（环境工程专业论文）湘江流域饮用水源水藻类特征及除藻工艺的研究.pdf

摘要 近年来随着工农业生产的飞速发展，湘江流域水源水的污染日益严重，藻类 的过度生长已经成为湘江流域水源水面临的共同问题。而研究合理有效的除藻方 法是饮用水安全的迫切需求。本文对湘江长沙段水源水藻类特征及除藻工艺进行 研究，通过深入的研究湘江水质及开发出与之相适应的净水工艺，为将来可能兴 建的以湘江为水源水的安全供水工程或已有自来水厂的改造提供参考。 本文分析了长沙段水源水藻类的主要特征并探讨了环境因素对其的影响。结 果表明，每年3 4 月和1 0 1 1 月为湘江长沙段水源水藻类的高发期。高藻期水源 水以硅藻、绿藻和隐藻为主，所占藻类总数量的比例为9 0 3 左右。其中磷是长 沙段水源水富营养化的主要限制因子，温度的变化决定了水中优势藻的种类，夏 季充足的光照为绿藻生长提供了有利条件。 研究了四种组合除藻工艺对某自来水厂的藻类去除效果。结果表明：在实验 条件下，四种组合除藻工艺均具有一定的除藻效果。常规处理，臭氧活性炭深度 处理组合除藻工艺i 型对藻类的去除率为9 1 8 ；臭氧氧化，常规处理及生物活 性炭深度处理组合除藻工艺i i 型对藻类的去除率为9 1 2 ：陶粒生物滤池预处 理，常规处理及活性炭深度处理组合除藻工艺i i i 型对藻类的去除率为8 4 7 、陶 粒生物滤池预处理，常规处理及臭氧活性炭深度处理组合除藻工艺i v 型对藻类 的去除率为9 2 7 。 研究了臭氧氧化副产物溴酸盐的去除工艺。结果表明：活性炭的类型影响着 活性炭滤池对溴酸盐的去除能力。还考察了前臭氧氧化工艺用于控制臭氧氧化副 产物溴酸盐的可行性，确定了前臭氧氧化的合理臭氧投加量，结果表明：低于或 等于1 5 m 9 0 3 l 剂量可以认为是适合的投加量。 关键词：水源水；藻类；组合工艺；溴酸盐 a bs t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e p r o d u c t i o n ，t h ep o l l u t i o no fx i a n g j i a n gr i v e rw a t e rb e c o m e si n c r e a s i n g l ys e r i o u s e x c e s s i v eg r o w t ho fa l g a ea l o n gt h ex i a n g j i a n gr i v e rb a s i nh a sb e c o m eac o m m o n c h a l l e n g ef a c i n gt h es o u r c ew a t e r r e s e a r c h i n gr e a s o n a b l ya n de f f e c t i v e l ym e t h o dt o r e m o v et h ea l g a ei st h eu r g e n tn e e d so fd r i n k i n gw a t e rp u r i f i c a t i o n t h i sp a p e rh a s d i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fx i a n g j i a n gf i v e ra l g a ea n di t sr e m o v i n gt e c h n o l o g y ， t h r o u g hd e e p l yr e s e a r c hi n t ox i a n g ji a n gr i v e rq u a l i t yt od e v e l o pas u i t a b l ep u r i f i c a t i o n p r o c e s s ，i tm a yp r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h ef u t u r es a f e t yw a t e rs u p p l ye n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o no re x i s t i n gw a t e rp l a n tr e f o r m t h i sp a p e ra n a l y z e st h em a i nf e a t u r eo fc h a n g s h as o u r c ew a t e ra l g a ea n d d i s c u s s e st h ei n f l u e n c eo fi t se n v i r o n m e n t a lf a c t o r s t h er e s u l t ss h o wt h a te a c hy e a r f r o mm a r c ht o a p r i la n do c t o b e rt on o v