CN111423053A

CN111423053A - 一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法

Info

Publication number: CN111423053A
Application number: CN202010178889.8A
Authority: CN
Inventors: 侯俊; 杨梓俊; 苗令占; 尤国祥; 吴淼; 龚雪滢
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2020-03-15
Filing date: 2020-03-15
Publication date: 2020-07-17

Abstract

本发明涉及一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法，包括如下步骤：（1）格栅拦截，（2）原位絮凝处理，（3）曝气浮选，（4）污泥截留与处理，（5）河道生态系统构建。本发明处理河道黑臭水体效果好、见效快、所需设备少，操作简单同时运行维护方便，所使用的改性植物单宁绿色无害、成本低廉，不仅可以高效去除黑臭水体中的污染物，而且可以全面恢复河道生态系统，明显提高水体自净能力，形成良好的生态平衡，保证水体长期稳定达标，是一种绿色环保高效的治理方法。

Description

一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法

技术领域

本发明是一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法，属于污水处理技术领域。

背景技术

对于水体，尤其是城市水体，是承载城市文明与发展的重要载体，如今多功能景观城市水体已成为人们新的精神文化需求，更是一个城市品质的标志之一。然而，随着城镇化进程加快，城市人口快速增加，产生的废水日益增多，导致城市水体污染事件频频发生，也影响了人们的健康和城市形象。因此，城市河道黑臭水体亟需治理。

絮凝处理技术是一种通过投加絮凝剂去除污染物以达到改善水质的污水处理技术。对严重污染的水体如黑臭水体的治理，絮凝处理技术显示出其在快速和高效方面一定的优越性。但是，目前普遍使用的传统絮凝材料均存在不同的优缺点：无机絮凝剂价格便宜，但铁盐类无机絮凝剂（如硫酸铁、聚合硫酸铁）储存和稀释稳定性差，容易产生氢氧化物沉淀，且残留的铁离子有一定的色度，影响水质，铝盐无机絮凝剂（如硫酸铝、聚合氯化铝）残留的Al³⁺会威胁人体健康；人工合成高分子絮凝剂（如聚丙烯酰胺）絮凝效果好且性质稳定，但其难以生物降解，合成单体会对水生生物产生毒性作用，可能对生态系统会造成二次污染；粘土矿物类絮凝剂来源广泛、绿色环保、就地取材，但其投加量高、产生污泥过多。而且，上述絮凝材料的絮凝处理效果容易受水体环境变化的影响，这极大的限制了絮凝处理技术在黑臭水体治理中的推广应用。

近些年，来源广泛、成本低廉、可生物降解、无二次污染的高效天然絮凝剂越来越受到关注。植物单宁又名植物多酚，是植物体复杂酚类的次生代谢产物。自然界中植物单宁的储量非常丰富，主要存在于植物的皮、根、叶和果肉中，是仅次于纤维素、木质素、半纤维素的第四大林副产品。由于植物单宁的等电点较低（pH 2.0~3.0），而黑臭水体中的污染物以负电性为主，所以通常需要进过化学改性才能用于黑臭水体的处理。我们通过曼尼希反应将氨基引入到植物单宁的化学结构，合成了具有黄酮类结构的改性植物单宁。改性之后植物单宁的等电点明显增加（pH 7.0~8.0），絮凝能力显著提高，具有高效易处理、适用范围广、天然环保可降解、无毒无害无二次污染的特点。虽然改性植物单宁有很好的污染物去除效果，但通常被用于黑臭水体的短期应急强化处理，如果要使黑臭河道水体长期稳定达标，还需要配合其他的生态修复措施。

发明内容

本发明提出的是一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法，其目的在于针对现有技术存在的缺陷，基于改性植物单宁絮凝—气浮核心技术，并结合其他河道水体的修复方法，提出了一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法。可以有效提高黑臭水体的治理效果，大量去除黑臭水体和底泥中的污染物，恢复水体自净能力，提高河道生物多样性，是一种绿色环保高效的治理方法。

本发明的技术解决方案：一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法，所述治理方法的具体实施步骤如下：

