多介质理念

2024-11-05

多介质理念（共5篇）

多介质理念篇1

《环境化学》是环境专业学生的专业必修课之一。它是研究化学污染物质在环境中的来源、分布、迁移、转化、效应、归宿及其控制的化学原理和方法的科学。概括地说, 环境化学是研究化学物质, 特别是危及环境质量的化学污染物在环境中运动规律及其防治的科学。

环境是一个多介质系统。这个系统由大气、水体、土壤和生物组成。一旦污染物进入到环境中, 它不会停留在最初排放的介质中, 而是通过一系列迁移转化过程在多介质环境中运动。因此, 在解决环境化学问题时必须考虑环境所有介质单元之间的相互联系, 即化学污染物的多介质环境问题。然而, 传统的解决环境问题的方式往往只是关注某一个介质, 如污水处理只关注水这个介质。由于污水处理的曝气过程使挥发性有机污染物从水中转入大气, 从而造成周围空气污染;最后的污泥处置, 则将残留在污泥中的有害物质从污水处理厂转移到土地中, 从而引起土壤和地下水的污染。因此, 在《环境化学》教学中以多介质环境污染理念为主线能够提高学生对环境问题的认识能力以及增强污染防治的能力。

1 在课堂教学中贯穿多介质环境的理念

环境系统包括大气、水体、土壤和生物。根据不同环境介质, 《环境化学》教材主要分为大气环境化学、水环境化学、土壤环境化学和生物体内污染物质的运动过程几个章节。为了强化多介质环境的理念, 我们在课堂教学中结合典型环境问题讲解其中涉及的污染物在多介质环境中的迁移问题, 从而将各章节内容有机联系起来。

1.1 大气环境化学

在大气环境化学一章中, 我们以全球气候变暖问题为例, 介绍了不同废水处理工艺对碳排放的贡献。气候变化是当今世界共同面对、极其关注的重要课题, 是未来几十年当中, 国家、政府、商业和公民遇到的最大挑战之一。2005年全球污水处理领域直接排放约6.4亿吨二氧化碳当量的温室气体。由于人口基数大, 以及快速城市化地区和农村地区的污水处理设施不完善, 中国污水处理领域甲烷温室气体排放量居全世界第一, 占排放总量的21%。集中污水处理厂处理模式的人均碳足迹为116.1 kg二氧化碳当量;垂直流人工湿地处理系统的全过程人均温室气体排放为15.1 kg二氧化碳当量, 仅相当于城市集中污水处理系统的13%。分析结果表明, 大力建设以垂直流人工湿地为代表的低能耗、好氧型污水处理设施, 到2030年前, 乡村污水处理率达到70%的目标是环境和经济可持续的。实施城市污泥深度处置和乡村生活污水处理这两项措施, 2030年我国年减排潜力5560万吨二氧化碳当量, 约占当前 (2005基准年) 全球污水处理领域温室气体总排放的8.7%, 这将是中国对全球气候变化减缓做出的巨大贡献[1]。

1.2 水环境化学

水体富营养化是指在人类活动影响下, 氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体, 引起藻类、水生植物异常繁殖, 水体溶解氧量下降, 水质恶化, 致使鱼类及其他生物大量死亡的现象, 是典型的水污染问题。在水环境化学一章中, 以水体富营养化为例介绍了大气沉降对水体氮、磷污染的贡献。研究表明, 氮、磷等营养元素经大气传输进入海洋、湖泊是水体生态系统生物地球化学物质循环研究的重要组成内容。大气传输过程不仅能使大量陆源物质进入水体, 而且其通量可能接近于由河流等点污染源输送注入水体的污染物质通量, 从而对海洋、湖泊水体的富营养化产生重大影响。课堂上以太湖为例进行了具体分析。太湖湖泊面积为2428 km, 实际水面面积为2338 km, 平均水深1.89 m, 最大深度仅4 m, 是典型的大型碟型浅水湖泊。调查发现在2002年7月-2003年6月间, 大气总氮和总磷的年沉降负荷分别占环湖河道等点源输入氮和磷总负荷的48.8%和46.2%[2], 也就是说有将近一半的外源氮和磷是通过大气沉降而进入湖体的, 其中氮和磷的湿沉降分别占其外源输入的16.5%和7.3%[3]。此外, 随着水环境污染治理力度的加大和截污工程的实施, 通过污水排放而进入湖体的污染物正相对减少, 由大气沉降到水体的污染物所占比重很可能逐年增加, 其对水体富营养化程度以及整个水体生态系统的影响将更为重要。

1.3 土壤环境化学

重金属污染土壤的治理已成为当前急需解决的重大课题。植物修复是解决这一问题的重要手段, 同时也是土壤环境化学教学中的重要内容。在土壤环境化学这一章, 从多介质环境的角度介绍了利用植物修复重金属污染的方法。早在1983年, Chancy便提出了利用超富集植物清除土壤中重金属污染的思想, 即植物修复。它实际上是将某种特定的植物种植在重金属污染的土壤上, 而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力, 将植物收割, 焚烧后回收重金属即可将该种重金属移出土壤, 达到污染治理与生态恢复的目的。从多介质环境的角度看, 超富集植物实际上是将重金属从土壤圈转移至生物圈。不过, 植物修复技术也存在一定的不足, 主要有以下几点[4]: (1) 其修复重金属污染土壤的时间相对较长, 在大多数地区存在季节限制, 这是目前限制超富集植物大规模应用的最重要原因。 (2) 个别超富集植物生物量小, 生长缓慢。 (3) 个别超富集植物只对一种重金属具有富集能力, 难以全面清除土壤中的所有超标重金属。 (4) 不能100%的去除土壤中的重金属, 且只能对表层土壤进行修复。 (5) 异地引种对生物多样性的威胁, 也是一个不容忽视的问题。基于这些问题, 重金属污染土壤原位钝化修复技术又成为目前新的研究方向[5]。

2 通过考核的方式强化多介质理念

为了进一步强化《环境化学》教学中的多介质理念, 在期末考试中增加了相关考核内容。我们将期末考试成绩分为两部分:闭卷题 (占80%) 和结课小论文 (占20%) 。结课小论文的题目是以当前环境污染热点问题为主题, 要求学生结合环境化学的基本知识和多介质环境理念对问题进行分析。通过这种方法不仅提高了教学质量, 还提高了学生对环境问题的认识。

