（环境工程专业论文）低压低频脉冲电场臭氧协同灭藻的研究.pdf

摘要 当前，水资源污染是世界各国普遍面临的急需解决的问题之一。随着工业点 污染源的有效控制，非点源污染对地表水体的影响也越来越突出，尤其是非点源 污染所挟带的大量含氮磷的污染物，使许多水体面临着富营养化的威胁。其中藻 类的大量繁殖和由此引起的水华，给地表水水质和生态系统带来许多影响。 传统的水处理工艺主要采用预氧化、絮凝、过滤或气浮来去除藻类，其中藻 细胞灭活的方法主要有预氧化和消毒，通常使用氯、臭氧、二氧化氯等方式。但 是传统的工艺对藻类的去除不仅存在效果低，不能完全杀灭藻类的问题，而且还 会对环境产生二次污染。本论文采用低压低频脉冲电场一臭氧协同反应装置进行 灭藻试验研究，旨在寻求一种不会对环境产生二次污染并且易于工业放大的高效 灭藻方法，并探索出一套适宜的工艺及其运行参数，为今后的工业型设备设计制 造以及工程实践提供参考。 本文以某大学校园内景观池水作为实验研究对象进行灭藻研究。设计了单用 低压直流电场、单用低压低频脉冲电场、单用臭氧、低压低频脉冲电场臭氧等 不同的工艺条件以研究灭藻机理，寻求出一条最佳的工艺路线。试验结果表明： ( 1 ) 电场灭藻作为一种新的除藻技术是可行的。( 2 ) 低压低频脉冲电场相比低压直 流电场具有较好的灭藻效果。当处理水的体积为3 0 0 m l ，通电时间为2 0 r a i n 时， 单一的低压直流电场和单一的低压低频脉冲电场灭活藻类的最佳效率分别为 6 0 1 2 和7 4 1 6 。( 3 ) 臭氧可以有效去除水中的藻类，但没有达到预期的除藻效 果。当处理水的体积为3 0 0 m l ，臭氧投加流量为1 0m g m i n ，作用l m i n 时，臭 氧的灭藻率达到8 0 2 7 。( 4 ) 低压低频脉冲电场一臭氧协同处理时的最佳工艺条件 是在脉冲电流密度为2 0 m a c t n 2 ，臭氧投加流量为1 0m g m i n ，反应时间为2 0 m i n 时，对3 0 0 m l 的水样进行处理，灭藻率可达8 9 5 8 。在相同的处理时间下，脉 冲电场一臭氧协同对藻类的灭活率比单一的低压直流电场处理提高了2 9 4 6 、 比单一的低压低频脉冲电场处理提高了1 5 1 2 。( 5 ) 电流密度、处理时间、处理 水量对杀藻效果影响较大。电流密度增大，通电时间增长，杀藻效率提高；而处 理水量越大，同等电流密度和处理时间条件下，灭藻效率越低。 本文的综合结论是：低压低频脉冲电场一臭氧协同工艺对藻类的污染可以起 到很好的控制作用，可以有效地杀灭水中的藻细胞。该工艺具有广泛的工业应用 前景。 关键词：低压低频脉冲电场，臭氧，协同，灭藻 a b s t r a c t p r e s e n t l y , w a t e rp o l l u t i o ni so n eo ft h eu r g e n tp r o b l e m st os e t t l e ，w h i c hh a s t h r e a t e n e da l lt h ec o u n t r i e si nt h ew o r l d a st h ee f f e c t i v ec o n t r o lo fi n d u s t r i a lp o i n t p o l l u t i o n ，t h es u r f a c ew a t e rp o l l u t i o nb r i n g i n gb yn o n p o i n ts o u r c eb e c o m em o r ea n d m o r es e v e r e e s p e c i a l l yt h a tn o n - p o i n tp o l l u t i o nb r i n g sa b o u tm a n yp o l l u t a n t s c o n t a i n i n gn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si n t ow a t e rb o b y u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ，u s u a l l y ac o m b i n a t i o no fh i g hn u t r i e n tl o a da n dw a r m ，s t a b l ec o n d i t i o n s ，a l g a ec a ng r o w e x c e s s i v e l ya n df o r m b l o o m s t h e s eb l o o m s a r eh a r m f u lt ow i l d l i f e ，d o m e s t i c l i v e s t o c ka n dh u m a nc o n s u m e r s ，c a u s i n ga n i m a lp o d s o n i n ga n dar a n go fh u m a n a l l e r d i ca n dg a s t r o e