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廢水污染控制技術下載

發布時間:2023-06-15 23:12:47

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簡介:《水污染控制工程》是根據教育部高等學校環境科學與工學科教學大綱的要求編寫的。全書以點污染控制和非點污染控制的方法為主線,既系統地介紹了經典的水污染控制技術,又對近年來發展起來的高級氧化技術、膜生物反應器、A/O工藝、生物強化處理技術、水體修復等新技術作了詳盡的介紹,突出地反映了環境科學與工程學科的有關新概念、新理論、新技術、新工藝,力求使教材內容現代化。全書重在反映各種處理方法的基本概念、基本原理、設計計算、設備與操作以及工程應用等內容,具有結構合理、體系完整、內容新穎、重點突出、科學實用等特點。

《水污染控制工程》可作為高等學校環境科學與工程專業本科生的教材,亦可供從事水污染控制工作的工程技術人員和有關管理人員使用,還是國家注冊環保工程師職業資格考試人員的參考書。

⑵ 水污染控制系統的理論技術

城市污水和工業廢水是水體污染的主要污染源,有多種處理方法可供選擇,其中生物處理以其能耗省、運行費用低、實現污染物徹底無害化等諸多優點而被大多數城市污水處理廠作為首選;而工業廢水常含有有毒有害物質,需進行特定的處理。本研究方向發揮微生物學、化學、高分子化學、流體力學、運籌學等基礎學科優勢,長期在城市污水處理和工業污染防治領域進行探索與研究,形成以下研究理論技術:
1、城市污水生物處理的理論和技術,包括:
1)生物脫氮除磷機理、以及胞內聚合物的合成與轉化機理的研究。首次弄清了胞內有機聚合物在好氧、無營養缺陷條件下胞內聚合物形成機理。承擔了國家自然科學基金等四項省部級以上研究課題,多篇研究論文被SCI、EI收錄。在此基礎上開發了「胞內碳源脫氮新工藝」,申請國家發明專利已公開。
2)高效、低耗城市污水常溫厭氧生物處理與新工藝開發。針對城市廢水生物處理工藝能耗高的問題,深入研究厭氧生物處理的機理,開發高效厭氧反應器,結合清潔能源的利用,較好地解決了厭氧反應器冬季運行的問題,開發出適用於低濃度城市廢水常溫處理新工藝,承擔國家「863計劃」二級子課題一項。
3)大型污水處理廠運行工況研究與優化。包括在實際生化過程中胞外有機聚合物形成機理與及其對處理效果的影響,新型處理構築物(如折流式沉澱池)的流態,新工藝(如三槽式氧化溝)工況特點及其運行周期優化等,開發出適用於中國城市污水處理廠工藝和進水條件的工藝模擬與優化軟體,實現污水處理廠新擴建或改造方案的理性決策,以及污水處理廠的長期有效、低成本和達標運行;污水處理回用技術和在線智能控制等。獲國家自然科學基金一項和大型污水處理廠的項目六項,解決了上海竹園污水處理廠(170萬 m3/d),上海石化股份公司水質凈化廠(170萬 m3/d),上海寶鋼(集團)公司等大型污水處理廠的實際運行問題。
4)分子生物學在生物處理工藝中的運用。利用分子生物學手段,分析生物脫氮除磷系統中硝化菌、反硝化菌,聚磷菌、聚糖菌等數量分布及作用;研究厭氧系統中降解有毒、有害有機物的菌屬,進行分離、純化,得到高效優勢菌種。從分子生物學的水平為生物脫氮、除磷機理,新型反應器的開發,指導大型污水處理廠的運行等提供理論支持。
2、工業廢水處理與資源化理論與技術,包括:
1)有毒、有害有機物的厭氧生物處理機理及新工藝開發。對常溫厭氧處理高濃度有毒、有害有機物,厭氧過程中的硫酸還原菌的作用等做深入研究,發表多篇SCI、EI收錄論文,並獲國家自然科學基金重點項目「硫酸還原菌中納米粒子的原位生成和還原過程中的協同作用」。
2)膜分離理論,耐污染、高效分離膜的製造及應用。先後承擔了國家自然科學基金項目「水在聚合物中的狀態及其同膜的分離性質」,以及上海市科委項目二項、市經委項目一項,發表多篇SCI、EI收錄的論文,獲多項發明專利。
3)污染治理過程中資源的綜合利用研究與應用,完成了中法國際合作項目「用滲透蒸發技術回收在污水中的揮發性有機物」,開發出「造紙黑液中提取絮凝劑、木質素的方法」等資源化技術,獲四項國家發明專利。
4)新型高分子處理葯劑的合成與應用。如含磷多元共聚物水處理劑的合成與應用,羧酸類接枝型高效減水劑的合成與分散機理等,獲多項發明專利,大量生產,並被上海寶鋼(集團)公司等大企業再生產中使用,產生良好的經濟效益。

