封闭过滤再生人工湿地中高等水生植物对矿化水进行植物脱盐的绿色技术落地

2023-11-07库里留克尼古拉波洛夫尼科夫伊戈尔库里留克阿列克谢

城市建设理论研究（电子版） 2023年30期

曲波库里留克·尼古拉波洛夫尼科夫·伊戈尔库里留克·阿列克谢

乌克兰技术科学院乌克兰基辅 00047007

在世界各国，特别是在淡水供应有限的地区，盐水淡化的问题尤为突出。目前，中亚国家、中东国家、人口稠密的印度尼西亚、中国、印度和几乎所有非洲国家以及欧洲、美洲和美国的一些国家都存在农业和供水淡水不足的问题，需要在不久之后立即解决清洁水短缺的问题。根据联合国的数据，全世界的淡水短缺正以每年13-20%的速度增长，到2050年将有超过50亿人面临水的问题[1]。解决确保地球人口获得清洁淡水的问题是世界上所有国家的目标，没有例外。解决这个问题的基本方向是在饮用水和技术供水中使用矿化水，在其脱盐后达到法定要求，首先是盐分浓度不高于1000-1500毫克/立方分米。处理前的原水盐度最高可达千分之3.5（ppm）。

1 盐水脱盐的现状

水脱盐的主要方法是反渗透、离子交换、蒸发（蒸馏）、电渗析和其组合。目前，最常见的水淡化方法是反渗透和离子交换。不太常用的是电渗析和蒸馏。在大多数情况下，离子交换允许水被淡化到几乎完全的阴阳离子提取。为此，水被连续通过阳离子交换和阴离子交换过滤器以及装载有阴离子和阳离子交换器混合物的混合作用过滤器。过滤阶段的数量和离子交换材料的类型由水的脱盐深度、杂质的质量和数量组成以及对去除污染离子的要求决定。在大多数情况下，离子交换被推荐用于初始浓度为1500-2000 毫克/立方分米的咸水淡化[3]，尽管有些作者推荐更多。离子法的优点包括脱盐的高可靠性。这种方法的缺点是用于离子交换器定期再生的大量试剂，这导致排放的废弃再生溶液洗脱液的盐分含量平均比咸水中的盐分质量大2.0-3.5[4]。一个重要的问题是这些溶液的处理，它们被禁止排入水体。

近几十年来，反渗透（超滤）等膜工艺在水淡化中得到了广泛的使用。这些工艺通过在压力下通过特殊的膜过滤来减少矿化水的含盐量。盐分作为浓缩物被浓缩或送去进一步处理。水压应高于水中盐类的渗透压，渗透压随着离子浓度的增加而增加。例如，如果饮用水的渗透压达到0.10兆帕，那么对于含有35克/立方分米盐分的海水，渗透压是2.58兆帕的重要值，这需要使用高压泵。脱盐水（渗透物）的输出量最大达到75%[5]。多级过滤被用来提高水淡化的效率，并减少废弃浓缩物的体积。在盐分浓度较高的情况下，使用两级脱盐在第一阶段使用反渗透或电渗析，在第二阶段使用离子交换，在经济上是可行的。这种联合脱盐方案减少了试剂的数量和盐类的排放浓度。

与离子交换净化和水脱盐相比，反渗透有以下优点：过程的连续性和较少的膜再生试剂。然而，应该注意到这种技术的缺点，如膜对生物污垢、胶体、重金属和有机杂质的敏感性，在膜表面形成的沉积物不溶性盐，膜上镶嵌的盐的硬度和较高的电力成本。所有这些都需要对水进行仔细的预消毒和净化，使其远离泥浆、重金属和有机杂质，这些都会“毒害”膜。此外，为了防止不溶性化合物在膜表面的沉积，要在原水中加入特殊的化学品（沉积抑制剂或抗垢剂）。

在大多数情况下，随着大量海水的淡化，盐类的浓缩溶液连同防垢剂和洗涤剂一起返回到环境中，这对环境极为有害。沿海的鱼类动物和珊瑚礁尤其受到超滤后的浓缩物排放到海水中的影响。特别是，美国环境部发现，当年数量庞大的海水淡化厂已经伤害了超过34亿条鱼和其他海洋动物生物，给该国渔业造成的经济损失超过2.125亿美元。在短时间内，海水淡化厂还可以破坏约90%的浮游生物[6]。

