚至出现黑臭，造成宁波市与 很多其他城市一样，面临水质性缺水的尴尬局面【3 】。近年来，国家越来越重视水环 境的治理保护，大力推进水资源的综合利用；宁波正在为创建“节水型城市 、“国 家级生态城市”及“最佳人居环境城市 而加大环境建设投入，以提高污水再生 利用水平，改善水环境质量。宁波南区城市污水处理厂日产1 6 万吨二级生化出水、 l 万吨三级深度处理中水，本文所称尾水是污水处理厂二级生化出水和三级深度处 理出水( 中水) 的统称，处理后直接排入附近江面后汇入大海，水资源浪费严重。 然而宁波城区内河受地理位置限制、工程拆迁难、建设复杂、成本巨大等因素影 响，生态调水难以覆及，缺乏足够的水源补充，水质日渐恶化。宁波南区城市污 水处理厂出水近期达到污水综合排放标准g b 8 9 7 8 1 9 9 6 二级标准，中水近期 因氮、磷超标难以达至b 景观环境用水水质g b t 1 8 9 2 1 2 0 0 2 标准。宁波城区内 河功能区划为地表水类标准，若直接用污水处理厂尾水回灌河道，水中残留污 染物达不到标准要求，会加剧河水污染。因此，回灌之前需进行系列的深度处理， 这样不仅可以节约水资源，而且可以改善城区内河水质。 本试验对宁波市江东南区污水处理厂尾水进行深度净化效果研究，为尾水的 规模化处理和循环利用收集科学数据。尾水经深度净化后将作为河道补水回灌河 道，在改善河网水质的同时，市政绿化等对水质要求较低的可就近取用清洁的河 道水，实现水资源的循环利用。 1 2课题来源 本试验源于宁波市城市管理局下达的科技研究课题，是以宁波城市污水处理 厂二级生化出水、三级深度处理中水( 下文统称为尾水) 为对象，研究“超微气 泡人工湿地生态稳定塘”组合工艺在尾水深度处理中的应用。宁波江东南区污水 处理厂，在建设过程中已为本试验的开展创造了有利条件，预留了相应的管线与 场地，实施了试验所需的人工湿地及生态塘建设。同时，尾水回甩的河道位于厂 区边缘，经过生态塘与河道的管道连接，为尾水回灌河道解决了最终走向。本研 究采用的超微气泡一人工湿地一生态稳定塘组合技术方案，经专家组评审，认为 工艺先进，技术实用可行，具有较强的可操作性和应用前景，预期经济性较好。 污水厂尾水出水稳定，并配有相应的水质检测设施和监测人员，为课题的运行、 日常的检测分析提供了有利保障。本课题经宁波市城市管理局立项并安排专项经 费，同时宁波市科技局给予一定的补助，为本课题的顺利实施确保了经费。 1 3课题研究的目的、内容 水环境在营造城市环境舒适性具有重要作用和地位，但是随着宁波区域经济 的发展和城市化进程的加快，生产、生活污水排放量和上游取水量增大，导致河 道水源缺乏，水质恶化。河网水质普遍在v 类或劣v 类地表水标准，蓝藻、水华 2 等富营养化现象影响城市环境质量，部分河段的黑臭现象已危及周边居民的健康。 补充河网水源，实施水体调控，促进河网水体流动与更换，是改善河道水质，提 高水环境质量的有效措施之一。 目前，宁波市中心城区的污水集中处理规模已达至【 5 8 万吨每天，每天将产生 数十万吨的二级生化处理的尾水。进行污水资源的大规模再生利用，是宁波市经 济社会可持续发展的必然选择，也是宁波市创建“全国生态城市 和“最佳人居 环境城市”的具体要求。本研究提出的“超微气泡人工湿地生态稳定塘”组合技 术方案，采用物理、生态方法对城市尾水进行深度处理，达到城市河网景观用水 标准，回灌河道，取得污水资源的循环利用和城市水环境改善恢复的双重功能。 