（环境工程专业论文）人工水力循环与曝气复氧技术改善苏州城市河道水质研究.pdf

苏州科技学院顾l ：学位论文 摘要 摘要 苏州是一座历史文化名城，城市里河道纵横，有“东方威尼斯”的美称。近年来， 由于苏州市区工业和人口的迅速发展，苏州城市河道水污染状况渐趋严重。多种原因 导致城市河道水体处于静止或流动性差的封闭缓流状态，具有流域面积小、易污染、 水体自净能力差等特点，水体容易呈现富营养化，造成水体变黑变臭，严重影响自然 环境和艺术环境。因此如何有效地改善城市河道水成为亟待解决的问题。 曝气复氧技术是近年来受至广泛关注的污水处理技术，具有占地面积小、处理效 率高和运行管理方便等特点，比较适合受污染水体的原位处理。本文通过在苏州科技 学院江枫园环形河道上建立中试基地，在曝气复氧技术的基础上，结合人工水力循环 技术，以校园河道水体为处理对象，进行了人工水力循环和曝气复氧技术恢复水质的 研究及其处理理论的探讨，并根据不同季节，实验了水力循环和曝气复氧设备最佳运 行工况。 实验结果表明运用该技术可以较为明显地提高实验河道水体的溶解氧和透明度， 对水体中的有机污染物、氨氮和总磷具有一定削减作用：通过系统分析全年河道水体 研究数据，本文对不同季节设备最佳运行工况有了一定了解。实验结果将有利于促进 该技术在城市河道水体及与其类似水体处理中的应用和推广 关键词：城市河道，人工水力循环，曝气复氧，水质恢复，最佳工况 墅! 竺! 望竺塑幽垡幽塑塑型蔓! ! 墼! 竺! ! 竺! ! 壁! ! 竺! ! 望垒! 墅 a b s t r a c t s u z h o u , af a m o mh i s t o r i c a la n dc u l t u r a lc i t y ，c r i s s c r o s s e db yl o t so fr i v e r s ，h a s r e p u t a i o no f o r i e n t a lv e n i c e i nr e c e n ty e a r s w i md r a m a t i c a ld e v e l o p m e n to f i n d u s t r i e s a n di n c r e a s e m e a to fp o p u l a t i o ni nu r b a na r e a , f i v e rp o l l u t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e s e r i o u s m a n yr e a s o n sb r o u g h ta b o u tc o n s e q u e n c e s ：r i v e r sa 地i nt h es t a t eo ft r a n q u i lf l o w , h a v i n gs m a l lf i v e rb a s i n , b e e nv u l n e r a b l et oc o n t a m i n a t e s , a n dl a c k i n gc a p a b i l i t yo f s e l f - p u r i f i c a t i o ma l lo ft h e s er e s u l t sm a k ew a t e rb o d i e ss u b j e c t e dt op h o t o s y n t h e s i s ，a n d c h a n g et h ec o l o ra n dt h es m e l lo ft h e m , s ot h a ti n f l u e n tn a m l a le n v i r o n m e n ta n da r t e n v i r o n m e n ts e v e r l y 。t h e r e f o r , i ti st i m ef o ru st od e a l 、析t l lu r b a nr i v e r s p r o b l e m s e f f e c t i v e l y a e r a t i o ns k i l lh a sb e e nw i l d l yc o n c e r n e di ne f f l u e n tt r e a t m e n tf i e l di nr e c e n ty e a r s i t t a k e s u pl e s sa r e a , h a sh i g he f f i c e n c y ，a n di sc o n v e n i e n ti nb o t ho p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t p r o c e s s e s , s oi ti so f i e nu s e df o ri n - s i t ur e m e d i a t i o no fp o l l u t e dw a t e r 、ee s t a b l i s h e da m