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基于德国经验,全面分析黑臭水体的产生原因和治理方法

新闻来源:山东智信环保   发布时间:2016-05-05 10:30  点击:
1 黑臭水体的定义和等级划分
所谓“黑臭”,是指在视觉上河流水体因污染而产生的明显异常颜色(通常是黑色或泛黑色),同时产生在嗅觉上引起人们感觉不适甚至厌恶的气味,是水体感官
 
性污染最常见的一种现象。
目前,由住建部负责编制的《城市黑臭水体整治工作指南》(以下简称《指南》),已经对城市黑臭水体给出了明确定义: 城市黑臭水体是指城市建成区内,呈现
 
令人不悦的颜色和(或)散发令人不适气味的水体的统称。
《指南》对黑臭水体等级进行了以下明确划分:
轻度黑臭
透明度低于25cm、溶解氧低于2mg/L、氧化还原电位-200~50mV,氨氮指标不高于8mg/L。
重度黑臭
透明度低于10cm、溶解氧低于0.2mg/L、氧化还原电位低于-200mV、氨氮指标高于15mg/L。
划分等级的目的是为城市黑臭水体整治优先顺序以及年度计划制订提供参考,同时也为整治效果评估提供重要依据。
 
2 黑臭水体形成的原因 
在不同区域和环境内,产生水体黑臭的最初原因各不一样。但水体一旦黑臭,可以肯定是由以下原因所造成: 在水体底部已经累积了一层黑色腐败淤泥。
这些淤泥主要是由各种有机物质下沉,与其他各种无机物质一起形成混合污泥。主要物质是岸边掉入水体的树叶和腐败死亡的水藻, 各种污水和混合污水流入并携
 
带泥沙和粪浆物质进入水体等。这些淤泥的产量和组成成分与周围水体环境有很大关系。
通常情况下,河流湖泊底部总会有一些有机淤泥,这是不能避免的。但淤泥累积到一定厚度,就很快会产生以下黑色水体:
-      在静止或流速缓慢的河体内,在营养物质浓度很高情况下会在底部形成消化污泥层
-      在厌氧情况下,有机物质通过生物化学转化过程,会产生 NH3, H2S,硫醇和硫醚等挥发性臭味物质
水体中的铁、锰等重金属离子在厌氧状态下被还原,与水中的硫离子结合形成硫化铁、硫化锰等黑色沉淀物质。在金属硫化物的作用下,与水体底部的泥土颗粒和
 
悬浮物质混合在一起,形成灰色或黑色淤泥。
因此,河床底部有机污泥的沉积和厌氧发酵是水体黑臭的直接原因,其总体生化反应过程如下:
2C13H25O7N3S (有机物)+ 12H2O ⇒ 13CO2 +13CH4 + 6NH3 ↑+ 2H2S↑
 
2.1 黑臭水体内产生H2S的生化机理
黑臭水体内的H2S产量或者臭味程度直接和以下污泥性质有关:
-  淤泥层厚度
-  淤泥层内的有机物质含量
-  淤泥层内有机物质中的高蛋白含量
夏季,在黑臭水体0.5m 深度处,通常溶解氧浓度小于0.5 mg/L。随着深度变大,溶解氧浓度几乎为零。在这种厌氧状态下,河床底部便开始发酵过程,其中H2S
 
气体主要是通过降解含有蛋白质的有机物质, 准确地说是含硫氨基酸(半胱氨酸和甲硫氨酸)。而在城市黑臭水体内,根据周围环境不同,随污水或雨污混合污水排
 
入水体的,还会有以下固体物质:
1. 尿酸和粪便物质中的有机含硫物质
2. 食品垃圾、肉类餐厨垃圾、屠宰场、洗涤剂、化妆品中的蛋白物质
这些含硫有机物质是形成硫化氢的基础物质。此时主要是由脱硫细菌来完成这一生物脱硫过程。脱硫细菌生命力十分顽强,当水体内缺氧和温度升高时,反而容易
 
生长繁殖。特别是在夏季和暖和区域,如果氧气被快速消耗,脱硫细菌就会产生有毒的腐蚀性硫化氢气体。图2 显示了水体内含硫有机化合物分步形成硫化氢气体
 
的具体化学过程。
脱硫细菌的特点描述如下:
在水体内到处存在     
耐盐 
生存区域: pH 5~9.5; 5~75°C 
当氧气含量很低时不会死亡, 只是失活 
代谢产物H2S 浓度最大可达2000mg/L
有利的氧化还原电势: -150~-200mV (H2S-产生时会降低至-250mV) 
H2S 气体含有典型的臭鸡蛋味道,但如果有时和其他臭气物质相结合时,典型的H2S味道消失,会使得污水衍生出其他类型的恶臭。
 