目前，有一种趋势是利用可再生自然资源，特别是通过高等水生植物，使用自然方法来净化和调节水。从自然水处理系统来看，人工湿地[7-8]类型的生物工程结构，用于处理家庭、工业废水、水库中的自然水和受污染的地表径流，正变得非常普遍。大多数人工湿地运作的本质是，通过高等水生植物的根系对水进行过滤，由于植物的光合作用，确保其吸收、积累、氧化和在二氧化碳的生物降解中合成氧气的能力，在其中进行植物净化。封闭式水培型人工湿地是很常见的[9-10]，其中高等水生植物的根系被固定在多孔（砾石）的过滤负荷中，并不断被从上到下或从下到上垂直移动的水冲刷。

在有效去除泥浆、有机杂质、生物氮和磷化合物的同时，可溶性盐类也被高等水生植物从水中去除。因此，当使用凤眼莲与污水处理一起从生物滤池（生物反应器）的有机杂质，观察到删除氯化物高达32%，硫酸盐高达43%[11]。芦苇的干物质产量为44吨/公顷，可以积累高达419公斤/公顷的钾，408公斤/公顷的氯化物，450公斤/公顷的钠[12]。在生物工程结构上，如利用高等水生植物建造的湿地，硫酸盐的净化效率高达25-30%，钠离子高达10-15%[13]。

同时，在人工湿地中，过滤器回填物的孔隙、高等水生植物根际空间和排水系统逐渐被生物膜和矿化沉积物所包围。此外，高等水生植物和藻类的根部不断枯萎，进一步堵塞了回填和排水系统。这些过程减少了对高等水生植物根系的氧气和营养物质的供应，破坏了光合作用、蒸腾作用和水的植物净化过程。由于这样的生物盆地不允许清除沉积物，那么它在过滤回填和根际空间的积累和压实就开始了。厌氧生物过程开始流动，导致矿物盐提取、吸附和有机杂质解毒的效率降低。厌氧过程开始流动，多成分的胶体杂质被消化，结果是观察到处理过的水的二次污染，高等水生植物死亡，人工湿地的效率和生产力降低。

如实验数据所示，在人工湿地设施运行144小时之前，硫酸盐的提取处于高水平，为0.404-0.837毫克/小时，然后吸收强度下降到0.121-0.046毫克/小时[11]。在去除氯化物方面也观察到同样的情况。为了恢复人工湿地的运行，需要定期关闭设施，进行与过滤器回填和排水的清洗和再生有关的维修和恢复工作，为高等水生植物创造压力条件，并对随后的植物净化过程产生不利影响。

当使用再生过滤水培型人工湿地[14]时，人工湿地的这些缺点就不存在了，它可以对过滤器回填物、高等水生植物的根系和排水系统进行持续冲洗。人工湿地的清洗和再生是通过对人工湿地的过滤回填物中被污染的循环清洗水进行水力自动排水，并在自清洗的发泡聚苯乙烯过滤器上进行后续净化处理。它可以为人工湿地的植物结构提供自我修复的工作模式，而不会为人工湿地上的高等水生植物的生长创造压力条件。由于发达的技术和设计再生过滤水培型人工湿地的运行模式，无论源水的污染浓度如何，人工湿地都可以、其处理的周期性备案，服务人员的可用性，并在任何气候条件下，实现更高的质量和稳定的水净化使用高等水生植物。因此，使用再生过滤水培型人工湿地从矿化水中复杂地去除污染物和盐分，在无反应和无膜水淡化的情况下，是有希望的。

这项科学著作的目的是分析水在人工湿地上的处理情况，并论证使用再生过滤水培型人工湿地对高等水生植物的矿化水进行同步脱盐的可能性。

2 研究结果

为了证实在高等水生植物的帮助下同时进行矿化水淡化的可能性，使用了再生过滤水培型人工湿地的植物技术，其基本方案如图所示。

图1 用于复杂净化和淡化矿化水的再生过滤水培型人工湿地的示意图

1是身的人工湿地、2是人工湿地顶部排水口的供水、3是过滤回填的顶层、4是过滤器回填物的底层、5是收集和排放循环再生水的中层排水、6是收集和排放净化水的下层排水管、7是循环-再生水的泵、8是净化用矿化源水的供应管、9是浮选反应器-澄清器、10是自冲式泡沫过滤器、11是水力自动过滤器冲洗装置、12是高等水生植物、13是试剂场、14是沉淀物排放、15是过滤器洗涤水积聚的能力。