e d i u mb a s ei nal o o pr i v e ri nj i a n g f e n gc a m p u si nt h eu n i v 懿i t yo fs c i e n c ea n d t e c n o l o g yi ns u z h o u , c o m b i n e dw i t ha r t i f i c i a lw a t e rp o w e rc y c l et e c h n o l o g yo nt h eb a s i s o fa e r a t i o ns k i l l a i 玎血l ga tt h eo b j e c to fr i v e ri nt h ej i a n g f e n gc a m p w ，w es t u d i e da n d d i s c u s s e da b o u tt h e n f i e so fa r t i f i c i a lw i r e rp o w e rc y c l et e c h n o l o g ya n do o m o na 盯毗i s k i l l 1 1 圮r e s u l to fe x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h i ss k i l lc o u l di n c r e a s ed oa n d t r a n s p a r e n c yo b v i o u s l ya sw e l la sr e d u c eo r g a n i cp o l l u t a n t , n i t r o g e na n dt p a c c o r d i n g t o d a t af t o ms y s t e ma n a l y s i so fr i v e rs i t u a t i o n si na y e a r , w eh a v ek n o w no p t i c a lo p e r a t i o n c o n d i t i o n si nd i f f e r e n ts e a s o n so ft h ee q u i p m e n t ，a n dt h ef r u i t so fo u r s t u d i e sw i l lh a v e b e n e f i tt op r o m o t i n g p h 删t i o a sa n ds p r e a d so f t h i ss k i l li nd e a l i n gw i t hu r b a nr i v e r sa n d t h el i k e k e y w o r d s ：c i t yc a n a l ；a r t i f i c i a lh y d r a u l i cc i r c u l a t i n g ；a e r a t i o nt e c h n o l o g y ；w a t e r r e v e g e t a t i o n ：s o p t i c a lo p e r a t i o n n 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：! ；1 5 叁翌日期：蔓本金月整日论文作者签名：z 掣i 理日期：必芝月j 巳弪日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文 的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅本人完全了解苏州科技学院关于 收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意 学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全 部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 篡。笨：篓i 雾：苎： 苏州科技学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 苏州城市河道水污染现状及特点 1 1 1 苏蝌城市河道水污染现状 具有。中国第一水城”之称的苏州，市区河道宽窄悬殊，内城河河宽一般不足 l o m ；河道不深，正常水位情况下，航道主干河道水深为2 - - 3 5 m ，非航道的其它河 道水深在l 2 m 之间，河道大量积淤，全市河道淤积厚度大多数在0 5 - - 2 0 米之问， 淤泥总土方量为1 2 7 m 3 ，加之苏州市区地势平坦，河道坡降仅为十万分之一，除大 运河外，主要河道水流十分缓慢，一般在0 1 m s 以下在自然情况下，内城河大多 呈滞流状态。近年来，苏州的综合经济实力已跃居全国大中城市的前列，现代化建设 进入工业化、城市化、国际化、市场化、信息化并进互动、加速发展的新阶段经济 的高速发展和城市化、工业化进程的加快，也令苏州付出了沉重的代价。