摘要 结合北京奥运会的重点工程——北京奥林匹克公园中心区龙形水系高效过滤、强化去磷系统工程；综合最新的过滤技术、吸附除氨氮技术、除磷技术、除藻技术和介质再生技术，研究开发了集成化的高效的水净化循环处理系统。研究结果表明龙形水系高效过滤、强化去磷系统微絮凝的最佳选择为PAC，最佳投药量为3.0 mg/L；沸石作为本系统吸附除氨氮的主要物质，其介质最好粒径范围：（1.0~2.0） mm，最佳无机改性剂为NaCl，且NaCl 不会造成新的污染，每克沸石具有吸附18.0 mgNH3-N 的极限潜力；本系统最佳的水藻抑制剂为澳大利亚的Alge Strave 高浓缩水藻抑制剂，可以破坏水藻抑制剂，对鱼类未产生不良影响。

1 奥运中心区龙形水系概况

龙形水系总水面面积16.5万m2，水深（0.6 ～ 1.1） m之间，水体体积15.9 万m3。

经水质模型分析，如水体仅进行循环过滤处理，水体每9 d 循环过滤1 次，每天需要循环水量1.77 万m3。

蒸发损失按照北京市朝阳区最大月份约6 mm / d 计算，损失量为0.11 万m3 / d。下渗量按10 mm /（d·m2）计算，渗漏面积为12.2 万m2，损失水量为0.12 万m3 / d。总循环需水量为2.0 万m3 / d。

2 高效过滤系统的组成

高效过滤系统是配套加药装置、混合装置、提升设备、反冲洗系统以及平衡水池等设施。在龙形水系的北端取原水，并将处理后的水再输送回水系的南端，以此来形成循环。

循环净化系统中去除池水浊度由自动过滤系统来完成，循环回水经循环水泵增压后先由自动反洗粗过滤器去除树叶等大颗粒悬浮物，再进入自动高速过滤系统进行过滤，在过滤器前投加絮凝剂，借助在高效过滤器内形成的微絮凝过程，有效去除水体中的悬浮颗粒物，降低水体浊度和去除水体中的部分藻类；可根据水质情况，加入除藻剂可有效防止水体藻类的孳生；同时调节水体pH 值，使水体保持稳定。

3 研究结果和讨论

3.1 微絮凝除磷技术的研究

混凝剂的筛选是混凝工艺的关键步骤之一。本试验选择普通无机盐三氯化铁（Ferric Chloride，FC）和无机高分子聚合氯化铝（Polyaluminium Chloride，PAC）作为混凝剂。FC 作为混凝剂时，所形成的絮体较致密，易沉降； PAC 作为人工预制、具优化形态的聚合物，在混凝过程中可以发挥高效和优良的凝聚和絮凝作用，水质适应性强，适用的pH 值范围较广。本试验通过混凝沉淀烧杯试验对选定的3 种混凝剂进行了比较。3 种混凝剂对龙形水系水体的浊度、COD和TP 的混凝沉淀效果见图1。

图1 3种混凝剂对龙形水系水体的混凝沉淀效果

对于浊度的去除，当投药量< 0.5 mg / L 时， FC 的效能高于两种PAC；当投药量> 0.5 mg / L 时，普通PAC 的效能明显高于FC 和高纯PAC，而后两者的效能相近。

对于COD 的去除，高纯PAC 的效能总体上高于普通PAC 和FC。混凝去除有机物的主要机理包括有机物胶体颗粒脱稳、沉淀、吸附、共同沉降等。试验结果表明，高纯PAC 在电中、脱稳和吸附架桥等方面的综合性能要好于普通PAC 和FC。

对于TP 的去除，高纯PAC 的效能最高， FC 次之，普通PAC 再次之。

综合比较，尽管FC 在TP 去除方面性能好于普通PAC，但在浊度和COD 的去除方面，普通PAC 好于FC；考虑到普通PAC 比高纯PAC 价格低，大规模应用时更经济，所以本研究后续试验中选用普通PAC 作为混凝剂。

在相同的混凝试验条件下，随着普通PAC 投药量的增加，混凝处理后污水的浊度逐渐降低，特别是当投药量叟1.0 mg / L 时，污水浊度有很大降低。从COD的除去效果看，当投药量达到3.0 mg / L 时，效果最佳。不同投量普通PAC 对污水的TP 去除效果如图1中（c），投药量叟3.0 mg/L 时，TP 达到燮0.1 mg / L，TP 除去率达到54.3%，符合设计要求，所以微絮凝的最佳投药量为3.0 mg / L。

