時間：2011-07-08來源：
摘要 結合北京奧運會的重點工程——北京奧林匹克公園中心區龍形水系高效過濾、強化去磷系統工程；綜合最新的過濾技術、吸附除氨氮技術、除磷技術、除藻技術和介質再生技術，研究開發了集成化的高效的水凈化循環處理系統。研究結果表明龍形水系高效過濾、強化去磷系統微絮凝的最佳選擇為PAC，最佳投藥量為3.0 mg/L；沸石作為本系統吸附除氨氮的主要物質，其介質最好粒徑范圍：（1.0~2.0） mm，最佳無機改性劑為NaCl，且NaCl 不會造成新的污染，每克沸石具有吸附18.0 mgNH3-N 的極限潛力；本系統最佳的水藻抑制劑為澳大利亞的Alge Strave 高濃縮水藻抑制劑，可以破壞水藻抑制劑，對魚類未產生不良影響。
1 奧運中心區龍形水系概況
龍形水系總水面面積16.5萬m2，水深（0.6 ～ 1.1） m之間，水體體積15.9 萬m3。
經水質模型分析，如水體僅進行循環過濾處理，水體每9 d 循環過濾1 次，每天需要循環水量1.77 萬m3。
蒸發損失按照北京市朝陽區最大月份約6 mm / d 計算，損失量為0.11 萬m3 / d。下滲量按10 mm /（d·m2）計算，滲漏面積為12.2 萬m2，損失水量為0.12 萬m3 / d。總循環需水量為2.0 萬m3 / d。
2 高效過濾系統的組成
高效過濾系統是配套加藥裝置、混合裝置、提升設備、反沖洗系統以及平衡水池等設施。在龍形水系的北端取原水，并將處理后的水再輸送回水系的南端，以此來形成循環。
循環凈化系統中去除池水濁度由自動過濾系統來完成，循環回水經循環水泵增壓后先由自動反洗粗過濾器去除樹葉等大顆粒懸浮物，再進入自動高速過濾系統進行過濾，在過濾器前投加絮凝劑，借助在高效過濾器內形成的微絮凝過程，有效去除水體中的懸浮顆粒物，降低水體濁度和去除水體中的部分藻類；可根據水質情況，加入除藻劑可有效防止水體藻類的孳生；同時調節水體pH 值，使水體保持穩定。
3 研究結果和討論
3.1 微絮凝除磷技術的研究
混凝劑的篩選是混凝工藝的關鍵步驟之一。本試驗選擇普通無機鹽三氯化鐵（Ferric Chloride，FC）和無機高分子聚合氯化鋁（Polyaluminium Chloride，PAC）作為混凝劑。FC 作為混凝劑時，所形成的絮體較致密，易沉降； PAC 作為人工預制、具優化形態的聚合物，在混凝過程中可以發揮高效和優良的凝聚和絮凝作用，水質適應性強，適用的pH 值范圍較廣。本試驗通過混凝沉淀燒杯試驗對選定的3 種混凝劑進行了比較。3 種混凝劑對龍形水系水體的濁度、COD和TP 的混凝沉淀效果見圖1。
圖1 3種混凝劑對龍形水系水體的混凝沉淀效果
對于濁度的去除，當投藥量< 0.5 mg / L 時， FC 的效能高于兩種PAC；當投藥量> 0.5 mg / L 時，普通PAC 的效能明顯高于FC 和高純PAC，而后兩者的效能相近。
對于COD 的去除，高純PAC 的效能總體上高于普通PAC 和FC?；炷コ袡C物的主要機理包括有機物膠體顆粒脫穩、沉淀、吸附、共同沉降等。試驗結果表明，高純PAC 在電中、脫穩和吸附架橋等方面的綜合性能要好于普通PAC 和FC。
對于TP 的去除，高純PAC 的效能最高， FC 次之，普通PAC 再次之。
綜合比較，盡管FC 在TP 去除方面性能好于普通PAC，但在濁度和COD 的去除方面，普通PAC 好于FC；考慮到普通PAC 比高純PAC 價格低，大規模應用時更經濟，所以本研究后續試驗中選用普通PAC 作為混凝劑。
在相同的混凝試驗條件下，隨著普通PAC 投藥量的增加，混凝處理后污水的濁度逐漸降低，特別是當投藥量叟1.0 mg / L 時，污水濁度有很大降低。從COD的除去效果看，當投藥量達到3.0 mg / L 時，效果最佳。不同投量普通PAC 對污水的TP 去除效果如圖1中（c），投藥量叟3.0 mg/L 時，TP 達到燮0.1 mg / L，TP 除去率達到54.3%，符合設計要求，所以微絮凝的最佳投藥量為3.0 mg / L。
