净水技术|微污染原水原位净化技术应用研究进展

小编导读本文介绍了微污染原水原位净化技术的分类、对污染物的去除效果和应用情况，阐述了多种原位净化集成技术的应用形式，并分析了使用原位净化集成技术对水质改善和保障的良好效果，指出该技术已成为目前微污染原水原位处理技术的研究热点。探讨原位净化技术在应用过程中给水源地运行管理带来的主要问题，并提出相应的对策建议。近年来，随着我国经济迅速发展和城市化进程的快速推进，水生态环境面临着严峻的污染问题。根据环境保护部2015年6月4日公布的《2014中国环境状况公报》报道，我国七大水系水质总体呈现轻度污染情况，全国423条主要河流、62座重点湖泊（水库）的968个国控地表水监测断面（点位）水质监测结果显示，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、劣Ⅴ类水质断面分别占3.4%、30.4%、29.3%、20.9%、6.8%、9.2%，不少地区饮用水水源水质日益恶化，水质净化面临新的问题。我国微污染原水水质特点主要表现在：CODMn、BOD5、TOC等有机物综合指标值升高；NH3-N浓度升高；出现季节性高密度藻类，部分藻类能分泌诸如2-甲基异莰醇等挥发性异嗅味的次生代谢产物，原水异嗅味明显加重。原水的这些污染不仅极大程度影响了用户饮用水口感，给人类健康带来了较大的危害，而且对传统净水工艺和水质安全造成较大的影响。目前，尚有一些净水水厂由于用地限制等问题还未实现深度处理，现有工艺对高浓度嗅味物质的去除作用有限。因此，水质原位净化技术呼之欲出。它既能改善和维持原水水质，降低后续净水水厂的处理负荷，又能解决城市水源地周围用地紧张以及缓解水厂改造费用等问题。该技术作为一种合理的微污染原水净化与保障措施逐渐受到人们的青睐。当前，国内外很多水源地利用原位净化技术对水体实施改善和保障，均表现出显著的净化效果。本文旨在对原位净化技术的研究和应用情况进行归纳总结，以期为微污染原水的水质净化与维持提供有益参考与借鉴。1微污染原水原位净化技术原水原位净化技术就是在微污染水源地诸如具有水源功能的水库、湖泊、河流等地就地采取措施处理水体污染物，以达到净化水质的目的。该技术不需要将微污染原水进行转移处理，具有省时、高效、对环境影响小的优点。纵观原水原位净化技术操作单元，主要包括太阳能水生态修复技术、水生植物净化技术、非经典生物操纵技术以及生物接触氧化技术等。前三种技术因为在水质净化和维持过程中同时融合了生态学原理，通过水生态系统的生态效益的可持续发挥从根本上改善水质和提高水体净化能力，所以逐渐成为水体原位生态净化的主要应用趋势。1.1太阳能水生态修复技术太阳能水生态修复技术以太阳能为动力、以高效的水循环为机理对水体进行混合、复氧、控藻和生化降解，通过改善或重建水体生态环境，实现对水体水质的改善和藻类水华的控制与治理；该技术解决了传统人工增氧技术的动力供给限制和经济成本等问题，其作为一种新型的水生态修复技术给水源地水质改善和治理提供了新的技术和思路。太阳能水生态修复技术对水体CODMn、TP、NH3-N以及藻类都有较高的去除率。该系统主要依靠太阳能水循环曝气装置实现水体净化的目的，由太阳能驱动系统、水流系统以及固定系统组成。系统全天运转的电能全部依靠太阳能转换，白天过剩的电能由蓄电池储存用于设备夜间运行。其工作原理是将太阳能电机系统和具有最小升力条件的泵系统相结合，产生纵向的高速流来搅动整个水体，同时在水体表面维持近似层流的条件，并使表层水流扩散至远处，进而使水体表面富氧而深层严重缺氧的情况得到显著改善，大大提高水体的含氧量，加快水体生化降解过程；另一方面水力搅动形成温度差和光照差，进而抑制藻类生长，水质指标和生态环境得到综合改善。太阳能水生态修复技术在微污染水源地作为水质保障关键技术在国内东莞、徐州、北京等地得到工程应用。