⑶ 水體污染的治理方法

水動力控製法。它是利用井群系統通過抽水或向含水層注水,人為地區別地下水的水力梯度,從而將受污染水體與清潔水體分隔開來。根據井群系統布置方式的不同,水力控製法又可分為上游分水嶺法和下游分水嶺法。水動力法不能保證從地下環境中完全、永久地去除污染物,被用作一種臨時性的控制方法,一般在地下水污染治理的初期用於防止污染物的蔓延。

水體污染原位處理法:

1.加葯法

通過井群系統向受污染水體灌注葯劑,如灌注中和劑以中和酸性或鹼性滲濾液,添加氧化劑降解有機物或使無機物形成沉澱等。

2.滲透性處理床

適用於較薄、較淺含水層,一般用於滲濾液的無害化處理。在污染羽流的下游挖一條溝,該溝挖至含水層底部基岩層或不透水黏土層,然後在溝內填充能與污染物反應的透水性介質,受污染地下水流人溝內後與該介質發生反應,生成無害化產物或沉澱物而被去除。

3.土壤改性法

利用土壤中的黏土層,通過注射井在原位注入表面活性劑及有機改性物質,使土壤中的黏土轉變為有機黏土。經改性後形成的有機黏土能有效地吸附地下水中的有機污染。

4.沖洗法

對於有機烴類污染,可用空氣沖洗,即將空氣注入到受污染區域底部,空氣在上升過程中,污染物中的揮發性組份會隨空氣在上升過程中,污染物的揮發性組份隨空氣一起溢出,再用集氣系統進行收集處理。

5.生物處理法

原位生物修復的原理實際上是自然生物降解過程的人工強化,它是通過採取人為措施,包括添加氧和營養物等刺激原生微生物的生長,從而強化污染物的自然生物降解過程。另外,強化措施還可以從微生物的角度人手。在地表設施中對微生物進行選擇性的培養,然後通過注射井注入到受污染區域。一般情況下,原位生物修復要與井群系統配合進行,即通過抽水機與注水井的配合,以加速地下水的流動及氧和營養物的擴散,從而縮短處理時間。

