城市内河就地截污成套装置与工程示范可行性研究报告.doc
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1、城市内河就地截污成套装置与工程示范可行性研究报告城市内河就地截污成套装置与工程示范可行性报告一、立项的背景和意义1项目背景城市河道污染是我国大部分城市普遍面临的重大环境与公共卫生问题之一1。造成城市河道污染的原因众多,但其主要因素是:(1)城市排污管网不健全,导致大量生活污水未经处理便直接排入河道;(2)城市降水形成的地面迳流裹挟大量面源污染物排入河道。因此,从源头上控制污染物排入河道即截污是控制河道污染、改善河道水质的关键1-10。实现河道环境综合整治、控制河道污染的方法大致包括清淤、截污、驳岸、曝气等工程措施,以及人工水草、人工浮岛、水体养殖等生态修复措施1-12。目前普遍采用的河道截污方
2、法主要是将河道周边居民的生活污水尽可能地纳入城市污水管网,以便将生活污水输送到污水处理厂进行处理。但因城市排污管网不健全,或因地形地物等条件所限,导致某些地域的污水无法纳入城市排污管网而直排河道;此外,实行雨污分流制的城市,其雨水管网所收集的地面迳流大都是直排河道,基本没有考虑地面迳流和初期雨水对河水的污染问题,因而导致地面迳流特别是初期雨水对河道水体产生严重污染。尽管上述工程措施以及生态修复措施均能对控制河道水体污染产生一定作用,但其对N、P等营养类污染物的去除率很低,甚至表观清澈透明的河水中N、P浓度依然很高,气温稍高时极易发生藻类暴发;更为重要的是,因为截污不彻底或根本没有截污,导致河道
3、污染的污染源还是在源源不断地向河道排污。因此,这些措施基本上都是治“标”而不治“本”的方法,不能从根本上解决河道污染问题。此外,尽管截污纳管工程可以比较彻底地解决污水直排河道造成的污染问题,然而目前城市很多区域特别是老城区和城郊结合部的污水治理规划难以落实, 污水截流后难寻出路4,也就是说,这些区域的污水即使截流后也难以排入污水处理厂进行处理。鉴于以上认识,本项目提出一种在截污困难区域实现生活污水就地截污及初期雨水污染控制的新设想。其基本思路是:(1)将排入河道的污水控制在排污口附近的河道局部,而不让其随意扩散,即在排污口附近局部河道设置类似于人工湿地和人工浮岛的小型污水处理装置,从排污口排入
4、的污水进入该装置进行处理,从而实现污水的截留;(2)采取强化措施将截留在排污口附近局部河道的污染物就地消化,其主要措施包括:采用硅藻土陶粒等轻质多孔材料作为人工湿地的主要基质材料,并采用轻质不透水材料(如PVC、工程塑料或发泡轻质生态混凝土)作为人工湿地的围护材料,使得人工湿地可以浮动于水面,从而不占用河道、不影响河道行洪;以本地常见的水生植物作为人工湿地的植物材料,在水面形成绿色景观效果。 2研究意义本项目提出将硅藻土作为主要原料与其他原料配合制作成硅藻土陶粒,以其作为浮动式人工湿地的主要基质进行河道截污并就地消化处理的思路。其研究意义主要在于:(1)提出一种在截污困难区域实现生活污水就地截
5、污消化及初期雨水污染控制的新技术,对于从根本上控制河道污染、改善河道水质具有重要意义,并具有广阔的应用前景;(2)提出将硅藻土及其衍生产物(如硅藻土陶粒)作为人工湿地的主要基质,国内外尚无类似报道;因硅藻土多孔、质轻、比表面积大、吸附性好,且资源丰富,因此基于硅藻土基质的人工湿地将有可能具有较高的污染去除效率,从而实现人工湿地的小型化与装置化,同时为硅藻土(特别是低品位硅藻土)在环境领域的应用开辟一条新的途径。(3)作为基质的硅藻土陶粒可方便地通过焙烧方式再生,从而实现资源的循环利用。(4)将现行常用的河道全面曝气改为在人工湿地基质间的局部曝气(可选),可望极大地减少曝气费用,提高处理效率,降