苏州的水环 境受到了严重的污染和破坏。城内河道总长由最长时的8 0 多公里减少到3 5 3 公里， 河水滞流，河道淤积，水体浑浊甚至时常出现黑臭。原来作为生活和工业用水水源的 功能已经完全丧失：污染的河水使原有美化环境、调节城区小气候、景观旅游等功能 大大下降；已不复存在水环境的恶化使苏州的人居环境和旅游资源受到了严重破坏 田。因此对苏州河道水进行水质恢复刻不容缓。 1 1 2 苏州城市河道水系特征 苏州市地处太湖为中心的浅碟形平原的底部，以平缓的平原地形为主，全市地势 低平，自西向东缓慢倾斜，东南部低洼伪。苏州城市河道纵横交织成网，各条河流均 属太湖水系，境内湖泊、河道众多，河湖串通，是典型的江南水网地区其河网水流 流向受自然和人为因素的影响，既受地形的支配，又受长江、东海及内部闸门人为控 制，因而水流流向顾逆不定，水情相当复杂。 1 1 3 苏州城市河道水污染原因分析 苏州的河道水普遍受点源污染和面源污染。生活污水的排放及河道边第三产业污 水排放是点源污染最主要的原因，由于苏州市区是古城，排水系统并不完善，很多岸 边住户或商业场所的污水未经处理直接排放到河道里，这给市内河道水带来了巨大的 负担，难于处理。对此苏州市采用污水支管到户工程解决这个问题。该工程从2 0 0 2 年起计划用3 年左右的时河完成城区3 9 个片区约3 0 0 k i n 的污水支管敷设和污水收集工 作，实施雨污分流，力争2 0 0 5 年底完成。目前该工程已经取得明显效果，市污水收集 苏州科技学院硕二e 学位论文 绪论 量从2 年前的7 万立方米增加到现在的1 7 万立方米，污水收集量增长了近2 倍，大大减 少了生活污接排放水体对环境的污染，河道水质明显好转嗍。 苏州河道水的面源污染主要来自于地面径流。苏州经济发展迅速，城市车辆废气、 垃圾、大气沉降物的污染物较多，当暴雨径流前期时污染负荷很高，而这些污染污都 随雨水流入河道，对河水造成了严重影响。 1 2 城市河道水处理技术发展 鉴于城市河道自身特点，污染河道的治理与修复的方法与传统的污水处理差别很 大其水质净化与修复技术应体现在技术的有效性、技术的畅销性、技术的生态相容 性、技术的景观协调性、技术的经济性。恢复城市污染水体的策略是削减水体中的污 染物总量，通过物理、化学和生物等方法，控制水体外源性和内源性污染物的排入量、 人工强化水体自身的净化能力，以降低水体中污染物的浓度、提高溶解氧浓度、恢复 水生生物的多样性。 1 。2 1 物理方法 1 2 1 1 引水冲污法 引水冲污主要是引清洁的江河水对城市河道进行冲刷，提高城市河道水的自净能 力，缓解其水质污染状提。引水冲污过程主要通过河闸和抽水泵房等水利枢纽工程来 实现，让上游清洁的外水源往下游流动，形成“换水”引水冲污工程需要提高水利枢 纽的质量，加固水闸，防止水闸内外压力差对水闸造成的破坏；同时，为提高河道水的流 速，增加冲污效果，要做好河道疏浚清淤、拓宽整治和护岸的砌筑，使河底高程降低，使窄 段断面增大，水流顺畅，河网调蓄能力增大，涝水能顺利流出。由1 9 8 2 年开始兴建著名的 西湖引水工程，在闸口白塔岭建设了装机7 2 0 k w 的取水泵站，日取水能力3 0 万立方 米，工程建设后，西湖水体交换率得到提高，在一定程度上控制了西湖水体恶化的趋 判习。 河道引水冲污工程本身不能产生经济效益，启动抽水泵站的运行费昂贵( 如福州内 河引水冲污工程日运行费用需要3 5 万元嘲) 。 因此，利用引水冲污改善水质，恢复城市河道生态的同时，必须考虑当地经济承受 能力，使经济、生态环境、社会效益相结合，发展与环境相协调 1 2 1 2 截污治污 即将原本直接排入城市河道水体的污水收集到污水厂处理后再排放。目的是削减 排入受纳水体的污染物总量，为进一步净化水质创造条件。武汉东湖的水果湖水域，在 污水截流后r 玎，湖水q b b o d 5 、t p 、t n 、s s 逐年上升的趋势得到遏制，污染物总量逐年 2 苏州科技学院硕士学位论文绪论 下降，水中溶解氧上升湖区水环境 导到明显改善。 1 2 1 3 底泥疏浚技术 对河道进行底泥疏浚，可肖减水体内源性污染物的释放量，同时还可达到增大库 容的目的僦如瑞典的r ，王，, m men 湖，清除表层l m 厚的底泥后，水深增加1 1 1 7 m ，tp 浓度迅速下降，这种状态维持t 1 8 年嘲。我国滇池草海一期工程疏浚底泥 4 0 0 万m 3 , 工程实施后，疏浚区水体不再黑臭，水质明显好转，水体透明度由原来小于0 3 7 m 提高到08 m 伽在疏浚过程中，应合理确定淤泥的清除量，一般不宜将污泥全部 清除，以免把大量的底栖生物、水生植物同时清出水体，破坏现有的生物链系统。 底泥疏浚的缺点在于工程量较大，且在操作过程中产生的异味，影响周边环境； 同时，一些湖泊疏浚后良好的水质状态不能在预期内得到保持，甚至出现疏浚后个别 污染物含量比原来增加的现象“”1 1 1 2 2 化学方法 1 2 2 1 投加杀菌灭藻剂 城市河道水中的大量繁殖藻类，不仅影响了水体的美观，而且挡住了阳光，致使 许多水下的植物无法进行光合作用，释放氧气，使水中的污染物质发生化学变化，导 致水质恶化，发出难闻的恶臭，水也变成了黑色。投加化学灭藻剂，可以杀死藻类【l 。 