⑷ 目前城市污水的現狀及處理措施

城市污水處理工作是社會發展的一重要組成部分,選擇恰當的城市污水處理工藝意義非凡。因為污水處理工藝的好壞雖不是社會發展的中心卻牽動著中心的發展,雖不是保護環境的重點,卻可波及到環境保護的成果。好的污水處理工藝具有投資成本低、工作效率高、操作方便簡單、處理效果達標且可回用等優勢。本文主要探討當前城市污水處理的一些方法。
在我國經濟快速發展的今天,環保問題,特別是城市污水處理已成為各國研究的熱點。在這種經濟體制下,我國城市污水處理的管理機構和管理方式等方面一直沿襲舊的經營管理模式,對污水處理設施方面的建造、設備運行和價費行使統一管理、分級領導的體制,給城市污水處理相關行業導致了很多弊端。城市污水的治理對改善城市水環境,保障城市經濟發展起著關鍵的作用。
一、城市污水的特點
城市污水指人類生活所產生的污水,以洗滌污水和排泄物等為主。城市污水的排量和居民生活水平有關,其排量較大,平均每人每日產生污水150-400L。城市污水有區別於工業污水,但也成為了當今社會的一個主要污染源。目前,除磷技術是城市污水處理的瓶頸問題。因為污水中含有的高量氮、硫、磷等物質在厭氧細菌作用下,極易生惡臭物質污染環境。此外,污水中還含有大量的病原菌、病毒和寄生蟲卵等微生物,以及糖類、脂肪、蛋白質等有機物,和一系列金屬物和鹽類物質。
二、城市污水處理的重要性和迫切性
我國淡水資源十分緊缺,人均擁有量為2300立方米,僅相當於世界人均擁有水平的1/4。更不為樂觀的是我國的城鎮污水:自1997年起,居民污水排放量首次超越了工業污水排放量(城市污水排放量占總排放量的45%),開始位居污水治理工作的首位。從而我國全面加強了城市污水的治理工作;1999年,城市污水污染負荷超過了工業廢水污染負荷,我國水污染控制重點也從工業污染轉變成了城市污水污染。到 2003 年,全國廢水排放總量為 460 億噸,其中城市生活污水排放量占污水排放總量的53.8%,為247.6億噸;廢水化學需氧量(COD)排放總量1333萬噸,其中生活污水占總量的61.6%,為821.7萬噸。如此醒目的數字說明了我國水污染的嚴峻形式,以及城市污水的嚴重所在。
據有關資料統計,我國的生活污水大多未經處理就直接排人江河湖海,比例高達80%。400億立方米的年排污量,污染了全國1/3以上的水域。專家指出,水污染無疑加重了水資源帶姿的緊缺程度,更為嚴重的是直接威脅到人類的生存環境及飲用水安全和工農業發展的進度。目前,城市污水已慢慢侵蝕人類的生存環蠢羨絕境,成為僅次於洪水、乾旱等自然災害的污染。而我國城市水污染之所以如此嚴峻,其主要原因是污水處理率低,導致污水未經處理直接排放到河流,由此,加強污水處理力度迫在眉睫。
三、污水處理常用方法探討
1.活性污泥法 活性污泥法具有處理能力高,出水水質好的優點,也是目前全球採用最為廣泛的處理城市生活污水的途徑。該方法是在人工充氧條件下,對污水和各種微生物群體進行連續混合培養,形成活性污泥。利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用,來分解並去除污水中的有機污染物。活性污泥法的主要組成部分有曝氣池、沉澱池、污泥迴流和剩餘污泥派渣排放系統組成。具體流程為:①曝氣池作為一個生物反應器,容納廢水和迴流的活性污泥形成的混合液;再通過曝氣設備充入空氣,使氧溶人混合液,產生好氧代謝反應;同時保證混合液得到足夠的攪拌處於懸浮狀態,使廢水中的有機物、氧氣同微生物能充分接觸反應。②混合液進入沉澱池後,懸浮固體經沉澱後和水分離,就有凈化水流出沉澱池。同時沉澱池中的污泥迴流(稱為迴流污泥)進曝氣池,確保曝氣池內保持一定的懸浮固體濃度和微生物濃度。此外,在曝氣池中的生化反應引起微生物的增殖,微生物流經沉澱池時又被消除,來達到維持活性污泥系統的穩定運行的環境。活性污泥除了有氧化和分解有機物的能力外,還要有良好的凝聚和沉降性能,以使活性污泥能從混合液中分離出來,得到澄清的出水。
3.生物膜法 生物膜法也是污水生物處理的常用辦法。該方法的工作原理為通過去除廢水中的溶解性有機污染物來達到凈化的目的。生物膜法的適用對象主要為中小規模的的污水處理系統,在南方運用更為廣泛。具體流程為:污水和附著在介質「濾料」表面的微生物形成的生物膜接觸反應後,生物膜中的微生物會溶解去除有機污染物,將其轉化為水、二氧化碳等物質,有機物消失達到凈化的目的。
3.氧化法 據氧化劑的種類及反應器的類型,可將氧化法分為化學氧化法、催化氧化法、(催化)濕式氧化法,光催化氧化法、超臨界氧化法幾個種類。目前,氧化法處理污水採用率較高,且前景較為廣闊,但其中的化學氧化法操作簡單,但運行成本高且效果不佳,因此,採用率普遍不高。
4.氧化塘處理技術 氧化塘處理技術,是指污水中的有機污染物通過在塘中生長的微生物的代謝作用被氧化分解,達到凈化效果的一種污水處理技術。該技術投資小、構造簡單、運行維護管理方便、凈化效果好、節省能耗,在國內外城鎮污水處理領域被廣泛應用。
然而,污水處理在實際建設和運營中有著很多障礙,比如資金問題。因為與污水處理是一項側重於環境效益和社會效益的工程,因此資金問題往往成為了效果的瓶頸。總的說來,城市生活污水處理研究和應用領域,目前普遍存在以下問題:①傳統的活性污泥法,往往運行費用高,設備不能滿足高效低耗的要求,且易出現污泥膨脹現象;②現隨著污水排放標準的不斷嚴格,污水中氮、磷等營養物質的排放要求逐步提高。而可以去除氮、磷物質的工藝就是活性污泥法了;但是活性污泥法只有形成多級反應池,通過增加內循環來達到脫氮除磷的目的,這樣運行管理就更加復雜且各項費用也會大幅度提高;③目前城市污水的處理多以集中處理為主,龐大的污水收集系統的投資遠遠超過污水處理廠本身的投資。因此,如何使城市污水處理工藝朝著低能耗、高效率、少剩餘污泥量、最方便的操作管理,以及實現磷回收和處理水回用等可持續的方向發展,已成為目前水處理技術研究和應用領域共同關注的問題。
綜上所述,城市污水處理是一個迫在眉睫的問題,目前越來越多的受到人們的關注。但目前遇到的最到的問題是技術的改良和污水處理實際落實的問題。還希望城市污水廠和相關部門提高技術水平和管理水平,投資進行新技術的研究,保護好人們賴以生存的寶貴的水資源環境。

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⑸ 地下水污染的控制與恢復

由於地下水一旦被污染,很難在短期內得到恢復,所以應積極採取預防措施,控制地下水污染的發生。對遭受污染的地下水,要及時採取有效的治理措施,使水質得到盡快恢復。該項工作不僅涉及社會各方面和政府各部門,還要充分注意到技術上的可行性和經濟上的合理性。為此,必須利用系統工程的觀點和方法,將科學管理與先進技術緊密結合起來,主要做好下述幾個方面的工作。