3 结语

环境是一个开放的多介质系统, 我们需要从多介质环境的整体效应出发考察化学污染物的运动规律及其控制方法。在课堂教学中, 结合典型环境问题讲解其中涉及的化学污染物在多介质环境中的迁移问题, 同时还在期末考试中增加相关考核内容, 这有助于提高学生对环境问题的认识能力以及增强污染防治的能力。

摘要：《环境化学》是研究化学物质, 特别是危及环境质量的化学污染物在环境中运动规律及其防治的科学。在解决环境化学问题时考虑环境所有介质单元之间的相互联系, 即化学污染物的多介质环境问题是十分重要的。在教学过程中, 我们结合典型环境问题讲解其中涉及的化学污染物在多介质环境中的迁移问题, 这有助于提高学生对环境问题的认识能力以及增强污染防治的能力。

关键词：环境化学,教学内容,多介质理念

参考文献

[1]潘涛.人工湿地减排温室气体估算研究[D].南京:南京大学环境学院, 2009.

[2]杨龙元, 秦伯强, 胡维平, 等.太湖大气氮、磷营养元素干湿沉降率研究[J].海洋与湖沼, 2007, 38 (2) :104-110.

[3]Luo L, Qi, B, Song Y, Yang L.Seasonal and regional variations in precipitation chemistry in the Lake Taihu Basin, China[J].Atmospheric Environment, 2007, 41 (12) :2674-2679.

[4]张继舟, 王宏韬, 袁磊, 等.重金属污染土壤的植物修复技术研究[J].中国农学通报, 2013, 29 (14) :134-139.

[5]王立群, 罗磊, 马义兵, 等.重金属污染土壤原位钝化修复研究进展[J].应用生态学报, 2009, 20 (5) :1214-1222.

多介质理念篇2

中国石化齐鲁分公司炼油厂第二污水净化处理装置(以下简称为第二净化装置)是该厂重油加氢联合装置的主要配套工程,其所处理污水为胜利炼油厂北区各生产装置的含油污水、罐区脱除水、生产废水等。通过分析第二净化装置出水水质可知,其总无机离子含量高于新鲜水水质指标,个别水质指标接近于新鲜水。针对这一水质特点,选取曝气生物过滤(BAF)-多介质(DA)过滤-电吸附脱盐处理工艺(以下简称组合工艺)对第二净化装置的出水进行中试处理试验,结果使其中的CODCr、油、悬浮物(SS)及盐含量均得到降低,满足锅炉用水水质指标,可回用于锅炉补水。

1 试验部分

1.1 原材料

中试装置进水采用第二净化装置的出水,其水质指标为 CODCr 小于100mg/L、含油(质量浓度,下同)小于 10mg/L、含SS 小于 70mg/L。生物挂膜用陶粒为黏土烧制,球形,粒径 3～6mm,堆积密度 0.85～0.90g/cm3,孔隙率 55%～58%,比表面积 2～6m2/g,北京联创公司生产。DA 过滤器填料采用彗星滤料,由浙江德安公司提供。乙酸钠、磷酸钠、聚合铝、硫酸等均为常用市售工业品。

1.2 主要设备

BAF 塔形,高 5000mm,直径 1300mm,内充ϕ(3～6)陶粒,填料高度为 3200mm,以瓷球承托,采用曝气头曝气,长柄滤头布水,额定处理水量为 2.5m3/h。

DA 过滤器 DA 863-350型,浙江德安公司提供。塔形,塔径 350mm,内充彗星滤料,工作压力不大于 0.35MPa,滤速 30～60m/h,设计处理水量为 4～6m3/h。

电吸附脱盐装置 EMK 400 型,常州爱思特公司提供。工作压力不大于 0.08MPa,进水 pH 值控制在 5.8～6.2,每日更换 1 次中间水,每周断电运行2h 。

1.3 工艺流程

达到指标要求的第二净化装置出水通过长柄滤头进入 BAF,经过曝气和生物膜的作用,去除污染物,当水质达到 CODCr 小于 50mg/L、含油小于 3mg/L、含 SS 小于 15mg/L时,送至 DA 过滤器,去除 SS。DA 过滤器的出水水质指标为 CODCr 小于 45mg/L、含油小于 2mg/L、含 SS 小于 3mg/L、电导率小于 1500μS/cm、含氯离子(质量浓度,下同)小于 250mg/L、含硫酸根(质量浓度,下同)小于 200mg/L。含盐进水在电吸附脱盐装置中经过由功能电极材料组成的模块时,盐离子在直流电场的作用下被吸附储存在电极表面的双电层中,直至饱和。达饱和后出水电导率将升高,系统进入再生阶段。此时切断直流电源,将正负电极短接,由于直流电场的消失,吸附储存在双电层中的离子就会从电极表面解析出来。采用进水反洗时,解析出来的离子随水流排出,电极也由此得到再生。由于离子有一个扩散穿越电极材料的过程,所以再生需要一定的时间。当再生排水电导率与进水电导率基本相当时,则可认为再生结束,系统进入下一个运行周期。经过电吸附过程出水水质达到 CODCr 小于 30mg/L、含油小于 1mg/L、电导率小于 800μS/cm、含氯离子小于 100mg/L、含硫酸根小于 100mg/L、含 SS 小于 3mg/L的控制指标时,即可用作循环水系统的补充水。

2 结果与讨论

2.1 BAF 的处理效果

在处理量为 2.5m3/h,气水比(体积比,下同)为(1.5～2.5)∶1.0,每立方米滤料 CODCr 容积负荷为 0.7kg/d 的条件下,考察了 BAF 的处理效果,其进出水的水质变化见图 1,相应的统计平均数据列于表 1。可见,稳定运行期间,BAF 对污水的CODCr、油、浊度和色度均有较好的去除效果,同时对进水也具有较好的抗波动能力,其出水水质达到了设计指标要求,表明 BAF 单元具有较佳的综合去污能力。这是因为 BAF 是以附着生长在陶粒粗糙表面的生物膜为主要处理介质,其利用反应区内存在着不同的好氧、缺氧区域,充分发挥了生物代谢作用、物理过滤作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反应器内食物链的分级捕食作用,从而在同一单元反应器内实现对污染物的去除。