在滇池外草海约为1 1 0 k l t n 2 的开放型水域内，曾利用化学药剂b c 2 6 5 5 开展过蓝藻清除 实验为期1 个月的水质监测表明，实验水域透明度由投药前的0 2 9 m 上升至0 6 9 m ( 最 高达1 1i r a ) ，实验水域水质总体优于未投药水域参照点的水质，基本消除水华现象【叼 但是经常投加杀菌灭藻剂，会使水中会出现耐药的藻类，灭藻剂的效能会逐渐下降， 投药的间隔会越来越短，而授加的量会越来越多，灭藻剂的品种也要频繁的更换，对 环境的污染也在不断地增加，而这种污染会影响我们的下一代。放用这种方式处理 水质，虽然是立竿见影的，但从可持续的角度来看，其危害也是显而易见的 1 2 2 2 投加沉磷剂 常采用的沉磷化学药剂有三氯化铁、硝酸钙、明矾等。投加这些药剂，与水中的 磷结合，絮凝沉淀进入底泥当水底缺氧时，底泥中有机物被厌氧分解，产生的酸环境会 使沉淀的磷重新溶解进入水中，若加入适量的石灰可以增加磷酸钙的稳定度，同时调 节底泥p h 值达7 0 - - 7 5 ，以达到脱氮的目的。如果加入足量的硫酸铝，则底泥表层还 会覆盖一层厚3 6g i n 富含a i ( o h ) 3 的污泥层，钝化底泥中的磷。 1 2 3 生物生态方法 1 2 3 1 投加菌种方法 苏州科技学院硕士学位论文 微生物在自然界大量而广泛的存在，是生态系统的重要组成之一，它 f 能将自然 界中的动、植物的尸体及残骸分解，将一些有害的污染物质加以吸收和转化，为无毒 害或毒害较小的物质在城市河道水质恶化的时候，投加适当的适量的微生物( 各类 菌种) ，加速水中污染物的分解，起到水质净化的作用。最常投放的微生物有光合细 菌( p s b ) 和高效微生物群衄田l 光合细菌能将富营养化水体中的磷吸收转化、氮分解 释放、有机物迅速转化为可被水生物吸收的营养物。e m 菌是采用独特的发酵工艺把 经过仔细筛选出的好气性和兼气性微生物加以混合后培养出的微生物群落。其主要的 代表性微生物有光合细菌、乳酸菌、酵母菌和放线菌4 类。实验证明，在单菌与活性污 泥处理时，光合细菌活性污泥系统混合处理效果最佳，去除效果非常明显，当废水初始 c 0 1 ) c r 值为5 9 0 m 龃、水力停留时间为1 4 小时，单菌与活性污泥混合处理c o d c r 值可降 为1 6 1 3 m l 叽去除率为9 7 2 9 1 1 4 】。但由于微生物的繁殖速度惊人，呈几何级增长。每 一次繁殖都或多或少的会产生一些变异品种，导致微生物处理水质能力下降，而且很 难控制其数量，其生长又受环境的影响很大，例如温度、气压等等。同时微生物的分 解物，会造成藻类的大量繁殖，再次导致水质变坏。因此用微生物处理水质，必须定 期进行微生物的筛选培育、保存、复壮等等一系列专业处理过程，而且不能保证水质 状况长期处于良好的状态之中。 1 2 3 2 河道曝气技术 河水中的溶解氧主要来源于大气复氧和水生植物的光合作用，其中大气复氧是水 体中溶解氧的主要来源，但是，单靠大气复氧，河水的自净过程非常缓慢。故此需要 采用人工曝气弥补天然曝气的不足，河道曝气技术是根据受到污染的河流污染后缺氧 的特点，人工向水体中充入空气或氧气。加速水体复氧过程，以提高水体的溶解氧水 平，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，减缓底泥释放磷的速度，使水体中的污染 物得以净化，从而改善河流的水质。 当河水受到严重有机污染时，在适当的位置向河水进行人工复氧，可避免出现缺氧 或厌氧河段，使整个河道自净处于好氧状态。此法综合了曝气氧化塘和氧化渠的原理， 结合推流和完全混合的特点，有利于提高水体的自净能力，同时也有利于液体混合和 污泥絮凝。某些山区河流分段筑坝，利用坝后跌水向河水充氧，当河水较深且曝气河 段有航运功能要求时，一般宜采用鼓风曝气或纯氧曝气的形式，即在河岸设置一个固定 的鼓风机房或液氧站，通过管道将空气或氧气引入设置在河道底部的气体扩散系统，在 德国的f a l d a 河、t e l t o w 河和e m s c h e r 河的治理中，均曾采用此种曝气形式【”1 ；当河道 较浅且没有景观要求时，一般可采用机械曝气的形式；曝气船是报道得较多的移动式充 氧平台，它可根据水质改善的程度，机动、灵活地调整曝气船运行工况。河道曝气技术 在我国也有应用实例，如北京清河的曝气船实验结果表明，充氧后b o d 去除率为7 4 7 一8 8 2 、s s 去除率为7 6 7 一8 1 9 、n h 3 - n 去除率为1 5 8 4 5 ，曝气区的d o 4 苏州科技学院硕上学位论文 绪论 从0 上升到5 m g ，l ，曝气区邻近区域的d o 上丹到4 一_ 5 m g 刖m 】。鉴于我国许多河流有 机污染严重，因此河道曝气法在我国的应用前景较为广阔 1 2 3 3 水生植物净化法 如今，种植水生植物技术治理水体富营养化，在国内外应用比较广泛【”- 2 0 l 在受污 染的城市河道水体中种植具有水体净化作用的水生植物，利用植物的根系吸污纳垢，吸 收溶解在水中的氮、磷，在光合作用的同时能够释放氧气，构成一个模拟自然水体自 净的生态环境1 2 n 具体工程中应该对水生植物的品种进行时间、空间上的组合。