富营养化水体控制技术

富营养化水体控制技术水资源是人类赖以生存的基本物质，随着人口增长和社会经济飞速发展，水的需要量急剧增加，而水资源污染也日益严重。我国自20世纪80年代以来，由于经济的急速发展和环境保护的相对滞后，许多湖泊、水库已进入富营养化，甚至严重富营养化状态，如滇池、太湖、西湖、东湖、南湖、玄武湖、渤海湾、莱州湾、九龙江、黄浦江等。2000年对我国18个主要湖泊的调查表明，其中14个已进入富营养化状态[1]。2水体富营养化的危害水华的出现使水味变得腥臭难闻，降低水体的透明度，增加浊度。水面被藻类遮盖，阳光难以进入，严重抑制了深层水体的光合作用，降低溶解氧。死亡藻类不断沉到底部，加快了底部氧的消耗，使表面以下的水体处于厌氧状态，造成好氧生物死亡。除散发臭味、破坏景观、破坏水生生态环境外，部分藻类还能分泌藻毒素，引起鸟类、牛、羊等动物中毒，可能有致突变作用，对人类也有很大的潜在危险[2]。富营养化对水体生态和人们生活造成很大影响，对于那些依靠富营养化水体为饮用水源的城市来说，情况尤为严重。水中的藻类会大大提高化学需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)、悬浮固体(SS)等的浓度，增加水处理负担。藻类在过滤时会堵塞滤料，在氯化消毒时产生三卤甲烷(THMs)等有毒副产物。藻类代谢物如糖酸等在混凝过程中与混凝剂反应，降低处理效果，增加混凝剂用量，而生成的络合物又会导致管网腐蚀。藻毒素不能以常规方法去除[3]。因此，富营养化水体作饮用水源会严重影响水厂的工艺运行、腐蚀管网、恶化出水水质。3处理工艺3.1营养物质的控制3.1.1工农业废水控制改进施肥方式，减少农业废水中氮磷的含量，加强水土保护，是全世界的共识，也是保护环境、防止水体富营养化的最佳方案，我国在这方面也作了持续的努力。然而，由于种种原因，效果不佳，部分地区水土流失日益严重。工业废水的处理近年来取得相当成绩，使水体富营养化得到了有效控制。3.1.2洗涤剂禁磷生活污水中的磷25%来自含磷洗涤剂，许多国家均有禁止或限制使用含磷洗涤剂的政策，我国深圳市、太湖与滇池流域也采取了类似措施。然而，日本在禁磷前后对琵琶湖的监测表明，由于洗涤剂中的磷酸盐占水体总磷污染的比例较低，该政策并不能明显改变水中磷的含量。同时，洗涤剂中磷酸盐的替代品沸石会较大程度地增加污水处理厂污泥的体积，给污泥处理带来困难[4]。因此，人们对洗涤剂禁磷的环境效应有着很大的争论[5]。3.1.3城市污水除氮除磷在城市污水处理中除氮除磷又称三级处理，在欧美等发达国家运用较多。三级处理有化学法和生物法2种，化学法以絮凝剂沉淀溶解性磷，再通过硝化和反硝化工艺处理；生物法利用微生物除氮脱磷，常用的有AO、AAO(A2O)、OAO(AO2)等工艺。为促进除磷，也有工艺投加挥发性有机酸或糖类物质[6，7]。三级处理主要是除氮，除磷效果不明显，而且某些工艺会造成二次污染[8]。此外，三级处理工艺复杂，费用较高，我国城市污水集中处理量还很低，难以大规模地在常规处理的基础上再增加三级处理。因此，生活污水中氮磷的控制在我国大部分地区尚难实行。随着城市化的进程和居民生活水平的提高，生活污水中氮磷会有进一步的上升。3.1.4分污引水污水分流、部分排出污染水体中水量、引入清水冲污等措施虽然可以部分减轻污染水体的压力，但是工程巨大，而且将污染转移到分流区域，可能造成新的污染区。玄武湖和西湖的经验表明，污水分流和引水冲污难以取得预期效果，藻类繁殖在短暂受抑制(3个月)后又恢复原状[9，10]。3.1.5底泥挖掘富含营养物质的底泥在一定条件下会释放出氮磷，成为水体的内源性污染源，因而底泥挖掘一度成为富营养化水体治理的重要措施。然而底泥挖掘工程巨大，挖出的底泥难以进一步处理，从经济上来说，这可能是最昂贵的措施。