5.5.1 控制地下水污染的行政措施

(1)首先要通過宣傳教育,提高廣大群眾的「環境意識」和「珍惜地下水資源的意識」,讓全社會都關注地下水保護工作。

(2)必須從中央到地方建立起一整套賦有行政和法律權利、又有專業職能的行政及專業機構,對包括地下水資源在內的水資源進行統一、科學和嚴格的管理與保護。水資源的管理和保護機構可以按行政區劃或按水文地質單元來設立,以便形成一元化的有權威的管理機構。其職能應該是:指揮和協調有關部門對水資源的開發與保護;監督和檢查排廢單位的排放情況是否合乎規定;管理管轄范圍內的水文地質資料;組織管轄區內防止地下水污染方面的科學研究,為制定與修改有關地下水資源保護的法令、法律條款提供技術論證;管理建井工作;落實並監督有關地下水資源保護的規劃、法律和法令的實施情況等等。

(3)實行以法管水。我國已先後制定了環境保護法、水污染防治法、徵收排放費暫行法和基本建設項目環境保護法等一系列法令、法規。尤其《中華人民共和國水污染防治法》第五章第三十二至第三十六條,為防止地下水污染提供了法律保證。各主管部門依據國家的有關法規,應結合本地的具體情況進行落實和實施監督。

(4)在執行水資源保護法時,必須貫徹獎勵與懲罰相結合的方針。對於實行綜合利用、化害為利的單位,應給予減稅、免稅和價格政策的優惠。但對於置國家法律而不顧、隨便排放「三廢」,肆意污染地下水資源的企事業單位應給予經濟制裁,按造成的危害程度判決不同數額得罰款,情節嚴重的,對當事者要追究刑事責任,對受害單位和個人給予賠償。

5.5.2 控制地下水污染的技術措施

5.5.2.1 嚴格控制污染源的排放

如前所述,降水對固體廢棄物堆的淋濾,大氣中的各種污染物隨雨水、降雪落到地面,均可隨水滲入地下,液體廢棄物更會直接攜帶污染物入滲,污染土壤和地下水。由於對固體廢棄物和大氣污染的防治另有章節討論,故不再贅述。這里僅針對液體廢棄物而論。

5.5.2.1.1 改進生產技術,發展無污染的新工藝。如在電鍍工藝方面,實行無氰電鍍或微氰電鍍,消除或減輕了氰的污染。

5.5.2.1.2 發展封閉系統、重復利用廢水,減少污水排放量。如加拿大在1976年就建造了世界上第一座不排廢水的紙漿廠,廢水和化學品在封閉系統中循環使用。

5.5.2.1.3 加強企業的技術改造,實行廢水資源化。如造紙廠用水量極大,所排廢水中含有大量有機物和某些化學葯品,將紙漿廢液中的鹼和木質素回收,已經產生了很大的經濟效益和環境效益。

5.5.2.1.4 堅持嚴格的廢水排放標准,不僅要控制其污染物的濃度,而且還要控制其排放總量。

(1)已經產生的液體廢棄物(廢水)向地面水水域和城市排水管網排放,必須嚴格執行「國家污水綜合排放標准」(GB8978-88)。對於低於標准中限值的廢水,方可向環境中排放。該標准將排放的污染物按其性質分為兩類:①第一類污染物,指能在環境或動植物體內蓄積,對人體健康產生長遠不良影響者,含有此類有害物質的污水,不分行業和污水排放方式,也不分受納水體的功能類別,一律在車間或車間處理設施排出口取樣,其最高允許排放濃度必須符合表5.3所列規定;②第二類污染物,指其長遠有害影響小於第一類污染物質,

表5.3 第一類污染物的最高允許排放濃度(mg/L)

在排放單位排出口取樣,其最高允許排放濃度和部分行業最高允許排水定額必須符合表5.4所列規定。按地面水域使用功能要求和污水排放去向,對向地面水水域和城市排水管網排放的污水分別執行一、二、三級標准:①特殊保護水域,指國家GB3838-88《地面水環境質量標准》Ⅰ、Ⅱ類水域,例如城鎮集中式生活飲用水水源地一級保護區、國家劃定的重點風景名勝區水體,不得新建排污口,現有的排污單位由地方環保部門從嚴控制,以保證受納水體水質符合規定用途的水質標准;②重點保護水域,指國家GB3838-88Ⅲ類水域和《海水水質標准》Ⅱ類水域,例如城鎮集中式生活飲用水水源地二級保護區、一般經濟漁業水域、重要風景游覽區等,對排入這些水域的污水執行一級標准;③一般保護水域,指國家GB3838-88Ⅳ、Ⅴ類水域和《海水水質標准》Ⅲ類水域,例如一般工業用水區、景觀用水區、農業用水區、港口和海洋開發作業區等,排入這些水域的污水執行二級標准;④對排入城鎮排水管網並進入二級污水處理廠進行生物處理的污水應執行三級標准。對排入未設置二級污水處理廠的城鎮排水管網的污水,必須根據排水管網出水口受納水體的功能要求按上述②、③條規定,分別執行一級或二級標准。

表5.4 第二類污染物最高允許排放濃度(mg/L)

(2)應按流域或區域實行污染物排放總量控制。根據流域或區域水的環境容量確定允許該水體的污染物容量,稱為「容量總量控制」;根據一個既定的環境目標或污染物消減目標確定排污單位的污染物排放總量,稱為「目標總量控制」。在確定了允許排入水體的污染物總量後,也應按總體規劃分配至各污染源,確定其最大允許排污總量。根據允許的污染物排放總量,各地環保部門可要求排污單位限期治理,發放排污許可證,並通過對污染物排放量的監測確保水體的環境質量。