东莞松木山水库大朗水厂的取水口建成了250亩的太阳能水生态修复系统示范区，示范区内安装了5套“艾溥”太阳能水生态修复系统。该系统运行2个月后，检测发现：通过上下层水体的交换整个水体DO含量显著提高，分布亦趋于均匀化；NH3-N、TP和叶绿素的去除率分别达到20.2%、28.8%和25.6%；同时，处理区内藻类总丰度比处理区外平均降低了12.2%，藻类群落结构组成趋于优化，蓝藻的相对丰度减少了15.1%，水质状况得到整体明显改善。实际应用表明该技术对CODMn超标水体的改善效果显著。徐州小沿河取水口水质由于上游污染导致水质恶化，CODMn超标率达到100%。为缓解水质状况保证小沿河取水口水质，关小侠等在取水口上游安装了10万t/d的太阳能水生态修复系统，系统运行半个月后，水体底部溶解氧提升，小沿河取水口即系统治理区下游CODMn明显低于系统治理区上游区域。与设备安装前相比，小沿河取水口CODMn下降了约27%，水质逐渐接近地表水Ⅱ类水标准。1.2水生植物净化技术水生植物具有水体产氧、氮循环、吸附沉积物、抑制浮游藻类繁殖、减轻水体富营养化、提高水体自净能力的重要功能，同时还能为水生动物、微生物提供栖息地和食物源，维持水岸带物种多样性。目前有关水生植物对污水的水质改善作用研究颇多，近年来在微污染原水水质改善、富营养水体的原位生态恢复等方面也逐渐成为应用研究的热点。利用水生植物对微污染原水进行生态恢复与水质改善的方式主要有：生态护坡、原位生态浮床、人工湿地、水下森林以及滨岸缓冲带等。这些措施对水体水质都有良好的净化效果，同时通过一定设计搭配，组成整体生态净化系统，能使水中污染物含量降低并得以稳定处于低浓度状态。水体生态恢复常用的水生植物详见表1。水生植物对水体中的P元素和N元素有良好的净化效果，是污染物治理广泛运用的措施。太湖雅浦港河口TN常年处于劣Ⅴ类，杨旅等采用原位水生植物净水方案对该河段进行处理（见图1）。结果显示，运行5个月后，系统对CODMn、TP和TN都有较好的处理效果，其中CODMn的平均处理效率为44%，TP为72%，TN为49%，系统虽然在8月和9月初蓝藻暴发时期的高污染负荷下处理效果变差，但是通过自身净化，处理效果经过一个月后能基本恢复。表1 水体生态恢复常用的水生植物序号种类常见水生植物1挺水植物芦苇、茭白、香蒲、水葱、水烛、水花生、菖蒲、慈菇、荷花、伞草、美人蕉、菩提子、石菖蒲、灯心草、马蹄莲、花叶芦竹等2浮水植物菱、水鳖、睡莲、浮萍、凤眼莲、满江红、萍蓬草等3沉水植物苦草、轮藻、茨藻、菹草、狐尾藻、川蔓藻、金鱼藻、马来眼子菜、篦齿眼子菜等4具有化感作用的水生植物香蒲、芦苇、苦草、丽藻、轮藻、黑藻、石菖蒲、水菖蒲、马蹄莲、萍蓬草、灯心草、金鱼藻、凤眼莲、川蔓藻等

嘉兴市石臼漾水源地是我国微污染原水通过生态湿地净化后水质得到明显改善的成功范例，该工程处理工艺如图2，其中根孔生态净化区是核心功能区，由纵横交错的植物床/沟壑组成，具备良好的水质净化和藻类捕获功能。对该湿地近3年的水质改善效果研究表明，经过主体功能区即根孔生态净化区和深度净化区相辅相成的净化作用，饮用水源水的DO、TP、NH3-N、粪大肠菌群等主要指标提高了一个等级，对浊度、Fe、Mn和TN也有一定去除效果。水生植物存在夏秋旺盛、冬春休眠的季节更替特性，因此湿地水质通常夏秋暖季的净化效果较好，而冬春冷季的效果较差。为保障冬春冷季的水质达标，可能需要与其他净化措施联合使用。