研究旨在探索、仓i j 新尾水深度处理的理论与技术，实现“准自然水体”回补到河 网地表水体的理念，大力促进宁波的“节水型城市”、“国家生态城市 、“最佳人 居环境城市 等的创建。也为各地的水环境建设、尾水资源再生利用、污水处理 工艺与规划建设等方面提供示范与借鉴作用，具有广泛的应用前景。本试验内容 主要包括以下几个方面： 1 、研究“超微气泡人工湿地一生态稳定塘”系统对污水处理厂二级出水与 三级出水的净化效果。 2 、研究“超微气泡一人工湿地一生态稳定塘”系统净化效果的影响因素。 3 、研究污染物盼去除机理和效能，进行稳定性i 9 1 4 试。 4 、系统评价、优化，提出系统最佳运行方案。 5 、研究净化效果最佳点的系统建设成本和运行成本。 1 4 课题研究的意义 本课题研究成果不仅有良好的社会效益和显著的经济效益，而且该研究具有 很高的理论研究价值，所涉及的超微气泡和人工湿地两项核心技术，国内外尚处 于起步阶段，超微气泡在污水处理中的直接应用国内鲜见报道，对尾水深度处理 是全新的探索，研究成果填补了我国相关领域的空白。研究成果可以应用于对传 统工艺的改造，超微气泡、人工湿地、生态氧化塘技术可以分别直接运用于传统 污水厂的尾水深度处理技术改造，改善出水水质，达到高要求的水质指标。 3 2国内外研究现状 2 1 污水深度处理回用现状及处理技术概述 2 1 1国外尾水回用现状及发展水平 城市尾水回用已成为世界不少国家，尤其是淡水资源缺乏国家解决水资源不 足的战略性对策| 4 j 。城市尾水回用技术在国外已经有了相当丰富的经验【s l 。通过尾 水回用部分满足由于水资源不足限制城市和工业发展的需要，收到了很好的社会 和经济效益。 日本尾水深度处理后主要回用于河道景观及工业生产。尾水深度处理回用技 术早在1 9 6 2 年已应用于实践。7 0 年代初见规模。从8 0 年代起日本大力提倡使用 中水，并在上水道和下水道之间，专门设置了中水道。而且为了鼓励设置中水道 系统，日本政府制定了奖励政策，通过减免税金、提供融资和补助金等手段大力 加以推广。同时还要求新建的政府机关、 运动场等公共建筑物都须设置中水管道。 学校、企业、办公楼以及会馆、公园、 1 9 9 1 年日本明确将尾水回用技术作为最 主要的研究内容加以资助，开发了高效脱氮除磷技术、膜生物反应器、膜分离技 术、超临界水氧化技术等多种尾水深度处理工艺。 以色列是在尾水回用方面最具特色的国家。占全国污水处理总量4 6 的尾水 经处理后直接回用于灌溉，其余3 3 3 和约2 0 分别回灌于地下或排入河道，其 尾水回用程度之高堪称世界第一。他们采取的中水回用处理过程为：城市污水的 收集_ 传输到处理中心_ 处理_ 季节性储存_ 输到用户_ 使用及安全处置。 在回用方式上，包括小型社区的就地回用，中等规模城镇和大城市的区域级回用。 美国尾水回用经历了多年的发展已进入大规模生产应用阶段，最早回用尾水 的是佛罗里达州的圣彼德斯堡市( s t p e t e r s b u r g ) ，该市三面环海，地势平坦，年降 雨量与基本蒸发量持平，淡水资源匮乏。圣彼德斯堡市建成了世界上最大的城市 污水回用系统，实现污水的1 0 0 循环利用，该市建有两套配水系统，一套提供新 鲜淡水供饮用和家庭使用，另一套通过将二级污水处理厂改造成三级( 深度处理) 处理的尾水深度输送用于工业冷却、草地浇灌、建筑和消防等，多余的回灌地下 水。2 0 0 0 年美国的加利福尼亚州的污水回用占污水处理总量的1 0 ，达8 6 4 亿吨。 新加坡为了更好地节约水资源，推广中水市场，在媒体上对中水大做广告， 以引导民众的消费习惯，吸引更多的新加坡人接受它。