3.2 氨氮强化吸附去除的技术研究

氨氮污染的来源很多，且排放量大。沸石具有大的比表面积和可交换的层间阳离子，因而具有较好的吸附和离子交换性能。

3.2.1介质配比的研究

新型的复合沸石型混合滤料由轻质的沸石大颗粒滤料（直径（0.6~1.2） mm，（1.0~2.2） mm 2 种，密度1.2 t / m3）和重质的石榴石（颗粒直径（0.2 ~0.6）mm，密度2.4 t / m3）按一定比例配成，并经过化学处理，使其具有良好的物理吸附性能。该滤料与传统的沸石滤料相比，具有如下显著优势。

（1）出水水质显著提高。采用复合沸石型混合滤料，过滤精度达3 μm，出水浊度低于2NTU。与传统的沸石滤料相比，复合沸石型混合滤料具有更高效去除小粒径的悬浮颗粒物，特别是颗粒直径10 μm 以下的悬浮物，复合沸石滤料比传统的沸石滤料效果好1 倍以上。

（2）低的反冲洗耗水率和反冲强度。复合沸石实际上是一种多孔的矿物，所需的反冲洗强度低于传统的沸石滤料，反冲洗耗水率也明显减少。

（3）复合沸石对水体中的氨氮有较强的去除作用，可显著减少水体中氮的浓度，在一定程度上抑制藻类的生长繁殖。测试结果表明，经（2~3）次循环，氨氮可去除85％以上。

（4）介质不易板结，通过普通反冲洗即可恢复过滤性能。

3.2.2沸石介质最好粒径范围的研究

选择粒径分别为（0.2～0.5） mm、（0.6～1.0） mm、（1.0～2.0） mm、（2.0～4.0） mm 以及（5.0～6.0） mm 的沸石颗粒，各取等量沸石放入500 mL 烧杯中，加入400 mL 渗滤液，用六联搅拌机充分搅拌。对废水氨氮的去除率见表1。

表1 沸石粒径与氨氮去除率

通过研究表明：粒径越小，沸石对氨氮的吸附速度好；当沸石粒径2.0 mm以下，粒径进一步减小，氨氮的去除率没有明显变化，所以得出结论，沸石介质最好粒径范围：（1.0～2.0） mm。

3.2.3沸石吸附容量的提高技术

沸石经过适当的物理化学方法改性后，可提高其吸附性能和离子交换作用。试验采用3 种不同的无机试剂对沸石进行处理，通过无机改性剂使原有封闭孔道畅通，或改变阳离子类型使静电场发生变化，有利于提高沸石吸附容量的性能。

（1）对不同无机改性剂提高沸石氨氮吸附容量进行研究，结果见表2。

表2 不同无机改性剂提高沸石氨氮吸附容量

由表2 可知，经NaCl 改性后的沸石对氨氮饱和吸附容量增强，且氯化钠不会造成新的污染。因此确定NaCl 为改性剂。通过研究表明：每克沸石具有吸附18.0 mg NH3-N 的潜力。

（2）不同NaCl 浸泡时间和物质的量浓度。通过图2、图3 可以看出，初始阶段随着浸泡时间的增加，沸石对NH3-N 的吸附容量提高，超过3 h 后吸附容量基本不再变化。而浓度对NH3-N 的吸附影响曲线显示，吸附容量极大值出现在物质的量浓度0.94 mol/L 左右。

图2 浸泡时间对吸附NH3-N 的影响

图3 NaCl 物质的量浓度对吸附NH3-N 的影响

经过以上研究分析，本课题研究的沸石最佳活化方法：使用NaCl 物质的量浓度0.94 mol / L 的NaCl 溶液浸泡3 h。

3.3 藻类去除技术的研究

龙形水系有以下3 方面因素有利于藻类的生长。

（1）水池水层浅，光照充足，夏季水温升高快，且维持时间长。

（2）水面宽，氮磷等营养物质来源较多。

（3）有较好的pH 条件。

3.3.1藻类污染的防治措施

对于藻类污染，必须采用“以防为主，以治为辅，综合防治”的技术路线，必须把污染控制于未然。发生严重藻类污染，处理起来较为费时费力。

防治藻类污染从3 个途径来进行：一是减少水体营养物质的来源或采用水处理办法减少水质营养物质的浓度，使藻类无法繁殖；二是在藻类还未生长时向水中加入各种藻类生长抑制剂，防止其大面积生长；三是通过物理、化学或生物的方法去除或杀死水体中已存在的藻类。

3.3.2 Alge Strave 高浓缩水藻抑制剂

藻类在水体中部分以悬浮状态存在，但大多数藻类在池壁和池底形成墨绿色底斑点。后一种情况使水体周围形成了一种抗渗透性腊状保护层，使氯化剂受此保护层的阻碍而无法杀死藻群。