5.5.2.2 加強對液體廢棄物的處理

對不能達到排放標準的廢水進行有效的處理,使其所含的污染物分離出來,或將其轉化為無害的物質,從而使污水得到凈化。

現代的污水處理技術,針對不同污染物的特性,發展了各種不同的污水處理方法,按其作用原理劃分為四大類;即物理法、化學法、生物法(生物化學法)和物理化學法(見表5.5)。

表5.5 污水處理方法分類表

污水中的污染物質是多種多樣的,不能預期只用一種方法就能夠把所有的污染物去除殆盡,一種污水往往需要通過由幾種方法組成的處理系統,才能達到處理要求的程度。按處理程度劃分,污水處理可分為一級、二級和三級處理。

一級處理的內容是去除污水中呈懸浮狀態的固體污染物,物理處理法通常只能完成一級處理的要求。經過一級處理的污水仍不宜排放,一般還必須進行二級處理。因此,針對二級處理來說,一級處理又屬預處理。

二級處理的主要任務,是對經一級處理後的污水,再用生物法除去污水中呈膠體狀態的有機污染物(BOD)。一般地說,經二級處理後,污水已達到排放標准了。長期以來,把生物法處理作為污水二級處理的主體工藝。近年來,有些國家正在研究和採用化學或物理化學法作為二級處理的主體工藝。

污水三級處理,又稱污水深度處理。污水經二級處理後,仍含有磷、氮、病原微生物和難以生物降解的有機物等,需進行三級處理,以便進一步去除上述污染物或回收有用物質,並能使污水經三級處理後再次復用。三級處理主要是採用物理化學法或土地處理系統。

5.5.2.3 充分利用環境自凈能力

充分利用含水層防污性能,以更有效地防止地下水污染的研究是非常重要的。所謂含水層防污性能,是指在一定地質和水文地質條件下含水層防止地下水污染的能力,其取決於含水系統的結構,包括覆蓋層岩性、厚度、地面破壞程度、地下水類型、埋深、含水層與隔水層的岩性組合、它們的厚度及其在分布上的連續性等。

德國維爾赫夫(H.Verhuff,1981)在考慮含水層防污性能時,主要依據水文地質結構、包氣帶的地質條件及土壤條件、地下水埋深或含水層厚度,把含水層防污性能劃分為五級(圖5.8)。

圖5.8 防止來自地表污染的含水層防污性能分類圖

關於包氣帶即覆蓋層的防污能力,也有採用覆蓋層阻水系數來表示其凈化能力的:

環境地質與工程

式中:B——阻力系數,即液體廢棄物從地表通過包氣帶到達含水層的時間;

m1,m2…mn及k1,k2…kn為覆蓋層各土層的厚度和相應的垂向滲透系數。

這一表示方法的主要問題是未考慮覆蓋層對污染物的化學凈化能力。

在研究含水層防污染性能時還應注意到由於地下水的開發引起水文地質條件的改變所可能導致的地下水污染。如過量開采地下水引起鹹水入侵等。為避免類似現象發生,應該合理地開發地下水。

5.5.3 受污染地下水的恢復

如前所述,由於種種原因,近年來在我國地下水污染呈逐年加劇之勢,如何挽救被污染的地下水使其恢復,是目前水資源保護的一項迫切而艱巨的任務,它已引起國內外環境水文地質工作者的極大興趣。然而,鑒於治理受污染水層是對受污介質和運動著的地下水同時進行處理,技術難度很大,許多方法尚處於探索階段。這里僅簡單介紹目前普遍採用的一些方法。

5.5.3.1 受污染地下水的自然恢復

地下的土層和含水層是具有自然凈化能力的。在污染物進入地下水以及污染物隨地下水在含水層的遷移過程中,發生了一系列的稀釋、機械過濾、中和與沉澱、吸附和離子交換以及生物降解等物理、化學和生物化學反應,可使污染的地下水得到凈化。

由於地質環境的特殊性,地下水在多孔介質中運動極其緩慢,因此,自然凈化所需要的時間也是相當長的,即使是在污染源消除之後,也需要數十年甚至上百年才能使地下水在自凈過程中恢復。

5.5.3.2 人工凈化處理措施

為了加速凈化過程,縮短地下水的恢復時間,可以用人工凈化處理措施來加強地下水的凈化能力,目前常用的有化學處理法和生物處理法。

5.5.3.2.1 化學處理法

化學處理法需要投加化學試劑,該試劑必須針對要清除的污染物,試劑本身及化學反應生成物不應該有任何毒性。生產中已成功採用的化學處理法有如下幾種。

(1)用高錳酸鉀清除砷:As5+與Ca2+和一些離子形式的化合物溶解性很差,因而在氧化條件下所產生的大量的化合物就會從地下水中沉澱出來。

(2)利用臭氧清除石油和氰:向含水層輸入臭氧可以形成分解石油的微生物生長環境,減少溶解有機酸的含量,同時又可促使氰分解。德國曾用此法凈化被石油污染的含水層,其過程是用四口深井抽水時,在井底安裝臭氧混合裝置,使抽到地表的水已與臭氧均勻混合,然後再把抽出的水灌入污染帶周圍的注水井形成一道高地下水位的水牆,阻止了污染地下水的擴散,從而成功地清除了含水層中的石油和氰。