e m b e ra r eh ig hi n c i d e n c es e a s o nf o r x i a n g j i a n gf i v e rw a t e ra l g a e d i a t o m s ，g r e e na l g a ea n dh i d d e na l g a ea r em a i n c o m p o n e n t si nh i g ha l g a es e a s o ns o u r c ew a t e r ，a n dc o u n tar a t i oo f9 0 3 o ft o t a l a l g a en u m b e r p h o s p h o r u si s t h em a i nl i m i tf a c t o rf o rw a t e re u t r o p h i c a t i o n ，t h e t e m p e r a t u r ec h a n g i n go ft h ew a t e rd e c i d e st h ea d v a n t a g ea l g a et y p e s ，a d e q u a t e i l l u m i n a t i o np r o v i d e sf a v o r a b l ec o n d i t i o n sf o rg r e e na l g a eg r o w t h f o u rc o m b i n a t i o n sp r o c e s so nw a t e r p l a n ta l g a er e m o v a le f f i c i e n c yw e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tu n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ee x p e r i m e n t ，f o u rc o m b i n a t i o n s p r o c e s sb o t hh a v ec e r t a i ne f f e c to nr e m o v ea l g a e c o n v e n t i o n a lt r e a t m e n t ，o z o n e o x i d a t i o n ，b i o l o g i c a la c t i v a t e dd e e pp r o c e s s i n gc o m b i n a t i o np r o c e s s ；p r e o z o n e o x i d a t i o n , c o n v e n t i o n a l t r e a t m e n ta n d b i o l o g i c a l a c t i v a t e d d e e pp r o c e s s i n g c o m b i n a t i o np r o c e s s ；t a o l ib i o l o g i c a lf i l t e rp r e t r e a t m e n t ，t h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n t a n da c t i v a t e dc a r b o nd e p t ht r e a t m e n tc o m b i n a t i o n sp r o c e s so fa l g a e ；t a o l ib i o l o g i c a l f i l t e rp r e t r e a t m e n t ，t h ec o n v e n t i o n a lt r e a t m e n ta n do z o n ea c t i v a t e dc a r b o nd e p t h t r e a t m e n tc o m b i n a t i o n s p r o c e s sr e s p e c t i v e l yh a v eaa l g a er e m o v ee f f i c i e n c yo f 9 1 8 ，9 1 2 ，8 4 7 a n d9 2 7 r e s e a r c hi nt h eo z o n eo x i d a t i o nb y p r o d u c t so fb r o m a t er e m o v i n gp r o c e s sh a d b e e nd o n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et y p eo fa c t i v a t e dc a r b o nf i l t e rc a l li n f l u e n c eo f b r o m a t