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西安建筑科技大学黄廷林教授团队:水源水库水质污染原位控制与改善技术与装备工程应用

2022-04-14 作者: 编辑:环境学院 来源:西北城镇水资源再生利用与水质安全保障团队

中国科学院生态环境研究中心科萤书院公众号报道我校黄廷林教授团队系列科研成果:水源水库水质污染原位控制与改善技术与装备工程应用。

近年来,水库作为城市主要供水水源,水质污染事件频繁发生,内源污染和富营养化不断加剧,藻类大量繁殖,氮、磷、铁、锰、嗅味、硫化物季节性和周期性超标严重,直接威胁城市供水。如何有效实现水库水质原位控制与改善已成为供水领域的国际性难题。

西安建筑科技大学黄廷林教授团队研发了扬水曝气技术为核心的系列水质原位改善技术及装备,形成了从理论研究、关键技术研发与设备研制到工程应用的系列创新性成果。

扬水曝气系统由核心设备多功能扬水曝气器以及压缩空气制备系统、供气管路等组成。空压机制备的压缩空气通过输气管道以连续流方式输送至扬水曝气器底部,实现了底层水体的循环高效充氧,消除了厌氧环境,有效抑制了沉积物内源污染释放;同时,集聚形成的气弹,通过导流筒带动下层低温水体快速上升,造成水库上下层水体的垂向混合,破坏藻类光合作用条件,有效抑制了藻类繁殖。

针对水源水库原位脱氮难题, 又将研发的无机电子供体驱动好氧反硝化脱氮技术与扬水曝气技术相耦合,开发了扬水曝气强化生物水质原位改善技术与装备,实现了在抑制沉积物内源污染和控制藻类繁殖的同时,利用好氧反硝化等功能菌的代谢作用,实现水中氮、磷、有机物的原位削减,提高了水体的生态净化功能,使水质得以进一步改善。

团队以扬水曝气技术为核心先后研制出了全层导流式扬水曝气器、淹没式扬水曝气器,以及强化底层充氧扬水曝气器和强化生物扬水曝气器等1-4代技术设备67台套,并已成功应用于山西汾河水库、西安黑河金盆水库、山东周村水库、西安李家河水库与石砭峪水库、深圳茜坑水库等5省市7座水源水库的水污染应急控制与水质改善工程。

应用实践表明,扬水曝气及其强化生物水质改善技术可削减氨氮90%以上、藻类85%以上、铁和锰80%以上、嗅味物质90%以上、总磷70%以上、总氮20%-70%、溶解性有机物20%-50%,实现了水源水库水质污染的源头控制,有效保障了城市水源水质安全。与水厂末端处理相比,水质污染应急处理成本降低90%以上,环境、社会与经济效益极为显著。

扬水曝气及其强化生物水质原位改善技术与装备典型案例介绍如下。

1. 山西太原汾河水库扬水曝气水质改善工程

2005年3月,山西太原汾河水库因底泥内源污染释放导致氨、Fe、Mn、色度严重超标。山西引黄工程总公司面向全国招标,最终确定采用扬水曝气技术。该应急工程是在水库坝前安装了11台全层导流式扬水曝气设备(图1)。系统运行后,水库底部溶解氧提升至3.0mg/L以上,氨降至0.05mg/L以下(与工程实施前同期相比降低95%),Fe和Mn低于检测限,有效控制了水库的水质污染。

图1 山西汾河水库扬水曝气水质改善工程(2005.12,设备11台)

2. 西安黑河金盆水库扬水曝气水质改善及技术改进工程

针对西安黑河金盆水库藻类高发、Fe/Mn周期污染问题,分别于2009年和2013年实施了水库水质原位改善工程和技术改进工程。2009年在水库坝前主库区布设了8套全层导流式扬水曝气设备(图2),系统运行后库底DO提高到2.5mg/L以上;氨削减90%,总磷削减92%,铁削减80%以上,锰低于检测限;叶绿素-a削减95%以上,藻类削减85%。

图2 西安黑河金盆水库扬水曝气水质改善工程(2009-2010年,设备8台)

针对黑河金盆水库运行水位变化影响系统运行及底层水体充氧效率偏低等问题,2013年对扬水曝气系统进行了技术改进,进一步优化了设备安装高度,并将原第一代8套全层导流式扬水曝气器改造为淹没式强化底层充氧扬水曝气器(图3),水体混合效率、充氧效率和水质改善效果得到进一步提高,同时运行成本也大幅降低。

图3 西安黑河金盆水库扬水曝气技术改进工程(2013年,设备8台)