目前每天至少有数千万升 经过深度处理的中水已经加到饮用水管中，不仅仅单纯作为中水利用了。 4 南非的约翰里斯堡每年有约3 4 亿吨再生水供人们引用，由于严格控制水质卫 生标准，处理得当，未有威胁人体健康问题发生。 2 1 2 我国中水回用的发展现状 我国对城市污水处理与利用的研究，早在19 5 8 年就开始列入国家科研课题， 2 0 世纪6 0 年代关于污水灌溉的研究已达至i j 一定的水平，7 0 年代中期进行了以回 用为目的的城市污水深度处理小试，8 0 年代初在青岛、大连、太原、北京、天津、 西安等缺水城市相继展开了污水回用的试验研究 6 1 。在中水试验的同时，有关中水 的标准和法规也相继出台。2 0 0 0 年，以“十五”纲要为标志，中水回用被正式写入 文件；2 0 0 2 年出台了三个标准：城市污水再生利用城市杂甩水水质g b 厂r18 9 2 0 、 城市污水再生利用景观环境用水水质g b t1 8 9 2 1 、农田灌溉水质标准g b 5 0 8 4 ，以代替c j2 5 1 8 9 生活杂用水水质标准。 近些年，由于水资源紧张情况日益加剧，水价经济杠杆的作用，中水回用工 作日益受到重视，国内许多城市都建设了中水回用工程【7 】。 北京的高碑店污水处理厂建成了我国最大的中水回用工程，回用规模为3 0 万 m 3 d ，回用对象主要是河湖补水、城市绿化、喷洒道路和热电厂冷却用水； 天津纪庄子污水处理厂厂内回用规模2 0 0 0m 3 d ，该厂采用a 2 o 工艺对尾水 进行除磷脱氮，再经纤维球滤料过滤、消毒后回用。东郊污水处理厂回用工程将 二级出水过滤、消毒后回用，规模为7 万m 3 d ； 河北邯郸市建成6 万m 3 d 的回用水工程，用于电厂冷却水； 山东枣庄和泰安分别建成3 万m 3 d 和2 万m 3 d 的回用水工程； 青岛市海泊河建成4 万m 3 d 的尾水深度处理回用工程，用于工业冷却、绿化 和生活杂用。 本文所研究的尾水来源，宁波市南区污水处理厂近期建设的日产1 万m 3 d 中 水回用已经进入调试尾声，远期将建设2 万m 3 d 中水用作杂用水补充。 2 2尾水深度处理技术概述 尾水深度处理是指城市污水或工业废水经一级、二级处理后，为了达到一定 的回用水标准使污水作为水资源回用于生产或生活的迸一步水处理过程。 开始阶段我国城市污水厂尾水主要用于农业生产嘲，由于早期对水质要求不 高，一般直接将污水厂二级出水用作灌溉水使用。随着农业灌溉水标准的制定， 尾水回用领域的扩大，对于回用的尾水水质也有了更高的要求，因此必须对尾水 5 进行深度处理( 也有文献称为三级处理或高级处理) 。针对污水( 废水) 的原水水 质和处理后的水质要求可进一步采用三级处理或多级处理工艺。常用于去除水中 的微量c o d 和b o d 有机污染物质，s s 及氮、磷高浓度营养物质及盐类。深度 处理的方法有网：絮凝沉淀法、砂滤法、活性炭法、臭氧氧化法、膜分离法、离子 交换法、电解处理、湿式氧化法、蒸发浓缩法等物理化学方法与生物脱氮、脱磷 法等、或者是以上方法的两种或两种以上的组合。我国传统的污水回用方法归纳 有如下几种： ( 1 ) 经二级处理后，出水直接回用。 ( 2 ) 污水经二级处理后，经过滤回用。 ( 3 ) 污水经二级处理后，经混凝、沉淀、过滤后回用。 ( 4 ) 污水经二级处理后，经混合、沉淀、过滤、活性炭吸附后回用。 ( 5 ) 污水经二级处理后，改造a o 法，经混凝、沉淀、过滤后回用。 