例如 春、夏、秋三季主要种植水浮莲、风眼莲、浮萍等喜温水生植物、冬季种植耐寒水生 植物，如小浮萍、西洋菜、菹草。在空间上，水面种植水浮莲、凤眼莲、浮萍等漂浮水 生植物：水深1 5 m 内种植水葱、西洋菜等挺水植物；水深1 5 2 o m 内种植菹草、黄丝 草等沉水植物，从而构成一个在时间与空间上立体交叉的人工生态系统，最终达到解决 富营养化景观水内源污染的问题。但应慎重采用水生物净化水体，这是因为有些水生 植物( 如水葫芦) 繁殖速度太快，当打捞速度跟不上其生长速度时，易使大面积水面受 其覆盖，降低水体的自净能力，并且未打捞的水生植物腐烂物还会对水体形成二次污 染。 1 2 3 4 生态浮床技术 生态浮床技术结合生态修复技术，运用无土栽培技术原理，以高分子材料为载体 和基质，把现代农艺和生态工程措施有机结合，能有效抑制河道水体黑臭，改善河道 水质，美化和净化水环境。其原理是利用植物发达的根系及其根系表面所附着的生物 膜( 含有大量的细菌和原生动物等) ，分泌了大量的酶，可以削减污染负荷，并使矿化了 硝酸盐和磷酸盐有利于植物的吸收。宋祥甫等研究表明，运用生态浮床技术对上海市 长宁区午潮港河道进行治理后，每年每平方米浮床植物能从水中净吸收去除 n 8 0 1 5 0 9 ，即在污染物不再排入，底泥完成疏浚的前提下，每平方米生态浮床每年可 实际治理中等污染程度的河道水体6 - 1 1 立方米，t n ( 总氮) 、t p ( 总磷) 、c o d ( 化 学耗氧量) 、b o d ( 生物耗氧量) 四项主要水质指标平均净去除率分别为5 0 8 、5 8 2 、5 0 3 和4 6 6 ，达到了国家农田灌溉水标准阎。 1 2 3 5 生物操纵法 。生物操纵”彻o m a i l i p u l 砒i o n ) 捌即人为调节生态环境中各种生物的数量和密度， 通过食物链中不同生物的相互竞争的关系 来抑制藻类的生长。目前常用的主要有放 养食藻( 草) 鱼( 如鲢鱼、鳙鱼) 、藻类的回收与利用、水生植物的养殖与收割等方法。 崔福义例等在3 0g m 3 水体的放养生物量下。对微型生态系统中鲢、鳙鱼的生物操纵 作用进行了实验研究。结果表明：鲢、鳙鱼的放养，尤其是混养可有效抑制水体中水蚤 类浮游动物的孳生，而且水体中氮、磷等营养物质得到了一定程度的去除，浮游藻类 尤其是蓝、绿藻的生物量也被控制在较低的水平，从而有效控制和缓解了水体富营养 s 苏州科技学院硕： 学位论文 绪论 化的进程。 1 2 4 其他方法 1 2 4 1 建设生态河堤 生态河堤是融现代水力工程学、环境科学、生物科学、生态学、美学等学科于 一体的水力工程。作为一种新概念河堤，它以。保护、创造生物良好的生存环境和自 然景观“为前提，在考虑具有一定强度、安全性和耐久性的同时，充分考虑生态效果， 把河堤由过去自! 混凝土人工建筑改造成水体和土体，水体和生物相互涵养且适合生物 生长的仿自然状态的护坡。目前。世界上一些发达国家都在进行河流回归自然的改造。 欧洲的m e l k 流域经过“亲近自然“治理后，每百米河段的鱼类个体数量，生物量从治 理前的1 5 0 个、1 9 k g 提高到治理后的4 1 0 个、5 5 k g 。 1 2 4 2 设置净化湖 1 9 2 7 年，德国人k a r li m h o f f 提出修建净化湖( p u r i f i c a t i o nl a k e ) ，以较低 的成本处理初雨和非点源污染。与河道并联的净化湖是由几个小型的湖泊串联组成， 类似于多级氧化塘净化系统，可沉淀水中的悬浮物，缓冲上游河段的突发污染。一般说 来，湖的容量、面积越大，沉降性能越好。为保证足够的水量和流速，防止因磷的聚集 而导致藻类的生长，净化湖的水深应大于2 m ，停留时间宜小于2 d 英国泰晤士河流域 的l e am a r s t o n 净化湖，由6 个小湖组成，分两段运行。平均流量时，s s 去除率 7 0 b o d 去除率4 0 ，有色金属去除率5 0 。用挖泥船清除底泥，每年沉淀干燥污泥 1 8 0 0 0 t t 3 “ 1 3 工艺方案的选择及拟采取的技术方案 1 3 1 工艺方案的选择 。苏州市水环境质量改善与综合示范项目”( 以下简称“苏州水专项”) 确定在 外污染源、内污染源得到基本控制及水动力条件有效改善的前提下，开展针对苏州城 市河网河流水环境质量改善的技术研究及示范，围绕城市河道污染负荷不高、藻类水 华暴发等特点，采用曝气复氧技术及改善水动力条件的调控技术；采用微生物制剂、 浮床技术及原位生物膜强化净化环境创建技术，为水生植物的重建与永生态系统的稳 定构建创造条件；通过水生态系统的建立，进而实现水环境质量的持续改善。本子课 题小组承担了中间曝气复氧技术及改善水动力条件的人工水力循环技术部分研究。 在初期工艺方案选择时。主要考虑到如下几点： 1 苏州河道水本身污染物浓度较低，有固定的污染源，也会发生局部突发的污染，因 此应该采用固定式充氧站和移动式充氧平台相结合的充氧设备。 6 苏州科技学院硕：l 学位论文绪论 2 苏州城市河道大多处于市中心，可扩展利用的面积较小，采纳的工艺应该具备处理 效率高、占地面积小的特点，即曝气原位强化净化技术。 