（环境工程专业论文）轻质除藻材料对滇池水体的除藻性能研究.pdf

摘要 本课题为轻质漂浮型除藻材料对滇池水体的除藻性能研究，属昆明市重点科 技计划项目( 2 0 0 2 3 4 ) 的一部分。主要内容包括轻质漂浮型除藻材料除藻有效性 的研究、分析，轻质漂浮型除藻材料有效溶出成分的除藻性能研究，有效溶出成 分的最佳除藻浓度组合，该最佳浓度组合与除藻材料的除藻、水质净化作用的对 比以及轻质漂浮型除藻材料的除藻动力学研究。 在前期相关实验研究成果的基础上，通过大量的实验、数据处理及理论分析， 本次研究验证了前期结果，即轻质漂浮型除藻材料具有良好的除藻效果和水质净 化功能。同时，在研究轻质漂浮型除藻材料溶出离子对藻类生长的抑制作用时， 还研制出一种具有良好除藻效果和水质净化功能的四种金属离子的最佳浓度组 合。其中，轻质漂浮型除藻材料对叶绿素a 的最高去除率达到9 8 7 1 ，对t n 、 t p 、c o d u 。的去除率也维持在4 0 以上；而金属离子_ 组合对t p 、t n 、c o d m 。 各水质指标的去除率可达6 0 以上，对c h l a 的去除率更是高达8 0 以上，且两 者都对水生生物无明显不良影响，并可长期抑制藻类的生长，从而达到治标治本 的目的。 本课题的研究表明，轻质漂浮型除藻材料是通过多方蘧因素的综合作用，达 到协同除藻的目的。并且它具有除藻效果好、作用速度快、对水生生物无明显不 良影响、便于回收等特点。因此，是一种比较理想的富营养化水体的除藻净化剂， 具有很广阔的开发及应用前景。 关键词：轻质漂浮型除藻材料 金属离子除藻最佳浓度组合 富营养化水体净化 a b s t r a e t a b s t r a e t t h i sr e s e a r c hi sa i m e da t r e m o v i n ga l g a e i nd i a n c h il a k e b yu s m gt h e l i g h t i n g w e i g h tm a t e r i a l i ti sap a r to fk u n m i n gt e c h n o l o g yp r o g r a m ( 2 0 0 2 3 4 ) t h e m a i nc o n t e n ti n c l u d e sp r o o f i n gt h ea v a i l a b i l i t yo fa l g a er e m o v a lo fl i g h t i n g w e i g h t m a t e r i a l ，a n a l y z i n gt h ee f f i c i e n c yo fa l g a er e m o v a lo ft h em e t a li o nc o m b i n a t i o n t h a t d i s s o l v e df r o mt h el i g h t i n g w e i g h tm a t e r i a l ，s e l e c t i n gt h em e t a li o nc o m b i n a t i o nt h a t h a st h eh i g h e s te f f i c i e n c yo f a l g a er e m o v a l ，c o m p a r i n gt h ep u r l f y i n ge f f i c i e n c yo ft h e l i g h t i n g w e i g h tm a t e r i a la n dt h em e t a li o nc o m b i n a t i o n ，s t u d y i n gt h ek i n e t i c so ft h e l i g h t i n g w e i g h tm a t e r i a l ，e t c b a s e do nt h e p r e v i o u s r e s e a r c h r e s u l t s ，a l o to f e x p e r i m e n t s a n dd a t a p r o c e s s i n g 、t h e o r ya n a l y s i sw e r ec a r r i e d t h er e s u l t st e s t e dt h ep r e v i o u ss t u d y ：t h e l i g h t i n g ，w e i g h t m a t e r i a lc o u l dr e m o v et h e a l g a e i nd i a n e h il a k e q u i c k l y a n d e f f e c t i v e l y a n dw h e nt h ei n h i b i t i n ge f f e c to fc o m p o n e n t sw h i c hd i s s o l v e df r o mt h e l i g h t i n g w e i g h tm a t e r i a lw a ss t u d i e d ，w ef o u n dam e t a li o nc o m b i n a t i o nt h a tc o u l d r e m o v ea l g a e q u i c k l y a n de f f e c t i v e l y i nw h i c h ，t h e h i g h e s te f f i c i e n c y o fc h l a r e m o v a lo f t h el i g h t i n g w e i g h tm a t e r i a li s9 8 7 