蓝藻的去除技术研究进展

蓝藻的去除技术研究进展摘要：对水源地饮用水中藻类去除技术进行了论述，系统分析了目前各除藻技术的去除效果和局限性，并展望了藻类去除技术的发展前景。关键词：蓝藻；去除；饮用水源地；羟基自由基随着人类活动对水域生态系统的影响日益加剧，富营养化已成为全球性的重大水环境问题。我国饮用水水源约有25%是湖泊水或水库水。目前，淡水湖泊蓝藻水华发生的频率与严重程度都呈现迅猛的增长趋势。从1986年南京玄武湖蓝藻的第一次暴发，到2007年5月29日无锡太湖蓝藻的全面暴发，导致无锡城市水危机；随后，安徽巢湖、云南滇池、武汉东湖也陷入了同样的困局；7月份的中国北方长春新立城水库也遭受了蓝藻水华的危害[1]。1991年，我国122个湖泊中，还只有51%的湖泊呈富营养化状态；到了2005年，我国133个湖泊中有88.6%的湖泊呈富营养化状态，其中61%的国控重点湖(库)水质为五类或劣五类。在劣五类水质的湖(库)中，暴发蓝藻的太湖、巢湖、滇池名列其中[1-3]。大面积的藻类暴发，严重破坏了水生生态系统的平衡与稳定，不仅影响了水体景观，影响了水产养殖业的发展，而且水源地的蓝藻爆发直接影响饮用水的水质。因此对含藻水的治理成为给水处理中最紧迫的任务之一。1国内外藻类去除技术的研究进展目前国内外主要的除藻技术有很多，主要有生物除藻、化学除藻、物理除藻等方法。1.1生物除藻近年来，国内外对生物处理技术进行了广泛深入的研究。从国内外文献报道与试验来看，生物预处理对蓝藻、硅藻、裸藻的去除率较高[4-7]。1.1.1微絮凝过滤微絮凝过滤是一种可充分发挥滤池中滤料截污能力的净水工艺，能有效提高出水水质，特别是对常规工艺难以去除的藻类具有良好的去除效果。微生物絮凝剂[8]是一种由微生物产生的具有絮凝功能的高分子有机物。利用微生物本身或其产生的多肽、酯类、糖蛋白、粘多糖、纤维素和核酸等作絮凝剂,可以对包括藻类在内的大多数微生物产生絮凝作用,并且对环境无二次污染[9]。昆明第五水厂采用此工艺(陶粒及石英砂双层滤料，滤速6～10m/h)，除藻率平均达到96.4%，远高于直接过滤工艺[10]。M.I.Aguilar等[11]发现利用微生物絮凝剂处理河水和湖泊水时，絮凝后所产生的胶团大，沉降快，上清液剩余浊度低，除藻效果好。但是微生物絮凝剂使用的成本太大，尚未推广应用。1.1.2生物滤池生物除藻主要利用生物膜上的微生物对藻类的絮凝和吸附作用，把藻类从水中分离出来。但利用本法进行除藻的研究还不够深入。中科院南京地理与湖泊研究所根据不同生态类型水生高等植物的净化能力及其微生物环境特点,设计了由飘浮、浮叶、沉水植物及其根际微生物等组成的人工复合生态系统(ACE),在太湖进行了模拟试验,结果表明,该湖水经该系统净化后藻类生物量下降了58%[12]。吴为中等人[13]对生物陶粒池净水效果进行了试验研究,研究表明藻类的平均去除率为60.7%～84.3%。1.2化学除藻1.2.1化学药剂法化学药剂法除藻既可在水源地进行,也可在水处理工艺中进行，是一种工艺简单、操作方便的有效杀藻方法。目前，常用的杀藻剂主要有CuSO4、高锰酸盐、液氯、ClO2、O3和H2O2等。虽然CuSO4、高锰酸盐、液氯、ClO2等化学杀藻剂是当前化学控藻技术的主体,但在抑藻的同时也造成了二次污染,对其他水生生物也同样存在毒性,即使在短期内没有不良反应,也可能因在水生生物内富集、残留而存在长期危害,此外被杀死的藻类仍存留于水中,并未解决藻类生长的根源即氮、磷的循环问题。因此,常规化学杀藻剂在大规模实际应用上存在许多局限性。O3是一种强氧化剂,不会产生二次污染,操作也简单可行,从技术上讲O3是最佳的杀藻剂,但是因O3生产费用较高所以在应用上受到一定的限制,一般很少单独使用,只用于组合工艺中对藻类的预氧化阶段[14]。1.2.2电化学法周群英等[15]人采用SC杀藻器杀灭湖泊中的藻类，当进水流量为1m/h、电流强度为5.92～8.88mA/cm时杀藻效果极好,明显地破坏了藻类细胞中叶绿体的结构,使藻类完全丧失光合作用，溶解氧急剧下降，下降率达92%。