近年来，水生植物对藻类的化感抑制作用作为一种新型安全的抑藻技术备受国内外的关注。具有抑藻效应的水生植物一方面能竞争性的吸收水体中的营养物质，为水中营养物质提供输出的渠道；另一方面，它们能够分泌抑制藻类生长的化感物质，起到修复和净化富营养化水体的作用，是未来生态控藻技术的发展新方向。1.3非经典生物操纵技术水源地大面积藻类水华会破坏水生生态系统的平衡与稳定，严重影响水源地的水质安全。在水源地采用生物操纵技术引入各种类型的鱼类及底栖生物，有利于水体水生态系统的构建、水质深度净化以及防控藻类水华的发生。以投放鲢、鳙等滤食性鱼类达到控制藻类生长为目的的非经典生物操纵技术对环境的危害小，是一种在国内外湖库被广泛实践的富营养化水体生态修复技术。非经典生物操纵通过调节滤食性鱼类（如鲢鱼和鳙鱼）的数量直接控制藻类，在有效控制和缓解水体富营养化进程的同时对水体的恢复起到积极的促进作用，这一点在相关报道中得到了验证。王丽卿等在淀山湖的围隔试验中发现，鲢、鳙放养密度为80 g/m3和120 g/m3时，对Chl-a的去除具有显著效果。王绍祥等根据上海陈行水库的水质特点提出了放养滤食性鱼量控制在3 g/m3的方案，并配合水库水位和水量的调控措施。在陈行水库实行生产性应用后，陈行水库出库水Chl-a浓度始终＜10 μg/L，绝大部分时段＜3μg/L，保证了供水水质安全。鲢鱼、鳙鱼对于水体藻类水华的预防和抑制作用证据较为明确，但是研究者也发现单纯投放滤食性鱼类对于一定时期内水体营养盐变化的影响存在较大的不确定性，也不能削减氮磷以治理富营养化，更不能形成稳定良性的生态系统。刘恩生指出，在局部水体治理湖库富营养化时应把鱼类控藻与水生植被恢复和局部水域生态系统重建相结合，形成具有控制藻类、吸收氮磷和净化水质功能的“水质生物调控单元”，这一需求也促进了水生态净化集成技术在原水原位生态净化领域的发展应用。1.4生物接触氧化技术生物接触氧化技术对含NH3-N和有机物的微污染原水的处理效果较好，具有容积负荷高，处理时间短，出水水质好且稳定，动力消耗相对较低等优点。该工艺采用具有较大比表面积和容积利用率的生物填料，对处理水体中的微生物进行富集及增殖，利用不同物种微生物发挥的含碳有机物分解、硝化-反硝化作用，将原来水-空气界面附近发生的反应扩大至水体纵向各层，去除水中的氮、磷、有机物等营养物质，达到净化水质的目的。生物接触氧化工艺作为微污染原水的预处理工艺常常被用作水厂常规处理流程上的保障措施，NH3-N去除率达到53.99%~ 76.1%。目前，国内外也开始尝试在微污染水源地的水质原位净化过程中采用此工艺。生物接触氧化工艺在大型微污染水源地的应用案例显示（流程如图3所示），该技术对NH3-N的去除率＞80%，优于水厂预处理的使用效果。喻文熙等报道了生物接触氧化工艺处理规模为400万m3/d的某大型水源的应用情况。工程采用YDT立体弹性填料，设计水力停留时间55.4 min、气水比1.0。工程启动后，NH3-N的总去除率分别为81.7% ~ 84.3%，生物处理池的单位填料的NH3-N年均去除负荷为0.069 ~ 0.089 kg/(m3·d)。该工艺一般放置在水源地的前置库或引水河，所以生物接触氧化工艺出水经水库停留后会进一步提高水中NH3-N的去除率。可见，生物接触氧化工艺在大型水源地应用是可行的。

2原水原位净化集成技术的应用不同的原位净化技术对水质的改善效果存在差异，如表2所示。实际应用中更多的是将两种或者两种以上的水质提升改善技术进行集成，充分发挥各自的技术优势，实现污染物去除率的最大化。应用比较广泛的集成技术包括生物操纵技术与水生植物、人工增氧与水生植物、人工增氧与生物接触氧化以及人工湿地、生态浮床与生物接触氧化等等多种组合方式。组合技术对水体中N、P等污染物的去除率高于单一的原位净化技术。