6、低处理成本。(5)提出的硅藻土人工湿地也可望运用于农村生活污水就地分散处理,硅藻土人工浮岛也可望运用于其他富营养化水体生态修复。二、国内外研究现状和发展趋势1人工浮岛人工浮岛是一种在水体中为多种生物提供生境的飘浮结构,主要由植被基(人工浮岛平台)、植物和固定系统组成,并已成为水体污染生态修复的常用技术9-12。人工浮岛技术把植物种植在填料床表面,或直接利用水体作为植物生长介质,然后用漂浮性材料作为植物在水体表面的支撑材料。人工浮岛的生态功能包括:提供生境、净化水质、消浪护岸、改善景观等。然而,尽管人工浮岛提供了一种较好的水体原位生态修复技术,但因其植物生长介质基本位于水面以上,或者直接利用水体
7、作为植物生长介质,因而其对水体的作用方式主要是植物根系的吸收作用以及附着于根系之上的微生物的作用,所以其对水质改善的效果非常有限,特别是其脱N除P的效果并不理想。2人工湿地人工湿地污水处理是20世纪70年代发展起来的一种污水土地处理技术13-21。人工湿地中,石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质按一定比例和层次构成基质,并有选择地植入植物,介质、植物和微生物,实际上是一种独特的土壤植物微生物系统。在污水处理过程中,人工湿地中的碎石、土壤颗粒表面形成生物膜,生物膜上的微生物参与污水净化的各个过程。人工湿地对污染物的去除是基质吸附、植物吸收和微生物去除3条途径共同作用的结果,微生物的降解与转化对有机
8、物和N的去除通常起主要作用,而其中基质对P的吸附以及基质上形成的微生物膜则是人工湿地脱N除P的主要途径。国内外学者对人工湿地在污水处理中的应用作了深入系统的研究13-21,因其具有投资省、运行费用低、脱N除P效果好等优点,已成为在陆地上处理城镇生活污水的一种常用技术,我省农村生活污水处理工程中大部分采用基于人工湿地的工艺,但在水体中实现人工湿地尚未见报道。美国专利US Pat. 7314562“Floating wetland structures for use in water remediation”28提出了一种在水体中实现人工湿地的方法,但因其基质直接与水体接触,因而实际上只是一种人
9、工浮岛而并非人工湿地。人工湿地常用基质有卵石、砾石、粗砂、细沙、煤渣、矿渣等。这些基质的比重较大,无法在浮动式人工湿地中使用。此外,以硅藻土及其衍生产品(如硅藻土陶粒等)作为人工湿地基质尚无类似报道。3硅藻土硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩, 主要由古代硅藻类遗体组成, 其化学成分主要是SiO2 ,含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O和有机质。硅藻土的比表面积常为19 m2 /g-65 m2 /g,孔半径为50 nm-800 nm,孔体积为0.145 cm3 /g-0.198 cm3 /g,松散密度为0.3-0.5g/cm3,孔隙率达80-90%。具有孔隙度大、吸
10、附性强、化学性能稳定等工艺特性, 对浊度、色度、重金属等污染物有极好的去除作用, 因此广泛应用于水处理中21-27。硅藻土在水污染控制中的应用研究主要集中在对硅藻土及其改性产物去除水污染物的性能、机理及影响因素等方面。其应用方式包括:利用硅藻土作为混凝剂,制作硅藻土陶粒作为生物接触氧化的填料,利用硅藻土制作过滤陶瓷器件等22-27。但尚无以硅藻土及其衍生产品作为人工湿地或人工浮岛的基质的报道。我省硅藻土矿产资源丰富,仅嵊州市已探明储量便已达2亿吨以上,为我国贮量最大的硅藻土矿区。但因嵊州硅藻土品位低(其SiO2含量仅为6070%),目前主要作为制造炉内保温砖的材料,其在环保领域的作用尚未得到充