n t e r i cr e a c t i o n s t r a d i t i o n a lw a t e rt r e a m e n tt e c h n o l o g ym a i n l yi n c l u d ep r e o x i d a t i o n ，f l o c c u l a t i o n ， f i l t r a t i o no rf l o t a t i o nt or e m o v e a l g a e i n a c t i v a t e da l g a ew a y sm a i n l y a r e p r e c h l o r i n a t i o na n dd i s i n f e c t i o nu s i n gc h l o r i n e ，o z o n e ，c h l o r i n ed i o x i d ea n du v e t c h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lp r o c e s so fr e m o v a lo fa l g a eh a st h ep r o b l e m so fl o w e f f i c i e n c ya n dc a l ln o tc o m p l e t e l yk i l lt h ea l g a e b a s e do na b o v em e n t i o n e dw a t e r e n v i r o n m e n tp r o b l e m s ，t h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hw o r ki st of i n do u tap r o p e r t r e a t m e n tp r o c e s sa n dp a r a m e n t e r sw i t ht h ep u l s ee l e c t r i c a lf i e l dr e a c t o rt or e m o v e a l a g e t h e n ，t h i sr e s e a r c hc o u l dp r o v i d er e f e r e n c e sf o rf u r t h e rs t u d ya n dp r a c t i c a l p r o j e c t s t h i st h e s i su s e sw a t e rs a m p l e sw h i c hl o c a t e sau n i v e r s i t yc a m p u sa st h e e x p e r i m e n t a lo b j e c t i no r d e rt oe x p l o r ean e wm e t h o do fk i l l i n ga l a g e ，d i f f e r e n t p r o c e s sc o n d i t i o n st ok i l la l a g eb yd cf i e l d ，p u l s e de l e c t r i cf i e l d ，o z o n ea n dp u l s e e l e c t r i c a lf i e l d o z o n ee o o r d i n a t i o nm e t h o da r eu s e d n er e s u l t ss h o wt h a t ：( 1 ) t h e e l e c t r i c a lf i e l dm e t h o do fk i l l i n ga l a g ei sv a l i da san e wt e c h o l o g yt or e m o v e a l a g e ( 2 ) t h ep u l s ee l e c t r i c a lf i e l dh a sm o r ee f f i c i e n c yt ot h ea l a g et h a nt h ee f f e c to f d cf i e l d w h e nt h er e a c t i o nt i m ei s2 0 m i na n d3 0 0 r a lw a s t ew a t e rw a st r e a t e dw i t h ， t h ed e g e n e r a t i o nr a t eo fd cf i e l da n dp u l s ee l e c t r i c a lf i e l da r e6 0 12 a n d7 4 51 ( 3 ) t h eo z o n eh a sg o o dd e g e n e r n a t i o ne f f e c tt ot h ea l a g e w h e nt h er e a c t i o nt i m ei slm i n ， t h ed e n s i t yo fo z o n