er e m o v i n ga b i l i t y t h eo z o n eo x i d a t i o np r o c e s sb e f o r et oe f f e c t i v e l yc o n t r o l t h eo z o n eo x i d a t i o nb y p r o d u c t so fs a l ti nt h ef e a s i b i l i t ys t u d yw a sa l s oi n v e s t i g a t e d ， i i i 湘江流域饮用水源水藻类特征及除藻工艺的研究 d e t e r m i n et h ef o r m e ro z o n eo x i d a t i o nr e a s o n a b l eo z o n e d o s i n gq u a n t i t y ，t h a tl e s st h a n o re q u a lt o 1 5 m 9 0 3 ld o s em a y b eas u i t a b l ed o s i n gq u a n t i t y k e yw o r d s ：s o u r c ew a t e r ；a l g a e ；c o m i n e dp r o c e s s ；b r o m a t e i v 工程硕士学位论文 插图索引 图2 1 湘江长沙段藻类密度随季节变化1 6 图2 2 湘江长沙段p h 值随季节变化情况18 图2 3 湘江长沙段总磷随季节变化情况1 8 图2 4 湘江长沙段总氮随季节变化情况1 9 图2 5 湘江长沙段化学需氧量随季节变化情况1 9 图3 1 处理湘江水的全流程组合除藻工艺i 型流程图一2 4 图3 2 组合除藻工艺i 型对藻类的去除2 5 图3 3 组合除藻工艺i 型对叶绿素a 的去除2 5 图3 4 处理湘江水的全流程组合除藻工艺i i 型流程图2 6 图3 5 组合除藻工艺i i 型对藻类的去除2 6 图3 6 组合除藻工艺i i 型对叶绿素a 的去除2 7 图3 7 处理湘江水的全流程组合除藻工艺i 型流程图2 7 图3 8 组合除藻工艺i i i 型各单元对藻类的去除2 8 图3 9 组合除藻工艺i i i 型各单元对叶绿素a 的去除2 9 图3 1 0 处理湘江水的全流程组合除藻工艺i v 流程图2 9 图3 1 1 组合除藻工艺i v 型对藻类的去除3 0 图4 1p f c 和f e 2 + 对b r 0 3 强化混凝去除3 4 图4 2 活性炭滤池去除溴酸盐的模拟试验系统示意图3 5 图4 3 挂膜过程中两种活性炭滤池对溴酸盐的去除效果比较一3 5 图4 4 挂膜过程中两种活性炭滤池对硝酸盐氮去除效果比较3 7 图4 5 前臭氧氧化组合系统流程图3 8 图4 6 臭氧投加量为1 5m g l 时溴酸盐在组合系统中变化情况3 9 i 湘江流域饮用水源水藻类特征及除藻工艺的研究 附表索引 表1 1 饮用水水质标准中有机物检测项的变化2 表2 1 湘江长沙段各藻类所占比例1 7 表2 2 湘江长沙段浮游藻类构成1 7 表3 1 组合除藻工艺i 型各单元的运行参数2 4 表3 2 组合除藻工艺i i 型各单元运行参数2 6 表3 3 组合除藻工艺i i i 型各单元运行参数一2 8 表3 4 组合除藻工艺i v 型各单元运行参数。2 9 表3 5 组合除藻工艺i v 型对叶绿素a 的去除3 0 表4 1 前臭氧氧化组合系统各单元运行参数3 8 表4 2 不同臭氧投加条件下生成溴酸盐在前臭氧组合系统中变化一3 9 v l 工程硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 近年来随着工农业生产的飞速发展，湘江流域废、污水的排放量也急剧增加， 从而使湘江的污染日趋严重。湖南的监测部门对湘江主要河段进行的监测中发现， 4 3 个受检河段中只有1 1 个河段水质达到三类以内，其他3 2 个水质均未达到三类 标准，在四类标准中，已属污染水体，其中2 个属于湘江主干流的河段已经属于 五类水，根本不能作为饮用水源。 随着水污染的加剧，藻类水华在全世界范围内大面积的发生，引起了各国的 广泛关注。在中国，一些大型淡水湖泊如太湖( 2 3 4 0k m 2 ) 、巢湖( 7 6 9 5 5k l n 2 ) 、滇 池( 3 0 9k m 2 ) 等都在很大范围内发生了蓝藻水华【l 3 】，甚至一些河流，如长江流域 多处支流包括汉江也多次发生甲藻、绿藻、硅藻、蓝藻等水华【l ，2 】。湘江是长江七 大支流之一，也是洞庭湖水系最大的河流，干流全长9 5 6 公里，其中湖南境内 长6 7 0 公里，沿途流经永州、衡阳、株洲、湘潭、长沙、岳阳等大中城市。湖南 境内湘江流域面积占全省总面积的4 0 ，人口约占全省人口的6 0 ，是湖南省 工业化水平最高、城市化发展进程最快的区域，是湖南经济社会发展的重要命脉 3 , 4 1 。