2.2 黑臭水体中H2S 浓度对人体的影响
硫化氢是一种十分有毒的气体,即使将硫化氢浓度稀释100 000 倍, 也就是说100L空气中含有1 ppmH2S时,人们还是能够嗅出。但在浓度很高的情况下,硫化氢
 
具有麻醉人体嗅觉受体的性质,人类鼻子反而不能嗅出,此时会对人造成致死危害。麻醉人体嗅觉的浓度阈值大约是在250~300 ppm H2S浓度范围。
在通常情况下,黑臭水体所产生的臭味浓度是0.01~2 ppm 。即使在浓度很低的情况下,如果嗅觉长期接触H2S,也会导致人体乏困, 没有胃口, 头痛, 易怒,记
 
忆力衰退和注意力不集中。
2.3 其他因素对黑臭水体的影响
一年四季的环境条件变化会导致温度、太阳日照强度和水体的循环混合/滞流状态改变。此时,以下非生物因素会对河流湖泊水生动植物有影响:
§ 溶解氧含量。 溶解氧在水中的含量和温度有关。随着水温上升,溶解氧在水中的含量也相应下降。
§ 温度。水体内的温度分层会导致液体上下环流。
§ 各种盐类物质浓度。 例如,氮磷含量。
随着水中温度上升和溶解性物质浓度上升(例如,有机物质和污水), 水中氧气的溶解性能就会下降。
在水体内吸附的氧气,即溶解性氧气(DO- dissolved oxygen)对水体内生物耗氧代谢过程十分重要。这部分氧气可被水生生物直接利用。因为生物有机物质的降
 
解代谢,在污染水体内经常会出现 "缺氧"状态。
温度对水体的影响主要也是通过水体内的溶解氧含量来实现:一年四季河流湖泊水体内的温度和营养物质不是均匀分布。在不同的季节时间内,水体内形成不同的
 
温度层。尤其是对于一些较深的湖泊生态系统来说,这一温度分层具有十分重要意义, 这是因为在不同温度下水的密度不一样,会导致水体循环流动,温度,营养
 
物质浓度和溶解氧重新分布(见表2)。 
 
只有在春秋季节,水体内因为温差原因会产生环流混合,导致溶解氧和营养物质均匀分布。在夏季,太阳可强烈加热水体表面。表水层加热后会扩展体积, 也就是
 
说密度变小。但在底部静水层的温度一般是4℃, 水体密度最大。整个水体处于滞流状态,表水层的溶解氧不会循环混合到达底部区域。
夏季,因为水体内含有很多营养物质可以加速水生植物生长,产生较多的氧气。但另一方面,以下原因可能导致污染水体处于缺氧或厌氧状态:
§ 水温较高,溶解氧饱和浓度相应降低
§ 营养物质过剩, 会导致植物密度过大,光线无法透射水面底下较深部位,导致植物死亡,并在底部区域进行生物降解。这一分解过程需要消耗很多氧气 (好氧
 
分解)
以上物理生化过程为水体底部区域的厌氧细菌生长和有机物厌氧发酵提供了良好条件。 因此,黑臭事件最容易产生在夏季夜晚。 
 
3 黑臭水体的控制方法
如果需要完全修复河流的生态环境,治理黑臭水体的主要处理方案是采用以下措施来实现:
-  外源阻断。 完善污水截留收集系统, 建造雨水或混合污水调蓄池。
-  内源控制。 清淤疏浚。
-  水质净化。 曝气充氧,提高水体溶解氧浓度和氧化还原电位,缓解水体黑臭状况。 
控源截污是城市根治黑臭水体的前提条件。如果只是靠一次淤泥清理来完全恢复健康河流的生态环境是不可能的。黑臭水体在清淤之后,始终会有以下污染物质过
 
量进入河流:
-  市政污水和各种工业废水直接排入
-  在降雨事件时,雨污混合污水携带泥沙和粪浆物质进入 
但是必须指出,因为目前我国市政污水处理厂的设计规范是按旱季流量放大1.3倍的规模进行实施建造,在发生降雨事件时,总是有相当一部分混合污水不能进入市
 
政污水处理厂处理,而是溢流进入受纳水体。 
实际情况是在中国许多城市,因为土地和资金有限,很难进行下水道管网的改造和建造大量雨水调蓄装置,一般也只能通过以下方式来阻止水体黑臭现象的产生:
-  截留收集高浓度废水,防止高浓度有机废水(尤其是来自食品街、屠宰场和食品工业的高浓度有机废水)直接进入河流
-  对当地的黑臭水体进行调查,确定在水体内产生黑臭现象时的最小淤泥层厚度
-  对河道底部淤泥进行定期清淤处理
-  对抽吸排出的淤泥按当地法规进行相应的处理处置
通过定期清淤处理,可以有效控制水体内有机淤泥的厚度,扩大水深并快速有效降低有害物质的浓度,同时抑制产生H2S,消除黑色水体,为河流湖泊内动植物提供
 