ei s10m g m i na n d3 0 0 m lw a t e rw a st r e a t e dw i t h ，t h e d e g e n e r a t i o nr a t eo fa l a g em a yr e a c h8 0 2 7 ( 4 ) t h eb e s tc r a f tc o n d i t i o no fp u l s e e l e c t r i c a lf i e l d o z o n ec o o r d i n a t i o np r o c e s s i n gi so b t a i n e d w h e nt h ep u l s ee l e c t r i ci s 2 0 m a c m 2 ，t h ef l u xo fo z o n ei s3 m g l ，t h er e a c t o rt i m ei s2 0 m i na n d3 0 0 m lw a t e r w a st r e a t e dw i t h ，t h ek i l l i n ga l a g er a t eo fp u l s ee l e c t r i c a lf i e l d o z o n ec o o r d i n a t i o n i i m e t h o dm a yr e a c h8 9 5 8 u n d e rt h es a m ep r o c e s st i m e ，t h ek i l l i n ga l a g er a t ei s h i g h e r2 9 4 6 a n d 15 12 t h a no n l ys i n g l eu s i n gd cf i e l do rp u l se l e c t i r c r e s p e c t i v e l y ( 5 ) t h ec u r r e n td e n s i t y , r e a c t o rt i m ea n dt h ev o l u m eo fd e a l i n gw i t h w a t e rs a m p l e sa r et h eg r e a t e ri m p a c tt ot h er a t eo fk i l l i n ga l a g e w h e nt h ev o l u m eo f w a t e ri sl e s s ，t h er e a c t o rt i m ei sl o n g e ra n dt h ec u r r e n td e n s i t yi sb i g g e r , t h er a t eo f k i l l i n ga l a g ec a nr e a c hh i g h e rl e v e l t h ec o n c l u s i o n o ft h i st h e s i ss h o wt h a tt h ep u l s ee l e c t r i c a lf i e l d o z o n e c o o r d i n a t i o nt e c h n o l o g yh a sg o o dd e g e n e r a t i o ne f f e c tt o t h ea l a g e t h er e s u l t s i n d i c a t et h a ta l g a ec o u l db ei n a c t i v a t e da n dk i l l e db yt h ep u l s ee l e c t r i c a lf i e l d o z e o n e c o o r d i n a t i o nt r e a t m e n tf o rt h ew a t e rs a m p l e a f t e rt h i st r e a m e n t ，t h ea l g a ec e l l sl o s e t h ea b i l i t yt og r o w t h i st e c h o l o g ym a yh a st h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：l o wv o l t a g ea n d l o wf r e q u e n c yp u l s e e l e c t r i c a lf i e l d ，o z o n e ，c o o r d i n a t i o n ， a l a g ek i l l i n g 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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，也不包含为获得武汉理工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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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) 争胁乎矿纽 武汉理丁人学硕士学位论文 1 1 论文研究背景 第1 章绪论 由于人口增长和社会经济的飞速发展，水的需求量骤增，水资源危机不仅表 现在水量的不足，更反应在水质的恶化上。