（1）格栅拦截：在河道上游设置格栅带，阻挡水体中的漂浮物；

（2）原位絮凝处理：在格栅带下游设置絮凝区，在絮凝区投加改性植物单宁絮凝剂，通过絮凝作用与水体中的污染物一起形成絮体；

（3）曝气浮选：在絮凝区下游设置曝气浮选区，在该区域底部布置微纳米曝气装置，微气泡裹挟沉降的絮体在浮力作用下上浮，并在水面聚集形成漂浮性絮状污泥；

（4）污泥截留与处理：在曝气浮选区下游设置污泥回收区，聚集在水面的污泥随水流进入到污泥回收区，使用污泥截留设备对水面污泥进行收集；进一步地，在河道两侧设置污泥处理装置，通过浓缩、稳定、脱水和干化等步骤得到干化污泥，其可用作河道两侧景观树木和草坪的营养土基；

（5）河道生态系统构建：

① 水生植物的生态恢复：建立供植物和微生物生产和繁衍的复合纤维浮动湿地；

② 水生动物的恢复：在河道内引入浮游动物、鱼类和底栖生物。

本发明中，在河道上游设置格栅，拦截黑臭水体中较粗大的漂浮物和悬浮物，定期清理格栅截留的筛渣；在格栅下游的河道设置絮凝剂投加区，分散在水体中的絮凝剂与污染物充分碰撞结合形成微絮体，在水流作用下大量微絮体进一步结合形成较大絮体并在重力作用下沉降下来，水中COD、氨氮、总氮和总磷在这一区域被大量去除，水体明显变清，恶臭气味基本消失；在絮凝剂投加区下游设置曝气浮选区，在此区域河道底部设置纳米曝气装置，其产生的大量高度分散的微气泡粘附在沉降到底部的絮体表面或进入絮凝颗粒的疏松结构中，导致絮体密度变小从而在浮力作用下上升到水面；使用污泥截留设备回收漂浮在水面上的含污染物的絮凝体，进一步通过包括浓缩、稳定、脱水和干化等在内的一系列措施对污泥进行处理处置；在污泥截留区下游布置以复合纤维浮动湿地为主体的生态系统恢复区，利用复合纤维浮动湿地中基质、微生物和植物形成的净化系统，通过物理、化学和生物作用净化水体，实现水生植物的生态恢复，在此基础上，向河道中引入浮游动物、鱼类和底栖动物，全面构建河道水生态系统，明显提高水体自净能力，形成良好的生态平衡，保证水体长期稳定达标。

优选的，在格栅拦截步骤中，沿着水流方向依次设置粗格栅、中格栅和细格栅。

优选的，在原位絮凝处理步骤中，絮凝剂选用一种天然絮凝剂-改性植物单宁。改性植物单宁合成方法为：二乙胺和甲醛在四颈瓶中反应得到亚甲基二胺，植物单宁和1，4-二氧六环溶解后，加入亚甲基二胺，搅拌均匀后加入酸催化剂，酸的量为0.02 mol/g 植物单宁，在40 ℃下恒温反应4 h，然后加入环氧氯丙烷，继续反应4 h终止反应；减压蒸馏分离溶剂，得到改性植物单宁。其中，主要化学药剂的用量比如下，二乙胺：甲醛：植物单宁：1，4-二氧六环：环氧氯丙烷=1:1:1:2:1.5~2（摩尔比）。

优选的，所述絮凝剂进行投加时，根据水体流速，灵活调整絮凝剂储备液的投加速率，使用药剂管道投加装置，末端通过多孔喷头均匀地将絮凝剂分散到水体中，保证水体中改性植物单宁的浓度大约为50~100 mg/L。本发明中改性植物单宁的投加量是根据室内实验而得到的最佳投加剂量，在保证较高絮凝效果同时不会造成浪费及成本的提高。

优选的，曝气浮选步骤中，在满足水深的条件下，沿水流垂直方向的水底布置多排所述微纳米曝气装置，每排每隔20 m布置一台，每台曝气装置安装三个微纳米曝气头，采用间歇曝气，每次曝气12 h，每两次曝气间隔2 h，确保水体的溶解氧水平在5 mg/L以上。