3.2 氨氮強化吸附去除的技術研究
氨氮污染的來源很多，且排放量大。沸石具有大的比表面積和可交換的層間陽離子，因而具有較好的吸附和離子交換性能。
新型的復合沸石型混合濾料由輕質的沸石大顆粒濾料（直徑（0.6~1.2） mm，（1.0~2.2） mm 2 種，密度1.2 t / m3）和重質的石榴石（顆粒直徑（0.2 ~0.6）mm，密度2.4 t / m3）按一定比例配成，并經過化學處理，使其具有良好的物理吸附性能。該濾料與傳統的沸石濾料相比，具有如下顯著優勢。
（1）出水水質顯著提高。采用復合沸石型混合濾料，過濾精度達3 μm，出水濁度低于2NTU。與傳統的沸石濾料相比，復合沸石型混合濾料具有更高效去除小粒徑的懸浮顆粒物，特別是顆粒直徑10 μm 以下的懸浮物，復合沸石濾料比傳統的沸石濾料效果好1 倍以上。
（2）低的反沖洗耗水率和反沖強度。復合沸石實際上是一種多孔的礦物，所需的反沖洗強度低于傳統的沸石濾料，反沖洗耗水率也明顯減少。
（3）復合沸石對水體中的氨氮有較強的去除作用，可顯著減少水體中氮的濃度，在一定程度上抑制藻類的生長繁殖。測試結果表明，經（2~3）次循環，氨氮可去除85％以上。
（4）介質不易板結，通過普通反沖洗即可恢復過濾性能。
選擇粒徑分別為（0.2～0.5） mm、（0.6～1.0） mm、（1.0～2.0） mm、（2.0～4.0） mm 以及（5.0～6.0） mm 的沸石顆粒，各取等量沸石放入500 mL 燒杯中，加入400 mL 滲濾液，用六聯攪拌機充分攪拌。對廢水氨氮的去除率見表1。
表1 沸石粒徑與氨氮去除率
通過研究表明：粒徑越小，沸石對氨氮的吸附速度好；當沸石粒徑2.0 mm以下，粒徑進一步減小，氨氮的去除率沒有明顯變化，所以得出結論，沸石介質最好粒徑范圍：（1.0～2.0） mm。
沸石經過適當的物理化學方法改性后，可提高其吸附性能和離子交換作用。試驗采用3 種不同的無機試劑對沸石進行處理，通過無機改性劑使原有封閉孔道暢通，或改變陽離子類型使靜電場發生變化，有利于提高沸石吸附容量的性能。
（1）對不同無機改性劑提高沸石氨氮吸附容量進行研究，結果見表2。
表2 不同無機改性劑提高沸石氨氮吸附容量
由表2 可知，經NaCl 改性后的沸石對氨氮飽和吸附容量增強，且氯化鈉不會造成新的污染。因此確定NaCl 為改性劑。通過研究表明：每克沸石具有吸附18.0 mg NH3-N 的潛力。
（2）不同NaCl 浸泡時間和物質的量濃度。通過圖2、圖3 可以看出，初始階段隨著浸泡時間的增加，沸石對NH3-N 的吸附容量提高，超過3 h 后吸附容量基本不再變化。而濃度對NH3-N 的吸附影響曲線顯示，吸附容量極大值出現在物質的量濃度0.94 mol/L 左右。
圖2 浸泡時間對吸附NH3-N 的影響
圖3 NaCl 物質的量濃度對吸附NH3-N 的影響
經過以上研究分析，本課題研究的沸石最佳活化方法：使用NaCl 物質的量濃度0.94 mol / L 的NaCl 溶液浸泡3 h。
3.3 藻類去除技術的研究
龍形水系有以下3 方面因素有利于藻類的生長。
（1）水池水層淺，光照充足，夏季水溫升高快，且維持時間長。
（2）水面寬，氮磷等營養物質來源較多。
（3）有較好的pH 條件。
對于藻類污染，必須采用“以防為主，以治為輔，綜合防治”的技術路線，必須把污染控制于未然。發生嚴重藻類污染，處理起來較為費時費力。
防治藻類污染從3 個途徑來進行：一是減少水體營養物質的來源或采用水處理辦法減少水質營養物質的濃度，使藻類無法繁殖；二是在藻類還未生長時向水中加入各種藻類生長抑制劑，防止其大面積生長；三是通過物理、化學或生物的方法去除或殺死水體中已存在的藻類。
藻類在水體中部分以懸浮狀態存在，但大多數藻類在池壁和池底形成墨綠色底斑點。后一種情況使水體周圍形成了一種抗滲透性臘狀保護層，使氯化劑受此保護層的阻礙而無法殺死藻群。