目前，水体污染已成为包括我国在内 的世界许多国家和地区的重要生态环境问题之一，并成为社会经济发展和人民生 活进一步改善的主要制约因素。 根据2 0 0 3 年中国环境状况公报【l 】，我国的主要淡水资源5 0 以上属于v 类 水质，城市的湖泊、水库几乎全部处于富营养化或者重富营养化状态。地处中原 的武汉市坐拥长江和汉江两江的便利，湖泊众多，水资源十分丰富。即便如此， 水体的富营养化仍然是个亟待解决的问题。在1 9 9 2 年、1 9 9 8 年和2 0 0 0 年汉 江曾经发生过三次大规模的水华。 在富营养化的水体中，藻类由于获取了丰富的营养物质而大量繁殖，甚至在 水体表面形成几厘米厚的藻浆，即“水华【2 j 。一方面在藻体大量死亡分解的过 程中，散发恶臭，大量消耗水中溶解氧，使鱼类等窒息死亡；另一方面释放生物 毒素类次级代谢物，即藻毒素。有毒水华所产生的藻毒素对水环境、水生生物乃 至人类健康会带来严重的后果。已发现，藻类是饮用水致突消毒副产物重要前提 物之一，是饮用水处理中生物稳定性的不安定因烈3 1 。 水体富营养化防治走过了从控制营养盐、直接除藻，到生物调控、生态工程 及生态恢复等艰难历程，世界各国为此投入了巨额资金，然而收效甚微，富营养 化依然是全球性重大水环境问题【4 】。鉴于现有河湖己被严重污染，且污染仍将长 期存在的现状，对已污染的河湖继续实施直接治理对策，即应用物理、化学、生 物方法直接净化技术。 传统的水处理技术大致可分为物理法和化学法。但在长期的应用实践中，人 们发现了这些方法中存在着一系列的不足，主要是物理法无持续杀菌灭藻作用， 化学药剂往往会造成更大的二次污染甚至产生致癌物，还可能会对水系统设备造 成腐蚀等问题，从而限制了它们的大规模应用。所以在当前迫切需要开发新技术 控制富营养化水体中藻类生长或者在水厂采用除藻的新工艺，经济、有效的提高 藻类的去除率，使饮用水健康、安全的生产。 随着电化学的发展，电化学除藻技术逐渐发展成为一项新型的、热点的环境 工程技术，被称为环境友好技术，具有便于引进自动化操作手段、在处理中不引 入其他的化学物质、而且反应条件温和、反应速度快、适用范围广、可以单独或 武汉理工人学硕j ：学位论文 与其它水处理技术联合使用等优点。近年来，人们开始研究电场处理废水，尤其 是难降解的废水的电化学反应，并在最近开始研究应用电场直接净化技术治理湖 泊的藻类水华。 因此，电场及电场与其它能场的组合除藻技术可生成为一类绿色的除藻技 术，而对电场及电场与其它能场组合除藻技术进行研究不仅具有理论价值，而且 拥有广泛的应用前途。 1 2 富营养化 1 2 1 富营养化及机理 富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是指氮、磷等无机营养物大量进入相对封闭、水 流缓慢的水体，引起藻类和其它水生植物大量繁殖，水体溶解氧下降，水质恶化， 其它水生生物大量死亡的现象【5 1 。水体出现富营养化现象主要表现为浮游生物大 量繁殖，由于占优势的浮游生物的颜色不同，聚集在水面使水体呈现出相应的色 彩，仿佛水面开了花一样。这种现象在江河湖泊中成为“水华 ，在海洋中则成 为“赤潮 。其结果是引起水质恶化、溶解氧耗竭、透明度降低、渔业减产、阻 塞航道，对人和动物产生毒性等。 富营养化可以分为天然富营养化和人为富营养化。在自然条件下，缓流水体 也会从贫营养状态过渡到富营养状态，但是整个过程十分缓慢，往往可以通过地 质年代来描述。而在人类活动的影响下，大量氮、磷等营养物质通过各种途径进 入缓流水体，在短时间内就可以导致富营养化。人类活动所产生的大量含氮、磷 和无机盐的污水进入河体，使水中的营养物质增多，促使自养型生物旺盛生长。 而随着富营养化的发展，藻类个体数量迅速增加，而种类却在逐渐减少。藻类生 长周期短，繁殖速度快，而且死亡的水生生物在微生物的作用下分解，不断消耗 氧，或者在厌氧条件下产生硫化氢，使水质进一步恶化。而且，由于水中的营养 物质被水生生物系受到成为其机体的一部分，水生生物死亡后营养物质又重新回 到水体中再次被利用，从而形成营养物质不断积累的恶性循环。因此，已经形成 富营养化的水体即使切断了外源污染，也很难恢复【6 j 。 1 2 2 富营养化的成因 一般来说，湖泊的富营养化是一个必然的趋势，湖泊通常都会经过从贫营养 到富营养的演替，但这一过程自然发生的时间相当缓慢，由于人类活动的影响， 富营养化的进程被大大加速了。人类出于经济生产的需要，忽视自然规律，一方 面以点、面源的形式通过河渠、径流等水文过程向湖体排放工业、生活和农业废 2 武汉理t 火学硕士学位论文 水，另一方面又才有种种措施破坏水生植被、缩小湖体自净容量、在沿岸带进行 各种工农业生产活动( 如围垦、筑堤) ，从而加剧了湖泊富营养化进程。 大多数学者认为氮、磷等营养物质长期超标是导致水体富营养化的首要条件 【7 1 。其中又以磷为更关键的因素。