○—进水;●—出水

*:单位为%。

2.2 DA 过滤去除 SS 的效果

在废水处理组合工艺中设置 DA 过滤单元,主要目的是利用其脱除废水中的 SS。中试考察期间,DA 过滤器的废水处理量为 2.0m3/h,该单元对废水中 SS 的去除效果见表 2。

由表 2 可见,在试验初期,BAF 出水(即 DA 过滤的进水)中 SS 含量较高,运行稳定后其所含 SS 明显降低,完全能够达到出水 SS 小于 15mg/L 的技术要求,可见BAF 对污水中 SS 具有较好的去除效果。另外,由表 2 还可见,在试验初期,DA 过滤器出水中 SS 含量也较高,运行稳定后其所含 SS 基本检测不出,满足出水 SS 小于 3mg/L 的技术要求。

2.3 电吸附脱盐效果的影响因素

2.3.1 进水 CODCr及流量

在进水 CODCr 和其流量变化时,考察了电吸附模块对废水电导率和氯离子的去除效果,结果列于表 3(表中数据为当天平均值)。试验条件为模块电压 1.55V,产水率 75%。

*单位为%。

由表 3 可见,当进水 CODCr 由33.8mg/L 提高到 52.5mg/L,即提高55.3% 时,废水电导率和氯离子的去除率变化不大,分别下降0.5,0.7 个百分点,这说明进水 CODCr 对电吸附脱盐装置的除盐效果影响不大,同时也表明电吸附模块在除盐时具有较好的抗有机污染能力。

由表 3 还可见,当进水中CODCr含量相当,流量由 1.4m3/h提高到 1.6m3/h,即提高 14.3% 时,废水电导率、氯离子的去除率分别降低 4.8,2.6 个百分点,说明进水流量对电吸附脱盐装置的除盐效果影响较大。因此,工业应用时,在确保产水水质的条件下适当增大废水的处理量,可提高装置的利用效率;同样,当进水电导率增加时,通过适当降低进水流量或产水率的方式可以保证产水水质满足回用要求。

2.3.2 进水电导率

当污水的电导率发生变化时,电吸附模块的除盐效果见图 2。试验条件为模块电压1.55V,产水率 75%。

○—进水电导率;●—出水电导率;△—去除率

由图 2 可见,随着进水电导率的增大,出水电导率也在增大,同时电导率的去除率也略有增加。正常情况下,第二净化装置排放污水的电导率约为 1500μS/cm,经电吸附脱盐后出水电导率可控制在约 630μS/cm,满足了水质指标要求。

2.4 组合工艺处理效果

2.4.1 出水水质

第二净化装置排放污水经组合工艺处理后的出水水质列于表4。

由表 4 可见,经组合工艺处理后的出水水质完全符合循环水补充水的指标要求。

2.4.2 出水腐蚀评价试验

为验证经组合工艺处理后的出水回用于循环水系统的可能性,将该出水与自来水以2∶1(质量比)混合并经 3 倍浓缩后进行了旋转挂片腐蚀试验。浓缩水的水质指标为:CODCr 48.2mg/L,pH 值 8.45,电导率 1281μS/cm,含钙 238.6mg/L,含碱 165.7mg/L,含氯离子 219.5mg/L,含硫酸根 205.8mg/L。试验选用的药剂 464,466 及其用量同齐鲁石化公司工业循环水系统。试验结果见表5。

由表 5 可见,采用目前工业循环水系统使用的 464,466 水质稳定剂进行腐蚀试验时,挂片腐蚀速率在(0.0248～0.0566)mm/a,平均腐蚀速率分别为0.0380,0.0382mm/a,远低于中国石化相关企业标准(该值为 0.0750mm/a)的要求,即说明组合工艺的出水可回用于循环水系统。

3 经济效益预测

若采用组合工艺对第二净化装置的出水进行回用处理,回用水量按 150m3/h 计,详细回用费用列于表 6。

*:单位为(kW·h)/h;**:单位为元/(kW·h)。

工业投资预算为 1548 万元,设备按 10a 折旧,运行时间按 8000h/a 计,则处理废水的折旧费为 1.29元/m3,即采用组合工艺处理废水的总成本为 2.70 元。若工业新鲜水的价格按 2.77元/t 计,废水排污费按 1.50元/t 计,则回用污水的收益为 1.57 元/m3,每年预期可产生的经济效益为 188.4 万元。另外,此污水(CODCr、氨氮分别按 100,10mg/L计)回用于循环水系统后,每年可减少外排有机物(以 CODCr计 )120t,氨氮 12t,可减轻对环境和水体的污染,具有良好的环境效益和社会效益。

4 结论

a. 采用 BAF-DA 过滤-电吸附脱盐组合工艺处理炼油厂外排污水,其出水的 CODCr 小于 30 mg/L、含油小于 1mg/L、SS 小于 3mg/L、电导率小于 800μS/cm,能够满足循环水系统补充水的水质要求。

b. 组合工艺中 BAF 单元的主要工艺参数为气水比(1.5～2.5)∶1.0,每立方米滤料CODCr 容积负荷 0.7kg/d;电吸附脱盐单元主要工艺参数为模块电压 1.55V,产水率75%。

c. 对炼油污水经组合工艺处理后回用于循环水系统的经济效益预测表明,若产水以150m3/h计,则可创效 188.4 万元/a,并可减轻对环境和水体的污染,具有良好的环境效益和社会效益。

参考文献

[1]乔映红.节水减排刻不容缓[J].当代石油石化,2001,9(3):1-4.

