湖泊富营养化治理技术探析

近年来,由于城镇规模的不断扩大以及我国工业的不断发展,我国湖泊水质污染问题日趋严重，富含氮、磷等营养物质的工厂、农业以及生活废水大量排入湖泊这一缓流水体，造成水质恶化、水体的溶解氧含量降低，鱼类和其他生物大量死亡，藻类等水生植物繁衍迅速，湖泊水生生态系统平衡被打破。城市湖泊多数处于重富营养或异常营养状态，在中国第2次湖泊现状调查行动中，通过对138个面积大于10km2湖泊开展现状调查,发现富营养化湖泊比例超过85.4%，其中重富营养化的湖泊比例超过40.1%[1]。虽然，近年来我国已经意识到并加大防治湖泊污染方面的力度，但是湖泊富营养化状态并没有得到有效控制，例如我国几个重要湖泊水库太湖、巢湖、滇池等相继爆发水华，其中2007年6月太湖蓝藻爆发，造成水质恶化，严重影响到湖区数十万居民的饮用水安全。湖泊富营养化影响社会安定，制约湖区经济的长期可持续发展，因此，湖泊富营养化的治理与改善已经迫在眉睫。1目前国内外湖泊污染主要治理技术目前世界上现有的湖泊污染主要治理技术可分为两大类，一类为以工业和工程治理技术为主，如沉积物疏浚、湖泊理化性质改善、沉积物覆盖等；一类以生物修复技术为主，如生物操纵控藻技术、微生物净化技术、植物净化技术等，见表1。（1）湖泊沉积物疏浚技术。沉积物疏浚技术能有效去除湖泊内污染物，改善湖水质量，例如经过沉淀物疏浚技术的治理，美国的Lmy湖水的磷含量降低55%，瑞典Trummen湖水磷含量降低90%；然而并不是所有的湖泊疏浚工程有起到理想的效果，湖泊疏浚技术影响因素复杂、涉及面广。1998年南京玄武湖采用湖泊沉积物疏浚技术治理后，半年湖中水体的透明度、溶解氧和总磷又基本回复到清淤前的状态[2]。（2）湖泊理化性质改善技术。湖泊理化性质改善技术主要是对湖泊注入化学试剂，添加吸附剂来改善其理化性质，并吸附沉淀水底的各种物质。将明矾、硫酸铝、聚合氯化铝等投放入湖泊中能钝化和沉淀湖水中富含的磷；投放二氧化氯、硫酸铜或其他除藻剂能快速杀死藻类。（3）沉积物覆盖技术。沉积物覆盖技术是用用砂子、卵石等物质覆盖于污染沉积物之上，形成阻隔带，使得沉积物和水体隔开，起到抑制污染沉积物营养物质释放的作用。覆盖物的种类、覆盖厚度直接影响着污染沉积物营养物质释放，采用几种覆盖物质组成复合层形成无氧环境有利于污染物的降解[3]。（4）生态控藻技术。生态控藻技术主要分为植物控藻技术和动物控藻技术和微生物控藻技术等。植物控藻技术是通过增加挺水植物、沉水植物等水生植物的比例，削减湖泊水体中的氮、磷等营养物质，达到净化水质和控藻的效果；动物操纵控藻技术是通过增加植食性浮游动物和鱼类，减少浮游植物的生物量，来控制蓝、绿藻生长；微生物控藻技术是通过溶藻细胞等细菌来直接或间接抑藻和除藻，具有繁殖快，效率高等优点，是非常有效的控藻技术。（5）微生物净化技术。微生物净化技术主要是利用微生物的作用分解水中的污染物质，使水体得到净化。微生物繁殖力强，对环境适应能力强，能有效去除水体中氮、磷营养盐，增加溶解氧，改善水质。（6）植物净化技术。植物净化技术是通过植物的吸收、吸附作用和代谢功能将水体中的氮、磷等营养物质和其它有毒有害污染物进行吸附、沉淀、分解和吸收。2新型湖泊富营养化—曝气技术湖泊富营养化治理技术探析潘华辰廖丽（杭州电子科技大学机械工程学院，杭州310018）摘要：本文主要是对湖泊富营养化的现有治理技术进行归纳探讨，并指出曝气技术是一种新型而有效的湖泊富营养化治理技术，在湖泊富营养化综合治理中具有广阔的应用前景。关键词：湖泊富营养化治理技术曝气技术基金项目：国际科技合作专项（合作研究）项目（2012C24023）。表1湖泊污染主要治理技术适用范围和优缺点湖泊污染主要治理技术分类主要技术适用范围和优缺点工业和工程治理技术湖泊沉积物疏浚技术适用于浅湖泊，能有效去除湖泊内污染物，工程量大，耗能和耗资都比较大，并且效果持续时间无法保证。