但此法有时杀藻不彻底。1.3物理除藻1.3.1直接过滤与活性炭吸附对于低浊高藻的湖泊水可用微滤机除藻,微滤机多采用孔眼为20～40m的滤网,它对藻类的去除率为40%～70%,对悬浮物的去除率可达97%～100%。活性炭吸附对藻类、藻毒素的去除效果很好,但水中的有机物会影响活性炭的吸附,且活性炭再生也较困难,这使处理成本大大提高[16]。1.3.2气浮除藻藻类的密度较小，电位较高，约在-40mV以上，具有较高的稳定性[17]。因此采用气浮法可以取得较好的除藻效果。溶气气浮法除藻在固液分离速度(5～8m/h)、污泥浓度及节约药耗等方面都有比较满意的效果[18]。气浮法的主要问题是藻渣难以处理，气浮池附近臭味重，操作环境差。为达到较好的除藻效果，气浮前需要进行预加氯，这又会降低了饮用水的安全性。1.4物理化学法联用目前应用较多的是臭氧和气浮联用技术。巴黎的Joinville水厂对含有2×107个/L绿藻的原水进行中试试验，采用气浮-预滤-慢滤-臭氧-GAC过滤-消毒工艺，获得极佳的除藻效果，除藻效率可达95%～99%[19]。2、蓝藻治理研究发展趋势藻类给传统净水工艺带来了诸多不利影响[20]，主要表现在：（1）造成水源地水质恶化。藻类使饮用水产生令人厌恶的臭味；因藻类死亡沉到水底形成腐殖质，增加水的色度，同时释放藻毒素；藻类及其可溶性代谢产物是氯化消毒副产物的前体物。（2）降低水处理工艺的处理效能。由藻类形成的浑浊度，其组成大多数为有机质，电势电位约在-40mV以上，具有较高的稳定性，比重小，难于下沉，影响沉淀效果。藻类不易在混凝沉淀中去除，未去除的藻类进入滤池，造成滤池堵塞，会使滤池运行周期缩短，反冲水量增加。由于水处理工艺效能的降低，穿透滤池进入管网的藻类可成为微生物繁殖的基质，促进细菌的生长，造成管网水质恶化，加速配水系统的腐蚀和结垢，使管网服务年限缩短。另外，藻类的有机质易氧化，会消耗管网中的余氯。这些不利影响必然加大了处理含藻水的难度。因此有必要研制一种水源地水质突变饮用水应急处理新方法，来有效处理饮用水中的突发性环境污染物，同时还不会给传统净水工艺带来不利影响。在研究应急处理水源地突发性环境污染物方法时，应遵循国际化学科学研究的前沿——绿色化学12条原则和国际环境科学研究前沿——高级氧化技术原则，从源头上解决治理过程中的环境污染问题,力求实现零环境污染、零废物排放[21]。众所周知，羟基自由基（OH·）是具有极强氧化能力的氧化剂。它具有极强的杀灭蓝藻等微生物的特性，同时又具有除臭、脱色的特性。OH·参与化学反应是属于游离基反应，它的化学反应速率常数大多在109L/mol·s以上，达到或超过扩散速率的极限值（1010L/mol·s），比其它化学药剂、杀灭菌剂的反应速率常数高出8个数量级，反应时间短，可以满足快速应对突发事件的要求；OH·半衰期约在30min左右，反应剩余的OH·将最终分解成无害的H2O、O2，不存在任何残留物[22-24]。因此，采用强氧化剂羟基自由基（OH·）是首选的方法。羟基自由基的主要产生方法如图一，有光催化法(UV+TiO2)、光辐射(UV)、Fe2+(Fenton)反应、UV(紫外光)+O3(臭氧)、UV+H2O2(过氧水)、超声波分解及其协同作用等[25-29]，已被有效地应用于去除污水中有机、有害污染物和地下水、饮用水处理等方面。羟基自由基（OH·）FentonH2O2UVO3激励水电子束辐射半导体催化光图1目前制取羟基自由基主要方法的示意图Fig1MethodsofproducingOH·利用羟基自由基治理环境污染物，可有效降解饮用水中藻毒素、化学有机物等环境污染物、杀灭蓝藻和病原微生物，脱色除臭。羟基自由基不但有效杀灭压载水中生物，同时做到零污染、零废物排放、零残留物，成为绿色化学、先进氧化技术工程化的成功范例之一。参考文献[1]国家环保总局.2006年中国环境公报[Z].2006.