水体中的磷的主要外界来源依次为农业排水、 居民生活污水、洗涤剂与工业污染源，内部来源是底泥释放磷【8 】。从技术上讲， 消除湖泊富营养化的关键还在于削减湖泊水体的氮、磷等营养物质的含量，消除 水体中藻类疯长的基础。除了氮、磷等植物营养物质过多造成的原因外，水体的 水利条件、阳光照射造成水温的垂直分布阻碍水的垂直混合等也是造成水体富营 养化的部分原因p j 。 1 2 3 富营养化导致水华带来的危害 藻类污染作为环境污染的一部分，主要是由于工业废水和生活污水引起的水 体富营养化造成的。在富含n 、p 等营养元素的湖泊和水库中，藻类过多的繁殖 会破坏环境的生态平衡，造成多方面的危害。 1 ) 对水体与环境的不利影响 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 体呈现富营养化状态并导致藻类大量繁殖时，这种正常的生态平衡就会被扰乱， 某些种类的生物明显减少，而另外一些生物种类则显著增加。这种生物种类演替 会破坏了水体生态系统，使水体中的生物多样性进一步减少。 富营养化现象出现以后，大量藻类铺满水面，阳光难以透射湖泊入深层，并 且阳光在透射过程中被藻类吸收而衰减，使下层水生植物光合作用明显受到受抑 制而减弱，使溶解氧来源越来越少。藻类死亡后不断沉积、腐烂分解，也消耗深 层水体的大量溶解氧，甚至使水体出现厌氧状态，造成鱼、虾、贝等水生动物因 缺氧窒息死亡，以至在水产养殖业上造成很大的经济损失。 人们常用山清水秀来形容人文和自然景观，有水的地方是人们休闲娱乐的重 要场所。藻类大量死亡后，能降低湖泊的透明度，飘浮在水面上的藻能阻碍了划 船和游泳，并且藻类能在湖泊和港湾沉积下来，从而影响海滨的观赏价值，造成 旅游业的损失【1 0 1 。 2 ) 对饮用水生产的不利影响 人们赖以生存的水库、河流、湖泊以及城市工业和生活用水，如果污染或者 产生富营养化，将会给净水厂带来一系列问题。由于水源藻类的过度滋生干扰正 常水处理，在夏季用水高峰期影响自来水厂的供水。它不仅容易堵塞输水管道， 附着在水池表面生长，腐蚀管道及蓄水池，且过滤粘附在滤料上，增加反冲洗频 率，严重时影响水质。而对水华的絮凝也比较困难，需要投加更多的絮凝剂提高 3 武汉理1 二人学硕上学位论文 了水处理成本。 其次，在净水过程中藻类本身及其产生的某些有毒物质增加了水处理的技术 难度。某些藻类在一定的环境下会产生毒素，有人认为饮用有藻毒素的自来水会 引起肠道疾病，动物学实验发现藻类毒素可能有致畸、致突变的作用【l l 】。这既影 响了净水厂的产水率，又加大了费用。 1 2 4 国外湖泊富营养化现状 近年来世界各国普遍重视湖泊环境的演变，目前湖泊面临的最大问题是湖泊 富营养化问题。在统计的9 6 个湖泊中有8 0 的湖泊不同程度地受到氮、磷的污 染，呈现出富营养化状态。亚洲湖泊水质南北差异较大，北部湖泊水质好，而南 部湖泊水质较差；亚洲湖泊水质的主要特点是水中氮、磷含量偏高。亚洲南部大 部分湖泊富营养化问题突出，适宜的自然条件和湖中营养盐引起水华。此外，亚 洲大部分城市湖泊接受生活污水较多，高锰酸盐指数和生化需氧量均超标严重。 在北美洲最受人关注的五大湖泊中，苏必利湖水质最好，属贫营养湖泊，休伦湖 和密执安湖处于中营养状态，而伊利湖和安大略湖则水质相对较差，属富营养型 湖。然而，最近的调查表明，亚太地区有5 4 的湖泊呈现富营养化，欧洲、非洲、 北美洲和南美洲的比例分别是5 3 、2 8 、4 8 和4 1 ，水体富营养化加剧比较 明显【1 2 1 3 l 。欧美一些工业发达国家在近十年内普遍采取了一些措施，但仍没能 有效地控制住湖泊的富营养化和藻类污梨1 4 j 。 1 2 5 国内湖泊富营养化现状 国内湖泊生态环境面临的主要问题是：富营养化、有机物污染、西部湖泊碱 化、生态环境以及湖泊萎缩与水量减少等问题。但是目前对众多湖泊水资源影响 最严重的是富营养化。2 0 世纪8 0 年代，我国对全国的水源水质进行的调查发现 3 4 个湖泊中有5 0 以上的面积处于富营养化状态。进入2 1 世纪，污染更深变得 日益严重，范围不断扩大，国内的主要河流，如长江、黄河、黄浦江、松花江等 和大型淡水湖泊，如太湖、鄱阳湖、东湖和云南滇池等地均出现藻类大量生长繁 殖，甚至产生水华现象【l 孓1 6 】。 长江中下游地区是我国淡水湖泊最集中的区域，绝大多数为浅水湖泊。2 0 世纪8 0 年代以前，这些湖泊水质普遍较好。2 0 多年来，随着经济的发展，湖泊 水环境日趋恶化，富营养化形式严峻。上世纪8 0 年代后期以来，大部分湖泊已 呈现中营养或富营养以上水平【1 7 】。我国5 大淡水湖泊中的太湖、洪泽湖和巢湖均 已极度富营养化【博j 。 不仅大小湖泊塘堰普遍营养化，甚至连较大的河流也屡屡出现富营养化现 4 武汉理工大学硕士学位论文 象。汉江从1 9 9 2 年至今的1 0 余年间，先后发生4 次藻类水华现象，且发生水华 的频率越来越快，波及范围也越来越大，1 9 9 2 年首次出现水华的嗲点仅局限在 下游汉川江段，1 9 9 8 年和2 0 0 0 年逐步上溯到中下游的仙桃、沙洋乃至钟祥江段， 且有继续蔓延的趋势【l 9 】。 可见水体富营养化是我国特别是长江中下游地区水体主要污染问题之一，对 水资源造成很大破坏，在水环境保护工作中必须予以重视。 