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生态中水道技术 王铁风 1 李 伟 2 金 秋 2 曹大伟 2 李孝安 3 1.浙江大学建筑设计研究院, 浙江 杭州 310027; 2.东南大学能源与环境学院, 江苏 南京 210096; 3.杭州市城市规划设计研究院, 浙江 杭州 310012 摘要 生态中水道是依靠排水管道的流体特性和其内在生态系统, 利用生物强化技术, 净化流入污水并最终实现污水 回用的中水系统。 生态中水道推流式反应器构型决定了其具有高效的净化能力。 水流速度、水力停留时间和溶解氧 水平都将对生态中水道的处理效率产生影响。 而应用跌水充氧、自然拔风和动态调配技术可强化生态中水道的净化 功能。 关键词 生态中水道 推流式反应器 自净作用 生物膜 污水回用 0 引言 中水道技术是将收集的污染程度较轻的生活污 水处理净化,并将净化后的中水重新输配到建筑物或 居住小区内, 供人们生活使用的污水回用系统。目 前,中水道技术已在美国 、 日本等国家推广使用,我国 部分淡水资源缺乏的城市和地区也制定了中水回用 技术的标准和规范。但由于当前中水道高昂的建设、 运行和管理费用造成了中水道技术尚未在我国得到 普遍推广 。 近来 ,在日本某些下水道系统尚未普及的农村地 区,出现了将排水沟渠改造成简易的污水处理设施, 以实现净化污水的目的 , 并取得了较好的处理效 果 [ 1] 。据此可将中水道收集管网改造成生物反应器, 利用管线长 、 污水在其中有较长滞留时间等特点, 使 污水在传输过程中得以净化 , 减轻后续处理装置负 荷,甚至实现污水的回用 ,从而极大的降低中水回用 成本 。 本研究依据浅流河川自净原理 ,提出生态中水道 的概念 。同时, 应用反应器理论, 分析生态中水道的 净化原理和影响因素 ,为今后生态中水道的设计和研 究奠定基础。 1 生态中水道 1. 1 中水道生物净化原理 根据河川的自然净化理论 ,河川水体受纳污染物 后,水质恶化,但随着河川流程的改变, 污染物浓度会 因河水稀释、 大气复氧及微生物降解等作用而逐渐降 低。生活污水进入都市排水系统后 ,其流动过程也会 发生微生物降解等自净作用。Raunkjaer [ 2] 考察了排 水管道内污水 BOD5的变化, 发现在25 ℃ 时 ,BOD5的 去除率达 30～ 40,验证了排水管道的自净作用。 但是, 要显著降低污染物浓度, 真正达到净化污水的 目的 ,还必须充分利用排水管道内细菌、藻类 、 原生动 物及微小后生动物等吸收分解污染物。 排水管道由于其中水流缓慢 、 水位较低, 与浅流 河川的流体特性相一致 [ 3] 。利用管道的流体特性 ,并 构建管道内生态系统 ,可很好地模拟不同于大型河川 的浅 流 河 川 自 净 作 用。 研 究 表 明 [ 4] , 对 于 深 度 1. 5 m的浅流河川 , 90～ 99的微生物以生物 膜形式存在 ,并且污染物的去除和溶解氧的消耗主要 依靠 河 床 中 附 着 微 生 物 生 物 膜的 作 用。 Srinanthakumar [ 5] 、 Xu [ 6] 等更进一步指出 , 浅流渠道的 生物膜比悬浮性微生物能更有效地去除有机碳,同时 显著影响水体硝化反硝化作用 。因此,要加速污染物 的降解 ,强化浅流管道的净化作用, 必须提高水体中 微生物数量 ,特别是附着型微生物 生物膜 的数量。 生态中水道技术即借助生物富集手段,并调控污水流 量、 流速和溶解氧等因素 ,以提高生物膜数量和活性, 提升中水收集管网的净化能力。它是一种具有污水 处理能力的排水管道 ,是依靠管道的流体特性和其内 在生态系统 ,利用生物强化技术, 净化流入污水的中 水道技术。 根据上述分析 ,提高排水管道内生物膜量, 可通 过增加生物膜附着面积填充介质来实现 。介质的比 表面积大, 则富集的微生物种类和数量也增多, 排水 管道的净化能力增强 。同时, 介质上能生长世代时间 较长的微生物 如硝化菌 ,使中水道技术兼具脱氮除 磷的功能。 83 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 1. 2 生态中水道构造 生态中水道就是在中水道系统的污水收集管道 内填充接触介质 ,由其提供巨大的比表面积 ,以生长 附着型的生物膜 图 1 。污水流经介质, 悬浮性有机 物被截留 ,基质 污染物 由于生物膜中微生物的代谢 作用而消耗,污水得以净化。 根据国内外对中水水源水质的调查 [ 7 -8] , 中水道 的排水一般为污染程度较轻的生活污水, 其 BOD5≤ 100 mg L ,有机物含量低于生活污水, 因而污泥产生 量少 。此外,收集管道完全遮蔽 , 避免了污水N 、 P 等 营养物质因日光照射造成的藻类异常增殖 。生态中 水道系统管道维护及污泥清除可参考文献[9] 。 图 1 生态中水道构造示意图 须藤 [ 10] 采用一段100 m的填充介质实验水渠处 理低浓度生活污水时发现, 污水流经渠道的前30 m 时,BOD5的去除率可达 60～ 70。而流过100 m 后,BOD5由进水时的95 mg L降至5 mg L 。渠道前段 的净化效率高于后段 ,渠道内污水存在明显的浓度梯 度。