通過試驗研究使用澳大利亞的Alge Strave 高濃縮水藻抑制劑。通過定期加入水藻抑制劑可以破壞水藻上的臘狀保護層，使氯化劑能進入水藻細胞內而殺死它，然后通過本處理系統去除。
此種除藻劑是一種高效廣譜性除藻劑，具有以下特點：①廣譜性，高效殺死大多數藻類；②去除水藻表面的污泥層，增強氯制劑的效果，氯制劑有協同作用；③經濟便宜；④加藥量少，經濟安全。
北京冬季氣溫較低，藻類無法形成，故從4 月份開始檢測水系水質，4 月、5 月份均無藻類出現，5 月底水系水質逐漸變渾濁、N、P 含量也逐漸升高，但還沒有藻類出現。為了保障龍形水系的水質，人員在龍形水系附近已發現藻類的河道中取水，進行試驗研究。試驗采用靜態觀測法，即在水樣中分別投加不同劑量的除藻劑，在進行相同的攪拌后保持靜態。
在5 個相同的水樣（2L）中分別投加Alge Strave，投加比分別為：A 號：0.5 mL / m3； B 號：1 mL / m3；C號：3 mL / m3；D號：5 mL / m3；E號：7 mL / m3。水溫保持在常溫，試驗水樣置于有陽光照射的位置，保持空氣流通，適宜藻類生長。試驗時間為6 月2 日。通過比較可知：5 種不同投加量均能有效地降低水樣中的藻類。觀察燒杯中的水樣，藻類絮凝成絮狀物，并不斷下沉；水樣逐漸澄清， 24 h 后，檢測5 個水樣，C、D、E 水樣檢測不到藻類，所以投藥量控制在3 mL / m3濃度。
工程運行方式：生態藥劑投加系統由溶藥箱、攪拌器、計量泵等組成。
根據試驗結論，投加量按3 mL / m3，連續投加1周后水系清澈見底無藻類出現?？紤]到任何藥劑都有不同程度的毒性，投加量越少對動植物的毒性就越小。但同時還要有良好的處理效果，減少投加量，按1 mL / m3，連續投加1 周后水系清澈見底，無藻類出現。為了節省能耗，進一步改成隔1 天投加的方法，連續試驗2 周，水系清澈度下降。但仍無藻類出現。再進一步減少投加量，采用隔2 d 投加1 d 的方法，試驗1 周后水系清澈度下降，但仍無藻類出現，但試驗到第13 d 時水系中可以檢測到藻類。為了去除水系中的藻類，首次加藥按3 mL / m3，第3天經檢測，水系中已無藻類。之后按1 mL / m3 的投藥量隔天投加的方法連續運行，定期檢測藻類，連續檢測1 個月均未發現藻類。10 月份停止加藥，定期檢測，均未發現藻類。
龍形水系生態藥劑的投加時間為：6—9 月份。工程運行方式：當發現水系有藻類出現時首次投藥量按3 mL / m3，正常維護情況下按1 mL / m3 的投藥量隔天投加。
以監測投藥量不同情況下Alge Strave 高濃縮水藻抑制劑對魚的影響。試驗共4 個2 L魚缸，每個魚缸中均放入相同的湖水及2 條相同的景觀魚，編號為①、②、③、④。其中①號不投加Alge Strave，②號投加2×10-3ml Alge Strave（即投加比1 mL / m3），③號投加6×10-3ml Alge Strave（即投加比3 mL / m3），④號投加10×10-3ml Alge Strave （即投加比5 mL / m3），每周投加1次藥劑，試驗時間為60 d，從7 月1日至8 月30日，每天向水中連續曝氣以供魚的生存需要。在連續60 d的試驗觀察中，在加藥最初24 h 內，②、③、④號魚缸中的魚有輕微的不適反應，如游動少，不活潑，隨后幾天內，不適反應消失，未見有中毒的跡象；①、②、③、④號魚缸中的各條魚均無死亡現象，也無其他異常變化，初步說明Alge Strave 在投加比為1 mL / m3、3 mL / m3、5 mL / m3 時對魚類是安全的，無致死毒性。
4 結論
通過本試驗的研究，采用建設水循環處理系統，利用PAC 微絮凝除磷技術、新型的復合沸石型混合濾料氨氮強化吸附去除的技術和Alge Strave 高濃縮水藻抑制劑藻類去除技術防止了水體出現富營養化和水質惡化，避免頻繁換水，減少了水資源浪費。
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作者簡介：孟繁龍（1977—），男，碩士研究生。
