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论河湖水处理

河湖水处理的理论和实践

作者:王清熙
              
  半个世纪前中国很落后,但山清水秀,那个时代欧洲很发达,但污染十分严重,许多河湖发臭;今日的中国异军突起,迅猛发展,却也带来了河湖的严重污染,看来任何国家都不能摆脱这样的发展规律。可喜的是,欧洲这半个世纪来在经历痛苦后深深地吸取了教训,投入了大量的人力和巨额的物力,虽然远谈不上根本解决所有河湖水污染,但基本上已经取得了骄人的成绩,大部分河湖已经还清,或基本还清,有的已经着手或准备着各项巨大的还清工程。我国党和政府十分重视环境工程,已经投入极大的人力物力治理河湖,不要半个世纪,而是在20年内,中华大地将可以基本根除污染,达到生态平衡,那时国力空前强盛,山更清,水更美。
实际上我国对河湖污染的处理早在半个世纪前也已经开始了,如对天津市的海河实行“咸淡分家,清浊分流”工程,使殖民地时代列强造成的黑臭海河,次年已经变清。可见对河湖水治理的首要关键是“清浊分流”,截断所有入河的污水,使其流向污水处理厂进行处理,再由上游引入清水或依靠大气降水来补充河水,使河水恢复,达到生态平衡,,这也是欧洲等其它国家的做法。
但是我国人口众多,严重缺水,已经出现无水可引的局面,在这种严峻条件下,如何保持河湖永远清澈、永远秀美,就全世界来说,并无前车之鉴,历史的重担落在当代中国水处理专家的肩上。

    我们对深圳华侨城的所有天然和人工水系几乎都作了处理,如世界之窗的美洲湖、澳洲湖、锦绣中华的翠湖、欢乐谷湖泊和各水系,波托菲诺的燕栖湖,华侨城生态广场的河湖,以及北京的菖蒲河、万泉河,还有玉泉山的九大湖水系的水处理,使用了仿生学的原理,开创了世界上处理景观河湖的先例,取得了巨大的成功。
  
    鉴于国际上对于细菌处理景观水尚处于研究阶段,实施过程中出现的问题很难解决,不像人们想象的那么容易,故没有任何国家处理过任何大型河湖的成功先例。我们摒弃了拿处理污水的思路来处理河湖景观水。特别是去年SARS病毒流传全球,向人类敲起了警钟,用细菌来处理景观河湖的研究带有一定的危险性,因为细菌和病毒的变异是无法预测的,也是无
法阻止的。此外菌种皆由温室中培植,很娇嫩,在自然界中迅速死亡,存活期太短,周而复始地向天然河湖中布撒均匀并非易事,反倒不如向河湖中投撒混凝剂来得快捷、彻底和廉价。

  众所周知,地球的水实际是有限的,生物链形成这十几亿年来,每一滴水不知进入生物体循环往复有多少次,但人类工业污染之后,才形成了不可逆反应,自然界本身对其水体的污染是可以自行修复的,亿万年的地球与地球上的生物发展史告诉人们,只要不对它进行化学污染,依靠地球本身的水系是会自行修复的,天然水体本身有个自净过程,通常我们所说的水体自净,就是这个过程。什么叫水体自净,要讲叙清楚这个问题得分开来说。

