一种去除地表水中的磷的浮岛处理系统 - 图文 

Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx659中宇宙实验系统由胶合板制成，内衬为40 mil（1 mil= 0.0254 mm）聚氯乙烯（PVC）薄膜，整体占地0.75 m3（宽 0.5 m、长3.0 m、深0.5 m）。建成后，每个中宇宙实验都接种了来自UF污水处理厂和UF校园内的爱丽斯湖的湖水，从而确保多有机体接种。进行中宇宙实验的目的是快速提供有关选择合适的大型植物和生长培养基的基本信息。由于空间和设备的限制，本研究的12个中宇宙实验分两个阶段进行，具体如下。（1）第一阶段EMC：以再生混凝土（RC）为基质的新兴大型水生植物中宇宙实验；EML：以火山岩为基质的新兴大型水生植物中宇宙实验；VET：包含水培香根草（Chrysopogon zizanioides）的中宇宙实验；SAV：包含水生沉水植物金鱼藻（Ceratophyllum demersum）的中宇宙实验；BFJ：含有3个PVC支架（0.5 m×0.5 m）的生物膜中宇宙实验，可容纳0.25 kg垂直于流动方向的黄麻纤维网；BFB：含有3包椰子纤维（0.5 m×0.5 m×0.5 m）的生物膜中宇宙实验，每个重约0.5 kg，安装垂直于流动方向；AGS：藻类洗涤器，由局部藻类饱和的浅通道构成的中宇宙实验。（2）第二阶段PLM：在塑料重磨基质中种植新兴大型水生植物（上述6种）的中宇宙实验；PLV：在塑料重磨基质中种植香根草的中宇宙实验；BIB：仅含有生物球的中宇宙实验，生物球是一种商业上可用的高表面积塑料基板，可以促进生物膜生长，从而有效处理高营养水平污染；PLO：在塑料重磨基质中无植物存在的中宇宙实验；VTF：包含垂直滴滤器，由一个塑料基板和一个用来为悬挂的黄麻帘（0.5 m × 0.5 m）提供水的太阳能泵组成，该中宇宙实验中含有大约0.25 kg的黄麻。2.1.2. 中宇宙实验操作中宇宙实验在白天和夜间间歇循环运行。每天晚上，供应池（图1）进水达到饱和状态，通过加入磷3?酸二氢钾（KH2PO4）提高了进水中的PO4浓度，从而使其达到佛罗里达中部湖泊的预期水平（磷浓度为220?μg·L?1）。此外，为保证体系不受氮的限制，本研究–加入硝酸钠（NaNO3），将硝酸盐（NO3）浓度增加到800?μg·?L?1。由于进水中的磷浓度保持恒定，所以磷的质量负荷主要由水力负荷速率（HLR）控制，本研究通过控制HRL的范围（2.5~60 cm·d?1），改变了中宇宙实（a）大型植物中宇宙实验（ EMC、EML、VEG、PLM、PLV、BIB、PLO）；（b）生物膜中宇宙实验（BFJ和BFB）。 图2. 中宇宙实验结构图。1 in=2.54 cm。660Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx（a）AGS；（b）VTF。图3. 中宇宙实验结构图。验中磷的质量负荷，同时分别测试了植被和生长介质的磷去除效果。 中宇宙实验的目的是快速提供有关选择合适的植物和生长培养基的基本信息。考虑到浮岛的美学问题，本研究中含有新生大型植物的中宇宙实验由能够去除磷的大型开花植物[柔瓣美人蕉（Canna flaccida）、泽泻慈姑（Saggitaria lancifolia）、梭鱼草（Pontederia cordata）、紫茎泽兰（Peltandra virginica）、金棒花（Orontium aquaticum）、水鬼蕉属（Hymenocallis spp.）共10种植物]均匀分布构成。此外，本研究也致力于寻找一种具有足以容纳60 cm·d?1（较高HLR）的孔隙空间的生长介质。本研究在2009年4月24日至7月15日期间进行第一 2009年7月20日至12月15日期间运行第组中宇宙实验，二组。不过，在两组实验的运行期间内，依据其性能，我们可能会停止个别实验或使其运行时间增加。如第一组中宇宙实验中各组的操作时间不尽相同：混凝土粉尘使得pH值较高，因此含再生混凝土基质的中宇宙实验4周后就停止运行；BFJ的磷去除率最高，但是由于黄麻降解耗氧，使得出水中溶解氧（DO）低于湖泊实际应用中可接受的水平；由于BFB的DO值较低，8周后停止运行；初夏时期，SAV中的植被因高温而死亡，因此 ? 6周后停止运行。本研究基于第一组测试结果构建了第二组中宇宙实验，并从一家塑料制造商那里获得了一种因回用质量差而即将进行填埋的塑料重磨材料?。其重磨切屑尺寸约为0.5 cm，且水力特性良好，介质通过横截面的流动可以满足最高60 cm·d?1的要求。此外，我们还测试了具有高比表面积、可以促进生物膜生长（Bioballs，BIB）和具有过滤作用（VTF）的商业塑料基质，其中VTF是一个垂直挂着黄麻条的滴滤式生物滤池，水在上面流出，从而解决了第一组中宇宙实验中BFJ的缺氧问题。在为期148 d的第二组中宇宙实验中，本研究大约每30 d改变一次HLR（由30 cm·d?1增加到45 cm·d?1，然后增加到70 cm·d?1，接着下降到45 cm·d?1，最后降至20 cm·d?1）。其中，VTF中宇宙实验利用太阳能泵将水泵送到黄麻上，从而使之维持在55 cm·d?1条件下运行。2.1.3. 中宇宙实验取样步骤本研究在每个系统的出流处设置了一个滴灌取样孔。在前两个月的实验中，每隔一天收集一次水样，此后每4 d收集一次水样（将棕色不透明纳金样品瓶用水样清洗3次，然后将其放在滴管上，每12 h采集 500 mL的样品），收集后制成日常样品并在4 ℃冷藏（以重磨材料是经过研磨或切碎的闪光灯、流道、喷漆和塑料制造中未受污染的零件，这些零件是由模型机在最初的成型过程中生产的。这些材料被粉碎成更小的尺寸，再用原始材料回收。重磨适用于后工业（消费前）废料。Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx3? 便根据EPA的365.1方法[10]在样品采集3 d内进行PO4661接收形式为粉状，此状态下即可使用。本研究采用的离子交换树脂如表2所示。2.2.2. 实验水 由于杯罐和柱实验的用水量相对较小，本研究直接使用了从佛罗里达中部的桑福德大道运河（杰瑟普湖的支流，靠近佛罗里达州的桑福德）和爱丽丝湖（位于盖恩斯维尔佛罗里达大学校园内）两地收集的水，其 2009年1月至8月的水质情况如表3所示。2.2.3. 杯罐实验 本研究通过杯罐实验检测了吸附剂和离子交换3?树脂对水中TP和PO4的去除效果。吸附剂按重量分析）。此外，每天早晨用秒表和1000 mL刻度塑料圆筒测量流速，并通过调节保持流速恒定，同时需每天测量各组实验中DO、温度和pH值。2.2. 小型杯罐实验和柱实验2.2.1. 材料本研究对吸附剂和离子交换树脂两类材料进行了评价。如表1所述，所评估的吸附剂包括废料副产品和天然材料。将吸附剂、处理饮用水的明矾渣（AR）、铁渣（IS）和钢渣（SS）研磨粉碎后，用美国标准筛30和40进行筛分，得到的粒度范围为420~595?μm。而处理饮用 FR）水的铁渣（、再生混凝土（RC）和石灰石（LS）在实验室条件下干燥后粉碎。此外，F级粉煤灰（FA）的表1?杯罐实验和柱实验所用的吸附剂Adsorbent