图2 使用高等水生植物建造水净化设施的选项（负载再生）

水处理厂生物柏拉图-超声波再生器由用于处理水的管道、填充有颗粒状负载的植物箱、在其中爆炸的高级水生植物和/或喜湿树木、用于在区域中分配水的排水收集器组成。高等水生大型植物的根系，预制的排水收集器，位于植物建筑的下部，用于去除纯净水的管道，还配备了超声波激活系统，其形式为水动力发射器超声波振动，位于负载的颗粒层。

图3 高等水生植物净化水的一种变体，通过 Schauberger 方法进行水活化

配有 Schauberger 水活化剂 AQUA-U-PLATO-162 的Bioplato 过滤器由一个充满过滤颗粒的外壳组成，其中种植有高等水生植物 -大型植物，一个供水管道，其分布在根部区域的排水网络高等水生植物系统-大型植物它还包含收集排水、再循环水制备和供应的综合体，其中包括中间选择和再循环管道。再循环管道还配备了一个水激活器，该水激活器至少由一根垂直放置的绍伯格螺旋管和一个用于破坏水射流的可混淆漏斗组成，该漏斗通过液压连接到供水管道。

根据再生过滤水培型人工湿地的技术方案，植物脱盐和水净化是分几个阶段进行的。水的脱盐和净化的主要程度发生在人工湿地（1）本身，通过利用高等水生植物的光合作用过程，从水中吸收盐分和生物化合物，并在高等水生植物的生物质中积累。因此，根据V.Kravets[15]的研究表明，在目前使用高等水生植物进行水的植物性净化的系统中、人工湿地过滤器对硫酸盐和氯化物的去除率分别为58-35%和67-49%，这取决于人工湿地的结构、年份和高等水生植物的种类。从矿化水中提取的溶解盐分总量平均可达到原咸水总盐分的40-55%，盐分浓度为2500-3500毫克/立方分米。

再生过滤水培型人工湿地技术对矿化（微咸）水进行了额外程度的淡化，通过使用试剂和益生菌在浮选反应器中净化水并同时从人工湿地的循环水和再生水中提取盐分。澄清器（9），然后在自冲洗泡沫过滤器中，这些都被组合成一个水处理综合体[16]。混凝剂、金属氢氧化物、过滤材料和斜发沸石、矽藻土、水镁石、凝灰石的天然矿物悬浮液、混凝土砖、泥炭[17]及其组合可用于循环再生水的净化和脱盐。

当使用氢氧化铝混凝剂与铝酸钠净化硫酸盐浓度为500-700毫克/立方分米的矿化水时，硫酸盐的净化程度达到83-88%[18]。通过使用金属阳极进行电解获得的磁铁矿、铁和铝的氢氧化物，即所谓的电凝过程，对溶解的盐类有很高的吸附性能。作者获得的实验数据表明，当电凝时，从矿化咸水中提取氯化物的程度达到13-15%，硫酸盐达到20-31%，甚至更多，这是因为金属氢氧化物在金属阳极被作用电流电离后形成的高吸附能力或金属芯片的内部电解[19-20]。益生菌[21]和基于沸石（斜发沸石）和其他天然矿物质或其复合混合物的活性天然悬浮液[22]被添加到源水中，以加强高等水生植物的光合作用过程，保证人工湿地中绿色生物量的持续增加。

沸石天然悬浮液的活化可以通过膜细胞阴极区获得的有效微生物-酶、益生菌和阴离子来进行[19-20]，或者通过复合活化[23-24]。悬浮活化通过沸石和其他天然过滤材料以及生物氮和磷化合物的悬浮液提供更密集的积累，并刺激高等水生植物根系的密集生长，从而促进光合作用和高等水生植物对盐分的固定化。