(3)氧化還原條件下去除鐵錳(Vyredox法):Vyredox法是利用向抽水井周圍的含水層注入氧氣來形成高氧化還原電位和高的pH值,使Fe、Mn離子在該條件下被氧化而沉澱出來。

如圖5.9所示,向井中注入不含Fe、Mn離子且富含氧的水,因而Fe2+在距抽水井較遠處即可被較低的氧化還原電位氧化為Fe3+而沉澱下來。在抽水和注入循環過程中,地下水中的微生物也會繁殖起來,相應地,微生物死亡量也會增大,死亡微生物遺體提供了大量的有機碳,又可促使一種能氧化分解Mn的微生物生長,故沉澱去除Mn的作用一般發生在抽水井附近的高Eh 值區域。顯然該方法形成的物理、化學及生物條件是除去污染含水層中的Fe離子,然後再去除Mn離子。

圖5.9 氧化還原電位條件下去除Fe、Mn的原理示意圖

圖5.10 地下水污染的就地包氣法處理

從地下抽出的污染地下水不能直接用於回灌,而是經過專門處理之後才能輸給注水井。凈化含水層時一般都設有多個注水井,而每個抽水井的四周又被多個注水井包圍起來,抽水井和注水井的總數量應由水文地質條件和污染物的濃度來確定。所有抽水井和注水井都用管道系統連在一起,並與曝氣裝置和氧氣輸入裝置相連。抽出的地下水先在地表進行凈化,將所含污染物去除並收集起來,然後再曝氣並輸入氧氣,經過上述過程後才輸向注水井並進行回灌。

用Vyredox法凈化含水層運轉周期短,見效快,1976年在芬蘭研究成功後已逐漸在歐洲一些國家推廣,但適用性受水文地質條件和地球化學條件限制。

5.5.3.2.2 生物處理法

生物處理法可分為就地處理法和抽出處理法兩種。

(1)地下水污染的就地生物處理的形式如圖5.10及圖5.11所示。圖5.10表示了投加營養物、充氧和接種純菌種等一系列人工強化處理的措施。圖5.11則顯示了利用地下滲濾床來就地恢復的例子。滲濾床如同一個生物濾池,污染物流通過滲濾處理床時得到凈化。針對地下污染區營養物質缺乏,復氧困難與土壤顆粒結合緊密,微生物活力很低的特點,人工處理的強化措施有四條:①添加營養物,營養物以氮和磷為主,並加入各種微量元素,溶解在水中注入受污染的含水層;②復氧,地下復氧是極端緩慢的,強化處理採用的是在回灌水中曝氣後注入的充氧方式,在地下污染相當嚴重的地方,還可採用純氧和過氧化氫法復氧;③提高生物代謝能力,提高微生物代謝能力可通過就地激活地下微生物或引入新的適於降解污染物的菌種的辦法來實現;④減小界面張力,用投加化學劑來減小污染物和地下水之間的界面張力,使污染物容易從吸附土壤上脫離,以提高其生物降解性,化學劑包括分散劑、表面活性劑、萃取劑和乳化劑。

圖5.11 地下水污染的就地滲濾床法處理示意圖

就地人工強化生物處理可使污染物濃度降低到小於或等於1mg/L,對地下水的恢復時間可比自然恢復時間提前5~10倍甚至更快。

(2)抽出處理是將被污染的地下水抽出後,在地表進行生物處理,其處理形式如圖5.12(a)和5.12(b)所示。地下水的人工強化生物恢復技術目前已在發達國家中應用了,但是工程的規模都屬於試驗性工程,還有待於進一步的完善。

圖5.12 污染的地下水抽出處理

⑹ 地下水污染源解析技術

1.3.1.1 地下水污染源識別技術

污染源解析體系的建立,主要是污染源解析方法的建立,自20世紀中期以來,國內外學者對污染物在含水層中的運移、控制、修復進行了大量的研究,隨著正問題研究方法以及理論的成熟,污染源識別的反問題逐漸成為研究的重點。源解析的方法根據研究對象的不同可分為擴散模型(Diffusion Model)和受體模型(Receptor Model)。前者以污染源為研究對象,後者以污染區域為研究對象。由於擴散模型需要預先知道污染源的排放量,進而研究污染物的濃度分布或反應機理,但實際情況中我們往往便於得到污染物現狀分布,而源的分布以及排放信息較難獲得。受體模型通過分析源和受體的理化性質識別可能的污染源和源對受體各成分或各監測點的貢獻。20世紀60年代,國外首先在大氣領域開始了受體模型的研究,形成一套定性、定量的方法解析污染源,這些方法逐漸在土壤及水環境污染源解析中得到廣泛應用。受體模型是相對於正向的擴散模型(源模型)而言,是一個反演未知參數的過程,污染源解析現階段沒有明確統一的定義,簡稱源解析、源識別,環境中各種元素和化合物含量的信息蘊藏著各污染源的特徵信號,根據目標環境中檢測到的信號,利用污染源與環境之間的「輸入-響應」關系,結合實際條件判別、解析與評價污染物的來源、位置、排放強度和時間序列等要素即污染源的識別。