1 3 富营养化水体中藻类污染及其控制 1 3 1 藻类的来源 随着工农业生产的迅速发展和面源污染加剧，大量工业污水和生活污水排入 水体，使天然水体的富营养化日益严重。湖泊、水库是接纳一定汇水面积范围内 雨水径流的封闭性、半封闭性水域，由雨水径流及上游携带来一定数量的氮、磷 等营养物质及其它有机物进入水体内，在一定气温和光照条件下，藻类便大量繁 殖。 当水中含有0 2 0 。3 m g l 氮及0 0 5 - - - 0 1 m g l 磷酸盐，水温为1 2 2 0 。c 和水的 浊度小于5 0 8 0 时，在光照好的条件下最适宜藻类生长。湖泊水库和水流缓慢 的江河在一定条件下必然繁殖藻类，当水中藻类大于5 0 万个l ，便会使这些水 域的水质发生一些变化，它已经不同于一般地表水源，而具有某些特殊性质。 1 3 2 藻类的基本特征 藻类的形态多样，大小悬殊，分布广泛。作为植物中的一类，仍具有区别于 动物和其他植物的基本特征，已发展成为独立的学科一藻类学。藻类大多具有 光合色素，能进行光合作用，把无机物转变为有机物，属于自养型生物。在形态 结构上，虽然有的藻类有复杂的形态结构，甚至看起来像高等植物，但却没有真 正的根、茎、叶的分化。 根据光合色素的种类、个体的形态、细胞结构、生殖方式和生活史等，将藻 类分为1 0 门：蓝藻门、裸藻门、绿藻门、轮藻门、金藻门、黄藻门、硅藻门、 甲藻门、褐藻门及红藻门。 除蓝藻细胞没有典型的核结构外，藻类细胞都有细胞核。核有核膜，内含核 仁和染色质。藻类含有的叶绿素大致可以分为叶绿素、胡萝b 素、叶黄素和藻胆 素。【2 0 】 武汉理t 火学硕士学位论文 1 3 3 藻类生长繁殖的影响因子 影响藻类生长繁殖的因子主要有以下几点【2 1 】： 1 3 3 1 光 光是决定水体中绿色植物分布、生长的主要条件，它决定于水的透明度。按 照光亮的垂直分布，可以把湖水分为富光带、光补偿面和深水带。富光带内植物 光合作用的放氧量超过呼吸作用的好氧量，水中的溶解氧含量较高；深水带内植 物光呼吸作用的好氧量超过了光合作用的放氧量，水中溶解氧较少；光补偿面的 光照强度大约为全光照强度的l ，光合作用产生的氧和呼吸作用消耗的氧基本 相等。因此，水体中的光照强弱，水生植物光合作用的强弱直接影响水体的富营 养化。阳光充足是藻类生长的主要因素。 在贫营养湖中，阳光通过清澈透明的水层可以直射底层，使整个湖的上下层 都能进行光合作用和保持高浓度的溶解氧。但是营养物质过多，藻类异常茂盛的 富营养湖泊，下层水得不到光照，溶解氧较少，甚至导致氧的耗尽。 1 3 3 2 温度 水体温度的时间变化( 季节、昼夜) 形成水体的运动，是影响水中氧和营养 物质的垂直变化和在各层面分布的因素。在湖泊中，夏季表层增温，表层水浮在 冷水之上，上下不宜混合。冬季表层水温低，冷水和冰密度小，浮在暖水之上。 因此，夏冬水体的上下层氧气和营养物质都不能交换。 藻类生长的有利水温在1 5 3 1 ，易引起水华的蓝藻的形成在2 5 左右，试 验水体中藻类的最适水温在2 0 左右。水温对藻类的生长影响很大。一般在春 秋季节反而会有自然消亡的趋势，冬季藻类数量迅速降低。因此，在3 、4 、7 、 9 和l o 月份属于藻类的高发期。近几年来气候变暖，使太湖蓝藻暴发频次加密， 年中蓝藻初次暴发时间提前，秋季也出现蓝藻暴发的重要原因之一。 水华生消过程中水温变化范围较小，在2 8 3 1 之间。通常在温度没有分层 的情况下，水温变化度水体富营养化生消的影响相对较小，而当水温变化较大时， 二氧化碳在水体中的溶解度会随水温升高而降低，水温的变化与气温变化密切相 关，本实验在夏季气温较高的环境中进行，因此水温不会成为水华生消的限制因 子。 1 - 3 3 3 营养物质 通常，湖泊内富营养化的限制物质是氮和磷，所以用氮和磷作为富营养化的 指标是有效的。水体富营养化判断标准是总氮0 2 m g l ，总磷为o 0 2 m g l 。磷的 含量是决定藻类疯长的一个重要因子。污水中磷主要以有机磷、正磷正酸盐、聚 6 武汉理t 大学硕士学位论文 来磷酸盐等形式存在。藻类在摄取营养盐时，对磷的需要大约为氮的1 1 0 1 2 0 ， 为防止藻类生长，磷必须要控制。 1 3 4 现有的富营养化水中藻类的去除方法 藻类大量生长导致水华暴发，会对水体产生相当大的影响和破坏，因此如何 有效地控制藻类的生长繁殖，恢复水体中的健康的生态系统，是我国乃至全世界 的重大环境科学前沿之一。历经多年的探索，国内外学者已研究场实力多种治理 藻华的方法，但至今仍没有形成一套安全、高效、廉价的治理技术。具体到各种 方法，它们的发展和应用程度各不相同，都存在着各自的优缺点。总的来说，可 以通过物理、化学、生物等方法对藻的生长繁殖进行控制。 1 3 4 1 物理法 通过物理方法可以减弱甚至消除藻类的繁殖条件或使藻类沉淀于水底，从而 防止水华的暴发。主要有以下方法： 1 ) 底泥疏浚 底泥疏浚是修复湖泊水库的一项有效技术。底泥是湖泊中的内污染源，有大 量的污染物质积累在底泥中，包括营养盐、难降解的有毒有害有机物、重金属离 子等。 通过对中等以上湖泊中通过疏浚底泥控制水华的实例表明，疏浚底泥作为水 利工程和航道工程措施有重要效用，其改善水质效果与疏浚方法有关。