表2  原位净化技术在水源地的应用水库措施效果于桥水库流态改善工程-水生植物前置库区各断面的流场分布均匀，营养盐被水生植物吸收，进入主库的营养盐含量降低盐龙湖水源地跌水、微泡增氧、沉淀池，人工湿地（挺水植物）-沉水植物氧化塘，生物操纵（滤食性鱼类-肉食性鱼类-底栖动物），水动力改善技术溶解氧得到提高，泥沙和颗粒态污染物随之沉淀；水体污染物及氮磷等得到生物同化、吸收和转化，深度净化区的水体富营养化水平始终维持在较低水平大房郢水库滤食性鱼类、螺、蚌-水生植物水质基本稳定在中-富营养型水平，未出现蓝藻水华东风西沙水库挺水植物（芦苇）芦苇收割每年可从湿地移除总氮42.33 t，总磷17.71 t，水质得到明显改善太湖梅梁湾牵龙口水厂水源地水生植物-消浪工程-滤食性鱼类控藻-贝类控藻氨氮、总磷、总氮、叶绿素a、高锰酸盐指数等水质参数改善的程度达30%～60%金泽水库曝气充氧-生物处理-人工介质-生态布置-生态护坡-流态改善提升库内原水水质生物操纵技术往往与水生植物净化技术联合应用以控制水体富营养化，因为根据氮磷物质循环原理，两种技术联合使用能提高N、P去除率。大房郢水库于2005 ~ 2006年采用了生物操纵技术和人工湿地技术相结合的措施，对改善大房郢水库水质发挥了重要作用。在蓄水初期的大房郢水库采用投放滤食性鱼类鱼种、移殖螺和蚌、浅水区移植沉水植物、上游湿地扩大香蒲生长面积、消落区以上范围栽培杨树林和防护带等生物操纵与人工湿地技术相结合的方法改善水质。结果表明：自2005年以来，该水库未再出现过蓝藻水华，水体富营养化得到了有效控制，水质已基本稳定在中-富营养型水平。盐龙湖水源净化工程是国内典型的生态水源地，集成应用外源污染控制技术、水生生态系统构建技术、水动力条件改善技术等多种水体富营养化防治关键技术，具体措施为跌水及微泡增氧-沉淀池促沉-人工湿地-沉水植物氧化塘-生物操纵-水动力措施-循环增氧。运行通水以来，整个工程处理后水体水质有很大程度改善，深度净化区的水体富营养化水平始终维持在中-轻度水平，CODMn、TN、TP平均去除率分别为26.8%、54%、72.2%。原位净化集成技术由于对微污染原水具有明显的净化水质、控制富营养化以及保持生态平衡的优势，越来越受到广泛的推广应用。2014年12月开工建设、计划于2016年底完工并具备通水条件的上海黄浦江上游原水系统工程的金泽水库就是一座小型生态调蓄水库，其采用了生态净化集成工艺来改善和提升进库水水质。工艺流程为原水-强化预处理-生态强化净化-生态蓄水库-输水，在引水河和库内设置了曝气充氧、生物处理、人工介质等水质改善措施，并结合导流潜堤生态布置、生态型护坡、流态改善等措施修复提高金泽水库的原水水质。3原位净化技术在原水运行管理中的保障措施3.1加强水源地水质监测预警水质监测预警是饮用水水源地安全运行的核心保障，对于水源地的原位净化措施效果评估更不例外。水质监测是何时收割水生植物、何时启动曝气和人工介质工艺、何时实施生物操纵等技术的重要数据支撑。因此，建立健全的水质监测预警网络系统以实现水质情况实时监测对生态水源地的水质安全和运行管理至关重要。立体水质监测预警网络系统一般包括实验室检测、在线监测和移动监测，监测指标涵盖常规指标、有机物指标、藻类相关指标等等。通过全方位、连续的水质情况监测与分析，确定水质污染物情况、水质变化趋向等，为水源地原位净化技术的实施提供数据支持和决策依据，为实现原水的安全供应提供全面保障措施。3.2生态净化植物管理及资源化利用生态净化植物的恢复及维护尤为重要，关系着水质净化效果的发挥。水生植物在恢复过程中易受大风浪和急水流的影响，需要采取物理性工程技术手段构建消浪、挡浪、浮床、基地构筑缓坡等措施来改善植物生长生境条件，以便水生植物得以迅速恢复达到净化水质的目的。邓泓等结合消浪、人工浮床、填土围堰等工程技术措施，有效解决了淀山湖恶劣环境对水生植物恢复带来的不利影响。生态净化植物在发挥对微污染原水中TN、TP、NH3-N、浊度、CODMn等的拦截、去除功能的同时，也会带来一些问题。比如，有些水生植物夏季长势旺盛，面积拓展很快，生物量过大可能会对水体功能产生不利的影响；有些水生植物冬季枯萎，如果收割不及时会导致腐烂影响水质。