传统污水回用方式存在的问题是：费用昂贵，管理较复杂，处理量受到限制。 近年来，国内外的水处理专家在水的深度处理技术领域的研究十分活跃，形成了 一套较为成熟的理论，成功研制出一系列的实用技术和专用处理设备。按照其处 理方法可概括为物理法、化学氧化法、生物法、人工湿地等技术的优化组合，表 1 1 列出尾水深度处理比较有代表性的技术【1 0 l 。 表1 1 ：部分尾水深度处理技术 水中污染物质可选水处理技术 c o d 、有毒 溶解性 生物氧化、活性炭吸附、化学氧化、离子交换、反渗透、微电解、土地 物质处理 悬浮性过滤、厌氧好氧生物处理、混凝，气浮沉淀 氨氮、磷吹脱、生物氧化、化学氧化、离子交换、反渗透、微电解、电渗透， 硝酸盐生物脱氮、离子交换、反渗透、电渗透 金属化学氧化、混凝沉淀、过滤、土地处理 病毒、病原体寄身虫混凝气浮沉淀、生物氧化、化学氧化、过滤 2 3宁波内河现状及回灌水质要求 2 3 1总体概况 有江南水乡之誉的宁波，河网水系发达，在中心城区( 世纪大道一杭甬高速 一机场路一北外环) 范围内分布着大小河道1 7 2 条( 不包括三江) ，总长度1 8 6 8 6 毡噩奎通盍芏主些亟芏监监窑国由盐班宜理垫 公里，水域面积4 0 0 余万平方米。由于奉化江、姚江、甫江的自然分割，城区内 河又分属鄞西、部东南及江北三大水系，而城区内河则位于三大水系之末端。祥 见图2 - l 宁波市城区冉河分布圈。 r _ 二。一一- 一 一 一：t = = 圈2 - 1 ；宁渡市城区内河分布田 f i g a l t h e l a y o u t p l a n o f t h e h l “n w i n n h l g b oc i t y u r b a n 2 3 2 治理现状 为了恢复和改善城市内河状况，自1 9 9 8 年以来，到2 0 0 7 年底为止，宁波总 计投入城建资金及城市维护专项资金约3 3 ，7 3 0 万元用于城区河道的治理。其中， 完成综合治理中心城区的河道包括西塘河、新河等1 8 条，局部( 主要指分段或分 期) 综合治理河道包括中塘河、后塘河等1 5 条( 其中城建资金安排治理2 0 条) ， 疏浚河道9 0 余条次，实施截污纳管工程河道2 8 条，生态治理河道3 条，并且在 海曙中心城区成功实箍了水体调控工程( 调控区内河道1 2 条，水域面积4 2 2 ， 8 0 0 m 2 ) 。 同时，对北斗河等部分中心城区河道实施了水体绿化、垂直绿化以及河岸景 观灯光等景观工程，并通过生态修复的科技手段对卧彩江等河道进行水质治理。 2 3 3 水质现状 近年来，内河水质大范围黑臭现象已基本消除，综合来看，春、秋、冬三季 水质基本稳定，夏季则常有水体发绿、水华暴发的现象。根据普查，目前水体黑 臭问题主要集中在城中村、城乡结合部等区域，试验回灌河道就是常年黑臭。尽 管经过持续的内河整治，内河水质感官上有所改善，但监测显示，城区内河水质 基本为劣v 类水体( 主干河道雨量充沛时节大体符合地表v 类标准) ，距离“十一 五”规划要求的“城区内河水质达到地表类水体”目标仍有较大差距。 2 3 4 城区内河水体功能与相关水质标准要求 根据最新公布的宁波市水环境功能区划，宁波城区内河为景观娱乐用水区， 属类水体；宁波市实际城区水环境质量目前普遍处于v 类或劣v 类水体，希 望通过再生水的回用，使水体改善达到地表水环境质量i i i 类、类标准。 为推进并规范城市污水的再生利用，国家在2 0 0 2 年重新修订了城市污水 再生利用的系列标准。