多介质理念篇3

据调查, 全国96%的村庄没有排水渠道和污水处理系统, 生活污水随意排放。“污水乱泼、垃圾乱倒、粪土乱堆、柴草乱跺、畜禽乱跑”、“室内现代化, 室外脏乱差”已成为农村人居环境的真实写照。

目前我国城市生活污水采用的大规模的集中处理方式不适合在广大农村地区推广应用, 主要表现为:大规模的集中处理厂需要较大的工程费用来建立复杂的排水管网。在人口密度很低的地区, 这项投资将比污水处理厂的总投资高出一个数量级。特别是在农村地区, 居住群比较分散, 这项费用将更高。此外, 管道修复费用也非常昂贵。污水生态处理技术因其工程造价低、运行费用少、基建材料易得、操作简便、处理效果好而受到国内外的普遍重视, 包括美、日、英、法、俄等国在内的许多国家都在广泛采用这项技术处理生活排水。我国在“七五”至“十五”期间, 开展了大量采用厌氧和生态技术处理小城镇生活排水、小区生活排水和工业排水的试验研究和工程示范, 并在嘉兴、沈阳、深圳和盘锦等不同地区进行了工程示范。但是, 将现有技术应用于农村生活排水处理时, 存在终年运行不稳定、易堵塞和除磷脱氮效率低等技术方面的制约瓶颈。

因此, 系统研究生态技术处理农村生活排水的适宜性, 突破现有技术瓶颈, 开发具有完全自主知识产权的农村生活排水资源化利用的关键技术、滤料、设备与模式, 是保护农村饮用水水源安全、治理农村生态环境污染、引导和支撑农村发展循环经济的现实需求, 应用前景十分广阔。

1 农村生活排水处理技术需求分析

农村生活排水处理技术应满足两点要求:①水力负荷要高。随着农村经济发展, 农村地区生活水平不断提高, 农村生活排水量也日益增大, 因此所开发的处理技术必须要有较高的水力负荷。②处理后的水质要好。一方面, 生活污水中含有较高的人畜粪尿成分和氮、磷含量, 特别是磷含量较高, 处理时不仅要能够消减有机物还要能够进行脱氮除磷;另一方面, 随着经济的迅猛发展, 对水资源的需求剧增, 因此所开发的处理技术应尽可能满足污水资源化利用的标准。

以上述处理要求为基本原则, 加紧研发符合农村社会经济发展水平的集中、分散处理与资源化利用的关键技术与设备;重点以城市郊区和山丘区为研究对象, 充分利用当地的自然条件, 开发无动力污水综合控制和回用系统;以北方缺水区、南方经济发达地区和城市郊区为研究对象, 结合当地的自然和社会经济状况, 开发无动力 (或微动力) 多介质快速渗滤农村生活排水处理与回用关键技术与设备;以不同区域为研究对象, 在比较原生介质与多介质生态处理技术适宜性的基础上, 构建农村生活排水无动力复合生态处理集成模式, 建立试点工程。

2 农村生活排水多介质生态处理装置开发

在水利部公益性行业科研专项经费项目“农村生活排水资源化利用技术模式研究”和“十一五”国家科技支撑计划课题“农村饮用水源保护与生活排水处理技术研究”的资助下, 课题组开发了系列农村生活排水多介质生态处理装置, 包括多功能折流反应器 (HBR) 、多介质生态滤池 (MEF) 、多介质人工湿地 (MCW) 、多介质毛管渗滤 (MCP) 4套装置。

2.1 多功能折流反应器 (HBR)

多功能折流反应器顺次包括3个厌氧单元2个好氧单元和1个沉淀单元, 它们之间通过管道连接;厌氧单元均设有排气孔, 好氧单元内均设有悬空的上、下钢丝网, 钢丝网之间的隔室内填充填料, 下层的钢丝网上设有与曝气机相连的布气孔。主要作用是去除COD、BOD、NH3-N和TSS, 出水水质达到《农田灌溉水质量标准》 (GB5084-2005) 。

厌氧单元的3格式设计, 使产酸菌和产甲烷菌能够分别生长在各自的适宜环境中, 有利于污染物的降解。厌氧第1格式兼有水质调节功能, 第3单元的三相分离器能实现气、固、液三相分离, 减少污泥流失。好氧单元的2格式设计, 有利于脱碳菌和脱氮菌分别生长在各自适宜的环境中, 有利于有机物和NH3-N的去除。好氧单元设计为浮动床, 并填充大孔网状载体, 即解决了固定床生物反应器的堵塞问题, 又解决了活性污泥脱氮效率差、容积负荷低和产泥量大等问题。好氧单元采用有利于反硝化脱氮的间歇曝气方式, 曝气量仅为普通活性污泥和固定床反应器的1/3～1/5。沉淀池内设有散水器, 有利于水的复氧和悬浮物沉淀, 以减少悬浮物对后续处理单元的冲击。

该装置同时具有化粪池、厌氧悬浮、生物浮动床和沉淀池功能, 集厌氧、好氧过程于一体, 具有占地面积小、基建投资省, 运行费用低 (或无) , 不易堵塞、管理方便, 无潜在生态安全隐患, 且能够全年运行等特点。

2.2 多介质生态滤池 (MEF)

多介质生态滤池为含有按“品”字形或其他方法填充的多介质滤料层和透水滤层的滤池, 能够去除污水中的总氮、总磷、悬浮物和COD, 出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB18918-2002) 二级标准。

污水经过滤池填料表面的布水管逐级通过滤料层, 进入滤池底部的集水槽后排出。污水经多功能折流处理模块流经多介质生态滤池时, 污染物被多介质滤料拦截和吸附在其表面, 微生物利用有机物进行生长繁殖, 并附着在滤料上形成生物膜。经过一段时间, 生物膜成熟, 栖息在生物膜上的微生物以流经表明的有机物作为营养, 对污水中的有机物进行吸附、分解氧化, 从而使流过生态滤池的污水得到净化。

多介质生态渗滤模块采用“品”字形填料方法, 达到既能保证流量又能保证停留时间的平衡点。多介质生态滤池中的多介质滤层是净水介质, 透水滤层是水流通道, 净水介质和水流通道的功能分异, 即可增加污染物的反应时间又可有效防止多介质生态渗滤模块的堵塞。

2.3 多介质毛管渗滤 (MCP)

多介质毛管渗滤的核心技术是按“品”字形或其他方法填充的毛细提升介质和透水滤层, 主要去除TN、TP和溶解性COD, 出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB18918-2002) 一级A标准。