通过试验研究使用澳大利亚的Alge Strave 高浓缩水藻抑制剂。通过定期加入水藻抑制剂可以破坏水藻上的腊状保护层，使氯化剂能进入水藻细胞内而杀死它，然后通过本处理系统去除。

此种除藻剂是一种高效广谱性除藻剂，具有以下特点：①广谱性，高效杀死大多数藻类；②去除水藻表面的污泥层，增强氯制剂的效果，氯制剂有协同作用；③经济便宜；④加药量少，经济安全。

3.3.3 Alge Strave 生态药剂的投加方法和投加时间研究

北京冬季气温较低，藻类无法形成，故从4 月份开始检测水系水质，4 月、5 月份均无藻类出现，5 月底水系水质逐渐变浑浊、N、P 含量也逐渐升高，但还没有藻类出现。为了保障龙形水系的水质，人员在龙形水系附近已发现藻类的河道中取水，进行试验研究。试验采用静态观测法，即在水样中分别投加不同剂量的除藻剂，在进行相同的搅拌后保持静态。

在5 个相同的水样（2L）中分别投加Alge Strave，投加比分别为：A 号：0.5 mL / m3； B 号：1 mL / m3；C号：3 mL / m3；D号：5 mL / m3；E号：7 mL / m3。水温保持在常温，试验水样置于有阳光照射的位置，保持空气流通，适宜藻类生长。试验时间为6 月2 日。通过比较可知：5 种不同投加量均能有效地降低水样中的藻类。观察烧杯中的水样，藻类絮凝成絮状物，并不断下沉；水样逐渐澄清， 24 h 后，检测5 个水样，C、D、E 水样检测不到藻类，所以投药量控制在3 mL / m3浓度。

工程运行方式：生态药剂投加系统由溶药箱、搅拌器、计量泵等组成。

根据试验结论，投加量按3 mL / m3，连续投加1周后水系清澈见底无藻类出现。考虑到任何药剂都有不同程度的毒性，投加量越少对动植物的毒性就越小。但同时还要有良好的处理效果，减少投加量，按1 mL / m3，连续投加1 周后水系清澈见底，无藻类出现。为了节省能耗，进一步改成隔1 天投加的方法，连续试验2 周，水系清澈度下降。但仍无藻类出现。再进一步减少投加量，采用隔2 d 投加1 d 的方法，试验1 周后水系清澈度下降，但仍无藻类出现，但试验到第13 d 时水系中可以检测到藻类。为了去除水系中的藻类，首次加药按3 mL / m3，第3天经检测，水系中已无藻类。之后按1 mL / m3 的投药量隔天投加的方法连续运行，定期检测藻类，连续检测1 个月均未发现藻类。10 月份停止加药，定期检测，均未发现藻类。

龙形水系生态药剂的投加时间为：6—9 月份。工程运行方式：当发现水系有藻类出现时首次投药量按3 mL / m3，正常维护情况下按1 mL / m3 的投药量隔天投加。

3.3.4 Alge Strave 高浓缩水藻抑制剂对鱼类生物的影响试验研究

以监测投药量不同情况下Alge Strave 高浓缩水藻抑制剂对鱼的影响。试验共4 个2 L鱼缸，每个鱼缸中均放入相同的湖水及2 条相同的景观鱼，编号为①、②、③、④。其中①号不投加Alge Strave，②号投加2×10-3ml Alge Strave（即投加比1 mL / m3），③号投加6×10-3ml Alge Strave（即投加比3 mL / m3），④号投加10×10-3ml Alge Strave （即投加比5 mL / m3），每周投加1次药剂，试验时间为60 d，从7 月1日至8 月30日，每天向水中连续曝气以供鱼的生存需要。在连续60 d的试验观察中，在加药最初24 h 内，②、③、④号鱼缸中的鱼有轻微的不适反应，如游动少，不活泼，随后几天内，不适反应消失，未见有中毒的迹象；①、②、③、④号鱼缸中的各条鱼均无死亡现象，也无其他异常变化，初步说明Alge Strave 在投加比为1 mL / m3、3 mL / m3、5 mL / m3 时对鱼类是安全的，无致死毒性。

4 结论

通过本试验的研究，采用建设水循环处理系统，利用PAC 微絮凝除磷技术、新型的复合沸石型混合滤料氨氮强化吸附去除的技术和Alge Strave 高浓缩水藻抑制剂藻类去除技术防止了水体出现富营养化和水质恶化，避免频繁换水，减少了水资源浪费。

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作者简介：孟繁龙（1977—），男，硕士研究生。