其中城市污水再生利用景观环境用水水质( g b t 1 8 9 2 1 2 0 0 2 ) 标准规定了将再生水回用于景观环境( 分娱乐性景观环境，相当于地 表水类水体，和观赏性景观环境，相当于地表水v 类水体) 时的水质要求。 2 4超微气泡机理及应用动态 2 4 1 超微气泡的生成原理 液体中的气( 汽) 泡有两种类型【1 1 1 ，即蒸汽泡和气体泡。蒸汽泡内的气体是周围 液体介质的蒸汽，而气泡内的气体对周围液体介质而言是另一种介质。这里我们 只讨论气体泡的情形，以下称气泡。 在许多物理和化学过程中都能遇到气泡的形成现象。当气体在液体中受到剪 切力的作用时就会形成大小、形状各不相同的气泡来，此外，降压升温、在液体 中放电、超声波、电解等方式也都能够形成气泡。在化学、核能、环境工程、热 力发电及石油等工业中广泛存在着气泡的形成过程。最常见的一种气泡生成形式 是将一种气体以一定的流量由沉浸在液体中的孔口喷入液体中而形成气泡，本研 究所用日本专利超微气泡发生装置就是此类型，见图2 2 超微气泡发生装置。 8 圈2 - 2 ：超徽气泡发生装置 f l g 7 - 2 t t e g m e r a t i # g d e v l e f s u p e r m l e 挣b u b b l e 一协能够产生剪切力的方式都能够产生气泡，当剪切作用达到一定程度的时 候，气泡就会经过多次的分裂而达到一个很小的尺寸，称之为超微气泡。对于具 体的应用领域，超微气泡的定义标准是不一样的，都有其自己的规定。在此我们 所指的超徽气泡是微米级的气泡。国际上用次声、超声、机械、射流等技术可实 现高分散、超微气泡的气一液界面分散体系。各国产生超微气泡尺寸水平不一， 德国，韩国一般为1 0 9 i n ，日本和美国可达n o 5 i n n ，本试验采用的日本设备制造超 微气泡方法简单且功耗低，产生的超微气泡尺寸5 n m - 1 0 p m 。在气液接触设备的设 计中，由于气液接触表面积是控制传质和传热过程的决定性因素，因此，弄清各 种因素对气泡形成特性( 大小和形状等) 的影响是至关重要的。一般来说气相在液相 中的弥散总是希望产生尽可能大的气液接触表面，这就需要产生尺寸尽可能小的 气泡。 溶液中的气泡形成主要有两种方式【1 2 】：溶液中发生化学反应产生气泡；外界 溶解气体释放。在实际污水处理过程中，使溶解气体释放产生气泡是一种常用的 方法。根据超微气泡从溶液中析出时所处的压力不同有真空溶气和压力溶气两 种。前者利用抽真空的方法在常压或加压下溶解空气，然后在负压下释放空气； 后者是在加压的情况下，使空气强制溶解于溶液中，然后通过溶气释放器产生一 个瞬间的压力降，使之产生大量的气泡。真空溶气虽然能耗低，但气泡释放量受 限制，实际应用不多。 2 a2 超微气泡的水质净化机理 由于尺度效应作用【l ”，超微气泡具备普通气泡所没有的理化特性，表现为高 分散性、高内压、高表面能、高界面活性等。这些特性极大提升了水中氧的利用 效率，加快反应速度进程。 ( 1 ) 微气泡的增氧作用 水体由于静止或污染，溶解氧含量较低，易发黑发臭。利用微气泡发生装置 在水面下直接充入微气泡，越过了水体上的表面膜，大大提高了空气中氧进入水 体中的速度和数量，使水体中的溶解氧迅速趋近饱和。微气泡比大气泡在气一液 界面上氧分子所占的比例也大大增加，这也大大提高了氧分子的利用率。在标准 状态下l m o l 空气的体积j c 争2 2 4 l ，其中氧气占2 1 。那么氧气为4 7 0 4 l 。