（市政工程专业论文）水库水藻类生长预测模型及应急处理技术的研究.pdf

摘要 摘要 采用南方某水库的承样，通过小环境模拟，考察了初始氮和磷的浓度对藻类 生长潜力的影响，以及在藻类生长期间藻类生物量变化与各种环境因子和理化指 标之闯的关系，建立了藻类生长潜力预测模型和生长速率预测模型；通过对水库 不同区域和不同水层的藻类生长情况以及环境因子的检测分析，找出了与藻类生 物量和叶绿素a 含量相互关系中最显著的环境因子，并建立了藻类生物量和叶绿 素a 含量的多元逐步回归模型。 研究结果表明，初始氮和磷的浓度和氮磷比对藻类的生长潜力有着显著的影 响。藻类生长期间，氨氮、溶解氧和总磷与藻类生物量之间的相互关系最为显著。 藻类的生长主要受光照、水温、总磷和正磷酸盐浓度的影响。建立的藻类生长潜 力预测模型和藻类生长速率预测模型均有较高的准确性，符合度均超过9 0 。 当藻类爆发时，如常规工艺不能满足处理要求，可采取一些应急的处理措施， 如投加泥、粉末活性炭和高锰酸盐复合剂等，以提高处理效果，保证出水水质。 研究结果表明，高锰酸盐复合剂和泥联用在除浊方面效果显著，而高锰酸盐复合 剂和粉末活性炭联用对藻类和臭味的去除有较好的效果；藻类爆发时，三者联用 的除藻、除浊和除臭效果最好，是很好应急处理措施。 关键词藻类；预测模型；应急处理；高锰酸盐复合剂；粉末活性炭 a b s t r a c t i n f l u e n c eo fi n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u so na l g a e sg r o w t h p o t e n t i a lw a si n v e s t i g a t e db ym i c r o - e n v i r o n m e n ts i m u l a t i o nw i t hr e s e r v o i rw a t e ri n s o u t hc h i n a , a n dr e l a t i o n sb e t w e e na l g a ec o n t e n t si nt h eg r o w i n gp e r i o da n do t h e r e n v i r o n m e n t a li n d e x sw e r ei n v e s t i g a t e dt o o g r o w t hp o t e n t i a lm o d e la n dg r o w t h s p e e dm o d e lo fa l g a ew a se s t a b l i s h e d e x a m i n a t i o na n da n a l y s i so fe a c hn u t r i e n t i n d e xo fr e s e r v o i rw a t e ra n da l g a eg r o w t hi nd i f f e r e n tr e g i o na n dw a t e rd e p t hw e r e c a r r i e do u t t h em o s tr e m a r k a b l ee n v i r o n m e n tf a c t o r so fa l g a ea n dc h l o r o p h y l l a c o n t e n t sw e r ef o u n do u t r e g r e s s i o nm o d e lo fa l g a ea n dc h l o r o p h y l l - ac o n t e n t sw a s e s t a b l i s h e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ei n i t i a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sc o n t e n t sa n dr a t i oo fn i t r o g e n a n dp h o s p h o r u sh a v eg r e a ti n f l u e n c et oa l g a eg r o w t hp o t e n t i a l r e l a t i o na m o n ga l g a e c o n t e n t sa n da r n r n o n i a , d i s s o l v e do x y g e na n dt o t a lp h o s p h o r u sa r em o s ts i g n i f i c a n t a l g a eg r ow t hi sa f f e c t e db yi l l u m i n a t i o n ，w a t e rt e m p e r a t u r e ，t o t a lp h o s p h o r u sa n d o r t h o p h o s p h a t e a l g a eg r o w t hp o t e n t i a l m o d e la n