近年来，湘江藻类水华时有发生，尤其在2 0 0 8 年1 0 月下旬与2 0 1 0 年9 月中下旬藻类水华暴发严重，阻塞水处理厂的滤池，导致自来水出厂水压、水量 下降，造成市区大量小区停水，且江水藻类数量达到一定程度时，源水很容易出 现腥味，严重影响人们的生活。藻类的过度生长已经成为湘江流域水源水面临的 共同问题。但有关湘江流域浮游植物群落结构、水华优势种类等一直没有相关的 研究。因此查明湘江流域藻类的发生、发展特点，并根据湘江水质研究合理有效 地除藻方法是湘江流域饮用水安全的迫切需求。 1 2 饮用水水质标准发展的研究 饮用水水源的污染，导致水质下降，进而影响到人类的身体健康。通过调查 研究发现：人类的常见疾病大约有8 0 左右与水污染有关，因此提高饮用水供水 水质已经成为供水服务的首要目标。 饮用水的水质指标归纳起来可以分为三类：感官性指标、有毒有害物质指标 和细菌学指标。感官性水质指标，是根据饮用水的色度、浊度等物理性质而制定 的指标。研究发现，感官指标相对较差的饮用水其危害性不一定很大，但感官性 差的饮用水通常会导致消费者对供水的安全性产生怀疑，甚至厌恶；有毒有害物 湘江流域饮用水源水藻类特征及除藻工艺的研究 质指标，是防止慢性病( 如：肿瘤等) 发生的指标；细菌学指标是其中十分重要的 指标，因为大量细菌的滋生可能造成人群流行病的发生甚至引起人类或其他生物 的死亡。饮用水水质指标的发展经历了一个由感观和生活经验的感性认识到科学 方法严格测定、并定量化的历程，随着社会的不断进步，人民生活质量越来越高， 环保意识越来越强，而其对饮用水水质的要求也越来越高，然而科技的进步给人 们带来了十分严重的水污染问题，迫使各国不断地修订水质标准，以满足人们越 来越严格的饮用水安全性要求。 二十世纪六十年代，饮用水水质标准中的检测指标，主要包括细菌学、感官 性、化学毒理学和放射性等。二十世纪七十年代以后，随着有机物分析检测技术 的不断发展和进步，饮用水中可以检测出来的有机物种类不断增加，其危害性也 引起世界各国的高度重视。表1 1 反映了世界卫生组织和美国相关饮用水水质指 标的变化情况，从表中可以看出，随着有机物分析技术的不断进步，这些饮用水 水质标准中的有机污染物检测指标越来越多。 表1 1 饮用水水质标准中有机物检测项的变化 1 9 5 9 年我国颁布了首个饮用水水质标准，包括有1 6 项检测指标，主要是浊 度、色度等感官性检测指标：1 9 7 6 年的水质标准将检测指标增加为2 3 项；随着 我国水质分析手段的提高，饮用水水质检测开始关注有机污染物指标。我国1 9 8 5 年颁布实施的生活饮用水水质标准( g b5 7 4 9 8 5 ) q 了规定的检测项目共有3 5 项，其 中有机污染物物仅有6 项，包括：挥发酚、氯仿、四氯化碳、苯并( a ) 芘、d d t 、 六六六。2 0 0 7 年我国发布了生活饮用水卫生标准( g b5 7 4 9 2 0 0 6 ) 强制性国 家标准和1 3 项生活饮用水卫生检验国家标准。新标准加强了对饮用水中有机污染 物、微生物和消毒副产物含量等方面的要求，饮用水水质指标由原来的3 5 项增加 至1 0 6 项，微生物指标由原来的2 项增加至6 项：饮用水消毒副产物指标由原来 的1 项增加至4 项；毒理指标中无机化合物由1 0 项增加至2 l 项；毒理指标中有 机化合物指标由原来的5 项增加至5 3 项；感官性状和一般理化指标由原来的1 5 项增加至2 0 项。我国的饮用水标准与国际标准相比仍存在很大差距，检测项目相 对较少，缺乏对有毒有害污染物质的控制指标，因此，新标准的制定参考了世界 工程硕士学位论文 卫生组织的饮用水水质准则和欧盟国家、美国、俄罗斯和日本等国的饮用水 标准。但是，随着我国检测技术的不断进步，新的水质标准也必将会变得越来越 严格，也必将带来水处理和水质分析技术的不断发展。 目前为止，世界各国已有的饮用水标准中都没有明确规定饮用水中藻类含量 的限制标准，一般规定的均是l r ( m c l r ) 藻毒素含量的限值。例如：w h o 推荐 可以接受的浓度值标准为1 9 9 l t 5 l 。加拿大饮用水标准中规定的藻毒素可以接受 的浓度值为0 5 1 t g l 刚。我国目前实施的饮用水标准中建议的微囊藻毒素的检测限 均为1 9 9 l 。 1 3 饮用水处理过程中藻类的危害 在饮用水源水处理过程中，藻类及其分泌的有机物质对饮用水源水净化工艺 的危害主要表现在三个方面：影响自来水厂的工艺运行、影响饮用水出水水质及 管网。具体包括以下几个方面： ( 1 ) 药耗增加：水中大量藻类及其产生的有机物，使混凝剂和消毒剂的用量 大大增加。有机物中的酸性物质与混凝剂的水解产物发生反应，表面络合物附着 在絮体颗粒表面，阻碍了颗粒相互碰撞，因此必须增加混凝剂的投加量；同时， 有机物与氯反应，为了维持管网中余氯含量所投加的氯量增加，不仅使制水成本 提高，更增加了水中消毒副产物的产量，降低了饮用水的安全性。 ( 2 ) 干扰过滤：藻类比较轻，其密度接近于水的密度值，因而不易在混凝沉 淀过程中去除。大量未去除的藻细胞能在滤床中生长而产生堵塞，从而缩短过滤 运行周期，导致反洗水用量增加，反洗频率加大，实际用水产量下降：据报道， 对微滤池来说，如果藻类数量在一年内有一个月增加，就将提高成本3 0 1 引。 ( 3 ) 藻类及其分泌的有机物质是产生消毒副产物的前体物，而对于饮用水处 理工艺过程产生的消毒副产物的研究是当今给水领域的一个研究热点。根据目前 研究发现，在使用氯气消毒时，饮用水源水中会产生三卤甲烷( t h m s ) 和危害 更大的卤乙酸( h a a s ) 。在臭氧消毒的过程中则会产生溴酸盐等“三致”物质，使 饮用水的使用安全性下降。 ( 4 ) 部分藻类在代谢过程或死亡后释放藻毒素，对生物体造成毒性和危害。 淡水藻类中，毒性最强，污染范围最广的藻类多为蓝藻门，大部分的蓝藻种属会 产生藻毒素，其中最重要的是微囊藻毒素，可抑制和控制许多生化过程中的生物 体蛋白磷酸酶1 和2 a 生成，是一种很强的肝瘤促进剂。传统的水处理方法不能 有效的去除微囊藻毒素，迫切需要建立有效地微囊藻毒素去除方法，目前有的方 法包括活性炭吸附、反相渗透、臭氧分解和光解等方法【8 】。 ( 5 ) 藻类所分泌的臭味物质导致饮用水出现异昧，用常规工艺很难去除，引 起用户对水质感官上的不满，中国、美国是饮用水臭味抱怨最多的国家。当水处 湘江流域饮用水源水藻类特征及除藻工艺的研究 理中氧化剂使用量较低时，不仅无法消除臭味的影响，有时还会和一些臭味有机 物反应生成新的致臭物质； ( 6 ) 对管网和管网水质造成不利影响，尽管出水中都有一定的余氯，但在配 水管网中仍时常出现细菌再生现象。藻类所产生的有机物质，成为微生物生长的 基质，造成微生物在水供给系统中重新生长，甚至可能在管网中生长出较大的生 物有机体。可见出水厂的藻类会影响管网水质、缩短管网服务年限、增加配水的 动力费用等。 由于存在以上这些问题，饮用水处理中要重视藻类污染物的影响【9 1 。 1 4 饮用水除藻工艺的国内外研究现状 藻类的去除可以根据源水水质情况的差别而选择不同的处理方法。主要包 括：物理除藻法、化学药剂除藻法、生物处理除藻法及组合工艺除藻法等。 1 4 1 物理除藻法 目前常用的物理除藻方法主要包括活性炭吸附法、直接过滤法、微滤机法、 气浮法、大梯度磁滤器法等。 1 4 1 1 微滤机法 微滤机法是应用相对较早的一种除藻方法，主要用于处理低浊高藻的湖泊 水。微滤机除藻法处理法国塞纳河水时，藻类的平均去除率仅为5 5 。在我国其 藻类去除率可以达到7 0 以上。上海某自来水处理企业的试验结果表明：微滤网 对藻类的去除效果要优于常规处理工艺的混凝沉淀，但其对色度、c o d m ”浊度 的去除率却相对较低【1 0 1 。微滤机除藻法对藻类的去除效果因藻类的不同而会有 很大的区别，越细小的藻类越难去除，有时仅去除1 0 。 1 4 1 2 气浮法 藻类密度一般较小，其絮体通常不容易沉淀，而利用气浮法( d a f ) 就可以克 服藻类的这一不利因素。利用气浮使藻类絮凝体上升至水面。去除速度要比沉淀 去除速度好很多。美国w a c h u s e t t 水库的试验表明：气浮法的除藻效果很好，除 藻率最高可以达到9 9 9 t 1 1 】。但其在实际工程应用中的藻率去除率很难达到9 0 ， 而且气浮法的操作环境比较差，收集来的藻渣很难处理、这些藻渣又容易产生难 闻的臭味，易造成二次污染 1 2 1 。为了保证气浮的效果，在气浮前需要预加氯， 但这会危及饮用水的安全性。 1 4 1 3 过滤法 过滤法一般用于处理浊度不是很高( 5 m g l ) 的饮用水源水，随着过滤的条件 工程硕士学位论文 不断变化，过滤法的藻类去除率也会不稳定【1 3 】。中南武汉设计院做了一系列的过 滤法去除饮用水中藻类的试验，但其藻类去除率只有3 1 5 左右。余国忠以丙纶 丝为滤料进行直接过滤除藻试验，实验结果表明：其藻类去除率最高可达9 2 【1 4 j 。 直接过滤法不适合处理含藻量极高的水，这时应在过滤池前增加沉淀池或澄清 池，但这样还可能出现滤池出水含藻量不达标的情况，需要进一步处理。 1 4 1 4 活性炭吸附法 活性炭的空隙结构十分发达，是一种很好的吸附材料。利用活性炭极强的吸 附作用，可以去除水源水中绝大多数的藻类和一些溶解性的藻毒素【l5 1 。实验研究 发现，活性炭的投加量达到1 0 0 m g l 时，源水中藻类的含量将降到很低，藻毒素 的含量也将低于检测限以下，活性炭的除藻效果十分明显。但投加活性炭的量较 少的情况下，水中的其他有机物对活性炭整体的吸附性能会产生干扰，藻类的去 除率并不会很好。研究同时发现，活性炭对源水中的臭味物质也有比较好的去除 效果。但活性炭吸附藻类以后，其脱吸附过程十分困难，使得活性炭的回收率不 是很理想，从而导致整个除藻工艺的成本提高，成为限制活性炭除藻工艺推广利 用的一个重要影响因素。 1 4 1 5 紫外光照法 近年来，一些研究发现，藻毒素在强光的照射下可以发生降解，在降解的过 程中还伴有可逆性的异构现象，紫外线也能较好的去除水环境中的藻类和藻毒素。 我国华中科技大学的研究者开展了这一方面的实验工作。他们将含藻水用紫外光 进行照射，观察水中的藻类生长情况。通过实验室小试试验和自来水厂中试试验 发现，紫外光可以抑制藻类生长，甚至可以杀死藻细胞。