再生过滤水培型人工湿地的矿化水的净化和伴生脱盐的技术方案如下。矿化水通过收集器（8）被送入人工湿地（1），并通过上层排水系统（2）均匀地分布在过滤器回填物（3）的上层，那里是高等水生植物（12）的根系最活跃的吸水区。

由于高等水生植物与水的不断接触，水和高等水生植物的根系之间发生了积极的质量交换，人工湿地中的光合作用发生了转化水中的有机和矿物杂质的复杂生化过程，植物的生物量吸收了溶解的盐分。然后，水从上到下通过过滤器回填层（3、4）进行过滤，通过过滤区被下层排水管（6）均匀收集，并按计划排出。

在过滤回填层和人工湿地植物根部区域的水流过程中，不断有活性污泥、微型藻类、悬浮矿物和有机杂质的薄膜积聚，导致回填层和排水管的堵塞。增加了过滤层的水力阻力，开始发生窒息过程，这导致净化水的质量下降。

为了防止这一过程，一些被污染的水通过中间排水管（5）从上层过滤器中排出，这确保了上层过滤器回填物和高等水生植物根系的持续再生。最初，被污染的循环水和再生水被送到浮选反应器澄清器（9）进行进一步净化，在那里还提供了用于混凝和吸附悬浮物以及提取溶解盐的试剂，以及用于浮选泥浆和氧气饱和水的压缩空气。形成的污泥和沉积物定期从澄清反应器（9）中抽出。浆液中澄清水的净化是在一个发泡聚苯乙烯过滤器（10）上进行的。过滤器的回填物被堵塞时，定期通过一个特殊的虹吸装置（11）以水力自动模式进行清洗。冲洗水被收集在一个容器（15）中，然后与循环-再生水一起被送入浮选澄清器（10）中进行净化。如果有必要，益生菌、酶和有效微生物的悬浮液可以在泡沫聚苯乙烯过滤器之后被注入净化的再生过滤水中。在生物浮选澄清反应器（9）和自清洗聚苯乙烯过滤器（10）中净化后，再生过滤水与微咸水的流动混合，并被送入人工湿地（1）的“头部”。

因此，循环再生的水整天都在循环，通过人工湿地的过滤回填物（3）的上层，反复清洗高等水生植物的根部系统、这确保了它们的不断清洗，并允许稳定再生过滤水培型人工湿地技术中咸水的净化和脱矿过程。

根据水的污染和矿化程度，再生过滤水培型人工湿地的复合块可以按照净化和植物脱盐系统的指定操作模式，以一些组合变体的形式工作。在污染物和矿物盐浓度相对较高的情况下，整个水流可以直接进入浮选反应器澄清器（9）和自清洗泡沫聚苯乙烯过滤器（10）进行预处理和脱盐，然后与循环再生水一起进行生物平板。在污染物浓度相对平均的情况下，水可以分为两股，其中一股直接进入人工湿地，另一股与循环水混合并在澄清器反应器和过滤器中净化。流量的比例由污染物的浓度、用于净化的水流模式、对净化水和脱盐水的质量要求以及人工湿地的设计等参数决定。

再生过滤水培型人工湿地设施的运行模式也决定了试剂的类型、活化的天然悬浮液以及有效的酶和益生菌，将使用试剂场（13）进行定量或合成。这样就可以调整水的特性，或按照净化水的消费者要求的方向改变它们，以及在任何气候条件下净化水。特别是，在试剂的帮助下，有可能去除特别有毒的杂质（重金属、工业性质的复杂有机杂质），对纯化水进行调节。

再生过滤水培型人工湿地可以是水处理的物理化学技术方案的一般综合方案的一部分。在这种情况下，人工湿地可以放在污染水处理总体方案的开始或结束部分。如果水中含有高浓度的易氧化有机物和矿物质杂质，需要深度还原矿化，那么将人工湿地放在技术方案的开始部分更为合适。这样就有可能去除人工湿地上的大部分有机物，特别是有毒的矿物污染物，并降低盐的浓度，在下一阶段实现澄清水的深度净化。把人工湿地放在技术方案的最后，可以使水从有机和无机杂质中得到深度净化，并通过与高等水生植物接触恢复其自然属性。