  关于河水的自净。先举一个实际例子。北京的官厅水库,由于上游桑干河和沩河的水带有大量有机物质,总氮、总磷严重超标,使得官厅水库的库水严重污染,变成了不能使用的五类水体。从泄水闸下放出的库水水质比五类水更差,但经过83km行程,流至三家店水库时,水质得到大大改善,明显提高到了三类水体。水质这种自净的原理是什么呢?一、呼吸的作用——曝气:瀑布、跌水、湍流、漩涡、急流,使某些气体挥发又使某些气体溶入水中,最有效的是溶入氧气,使可以氧化的有机物和无机物质得以氧化,使水活化,不变质,溶解氧使水得以鲜化的根本原因。二、沉淀过滤作用——平流和潜流。水在河里流动,河道有时窄有时宽,在宽阔处流速很慢,往往能起到沉淀作用。有时又渗入地下(如河床的含砂层)经过一段潜流,再流出来的时候,将水中杂质截流下来,不断改善着水质。三、生化作用——在水生动植物和细菌的生命过程中参与了水的净化过程。这就是河水所客观存在的“免疫”能力。
关于湖水的自净,一、有汇入的河流和流出的河流的湖泊自净与河水的自净相同。二、无汇入河流和流出河流,但有地下潜流,此类湖水和地下潜水不断地交换,水质自然不会变坏。三、既无汇入和流出的河流,有无地下水的交换的湖泊,如粘土湖底、各种人工防渗层的湖底,这种湖就是死湖。湖本身没有任何自净能力,人若创造生态条件是极为困难的,人们无法阻止腐败菌的繁殖,无法使水保持充分的溶解氧,这就是为什么当今世界上对死湖湖水束手无策的原因。大型死湖湖水使用人工培植的生态法,并不能以人的粗浅片面认识可以解决,自然界的生态并不以人的意志而转移。对于当代来说,期待死湖真正的自然生态完全形成是不可能的。
地球上的一切生物都在重复和模拟着地球的规律,一切生物都离不开水,水是一切生命(动物、植物、细菌、孢子、病毒)之源,它们是如何保持它们体内这个微小世界的水质不变坏呢?仍然是模拟了地球水质不坏的三大要素。一、呼吸、排走有害气体,吸入氧气,吐故纳新。动物靠肺呼吸,植物、细菌、病毒靠气孔呼吸,无一例外。二、排除水中有害成分和渣滓。动物靠肾、肠过滤排除,植物靠半透膜,微小生物也是靠半透膜的作用来过滤。三、生化作用。生物体的生化作用就是它的免疫力,我们的世界实际上是充满了细菌、病菌和病毒的世界,任何生命体一旦失去免疫力,它的生命便会结束。
  
  我们对河湖的水处理也必须遵循这样的规律,当前国际上的三类作法,都带有人们的主观片面性,与地球的自然规律不相吻合,自然不会十分成功。当前国际上的四类作法是:一、曝气法;二、过滤法;三、细菌法;四、生物法。把它们有机地结合起来,再加以根本地改变,将成为模拟肺的呼吸+模拟肾的排泄+免疫功能或者叫做:吐故纳新器+过滤器+消毒杀菌器,以这样的环节处理河湖水,将使河湖水永远清澈,永远鲜化、永远活化,永不变质。

  在这一思想认识的指导下,我们经过数十年的努力,成功设计制造出了一种水力自动化全塑水处理系统,也就是我们理解的三大要素:模拟肺,模拟肾,模拟免疫力,才保证了河湖自行更新,永远清澈,有几乎接近饱和的溶解氧,并根本地抑制了细菌和病毒的生长和繁殖,使河湖永远秀美,因此获得了国际发明专利。

水力自动化全塑水处理系统的功能与效果

一、呼吸功能

  
  自然界的水体自净的关键就在于水在流动过程发生的呼吸功能,“流水不腐”不是因为运动,而是运动过程中出现的呼吸功能。急流、旋涡、浪花、跌水、瀑布、拍岸、紊流都会发生气水混合,水向空气中蒸发,水分子逸出,水中溶解的氮、氨氮、二氧化碳、硫化氢、甲烷等带气字头的物质都可能逸出。同时氧气大量溶于水中,使水得到鲜化、活化。水体流动所产生呼吸作用是不容质疑的。地球万物都复制了地球的规律。生物界全部在呼吸,没有不呼吸的生命,因为没有不含水的生命。呼吸的作用都是吐故纳新,排除废气,吸入氧气,使生物的血液、汁液得以净化、鲜化、活化。
  