适当的疏 浚可在短期内改善水质，但从月和季以上的时间段来看，并不是控制水华的充要 条件。同时，应注意疏浚作为环境工程投入产出及其可能对生态修复的负面影响。 宁波市在1 9 9 9 年进行城区月湖底泥挖掘时，阻断了外源性营养物质进入水体的 途径。结果发现部分湖泊挖掘底泥的预期效果未能体现出来，一段时间内反而导 致了水体氮、磷营养元素平衡破坏，水质进一步恶化，藻类异常增歹直【2 2 1 。 2 ) 稀释和冲刷 稀释和冲刷能够稀释营养盐和藻类浓度较高的湖水，但其稀释能力受引水方 式、引水量、引水水质等因素的影响。由于稀释作用同时也减缓了藻类生长的密 度制约压力，引水冲污后藻类生长往往呈现加剧趋势。根据实验检测可知，南京 玄武湖进行引水冲污后，水体中氮磷浓度都有所下降，缓解了该湖严重的富营养 化状况。但换水之后，湖内藻类数量和生物量急剧回升【2 3 】。由此可见，单纯用引 水冲污的办法控制富营养化藻类的过度繁殖，往往难以奏效，只能作为一项应急 措施。 3 ) 曝气充氧 水体曝气充氧是指对水体进行人工曝气充氧以提高水中的溶解氧含量，使其 武汉理工人学硕上学位论文 保持好氧状态，防止水体黑臭现象发生。从实际应用情况来看，曝气系统能够有 效地增加深层水的溶解氧，但很难保证正给水体的好氧环境，而且内源性的磷负 荷的降低通常不像想象的效果那样理想【2 4 】，因此其只能作为景观水处理的辅助手 段。 4 ) 过滤法 当原水中藻类和悬浮物较少时可对其进行直接过滤，当水中含藻量极高时应 在滤池前增加沉淀池或澄清池，但这样还可能出现滤池出水的含藻量 1 0 0 0 个m l 的情况，过滤工艺的关键是滤速的大小。采用均质砂滤池或双层滤料池进行直接 过滤时，对藻类的去除率为1 5 7 5 2 5 】。 1 3 4 2 化学药剂法 化学除藻剂法是通过筛选和合成化学药剂( 统称杀藻剂) 来控制水中藻类的 正常繁殖。其机理一方面通过金属离子抑制藻类的正常代谢而达到杀灭藻类的目 的，另一方面则通过金属离子的絮凝作用沉降藻类而达到去除藻类的目的。目前 常用的杀藻剂主要有c u s 0 4 、高锰酸盐、液氯、c 1 0 2 、0 3 和h 2 0 2 等。 投加c u s 0 4 和高锰酸盐容易造成出水铜和锰超标，目前很少在水厂采用。 液氯虽能有效杀灭藻类，但是液氯与水中有机物反应产生三氯甲烷等有害副产 物。h 2 0 2 杀藻效果较好，但由于h 2 0 2 分解较缓慢，因此杀藻速度慢，在处理后 出水中往往含有过量h 2 0 2 ，引起二次污染。随着人们健康意识的提高，臭氧作 为一种相对较安全的强氧化剂受到了人们的青睐。臭氧氧化并不能使藻细胞溶 裂，藻内有机物外流，保证了饮水的安全性，并且已经有臭氧活性炭深度处理工 艺用于饮用水中藻类的去除【2 6 】，但是因0 3 生产费用较高，使这种高效氧化技术 受到限制。 近年来，人们认为c 1 0 2 是一种有效的除藻剂，具有强力、广谱、高效的特 点。其除藻机理是藻类叶绿素中的呲咯环与苯环非常相似，二氧化氯对苯环具有 一定的亲和性，能使苯环发生变化而无臭无味，二氧化氯同样能作用于呲咯环， 氧化叶绿素，使其新陈代谢终止、蛋白质的合成中断，导致藻类死亡。二氧化氯 和藻类反应极快，能够有效控制霉味、鱼腥味等。目前在国内二氧化氯并没有得 到广泛应用，它和臭氧一样需要就地生产。国外有稳定的液态二氧化氯供应站， 但价格昂贵。另外，在预氧化过程中，有机物浓度较高，消耗的二氧化氯量较大， 无机副产物浓度较高。由于使用化学药剂使水中增加了新的对健康不利的化学物 质，所以不是最佳选择。 1 3 4 3 生物法 生物除藻技术由于成本低、功能强、效用持久，正受到越来越多的关注。一 武汉理工大学硕= i ：学位论文 是利用藻类病原菌、藻类病毒的抑藻作用，已经发现一些粘细菌和真菌能裂解藻 类营养细胞或破坏细胞的某一特定结构；二是利用植物、动物控制藻类，一些水 生高等植物可吸收水中营养成分，使藻类繁殖受到抑制，根据不同生态类型水生 高等植物的净化能力和生境特点，设计建造由漂浮、浮叶、沉水植物与其根际微 生物等组成的人工复合生态系统，在湖泊、水库周围或河流岸边培植，注意管理 和收获，能有效去除水体中高浓度的藻类。 中国市政工程中南设计院的李家就进行了富营养化湖泊水源生物预处理研 究。通过采用自然挂膜法，隐藻门、蓝藻门的藻类易被分解氧化，去除率可达 9 0 以上，其次是绿藻门，但绿藻门中的栅裂藻去除率仅为4 3 8 ，硅藻门去除 率为6 5 4 ，处理后的水质得到全面改善，处理效果稳定。日本仙台进行的生物 处理试验，结果为( 停留时间l h ) - 对绿藻的去除率为4 0 左右，对硅藻的去除率 为8 0 左右。 华师大的任翱等进行了应用微生物组合技术治理富营养化水体的研究，应用 光和细菌、消化细菌、玉垒菌等高效微生物及其组合，投入某小河中( 该河水 c o d e r ：与氨氮浓度分别为3 0 6 0 m g l ，水体绿藻滋生严重) 。采用悬浮与挂膜两 种批式工艺进行试验、结果表明：投加高效菌治理微污染水体效果显著，c o d e r 去除率均在1 4 以上，投加组合菌种比单一菌种去除污染效果更好。 生物法由于目前筛选的藻类天敌不多，技术本身还不够成熟，各种病理真菌 或噬菌体的杀生范围普遍狭窄专一性强，对于水中复杂多样的藻类，则难以奏效。 