3 工艺本身最好同时具有水体循环流动和推流复氧的作用。 4 易于与其它工艺相结合。如与人工湿地、微生物制剂、浮床技术等工艺组合： 5 人工水力循环与曝气复氧技术相结合的工艺虽然在城市河道水体处理中实际 工程应用报导较少，但在某些景观水体处理中已经得到一定应用，而城市河道水水质 与景观水同属于低微污染水体，水质具有一定的相似性。 出于以上几点考虑，我们决定将苏州城市河网曝气复氧技术及改善水动力条件的 调控处理部分的主体工艺定为人工水力循环与曝气复氧技术。 1 3 2 采取的技术方案 采取技术路线： 确定水力循环流程和工艺参数 确定曝气复氧工艺参数 安装水力循环设备 安装曝气复氧设备 调节水力循环系统工况 调节曝气复氧设备工况 在不断重复最后两个步骤中不断调节设备运行方式，研究河道水质恢复效果的同 时，得出最佳运行工况。 1 4 人工水力循环与曝气复氧技术的发展、应用及研究现状 1 4 1 人工水力循环与曝气复氧技术的发展、应用 人工曝气复氧技术的研究在国外已经开展了4 0 多年在水质净化研究中占有重要 位置，在德国的f u l d a 河、t e l t o w 河和e m s c h e r 河和美国密西西比河m i n n e s o d a 码头附 近的河道安装曝气设备，取得了明显的治理效果，有效地控制了水体异味的产生和藻 类的过量繁殖。为迎接1 9 8 6 年亚运会和1 9 8 8 年夏季奥运会，在韩国水萦江河口釜山港 湾的快艇区域安装了9 台1 0 0 h p 的曝气装置，研究表明，曝气能够有效地改善水萦江 河口快艇区域的水质，可以增加d o 、冉减c o d 、改善透明度、消除异味。曝气复氧 技术在我国应用较少，仅在北京的清河，重庆的桃花溪、上海的上澳塘等河段采用过 河曝气技术。王诚信1 3 2 1 等采用b i o x t 艺对上海苏州河进行曝气充氧的中试实验研 究，实验装置由一个5 t 的液氧贮罐，一个2 0 0m 3 h 的蒸发器，稳压计量仪表和软管组 7 苏州科技学院硕j ：学位论文 绪论 成共有两块曝气垫，分别由4 0 m 的软管组成。曝气区的总长度约为1 0 0 m 管的供气压 力为0 3 - 0 4 m p a 而供氧量在3 1 5 1 0 6 k g h 范围可调结果表明：纯氧曝气可有效降低 黑臭水体中c o d 浓度，特别是水团流速较缓，处于平潮流态时，c o d 的去除率可达 1 9 5 * * - 5 5 6 。在经过纯氧曝气之后，水体的b o d c o d 值从0 4 6 降至0 4 0 ，水体的 颜色由黑色浅，臭味减弱。对湖泊和水库等封闭性水体而言，常出现热分层现象，可对 湖底曝气，通过人工循环，消除或防止热分层，使湖水充分混合并向水体充氧。对下层滞 水带曝气，还可消除水的气味和色度、限制藻类生长、美国奥兰多的w e s t o n 湖中的曝 气系统，可以带动整个湖水形成从底部劭湖面的对流，循环1 次大约需要1 2d 。1 3 3 1 另外， 2 0 0 1 年1 1 月1 日艘安装有英国b o c 气体公司的p s a 制氧设备和v i t o x 充氧系统的 曝气复氧船已经成功地在苏州河举行了下水试航仪式，制氧能力1 5 0 m 3 h ，制氧纯度 9 3 以上，这标志着曝气复氧技术在我国河流治理中进入到一个新的阶段。 人工水力循环技术是利用工程措施，调水释污改善水动力条件，具体操作是在防 洪安全的前提下，通过水利工程的科学调度，启动抽水泵( 站) ，调活城市河道水体， 增加水量，加快循环，加大稀释和自净能力，利用河流的水动力特性进行水资源调度和 利用河道本身的自净功能与生物的净化功能改善水质。 结合人工水力循环和曝气复氧技术处理城市河道水的研究，目前国外鲜有报道； 国内有采用跌水曝气、水闸泄流、活水喷池相结合进行增氧和在山区滞流水域根据河 道沿程特点，设计梯成级式橡皮坝跌水增氧的工程示倒，对于消除城市河道水质异味、 恶化效果良好，几乎没有二次污染。 1 4 2 人工水力循环与曝气复氧技术的原理及特点 人工水力循环是根据永动力学基本原理，给处理水体旋加动力，使水体由静变动， 实现其缓慢而均匀的流动；通过流动形成的水体交换和稀释，使水的体外处理净化变 为可能；流动所造成的表面更新为加快大气复氧提供了条件，有利于增强水体的自净 能力，污染物质氧化加快，改善水生生物的生存环境。 曝气复氧技术是根据受到污染的河流污染后缺氧的特点，通过机械人工向水体中 充入空气或氧气，弥补天然曝气的不足，加速水体复氧过程，以提高水体的溶解氧水 平，恢复和增强水体中好氧微生物的活力，使水体中的污染物得以净化，从而改善河 流的水质在河道中进行充氧不但能改善水体黑臭状况，而且能使上层底泥中还原性 物质得到氧化或降解：此外曝气还可以减缓底泥释放磷的速度曝气在河底沉积物表 层形成了一个以兼性菌为主的环境，并使沉积物表层具备了好氧菌群生长刺激的潜 能，从而能够在较短的时间内降低水体中有机污染物，提高水体溶解氧的浓度，增强 水体的自净作用，改善水环境 3 4 1 。 