优选的，所述复合纤维浮动湿地中水生植物种植种类包括浮水植物、沉水植物和挺水植物等。所述浮水植物为睡莲、水葫芦和荇菜中的至少一种。所述沉水植物为伊乐藻、苦草、菹草和金鱼藻中至少两种及以上的组合。所述挺水植物为芦苇、再力花、鸢尾和美人蕉中至少两种及以上的组合。所述的水生植物需要人工进行定期筛选，修剪过量生长的植物，清理枯死的植物。

本发明的有益效果：本发明提出了一种以改性植物单宁为基础的城镇黑臭河道水体的原位治理方法，具有成本低、效果好、见效快、所需设备少、操作简单和运行维护方便的优点，是一种绿色环保高效的治理方法。经过治理后的黑臭水体，各项指标均可以达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）地表水Ⅳ类以上标准。

附图说明

附图1是一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法的流程图。

附图2是一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法的实施例的工程布置示意图。

图中：1为粗格栅，2为中格栅，3为细格栅，4为絮凝剂储备液装置，5为絮凝剂微纳米曝气装纸投加管路系统，6为微纳米曝气装置，7为刮泥机，8为污泥挡板，9为污泥浓缩操作单元，10为污泥稳定操作单元，11污泥脱水操作单元，12为复合纤维浮动湿地功能单元，13为浮游动物。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中实施例中的技术方案进行进行详细的具体描述，所描述的实施例仅是本发明的部分实施例，并不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

如附图1/2所示，本发明提出一种城镇黑臭河道的原位治理方法，包括如下步骤：

（1）格栅拦截：在河道上游设置格栅带，阻挡水体中的漂浮物。将格栅拦截步骤分为三个步骤：

① 粗格栅拦截，在河道上游设置粗格栅带1，拦截水体中大粒径漂浮物。

② 中格栅拦截，在粗格栅带下游设置中格栅带2，拦截较大的漂浮物。

③ 细格栅拦截3，在中格栅下游设置细格栅带，进一步拦截河道中较小的漂浮物。

其中，栅距最大的为粗格栅，可以阻挡垃圾、树枝等大粒径悬浮物；栅距较小的为中格栅，可以阻挡布条、木板等较大悬浮物；栅距最小的为细格栅，可以阻挡砂石等小粒径悬浮物。同时需要定期对格栅前的阻挡物进行清理。粗中细三种格栅的栅距范围分别为50~100 mm、10~40 mm和1.5~10 mm。水体通过三条格栅带后，水面漂浮物基本被清理完全，这有助于提高后续处理单元的处理效果。

（2）原位絮凝处理：在格栅带下游设置絮凝区，在絮凝区投加絮凝剂，絮凝去除水体污染物。传统絮凝剂如铁盐和铝盐虽然具有成本低，效果好的特点，但高投加量产生的大量污泥以及金属离子毒性作用导致的二次污染都限制了其大规模推广应用。本发明中使用的改性植物单宁克服了传统天然絮凝剂电荷密度小、分子量低、不稳定、溶解性不好的缺点，在使用中具有用量少、絮凝速度快、受共存盐类pH值及温度影响少，生成污泥量少并且可回用等特点，同时具有天然环保可降解、无毒无害无二次污染的优势。改性植物单宁集絮凝、脱色、除臭等多种功能于一体，在城市河流污水处理、黑臭水体修复、生活污水及工业废水处理等领域中均有很好的应用前景。

通常情况下，黑臭水体中悬浮物表面呈负电性，当正电性改性植物单宁进入水体后，与悬浮物颗粒发生强烈的电荷吸引并靠近，当悬浮物表面的电荷被完全中和后，微粒间彼此的静电排斥作用降到最低值，从而使得颗粒相互靠近，聚集并最终沉降。另外，由于改性植物单宁是一种长链聚合物，其可以像桥梁一样，通过自身活性基团与微粒表面发生相互作用，搭载在两个或者更多的微粒上，从而将不同的颗粒连接形成絮凝团，大量絮凝团在水体扰动下碰撞聚沉。

