生物相关专业外文翻译中文版（污水回收再利用系统）.doc

结合了人工湿地、水生植物以及土壤过滤器的污水回收再利用系统摘要从源头上回收再利用水以及其养分为使用简单且成本较低的技术提供了可能性，并且可以减少因集中处理系统发生故障而产生的灾难性后果。人工湿地中处理环境的多重组合可提供合适的水质用于重新利用。在北卡罗莱纳州查塔姆县进行的一个项目使用了简单、造型美观的处理组件构建室内外环境，可将生活污水回收后用于冲洗厕所、庭院灌溉以及审美水景等方面。一个含有人工湿地、带有土壤过滤组件的日光浴室以及水生植物单元的庭院被设计用来处理一小型商业设施内的生活污水，并且为60个员工提供休闲场所。既有垂直流又有水平流的人工湿地与进水排水控制的结合为硝化-反硝化、有机原料的转移以及磷吸附反应提供了必要的环境。设计此系统目的是为了每天处理和再利用4500升商业活动中产生的生活污水。所使用的一些植物是经选择性养殖或者经过基因改造的以便最大的发挥其可回收潜能。简易的处理和再利用技术允许商人将一座已废弃了的、周边环境日益恶化的教学楼改造成为两个蓬勃发展的国际性生意经营场所，并且可保护不远处一座水库的水质。 关键词: 再利用;人工湿地;垂直流; 土壤过滤器; 进水及排水；回收1.前言一个高效的生活污水管理系统应当尽量减少污水的产生并重新利用污水。本项目的总体设计目标是评估每天处理和循环再利用4500升生活污水并将其用于冲洗厕所的可行性。具体的目标包括：（1）、分级给进、再循环、空间喜氧和厌氧环境、波动的喜氧和厌氧环境以及用于处理氮气的沸石吸附剂等方面的评估。（2）、将砖片作为磷吸附剂以及将可吸附氮的木本植物用作磷的摄取和存储媒介的评估。（3）、开发一种用于在查塔姆县境内的氮、磷现场处理以及污水现场处理和再利用的成本效能分析法。将人类活动中所产生的高养分含量污水直接排放到地下水或地表水中的处理方法是不可行的，这样做不能有效的利用水资源而且会对水质产生不利的影响。现场处理技术以及集中处理技术都能从在污水产生源附近处理和再利用中获得益处。污水现场处理设计已演变成为一项具有许多领先之处的复杂技术，但是它对地下水以及地表水的不利影响仍在继续，例如：它是部分氮、磷和致病细菌及病毒的来源。用于定期排放部分处理后的废水到地表水中的集中处理植物饱受为扩大规模而不断增长的需求、高成本、机械故障或操作失误等之苦。美国现今大多数的污水再利用研究都着眼于回收工业或地区污水用于灌溉的系统。北卡罗莱纳才刚刚开始水回收再利用的研究，通过小流量设备的先进处理和再利用方法来减少养分负载以及污水量，例如家庭或者企业就有减少集中处理系统的过多需求以及减小现场处理系统所需空间的潜力，要在污水来源地附近处理和再利用污水就需要提供一个高效可行的管理策略。这里介绍一种北卡罗莱纳州的使用低技术且美观的室内污水回收后用于冲洗厕所的独特方法。本研究项目基于另外一个结合了垂直-水平潜流人工湿地系统的设计方法，该系统于1992年11月开始安装， 1993年1月至1997年12月期间测试了其污水回收能力，测试结果是该系统有效的将总氮含量（TN）降低了77%，将NH4-N含量降低了97%。垂直流单元提供了一个喜氧环境从而使得流入的NH4-N几乎全部发生硝化反应。该系统将总的磷含量降低了44%。实验评估显示用作过滤器的碎砖片拥有70%-80%的可移除磷能力。该系统有效的将悬浮固体总含量降低了57%而且生物氧的需求量也随之降低了97%。