充氧原理即利用水体中氧饱和浓度与实际溶解氧浓度存在浓度差，形成了氧转 8 苏州科技学院硕士学位论文绪论 移的推动力，其数学表达式为： 譬= k l 彳( 反一见) 讲 式中：掣一氧的转移速率( m g h ) ； 甜 气、液相界面面积( r ) ； k 氧转移系数( h 1 ) ； 店液体内饱和溶解氧浓度( 啷l ) ； 反液体的实际溶解氧浓度( 嘿l ) ； 人工水力循环和曝气复氧和技术结合来处理受污染城市河道水，将河水的自净效 率提高很多。主要原因是由于改善水动力条件后的河道水流增加了紊动，改进了氧的 传递和扩散，进而有利于大大提高机械人工曝气复氧效率，还可以降低运转费用， 使处理成本更为经济合理。 1 4 3 人工水力循环与曝气复氧技术的应用前景 人工水力循环与曝气复氧技术是近年来治理河流污染的一种有效的工程措施，能 在较短的时间内提高水体的溶解氧水平，增强水体的净化功能，消除黑臭，减少水体 污染负荷，促进河流生态系统的恢复：另外，改技术因地制宜，占地面积相对较小， 投资省、运行成本低，对周围环境无不良影响，如果与综合利用相结合，还可实现环 境效益与经济效益的统一，有利于工程的长效管理。对于苏州这样的旅游观光型城市， 如果能在众多具有旅游景观功能的市区河道中，充分利用水闸泄流、活水喷池和人工 水上娱乐设施进行增氧，配合城市景观的建设，可以构筑成为又一道具有苏州特色的 城市风景线阅。要真正发挥河流水体人工曝气复氧技术的实际效益，还必须制订应用 该技术的具体方案，得出可行的增氧量、曝气方式、季节最优化组合，并充分考虑城 市景观和经济性原则 1 4 4 存在的问题与不足 1 人工水力循环与曝气复氧技术的处理理论尚不完善，目前主要强调生物氧化、 紊流稀释在处理过程中的作用，而在其它如钝化底泥、减缓底泥释放磷等方面的作用 理论研究不够，因此有必要对人工水力循环与曝气复氧技术的处理理论进一步深入研 究。 2 人工水力循环与曝气复氧工程的设备选型比较困难，设备的选型是受污染城市 河道水体水质恢复工程顺牵j 实施的重要环节。要正确选择充氧设备。首先必须根据水 体特征和水质改善的目标计算水体需氧量；然后综合考虑水质对设备充氧效率的影响， 9 苏州科技学院硕士学位论文 正确估算设备的充氧能力和水动力改善能力；进而根据现场条件和设备特点确定适当 的设备形式( 或组合) 3 按照设定的城市水质恢复目标，考虑城市景观和经济性原则的基础上，如何将 设备的运行时间、循环水量、复氧量、曝气方式、季节最优化组合，是环保科技工作 者亟待解决的问题。 4 孤立利用人工水力循环与曝气复氧技术来处理受污染城市河道水体，有效性上 是不够的，需要结合生物治理技术、微生物治理、生物操纵恢复生态系统等方法，综 合运用，具体的治理措施应因地制宜，因“水”制宜f 弼 5 现的水体循环和需氧水动力学模型具有一定的局限性，因此有必要建立更具普 遍性的反应动力学模型。 1 5 课题的来源、研究目的、理论意义和实际应用价值 1 5 1 课题的来源 河网城市河道水治理始终是水城苏州花大力气书写的一篇大文章。也正是缘出于 此，当“城市水环境质量改善与综合示范”项目2 0 0 3 年被科技部列入国家8 6 3 计划 。十五”重大科技专项之后，苏州便极力争取成为了国内1 1 个承担该项目的城市之 一，立足城市河道纵横交织成网的特征，针对苏州水环境的突出问题，重点围绕“河 网城市水环境生态修复技术集成研究及示范工程”、“园林池塘水质净化和生态修 复技术研究及示范工程”两方面进行研究，以重塑苏州水文化景观。“河网城市水环 境生态修复技术集成研究及示范工程”项目由苏州科技学院牵头承担，哈尔滨工业大 学、四川大学、同济大学等国内高校参与协作，课题组成员近3 0 人为支持研究， 国家和省市相关部门共斥资4 5 0 万元进行该项目的研究和实施，苏州科技学院利用地 域优势，在校园内建立河道水力循环和曝气复氧中试基地。同时，在项目实施现场南 园水系苗家浜、沧浪厅等地开展了先期示范研究，进行微生物制剂、曝气原位强化净 化、水生植物净化、浮床强化净化、遮光控藻、高密度生物强化净化等研究和实验， 并取得阶段成果。 “河网城市水环境生态修复技术集成研究及示范工程”所确定的研究示范区域南 园水系位于苏州古城区的东南部，底坡平缓，南园水系位于苏州河网的“锅底一，水 体交换困难。苏州水专项所在位置，如图1 所示。 苏州科技学院硕士学位论文 u i 。茹舟眯囊。所在性一 图i - i 苏州。水专项”位置图 1 5 2 课题研究目的 结合苏州河网水质特点和城市河道水体的主要问题，依据子课题任务合同书中的 研究内容和考核指标，采用人工水力循环与曝气复氧技术原位人工强化处理，强化苏 州河道示范区域中污染物的去除，提高水体溶解氧含量和透明度数值。选择出相关技 术需要的水处理设备，在适宜的地点建立相应的示范工程，并配合子课题水生植物生 态修复系统等示范工程，旨在形成河网城市及园林水环境质量改善的集成技术，并推 广应用，实现点、线( 河) 、面( 河网) 水环境质量的整体改善，并且通过法规、制 度和合理的管理机制维持水环境质量的持续改善，进而实现苏州水环境质量的整体改 善，初步恢复苏州河网水清、水活的风貌，并为相似水网城市的水环境质量改善提供 技术支持由于景观水体处理属于循环处理，同时，本课题的目的又是多个处理技术 组合应用，因此课题组未对本实验处理系统出水中污染物浓度，提出硬性要求。 