1.3.1.2 污染源解析數值模擬技術

地下水溶質運移反問題的研究起源於研究數理方程反問題,地下水污染源解析反問題求解也從其中借鑒而來,其反演演算法主要有優化-模擬、概率統計等。

從20世紀80年代開始,Wagner(1992)首先在數值模擬基礎上,結合線性規劃與最小二乘法,將數值模擬的污染物濃度以響應矩陣形式嵌入優化模型中,進行地下水污染源的識別;Aral和Guan(2001)運用響應矩陣識別地下水污染源,並證明該方法比運用線性規劃方法更有效;Mahar和 Datta(1997)利用優化地下水監測系統來提高污染源識別的效率,利用監測井獲得的數據運用於非線性優化模型中獲得更精確的污染源預測;Atmadja和Bagtzoglou(2001)總結了污染源識別中的數學方法,將方法歸納為優化法、解析解法及概率統計方法和地學統計法。

Datta和Chakrabarty(2009)採用了模擬模型外部鏈接優化模型的方法識別污染源;Singh(2004)等利用人工神經網路法識別未知的污染源,同時研究了遺傳演算法解二維源解析優化模型;Khalil等(2005)綜合利用4種模擬方法(人工神經網路(ANNS)、支持向量機(SVMS)、投影局部加權回歸(LWPR)、相關向量機(RVMS))建立了相對復雜和耗時的數學模型,模擬地下水中硝酸鹽濃度分布。Wang和Zabaras(2006)利用貝葉斯級數法解對流彌散方程,推導過去某一時間污染物濃度分布,研究了地下水連續滲流的污染來源;Bashi-Azghadi等(2010)利用多目標優化模型——非劣排序遺傳演算法Ⅱ,鏈接到MODFLOW和MT3D模型中進行污染源識別,利用並行支持向量機和人工神經網路識別主要污染物。同時還有眾多學者對地下水污染源位置及排放時間序列進行解析。

國內針對污染源解析的研究不多,多集中在地表水及水力參數識別領域。地下水方面,國內學者運用水動力-水質耦合模型,建立了基於貝葉斯推理的污染物點源識別模型,通過馬爾科夫鏈蒙特卡羅後驗抽樣獲得了污染源位置和強度的後驗概率分布和估計量,較好地處理了模型的不確定性和非線性,在反演結果的可靠性和估計的精度方面採用貝葉斯推理和抽樣方法獲得的反問題的解具有信息量大,能給出環境水力學參數的後驗分布且估計精度高的優點,該方法適用於水文地質條件以及水流運移過程相對復雜的多點源解析。

Sidauruk等(1998)提出一種基於解析解的反演方法,該方法只需要合理的污染濃度序列,可以預測彌散系數、水流流速、污染源濃度、初始位置和污染開始時間,利用參數與濃度對數之間的相關系數,取得參數值,但是由於運算基於解析解,該方法只適用於地層條件簡單的均質含水層。Skaggs和Kabala(1994)在一維飽和均質非穩定流模型中運用TR方法,利用復雜的污染物濃度序列,在其他條件未知的情況下,開展源解析工作,指出該方法對數據四捨五入的誤差並不敏感,但精度受污染羽測量誤差影響明顯。

1.3.1.3 污染源解析多元統計法

多元統計方法從統計數據中分析各水質點潛在相關關系,結合實際條件揭露水文地質條件,在污染源解析應用中,無須事先知道污染物源成分譜,適用於水文地質條件簡單,觀測數據量較大,污染源和污染種類相對較少的地區,其優點是運用簡便,可廣泛應用統計分析軟體進行計算,在實際應用中,多元統計方法只能識別5~8個污染源。

(1)因子分析法

因子分析(Factor Analysis,FA)是研究相關陣或協方差陣的內部依賴關系,它將多個變數綜合為少數幾個因子,以再現原始變數與因子之間的相關關系。FA法使用簡單,不需要研究地區優先源的監測數據,在缺乏污染源成分譜的情況下仍可解析,並可廣泛使用統計軟體處理數據。其不足之處在於需要輸入大量數據,而且只能得到各類元素對主因子的相對貢獻百分比。

(2)主成分分析法

主成分分析方法(Principal Component Analysis,PCA)是常用的數據降維方法,應用於多變數大樣本的統計分析中。該方法是對所收集的資料作全面的分析,減少分析指標的同時,盡量減少原指標包含信息的損失,把多個變數(指標)化為少數幾個可以反映原來多個變數的大部分信息的綜合指標。