据此分析, 填充介质的排水管道的构造使其中流 动的污水具有显著的推流特征 ,污水在流动方向上不 存在显著的混合现象 ,可按推流式反应器处理 。污水 中有机物降解按一级反应 ,得式 1 c 1 0ciexp -Θ k 1 连续搅拌反应器出水浓度符合式 2 c 2 0 ci 1 Θ k 2 式中 c 1 0 推流反应器出水基质浓度 ; c 2 0 连续搅拌反应器出水基质浓度 ; ci 反应器进水基质浓度 ; Θ 水力停留时间; k 反应速率常数。 当溶解氧充足时 ,在相同的进水浓度和水力停留 时间下 ,可得 c 1 0c 2 0,则生态中水道技术比连续搅拌 型曝气池具有更好的处理效果 。 2 影响生态中水道处理效果的因素 2. 1 水流速度的影响 水力条件将对排水管道中的微生物组成产生影 响。在不同的水力条件下 ,水流对生物膜的冲刷剪切 作用也不同 ,进而使下水道的生物膜组成 、 数量和活 性等发生改变。而 Munson [ 11] 的研究表明 , 渠道水流 的流态 层流或紊流 、边界层厚度、渠道底部的剪切 力等物理因子将随流速的大小而改变。因此 ,水流流 速的变化将对中水道的水力条件产生影响,进而影响 管道的微生物组成, 最终对中水道的净化能力产生 影响 。 流速对生物膜积累的影响较水流的剪切力大 ,较 低的流速可使介质富集较高的生物膜量 ,从而可能获 得较高的处理效率。Lau 等 [ 12] 研究发现渠道流速越 低则生物膜的微生物组成越复杂。未填充介质的光 滑渠道在3. 4 cm s的流速下 , 经过24 h就可产生包含 细菌 、 藻类 、 真菌及原生动物等复杂生物相的生物膜。 吕鸿光等 [ 13] 探讨了不同雷诺准数 、不同流态对有机 物转化 和硝化速 率的影响 , 发现 硝化速率 在流 速 1 cm s时,与流速呈正相关关系 。分析其原因为 流速过大, 会使渠道底部生物膜冲刷扬起 ,进而影响 处理效果。 但是, 过低的流速也可能使水流对生物膜的剪切 作用不足, 造成生物膜过厚 ,影响膜内部微生物的活 性。稻森悠平 [ 14] 考察了不同流速 0. 1 ～ 20 cm s 下 渠道塑料介质上生物膜的附着剥离情况 ,并发现渠道 BOD5的去除率可达 60～ 95。其研究认为, 流速 增加有利于生物膜的增殖更新 ,并会提高污水的复氧 能力 。但当流速超过10 cm s时 , 生物膜附着性变差 而易于脱落 。 近年来随着材料技术的发展 ,出现了间隙率大、 比表面积大且生物膜不易脱落的高效介质,极大地提 高了高流速下, 排水管道的处理效率 。 综上所述, 流速将影响排水管道介质上生物膜的 附着剥离及污水的复氧作用。已有的研究结果表明, 应根据填充介质的特性和处理要求确定最佳流速 ,而 对于高性能填料可增大污水流速。 2. 2 水力停留时间的影响 水力停留时间决定排水管道的处理负荷 ,影响生 态中水道的净化效率 。水力停留时间延长,处理负荷 和污染物的降解速度都将降低, 出水水质可能提高, 但势必增加生态中水道的长度 。渡边 [ 1] 调查 15 条填 84 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 充介质排水渠的运行情况发现 ,通常实际的处理水量 都小于设计水量 ,因此实际水力停留时间较设计值增 大。同时, 当停留时间在 1. 25～ 5 h, BOD5的去除率 大都可达 65～ 80。 须藤 [ 10] 的实验结果结合式 1 , 得去除率 ηi, 见 式 3 。 η i1 -c 1 0 ci 1 -exp -Θ k 3 表明中水道的净化效率与停留时间的负指数呈 线性关系 。即随着停留时间的延长 ,污染物降解速率 将逐渐减小,污染物去除率的变化也将逐渐减小。这 一理论和近来排水道生物膜处理系统 COD 降解实验 的结果 [ 15] 非常吻合。 目前对生态中水道水力停留时间的报道较少 ,所 以确定其停留时间的范围还需作深入研究。但是 ,明 确中水道推流式反应器的构型 ,对于停留时间的研究 和选定都将具有重要意义 。 2. 3 溶解氧的影响 排水管道内污水的溶解氧水平将影响污染物的 降解和污水的脱氮除磷。好氧条件下, 污水中有机物 的转化主要通过颗粒有机物的水解及异养微生物对 氧源和碳源的吸收利用来完成。研究表明 [ 16] , 保持 充足的溶解氧, 可维持管道内足够的生物量 ,从而使 出水水质达到较高水平 BOD5≤25 mg L , 也可缩短 中水道系统的长度。 同时 ,生态中水道接触介质附着的生物膜因呼吸 作用而消耗氧气 ,使其存在一定的缺氧区域 ,可为反 硝化提供条件 , 实现脱氮的目的 。王西俜等 [ 17] 利用 排水管网系统研究厌氧 、好氧、厌氧 -缺氧 -好氧及 缺氧 - 好氧4 种条件下,排水管道的净化效果 。其研 究表明, 采用缺氧 -好氧工艺流程可使 COD、 NH 4- N 等污染物去除率达 60以上 , 出水达国家污水综合 排放二级标准 GB8978 -1996 。 然而,当溶解氧降低至使排水管道呈厌氧状态 时,有机物的水解及厌氧微生物的吸收为有机物的主 要降解途径。但 Hvitved-jacobsen 等 [ 18] 发现有机物在 厌氧下水道的降解速率较好氧显著降低 ,说明生物膜 厌氧条件下的活性较好氧差。此外 ,持续的厌氧状态 会使生物膜上吸附的 PO 3- 4释放 ,恶化出水水质。 