da l g a eg r o w t hs p e e dm o d e l e s t a b l i s h e da r ea c c u r a t e l y t h ea c c u r a c yh a se x c e e d e d0 9 w h e na l g a ee r u p t i n g ，i fc o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s sc a nn o ts a t i s f yw a t e rq u a l i t y r e q u e s t ，s o m ee m e r g e n c ym e t h o d ss h o u l db ea p p l i e d , i n c l u d i n gc l a y , p o w d e ra c t i v a t e d c a r b o na n dp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t ec o m p o s i t e ，e ta 1 t r e a t m e n te f f e c t sa n dt r e a t e d w a t e rq u a l i t yc a nb ei m p r o v e da n de n s u r e d c o m b i n e da p p l i c a t i o no fc l a ya n dp p c s h o w se x c e l l e n te f f e c to nt u r b i d i t yr e m o v a l c o m b i n e da p p l i c a t i o no fp p ca n d p o w d e ra c t i v a t e dc a r b o nd i s p l a y s e x c e l l e n te f f e c to na l g a ea n ds m e l lr e m o v a l c o m b i n e da p p l i c a t i o no fp p c ，c l a ya n dp o w d e ra c t i v a t e dc a r b o nd i s p l a y st h eb e s t e f f e c to na l g a e ，t u r b i d i t ya n ds m e l lr e m o v a l i ti sap e r f e c te m e r g e n c ym e t h o dw h e n a l g a ee r u p t i n g k e yw o r da l g a e ，p r e d i c t i v em o d e l ，e m e r g e n c ym e t h o d ，p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t e c o m p o s i t e ，p o w d e ra c t i v a t e dc a r b o n n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：囱宝整日期：边z 。笸墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔宝蛩导师签名：釜l日期：丝扩 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 水体富营养化简介 1 1 1 富营养化的概念 富营养化一词源于希腊文，意思为“富裕”。从字面上看，“富营养化”的意 思是“喂养状态变好的过程”。本文中的“富营养化”是沿用湖泊水库分类与演 化的概念。湖泊和沼泽学家一致认为富营养化是水体衰老的一种表现，它意味着 水体中植物、营养物含量增加，水生植物大量繁殖，藻类的种数逐渐减少，而个 体数则迅速增加。由于藻类繁殖过程中的呼吸作用以及死亡藻类的分解作用都会 大量消耗氧气，使水体在一定时间内严重缺氧，导致水生动物缺氧死亡i l j 。因此， 所谓“水体富营养化”是指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性水体以及某些 河流水内的氮、磷等营养元素富集，引起藻类和其它水生植物大量繁殖，水体生 产力提高，溶解氧下降，水质恶化，其它水生生物大量死亡的现象1 2 j 。 1 1 2 富营养化的特征 ( 1 ) 水体中氮、磷等营养物质富集 随着现代化的日益发展，农田旌肥、农业废弃物、城市生活污水及一些工业 废水越来越多的流入水库湖泊和河流之中。农肥中大量的营养物质不能被植物吸 收，如氮肥。通常未被植物利用的氮肥超过5 0 ，少数情况下超过8 0 ，这些 未被植物利用的化肥将会重新回到地表水和地下水中。其次是大量的城市污水， 特别是含磷洗涤剂的污水、屠宰畜产品加工以及食品工业等工业废水，这些废水 未经处理或经一、二级处理即行排放，导致了相当多的营养物质进入水体，为形 成水体富营养化提供了物质来源。 ( 2 ) 生态系统不平衡 在富营养化水体的生物群落中，生产者( 指绿色植物，尤指藻类) 缺乏抑制 因子，数量急剧上升，远远超过消费者( 如鱼类) 和分解者( 如细菌) ，这就造 成生态系统明显的不平衡。所以在富营养化水体中，植物群落占优势地位，而使 消费者处于极不重要的地位，水体富营养化进入恶劣的循环过程中。 ( 3 ) 形成营养物沉积层 以固体径流形式进入水体的营养物质可以机械的沉积在水底，经过长时间的 累积，形成层含有丰富营养物质的沉积层。而沉积下来的营养物质会随着时间 慢慢的释放出来，以溶质形式再一次进入水体。这种营养物质随着水体中的悬浮 物一同沉积在水底，之后又逐渐释放出来的过程，加速了水体的进步恶化。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 3 富营养化的影响 ( 1 ) 臭味 富营养化状态的水体中生长着很多藻类，其中一些能够散发出腥臭味，向湖 泊四周的空气扩散，直接影响着人们的正常生活，给人以不舒适的感觉，同时使 水味变的难闻，大大降低了水质质量。 ( 2 ) 透明度 在富营养水体中，大量生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的藻类。这些藻类浮 在水体表面，形成一层“绿色浮渣”，使水体的透明度明显降低，甚至为零，使 水体感官性状大大下降。 ( 3 ) 溶解氧 在富营养水体的表层，藻类可以获得充足的阳光和二氧化碳进行光合作用， 放出氧气，因此表层水体有着充足的溶解氧。但是，在富营养水体深层，情况就 有所不同，首先是表层的密集藻类使阳光难以透射入水体深层，而且阳光在穿射 过程中会随着被藻类的吸收而衰减，所以深层水体的光合作用明显受到抑制而减 弱，使溶解氧来源减少；其次，藻类死亡后不断向湖底沉积，腐烂分解，也会消 耗深层水体中大量的溶解氧，严重时可能使涤层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧 状态，使得需氧生物因窒息而大量死亡，这种厌氧状态，可以触发或者加速底泥 中积累的营养物质的释放，造成水体营养物质的高负荷，形成水体的恶性循环。 ( 4 ) 有毒物质 富营养化对水质的另一个影响是某些藻类( 如水华微囊藻) 能够分泌、释放 出有毒性的物质。有毒物质进入水体后，若被牲畜饮入体内，可引起牲畜肠胃道 炎症，人若饮用也会发生消化道炎症，有害人体健康。 ( 5 ) 水质和制水成本 湖泊水库常常是生活饮用水和工业用水的供给水源。富营养化水体在作为供 给水源时，会给自来水厂带来一系列问题。首先是在藻类爆发时，过量的藻类会 给水厂在混凝和过滤过程中带来障碍，需要强化混凝工艺，改善过滤设备；其次， 富营养化水体由于缺氧会产生硫化氢、甲烷和氨等有毒有害气体，而且某些水藻 还会分泌出有毒的物质，更增加了水处理的技术难度。总之，作为供给水源的水 体一旦发生富营养化，既影响制水厂的出水水质，同时也加大了制水成本的费用。 ( 6 ) 水生生态 在正常情况下，湖泊水体中各种生物都处于相对平衡的状态，但是，一旦水 体受到污染而呈现富营养化状态时，某些种类的生物数量会明显减少，而另外一 些生物种类的数量则显著增加。这种生物种类演替会导致水生生物的稳定性和多 样性降低，破坏湖泊水库的生态平衡【3 j 。 2 1 2 世界水体富营养化现状 1 2 1国外的水体富营养化现状 水中的营养物( 特别是氮和磷) 富集，就会造成水体的富营养化。直到2 0 世纪4 0 年代人们才开始对富营养化问题有了一定的认识，当时许多湖泊都因城 市的迅速增长和农业的密集发展而受到了影响【4 】。人们对水体富营养化的研究始 于2 0 世纪6 0 年代，当时许多国家随着工业的迅速增长和密集型农业技术的发展， 造成其向周围环境释放了一系列的污染物，最后这些物质大部分都转移到了湖泊 水库之中。欧洲和美国的一些河流中，超标的营养物质造成了一系列的问题，包 括“水华”和随之而来的藻类物质腐烂而引起的水中氧含量降低等问题。现在全 世界3 0 - 4 0 的湖泊水库己受到不同程度的富营养化的危害。例如，西班牙的 8 0 0 个湖泊的1 3 都是营养过多，南非、澳大利与墨西哥的湖泊也都有富营养化 的危害，美国长岛、意大利威尼斯泻湖和韩国的南汉河都已经处于严重富营养化 状态。富营养化正在向某些河流与海岸水域迅速扩大，诸如切萨皮克湾与马尼拉 湾。世界上只有少数几个湖泊，如贝加尔湖、苏必湖和马拉维湖等几乎未受到污 染【5 l 。 目前，人们对于富营养化的研究趋向于从脱氧核糖核酸、生化核糖核酸及蛋 白质等分子水平来研究如何除去水体中的藻类。面对富营养化，人们进行过许多 尝试来控制其发展，但至今还没有制定出一个有效的措施。例如，人们曾用物理 ( 疏浚底泥、截污等) 、化学( 硫酸铜等) 、生物( 利用水生植物、藻类的生态特 性等) 方法来控制水体富营养化，但都不可避免的存在着许多弊端。 1 2 2 国内的水体富营养化现状 在我国，人们对于富营养化的分析研究是从七五期间开始的。目前许多湖泊 水库都受到富营养化的危害。全国七大江河和内河的1 1 0 个重点河段统计表明， 符合地面水环境质量标准中i 、i i 类的河段仅占3 2 ，h i 类的占2 9 ，属 、v 类的占3 9 。