3. 山东周村水库扬水曝气水质改善工程

针对山东周村水库藻类高发、Fe/Mn/硫化物超标严重等突出问题,2015年在水库实施了扬水曝气水质改善工程,安装了8台强化底层充氧扬水曝气器(图4)。系统运行3周后,水中锰、氨、总磷、硫化物分别削减99%、91%、77.5%和98.6%。扬水曝气强化了好氧反硝化生物脱氮作用,首次实现了水库的原位高效脱氮,总氮去除率高达66.7%,水质达到III类标准,水质改善效果显著。

图4 山东周村水库扬水曝气水质改善工程(2015年,设备8台)

4. 陕西延安红庄水库扬水曝气水质改善工程

针对延安红庄水库藻类、氨、总磷、嗅味及有机物等严重污染问题,2017年4月在水库实施了扬水曝气水质改善工程,安装了5台强化底层充氧扬水曝气设备(图5)。系统投入运行后,藻密度降至500万个/L以下,氨、总磷、嗅味及有机物均满足饮用水水源要求,取得了良好的水质改善效果。

图5 陕西延安红庄水库扬水曝气水质改善工程(2017.04,设备5台)

5. 西安李家河水库扬水曝气水质改善工程

针对西安李家河水库藻类高发问题,2017年底在水库实施了扬水曝气水质改善工程,安装了8台强化生物扬水曝气器(图6)。2018年6月扬水曝气系统运行后,库底溶解氧提高到6 mg/L以上,混合充氧效果显著;与往年同期相比,水库藻密度削减98%以上,相较运行前藻密度削减90%以上;水库中高锰酸盐指数由4.09 mg/L削减至2.21 mg/L,平均削减46%;总氮削减27%。嗅味得到有效去除。扬水曝气系统的运行使水库混合时间提前3个月以上,诱导水库持续自然混合时间延长至6个月,实现了水库水质的持续改善,有效保障了西安市饮用水水质安全,产生了显著的社会效益和经济效益。

图6 西安李家河水库扬水曝气水质改善工程(2017.12,设备8台)

6. 针对西安石砭峪水库底泥内源污染严重、藻类高发等问题,2018年在水库实施了扬水曝气水质改善工程,安装了6台强化生物扬水曝气器(图7)。2019年扬水曝气系统投入运行后,库底溶解氧提高到6 mg/L以上,混合充氧效果显著,有效抑制了底泥中氨氮、Fe、Mn、总磷的释放;与往年同期相比,水库藻密度削减90%以上,有效保障了西安市饮用水水质安全,社会效益和经济效益显著。

图7 西安石砭峪水库扬水曝气水质改善工程(2018.12,设备6台)

7. 深圳茜坑水库扬水曝气强化生物水质改善工程

为解决茜坑水库藻类爆发导致水体pH值超标、有机物污染以及水体热分层期底泥中Mn、氨等污染物大量释放导致的水质污染问题,深圳市水务局通过全国调研和多次考察论证,最终决定采用扬水曝气强化生物水质改善技术与装备。在茜坑水库老库区,安装了具有强化生物功能的第四代扬水曝气设备11套(图8)。工程于2021年7月建成,系统试运行后,彻底解决了茜坑水库主库区的水质污染问题,藻密度降至500万个/L,蓝藻同比削减90%以上,解决了水体pH超标问题,Mn浓度由运行前超标2-3倍削减至检测限以下,削减95%以上,从根本上解决了水厂Mn超标问题。同时,系统运行强化了水库自净能力,水质综合改善效果明显,产生了显著的经济效益和社会效益。

图8 深圳茜坑水库扬水曝气强化生物水质改善工程(2021.07,设备11台)

团队介绍:西北城镇水资源再生利用与水质安全保障团队

“西北城镇水资源再生利用与水质安全保障”科研团队2008年入选教育部创新团队。团队带头人黄廷林,二级教授,博士生导师,西安建筑科技大学副校长,全国模范教师,享受国务院政府特殊津贴专家,“新世纪百千万人才工程”国家级人选,第七届和第八届国务院学位委员会学科评议组成员,教育部土木工程类专业教指委委员、给排水科学与工程专业分教指委副主任委员,环境工程国家重点学科带头人、陕西省水污染控制与水质安全保障协同创新中心主任、陕西省土建学会给排水专业委员会主任。发表学术论文600余篇,出版著作7部,授权发明专利60余项,主编教材3部。团队成员15人,其中教授6人,副教授5人,博士后4人。

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