较好的生活条件。
 
4 黑臭淤泥的成分分析和清淤总量统计
为了确定清淤工程和后续污泥处理处置的费用,必须事先对黑臭水体内的沉积淤泥进行抽吸总量估算和淤泥成分分析:
§ 通过取样确定河流水深和泥层厚度,计算确定需要抽吸排出的污泥总量和所需要的总体工程预算费用。
§ 取样和分析污泥成分,了解沉积淤泥固含量,淤泥内有机物质含量和泥沙含量(泥沙内各种颗粒度分布曲线)。通过这些参数,可以大致估算污泥浓缩和/或脱水
 
处理后可以获得的污泥含固量,从而估算污泥运输和污泥脱水所需要的工程预算费用。
§ 取样和分析污泥成分,了解沉积淤泥内石块木条、大型塑料和金属部件等的含量。根据这些物质的含量和状态,确定清淤工作的具体措施和方法。
§ 取样和分析污泥成分,了解沉积淤泥内各种重金属含量和有害有机物含量,从而确定污泥的处置途径,特别是在污泥进行农用或土地利用时必须了解这些参数。
 
以德国柏林市内某湖泊为例,来说明清淤之前的准备工作。
现状分析
在一年之内,湖泊水深从大约 4.0  m  缩小至大约 2.5  m。仔细观察水体表面,可以看见气泡上升,说明沉积污泥已经产生厌氧发酵过程。污泥含有各种类型
 
有机和无机污染物质,根据德国固废垃圾法律规定,属于固废危险垃圾。对此湖泊的主要危害是来自污泥中的高浓度有机污染物质。在此湖泊水深 2.0 m 以下区
 
域,几乎全年没有溶解氧。鱼类生活受到危害或根本无法生存。此湖泊生态平衡受到极大影响和损害。在夏季有时甚至会出现大量藻类繁殖并导致鱼类死亡。
 
处理要求
通过清淤处理,可以消除产生厌氧状态的根源,大幅降低水体内有机物质和氮磷营养物质的含量,并为湖泊的进一步生态修复提供良好基础。
 
测试取样
为了消除黑臭水体,必须定期测试确定河道内沉积淤泥的厚度。这样可以确定,何时进行底泥抽吸处理。为了准确说明淤泥抽吸时间和抽吸容积,有必要对水体内
 
污泥料位进行测定。
 
多数情况下,采用手动测试方法来确定沉积淤泥层厚度:
污泥料位测试仪由三段有机玻璃管道组成,总长3~5m。管径50mm,管道底部配置一个球阀和阀门控制导杆。料位测试具体操作方法如下:
§ 先测试管道下部的底阀打开,然后缓慢下沉至河道底部。随着污泥在测试管内上升,可将管内空气向上排出,同时在水体内不会产生湍流现象。
§ 一旦测试管道达到河底,可通过导杆将底部球阀关闭。此时阅读水深刻度。
§ 然后将测试管道从水体内垂直取出,并在有机玻璃管道上阅读淤泥层厚度。
根据多年的工作经验,如果泥层厚度超过水深 50% 时或者污泥料位超过 100cm时,建议可进行清淤抽吸工作。
通过对此湖泊内污泥测试确定平均淤泥厚度 150cm,并通过取样分析知道,淤泥中含有较高的有机物质含量,是形成沼气、 NH3和H2S的主要原因,必须采取相应
 
措施,清理清除 25000m³  淤泥。
 
5 黑臭淤泥的清理方法
在进行清淤过程中,传统方法是抽干河道,采用挖土机进行转运,但会带来以下缺点:
•     对周围环境产生臭味干扰和道路污染
•     对水体植物生态会产生破坏
•      人工量和能耗较大
替代方法是采用生态清淤方法,即采用现代化的淤泥抽吸装置(清淤机器人),可在岸边遥控操作,对河体内直接进行淤泥抽吸,淤泥清理过程中不会或只是产生极
 
少量臭味,对周围植物生态体系不会造成破坏。在通常情况下,整个清淤过程只需一个人工。
 
遥控吸泥装置的工作原理:
吸泥深度最大可至7m,即使因为多年矿化沉积变硬之后的污泥也可以被松化处理,被运输污泥的固含量最高可达约8%~10%DS。
通过三个浮筒可以保证底泥抽吸装置浮在水面之上。四台分别驱动控制螺旋叶的驱动电机可以确保灵活运行,可以到达池塘内各个区域。运输软管可以被吸泥机携
 
带移动。
在抽吸处理底泥时,吸泥清理耙下沉,螺杆开始运转,污泥抽吸清理开始。一台运输能力为40 ~120 m³/h 的转子泵开始抽吸污泥/水混合物,并通过柔性管道泵送
 