毛细提升介质的毛细作用将布水槽中的污水提升至一定高度, 并在毛细管中使污染物和水分离, 当毛细水上升到一定高度后, 重力作用使其下降, 毛细水在下降过程中流经多介质滤层而得到深度净化。

多介质毛管渗滤在毛管渗滤的基础上增加了的多介质滤层, 水力负荷比同等效率的毛管渗滤提高了1～2倍。多介质毛管渗滤床种植易于管理, 不需特别保护即可越冬, 氮磷吸收能力强, 具有观赏价值和药用价值的麦冬等植物, 麦冬的根系发达, 能够为毛细提升提供推动力, 麦冬根系与微生物和滤料的相互作用, 也有利于污染物的降解和滤料的自解吸再生。

2.4 多介质人工湿地 (MCW)

多介质人工湿地的核心技术是按“品”字形或其他方法填充的多介质滤层毛细提升介质和透水滤层, 以及有利于反硝化脱氮和终年运行的深层集水垂直流态设计, 主要去除TN、TP和溶解性COD, 出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB18918-2002) 一级B标准。

多介质人工湿地上分别种植不同的湿生挺水植物, 主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用, 对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。

多介质人工湿地在普通垂直流人工湿地的基础上增加了多介质滤层和深层集水设计, 水力负荷比同等效率的普通垂直流湿地提高了1～2倍。多介质人工湿地床种植易于管理, 不需特别保护即可越冬, 氮磷吸收能力强, 具有观赏价值和药用价值的菖蒲和黄花鸢尾等植物, 植物根系与微生物和滤料的相互作用, 有利于污染物降解和滤料的解吸再生。

3 农村生活排水多介质生态处理模式

课题组在开发上述装置和设备的基础上, 研究提出了农村生活排水多介质生态处理模式, 分别为:①多功能折流反应器单一处理模式 (HBR) ;②多功能折流反应器与多介质生态滤池复合模式 (HBR-MEF) ;③多功能折流反应器与多介质生态滤池及多介质人工湿地三合一模式 (HBR-MEF-MCW) ;④多功能折流反应器与多介质生态滤池及多介质毛管渗滤三合一模式 (HBR-MEF-MCP) 。此外, 课题组还开发了经济型和高效型各两种功能滤料, 故按照滤料和填充方法的不同, 上述4种模式又包含了若干种不同的处理组合单元, 实际应用时可根据用水水质和经济水平要求, 具体选择不同的处理模式。

4 农村生活排水多介质生态处理模式示范

依据上述提出的处理模式, 将上述各装置在水利部节水灌溉示范基地进行了总体布置, 如图2。示范点综合运用了多功能折流反应器技术、多介质处理技术、土地处理技术等多种农村污水处理新技术, 充分发挥微生物的降解作用以及土壤和植物的拦截、过滤、吸收等物理、化学、生物多种功能, 使得污水中的有机污染物、氮、磷等大幅度减少。

(1) 适用范围:

生活小区、宾馆饭店、山庄别墅、旅游景区、学校及生态村镇等。

(2) 技术特点:

建设与运行费用低、氮磷去除能力强、不影响地面景观、管理维护方便、处理出水水质好、可回用。

(3) 处理标准:

出水水质达到《污水综合排放标准》中的一级标准。

5 结语

课题组开发的系列适度强化的农村生活排水多介质生态处理技术, 突破了现有技术无法全年运行、占地面积大、除磷脱氮效果差和易于堵塞等技术瓶颈, 这对解决集中供水条件下, 不同区域农村生活排水处理与资源化利用将起到重要作用, 具有广泛的市场需求和推广应用前景, 经济效益非常显著。该技术直接面向国家需求, 保障广大农民身体健康, 维护区域生态和社会安全, 造福子孙后代, 其环境和社会效益非常显著。

摘要：农村生活排水处理工程是不可缺少的重要基础设施, 在保证生产、改善人居环境等方面担负着重任。针对我国农村特点, 提出了农村生活排水处理的技术需求, 开发了农村生活排水多介质生态处理装置多功能折流反应器 (HBR) 、多介质生态滤池 (MEF) 、多介质人工湿地 (MCW) 、多介质毛管渗滤 (MCP) , 集成了HBR、HBR-MEF、HBR-MEF-MCW、HBR-MEF-MCP等多种处理模式, 实际应用时可根据用水水质和经济水平要求, 具体选择不同的处理模式。

关键词：农村,生活排水,多介质,处理模式

参考文献

[1]李仰斌, 张国华, 谢崇宝.国内外农村生活排水相关标准编制概况[J].中国水利, 2009, (5) :56-57.

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[4]李仰斌, 张国华, 谢崇宝.我国农村饮用水源现状及相关保护对策建议[J].中国农村水利水电, 2007, (11) :1-6.

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[6]籍国东, 孙铁珩, 常士俊, 等.自由表面流人工湿地处理超稠油废水[J].环境科学, 2001, (4) :95-99.

多介质理念篇4

电润湿现象近几年来逐渐走进科学家的视野,电润湿效应主要应用于电润湿显示技术,液体透镜以及芯片实验室等。其中电润湿显示技术是2006年Philips公司旗下专业显示器厂商Liquavista研究发明出来的,具有现在应用广泛的LCD和LED所不具备的优良特性,譬如说,高亮度、低功耗,以及在任何光线入射角下的优良显示效果等等,让这个新兴的显示技术开拓了一个广阔的市场。本文主要探究以铁酸铋这种多铁性材料作为电介质情况下的电润湿效应以及它在电润湿应用领域上的优良特性。

1 原理

电润湿是指在电场作用下,在物体表面一种流体被另一种流体所取代的过程[1],其简单结构示意图如图1所示。

其中由油、水以及介质层组成的三相系统中的界面张力遵循Young方程:

$λ_{o s} + λ_{o w} \cos θ = λ_{w s} (1)$

其中λos,λow,λws 分别是油与介质层,油和水以及水和介质层之间的界面张力,θ是指接触角。当油的浸润面积发生变化时,由于油不导电,因此水和介质层的界面张力发生变化,界面张力与外加电压的关系式:

$λ_{w s} = λ_{w s 0} - \frac{1}{2} C U^{2} (2)$

其中λws0是指未加电压时水与介质层之间的界面张力,U是外加电压,C是指单位面积疏水介质层的电容:

$C = \frac{ε_{o} ε_{r}}{d} (3)$

其中,ε0为真空介电常数,εr为固体介质层的介电常数,d为介质层的厚度。

将公式(2)和(3)代入Young方程就得到我们熟知的Young-Lippmann方程[2]:

$\cos θ = \frac{λ_{w s 0} - λ_{o s}}{λ_{o w}} - \frac{C U^{2}}{2 λ_{o w}} = \cos θ_{0} - \frac{C U^{2}}{2 λ_{o w}} (4)$

其中θ0是在没有电场情况下的杨氏接触角。由公式可知,当外加电压逐渐增大时,接触角会逐渐变大,这时油滴会在外加电场的作用下逐渐收缩。

而电润湿显示技术的原理是基于在光吸收和光透过状态之间转变的光学开关[3],如图2所示。

在未加电压的情况下油滴均匀覆在介质层上,此时照在其上的光线全部被红色油滴吸收,这个显示器单元就显示红色,而当加上外加电场时,油滴开始收缩,此时在油滴未覆盖的区域光线就会透过,显示介质层或者底板的颜色[3,4]。电润湿就是通过对光线吸收透过的控制来获得我们想要达到的显示效果。

2 实验方法

首先我们采用化学溶液沉积法将(Bi0.86Pr0.14)(Fe0.95Mn0.05)O3沉积在ITO导电玻璃上[5],具体过程是:将Bi(NO3)3·5H2O,Pr(NO3)3·6H2O,Fe(NO3)3·9H2O,Mn(CH3COO)2·2H2O按一定分子摩尔比溶解在醋酸中,加入少量乙二醇调节其粘度,再加入柠檬酸作为螯合剂,将最终溶液浓度调整到0.2 mol/L,将得到的(Bi0.86Pr0.14)(Fe0.95Mn0.05)O3溶液以4 000 r/min的转速旋涂在ITO玻璃上,持续30 s。旋涂后在流动氧气氛下以400 °C热解10 min,最后在流动的氮气氛下以525 °C回火5 min,以便获得更好的晶体结构。将整个旋涂过程和回火过程重复几次,最终得到的(Bi0.86Pr0.14)(Fe0.95Mn0.05)O3薄膜厚度大约300 nm。

在介质层准备好之后我们采用聚四氟乙烯(Teflon AF1600)作为表面改性层。用台式匀胶机以最高2 000 r/min的转速在介质层上匀上一层聚四氟乙烯,将其放入300 °C的恒温箱中干燥10 min后拿出冷却。这样整个电润湿底板就做好了。

以4∶1的质量比称取一定量环氧树脂和固化剂,将其搅拌均匀,小心涂于底板四周,使中心留下一大约3 mm×3 mm的小孔作为显示区域[6],做成一个环氧树脂围堰,等胶完全干燥之后先在小孔中用注射器注入一定量的去离子水,再将正十二烷CH3(CH2)10CH3与有机染色剂Red164混合成的红色油滴注入去离子水中,可以见到油滴平铺在底板中。需要注意的是油滴的厚度要尽量薄一些,以利于油滴的移动,当然也要保证油滴的颜色清晰可见。在环氧树脂上表面涂上一定量硫化硅橡胶,在其上方盖上一层ITO玻璃,压紧上底板,此时得到的电润湿装置图3所示。

将此电润湿装置的下底板上的聚四氟乙烯和铁酸铋薄膜刮掉少许用银胶连上电极,将另一电极连接到上底板的ITO玻璃上后,对其施加直流电压,观察其电润湿效应。

3 实验现象与讨论

对装置从0 V开始逐步施加电压,如图4所示。当外加电压为0 V时,油滴铺满整个显示区域,当电压加到11 V时红色油滴就开始明显向中心收缩,随着外加电压的增大,收缩面积逐步增大且基本上与外加电压呈线性关系。图5显示的是油滴的实际面积和外加电压的关系。

从图4及图5可以看出,油滴面积与外加电压的关系基本符合Young-Lippmann方程,呈线性关系,图中有一些不均匀可能是由于围堰,改性层等一些不可控的外界因素的影响,值得关注的是在撤去20 V外加电压后,油滴也迅速的铺平整个显示面积,显示良好的重复性。可以看到,油滴在11 V时出现明显的收缩,然而我们在实验室中尝试以单独涂覆三层特氟龙作为介质层以及将Si片氧化成SiO2作为介质层时,发现几乎所有介质层都是在11 V左右的电压下出现明显的电润湿效应,可以据此推断环氧树脂围堰对油滴有钉扎作用,导致各种介电常数材料之间的差别被钉扎效应所覆盖,因此下一步实验我们将尝试使用不同的围堰材料,以期改善这种钉扎效应。

在电润湿显示装置中,当底板的绝缘性能不好时,随着外加电压的增大,漏电流就会增加,在显示单元中会出现气泡,这会破坏油滴与底板之间的浸润性质,导致整个显示单元的破坏。为了解决这一科学难题,我们选用了铁酸铋薄膜作为介质层。铁酸铋是少数的几种同时具有铁电性及反铁磁性的多铁性材料,但是在早期的科学实验中,铁酸铋薄膜本身的漏电流较大,这限制了它的进一步发展。然而在掺入了一些3d过渡金属后,铁酸铋的各项电学性能都有了大幅度的提升,例如介电常数的增加,从而漏电流减小[7,8,9]。因此,我们用铁酸铋薄膜作为介质层,最终成功地做出了漏电流较小的电润湿显示单元。

另外在本实验搭建的装置中,围堰的选择也是极其重要的,我们尝试过使用硫化硅橡胶作为围堰,但是其疏油性质较差,经常使红色油滴蔓延到围堰上,导致整个实验的失败,在尝试使用环氧树脂围堰后,其优良的亲水疏油性质可以使油滴均匀的覆盖在显示单元里。我们选择聚四氟乙烯(Teflon AF1600)做为表面改性层。接触液体的表面改性材料,它的疏水性质以及平整度是油滴能否在其上自由滑动的关键。聚四氟乙烯具有优良的化学稳定性,耐腐蚀性,更重要的是它具有优良的表面性能,即疏水亲油的性质,介电常数也较高。