尤其对于浊度较低、透 光性能好的湖泊水其除藻效果则更为显著。 除上述除藻方法以外，常见的藻类的去除方法还包括遮阳法等技术。 1 4 2 化学除藻法 化学除藻法是目前常用的一种除藻方法，该除藻方法具有很多优点，例如该 方法不需要改变自来水厂已有的工艺流程，不需要配备大型的设备，因此该工艺 的基建费用就相对较低，是一种简单高效的除藻方法。经常被用作化学除藻剂的 物质有臭氧、氯、高锰酸钾及其高锰酸盐和二氧化氯等。 1 4 2 1 加氯法 氯是一种较常用的除藻物质，但氯的氧化作用并不能除去藻类高发所带来的 臭味，而且，用氯做除藻剂时，还存在消毒副产物三卤甲烷的问题。三卤甲烷 是一种较强的致癌物质，会影响人和其他生物的神经系统。因此，氯的使用在 湘江流域饮用水源水藻类特征及除藻工艺的研究 现在饮用水处理工艺中逐渐被限制。 1 4 2 2 二氧化氯法 二氧化氯做为氯除藻剂的替代物，克服了氯除藻中存在的消毒副产物的问 题，其除藻效果也比较理想。由于藻类的叶绿素中存在与苯环类似的吡咯环，二 氧化氯能够与苯环发生反应，同时二氧化氯也能够氧化藻类叶绿素中的吡咯环， 从而终止藻类的新陈代谢，导致蛋白质的合成中断，这就是二氧化氯的除藻机理。 二氧化氯用于除藻剂时，不仅可以极快的完成氧化除藻反应，而且可以有效的减 少水中的鱼腥味和霉味等，但是二氧化氯的生产成本高，进而抑制了它的推广应 用【1 6 1 。 1 4 2 3 臭氧法 臭氧作为一种除藻剂，除藻效果比较理想，能在去除有机污染物的同时，提 高原水的可生化能力，并且不易出现二次污染的问题。同时，臭氧作为除藻剂， 还具有除味、脱色、助凝等多种功能；臭氧的强氧化性也可以降低藻类及其分泌 物的分子量，降低传统混凝沉淀处理工艺中的混凝剂剂的用量。综合比较而言， 臭氧是目前已知的最好的除藻剂，但臭氧除藻的过程中存在着氧化产物溴酸盐难 以处理的问题，并且臭氧的市场价较高，导致该技术的应用推广受到一定的限制。 国外研究表明，采用臭氧氧化工艺的水厂出水中溴酸盐浓度普遍较高，而且所需 投资和运行费用高。 1 4 2 4 高锰酸钾和高铁酸盐法 2 0 世纪8 0 年代发现，高锰酸钾加入可以提高被污染的水源水中色度、臭味、 藻类和有机污染物等的去除效果。李思敏等【1 7 1 研究了高锰酸钾对邯郸市滏阳河 水高含藻水源水中藻类的处理效果，研究发现，除藻率可以达到9 5 左右。但是 研究中同时发现高锰酸钾投加量过多业可能会导致出水出现“黑水”的现象。 近年来，我国一些研究者还研究了高铁酸盐和其复合药剂的除藻效果。结果 表明两者均能显著提高除藻效果，而且见效快、无残留毒性、不造成二次污染【1 8 】。 1 4 3 生物处理除藻法 饮用水生物处理技术开始于闩本， 的表面，然后利用生物膜吸附、分解、 某些藻毒素也有较好的去除效果1 9 1 。 该技术首先是要将生物膜附着在某些载体 氧化水源水中的藻类，同时此生物膜法对 相比于其他生物处理方法而言，生物接触氧化法的应用比较广泛，该方法介 于生物滤池法和活性污泥法之间，具有两者的不同优点。e l 本的研究发现：管式 接触氧化法对饮用水源水中藻类的去除率可以达到6 0 8 0 【2 们。余冉等【2 1 】用生 工程硕士学位论文 物接触氧化法处理太湖源水，研究结果表明，藻类的去除率最高可达9 0 。 生物处理技术中，生物滤池的引用也比较广泛，而滤池中填料的类型则直接 决定着生物滤池除藻技术的除藻效果和整个工艺的运行成本，从而影响着生物除 藻技术的推广。目前，填料的种类多种多样，常见的填料主要包括：蜂窝填料、 天然陶粒和弹性立体填料等。在武汉东湖以塑料蜂窝直管为填料进行生物预处理 的研究结果表明：对硅藻的去除率为6 5 4 ，而对蓝藻的去除率则可达9 0 以上。 周建平等1 2 2 j 利用y d t 弹性立体填料对无锡市充山水厂进行了除藻试验，除藻率 可达6 0 7 0 。清华大学于1 9 9 5 年丌始针对绍兴市青甸湖富营养化水源水对陶 粒与y d t 弹性立体填料进行对比研究，认为陶粒在除藻效果上优于弹性立体填 料。罗晓鸿等【2 3 1 研究发现生物陶粒与弹性立体填料对藻类、c o d m 。、氨氮、色度 及浊度均有去除效果，而生物陶粒比弹性填料的平均去除率高1 0 1 5 。吴为中 等l 4 j 针对受污染水源水的生物陶粒滤池试验研究表明：陶粒填料比表面积大，保 证了单位容积生物处理池内较高的生物活性，具有较为稳定的除藻效果，平均去 除率为6 0 7 0 0 - 8 4 3 。胡文容等【2 5 】研究的以海绵和木屑为载体，由活性污泥驯化 得到的生物系统对藻类的去除率可分别达到9 0 和8 0 以上。 挪威k a l d n e sm i j e c p t e k n o g i 公司与s i n t e f 研究机构于1 9 8 8 年联合开发了一 种新型的生物反应器。该反应器工艺简单，提高了污水厂的脱氮效率，改善了运 行效果，同时又不需增加原有反应器的容积。这就是最初的k m t 移动床生物膜 反应器( m b b r ) 口引。