[2]吴泽宇,邱云生.实施西部开发战略滇池流域水利应研究解决的问题[J].中国农村水利水电,2001,(5):28~30.[3]王云波,谭万春.水源蓝藻暴发的原因分析及水质安全保障措施[J].中国农村水利水电,2008,(5):37~40.[4]罗晓鸿,王占生,王衡等.富营养化湖泊水生物预处理研究[J].给水排水,1996,22(7):12~15.[5]赵以军,刘永定.有害藻类及其微生物防治的基础―藻菌关系的研究动态[J].水生生物学报,1996,20(2):173~181.[6]DattaS,JanaBB.Controlofbloominatropicallake:grazingefficiencyofsomeherbivorousfishes[J].Fishbiology,1998,53(1):12~24.[7]Klinge,M.,Grimm,M.P.,Hosper,S.H.EutrophicationandecologicalrehabilitationofDutchlakes:presentationofanewconceptualframework[J].WaterScienceandTechnology,1995,31(8):p207.[8]MaF,WangB,FanC,etal.Securityevaluationofcompoundedmicrobialflocculant[J].JournalofHarbinInstituteofTechnology(NewSeries),2004,11(1),38～42.[9]张悦周,吴耀国,胡思海,冯文璐.微生物絮凝剂的研究与应用进展[J].化工进展,2008,27（3）;340～347.[10]余梅,卢文汉.昆明第五自来水厂常规工艺除藻效果的研究[Z].中国给水五十年,1999,9.[11]M.I.Aguilar.Nutrientremovalandsludgeproductioninthecoagulationflocculationprocess[J].Wat.Res,2002,36(11):2910~2919.[12]杨桂山.《太湖流域土地利用－－覆被变化的水环境灾害效应与调控》.中科院南京地理与湖泊研究所,2007.[13]高乃云,王学云.水中藻类的嗅味及去除方法[J].净水技术,1999,67(1),36～39.[14]吕启忠.用硫酸铜及改变水的pH值去除水中藻类[J].中国给水排水,2000,16(5):68～74.[15]周群英.微电解杀藻研究[J].上海环境科学,1998,17(1):65～72.[16]聂发辉,李田,吴晓芙,王平.藻型富营养化水体的治理方法[J].中国给水排水,2006,22(18);11～15.[17]朱慧贤.常见红藻、褐藻的识别特征及生态[J].玉溪师范学院学报,1994,Z(2).[18]彭海清,谭章荣,高乃云,孟长再.给水处理中藻类的去除[J].中国给水排水,2002,18(2),29～31.[19]AntoineMontiel,BénédicteWelté.Preozonationcoupledwithflotationfiltration:successfulremovalofalgae[J].Wat.Sci.Tech,37(2):65-73.[20]钱凯先.国内外湖泊富营养化研究及对策[J].环境科学,1988,9(2):59-63,11.[21]白敏冬,张之涛,白希尧.海洋生物入侵性传播及绿色防治(M).北京：科学出版社,2005.[22]JulieP,OlafW,PrashantV.K.Mechanismofhydroxylradical-Inducedbreakdownoftheherbicide2,4-DichlorophenoxyaceticAcid(2,4-D)[J],Chem.Eur.J.,2003,9:5379-5387[23]Z