若此时的 空气全部分散为l m m 或l 哪的气泡，其l m m 气泡的总表面积是6 7 x1 0 3 d m 2 ，而l i m a 微气泡的总表面积是6 8 1 0 7 d m 2 。微气泡的总表面积大，表面氧气分子也就多， 氧的利用率相应提高，因此在气一液界面上的氧化作用增强。这项技术用于城市 生活污水处理有较好前景。实验表明：在城市生活污水中引入超微气泡可以使水 体中的c o d 降低3 5 至1 j 7 5 。这是一种无二次污染、不加任何药品的洁净新工艺。 我国有些河流污染较严重，全国已有相当多的河道已不能用作饮用水源，急需治 理。在治理工作中，除清淤、截污外还必需增加溶解氧。超微气泡能较有效地增 加溶解氧。试验结果表明：一个功率仅7 5 0 w 的超微气泡设备能使直径2 0 0 米范围 内河水的溶解氧从1 毫克升增加至i j 8 毫克升，同时使水体中的c o d 降低。 ( 2 ) 微气泡在水体中的停留时间较长【1 4 j 曲率半径与表面蒸汽压成反比， p = 2 o r ( 2 1 ) 小气泡表面蒸汽压大，大气泡则要小。 ( p 表示弯曲表面下的压力，仃表示表面张力，r 表示气泡半径) 。同样也可以 用( 2 2 ) 公式表示： 2o p ( 1 r 2 - l r 1 户r 1 1 n ( r u p 1 ) m ( 2 2 ) ( m 表示气体分子量、r 表示气体常数) 。 这说明气泡越小，p 就越大，气泡的寿命就越长，相互作用的时间越长、能量 越大。超微气泡发生设备能产生直径3 1 a m 以下的气泡，而且具有良好的稳定性， 形成后在水中停留时间相当长。这就为水体自净功能的恢复提高有利的条件。水 体自净是发生在受到污染( 特别是有机污染) 的水体中的一个生态学过程。在这 个过程中，微生物消耗或吸收了水中的污染物，使得水或水体向净化的方向转变。 造成这一转变的生物化学过程常被称作生物降解。生物降解是指在微生物作用下， 有机化合物转化为低级有机物和简单无机物的过程。生物降解分为好氧生物降解 和厌氧生物降解。前者是指在溶解氧( 氧分子) 存在的条件下，由好氧微生物完 成的生物化学反应；后者是指在氧气不足或无氧气的情况下，由厌氧微生物完成 1 0 的生物化学反应。有的微生物既能在有氧条件下进行生物化学反应，也能在无氧 或缺氧条件下进行生物化学反应，称为兼性微生物。 从反应的结果看，好氧生物降解与厌氧生物降解的区别是，前者的产物是稳 定的无机物( c 0 2 、h 2 0 ) , 后者的产物不完全是上述稳定的无机物，而是还包括甲 烷、乙酸等有机物和n h 3 等氧化不彻底的无机物。在未受污染的水体中，水中都 有一定浓度的溶解氧。但是，当水体受到有机物的污染后，水体中的微生物就会 大量繁殖起来。由于好氧微生物比厌氧微生物生长快，所以好氧微生物首先发展 壮大。当好氧微生物发展到一定数量，它们消耗水中溶解氧的速率有可能超过空 气中的氧气向水中溶解的速率( 称为复氧速率) 。一旦如此，水中的溶解氧浓度就 开始迅速下降，直到浓度降到接近零，使水体呈现无氧或缺氧状态。在缺氧或无 氧状态下，好氧微生物的生长受到抑制，而厌氧微生物则大量繁殖起来，继承了 大部分的降解工作。实际上，当_ 个水体受到较严重的有机污染时，水中的溶解 氧是随水的深度变化的，表层水体的溶解氧较高，越往深处溶解氧越低，直至厌 氧状态。因此，好氧微生物集中在水体的上部，阻止了从空气中补充进来的溶解 氧向下层的传递，从而维持下层水体的厌氧状态，使得厌氧微生物集中在水体的 底部。水体的水流状态和温度、气压高低对水的复氧速率有较大影响，因而在一 定程度上决定了水体的溶解氧浓度。