湖泊理化性质改善技术由于需在湖中投入化学试剂，成本较高，而且造成环境的二次污染，因此还需要对其展开进一步环境评估。沉积物覆盖技术成本低，对水体环境影响小，但是会减小湖泊库容，同时砂子、卵石等覆盖物用量大，来源困难。生物修复技术生态控藻技术利用藻类的天敌或者生长抑制物实现抑藻和除藻，从而减弱湖泊内水体污染。微生物净化技术成本低，对水体环境影响小，降解效果好，但是微生物活性容易受温度等环境条件影响，存在一定局限性。植物净化技术对有机物、氮磷等多种元素及有机物质有很高的去除率，净化水质效果好，有效保持湖泊生态和营养平衡。行业交流65DOI:10.16107/j.cnki.mmte.2015.00332015第1期总第224期现代制造技术与装备水面上升流：溶解氧：气泡水底（1）曝气技术原理。湖泊中溶解氧主要依靠水体复氧和水生植物的光合作用，水体复氧是溶解氧的主要来源，水体复氧是指空气中的氧溶解到水体中的气—液传递过程，这个过程也可称为天然曝气。只靠天然曝气的作用，湖泊的自我净化过程非常缓慢，因此需要采用曝气技术进行人工曝气来弥补天然曝气的不足。曝气技术是近年来所发展起来的一种新型湖泊污染治理技术，其原理是利用水下注气方法对水体充氧，同时增加水体的上下交换，由此增加底层水体的溶解氧，抑制湖底磷的释放量，控制富营养化，降低蓝藻爆发的可能性，同时促进喜氧微生物的繁殖，用来降解水体其他污染物，进而有效的改善湖泊的整体水质，如图1。（2）曝气技术的运用。西方欧美国家从本世纪初就开始注意到水下注气能改善湖水质量，抑制水华产生，同时水体缺氧也会影响湖泊里鱼类的生长与繁殖。不仅如此，湖泊深水层缺氧会导致水体中的硫化氢、氨氮以及还原性铁和锰等还原性化学成分增高，从而导致水体在气味、颜色和味道上均产生严重变质，并使水处理用的植物需氧量大为增加，从而增加整个湖泊的水处理成本。很多研究表明，曝气技术通过水底注气能够有效的促进水气两相在相界面上的物质交换，从而促进水体的表面蒸发，降低水表面温度，增加底层水体的溶解氧含量，从而改善湖泊的整体水质[4-8]。在应用曝气技术治理湖泊甚至近海水质改善方面，芬兰走在国际前沿，目前曝气技术已被大规模地应用在芬兰的200多个湖泊，甚至被应用在芬兰湾的部分海域。我国曝气技术也有近20年的应用历程。我国曝气技术的运用多见于河道污染治理中，如在上海苏州河、贵阳市南明河、广州朝阳涌、北京的清河、苏州城市河流等城市河流中得以成功运用[9-11]。河道人工曝气技术通过推流式和曝气充氧方式实现气液的完全混合，曝气的气体可以是空气和纯氧。常见的曝气装置主要有四种：鼓风机-微孔布气管曝气装置、叶轮吸气推流式曝气装置、水下射流曝气装置、纯氧增氧装置；其应用形式通常有两种：移动式充氧平台和固定式充氧站，其中移动式曝气是利用移动的曝气船等设备进行，固定式曝气有机械曝气和鼓风曝气两种形式。曝气技术可以用很小的能量来在湖底产生大量气泡，从而达到提高水体溶氧，促进水体垂直循环，降低水表温度，改善水体质量的目的，因此曝气技术是一种极具发展前景的湖泊污染治理技术。3湖泊曝气技术的研究方向目前，我国曝气技术多运用于河道污染治理中，运用曝气技术改善湖泊这类的缓流体富营养化问题的研究起步较晚，见诸报导的成果不多，其中有潘华辰教授研究的水下液体提升技术和水下液体提升系统模型，有扬州大学黄廷林和西安建筑大学丛海兵等研究过用扬水曝气器治理湖泊水库污染等；国际上也尚无可靠的三维数值计算模型来预测曝气机对湖泊水体流场，温度场，溶氧，磷浓度等参数的影响，如图2、图3。曝气技术改善湖泊富营养化问题的研究方向主要体现在以下三个方面：第一，理论分析。对特定湖泊根据实际需要进行合理简化，建立力学模型，根据湖泊水体的物理特征以及流体力学的基本定律推导出相应的数学方程，确立初始条件与边界条件的约束，使用合理的计算方法求解方程，解释和检验方程推导结果。正确的理论分析结果能够很好的表达与揭示湖泊水体富营养化规律和本质特性，同时正确的理论分析也是计算机数值模拟的基础。第二，试验研究。