由此我们可以看出,有很多因素影响着电润湿装置的显示效果,我们只有设法改善这些因素才可以获得更好的显示效果。

4 结论

在本试验中们用ITO薄膜做为导电层,以镨锰掺杂铁酸铋作为电润湿装置的介质层,以特氟龙作为表面改性材料的电润湿装置不仅成功的控制了油滴的收缩和扩张,而且获得的电润湿效应十分明显,在11 V电压下出现效应,在较高电压下稳定显示,并且漏电流较小,这说明镨锰掺杂铁酸铋这种多铁性材料具有的高介电常数适宜作为介质层加入到电润湿装置中,未来可以期待铁酸铋,钛酸钡等多铁性材料在电润湿领域内的广泛应用。

参考文献

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多介质理念篇5

工业污水再生利用是缓解我国用水资源紧张和水环境污染的有效途径。钢铁厂污水具有水量大、便于回用的特点, 很多钢铁企业把综合废水经污水厂处理后的中水, 再经反渗透处理, 作为锅炉补给水处理系统的给水、循环水的补充水, 具有良好的经济效益和社会效益。

目前, 承德钢铁厂1000m3/h一级除盐水系统为“多介质过滤器+超滤+反渗透”系统和6000m3/h二级除盐水系统, 原水采用污水处理厂回用中水。该系统的工艺流程如图1所示。

该系统自2011年9月投产以来, 一直担负着为烧结余热、炼钢汽化冷却、连铸结晶器和焦化干吸焦发电等生产提供充足、合格的除盐水。从运行的参数看回收率能达到63%, 虽然产水量随运行时间的延长有所下降, 但该厂的反渗透系统在经济运行方面取得了很好的效果。

1 多介质过滤器和超滤系统稳定运行措施

该厂首次在反渗透系统中使用了“多介质过滤器+超滤”前置预处理设备。从运行经济性和可靠性方面考虑, 超滤的出力决定了整个系统的最佳出力为110t/ (h·列) , 这就要求超滤每列至少满足反渗透进水量的要求。超滤的运行机理和超滤前置预处理设备, 使得整个系统易受污水处理厂出水等突发性水质异常影响。

因此, 解决超滤实际运行中的问题, 稳定超滤运行产水量是实现反渗透系统运行效果稳定的关键所在, 是重中之重。

1.1 影响超滤稳定运行的因素

该厂使用的超滤膜运行方式为外压式, 原水在一定压力下通过管外流动, 溶剂及小分子溶质透过膜成为超滤液, 原水被浓缩为浓缩液, 从而达到部分溶剂及溶质分离、浓缩的目的。超滤过程为动态过滤过程, 单从运行机理上看, 膜一般不易被堵塞。但是, 随着运行时间的加长, 由于膜面及膜孔的吸附和截留作用, 超滤膜逐渐被堵塞, 通水量减少。因此, 超滤本身的运行特点决定了其稳定运行的必要性。

1.1.1 进水水质要求

为保证UF安全稳定运行, 进水水质要求如下:

1) 浊度不大于5 NTU (经多介质过滤后) ;

2) 水温为5~40℃;水回收率为90%;p H值为6~9;

3) 进水压力最高不大于0.20MPa, 正常使用0.10~0.15MPa。

1.1.2 水质变化影响

进入雨季, 该厂有部分地表水进入污水厂, 有机物含量升高, 仅经多介质过滤器无法彻底过滤, 使得超滤进水中有机物明显增多。若预防处理不及时, 特别是多介质过滤器反洗不及时, 造成过滤器失效的情况下, 水中存在的一些杂质会在短时间内污堵超滤膜, 超滤产水量明显降低。很难依靠PLC程序控制定期的反洗超滤而冲洗清洁, 大量的有机物短时间内就可使产水量降低, 过膜压差超过0.1MPa。从而被迫进行化学清洗。

1.2 稳定超滤运行的措施

1) 在实际运行中, 采用定期逆向水反洗和气反洗的方法, 及时冲洗掉超滤运行过程中膜面及膜孔的吸附和截留的物质, 并根据进水水质变化调整反冲洗间隔时间和工作时间。

2) 加装各种在线水质监测仪表, 实现对进水水质的连续监督, 便于及时发现水质变化 (如在线COD仪、浊度仪、余氯监测仪和SDI仪等) 。在微机上设置报警参数, 及时报警, 岗位运行人员据此及时分析水质, 果断采取措施, 可以实现最快最有效地遏止水质异常对超滤产水量的影响。

利用在线浊度仪, 监测季节性突发水质变化, 及时切断浑浊水源, 排掉进入系统中的异常水质、冲洗系统。利用在线COD仪、余氯仪和SDI仪, 监测到相应的水质指标超标情况, 及时调整阻垢剂、还原剂、杀菌剂等的加药量。加强与相关岗位的联系协调, 及时掌握水质变化, 提前做好预防措施, 发现异常及时消除系统故障等。

3) 对已被污染、产水量明显降低的超滤, 及时对超滤进行有效的化学清洗, 恢复其产水能力。清洗需根据UF实际污染程度确定是整组清洗或是分单列清洗。根据每组超滤的污染程度, 调整超滤清洗方式, 选择次氯酸钠、次氯酸钠+柠檬酸、次氯酸钠+柠檬酸+次氯酸钠中其中一种清洗方式。这样既能达到良好的清洗效果, 又能节省了清洗药剂不必要的浪费。该厂水处理系统一期4组超滤某次异常, 清洗前后的效果比较如表1所示。表中数据说明及时采取此项措施的有效性。

4) 加强对保安过滤器前后压差的监督。根据压降极限值, 通过运行实验确定滤芯更换的压降值达0.1MPa时更换滤芯。

2 反渗透系统稳定运行措施

反渗透作为深层过滤技术, 因其运行高效、产水稳定、日常运行费用低而在水处理系统中广泛应用。针对系统运行过程中出现的问题, 及时深入分析诊断, 采取合理反渗透系统运行维护的技术和管理措施, 避免反渗透系统膜元件的劣化, 合理延长膜使用寿命, 是系统运行管理的关键。