当水中的溶解氧低于2 m g l 时，一般鱼类的生 存就会受到影响，溶解氧低于此数值，鱼类就会大量死亡。超微气泡正可以有效 提高复氧速率，向水中补充溶解氧，保持好氧微生物和厌氧微生物的平衡，恢复 水体内的良性生态循环，修复水体的自净能力。 ( 3 ) 微气泡界面对水体净化作用的能力增强 如将粒径1 0 c m 的大气泡分散成l l , t m 的微气泡，表面积增加1 0 0 0 0 倍，气泡 的表面能也从9 1 4 x1 0 - 5 j 增加到0 9 1 4 j ，气泡的微米化使气泡表面上的氧分子所 占总的氧分子数的比例也增大1 0 0 0 0 倍。表面能的增大使气泡内能量增大，在气 一液界面上氧化作用也加强，而水体中的有机物易富集在气泡的界面层，容易进 行氧化，气泡崩溃的瞬间( 1 0 0 n s 以内) ，会在其周围极小的空间范围内产生1 9 0 - 5 2 0 0 k 高温的电子温度和超过5 0 m p a 的高压，并伴有强烈的冲击波和速度达 4 0 0 k m h 微射流等现象【l5 1 。这些特性为在常规条件下很难反应或需要很长时间才能 完成的分解反应提供了新的反应通道。在溃灭瞬间伴随发生的高温、高压下，水 分子h 2 0 裂解成自由基： h ，o 一0 h + h 水中的溶解氧0 2 也会被高温裂解成2 o 】，并将与h 结合生成【o h 。 o ，一2 0 超微气泡在水中导致了局部高温高压、高浓度的具有强氧化性的【o h 和其 他氧化物种，在超微气泡的界面液相层区域，产生了瞬时超临界水( 水的物理化 学性质如粘度、电导、离子活度、溶解度、密度和热容在超临界区发生突变，使 其具有低的介电常数、高的扩散性、快的传输能力和很好的溶剂化特性 o 水中的 有机污染物可通过高温热解自由基氧化超临界水氧化的途径得到有效降解 或完全矿化。降解途径与污染物的物化性质有关，反应区域主要在空化气泡内及 其表面层。一般而言，非极性、憎水性、易挥发有机物多通过在空化气泡内的热 分解进行降解，而极性、亲水性、难挥发有机物则多通过在空化气泡表面层或液 相主体的【o h 和超临界水氧化进行降解。根据s u s l i c k 等的实验【1 3 1 ，在2 5 、 p h = 7 4 ，没有超微气泡时，对硫磷水解的半衰期为1 0 8 天，而超微气泡条件下， 对硫磷的水解半衰期降至2 0 分钟。在利用日本超微气泡设备进行的所有水质净化 试验中，如宁波胜丰河水体修复、上海豫园水体修复等，臭味在设备启动1 0 天左 右后均完全消除。 ( 4 ) 微气泡界面的气体反应动力学 微气泡复氧过程实际上是通过微气泡发生装置创造条件，加速气相中的氧向 水体中的转移，实质上仍是一个传质过程。由于氧是一种难溶于水的气体，故氧 的传质阻力主要来自液膜。根据刘易斯与慧特曼提出的双膜理论【1 6 1 ，氧由气相主 体先后通过气膜、液膜层流层进入液相主体。氧的传递速度微分方程式为： i d c = k ( c o c ) k = d 。幺y ( 2 3 ) a 一 式中：二鲁单位时间扩散浓度变化；k 常数；c o 、c 分别表示气体起始、最终 口f 浓度：d 扩散常数；a 表面积；x 液膜厚度；v - 体积。 a p 若其它条件一样，a 增大，等也增大，前述已说明表面积增大，氧的利用率 口f 也大大提高。 2 4 3 超微气泡的应用 超微气泡技术是目前较为先进的水处理技术之一，在日本、美国、欧洲的应 用均取得了较高的效果。日本研究该项技术较早，已在湖泊、河流大范围应用， 并于2 0 0 5 年正式将该技术作为唯一自然水体净化技术推荐给联合国环境计划署。 