目前常用的m b b r 生物反应器以生物流化床和接触氧化法为 基础开发研制而成，m b b r 具有传统生物膜法的一系列优点，如：系统稳定性强、 耐高冲击符合、泥龄相对较长、剩余污泥长生量少，同时又具有很高的有机污染 物处理效率。m b b r 反应器模拟了大自然生态系统中水体的自净功能。m b b r 反 应器中的悬浮微生物和填料上的微生物分别类似于自然水体中的悬浮微生物和附 着微生物。目前针对移动床生物膜反应器的研究国内外已有很多，并将该反应器 应用于多种污废水的处理处置中，如：生活污水、肉加工废水、化工废水、硝化 和脱氮除磷等，取得了非常好的处理效果【z 7 1 。 1 4 4 组合工艺除藻法 1 4 4 1 臭氧一气浮组合除藻工艺 臭氧气浮组合除藻工艺的特点是，将臭氧氧化后的空气冲入具有特殊结构的 气浮池，利用臭氧的强氧化作用对含藻的饮用水源水进行处理，结合气浮处理将 藻类去除。该除藻工艺将气浮除藻和臭氧氧化除藻结合在一起，不仅可以提高饮 用水源水中藻类的的去除效果，而且可以降低源水的有机物含量，适用于低浊、 低色的饮用水源水处理1 2 引。法国奥顿水厂利用臭氧一气浮组合除藻工艺进行了一 系列的半生产性研究，通过结果分析表明 2 9 1 ：臭氧气浮组合除藻工艺对奥顿水 湘江流域饮用水源水藻类特征及除藻工艺的研究 厂的藻类除去率随藻类种类的不同有很大的差别，对鞭毛裸藻类的去除率可以达 到9 8 ，而对丝状硅藻则只有4 0 左右。 1 4 4 2 臭氧活性炭组合除藻工艺 鉴于臭氧的强氧化性，利用臭氧处理饮用水源水中的藻类可以达到很理想的 效果，大约可以去除水中9 0 的藻类和9 6 左右的藻毒素。然而臭氧氧化未能处 理的残余藻类就很难在后续的常规处理工艺中得到去除，从而影响自来水厂的出 水水质。臭氧活性炭组合除藻工艺就能克服这一缺点，该工艺首先利用前臭氧氧 化去除饮用水的大部分藻类，然后利用活性炭的附着、吸附等各种机理再使残余 藻类的7 0 得到处理。已有的试验结果表明：该组合除藻工艺能1 0 0 的去除饮 用水源水中的藻毒素，总藻的去除率也可以达到9 5 左右。所以，臭氧活性炭组 合除藻工艺是饮用水藻类处理的一种十分有效地方法【3 。 1 4 4 3 生物处理与其他工艺组合的除藻工艺 臭氧的强氧化作用可以降低有机物的分子量，提高有机污染物的可生化性能， 从而提高生物处理的处理率，所以臭氧氧化和生物处理相结合而成的组合除藻工 艺可以更加充分的发挥各处理单元的藻类去除能力，提高整个系统的藻类处理 率。我国清华大学通过对比研究结果发现，臭氧生物陶粒组合除藻工艺要比单一 的生物陶粒处理工艺提高2 5 左右的总藻的去除率。 活性炭的特殊空隙结构致使其吸附有机物的能力比较高，对水中的有机物及 其产生的消毒副产物的去除效果比较理想。通过一系列研究发现：生物陶粒一活性 炭吸附组合除藻工艺要比单一的生物陶粒工艺提高2 0 左右的叶绿素a 的去除 率，并且整个组合除藻工艺的出水效果稳定，出水中的生物量较少，保证了整个 供水过程的水质安全性。 预臭氧一生物处理一活性炭吸附组合除藻工艺是目前兴起的一种更完善的组合 工艺，这种组合除藻工艺与常规混凝沉淀处理工艺和其他组合除藻工艺相比，具 有更加有效的净水效果。该组合除藻工艺可以达到1 0 0 的对叶绿素a 的去除， 对浊度、色度、氨氮、有机物的去除率也均优于上面介绍的几种组合工艺。 近年来，随着生态工程的发展，针对水源水藻类去除，出现了一些新的方法。 1 4 5 其他除藻方法 1 4 5 1 生物调控除藻法 生物调控除藻法利用的是生态系统中的食物链原则和生物相生相克的关系通 过病毒、细菌和其他生物的寄生捕食等来控制饮用水源水中的藻类爆发。 藻类病毒是一种高效的藻类寄生物，可特异性的溶解适宜的藻类，从而维持 水环境中不同群落间的平衡，在水源水生物群落的演替中起到重要的作用。同时， 工程硕士学位论文 自然界中存在的一些真菌、细菌等也可以增强病毒的溶藻能力。溶藻病毒的发现 为治理水华提供了一种新的办法。例如有些蓝藻是水源水中一些原生动物食物的 良好来源【3 。o c h r o m o n a s ( 鞭毛虫类) 、n a s s u l a ( 纤毛虫类) 和一些变形虫类可 以捕食许多蓝藻种属。这些原生动物的存在能很大程度上降低水中的藻类的含 量。另外一些研究发现，水中的一些鱼类( 如罗非、鲢鱼等) 都有较强的藻类耐受 性可以捕食一些藻类，这也成为生物法控制藻类爆发的一种新途径【3 2 1 。我国中科 院的水生环境研究所在东湖投放了一些鲢鱼和鳙鱼，使东湖水十四年都没有产生 水华现象u 川。 1 4 5 2 人工生态除藻法 研究表明处于动态平衡的自然生态系统一般都具有很强的容纳能力和自净 能力，根据这一发现，人们通过构建相适宜的生态系统，就可以增强污染水体生 态系统的自净能力1 3 4 1 ，因此，一种新型的生态除藻工艺人工生态除藻法便因运 而生。该除藻方法的特点是人工的向污染水体中引入大型的水生植物，如满江红、 风眼莲、水葫芦、宽叶香蒲等，让这些水生植物和藻类生长在同样的空间里。这 些水生植物生长周期短，营养物质的需要量，可以与藻类形成竞争，而水生植物 宽大的叶片又会形成遮阴作用，降低了藻类生长所需的阳光，从而可以抑制藻类 的大量繁殖。