  给水领域里应该引进“呼吸”功能这个很重要的概念。水力自动化全塑水处理系统经过几十年的发展演变,由实践到理论,由理论到实践的多次反复,已发展到了第15代。越来越突出地强调呼吸功能,强调吐故纳新,有害气体得到有效挥发,溶解氧达到饱和浓度,有利于水中杂质的氧化反应持续进行,使水进入良性循环过程,不断地变好,得到净化、鲜化、活化。

二、发泡除泡—浮选功能

  呼吸作用得到了吐故纳新,但产生了泡沫的堆积。泡沫是什么?泡沫是油质、脂肪、蛋白、酶、氨氮、有机磷、阴离子合成剂、洗衣粉、肥皂泡、苯、酚、萘等有机物质。这些物质发泡以后漂浮在水面,越堆越多,越积越厚,终于从浮选装置逸出排入下水道。河道、湖泊、景观水处理都是无限循环水处理,全部水体要一次又一次地进机处理,曝气发泡要一次又一次地进行,漂浮泡沫时刻被浮选装置溢出排走,有机物质不断地被清除,直至减少到无泡沫产生。此过程使水中发泡的各种有机物质得到较彻底地清除。

三、精滤功能

  按渗井原理级配的复合多层滤料过滤,水按重力自上而下流动。第一层粒径d1=0.8~1.6mm、比重r1=2.4、厚度h1=300mm;第二层粒径d2=0.4~0.8mm、比重r2=3.2、厚度h2=200mm;第三层粒径d3=0.2~0.4、比重r3=4.2、厚度h3=70mm;第四层……。第一层截留颗粒重的97%,颗粒数的3%,第二层截留颗粒重的3%的97%,颗粒数的97%的3%,以下类推。第一层滤料的厚度最大,逐层厚度减薄,每一层都允许透过重量的3%,每一层都没有堵死,都有空隙。最后一层仍然有空隙,只不过此时浊度已经小于0.4度,没有必要再增加过滤的层数。
渗井的特点是,污水虽然浓度大,含污量大,但长期使用不会堵死,不会不再渗水。按此理论设计的精滤机具有同样效能,不易堵塞,不会频繁冲洗,使工作周期大大延长。
按渗井反滤层级配的依据就是着眼污水本身的特性。滤层粒径与污水中分散颗粒,它们之间是相吻合的。污水中的分散颗粒,可以按颗粒大小排列出许多级别,正常规律是颗粒大的这一级与紧靠它的颗粒小的这一级之间的关系基本都是97%和3%的关系 ,上层截留的大颗粒与下层截留的小颗粒存在着一种微妙的比例关系,即上层截留的颗粒重量占总重量的97%,而颗粒数只占3%,而下层截留的颗粒重量又是3%的97% ,以此类推。这就是按渗井反滤层级配的复合滤料层,把污水中的颗粒按层截留,拉开距离,每层都不会堵死,延长工作周期的原因,也是最有效地提高出水水质的原因。
由于这种分层过滤的特点所致,甚至可以达到细菌的去除率90%以上。众所周知,大肠杆菌的粒径是0.5μ,换句话说这种复合滤层可以去除0.5μ以上的所有颗粒粒子,对0.5μ以上的藻类同样得到有效地去除。

四、“免疫”的功能

  所谓水的免疫功能,是水中必须含有微量长效杀菌因子—0.05~0.3mg/l的余氯。它能有效的抑制水中病菌和病毒的繁衍增长,抑制藻类和藻类孢子的增长,防止水生动植物的病变,从而健康成长。长效杀菌因子被称做水的免疫力,就是因为它是保持水质不坏的根本保证,当代变异病毒层出不穷(去年SARS流行,今年禽流感流行)水的“免疫”功能更显得多么重要!
当代水的长效杀菌因子只有一种 — 余氯。而臭氧、双氧水、紫外线、超声波、电磁波等都不是,它们都是短效的、瞬间的杀菌。
对于河湖水处理的杀菌,采用短效瞬时杀菌的作法是一种误解。因为事后细菌马上还会重新繁殖,我们不仅需要水中基本无菌,我们还需要水中有抑制细菌、病菌、病毒和制止它们再次生长繁殖的因子,我们需要水有“免疫力”。
导入银 离子、导入铜离子入水,虽然也都可以称做水的“免疫力”,但它们都严重地影响着水质,而且对水生动植物来说有剧毒,是河湖水处理应该慎重使用的措施。