Drinking water treatment ARDrinking water treatment FRGranulated blast furnace ISBasic oxygen furnace SSFARCLS

法定量（0.5~8 g·L?1），而离子交换树脂按体积计量（0.5~4 mL·L?1）。本研究所用的实验仪器有：一台装有Source

Peace River Manasota Regional Water Supply Authority,

Arcadia, FL

David L. Tippin Water Treatment Facility, Tampa, FLCivil & Marine Inc., Cape Canaveral, FLLevy Enterprises, Valparaiso, INBoral Materials Technologies, Tampa, FLFlorida Concrete Recycling Inc, Gainesville, FLFlorida Rock Industries Inc., Gainesville, FL

Description

Surface water treatment plant that uses aluminum sulfate to treat water from the Peace River

Surface water treatment plant that uses ferric sulfate to treat water from the Hillsborough River

Non-metallic byproduct from iron productionByproduct of manufacturing steel from pig ironCombustion byproduct of coal

Concrete aggregate collected from demolition sitesNatural rock mined from various locations

表2?杯罐实验和柱实验所用的离子交换树脂Ion-exchange resinPhosXMIEXDowex22

ManufacturerSolmeteXOrica WatercareDow Chemical

Structure

Macroporous polymer resin impregnated with iron oxide particles

Macroporous, polyacrylic anion-exchange resin with strong-base, type II functional groupsMacroporous, polystyrene anion-exchange resin with strong-base, type II functional groups