由于底泥中氮磷的吸收和释放过程复杂，目前尚无明确认识，底泥挖掘常常收不到预期效果。甚至因为破坏了水体底部生物和水生植物环境，将深层底泥暴露，使其中所含的氮磷溶解到水体中，而在一段时期内加深水华[3]。玄武湖和西湖的经验证明了该法弊病很多，必须慎重考虑[11～13]。3.1.6混凝除磷投加混凝剂沉淀溶解性磷，使其不能被藻类利用，在美国和澳大利亚运用较多，常用的混凝剂有铁、铝盐[14]。该法效果不错，特别是在较深的湖泊，磷酸盐络合物可沉降到湖底同温层而不再返回表层。但是，在缺氧或氧化还原电位降低的条件下，这些络合物不稳定，会释放出溶解性磷。此外，混凝剂用于大面积水体时用药量大，可能与水体中其他物质发生不利反应，因此具有一定的潜在危险。3.2抑藻杀藻3.2.1深层曝气针对藻类的过度繁殖引起表层以下厌氧状态，导致其他生物死亡，人们试图用机械搅拌或曝气来提高水中的溶解氧量。然而水体中氧的主要来源是水生植物的光合作用，富营养化水体表面并不缺氧，表面下水体因被藻类遮盖得不到阳光而缺氧，机械搅拌或曝气不能改变这一根本原因，收效甚微[15，16]。3.2.2药物除藻常用的除藻剂有硫酸铜、氯、二氧化氯等，此外，臭氧和高锰酸钾作为除藻剂也有研究[17，18]。这些氧化剂可以较快地杀藻，并进一步氧化藻细胞损伤释放的代谢物质和有毒有害物质[19]，效果显著。但是这些药剂价格较贵，而且对水生生物的影响以及与河水中溶解性离子的反应均未得到排除，可能引起二次污染。3.2.3生物控制利用水生生物对藻类的捕食或竞争作用，投加这些抑制性的生物，再定期捕捞。该法投资省，而且利于建立合理的水生生态循环，因此，国内外从20世纪70年代起进行了广泛的研究[21，21，22]。在分析鱼的种群的基础上，可针对实际情况选择适当的鱼类以滤食藻类及食藻微生物，包括我国常见的梭鱼、鲢鱼、草鱼等。可用的经济类水生植物有凤眼莲、莲子草、慈姑、茭白、水花生、菱角等[20，23]。然而，这些生物在减少藻类的同时，本身也会排泄相当量的营养物，这意味着同时有较大比例的营养物进入矿化循环而没有真正被去除。水生生态十分复杂，在人为强烈干扰下，将造成系统不稳定，难以控制，不属于当地自然种群的引进生物可能留下长期隐患。因此，采用生物控制时必须仔细考虑带来的不利生态后果。3.2.4机械捕集在水华出现时用船只捕捞藻类，收获的藻类可以加工成鱼食,在上海等地有使用[24，25]。该法易于控制，短期效果显著，但在藻类大量繁殖后再去除，工作量极大，事倍功半。3.2.5超声波除藻20世纪90年代日本开始进行超声波抑藻杀藻技术的研究，目前在千叶湖进行较大规模的试验。我国清华大学等单位也进行了一定研究。初步结果表明，适当频率和强度的超声波处理5min就可以严重抑制藻类生长(减少50%)。高效、迅速、简单、无二次污染等显著优点使得超声波抑藻杀藻具有很大的吸引力。超声波泛指频率在16kHz以上的声波，是物质介质中的一种弹性机械波，能在水中产生一系列接近于极端的条件,如超过重力加速度几万倍的质点加速度，空化泡破裂产生的瞬间高温和高压(4000K,500大气压)、急剧的放电,以及强烈的冲击波和射流等。由此衍生的二次波、辐射压、声捕捉、自由基、氧化剂等也可能较大程度地改变介质性质[26，27]。超声波可能的抑藻杀藻机理有：破坏细胞壁、破坏气胞、破坏活性酶。高强度的超声波能破坏生物细胞壁，使细胞内物质流出，这一点已在工业上运用。藻类细胞的特殊构造是一个占细胞体积50%的气胞，气胞控制藻类细胞的升降运动。超声波引起的冲击波、射流、辐射压等可能破坏气胞。在适当的频率下，气胞甚至能成为空化泡而破裂。同时，空化产生的高温高压和大量自由基，可以破坏藻细胞内活性酶和活性物质，从而影响细胞的生理生化活性。此外，超声波引发的化学效应也能分解藻毒素等藻细胞分泌物和代谢产物。超声波作用受多种因素影响，其中最重要的是频率和强度，对工艺条件的优化是下一步研究的重点。