2.1 RO进水水质的控制

对反渗透系统给水进行控制的关键是保证预处理效果的稳定。如前所述, 针对该厂系统运行实际, 建立了以稳定超滤产水量为核心的一整套应对异常情况, 确保设备稳定运行的措施。同时, 建立了反渗透系统进水污染指数定期监测制度, 以检测和调整措施的有效性。通过实际运行效果看, RO进水污染指数SDI要求不大于2, 进水余氯小于0.1mg/L。

2.2 预防措施

2.2.1 加药控制

在反渗透保安过滤器之前投加还原剂、阻垢剂和非氧性化杀菌剂, 是控制RO进水余氯, 抑制系统结垢和对细菌及藻类杀菌的有效方法。投运初期还原剂选用Na2SO3, 但运行半年后发现该药易在药箱和加药管中结晶导致堵塞, 后经反复验证将还原剂Na2SO3更换为Na HSO3, 消除了还原剂结晶问题。选用汤纳TPT0300阻垢剂和DROSG881非氧化性杀菌剂在中水反渗透系统中使用1a多来, 效果良好, 每次设备清洗, 反渗透系统都无结垢现象, 打开一段反渗透膜元件也无藻类物质及菌落现象, 说明非氧化性杀菌剂达到应有现象。

2.2.2 停运保护

为防止停用时, 在含有阻垢剂的情况下形成的压稳态盐类析出而结晶和避免生物的滋生与污染, 针对膜材料和装置停运实际情况, 选择合适的停运保护方法十分必要。该除盐水站担负着为高炉密闭、烧结余热、轧钢汽化、连铸结晶器提供除盐水以及改善循环水水质的任务, 除进行清洗外, 一般停运时间都不超过24h, 因此采用低压给水冲洗的方法。如规定关机前应停投阻垢剂, 并用反渗透产水冲洗10min;停运期间要每8h冲洗1次。

2.2.3 运行方式的调整

反渗透装置的运行要以保持流量, 稳定水质, 取得设计的回收率和不超过设计运行参数为原则。在各项运行参数发生如下变化时要及时调整运行方式。

1) 当给水温度变化较大时, 可通过调整给水压力进行补偿调节, 但不能超过极限值和设计规定值。

2) 如给水水质变化, 当进水TDS增加过大时, 应降低回收率, 以避免膜表面的浓差极化。

3) 正常运行时不用最高流量, 以避免频繁开停设备而降低膜寿命, 同时也可降低给水压力运行或回用部分产品水。

3 反渗透的清洗

3.1 反渗透污染结垢的原因

1) 浓缩倍率增加。

盐类在膜表面的蓄积和沉淀使原水中SO42-、Mg2+、Ca2+、HCO3-等离子在运行过程中随着淡水的不断提取, 浓度会逐渐增大, 当这些离子达到饱和浓度积时, 就会析出产生沉淀。

2) 有机物污染。

地表水溶氧呈饱和状态, 为细菌、藻类及其他有机物的存活创造了条件。

3) 胶体污染。

地表水的氢氧化铝铁胶体和硅胶含量较多, 一般过滤手段难以去除, 也易在膜表面蓄积造成污堵。

4) 悬浮物质污堵。

3.2 反渗透的化学清洗条件

下列情况出现时需要及时清洗膜元件:

1) 标准化产水量降低10%;

2) 进水和浓水之间的压差上升了15%;

3) 标准化透盐率增加10%~15%;

4) 系统各段压差明显上升。

一般以设备最初运行48h所得到的运行记录为标准化后的对比数据。

3.3 清洗方式的选择

3.3.1 顺流清洗和逆流清洗比选

顺流清洗就是清洗剂流向与运行时水流方向一致的清洗方式。逆流清洗是清洗液与运行时水流方向相反的清洗方式。顺洗是普遍采用的清洗工艺, 对胶体污堵、结垢污堵的清洗效果较好。理由是被清洗物质易化学溶解, 且结垢主要在二段, 所以脱落溶解后易随水流冲出。由于结垢的成分主要是碳酸盐垢, 主要沉积于二段, 因此生产中多选用顺流清洗的方式。多次清洗的实践也证明了顺流清洗的效果要优于逆流清洗的效果。

3.3.2 分段清洗和混合清洗比选

膜厂家对膜的清洗要求是分段清洗, 且各段应配制新药剂, 目的是预防交叉污染。在此基础上进行了混合清洗试验, 即用同一箱药对一、二段进行动静交替、串联清洗。多次清洗试验证明, 分段清洗效果优于混合清洗的效果, 因此生产中也多选用分段清洗方式。

3.3.3 动态清洗和动静交替清洗比选

动态清洗就是一直以流动状态清洗到结束。动静交替清洗就是流动状态时将温度、p H值等调好后, 再静态浸泡一段时间的清洗方式。

试验说明, 动静交替清洗效果比单一动态清洗效果好。这是因为单一动态清洗冲刷, 剥落下的污物被冲压到格栅的边角处成为死角, 其分散、溶解的时间增长。至静动浸泡时, 压实的污物又还散到药液中, 反应溶解加快。因此, 选用动静交替的清洗方式。

3.4 清洗效果 (以某次清洗为例)

随着运行时间的延长, 膜的产水量逐渐降低, 脱盐率升高。对其进行化学清洗, 清洗后的产水量有较明显的增长, 段间压差也相应减小。

反渗透清洗效果对照表, 如表2所示。

4 结语

“多介质过滤+超滤+反渗透”系统在钢铁厂水处理的应用中运行维护的要点为:

1) 以稳定超滤运行产水量为运行的中心, 综合采取各种运行和维护手段, 实现预处理设备的稳定有效运行, 满足反渗透系统安全可靠的进水要求。

2) 以延长反渗透膜运行寿命为重点, 采取各种正确合理的运行维护措施, 预防反渗透膜结垢污染, 避免膜劣化和膜损坏。