同时这些水生植物在其生命活动的过程中会分泌大量的物质，这些 物质通常对藻类的抑制作用 3 5 1 。我国学者王国祥3 6 1 以不同生态系统中的高等水 生植物为研究对象，分析了其不同的根际微生物特点和这些微生物对不同有机污 染物的净化能力，由此设计出了一个人工符合生态系统，并将该系统应用于太湖 湖湾内的藻类去除动态模拟实验中，经过一定时问的运行，太湖的富营养得到有 效的控制，水质得到有效地净化。实验结果表明：太湖中藻类总量下降了5 8 左 右、总氮下降了6 0 0 、氨氮下降了6 6 7 。该人工生态除藻法也被应用于我国 武汉东湖的水质净化中，近年来通过人工种植水生植物和适当的放养一些鱼类， 东湖的藻类总量得到有效地控制，优势藻类也发生了一些改变，东湖的水质已经 进入了良性的循环轨道1 3 。7 。 在我国，很多的湖泊、水库被用作饮用水源，而对于湖泊、水库中源水的处 理，要求就更为严格。不仅要在经济上可行、处理过程简单易操作，而且对于消 毒或氧化副产物的要求近于苛刻。最近有相关的报道证明大麦的秸秆能很好的控 制湖泊、水库中蓝、绿藻的爆发。该报道称，大麦的秸秆在水中易于腐烂，而在 其腐烂的过程中会释放出一种物质，该物质对蓝、绿藻的生长具有强烈的抑制作 用p 引，一般情况下，在藻类高发前的2 3 个月时间内，向水中投加适量的大麦 秸秆能很好地抑制水华的发生，研究表明该抑制作用最多可以持续6 个月的时 间，因此，每年向水中投加两次就能够有效的控制湖泊、水库中的藻类爆发。该 湘江流域饮用水源水藻类特征及除藻工艺的研究 技术不仅经济成本低，可应用得范围广，最值一提的是该方法的副作用几乎为 零。 1 5 藻类去除过程中副产物的研究进展 臭氧氧化一生物活性炭深度处理技术【3 9 1 ，是将臭氧氧化、活性炭吸附、生物 降解和臭氧消毒于一体的处理工艺，可以独特高效的去除污染物质，逐渐成为当 今世界饮用水源水深度处理技术的主流工艺。在欧美等一些国家该技术已经迅速 的从理论研究走向了实际应用。该工艺用于藻类去除效果非常好，但其副产物的 去除却成为一大问题。 我国的昆明、北京、常州、广州等城市已经将臭氧氧化一生物活性炭深度处 理技术用于饮用水处理，从而提高饮用水水质，深圳、杭州、上海等城市已经完 成采用臭氧氧化一生物活性炭深度处理技术的方案论证。臭氧氧化的主要作用有： 消除水中的异味、去除致色有机物质、去除微量有机毒物和提高有机物的可生物 降解性。由于湘江流域水源水受污染严重，许多城市的出厂水水质已不能达到国 家生活饮用水水质标准，并出现了一些新情况：投加的化学混凝剂量大量增加， 过滤出水浊度不能达标，出水有较明显的嗅味等问题。因而臭氧氧化时溴酸盐的 过量生成将成为严重的威胁。有资料表明，在典型臭氧投加量条件下通过臭氧氧 化后将约有2 0 的b r - 转化生成b r 0 3 ，因此当原水中b r 浓度为5 0 1 0 0 g l 时， 臭氧氧化后b r 0 3 就可能过量生成，而当原水中b r - 浓度超过1 0 0 g l 时，b r 0 3 的过量生成将成为严重的问题。 由于b r 。无法通过自净作用去除，因此对于湘江流域以湘江水为水源的城市， 源水中的b r - 浓度也会很高，如将来采用臭氧氧化工艺也同样面临着溴酸盐的过量 生成的严重威胁。 随着现代分析检测技术的进步和卫生毒理学研究的进展，臭氧氧化副产物对 健康的影响及有害副产物的控制技术已引起了水处理研究者的关注。特别是含有 溴离子( b r - ) 的源水经过臭氧氧化后生成的可能对人体具有致癌性的溴酸根离子 ( b r 0 3 ) ，动物试验确认其具有致癌性，微生物试验发现其具有致突变性，因此对 b r 0 3 的形成机理和控制对策的研究已成为饮用水处理研究中的一个新的热点问 题【4 们。对b r 0 3 - 的形成机理和控制对策在饮用水处理研究中尚处于起步阶段：对 b r 被臭氧氧化形成b r 0 3 的机理尚不十分清楚，一些理论尚处于解释阶段；对影 响臭氧氧化过程中b r 0 3 的生成量的主要因素的综合作用尚缺乏系统深入的研究； 对控制臭氧氧化过程中b r 0 3 - 的生成量的技术尚不成熟；对去除b r 0 3 - 的技术也不 成熟( 特别是国内外还没有改进常规活性炭生物活性炭工艺运行方式以提高 b r 0 3 的去除效果的研究报道) ；同时也还没有综合考虑b r 0 3 与其它饮用水毒理学 指标( 消毒副产物、致突变物、藻毒素) 以及处理出水的生物稳定性控制的研究 工程硕士学位论文 报道。 1 6 课题来源与意义 由于湘江流域水源水的污染日益严重，尤其是有机污染，造成水中藻类不断 增加，对水质及环境的危害很大。为了确保藻类污染得到有效的控制，本文对湘 江流域特别是湖南长沙段水源水藻类特征及除藻工艺进行研究，通过深入的研究 湘江水质及开发出适合其水质特点的净化工艺，为将来可能兴建的以湘江水为水 源的安全供水工程或已有自来水厂的改造提供参考。 1 7 研究的主要内容 ( 1 ) 以湘江流域长沙段历年来的连续监测资料为基础，探讨湘江流域水源水 藻类发生、发展规律，确定优势藻的种类和影响藻类高发的因素； (