(3)聚類分析法

聚類分析又稱群分析(Cluster Analysis,CA),它是研究(對樣品或指標)分類問題的一種多元統計方法,即把一些相似程度較大的樣品(或指標)聚合為一類,把另一些彼此之間相似程度較大的樣品(或指標)聚合為另一類。根據分類對象不同,可分為對樣品分類的Q型聚類分析和對指標分類的R型聚類分析兩種類型。聚類分析可用SPSS軟體直接實現,在水質時空變異、水化學類型分區中得到廣泛的應用。

(4)矩陣數據分解法

利用矩陣分解來解決實際問題的分析方法很多,如主成分分析(PCA)、獨立分量分析(ICA)、奇異值分解(SVD)、矢量量化(VQ)、因子分析(FA)等。在所有這些方法中,原始的大矩陣被近似分解為低秩的V=WH形式。正定矩陣分解法(Positive Matrix Factorization,PMF)、非負矩陣分解法(Non-negative Matrix Factorization,NMF)和非負約束因子分析(Factor Analysis with Non-negative Constraints,FA-NNC)是在矩陣中所有元素均為非負數約束條件之下的矩陣分解方法,三者在求解過程中對因子載荷和因子得分均做非負約束,使得因子載荷和因子得分具有可解釋性和明確的物理意義。

(5)混合多元統計法

目前應用的混合多元統計法主要有因子分析與多元線性回歸相結合,因子分析法與化學質量平衡法相結合,因子分析、化學質量平衡法與多元線性回歸3種方法相結合,以上幾種方法也可以和聚類分析或GIS相結合以提高分析結果的准確性。其中因子分析與多元線性回歸結合在水和沉積物污染源的辨析中有著非常廣泛的應用。

1.3.1.4 污染源解析化學質量平衡法

化學質量平衡法(CMB)於1972年由Miller等(1972)第一次提出。CMB法在大氣領域的應用已趨於成熟,美國EPA開發了一系列CMB模型,並得到廣泛的應用。CMB法是基於質量守恆的方法,利用源和受體化學組成的監測數據建立質量平衡模型以定量計算各污染源對地下水中污染物濃度的貢獻率。CMB方法的應用必須滿足幾點假設條件:①特徵污染物成分從源到匯不發生化學反應;②化學物質之間不發生反應;③對受體有明顯貢獻的源均被納入模型;④與不同源的成分譜線性無關;⑤測量誤差是隨機誤差且符合正態分布。主要利用污染源組分濃度與采樣點數據中各污染組分的濃度求線性和,構成一組線性方程,計算各污染源對取樣點的貢獻率。

設通過采樣分析檢測點處成分i的濃度為Xi(mg/L),總共有j個污染源排放點,各排放點處i污染物濃度為Cij,各排放點處成分i對最終監測點處的貢獻百分比為Pij,則

地下水型飲用水水源地保護與管理:以吳忠市金積水源地為例

式中:i——檢測點處各不同組分數;

j——污染源的個數;

Xi——檢測點測得的成分i的濃度值;

Cij——污染源j點處i組分的濃度;

Pij——各j污染源對檢測點處i成分的貢獻率。

根據選擇測定的組分可建立i個方程,當i≥j,聯立方程組原則上可求出Pij,確定各污染源的貢獻率識別主要污染源。

地下水中污染物的遷移轉化是一個復雜而長期的過程,CMB法是否適合運用於地下水污染源解析還需要進一步的研究和探討。

1.3.1.5 解析法與GIS相結合法

各種解析方法能夠與GIS相結合,從時空上反映刻畫污染過程,並為解析提供數據和圖像;GIS最初主要應用於空間分析、顯示和制圖。利用GIS軟體的空間分析功能,分析地下水水質組分空間分布狀況,繪制等值線圖,直觀地反映污染源與地下水水質的相關關系。國內外學者運用GIS技術和多元統計方法對表面水污染進行空間分析及源解析。Ouyang等(2006)分析了表面水水質的季節變化,並根據不同季節找到影響水質的重要因子。Zhou F等(2007)結合多元分析方法及地理信息系統(GIS),對香港東部海灣海水污染的時空分布特徵進行研究,並進行了污染源識別工作,對數據進行預處理,利用聚類分析以及主成分分析減小了數據測量誤差,確定了特徵污染物以及各污染物主要來源。

1.3.1.6 定性及半定量方法

定性及半定量方法主要應用於 PAHs(多環芳烴)解析,迄今已發現的200 余種PAHs中有相當部分具有致癌性和致突變性(Christensen et al.,2007),PAHs主要通過大氣沉降、城市污水和工業廢水的排放、石油的溢漏等途徑進入地表水和地下水,從而導致飲用水水源污染。PAHs 是目前水環境中致癌化學物質中最大的一類(Mnzie et al.,1992)。因此,對環芳烴來源進行解析,進行地下水污染防控也是研究的重點。

⑺ 城鎮污水處理廠污染物排放標准》(GB18918-2002)哪能免費下載

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