我们开展了改性植物单宁对地表水和实际生活污水的实验研究，当投加量为100mg/L时，城市污水的浊度有82.5 NTU显著下降到0.5 NTU，浊度去除率接近100%。改性植物单宁一般可通两种方式达到对水体氮磷的高效去除。一方面，长链改性植物单宁表面丰富的活性位点可与溶解态的氮磷发生结合；另一方面，改性植物单宁与SS形成的微小絮凝体，其在沉降的过程中会与颗粒态的氮磷发生碰撞，后者会附着在絮凝体表面，发生共沉降而去除氮磷。通过开展室内实验发现改性植物单宁对城市污染水体有很好的去除效果，结果表明投加量为50 mg/L时，COD去除率达到92.8%，总氮总磷含量分别由0.25 mg/L和1.542mg/L下降到0.104 mg/L和0.198 mg/L。

（3）曝气浮选：在絮凝区下游设置曝气浮选区，在该区域底部布置微纳米曝气装置。向水中鼓入空气所形成的气泡，需克服分子引力以及表面能。空气在引入水中时被切割得越细，其会具有更大的比表面积，也将拥有更多的自由界面能，导致热力学上的不稳定性加强。因此，为了使自身的表面能得以降低，这些气泡具有吸附铁盐水解所形成的絮凝物质的趋势。在微气泡与絮凝物的结合过程中，气泡可通过与絮凝物碰撞粘附在一起，或者微气泡进入絮凝颗粒的疏松结构中，被絮凝颗粒包卷，从而将絮凝物浮起。

（4）污泥回收与处理：曝气浮选区水面产生的污泥随水流进入到污泥回收区，利用水面污泥截留装置回收污泥，在河道两侧设置污泥处理装置，回收的污泥依次通过浓缩、稳定、脱水和干化等步骤减少污泥量并使其稳定，便于污泥的运输与最终处置。其中采用重力浓缩减少污泥体积，投加石灰消解污泥中的有机物获得稳定的污泥，随后采用机械脱水将污泥含水率降低到80%以下获得泥饼，可作为营养土基体堆放于河道两侧，其上可种植景观树木和草坪。

（5）水生植物恢复：建立供植物和微生物生产和繁殖的复合纤维浮动湿地12，构建河道水生态系统，全面提高水体自净能力，形成良好的生态平衡，保证水体的长期稳定达标。复合纤维人工湿地是一种环保复合纤维材料搭建的类似人工湿地的新型水生态设施。

在成熟的复合纤维浮动湿地系统中，标准化模块纤维和植物根系吸附量大量微生物形成生物膜，污水流经复合纤维浮动湿地根系区域时，污染物在基质纤维、植物根系和微生物的共同作用下得到去除。大量的悬浮物被基质和植物根系上附着的生物膜截留；有机污染物通过微生物的呼吸作用分解；N、P等营养物质被植物吸收同化去除，同时也在好氧、缺氧和厌氧环境中硝化、反硝化、聚磷等微生物过程中被去除。复合纤维人工湿地能够直接作用于布设的水体，可以满足各类水位变化要求，土地占用面积小，构建快捷，具有单位面积处理效率高，适用范围广，使用寿命长等优点。复合纤维人工湿地不仅具有污水治理功能，而且兼具水景观效果，是一种全新的水生态设施。

本发明使用复合纤维浮动湿地的基本技术参数如下：① 单体模块尺寸（m）：2.0×1.5×（0.13~0.15）；② 采用绿色环保的复合纤维材料，孔隙度超过90%，平均比表面积为1:1000；③ 植物种植孔为20~25个/m²；④ 稳定后的浮动湿地的植物两对于5株/m²；⑤ 平均承重为35kg/m²。

（5）水生动物恢复：在恢复水生植物系统的基础上，恢复水生动物生态系统，可以实现河道生态系统的全面构建。在河道中引入浮游动物、鱼类和底栖动物，其中浮游动物和鱼类是生态系统食物网的重要组成部分，水体污染物的大量去除为两者提供了生存环境。清淤等过程提升了河道底质条件，原位絮凝过程改善了水质条件，复合纤维浮动湿地的构建恢复了水草，这为底栖动物的恢复创造了环境条件。