1 5 3 理论意义和实际应用价值 本课题主要研究人工水力循环和曝气复氧技术在处理城市河道水中的应用，通过 对人工水力循环方式、循环水量、人工曝气增氧量、曝气方式、季节最优化等参数进 行优化组合，并运行实验，所得结果为人工水力循环和曝气复氧技术联合处理城市河 道污水的实际工程设计和运行操作提供理论支持，研究内容为城市河道水处理提供了 一条新的思路及途径，对城市河道水处理具有重要的理论和应用指导意义 城市河道水质改善是一项复杂的系统工程。城市景观水体与一般的自然水体有着 很大区别。由于它们经过人工改造，短期内很难形成完整的水生生态系统，因而稳定性 较差。另外，由于城市河流常常遭受生活污水的污染，同时还具有娱乐功能，使得水生动 植物常常处于各种胁迫当中寻找行之有效的城市河道污染防治技术及措施已经成为 环保研究领域的一个重要课题。而本研究作为城市河道污染防治技术及措施之一具有 重要应用价值 苏州科技学院硕士学位论文 第三章人工水力循环与曝气复氧技术改善江枫园河道水研究 第二章江枫园河道水质改善研究背景、实验原理及实验设备 2 1 研究背景 作为城市河道的代表，苏州市区内河道纵横密布，古城区前街后河，街河相邻、 小桥流水，具有江南水乡城市的特殊风貌。水环境成为苏州的重要城市标志。但是， 由于苏州河道的自身特点及各种污染，苏州的水渐渐褪去了她的秀玲之美为此，苏 州市河道水环境整治已经成为苏州水处理项目的重点。 对于苏州现有的污染河流，只有通过多种技术的集成才能发挥综合控藻、净化水 质的效果；苏州水环境问题的解决只有通过“截污、清淤、引水、修复”等多种技术 的集成，才能实现苏州水环境质量的持续改善。国家重大科技专项“苏州市城市水环 境质量改善技术研究与综合示范”正是在这种情况下申请成功并- y 2 0 0 3 年l o 月正式实 施，作为项目课题负责单位之一，我校利用地域优势，以学院内江枫园环河水系为背 景，建立河道水力循环中试基地，以目前6 8 0 m 3 h 6 f j 人工水力循环动力系统与跌水曝 气的河道水复氧系统为依托，进行曝气原位强化净化、人工水力循环技术等研究和实 验，研究城市河道水水质修复的基本规律，为今后的实际工程摸索条件和积累经验开 展了先期示范研究，并取得阶段成果。 2 2 江枫园河道水污染基本情况 2 2 1 江枫园河道水环境概况 江枫园环河位于苏州科技学院本部校园内，由东、西、南、北四段组成，总长约 1 4 2 3 m ，总储水量约3 3 0 0 0 m 3 ：其中环河东段为曙光河段，长约2 6 2 m ，平均宽度约 1 7 m ，平均水深约1 5 m ，河东岸为学院家属区与城市饭店( 之问的河段长1 7 0 m , 平均宽 度约l o m , 平均水深约1 4 m ) ，河西岸为绿化带；环河南段长约4 9 6 m 。平均宽度约1 3 m ， 平均水深约1 7 m ，河南岸为何山花园外墙与我院的“湿地”，河北岸为车库、办公区、 校医院及教学区；环河北段长约2 0 0 m ，平均宽度约1 6 m ，平均水深约2 o m ，河北岸 为绿地，河南岸为绿地及建筑系。环河原有4 个出1 3 与外界相通，南北出口分别位于 环河东段两端与曙光河相连，东出口位于环河东段中部经学院家属区过滨河路涵管与 大运河相连，西出口位于环河南段西端经名都花园小区与美之苑小区与和相连。现在 由于小区内的河已被填平，西出口已经成为一个“断头” 环河东段属曙光河，上下均设有闸门，通常为关闭状态；环河东段中部出口虽然 与大运河相连，连接处闸门为常关闭状态；环河南段西出口闸门已经关闭。事实上， 除了环河东段因曙光河下游泵站偶尔开启使东段水略有流动外，其余河段河水均为静 苏州科技学院硕士学位论文第三章人工水力循环与曝气复氧技术改善江枫园河道水研究 止状态。 2 2 2 江枫园河道水污染原因 江枫园河道水普遍受点源污染和面源污染。点源污染主要来自于教工、学生食堂， 澡堂污水排放；面源污染主要来自于地面径流，垃圾、大气沉降物形成污染物被暴雨 径流冲刷进入河道，对河水造成了严重污染。内源污染也是河道污染的一个重要原因， 河水滞流，河道淤积，含有大量的有机物、氮、磷、重金属等污染物质的底泥沉积造 成了内源污染水体中有机污染物过多，消耗大量的溶解氧，引起水体发生黑臭，水体 中氮、磷污染物富集则为水面迅速繁殖的藻类提供了大量营养物质，造成了河道水发 生富营养化，水华现象 2 2 32 0 0 4 年水质本宸情况 表2 - 12 0 0 4 年江枫园河道水质状况( 彬i ) d os d h h 3 - h t p 高锰酸盐 指数 最大值0 9 6 0 01 4 02 5 11 4 6 最小值0 2 0 08 00 7 3 7 0 从表中数据可见，江枫园河道水体己达到地表水劣五类水标准，属黑臭水体。 2 2 4 现状水质评价 根据0 4 年以来的监测结果，江枫园河道水均为劣v 类水主要污染物是氨氮、 生化需氧量，溶解氧偏低，主要污染类型为有机污染。河道水环境质量差，水质大多 为超v 类，部分河段时有黑臭现象发生，尤其是总氮和总磷超标较严重；捧水管道不 完善，截流率不高，相当一部分污废水直接捧入水体；河道沿岸和周边的环境综合整 治和监督管理还有漏洞，沿岸堆放和倾倒垃圾的现象时有发生，形成可观的污染负荷； 水体滞留。 2 3 水力循环与跌水曝气复氧机理 2 3 1 水力循环原理 本实