细菌病原体数量由于垂直流单元的作用而减少了2-3个对数级，由于水平流单元的作用减少了1-2个对数级。水平流单元对大肠杆菌噬菌体（coliphage）却几乎没有任何影响。2. 方法生活污水处理再利用系统的安装是查塔姆县内这所老旧教学楼革新的一部分内容，此系统被设计为组合了一个受污染水箱、两个人工湿地单元、抽水单元、紫外线和氯化物处理设施、土壤过滤器盒以及厕所冲水设施等（如图1所示）。图1 污水回收再利用系统总体结构图2.1 现场评估现场的土壤评测显示这里以Creedmoor 型以及Whitestore型土壤为主，这种土壤被认为是当今现场污水处理方法的一个主要限制性因素，其表面土壤比现场木质地区要深接近10000ft2。这20厘米肥沃的地质为水的低速灌溉提供了最优选择。现场总体看来是平坦的但事实上是向西南方向那边的水库倾斜的。这里局部地面有腐蚀的迹象，这些地面不会吸收任何多余的灌溉水。另外还生长着一棵火炬松，有植被覆盖的地面会有助于阻值这里遭受进一步的腐蚀且可以增加土壤水分的蒸发量。土壤的限制以及主要下水道的缺乏将这个老旧学校的更新阻碍了整整30年，这个污水回收再利用系统的开发实现了化腐朽为神奇的效果，它将此环境恶劣之处变成为两个国际性企业的办公场所，总设备包括了四个洗手间和一个独立的浴室。统计的污水日流量是4500升/天。2.2人工湿地人工湿地污水处理系统是造型美观、低成本和维护养分的管理系统（如图2和图3所示）。之所以选择人工湿地是为了充分利用其水分可调节的特性，这样就可以极大程度上控制氮的转化。氮以氨的形式存储在人工湿地中。作物生长季节, 氮以氮氨混合物的形式通过促进硝化作用提供给植被；在冬季，由于湿地内洪流的持续增加，反硝化作用将会被促进。当频繁的需要浇水以及氮负载量受到限制的时候，这种管理方法也是很有效的。为了提高系统的氮处理能力，设计了两个连续的人工湿地单元，这两个单元被用作分级给进、再循环、空间喜氧和厌氧环境及浮动喜氧和厌氧环境。2.2.1 单元1：堆放土壤过滤器、水平潜流湿地 单元1主要用于堆放土壤滤波器、水平潜流湿地,它的设计标准结合了结合液压加载速率和有机加载速率。所使用的基质包括砖块碎片、粗砂和砾石等。为节省空间、提高处理功能以及创造美学效应，各处理原件以上下堆叠的方式存放。各处理组件除了完成污水处理功能之外还被设计为人员休闲娱乐空间设施。包括了湿地物种、高地物种以及过渡物种等多类水生植物都被使用。图2 结合了土壤过滤器及垂直流的人工湿地2.3 单元2：用于控制人工湿地进水及排水的太阳能阀第二单元中水的流动由一个12V的太阳能阀门来控制，它被设计为间歇式开启和关闭模式（如图3所示）。阀门的开启时允许水从沙层中排放出去。水的冲刷以及排放增加了硝化和反硝化作用以及磷的吸附。太阳能阀门的使用法可以为偏远地区中类似的应用提供重要方法。图3 设计用来进水排水的湿地单元2图4养分管理种植盒2.4 养分管理种植盒土壤过滤器是由一些碎石过滤器和土堆等充当的，这些组件将整个处理系统模块化成为多个部分。种植盒的设计既考虑了处理污水时容易放置到建筑物内外又考虑了其美学特性。每天的废水负荷率是40到120l/m-2之间。磷的管理通常与水生物环境没有关系，然而在湿地单元内，富含铁元素并被设计为保持喜氧特性的砖块层将会对磷元素产生吸附作用。当需要限制种植地内磷的含量时，污水将会被分流到未饱和的湿地单元中去。