表3?杯罐实验和柱实验中所用的实验水的水质Location

Sanford Avenue Canal

SampleRawFilteredaRawFiltereda

Lake Alice

RawFilteredaRawFiltered

a

a

Month of 2009April

pH7.67.76.97.67.77.77.67.5

Turbidity (NTU)4———————

3–PO4

?1

(g·L of P)TP (g·L?1)329250195143482423529327

Chloride (mg·L?1)1851855555141416—

Sulfate (mg·L?1)333366191821—

TOC (mg·L?1)141534317.27.18.38.1

UV254 (cm?1)0.6410.5931.631.640.2280.2190.2250.228

AprilJuneJuneJulyJulyAugustAugust

222215107107421387507272

NTU: nephelometric turbidity unit; TOC: total organic carbon; UV254: ultraviolet absorbance at 254 nm. ?Whatman?GF/A?filter.

662Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx2 L或500 mL瓶的Phipps、Bird PB-750杯罐测试仪。基础实验方案为：实验水加入吸附剂或离子交换树脂，在上流式流化床组成，处理柱中含有AR树脂或PhosX树脂（前期实验结果表明这两种材料去除TP效果最好），在100 r·min?1条件下快速混合60 min，然后沉淀30 min。因为相比AR、FA和离子交换树脂，FR、IS、SS、RC和LS更为致密，所以它们在200 r·min?1条件下能快速混合。本研究分别在混合后5 min、30 min、60 min和沉淀30 min时取样，并对其进行TP、PO43?、pH值、浊度、254 nm处（UV254）的紫外吸收度（UV）、总有机碳（TOC）和总氮（TN）的分析，其中UV254和TOC是常用来测定有机物的指标。2.2.4. 柱实验 本研究的柱实验使用的聚乙烯纤维柱内径为0.7854 cm，高度为2 cm，两端孔径为25?μm，并在柱内填充了1 mL的湿吸附树脂或离子交换树脂，那么，根据定义，1柱床体积（BV）等于1 mL。此外，柱子是连接的，允许向上流动。流速被设计为2 mL·min?1或2 BV·min?1。在柱实验开始前，将120 BV的去离子（DI）水泵入到塔内，从而对系统进行冲洗。此后，将待处理的水通过沃特曼GF/A过滤器（1.6?μm孔径）进行过滤，从而防止柱堵塞。本研究在连续流动和间歇流动（12 h开/12 h关闭）两种情况下进行了测试，前者每3 h抽取1 h的样品，后者在白天流动12 h或夜间关闭12 h后取样。本研究将PO43?的预突破浓度设为去除50%时的浓度，此后再多取一个样品以确定实验结束。水样参数分析同杯罐实验。2.3. 浮岛处理系统2.3.1. 材料 图4是FITS的平面图：主体为Hobie Cat?拖带和骨架。此外，在两个拖带之间放置的由聚苯乙烯泡沫塑料组成的浮动结构可以提供额外的浮力，从而可以支撑处理系统的重量[在装满水时为1100~1200 lb1 lb=0.4536 kg）]。生物处理组分在系统处理过程中占主导，其次才是物理-化学组分（P-C处理柱）。其中，生物处理分为两个阶段：首先是水在6个VTF顶部流入，从其底部收集，接下来被引入到4个平行的湿地线性处理单元（WLTC）。WLTC由直径为12 in的PVC管纵向切割而成，两端密封，并在其中种植了80株草本湿地植物和80株香根草植物，其总体积为450 L，面积为3.7 m2。本研究通过中宇宙实验，筛选出了生存能力最好的物种：柔瓣美人蕉、泽泻慈姑和梭鱼草。此外，P-C处理柱由两个体积为12 L的0.5~5 min的接触时间后流化床开始运行。 本研究中水从船艏（面向南方的前端）流入，在Hobie Cat?的末端（后面）流出。4台12 V的太阳能舱底泵组成了抽水系统，其中，两台泵入入流，两台泵出经过P-C处理柱处理的水。泵的尺寸和功率要求如下：Attwood-Tsunami T800舱底泵在2.5 A时的额定值为800 gal·min?1（1 gal·min?1=3.785 L·min?1）。虽然在实验中这些泵没有始终按额定值使用，但制造商认为它们在FITS条件下可以运行几个月，因此最终的成本（每台不到20 USD）可以接受。入流首先经过VTF，之后通过重力作用到达水平湿地，然后通过P-C处理柱后被泵送到储水池。经过3个月的运行，在2009年12月本研究对最初的FITS配置进行图4. FITS的平面图。其中蓝色箭头表示水流动的方向。1 ft=0.3048 m。（Author name et al. / Engineering 2(2016) xxx–xxx663了重新设计——增加了第二个储水池，以便将处理过的水与流入的湖水混合，从而可以测试更大范围的入流浓度。所以经过重新设计，本研究的实验装置由以下工艺单元组成：混合室、VTFS、水平湿地和P-C处理柱。其中混合室用于将爱丽斯湖湖水与经过P-C处理塔处理的水混合，并将这种含磷浓度低的混合水作为生物处理的进水。本研究的电力系统由两个100 W（18 V）太阳能电池板和两个深循环模式的12 V船用蓄电池组成，其中蓄电池具有开关，可根据时间和水位，利用继电器开启和关闭水泵。计算表明，即使多云天气持续两天，电力配置也足以维持系统的运行。2.3.2. FITS的运行2009年9月18日，星期五，FITS开始在佛罗里达大学校园的爱丽丝湖中运行。在第一次运行期间，将其流量设置为1 gal·min?1，因此含有PhosX树脂或AR回收残渣的P-C处理柱的流量为0.5 gal·min?1。2009年12月，本研究对FITS的配置进行了优化设计，并在2010年3月24日启动了第二次运行。第一次运行的目标是检验设想，而第二次运行的目标则是降低磷输入浓度（使之更接近佛罗里达中部湖泊），并且更加详细地评估操作条件。表4列出了两次运行期间FITS的操作条件。在运行过程中，除运行2~4 h流量增加到表4?FITS运行期间的操作条件Test1-11-21-31-41-51-61-71-82-12-22-32-42-5