全国近1 7 亿人的饮用水受到不同程度的污染，日前全国的 污水排放量己达到数百亿吨，8 0 的污水未经处理就直接排入江河湖海。北方最 为严重的是淮河，此外是辽河、汾河、海河、白洋淀，南四湖以及部分水库均被 严重污染。南方的黄浦江、苏州河、太湖、洪泽湖、巢湖、洞庭湖和滇池等水体 也都受到严重的污染。全国约9 0 的城市水环境恶化，附近河流或河段成为排污 沟。目前，我国只有少数几个湖泊水库水质良好，如洱海、太平湖等f 6 j 。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 湖泊水库藻类检测预测技术现状 1 3 1 国内外富营养化监测预测技术发展现状 近年来，国际社会对环境问题日益重视，水体富营养化问题受到了越来越多 的关注，富营养化的监测预测研究也有了很大的进展。目前，国内外的研究重点 主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 利用单变量或多变量营养指标 营养指标法出现在二十世纪6 0 - - 7 0 年代，通常可分为生物型和非生物型两 类。非生物型指标主要是氮、磷、透明度、生化需氧量( b o d ) 及化学耗氧量( c o d ) 等，用于评价水体的富营养化程度，例如，1 9 6 8 年v o l l e n w e i d e r 提出湖泊营养状 况与营养物质特别是与总磷浓度之间有密切关系，v o l l e n w e i d e r - o e c d 模型表明， 在一定范围内，磷负荷增加，藻类生物量增加，但这种关系受到水体平均深度、 面积、水力停留时间等因素的影响【5 ，6 1 。c a r l s o n 根据透明度、总磷和叶绿素三种 指标发展一种简单的营养状况指数评价湖泊富营养化的方法。1 9 8 0 年p o r c e l l a 等提出另一个营养状况指数，包括透明度、磷、氮、叶绿素a 、溶解氧和大型植 物等参数，称为湖泊评价指数。 生物型指标是利用某些水生生物如特定藻类或水草对水体环境的敏感性来 进行水体富营养化的监测，也可用某些无脊椎动物，有藻类生物指数、大型无脊 椎动物指数和鱼类生物学完整性指数等。其中硅藻作为藻类中种类最多的一种， 应用较广。例如，1 9 9 7 年英国的m g k e l l y 利用深水硅藻来监测大型污水处理厂 下游水体的水质和营养情况1 7 1 ，2 0 0 0 年s e e l e 等在考察德国巴伐利亚地区湖泊时 则利用底栖硅藻监测湖泊的营养状况，利用水草指标来监测湖泊营养物的流入。 ( 2 ) 利用水质模型 利用水质模型进行富营养化监测和预测一直是研究的热点。通过分析湖泊主 要营养成分与不同营养等级生物之间的定量关系，建立关系模型，并求出一系列 有关参数。水质模型能帮助分析生态系统结构和功能中存在的主要问题，了解湖 泊动态变化规律，预测发展趋势。 例如，1 9 6 8 年加拿大的v o l l e n w e i d e r 提出了反映蓝、绿藻与磷负荷的关系模 型；1 9 7 5 年又进一步提出用单一参数磷来预测湖泊富营养化状况。2 0 世纪7 0 年 代以来，对富营养化生态模型的研究比较多。2 0 0 0 年m u h a m m e t o g l u 等建立了 一个三维水质水草相互作用模型，用于阐述水草与水质指标如溶解氧、有机氮、 氨氮和有机磷等之间的相关性。1 9 9 8 年h a s s a n 等建立了一个气候水质模型进 行藻类生长速率评估。北美的五大湖、c h a m p l a i n 湖、欧洲的巴拉顿湖以及日本 的琵琶湖都在模型应用方面取得成功。 对于藻生物量模型，m o n o d 模型描述了稳态条件下限制性营养元素与浮游 4 第1 苹绪论 植物生长的关系，d r o o p 模型则认识到营养盐过度吸收的重要性，结合了营养盐 进入细胞的传质过程，将藻类生长速率与营养盐在其细胞内部的积累联系起来。 生态动力学模型是近年来的发展重点。所谓生态动力学模型，是一个综合性 的模型，空间变化用水动力学描述，生态系统考虑了三个营养级，包括浮游植物、 浮游动物和鱼，与各种营养元素例如碳、氮和磷等的相互循环作用。如今的生态 学模型已经发展到包括几十个状态变量的三维模型引。 ( 3 ) 利用地理信息系统( g i s ) 或遥感系统 二十世纪9 0 年代中后期，g i s 系统开始较多的被用在藻类水华或赤潮问题 等方面的研究。例如，1 9 9 7 年a l e h m a n n 等利用g i s 系统对瑞士日内瓦湖水生 植物的空间多相性与沉积物成分、水深的相关性进行了研究。1 9 9 6 年s c h m i e d e r 则利用g i s 系统针对德国c o n s t a n c e 湖研究了浮游植物的个体生态学、监测方法 等。2 0 0 1 我国的刘许福等在巢湖利用g i s 系统进行了湖泊富营养化评价。g i s 系统可有效的管理一个大的地理区域复杂的污染源信息、环境质量信息及其他有 关方面的信息，并能统计、分析影响区域环境的诸因素( 如水质、大气和河流等) 的变化情况及主要污染源和主要污染物的地理属性和特征等，具有重置地理对象 的功能，对同一区域不同时段的多个不同的环境影响因素及其特征进行特征叠 加，分析区域环境质量演变与其他诸因素之间的相关关系，从而可对区域的环境 质量进行预测。