富營養(yǎng)化水體控制技術(shù)

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1、簡介

　　水資源是人類賴以生存的基本物質(zhì)，隨著人口增長和社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，水的需要量急劇增加，而水資源污染也日益嚴重。我國自20世紀80年代以來，由于經(jīng)濟的急速發(fā)展和環(huán)境保護的相對滯后，許多湖泊、水庫已進入富營養(yǎng)化，甚至嚴重富營養(yǎng)化狀態(tài)，如滇池、太湖、西湖、東湖、南湖、玄武湖、渤海灣、萊州灣、九龍江、黃浦江等。2000年對我國18個主要湖泊的調(diào)查表明，其中14個已進入富營養(yǎng)化狀態(tài)。

　　2、水體富營養(yǎng)化的危害

　　水華的出現(xiàn)使水味變得腥臭難聞，降低水體的透明度，增加濁度。水面被藻類遮蓋，陽光難以進入，嚴重抑制了深層水體的光合作用，降低溶解氧。死亡藻類不斷沉到底部，加快了底部氧的消耗，使表面以下的水體處于厭氧狀態(tài)，造成好氧生物死亡。除散發(fā)臭味、破壞景觀、破壞水生生態(tài)環(huán)境外，部分藻類還能分泌藻毒素，引起鳥類、牛、羊等動物中毒，可能有致突變作用，對人類也有很大的潛在危險。富營養(yǎng)化對水體生態(tài)和人們生活造成很大影響，對于那些依靠富營養(yǎng)化水體為飲用水源的城市來說，情況尤為嚴重。水中的藻類會大大提高化學(xué)需氧量（COD）、生物需氧量（BOD）、懸浮固體（SS）等的濃度，增加水處理負擔(dān)。藻類在過濾時會堵塞濾料，在氯化消毒時產(chǎn)生三鹵甲烷（THMs）等有毒副產(chǎn)物。藻類代謝物如糖酸等在混凝過程中與混凝劑反應(yīng)，降低處理效果，增加混凝劑用量，而生成的絡(luò)合物又會導(dǎo)致管網(wǎng)腐蝕。藻毒素不能以常規(guī)方法去除。因此，富營養(yǎng)化水體作飲用水源會嚴重影響水廠的工藝運行、腐蝕管網(wǎng)、惡化出水水質(zhì)。

　　3、處理工藝

　　3.1營養(yǎng)物質(zhì)的控制

　　3.1.1工農(nóng)業(yè)廢水控制

　　改進施肥方式，減少農(nóng)業(yè)廢水中氮磷的含量，加強水土保護，是全世界的共識，也是保護環(huán)境、防止水體富營養(yǎng)化的最佳方案，我國在這方面也作了持續(xù)的努力。然而，由于種種原因，效果不佳，部分地區(qū)水土流失日益嚴重。工業(yè)廢水的處理近年來取得相當(dāng)成績，使水體富營養(yǎng)化得到了有效控制。

　　3.1.2洗滌劑禁磷

　　生活污水中的磷25%來自含磷洗滌劑，許多國家均有禁止或限制使用含磷洗滌劑的政策，我國深圳市、太湖與滇池流域也采取了類似措施。然而，日本在禁磷前后對琵琶湖的監(jiān)測表明，由于洗滌劑中的磷酸鹽占水體總磷污染的比例較低，該政策并不能明顯改變水中磷的含量。同時，洗滌劑中磷酸鹽的替代品沸石會較大程度地增加污水處理廠污泥的體積，給污泥處理帶來困難。因此，人們對洗滌劑禁磷的環(huán)境效應(yīng)有著很大的爭論。

　　3.1.3城市污水除氮除磷

　　在城市污水處理中除氮除磷又稱三級處理，在歐美等發(fā)達國家運用較多。三級處理有化學(xué)法和生物法2種，化學(xué)法以絮凝劑沉淀溶解性磷，再通過硝化和反硝化工藝處理；生物法利用微生物除氮脫磷，常用的有AO、AAO（A₂O）、OAO（AO₂）等工藝。為促進除磷，也有工藝投加揮發(fā)性有機酸或糖類物質(zhì)。三級處理主要是除氮，除磷效果不明顯，而且某些工藝會造成二次污染。此外，三級處理工藝復(fù)雜，費用較高，我國城市污水集中處理量還很低，難以大規(guī)模地在常規(guī)處理的基礎(chǔ)上再增加三級處理。因此，生活污水中氮磷的控制在我國大部分地區(qū)尚難實行。隨著城市化的進程和居民生活水平的提高，生活污水中氮磷會有進一步的上升。

　　3.1.4分污引水

　　污水分流、部分排出污染水體中水量、引入清水沖污等措施雖然可以部分減輕污染水體的壓力，但是工程巨大，而且將污染轉(zhuǎn)移到分流區(qū)域，可能造成新的污染區(qū)。玄武湖和西湖的經(jīng)驗表明，污水分流和引水沖污難以取得預(yù)期效果，藻類繁殖在短暫受抑制（3個月）后又恢復(fù)原狀。

　　3.1.5底泥挖掘

　　富含營養(yǎng)物質(zhì)的底泥在一定條件下會釋放出氮磷，成為水體的內(nèi)源性污染源，因而底泥挖掘一度成為富營養(yǎng)化水體治理的重要措施。然而底泥挖掘工程巨大，挖出的底泥難以進一步處理，從經(jīng)濟上來說，這可能是最昂貴的措施。由于底泥中氮磷的吸收和釋放過程復(fù)雜，目前尚無明確認識，底泥挖掘常常收不到預(yù)期效果。甚至因為破壞了水體底部生物和水生植物環(huán)境，將深層底泥暴露，使其中所含的氮磷溶解到水體中，而在一段時期內(nèi)加深水華[3].玄武湖和西湖的經(jīng)驗證明了該法弊病很多，必須慎重考慮。