已报道的排水管道净化工艺的溶解氧含量均在 2 mg L以上, 并且都能取得显著的去除效果 。 3 生态中水道功能强化技术 3. 1 强化传氧技术 排水管道的设计考虑了充满度问题 ,且管道又与 窨井垂直相通, 因而大量空气会被吸入管道内未充满 的空间,实现污水的自然充氧 。因此, 通常情况下传 氧不会成为污染物降解的限制条件 。但是,有时对于 某些意外排入中水系统的高浓度污水,在管道内生物 膜代谢而大量消耗氧气的情况下,传氧将会成为影响 净化效率的限制因素 ,此时应强化传氧过程。 强化传氧可考虑优化生态中水道的运行方式 ,通 过设定调节池的开放时间, 实现中水道的间歇运行。 中水道待机阶段 ,空气在排水管网内外循环流动, 使 管道迅速复氧。同时 ,好氧微生物利用氧气降解介质 上吸附的有机物, 生物膜活性得以提高。另一方面, 可利用跌水充氧和自然拔风的工程手段 ,强化复氧过 程。通过设置中水道的高程差, 借助重力跌水曝气; 在部分区段构筑拔风管或通风井,强化系统内外空气 的流动,加速传氧,如图 2。 图 2 生态中水道功能强化技术示意图 3. 2 改善脱氮技术 当生态中水道的溶解氧不再成为污水硝化的限 制因素时, 则污水脱氮作用主要受 C N 的影响 [ 19] 。 管道由于其显著的推流型式, 有机物浓度将出现沿程 下降的趋势 。中水道后段有机物浓度低 ,而反硝化菌 却是异养微生物 ,因此反硝化潜力不足 , 脱氮作用不 显著 。 生态 中水 道 污 水 C N 可 通 过动 态 调 配 法 dynamic programming 加以改善。即在全面了解生态 中水道系统各排水路径水质的基础上,通过设置排水 口位置或污水流经路径的先后顺序 ,改善各排水路径 的不利因素 ,实现系统的优化设计, 以达到最佳的处 理效果。例如对于一段生态中水道的脱氮,可在中水 道排水管网后段某点接入一高 COD、低 DO 的排水, 这样碳源与反硝化菌的矛盾得以解决, 反硝化得以 实现 。 85 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 4 结语 生态中水道技术在污水传输过程中实现有机物 降解和脱氮除磷 , 使污水收集与净化得以同时完成, 大幅降低了中水道技术的成本 ,是一种具有较好应用 前景的污水处理 回用技术 。然而, 生态中水道技 术要真正用于实际工程还需对生态中水道最佳运行 工况、数学模型以及动态调配系统等进行研究 ,以更 好地指导生态中水道的设计和应用 。 参考文献 [ 1] 渡边吉男.河川水路直接の化技术. 用水と水, 1998,40 10 58 -63 [ 2] RaunkjaerK , Hvitved T , NielsenP H. Transfor mation of organic matter in a gravity sewer. Wat. Envir. 2汽化烟罩; 3余热锅炉; 4一文; 5灰泥捕集器; 6RD 可调文喉口; 790 弯头脱水器; 8双级水雾分离器。 图 3 1～ 3转炉一次除尘系统改造后工艺流程 3 结束语 为解决 1 ～ 3 转炉一次除尘系统存在的问题, 炼钢厂从 2005 年开始实施该除尘系统改进方案, 现 1 ～ 3 转炉除尘系统的改造工作已全面完成 。通过 对改进后除尘系统的实际运行状况检测 ,系统的处理 能力满足现有生产条件下的烟气处理量要求 ; 外排烟 气粉尘浓度 150 mg m 3 , 符合国家排放限值要求。 参考文献 [ 1] 冶金工业部建设协调司. 钢铁企业采暖通风设计手册. 北京 冶 金工业出版社, 1996 作者通信处 黄卫国 617062 四川省攀枝花市弄弄坪 攀枝花钢 铁集团公司提钒炼钢厂 E -mail zhouhuangman163. com 2008- 03-18 收稿 86 环 境 工 程 2008年 8 月第26 卷第4 期 TECHNOLOGY OF ECO -INTERMEDIATE WATER SUPPLY Wang Tiefeng Li Wei Jin Qiu et al 83 Abstract Eco -intermediate water supply is able to purify inflow wastewater by using its pipeline hydro -characteristic, internal ecosystem and bioaugmentation technology. Because of its plug flow model, it has effective purification ability . Meanwhile, the disposal efficiency is influenced by flow velocity, hydraulic retention time and dissolved oxygen. However, water -dropping aerating, ventilation piping and dynamic programming may contribute to strengthening the purification