11、分发挥。本项目试图利用硅藻土多孔、质轻、比表面积大、吸附性好的特点,将硅藻土作为主要原料与其他原料配合制作成硅藻土陶粒,并以硅藻土陶粒作为浮动式人工湿地的主要基质进行河道截污并就地消化处理。该设想类似于生物陶粒处理工艺,如对基质实施局部曝气,则类似于好氧生物接触氧化工艺。研究表明,生物陶粒处理工艺具有很高的脱氮除磷效率23-27。因此,硅藻土陶粒人工湿地结合局部曝气措施,将有可能较大幅度提高N、P等营养类污染物的就地消化效率。此外,硅藻土陶粒自身可悬浮于水面且具有巨大的比表面积,因而是制作人浮动式人工湿地和工浮岛的理想材料。4河道截污河道截污的现有方法主要是管道截污,或在陆地考虑以截污井或人工
12、湿地就地截污,但截污井的截污效果很差,而人工湿地又占用大量土地,因此在城市河道周边陆地实现人工湿地截污并不现实。河道水质修复现有方法主要是在污水排入河道后通过曝气、人工水草、人工浮岛、水体养殖措施等;但将排入河道的污水控制在排污口附近的河道局部,并采取强化措施将截留在局部河道的污染物就地消化,其思路及相应技术方法尚无报道。三、项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点1项目目标将硅藻土作为主要基质,建立一种在截污困难区域实现生活污水就地截污消化及初期雨水污染控制的浮动式人工湿地和人工浮岛技术及其成套装置,并基于以上技术与装置建立示范工程,为从根本上控制城市河道污染、改善河道水质提供技术支持。2
13、研发内容(1)适用于人工湿地的硅藻土陶粒研究:参考普通陶粒制作配方与工艺,研究适合于用作人工湿地并具有较好脱氮除磷功能的最佳硅藻土陶粒配方与工艺。(2)硅藻土陶粒人工湿地研究:以硅藻土陶粒作为主要基质建立小型人工湿地模拟装置,利用该装置进行生活污水处理试验,考察其处理效果,重点考察其脱氮除磷效果以及水力负荷,为在河道实现浮动式人工湿地提供设计参数。(3)硅藻土陶粒人工浮岛研究:以硅藻土陶粒作为主要基质建立2个小型人工浮岛模拟装置,其中一个以水箱试验考察硅藻土陶粒人工浮岛对静止水体污染物的去除效果,另一个以水箱试验考察其对位于河道水位线以下的排污口的截污效果。(4)硅藻土陶粒人工湿地及人工浮岛在
14、河道截污中的实现:制作2套可浮动于水体的硅藻土陶粒人工湿地及人工浮岛截污处理成套装置,并选择2个位于河道水位线以下的排污口(其中,1个生活污水,1个雨水)建立2套人工浮岛截污装置,现场考察其截污和处理效果。3关键技术(1)适合于作为人工湿地基质的硅藻土陶粒配方及其制作工艺条件研究。其基本要求是,所制作的硅藻土陶粒质轻,可悬浮,孔隙度大,比表面积大,对磷有较强吸附作用。(2)在河道排污口水体实现浮动式硅藻土陶粒人工湿地及人工浮岛。其难点在于,装置结构与集成、各种材料的选择、在水体中实现浮动与平衡、管道布设及其与排污口的联接方式、可能的局部曝气方式等。4主要创新点(1)提出将排入河道的污水控制在排
15、污口附近的河道局部,并采取强化措施将截留在局部河道的污染物就地处理的基本思路;(2)提出利用人工湿地及人工浮岛在河道水体中实现污水就地截污并就地处理的技术方法及其成套装置;(3)将硅藻土作为主要原料与石灰石、炉渣、污泥等原料配合,制作具有脱氮除磷效果的轻质硅藻土陶粒;(4)提出将硅藻土及其衍生产物作为人工湿地和人工浮岛的主要基质,以大大提高微生物的着生面积,从而提高处理效果; (5)将现行常用的河道全面曝气改为在人工湿地基质间的局部曝气(可选),以降低处理成本,提高处理效率。四、项目预期目标(主要技术经济指标、应用或产业化前景);1主要技术经济指标(1)实现硅藻土陶粒基质人工湿地及人工浮岛;(