也可利用g i s 将区域的污染源数据库和环境特征数据库与各种环 境预测模型相关联，采用模型预测法对区域的环境质量进行预测。还可以建立分 析结果的地图。 遥感技术则主要利用藻类大量增殖形成的水华色带，通过对某特定波段的水 体反射光谱测量，“感知”水体中藻的生物量。例如2 0 0 0 年y a n g 等利用s p o t 卫星遥感数据进行了藻类生物学指标的监测；2 0 0 0 年1 1 1 i e m s l n 等利用i r s i c 卫星遥感对m e c h l e n b u r g 湖的叶绿素含量和富营养化状态进行了监测；2 0 0 1 年 p u l l i m n e n 等则利用遥感数据对芬兰南部的湖泊进行了水质评估，并指出水体的 营养和腐殖质状况会影响遥感色带的特征；2 0 0 2 年我国胡雯等利用n o a a 气象 卫星的遥感数据进行了巢湖水华的监测。 1 3 2 现有检测预测技术的局限性及存在的问题 湖泊水库水体富营养化的监测预测方法各有特点和优势，但也都存在一定的 局限性。 ( 1 ) 单变量和多变量营养指标法的局限性 由于湖泊水库是非常复杂的系统，单变量和多变量营养指标往往采用主成分 分析方法，忽略了大量的影响因子，未能考虑水体的时空不均一性，对水体营养 情况的连续变化难以评价，在定性阐述营养化机理方面也有困难。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 水质模型法的局限性 在建立水质模型的过程中，模拟效果好的模型涉及的参数比较多，各种参数 存在时空变化，要准确确定这些参数十分复杂。同时，对于实际的水厂日常运行， 要完成这些参数的检测也有技术、人员、仪器及经济等方面的难度。模型的建立 过程中，出于简化的考虑，往往也会忽略一些因素的影响，这就意味着水质模型 与实际水体之间都存在有一定的差异，有一定的适用条件，增加了模型的局限性 【9 1 。 ( 3 ) g i s 系统和遥感系统的局限性 g i s 技术建立了水体空间的数据信息，对于湖泊水库的水质情况有一个更为 直观的描述，但是，一方面，反馈数据的处理还是需要结合相应的水质模型，其 本质仍然是利用水质模型的模拟来进行评价；另一方面，由于没有进行水质预测 的功能，需自行编制水质预测的程序并设置它与地理信息系统的接口，采用共享 文件的方式，把水质预测的结果直接输入到地理信息系统中，然后利用地理信息 系统强大的空间数据处理功能，绘制预测结果图，并叠加有意义的地理信息。所 以，g i s 系统的实际推广和应用具有相当的复杂性。 遥感技术在实际监测水体水质或对营养状况预测时，需要与g i s 系统相结 合，而且当藻华色带被“感知”时，藻生物量已经较多，对水华的预测往往不够 及时。而水厂需要的是能够提前预知藻华的到来，使水厂可以有时间进行处理工 艺的相应调整。 g i s 和遥感技术的使用，往往是针对大型的水体，例如大型湖泊，甚至是海 洋，而在大型水体中，各小范围水域的水质情况不尽相同，富营养化程度也相差 很大，要完成整个水体的实时、同步水质监测比较困难。因此，大型水体利用 g i s 系统和遥感系统辅助进行水质监测，会有比较好的效果。但这时也需要区域 内多行业的技术相配合，如地理、气象、环境和水利等。这是一般水厂难以实现 的。 1 4 国内外除藻技术研究现状 日趋严重的水体富营养化已成为广泛关注的环境问题，其直接后果是藻类的 大量繁殖。水体富营养化造成的危害是多方面的，其中对饮用水生产的影响最为 严重。因此对藻类的去除研究就显的相当重要。生物预处理对藻类的去除率不够 高，只能是一种预处理工艺，还不能作为藻类去除的主导工艺。 1 4 1在水源控制藻类的方法简介 ( 1 ) 生物法 以藻制藻。引种“水网藻”，利用它的快速繁殖吸收肥料强的特点，以 6 第1 牵绪论 藻制藻，大量吸收底泥和水体中的营养物质，定期人工收获利用，消除“微囊藻” 等有害绿藻赖以生长的高营养化条件，抑制蓝绿藻过量繁殖的危害，以改善水库 营养状况。水网藻不仅可以“以藻制藻”，还可以去除水中的氮和磷，结果表明， 水网藻在富营养化水库水及重营养化的湖水中均生长良好。 发展滤食性鱼类、杂食性鱼类和增殖天然经济鱼类群体，进行多种鱼类、 多种规格的混养，合理利用天然饵料以提高鱼产量和品质。鱼类在水体中的活动 和捕食可以提高水体的透明度，防止藻类水华的爆发。 高等水生植物克制藻类。植物之间存在对环境生长因子( 光、肥和水等) 的竞争和向环境释放化学物质对其它植物产生影响的相生相克的两种相互作用。 例如水葫芦、水花生、水浮莲、满江红、紫萍和西洋菜等对雷氏衣藻均有克制效 应f 1 2 , t 3 1 。 ( 2 ) 化学法 施用化学药剂( 称杀藻剂) 灭活藻类。目前已合成和筛选出的杀藻剂有松香 胺类、三连氮衍生物、有机酸、醛、酮以及季胺化合物等有机物，铜盐( 硫酸铜、 氧化铜) 、高锰酸钾及磷的沉淀剂( f e 2 + 、f e 3 + 盐等) 等无机物。无毒、高效、经 济的杀藻剂的开发仍处于探索发展之中。目前应用最广泛的是硫酸铜。美国、澳 大利亚的饮用水源水体中经常采用。一般单独使用硫酸铜须1 0 m g l 以上才能有 效抑制藻类的生长。尹澄清等在围隔中用铁盐、铝盐作增效剂，提高了硫酸铜的 除藻效果，o 2 o 3 m g l 的c u 2 + 就能够控制微囊藻水华的生长【1 4 1 。 ( 3 ) 物理法 通过物理途径减弱甚至消除藻类的繁殖条件或使藻类沉淀于水底，主要有下 述几种方法： 解层作用，既人为地使水体水层混合，消除热分层化及由此引起的利于 藻类繁殖的条件，如水体底层缺氧、底泥氮磷大量释放等，j o n e s 和p o p l a w s k 认 为热分层可能是蓝藻藻华发生和衰亡的关键因素。解层作用可以通过机械搅拌或 在水体中强烈曝气等物理混合来达到。以后者的研究、使用最多。 浮游生物网过滤，既在湖泊水库水藻类爆发时，利用浮游生物网作为过 滤器对藻类进行去除，可以有效的去除湖泊水库中的藻类。 遮光技术，通过在湖面覆盖部分遮光板，控制了全湖藻类增殖。采用塑 料制浮板遮光，覆盖面积为水面的5 0 6 0 。遮光一个月左右微胞藻属消失， 湖水明澈透底 1 5 , 1 6 j 。 1 4 2 几种水厂常规的藻类处理工艺及应急措施 以湖泊水库为水源的水厂，长年存在着藻类的问题，正常的情况下常规的处 理工艺即可达到对藻类的去除效果，但当藻类大规模爆发时，就需要一些特殊的 北京工业大学工学硕士学位论文 应急处理工艺。 正常情况下，国内外水厂采用的常规处理工艺主要有以下几种： ( 1 ) 微滤机除藻 微滤机主要用以去除水中浮游动物和藻类。在国外已广泛应用，国内的试验 表明其藻类去除率平均为6 l ，浮游动物去除率可达9 9 7 ；上海自来水公司进 行的一项试验表明滤网对藻类的去除率为5 1 5 7 5 ，除藻效果不错，但对浊 度、色度和c o d m 的去除率都很低，远不及混凝沉淀。 ( 2 ) 气浮除藻 研究表明，在去除低密度藻类方面，溶气气浮法比一般的沉淀处理有效。我 国昆明、苏州、无锡和武汉等城市均采用气浮除藻。气浮法较适于密度较低的藻 类群体，对低浊度、高色度水也很合适，但实际中除藻效率很难达到9 0 。另外， 气浮除藻的主要问题是藻渣难以处理，臭味重，操作环境差。 ( 3 ) 微絮凝直接过滤除藻 直接过滤一般是指微絮凝直接过滤，即在原水中投加一定的絮凝剂，控制一 定的水力条件，使水中胶体物质形成微小絮体，再通过过滤去除。如深圳水务集 团东湖水厂从1 9 8 5 年一直采用微絮凝直接过滤工艺，在原水含藻量平均为2 7 1 07 个l 的情况下，出水含藻量平均为1 3 x1 0 6 个l ，平均去除率为9 5 。 由于直接过滤没有常规流程中的沉淀所提供的缓冲作用，因而容易出现水质事 故，应用时必须特别小心【1 0 】。 当藻类大规模爆发时，国内外水厂采用的应急处理工艺主要有以下几种： ( 1 ) 化学药剂法 化学药剂法控制藻类既可在水源地进行，也可在水处理厂进行。美国、澳大 利亚等国常采用此法控制藻类在湖泊、水库中的生长。常用的除藻剂有硫酸铜、 氯和二氧化氯等。目前，国内对氧化剂的研究较多，采用液氯( 预氯化) 、高锰 酸钾和高铁酸盐等都有报道。 ( 2 ) 强化混凝沉淀除藻 强化混凝是指向水源水中投加过量的混凝剂并控制一定的p h 值，从而提高 常规处理中天然有机物的去除效果，最大限度地去除消毒副产物的前体物，保证 饮用水消毒副产物符合饮用水标准。 ( 3 ) 臭氧一生物活性炭深度处理工艺 臭氧一活性炭工艺是目前应用和研究较多的深度处理技术。该工艺是处理藻 类含量高、臭味大、色度高的富营养化水源的一种行之有效的方法。 ( 4 ) 膜技术 膜技术是当今惟一能做到1 0 0 去除藻类的技术。但由于膜处理需要较高的 基建投资和运行费用，主要在高纯水或某些要求高品质水的特定工业中使用【l l 】。 8 第1 章绪论 1 5 课题的提出和研究内容 1 5 1 课题的目的及意义 随着工业废水和生活污水排放量的日益增加，使得地表水体受到严重污染。 许多地表饮用水水源的水质长期为v 类，经过给水厂的常规处理后出水水 质常常超标，饮用水的安全问题成为近年来专家关注的焦剧”l 。 饮用水源的有机物污染，往往造成水体的富营养化。由于藻类爆发的突然性、 藻类本身的难去除等原因，使得水厂的处理工艺很难及时调整，导致出水水质不 稳定，甚至出现明显的色度和异昧【1 8 ，1 9 l 。对于给水处理厂来说，选择合适的参数 模型，对藻类的爆发提前预警；以及藻类爆发时如何适时的对处理流程进行相应 调整，采用应急的处理措施，以满足富藻水的处理要求，是目前水厂关心的重点， 也是提出本课题的重要意义。 1 5 2 课题的研究内容 本课题通过对南方某水库的长期检测，对水库的营养状态进行评价，找出各 种环境因子对水库中藻类生长的影墒，并对水库营养状态的发展趋势做出预测。 在小环境模拟水库原生态的条件下，通过对初始氮磷浓度的调节，研究藻类的生 长潜力与初始的氮磷浓度之间的关系，建立藻类生长潜力的预测模型；在藻类生 长周期内，通过对藻类变化量和环境因子的变化量的回归分析，找寻两者之间的 关系，并建立藻类生长速率的预测模型。通过对水库不周区域、不同水层的藻类 数量和环境因子的检测和回归分析，建立该水库不同区域、不同水层的藻类多元 逐步回归模型。 藻类爆发期间，进行各种应急处理方案的试验，主要包括在常规混凝工艺上， 投加泥，活性炭和高锰酸盐复合剂( p p c ) 的联用试验。找出最佳的除臭、除浊 和除藻方案。 9 第2 章试验装置与分析方法 第2 章试验装置与分析方法 2 1 试验期间水源水质情况 某水库在南方地区具有典型性和代表性。