当需要增加磷的含量时，再用水冲刷此湿地单元即可释放所吸附的磷以供应地面植物或庄家的需求。总共有六个1.2*6米的筒，各自都装满由不同过滤层以及部分经过处理的污水，每个月都需要对筒底部排出的水进行采样分析，得到的水流数据以及化学数据可用于评估污水成分的平衡等。2.5 水质监控从系统各组件的入口和出口位置每月都取样1000毫升的污水，水质样本用于总的克耶达氮含量检测、NO3-N检测、NH3-N量检测、总的磷含量检测、PO4-P检测、残渣大肠杆菌量检测、悬浮固体量、总可溶性物质检测、化学氧需求量测试、生物氧需求以及PH值测试等。同时，浑浊度也需要被持续检测以道道传质单元数控制要求。残渣里的氯含量也要每天都到检测以确保系统中至少有0.5mg每升的含量。2.6 水质平衡确定法流入处理组件的水量都由监控水泵周期性的测量计算，每个周期内水的体积以及水的总体积都得到计算，处理组件的水流量由装有控制杆计数器的长筒测量出来。没天的降雨量以及温度都需要记录下来。这些信息将会用于控制系统中水的平衡以便于确定重新利用了多少水量以及有多少水被处理后排到种植有植被的地面上，潜在的水蒸发量将会通过周边气象站或其他研究项目而得到估计。2.7 园艺灌溉组件所有未存储下来的水都被重新利用，它们被压入一个位置较浅、安装有自动冲击发射器的园艺灌溉系统中，这个园区分为两个区域进行灌溉，每个区都安装有多个简易的监控井，这些井成对的安装在一起，一个安装在A-B土壤接口处另一个装在B-C接口处。2.8 浮萍处理设计法评估我们努力去选择的基因型适合于污水矫正系统的植物之一就是浮萍，全世界大约有32种不同的浮萍物种，大多数不同的种类都有可被识别的地理隔离差别。因此，很可能不同的浮萍物种在高效生长以及矫正、处理生活污水方面的能力也有极大差别。在一项试验中采用了11棵生长较快的浮萍以确定它们在处理后的污水环境中生长率是否有差异，这些浮萍来自六种不同的品种并且经观察都具有比其余950棵地理隔离品种较快的相对生长速度。此实验是在试管中进行的且不同的试管中共包含三种液体：记为SH的标准养分保持介质、SH加上3%的蔗糖、经过部分处理后的生活污水。培养环境为23摄氏度的恒温环境，每个培养皿中倒入25毫升的液体并放入8片浮萍叶子，经过三周的培养之后，取出、清点活着的以及已枯死的叶片并记录其总重量，叶片在36度的环境下经48小时烘干后再记录其干重量，每个浮萍品种与液体的组合都由三个培养皿来展示，每个培养皿中盛有一种液体及一类浮萍的组合。由于烘干后的生物量这个参数有及其重要的意义，因而此参数应得到足够重视。3. 相关研究3.1 水质问题：集中处理植被以及连接污染源的下水道线路尽管集中处理技术已得到广泛应用尽管其成本较高，工程厂家通常用“食谱”方法来解决其地方问题，集中处理植被的方法可能会导致部分地区地下水水位降低且得不到及时补偿，同时会将氮含量极高的植物废水排放到周边的河流中。在北卡罗莱纳州的136个主要的市政设施中，有22个明显不能达到要求。3.2 水质提高：循环再利用综述现今大多数的污水再利用项目都着眼于工业或者市政规模的灌溉系统，比较典型的是用于高尔夫球场工程。除了用于灌溉之外，其它可行的方案包括：冲洗厕所、街道清理、车辆清洁、喷泉装饰、工业冷却及加工用水、休闲装饰、湿地之类的环境扩大、地下水的补偿、人造冰雪、尘土控制以及设备洗涤等方面。在北卡罗莱纳州，污水再利用最优的方案是灌溉、冷却水以及工业加工用水。