正是由于以上几种代表当今灭藻发展趋势的方法都有难以解决的缺点，国内 外研究学者都试图寻求一种新的方法，以尽可能的减少灭藻带来的负面影响，这 种方法就是电化学方法。 1 4 电化学灭藻方法 电化学灭藻技术是一种新的“环境友好 的水处理技术。电化学技术是一种 新的水处理技术，电化学方法产生的强效活性氧( o h 、0 2 、0 3 、h 2 0 2 等) 能 快速有效地杀灭水中的多种有害微生物，并且在电场停止作用后，仍具有持续灭 藻能力，可以在较长时间内控制系统内各种有害微生物的生长。弥补了臭氧( 活 性氧) 和紫外线( 电磁波) 方法无延续灭藻能力的缺陷，避免了氯消毒产生“三 致”物质的弊病，是一种很有发展前景的高新技术。 虽然国内外专家对电场杀藻有一定的研究，但是由于其工作机理与基础学科 ( 如电化学、物理学、反应动力学、微生物学等) 联系密切，加之电场杀藻的效 率所受的影响因素较多，因此到目前为止，许多研究仍处于定性阶段，还存在许 多问题，绝大多数研究报道仅限于应用方面。 9 武汉理工大学硕上学位论文 1 4 1 电化学方法的优势及存在的问题 尽管电化学方法目前存在能耗大、成本高及电解时析氧、析氢或析氯气不安 全的缺点，但随着太阳能和风能及火能这些清洁能源成本的降低，将为电化学方 法在治理废水方面的应用开辟很好的前景，有朝一日它必将发展成为种高效的 实用技术。 电化学方法优势如下： ( 1 ) 电化学方法一般不受反应物生物毒性的影响，可以作为高毒性、高腐 蚀性有机物的有效处理方法，也可以作为生化方法的预处理，使有毒的大分子有 机物转化为小分子有机物，利于进一步的生化处理； ( 2 ) 电化学方法以电子作为反应剂，电场能为反应动力，不需要外加氧化 剂、絮凝剂等化学试剂，可以避免过多的二次污染； ( 3 ) 可以通过对处理器的机构的改进，提高活性物质向水体扩散和微生物 向极板迁移的传质效率，从而达到高效灭藻的效果。 ( 4 ) 电化学反应器的结构及外围设备都相对简单，设备的占地小，管理操 作方便，运行成本低廉，也是其成为热门研究方向的原因。 但是在该领域的研究中还存在着许多问题，现有的电极的催化性能仍不是很 理想，电流效率偏低，能耗高。研制高电催化活性电极材料，开发出高效的复合 型电极将是工业应用的关键。研究方向是围绕着提高电催化氧化灭藻的效率、降 低处理成本，尽力在电极材料的结构和形态、电极反应活性和选择性、以及反应 器结构、供电方式和电极材料的优化组合方面寻求进展。 1 4 2 电化学灭藻技术的国内外发展现状 早在二十世纪四十年代就有人提出利用电解技术处理废水，但由于电力缺 乏，成本较高，因而发展缓慢。六十年代初期，随着电力工业的迅猛发展，电化 学水处理技术引起人们的注意。自八十年代以来，随着人们对环境科学认识的不 断深入和对环境要求的日益提高，因而具有其它技术无法比拟的优越性而引起国 内外环保工作者的极大兴趣。 目前，国内电化学水处理技术的研究应用和国外相比还是显得比较分散、不 系统，多集中于重金属的去除和含氰废水的处理，但已有一定的基础和发展。如 采用g j h 0 3 型和g j h 0 4 型电解池电解处理含铬废水，通过直流电的电解作用， 在铁阳极催化剂的作用下，亚铁离子在酸性条件下，可将有毒的六价铬还原为三 价铬；在中性条件和偏碱性条件- f n 生成氢氧化物沉淀而将铬去刚2 1 7 1 。 同济大学的周群英等人进行了微电解杀藻研究，研究表明：用s c 杀藻器进行 微电解杀灭湖泊中藻类，当进水流量为l m 3 l l ，电流强高为5 9 2 8 8 8 m a c m 3 时， l o 武汉理工人学硕士学位论文 杀藻效果极好，明显破坏藻类细胞中叶绿体的结构，使藻类完全丧失光合作用的 能力，即使在阳光充足的条件下，呼吸作用远大于光合作用，溶解氧急剧下降， 其下降率均可达到9 2 。白天和夜晚的溶解氧接近，达到了杀藻效果。 除了电化学在饮用水在饮用水灭菌方面的研究，电化学杀菌的研究还表现在 其它很多方面。利用海水中含有氯离子的性质，在不投加任何其它化学试剂的情 况，电化学对海水的杀菌也表现了很好的效果。研究显示，对于海水中的霍乱菌， 在低电流电解下，杀菌率达到9 8 以上【2 引。吴星五【2 9 】等人采用高温热解氧化法 研制出以钛板或钛棒为基体，表面为含铱等贵金属氧化物涂层的阳极。该类电极 催化产生的活性氧具有较强的灭藻效果，且电解过程中自身不溶解，电流密度 1 a e r a 2 强化试验的寿命大于3 3 0 0 0 m i n ，超过钌强化试验寿命不小于8 0 0 m i n 和铱 寿命不小于3 0 0 0 m i n 的国家标准。 同济大学三好坞湖水中藻类的杀灭试验结果表明，未经处理的水样溶解氧浓 度昼夜波动大于3 m g l ，而灭藻后的水样溶解氧浓度不断降低，之后趋于不再变 化，这表明藻类因光合作用功能的丧失而逐渐死亡。一方面，死藻不产生氧气； 另一方面，残存的呼吸作用消耗水中的氧。通常检测水中藻类的含量是用计数框 或计数板在显微镜下计算面积中的细胞数，由于处理后藻类金部分内部器官损 伤，细胞没有破碎和立即变色，显微镜下分辨不出死活，用生理指标引起水质的 变化来反应灭藻效果，是比较科学准确的方法【2 9 j 。 1 4 3 脉冲