Dates

22 Sep 2009–1 Oct 20092 Oct 2009–8 Oct 200910 Oct 2009–19 Oct 20093 Nov 2009–13 Nov 200918 Nov 2009–30 Nov 20091 Dec 2009–12 Dec 200915 Dec 2009–21 Dec 200913 Jan 2010–20 Jan 201024 Mar 2010–10 Apr 201014 Apr 2010–6 May 201011 May 2010–28 May 20102 Jun 2010–23 Jun 201025 Jun 2010–30 Jul 2010

Infl.LALALAMMMMMMMMMM

1.5 gal·min?1外，VTF和WLTC均保持在恒定的流量条件下运行（1 gal·min?1），此外，P-C处理柱1在运行过程中也保持在恒定的流动条件下运行，而P-C处理柱2则在不同的条件下运行，如表4所示。在这两次运行过程中，完成了几个子目标：运行1-2、1-3和1-6的目的是比较PhosX树脂和AR。运行1-4、1-5、1-7和1-8的目的是评价再生PhosX树脂的性能。第一次实验结果表明，相较于AR，PhosX树脂性能较好。而在第二组实验中，运行2-1的目的是验证两个处理柱的运行情况是否相同，这对判断处理单元是否容易复制至关重要；运行2-2的目的是评价PhosX树脂用量加倍（相当于基线流量下接触时间的加倍）的效果；运行2-3的目的是对再生4次的PhosX树脂（在第一次实验期间进行了3次测试和再生）进行评价；运行2-4的目的是评价PhosX树脂的体积加倍和流量加倍的效果；运行2-5的目的是评价将PhosX树脂的体积增加3倍（相当于基线流速下接触时间的3倍）的效果。此外，在运行期间，每周更改一次实验柱，并以此来优化实验。必须指出，整个运行过程的操作条件与P-C处理柱1的操作条件相同，因此，将这些操作条件作为基线操作，从而优化流程。2.3.3. 样品收集 从FITS中收集了下列样品：作为FITS进水的未经处理的爱丽丝湖水（LA Infl.）；作为大多数研究的进水VTFsOperationalNoNoNoNoNoNoNoYesYesYesYesYesYes

Q (gal·min)———————11111.51

?1Horizontal wetlandsOperationalYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYesYes

Q (gal·min)111111111111.51

?1Column 1MaterialPhosXPhosXPhosXPhosXPhosXPhosXPhosXPhosXPhosXPhosXPhosXPhosXPhosX

V (mL)950950950950950950950950950950950950950

Q (gal·min)0.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.5

?1Column 2Material—ARARR1PXR1PXARR2PXR3PXPX2VPXR4PX2V2QPX3VPX

V —950950950950950950950950950

Q —0.50.50.50.50.50.50.50.50.5(mL)(gal·min?1)

19000.51900128500.5

Infl.: Influent to FITS; LA: Lake Alice; M: mixture of Lake Alice and treated effluent from FITS; Q: flow rate; V: volume of material in treatment column; R1PX: 1st regenerated PhosX; R2PX: 2nd regenerated PhosX; R3PX: 3rd regenerated PhosX; 2VPX: doubled volume of PhosX; R4PX: 4th regenerated PhosX; 2V2QPX:?twice?the?volume?and?twice?the?flow?rate?using?PhosX;?3VPX:?three?times?the?volume?of?PhosX.