超微气泡对水体的净化作用完全依靠其自身独特的理化特性实现，净化过程中不 1 2 添加任何外来物质，完全没有“二次污染 。微气泡的形成是气液两相流的一种物 理现象，利用超微气泡的形成以及它的物理化学性质，超微气泡已经被人们广泛 应用于动力、化工、采矿、核能、环境、石油、冶金、医学等领域。 2 5人工湿地机理及应用 2 5 1 人工湿地概述 人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 是2 0 世纪7 0 年代末发展起来的一种废水处 理新技术，兴起于美国、澳大利亚、荷兰、丹麦、英国等国家【l 引。人工湿地是为 了处理废水而模拟自然湿地系统所建造的一种构筑物，它是由渗透性的基质、浮 水植物、动物和水共同组成的复合系统。废水在人工湿地中历经了一系列反应过 程，其中最重要的包括生物降解、过滤、沉淀和吸附，在它们的共同作用下，废 水中的有机化合物、悬浮固体、一些含氮化合物、磷和病原菌得到了极大的减少。 人工湿地因水流方式的差异大致可分为三类【1 9 ，：表面流湿地、潜流湿地和垂 直流湿地。( 1 ) 表面流湿地，结构简单，工程造价低，但由于废水在填料表面漫 流，易孳生蚊蝇，对周围环境会产生不良影响，而且其处理效率较低，现在一般 不采用。( 2 ) 潜流湿地，水在填料缝隙之间渗流，出水水质好，卫生条件较好， 被广泛采用。潜流湿地废水流程较长，有利于硝化和反硝化作用的发生；但是难 于实现均匀布水，此外，占地面积也较大。( 3 ) 垂直流湿地，废水沿着垂直方向 流动，氧供应能力较强，硝化作用较充分，占地面积较小，可实现较大的水力负 荷长期运行。但是废水的流程较短，反硝化作用较弱，且工程技术要求较高。由 于垂直流湿地可方便的采用工程手段来改善系统的供氧状况，提高布水均匀性， 营造更加有利于硝化和反硝化发生的系统环境，故越来越受到人们的重视。 2 5 2 人工湿地污水处理机理 人工湿地处理污水的原理较为复杂，目前还没有较为深入的研究。但研究表 明其去除机理和去除途径和自然湿地基本相同仁。多年的研究表明，人工湿地能 够利用基质一微生物一植物这个复合生态系统的物理、化学、和生物的三重协同 作用，通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水 的高效净化，同时通过营养物质和水分的生物化学循环，促进绿色植物生长并使 其增产，实现废水的资源化与无害化。下面通过污染物的去除简单介绍人工湿地 1 3 净化水质的机理。 s s 中含有有机物和无机物，但主要含有有机质和有机颗粒物如病菌。颗粒盼 密度和大小变化很大，不同密度、大小的颗粒物具有不同的去除机理和路径。在 人工湿地中s s 的去除是相当迅速的物理过程。主要去除机理为沉淀、聚集、和表 面粘附。布水、均流、湿地植物的均匀性、风、主导风向等影响水体的湍动和混 合及影响聚集、沉淀、再悬浮、和细颗粒物表面粘附。研究表明湿地进水水质s s 较低时，受微生物脱膜因素影牺s 出水浓度反而会有所上升【2 l 湿地中的不溶性的有机物主要是通过湿地的沉淀、过滤作用而被截留在湿地 中；可溶性的有机物则通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物降解过程而被分 解去除。生物降解过程主要是通过好氧和厌氧代谢得到降解，从而降低污水的 b o d 、c o d 。和其它污水处理系统相比，湿地是个独特处理系统。因为枯枝落叶 的降解和其