ability. Keywords eco-intermediate water supply plug flow reactor self-purification biofilm wastewater recycling NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENT FLOW FIELD ON THE HORIZONTAL SEDIMEN - TATION TANKYang Lingxia Guo Peipei Fan Ruqin 87 Abstract It is simulated and calculated the turbulent flow field of the horizontal sedimentation tank on the different boundary conditions, and then analysed and compared the effect of the extent of boundary condition s simplicity on the horizontal sedimentation tank. The results have revealed that the simplicity of the inlet conditions and the ignore of the mudhopper have obviously influence on the result of the flow pattern on the simulation results of the horizontal sedimentation tank. The calculation shows that adopting the actual boundary condition not the simplified bound - ary conditions as far as possible can realize in the practical calculations. In the end, it is simulated and calculated the laminar flow field of the horizontal sedimentation tank on the actual boundary conditions, which is then compared with that of the turbulent flow field. The result shows that the simulation of the flow pattern of the turbulent flow isbetter than the laminar flow, andthe er ismore compliable with that of a real horizon - tal sedimentation tank. Keywords horizontal -sedimentation -tank numerical -simulation laminar -flow turbulent-flow flow state comparison STUDY ON INFILTRATION OF LEACHATE CONCENTRATE FROM RO INTO LANDFILL Liu Yanping Li Xiujin Wang Baozhen et al 89 Abstract The concentrate is produced during reverse -osmosis treating landfill leachate. Whose pollutant concentration is much higher than leachate. The study was carried outwith infiltrating concentrate into landfill. The resultsindicated the infiltration had positive impaction on pollutant removal. Under anaerobic infiltrating condition, COD removal was up to 81. 56, with 82. 5 of BOD5removal, 60～ 70 of NH3-N removal. The optimum hydraulic loading of concentrate infiltration was 32. 