16、2)提出利用人工湿地及人工浮岛在河道水体中实现污水就地截污并就地处理的技术方法,提交成套图纸并制作成套装置; (3)建立2个处理能力为2t/d的排污口截污示范工程;其出水水质达一级B标准;(4)发表论文2 篇,其中SCI论文1篇;(5)申请发明专利2 项;(6)培养硕士生2 名;(7)提交研究报告。2应用或产业化前景研究成果可广泛应用于截污困难区域实现生活污水就地截污消化及初期雨水污染控制,提出的硅藻土人工湿地也可望运用于农村生活污水就地分散处理,硅藻土人工浮岛也可望运用于其他富营养化水体生态修复,因而具有广阔的应用前景。项目完成后,将积极争取进行现场较大规模的工程性试验研究,特别是可考虑用硅
17、藻土作为载体固定化微生物29-30后作为人工湿地基质,并进行工艺优化和关键技术与设备的标准化和成套化,争取将其产业化,为控制河道污染、改善河道水质提供一种有效途径。五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解1实施方案(1) 适用于人工湿地的硅藻土陶粒研究:参考普通陶粒制作配方与工艺,拟在配方中适当掺入石灰石、炉渣、污泥等,焙烧温度拟为6501100 oC,进行正交配方试验,研究不同配方和工艺条件下硅藻土陶粒的比表面积、密度、孔隙率等指标;并用生活污水对硅藻土陶粒进行烧杯试验,以考察其脱氮除磷效果,从而筛选出最佳配方和工艺条件。(2)硅藻土陶粒人工湿地研究:用轻质不透水材料制作2个小型人工湿
18、地模拟装置,其中一个以硅藻土陶粒作为主要基质,而另一个采用普通基质(卵石、砂等)作为对照;模拟装置预留采样孔;对模拟装置采用生活污水进行为期1年的处理试验;两个模拟装置的结构、植物、水力负荷等基本一致;拟以苣草、水芹、水蕹菜和多花黑麦草作为湿地植物;水力负荷初定为0.3m/d,稳定运行后增加水力负荷和污染负荷,以考察水力负荷和污染负荷的影响,并为在河道实现人工湿地提供设计参数;分析项目包括COD、BOD5、TN、NH4-N、TP及SS,并采用PCR-DGGE分析微生物群落结构。 (3)硅藻土陶粒人工浮岛研究:以硅藻土陶粒作为主要基质建立2套小型人工浮岛模拟装置;该装置以穿孔透水材料(如钢丝网或
19、穿孔塑料等)作为硅藻土陶粒的支撑,或以发泡轻质生态混凝土作为支撑;其中一套以水箱试验考察硅藻土陶粒人工浮岛对静止水体污染物的去除效果,另一套以水箱试验考察其对位于河道水位线以下的排污口的截污效果,用以考察当排污口位于河道水位以下时仅用硅藻土陶粒人工浮岛进行截留与处理的可行性。其与人工湿地的区别在于:人工湿地的基质只与排入的污水接触,而人工浮岛的基质与河道水体直接接触;此外,可考虑以管道在人工浮岛中布水;拟以苣草、水芹、水蕹菜和多花黑麦草作为人工浮岛植物。(4)硅藻土陶粒人工湿地及人工浮岛在河道截污中的实现: 其拟采用的方法为:A.对于位于河道水位线以上的排污口,拟采用的工艺方案为沉淀单元硅藻土
20、陶粒人工湿地硅藻土陶粒人工浮岛排放;基于以上工艺方案,建立2套可浮动于水体的硅藻土陶粒人工湿地及人工浮岛截污处理成套装置,其中1套用于生活污水排污口,另1套用于雨水排污口;该装置可由若干个相互串连或并联的处理单元构成,单元之间考虑采用刚性联接,必要时可增设浮筒,以增强整套装置在水体中的浮动性和稳定性;排污口与处理装置之间可考虑采用柔性管道联接;必要时可考虑设置微型曝气装置,并在人工湿地单元的基质中布设曝气管道。B.对于位于河道水位线以下的排污口,拟采用的工艺方案为:硅藻土陶粒人工浮岛排放,并基于以上工艺方案实地建立一个排污口的人工浮岛截污装置,用以现场试验考察硅藻土陶粒人工浮岛对污染物的截留与
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