因此，水源地要配备专业的自动收割、打捞器具，对水生植物进行适当收割打捞，以降低其腐烂后对水源地水质造成的二次污染。合理处置收割的水生植物并实现其资源化利用非常重要。水生植物资源丰富，在食品、药品、工业原料、工艺品素材等方面都有应用。研究人员已经开始资源化利用这些水生植物，比如利用水生植物体内丰富的氮磷钾等矿物质，制成优质的作物有机肥料；或者利用富含的蛋白质、氨基酸，制成饲料；利用水生植物进行厌氧发酵制取清洁能源也是一种环保、经济、可行的途径，具有巨大的开发潜力和意义。3.3非经典生物操纵技术控制措施滤食性鱼类控藻的效果受很多因素影响，不同的放养模式、放养密度、放养时浮游植物的群落结构对实践结果造成较大差异，其中鲢、鳙鱼的放养密度是影响富营养化控制效果的关键因子，实践表明只有根据水域特点采用不同的鲢、鳙放养措施才能取得稳定的操纵效果。刘宗斌等研究发现，在浅水水域宜放养鲢为主，密度宜为50 g/m3，鲢鱼、鳙鱼比例为70:30左右，并及时捕捞移除通过鱼类带走的营养盐从而有效控制富营养化；在深水水域应增加鳙的放养密度已达到较好的控制效果。当然，对于不同水体在光照、水温、营养盐水平以及藻类种类组成和生理状况等方面的差异，有效控制藻类水华的鲢、鳙生物量的阈值理应因水而异。王嵩等报道，在于桥水库实际应用中只投放了密度为10 g/m3的鲢鱼、鳙鱼即可遏制蓝藻水华发生。因此在实际应用过程中，针对不同水域的水质、水文、生物量等特点，宜合理投放鲢、鳙以治理微污染原水。3.4生物接触氧化净化效果的保障措施生物接触氧化的工艺构成一般有处理设施、人工介质、曝气系统及布水装置等，其净化效果与填料类型、布置方式和运转方式密切相关。人工介质选择时要考虑微生物挂膜速度、稳定性、比表面积、维护安装、性价比及净化效果等。在水源地常常选择生态砾石床和生物绳填料的结合，以实现人工介质填料系统的效果稳定和维护方便。填料的布置要有比较好的技术可行性，需要根据水源地的供水水量、水质以及停留时间等特点选择高效填料及介质布置方式，实现生物填料表面生物膜的稳定生长，达到水质稳定改善效果。生物接触氧化工艺运行中往往伴随一些问题导致预处理工程难以正常运行，其一是填料上附着植物繁殖，其二是接触氧化区积泥和填料积泥。对于春夏秋季填料上易附着的植物繁殖，需要每年实施停水处理，实施人工清除填料上滋长的水生植物，再用高压水枪对填料进行高强度清洗。针对积泥问题，需要加大接触氧化区底部流速消除积泥，而填料上的积泥则需要采用气水相结合的充气方式，还可用水枪进行冲洗。4结语原位净化技术对微污染原水的处理具有明显改善作用，对CODMn、TP、TN、NH3-N以及藻类的处理取得了较好的效果，减轻了后续水厂净水处理工艺的负荷，充分体现了该技术占地面积小、处理量大、处理效果好的优点，因此该技术在微污染原水的净化与保障中逐渐得到广泛应用。多种原位净化技术单元的集成应用在微污染水源地也日益涌现，水质净化效果更优于单一技术单元的净化作用，并呈现出广阔的前景。在今后的研究工作中，针对微污染原水的不同水质特征，需要深入开展针对性的原水原位净化集成技术，研究如何应用最优的原位净化技术单元达到较好的水质改善效果，同时应减少多种技术的集成应用给水源地运行管理带来的工作量和困难。净水技术WPT《净水技术》杂志是面向广大市政给排水、工业水处理、建筑给排水和水环境治理等行业，以宏观综述、理论研究、应用经验、工程案例和工程信息为主要报道内容的核心期刊。【杂志订阅】1、邮局订购：通过全国范围任一邮局，凭邮发代码（4-652）直接订阅，每份单价144元/年（12期）。2、电话或邮件订购：可拨打（021）66250061确认订阅信息，或将收件人姓名、收件地址、邮编、联系电话、发票信息等内容发送邮件至[e-mail]。【广告咨询】市场部联系人：阮辰旼 13585990831        孙丽华021-66250061-803