38mL Ld, with 85 of COD removal under COD content less than 75 000 mg L. COD removal was the highest when concentrate infiltrated pH value was 9, while NH3-N removalwas the highest under pH11. Keywords infiltration leachate concentrate landfill site THE HUMUS REMOVAL EFFICIENCY OF THE CORAL ISLAND GROUNDWATER BY ELECTR - OCOAGULATIONZhang Jincheng Fan Qixiong 94 Abstract In order to remove the organic matters such as humus etc in freshwater lens commonly called asislandwater by which the col - ority of the water is reduced, a self-designed electrocoagulation device was used to do orthogonal experiments. The sequences of factorswhich affect the organic matter removal rate and the optimal parameterswere determined. The results show that the sequences of factorswhich affect the removal rate are hydraulic retention time T, electric current density J , the space between electrode plate d. The optimal parameters of the said factors are d5 mm, J 20 A m2and T90 s. Keywords coral island freshwater lens electrocoagulation optimal condition CAUSE ANALYSIS OF WATER CRISIS IN CHINA AND SUGGESTIONS ONCOUNTERMEASU - RESLiu Jiping 97 Abstract It was summarized 3major phenomena ofwater crisis in China the serious water resource shortage, heavy water environment pol - lutions and considerable waste ofwater resource andfurther analyzed that 1the deviation of water resource price andits value, 2water resource s the quasi -public goods attribute and unclear property ownership, 3the negative outside character of water resource utility are the main reasons that caused the water crisis in China. The suggestions on countermeasures for solving this problem of water crisis are also presented. Keywords water crisis reason analysis policy suggestions Manager China Iron and Steel Association SponsorCentral Research Institute of Building and Construction of MCC Group PublisherIndustrial Construction Magazine Agency EditorThe Editorial Department of Environmental Engineering 33, Xitucheng Road, Haidian District, Beijing 100088, China Telephone 01082227638 82227678 Chief Editor Bai Yun Vice Chief Editor Shen Guiqiu Domestic All Local Posts Distributor China International Book Trading Corporation P . O . Box 399, Beijing China China Standard Serial Numbering ISSN1000- 8942 CN 11-2097 X E-mail hjgcpublic. yj. cn. net hjgctg 163. com http www. hjgc. com. cn http www. hjgc. net. cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 26, No. 4,August, 2008