需要注意的是，水生动物的修复应遵循从低等向高等的净化缩影修复原则，以避免导致河道生态系统不稳定。当进行水体植物生态修复和多样性恢复后，首先开展水体现存物种调查，随后优先引入水生昆虫、螺类、贝类、杂食性虾类和蟹类，待群落稳定后，再引入肉食性的迅猛鱼类。

修复过程中，水生动物应选择不同季相的种类，水生昆虫、螺类、贝类的投放密度一般为50~100个/m²，杂食性虾类和蟹类的投放密度一般为5~30个/m³，底栖动物选择水蚯蚓、羽苔虫等，投放面积占2 km滨岸带恢复区的水面面积的10~20%。

如表1实验中对模拟黑臭河道水体的治理效果表所示，本发明提出的河道黑臭水体的原位治理方法，可以有效提高黑臭水体的治理效果，大量去除黑臭水体和底泥中的污染物，恢复水体自净能力，提高河道生物多样性。

表1 一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法的治理效果表

Claims

1.一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法，具体步骤如下：

（4）污泥截留与处理：在曝气浮选区下游设置污泥回收区，聚集在水面的污泥随水流进入到污泥回收区，使用污泥截留设备对水面污泥进行收集；

（5）河道生态系统构建：建立供植物和微生物生产和繁衍的复合纤维浮动湿地，在河道内引入浮游动物、鱼类和底栖生物。

2.如权利要求1所述的一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法，其特征是所述步骤（1）格栅拦截中，沿着水流方向依次设置粗格栅、中格栅和细格栅，粗中细三种格栅的栅距范围分别为50~100 mm、10~40 mm和1.5~10 mm。

3.如权利要求1所述的一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法，其特征是所述步骤（2）原位絮凝处理中，改性植物单宁絮凝剂合成方法：二乙胺和甲醛在四颈瓶中反应得到亚甲基二胺，植物单宁和1，4-二氧六环溶解后，加入亚甲基二胺，搅拌均匀后加入酸催化剂，酸的量为0.02 mol/g 植物单宁，在40 ℃下恒温反应4 h，然后加入环氧氯丙烷，继续反应4 h终止反应；减压蒸馏分离溶剂，得到改性植物单宁；其中，主要化学药剂的摩尔比如下，二乙胺：甲醛：植物单宁：1，4-二氧六环：环氧氯丙烷=1:1:1:2:1.5~2。

4.如权利要求1所述的一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法，其特征是所述步骤（2）原位絮凝处理中，絮凝剂进行投加时，根据水体流速，调整絮凝剂储备液的投加速率，使得水体中改性植物单宁的浓度为50~100 mg/L；使用药剂管道投加装置，末端通过多孔喷头均匀地将絮凝剂分散到水体中。

5.如权利要求1所述的一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法，其特征是所述步骤（3）曝气浮选中，在满足水深的条件下，沿水流垂直方向的水底布置多排微纳米曝气装置，每排每隔20 m布置一台，每台曝气装置安装三个微纳米曝气头，采用间歇曝气，每次曝气12 h，每两次曝气间隔2 h，确保水体的溶解氧水平大于5 mg/L。

6.如权利要求1所述的一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法，其特征是所述步骤（4）污泥截留与处理中，使用水面污泥截留设备回收污泥，在河道两侧设置污泥处理装置，将回收的污泥依次通过浓缩、稳定、脱水和干化获得干化污泥，用作河道两侧景观树木和草坪的营养土基。

7.如权利要求1所述的一种基于改性植物单宁的河道黑臭水体的原位治理方法，其特征是所述步骤（5）河道生态系统构建中复合纤维浮动湿地中水生植物种植种类包括浮水植物、沉水植物和挺水植物等，所述浮水植物为睡莲、水葫芦和荇菜中的至少一种，所述沉水植物为伊乐藻、苦草、菹草和金鱼藻中至少两种及以上的组合，所述挺水植物为芦苇、再力花、鸢尾和美人蕉中至少两种及以上的组合。