该水库是某市的主要供水水源，其 总容量2 4 亿立方米，有效库容1 6 亿立方米，拥有灌溉、防涝、发电、供水等 多种功能。近年来，水体富营养化使藻类爆发频率增多。 该水库从2 0 0 5 年1 1 月到2 0 0 6 年6 月各项指标测定的平均值如表2 1 所示： 表2 1水库水各项指标测定的平均值 t a b l e2 一lm e a nv a l u eo f e a c hi n d e x e $ o f r e s e r v o i rw a t e r 测定指标单位平均值测定指标单位平均值 光照 l x 2 7 8 9 9硝酸盐氮 m e c l o 5 1 2 s d m0 9 7 5总氮 m g l 0 7 6 1 水温 2 0 5 2 总磷 m g l o 0 3 8 8 溶解氧 m g l 8 5 5正磷酸盐 m g l 0 0 1 2 4 p h 值 f 7 6 3 c o d m g l 3 4 4 4 浊度 n t u1 0 3 6 叶绿素 p g ，l 1 1 0 5 4 氨氮 m g l 0 2 8 7t b 万个l 3 2 9 亚酸盐硝氮 m g l 0 0 1 6 s d 一塞氏盘透明度t b 藻类个体密度 通过对该水库近几年的藻类优势种类进行分析，发现一般以绿藻中的鼓藻、 栅莲藻、小球藻和角丝鼓藻为主，间有直链硅藻。 在一些特殊时期，如2 0 0 0 年秋季和2 0 0 5 年春季藻类大规模爆发时，蓝藻 类的微囊藻和鱼腥藻的所占比例明显升高。 2 2 试验装置与试验方法 2 1 1 小环境模拟的装置简介与试验方案 至 ( 1 ) 装置简介 小环境模拟试验的模拟装置为一组厚度1 6 c m 的玻 璃板制成1 3 r e x1 2 m 1 2 m 的玻璃缸( 见图2 一1 ) 。取 水库原水放入玻璃缸内，将玻璃缸置于室外，模拟水库 的自然生长条件。 f i g 2 - 1 1 己h 图2 - 1 试验用玻璃缸 e x p e r i m e n t a lg l a s sv e s s e l 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 试验方案 在玻璃缸中注入水库原水，通过投加硝酸钾和磷酸二氢钾改变不同缸内的初 始氮磷浓度，检测记录各样本中的气温、水温、光照、p h 值、氨氮、亚硝酸盐 氮、硝酸盐氮、总氮、总磷、溶解性正磷酸盐、浊度、c o d m 、溶解氧、t b 和 优势菌种，每两天检测一次，每次试验的周期为2 0 天左右。 将所记录的数据通过专门的数据统计软件s p s s 进行分析，以藻类生长期间 内的峰值数量为因变量，以初始的氮磷条件为自变量，通过一元多次回归分析， 建立藻类的生长潜力预测模型。 以藻类的个体密度变化量为因变量，以各环境因子的变化量为自变量进行多 元一次回归分析，建立藻类生长速率的回归预测模型。 2 1 2 水库检测的试验材料和方案 水库的检测计划从2 0 0 5 年1 1 月开始到2 0 0 6 年1 1 月结束，每月分上，中， 下旬到水库入水口和水厂取水口两点，分四层( 水面下0 5 m 1 5 m 2 5 m 3 5 m ) 取水进行检测分析。检测指标有光照、水温、s d 、p h 值、溶解氧、浊度、c o d m 。、 氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、总氮、总磷、正磷酸盐、叶绿素a 及t b ，共1 5 项指标。其中光照、水温、s d 和p h 值现场测定；溶解氧现场固定同其它指标 一起回厂后当天检测。通过对检测结果的分析，对该水库的营养状态进行评估， 并分析不同区域的各环境因子与水库藻类及叶绿素a 的相互关系，筛选出与藻类 个体密度及叶绿素a 含量关系最显著的环境因子，建立逐步回归预测模型。 试验所需仪器和车辆由该市供水集团有限公司提供，船只租用水库管理公 司。 2 1 3 藻类处理的试验装置与试验方案 ( 1 ) 试验装置简介 1 2 3 67 上jj 公j | 6 j 1 0 6 0 - 爿 卜_ 1 0 0 r a m 叫 ( a ) 六连同步搅拌器简图桨片尺寸示意图 1 搅拌桨2 电源插销3 定时按钮4 调速按钮5 开关6 数字指针7 投药按钮8 投药试管 图2 - 2 搅拌试验装置示意图 f i g 2 - 2 a g i m t i n ge x p e r i m e n t a le q u i p m e ms c h e m a t i cd r a w i n g 第2 章试验装置与分析方法 i i i 混凝试验装置是d b j 6 2 1 定时变速搅拌机，由四三三二工厂制造。转速可以 在2 0 r r a i n 至8 0 0 r r a i n 之间无级调节。搅拌桨片由轻质耐蚀材料制成，桨片尺寸 为6 0m m x 4 0 m m x 2 m m ，形状为矩形。 搅拌器内侧正面有照明装置，通过它可以观察絮体的形成。该搅拌器具有以 下性能： 全部搅拌桨片的启动、运行和停车同步； 搅拌桨片的转速能在一定范围内连续变化，并在不停车的情况下，全部 搅拌桨片能平稳地同步变速； 当全部搅拌桨片在水样容积相同的容器中按几何尺寸相似的淹没条件下 进行搅拌时，对每个水样的搅拌输入功率相等； 搅拌器的搅拌功率对水样产生1 0 1 5 0 s 1 的速度梯度； 在整个烧杯试验的搅拌过程以及试验的观测过程中，搅拌桨片淹入水中 部分的材质以及搅拌器的各种功能设计对水质在成分，水温以及观察过程不产生 影响。 ( 2 ) 试验材料 藻类爆发时常规的工艺处理并不能够满足水质要求，通过强化混凝可以提高 出水水质，达到供水要求。而试验所采用的强化混凝方法为在常规处理工艺的基 础上投加泥( 田泥) 、粉末活性炭和p p c 进行联用处理。 湖泊水库水的浊度一般都较地表河流水要低，藻类爆发时藻类数量上升，但 是原水的浊度并不会显著增大，这样混凝工艺中由于缺乏足够的凝结核，对一些 较小的颗粒和藻类将很难处理，而通过加泥，人工增加浊度，可以增加凝结核， 这样较小的颗粒和藻类就可以依附在这些凝结核上而被去除。 粉末活性炭有着较强的吸附能力，而且这些活性炭颗粒也可以作为凝结核成 为一些较小的颗粒和藻类的依附对象，所以在藻类爆发时通过投加粉末活性炭强 化混凝一直被广泛采用。 p p c 由李圭白院士等人研究开发的一种高效的氧化、杀毒药剂，一方面其高 度的氧化性可以杀死水中的藻类，使其失去活性便于去除，另一方面其降价后形 成的二氧化锰也是一种很好的絮凝剂，可以强化混凝效果，所以对藻类和浊度的 去除都有着非常显著的效果。 ( 3 ) 试验方法 试验主要通过聚合铝铁的单独投加，以及与活性炭、泥及p p c 联用的研究， 找出针对该水库水质最有效的除臭、除浊和除藻方案。 烧杯搅拌过程模拟水厂实际运行的混凝沉淀工艺，将原水至于l l 的烧杯中， 先以3 0 0 r m i n 转速搅拌l m i n ，然后在1 5 0 r m i n 的转速下搅拌3 m i n ，最后用6 0 r m i n 的转速搅拌1 5 r a i n 。静置3 0 m i n 后用虹吸法在水面下l c m 处的取上清液测定浊度， 臭味，c o d 地和t b 。 2 3 检测指标与分析方法 试验期间需要检测的指标包括浊度、臭味、p h 值、光照、s d 、水温、氨氮、 亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、c o d m n 、溶解氧、总氮、总磷、溶解性正磷酸盐、叶绿 素a 及t b 。各项指标的检测方法如表2 - 2 所示： 表2 - 2 各种指标的检测方法及所用仪器 t a b l e2 - 2e a c hi n d e x se x a m i n a t i o nm e t h o da n da p p a r a t u s 检测项目测定方法仪器 浊度散射光法w g z 1 0 0 型光电浊度仪 臭味定性描述法 ， p h 值 标准缓冲溶液比色法 ， 光照直接读数 自动换档数字式照度计 s d塞氏盘法塞氏盘 氨氮纳氏试剂分光光度法7 5 2 紫外光栅分光光度计 亚硝酸盐氮重氮偶合分光光度法7 5 2 紫外光栅分光光度计 硝酸盐氮麝香草酚分光光度法7 5 2 紫外光栅分光光度计 总氮过硫酸钾氧化紫外分光光度法7 5 2 紫外光栅分光光度计 总磷钼酸铵分光光度法 7 5 2 紫外光栅分光光度计 溶解性正磷酸盐钼酸铵分光光度法7 5 2 紫外光栅分光光度计 c o d m i l 酸性高锰酸钾滴定法人工滴定 溶解氧容量法人工滴定 叶绿素a 的测定方法【2 0 1 ； ( 1 ) 抽滤 取水样2 0 0 m l 到5 0 0 m l 不等进行抽滤( 视抽滤情况而定) ，抽滤设备为真 空抽滤机，滤膜采用孔径为4 5 r i m 的纤维滤膜。 ( 2 ) 萃取和离心 将滤膜放入9 0 的高纯度甲醇中，连同滤渣一起碾碎，定容到1 0 m l 的离心 管中( 总体积略大于1 0 m l ) ，摇匀后在冰箱中放置8 - 1 0 h 。 取出离心管，放入离心机中，在2 0 0 0 r m i n 的转速下离心1 0 - - 1 5 m i n 。 ( 3 ) 光密度值的测定 吸取上清液入l c m 光程的比色皿中，采用7 5 2 紫外光栅分光光度计测定其 7 5 0 n m 、6 6 3 n m 、6 4 5 n m 和6 3 0 n m 处的吸光值，如果在7 5 0 n m 处的测得的吸光 值大于0 0 0 5 ，则重新重复离心操作，直到不大于o 0 0 5 为止。 ( 4 ) 叶绿素a 的计算方法 a = 1 1 6 4 x ( e 6 3 0 - - e 7 5 0 ) - - 2 1 6 x ( e 6 4 5 - - e 7 5 0 ) + 0 1 x ( e 6 6 3 - - e 7 5 0 ) ( 2 - 1 ) 1 4 第2 章试验装置与分析方法 实际浓度= a x v ( 定容体积m l ) v ( 抽滤体积l ) ( 2 2 ) 藻类的计数方法： 将含藻水样摇匀后倒入1 0 0 0 m l 圆柱形沉降筒中，然后加入1 5 m l 鲁哥氏液 ( l u g o l ss o l u t i o n ) 摇匀固定，静沉2 4 h 后，用虹吸管小心吸出上清液，将剩下 的2 0 2 5 m l 的浓缩液摇匀，移入3 0 r a l 定量标本瓶中，然后用上述吸出的上清 液少许，分别冲洗沉降筒三次，每次的冲洗液一并移入上述3 0 m l 的定量标本瓶 中。 计数前，应注意观察定量瓶中样品的实际体积数；如不足3 0 m l 应用蒸