在理论分析的前提下，综合借鉴相近理论成果，在所研究的湖泊或者试验室中搭建试验平台，开展合理的模拟实验，借助测量设备对湖泊研究中的实验参数进行测量，之后将测量数据进行处理分析，用于检图1曝气技术水体复氧原理示意图图3杭州电子科技大学多功能曝气实验研究平台图2简易曝气实验发生装置66验理论方程的正确性和误差范围，并为计算机模拟提供原始参数。第三，计算机模拟研究。伴随着着计算机技术突飞猛进的进步，数值分析和计算方法的不断改进，过去传统方法不能解析的流体力学方程，现在能够借助计算机对力学方程进行简化和数值离散化，编制程序求解，许多复杂的工程问题能够得到满足实际要求的数值解。计算机模拟更具有不受地点、气候限制、耗时少、节约财力、物力、人力等优点。借助计算机模拟模型模拟湖泊富营养化过程，能有很好地研究曝气作用下湖水三维流场、温度场和环境参数在湖区的三维分布以及溶氧量、磷含量变化规律，考察季节变化、风浪作用以及各种外源性污染条件对曝气作用效果的影响，预测湖泊对曝气技术作用机制的响应，得出最佳的曝气治理方案，供环保决策部门作为湖泊富营养化治理决策的参考依据。适应湖泊富营养化计算机模拟、功能完善的常用模型软件主要有：EFDC(EnvironmentalFluidDynamicsCode)模型软件、Fluent软件、Delft3D模型软件、Mike系类软件、MOHID模型软件，WASP软件等。这些软件的水环境综合模拟能力和适应能力较强，并且人机交互界面友好，计算结果可靠性较高，方便工程技术人员和研究人员使用。4结论总体而言，现有的几类湖泊污染治理技术中，虽然工业和工程治理技术见效快，治理效果明显，但是由于其能耗大，花费高，并存在二次污染，这些因素限制了工业和工程治理技术在治理湖泊污方面的应用；生物修复技术最大的优点在于具有生物修复的长期可行性，但是治理速度慢，而且有可能造成生物入侵，给湖泊生态环境生物安全性所造成的二次影响仍有待进一步研究与评估。曝气技术具有耗能低，投入低，治理速度快，不存在二次污染等优点，同时计算机技术的飞速发展和计算方法的不断完善也为曝气技术的研究和应用提供了有力的支撑，因此，曝气技术在我国湖泊富营养化综合治理中具有广阔的应用前景。参考文献[1]杨桂山,马荣华,张路,姜加虎,姚书春,张民,曾海鳌.中国湖泊现状及面临的重大问题与保护策略[J].湖泊科学,2010,06:799-810.[2]敖静．污染底泥释放控制技术的研究进展[J]．环境保护科学,2004,30(126)：29-39．[3]程英,裴宗平．湖泊污染特征及修复技术[J]．现代农业科技,2008,2：217-218．[4]MonzurAlamImteaz,TakashiAsaeda,Artificialmixingoflakewaterbybubbleplumeandeffectsofbubblingoperationsonalgalbloom[J],WaterResearch,2000,34(6):1919-1929.[5]Littlejohn,C.L.,.InfluenceofArtificialDestratificationonLimno-logicalProcessesinLakeSamsonvale(NorthPineDam),Queens-land,Australia.MPhThesis,GriffithUniversity,2004,Australia.[6]Singleton,V.L.,Little,J.C.,Designinghypolimneticaerationandoxygenationsystems–areview[J].EnvironmentScienceTechnol-ogy.2006,40(24),7512–7520.[7]vanDijk,M.,vanVuuren,S.J.,.Destratificationinducedbybub-bleplumesasameanstoreduceevaporationfr