至岸上池塘之内,也可以在那里进行后续污泥处理处置。
底泥抽吸装置可进行遥控操作,对以下设备功能进行控制:
各种更改和移动方向的部件
运输泵的开/关控制
清理耙的升/降控制
运输螺杆的开/关控制
平衡浮桶的操作
 
吸泥装置KLAWA的主要技术参数
外形尺寸(长度 × 高度):大约 6080mm x 2415 mm
重量: 大约2600 kg
额定电流:32 A
功率:16 kW
运输能力:40~120m³/h (如果需更大处理能力时请和供货商联系定制)
 
与传统清淤设备相比较,这一装置具有以下特点:
-     清淤装置体积较小,运输投运十分方便
-     清淤时水体不需要抽水排放
-     清淤时不会散发臭味
-     通过柔和抽吸方式,不会产生湍流,因此在对河道、湖泊作业时不会污染接受水体或附近水域
在对公园湖泊、城内河流和大型养鱼池塘进行清淤时不会影响水体内动植物生活和岸边生态环境。
 
6 黑臭淤泥的后处理处置方法
清淤装置主体是一个可移动的浮舟,配置一套可升降的吸附设备。下沉深度可达7m,可将多年沉积结块的污泥击松并运送抽出。这一装置可以用于清除水面漂浮物
 
和抽吸底部淤泥,装置可以遥控300m控制操作。
通过一根漂浮在湖面上压力管道,可将厌氧污泥/水混合物泵送至岸边收集装置,并进行浓缩处理。浓缩处理后的厌氧污泥可通过罐车或柱塞泵运输至后续污泥处理
 
工段或处置场所,根据当地的市政污泥法规,进行相应的处理处置。为了对河道淤泥进行有效的后续处理处置,可根据现场情况,分别采用以下方式进行污泥浓缩
 
或脱水处理。
 
方案1: 污泥干化床或污泥芦苇床
优点:毋需投资脱水设备和投加絮凝药剂,缺点:需要大量土地面积。
 
主要处理过程如下:
灌料。淤泥被泵送至污泥排水床内. 根据污泥性质 (DS-固含量) 可以设计污泥干化床的面积。
 
脱水。经过储存处理之后,污泥固含量可以到达 40%~60%DS,即与原来稀浆污泥相比,污泥体积大幅下降。
 
后处置。固体物质存留在污泥干化床内,可对这些污泥进行填埋或农用等后处置。
 
方案2: 脱水袋 Geotube(土工管袋脱水技术)
优点:投资设备较低,缺点:需要投加絮凝药剂和一定的土地面积。
主要处理过程如下:
灌料。污泥被泵送布袋内。在此过程中投加絮凝剂, 使污泥能够结块并将水快速分离。
 
脱水。干净的水从布袋流出。大约 99% 的固体物质被截留, 而过滤液体被收集并返送回河流湖泊。
  
后处置。固体物质被截留在布袋内, 污泥体积最小程度最大可达90%。当布袋被充满之后, 可连同布袋一起被填埋处理或者将污泥挖出,进行后续土地利用。
 
方案3: 移动型机械脱水装置
优点:污泥脱水效率很高,占地面积很小;缺点:设备投资费用较高,需要投加絮凝药剂。此时可以采用常规的脱水装置,例如螺压脱水机或板框脱水机。脱水后
 
的污泥,可以根据当地法规分别进行填埋处置或土地利用。
 
7 总结
产生黑臭水体的主要原因是在静止或流动缓慢的湖泊或河流底部沉积大量高浓度有机淤泥和有害营养物质,形成黑臭水体的主要机理是底部沉积淤泥在厌氧发酵时
 
产生H2S有毒气体和硫化物黑色物质。
 
如果要在短时间内快速消除沉积淤泥和其中所含大量营养物质,则采用定期生态清淤方式是目前解决我国黑臭水体问题的一条经济有效和可实施的技术途径。
 
通过定期采用机械方法抽吸厌氧清淤和水体表面的水藻/树叶,可在不影响周围环境和水体生态环境情况下,有效阻止厌氧发酵。此外,通过生态清淤并辅助曝气处
 
理等措施,还可以达到以下目的:
-  扩展增加河道湖泊的容积,提高城市抗洪能力
 
-  抑制硫化氢和其他臭味物质的产生
 
-  促进水生植物,鱼类和底栖动物的生长
 
-  阻止夏天蓝藻暴发,防止鱼类死亡
 
在选择淤泥清理装置时,推荐采用运输方便、人工费用较少的设备和生态清淤方式。通过了解产生黑臭水体的淤泥层高度,及时定期抽吸排出,可以确保城市内不
 
产生黑臭现象。此外,在进行黑臭水体处理的同时,还必须根据当地情况和法规选择合适的污泥处理处置途径。
 


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