  凡是使水中产生余氯的,只有液氯和氯的各种制剂,别无其它办法。也就是说,液氯、次氯酸钠、二氧化氯、氯化钙、二氯异氰尿酸钠、三氯异氰尿酸钠、过氯乙酸……凡含氯,又能在水中游离出氯的任何氯的化合物都可以使用。当然也要看它的技术经济指标,才能决定取舍。
 
  世界上没有不用长效余氯的给水厂、污水处理厂、游泳馆池水处理站,也没有任何一个真正成功的河湖水处理不使用长效余氯的成功先例。

河湖水处理的循环周期

  河湖水体的污染处理,在国际上的常规作法都是截污疏导、排水、清淤、导入清水,这种只作水利工程的方法,对于事后再无清水可不断导入的国家和地区来说,那里的河湖水体又都很快恶化。对于只能一次性导入清水的河湖即使导入的清水是优质地下水,甚至全部放入自来水结果都是一样的,都会很快恶化。在炎热的夏季有一个普遍规律,水体水质第一天、第二天能见度基本不变,第三天能见度明显降低,以后每天能见度变化较大,水体一天天变绿、混浊。在第六天、第七天时水体产生臭气。春季、秋季就不是这种规律,水质不易变坏,冬季水质逐日优化,可以得到改善。
  
  河湖水处理是一个全新的领域,在国际上尚处在初期研究阶段,只有对小水体的研究成果,没有一个使大水体彻底改变的成功先例。只有我国才有突飞猛进的发展,我国成功地原因是从事实出发,既不把河湖水处理看成是给水处理,照搬给水处理的作法,又不把河湖水处理看成是污水处理,照搬污水处理的作法,也不把它看成是中水处理,而是按自然界的水体自净规律,模拟生物体血液、汁液自净、鲜化、活化的道理展开研究,开创了循环处理的新理念。

  作为循环水处理来说,首先遇到的问题就是循环水量的问题,换句话说就是循环周期如何确定。国际上循环水处理最成熟的理论莫过于对游泳池循环水处理周期的确定,国际上法定的循环周期是6~8 h,即每天循环3~4遍。河湖水体不考虑人体入水污染,自然要拉长水处理周期。如上所述,因为第三天水体开始显现水质变差,故周期采取2~3天。按处理周期为48~72h设计的工程有北京玉泉山九大湖系、北京万泉河、北京菖蒲河、深圳燕栖湖、深圳欢乐谷河湖水系、深圳锦绣中华翠湖、深圳世界之窗美洲湖、澳洲湖等。根据这些河湖运转几年的情况看,循环周期采用48h是合适的,夏季时水体能见度也可达到1米。一般在暴雨时,都会出现混浊,雨后循环2~3个周期即4~6天后水体又恢复清澈如初,因此循环周期定为48h是合理的。
  
   48~72h作为河湖水的循环周期是遵循:实践—理论—再实践,这样的过程产生的。当然也不是固定不变的。譬如,不同的季节循环周期可以相差很大,凉季可以停机,48h是指炎夏而言,其它季节可以延长循环周期,减少循环水量或停机。因此还有一个后期运转管理的问题,对于水力自动化全塑水处理系统来说,管理极为方便,它是“傻瓜”系统,任意开、任意停,不会出现任何事故。凡观察到水体清澈透亮的时候都可以随时停机。

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