3.3 水质提高：污水产生源处得回收再利用集中处理植物必需增多其数量以及提高其处理能力以应对不断增长的处理需求。污水来源处得处理以及通过再利用而减少污水量的方法可允许利用简易的技术构架来建立集中处理系统。利用有效的用如家庭或企业单位等具流量的设施可以有效的减少养分负载以及污水量同时具有降低集中处理系统各项要求的潜力。污水周期性回收再利用系统回收污水并将其处理后用于单位、商业中心、公共设施等的厕所冲洗或庭院灌溉方法被证实可将生物病毒数量减少至探测不到程度。该系统已在北卡罗莱纳州的某地投入使用。另外一种水冲洗再利用系统采用了类似的处理方式，它通过冲刷来降低氮含量之后将其从系统中排出。另一种名为下层排水技术的更为直接的污水再利用系统，它使用了一个密封的水生罐以及一个提供农作物地下灌溉的下层排水区。该系统更适合于偏远山区等地采用，它需要对农作物生长进行持续的监测以确保好的效果。污水回收系统也正被开发用于空间站，人类的尿液以及其他产生的液体浓缩物可以被回收以用于空间站的使用。当今可选择的处理方法有：吸附作用、离子交换、催化氧化以及消毒杀菌等。在圣莫尼卡，一种结构紧凑、全封闭的系统使用了一个悬浮生长的生物反应器、超级过滤膜、活性炭颗粒、紫外线消毒以及氯消毒作为其处理系列为水景花园里的一个人工湖以及园区灌溉提供污水处理服务。在日本，家庭污水处理植物被用作减小环境污染的一部分，这样的系统采用了缺氧-含氧的再循环生物膜工艺来将污水中的有机物以及氮去除。含有活性淤泥以及超级过滤膜的紧凑型设施也同样在日本得到应用。3.4 水质提高：人工湿地1935年，德国普朗克研究所首先采用人工湿地的方案来处理生活污水，那里的研究人员试图利用湿地种植的方法来解决过度施肥、环境污染以及淤泥淤塞等问题，之后发展成为“普朗克研究所法”。主要负责污水处理的湿地植被种植于砂砾之间，污水进入湿地单元后由于重力作用而从碎石及植被间流过。德国黑森州大学的Reinhold Kickuth博士也开发了一种名为根区方法的污水处理系统，此系统不依赖于植被吸收养分的能力，而是利用了土壤天生的处理能力加之沼泽地植物的根茎等转移氧到土壤的能力，在缺氧的区域周围创造出含氧区，这即是一个很适合硝化和反硝化作用的环境，植物生长同时也产生可为氮转化细菌提供能量的二氧化碳，该系统在德国从1974年开始投入使用，成功的处理了生活污水。现今限制人工湿地处理系统设计的因素包括：缺少足够的硝化、反硝化、磷及有机物的去除等作用，以上所述的处理方法可以通过与其他处理法的结合或不同类型的人工湿地的组合等方式来改进拓展。3.5人工湿地的进水及排水人工湿地的进水及排水问题已被提出但还未得到真正研究评估，像一些天然湿地一样，周期性的为人工湿地给水和排水可增强氮及磷的处理能力。在批量负载及有持续流动的条件下对潜流湿地评测研究发现，基本没有明显的处理效果。3.6水生植物系统利用浮生或潜生植物等处理污水的方案一般只被应用于没有严寒冬季的地区，这是因为大多数可使用的水生处理植被都对低温很敏感，浮生植物的污水处理效果依赖于其根部到水面之间的环境。3.7水质改善：土壤基质污液消毒舱里的废水一般含有18-29毫克/升的总磷量以及6-24毫克/升的磷酸盐量，生活污水中，磷的主要来源有：洗衣店、餐具洗涤以及厕所污水等。清洁剂的副作用可以利用稀磷酸盐来减小，此方法已得到北卡罗莱纳州及其他一些地区的法律授权，其他可以选择用于磷消除的方法有：室内隔离、化学沉淀、吸