　　3.1.6混凝除磷

　　投加混凝劑沉淀溶解性磷，使其不能被藻類利用，在美國和澳大利亞運用較多，常用的混凝劑有鐵、鋁鹽。該法效果不錯，特別是在較深的湖泊，磷酸鹽絡(luò)合物可沉降到湖底同溫層而不再返回表層。但是，在缺氧或氧化還原電位降低的條件下，這些絡(luò)合物不穩(wěn)定，會釋放出溶解性磷。此外，混凝劑用于大面積水體時用藥量大，可能與水體中其他物質(zhì)發(fā)生不利反應(yīng)，因此具有一定的潛在危險。

　　3.2抑藻殺藻

　　3.2.1深層曝氣

　　針對藻類的過度繁殖引起表層以下厭氧狀態(tài)，導(dǎo)致其他生物死亡，人們試圖用機械攪拌或曝氣來提高水中的溶解氧量。然而水體中氧的主要來源是水生植物的光合作用，富營養(yǎng)化水體表面并不缺氧，表面下水體因被藻類遮蓋得不到陽光而缺氧，機械攪拌或曝氣不能改變這一根本原因，收效甚微。

　　3.2.2藥物除藻

　　常用的除藻劑有硫酸銅、氯、二氧化氯等，此外，臭氧和高錳酸鉀作為除藻劑也有研究。這些氧化劑可以較快地殺藻，并進一步氧化藻細胞損傷釋放的代謝物質(zhì)和有毒有害物質(zhì)，效果顯著。但是這些藥劑價格較貴，而且對水生生物的影響以及與河水中溶解性離子的反應(yīng)均未得到排除，可能引起二次污染。

　　3.2.3生物控制

　　利用水生生物對藻類的捕食或競爭作用，投加這些抑制性的生物，再定期捕撈。該法投資省，而且利于建立合理的水生生態(tài)循環(huán)，因此，國內(nèi)外從20世紀70年代起進行了廣泛的研究。在分析魚的種群的基礎(chǔ)上，可針對實際情況選擇適當(dāng)?shù)聂~類以濾食藻類及食藻微生物，包括我國常見的梭魚、鰱魚、草魚等。可用的經(jīng)濟類水生植物有鳳眼蓮、蓮子草、慈姑、茭白、水花生、菱角等。然而，這些生物在減少藻類的同時，本身也會排泄相當(dāng)量的營養(yǎng)物，這意味著同時有較大比例的營養(yǎng)物進入礦化循環(huán)而沒有真正被去除。水生生態(tài)十分復(fù)雜，在人為強烈干擾下，將造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，難以控制，不屬于當(dāng)?shù)刈匀环N群的引進生物可能留下長期隱患。因此，采用生物控制時必須仔細考慮帶來的不利生態(tài)后果。

　　3.2.4機械捕集

　　在水華出現(xiàn)時用船只捕撈藻類，收獲的藻類可以加工成魚食，在上海等地有使用。該法易于控制，短期效果顯著，但在藻類大量繁殖后再去除，工作量極大，事倍功半。

　　3.2.5超聲波除藻

　　20世紀90年代日本開始進行超聲波抑藻殺藻技術(shù)的研究，目前在千葉湖進行較大規(guī)模的試驗。我國清華大學(xué)等單位也進行了一定研究。初步結(jié)果表明，適當(dāng)頻率和強度的超聲波處理5min就可以嚴重抑制藻類生長（減少50%）。高效、迅速、簡單、無二次污染等顯著優(yōu)點使得超聲波抑藻殺藻具有很大的吸引力。

　　超聲波泛指頻率在16kHz以上的聲波，是物質(zhì)介質(zhì)中的一種彈性機械波，能在水中產(chǎn)生一系列接近于極端的條件，如超過重力加速度幾萬倍的質(zhì)點加速度，空化泡破裂產(chǎn)生的瞬間高溫和高壓（4000K，500大氣壓）、急劇的放電，以及強烈的沖擊波和射流等。由此衍生的二次波、輻射壓、聲捕捉、自由基、氧化劑等也可能較大程度地改變介質(zhì)性質(zhì)。

　　超聲波可能的抑藻殺藻機理有：破壞細胞壁、破壞氣胞、破壞活性酶。高強度的超聲波能破壞生物細胞壁，使細胞內(nèi)物質(zhì)流出，這一點已在工業(yè)上運用。藻類細胞的特殊構(gòu)造是一個占細胞體積50%的氣胞，氣胞控制藻類細胞的升降運動。超聲波引起的沖擊波、射流、輻射壓等可能破壞氣胞。在適當(dāng)?shù)念l率下，氣胞甚至能成為空化泡而破裂。同時，空化產(chǎn)生的高溫高壓和大量自由基，可以破壞藻細胞內(nèi)活性酶和活性物質(zhì)，從而影響細胞的生理生化活性。此外，超聲波引發(fā)的化學(xué)效應(yīng)也能分解藻毒素等藻細胞分泌物和代謝產(chǎn)物。超聲波作用受多種因素影響，其中最重要的是頻率和強度，對工藝條件的優(yōu)化是下一步研究的重點。