1 ；t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f t n 、t p 、 c o d m no ft h el i g h t i n g - w e i g h tm a t e r i a la l s ok e e p sm o r et h a n4 0 ，t h ee f f i e i e n c yo f t n 、t p 、c o d m n r e m o v a lo f t h em e t a li o nc o m b i n a t i o nc a l lr e a c ha b o v e 6 0 b u tt h e e f f i c i e n c yo fc h l ar e m o v a lo f i to n l ya b o v e8 0 i na l lt h ep r o c e s s ，b o t ho ft h e md i d n oh a r mt ot h ea q u a t i cl i v i n g sa n dc o u l dr e s t r a i n tt h eg r o w t ho fa l g a ei nt h el o n g t e r m 。 t h er e s u l t so ft h i s s t u d y i n d i c a t e dt h a tt h e l i g h t i n g - w e i g h t m a t e r i a lc a n s y n t h e t i c a l l yu t i l i z em a n yi n h i b i t i n gf a c t o r st or e m o v et h ea l g a e b e c a u s ei tc a n r e m o v et h ea l g a ee f f e c t i v e l y 、q u i c k l y , h a r m l e s s l ya n de a s yt or e c o v e r ，i t i sag o o d n e w a l g a e c i d et h a th a sm o r ev a l u eo fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：l i g h t i n g w e i g h tm a t e r i a l ，m e t a li o nc o m b i n a t i o no ft h eh i g h e s t e f f i c i e n c yo fa l g a er e m o v a l ；p u r l f y i n go ft h eh y p e r t r o p h i cw a t e r s y s t e m 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个入和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：身够碑 i 日期：2 0 0 4 年5 月2 5 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、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，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：蛳论文作者签名： 髯姆 日期：塑竺堡z 且目 第一章前言 第一章前言 1 1 本课题研究的目的和意义 随着人口的增长和工业生产的飞速发展，大量生活污水和工业废水排入水体， 使水中的氮、磷含量快速增多，从而导致藻类大量生长繁殖，湖泊出现富营养化 现象。 目前，湖泊的富营养化是国际上普遍存在的问题，也是国际湖泊学界关注的 焦点问题。世界水资源委员会副主席，加拿大专家考期格罗夫己发出警告1 1 】：目 前地球上已不存在没有受到人类活动影响的湖泊，其中很大部分，约有5 0 0 万 个湖泊，受到的影响已非常严重。更另人担心的是，一些湖泊虽然看起来还未受 影响，但其实际的污染程度已经非常严重。如果环境条件发生变化，如水温升高， 整个湖泊的生态就会完全破坏，并且这一过程一旦开始就很难逆转。地球上的湖 泊正在走向“死亡”，人类“扼杀”湖泊，最终只会给自己带来灾难。 我国是一个湖泊众多的国家，湖泊水资源是国家最宝贵的可利用的淡水资 源。据有关资料统计【2 l ，全国1 3 0 余个湖泊，重营养化湖泊占调查总数的4 3 5 ， 中营养化湖泊占调查总数的4 5 。其中，有些藻类可产生藻毒素。严重影响渔业 生产，有些藻类的代谢产物对人体有致癌作用，藻类的大量繁殖还会堵塞管道， 影响饮用水的输送【扪。因此，如何有效、低耗地控制湖泊水库富营养化已成为国 内外环保工程的技术关键和热点之一。 滇池是我国著名的高原淡水湖泊，属长江流域金沙江水系1 4 】，位于昆明市南 端，湖体略星弓性【”，弓背向东，南北长约4 0 k i n ，东西最宽处1 2 5 k i n ，平均水 深4 ，4 m ，水面面积3 0 6 k m 2 ，库容1 2 9 亿m 3 。滇池北面有一天然湖堤，将其隔为 两区，中间有一航道相通，南部为滇池主体称外海，北部支体称草海。 滇池直是昆明这座城市发展的依托，具有城市供水，工农业用水，调蓄， 防洪、旅游、水产养殖等功能。随着社会、经济的发展，水质污染与水资源需求 量的矛盾将更加突出。滇池土游靠近城区，接纳了大部分城市生产生活污水，水 质污染严重，尤其是北部，氮、磷、有机污染等指标严重超标，目前呈严重富营 养化，湖水颜色暗淡，藻类大量漂浮，永葫芦疯长。每年都必须进行打捞。正是 由于滇池富营养化程度的加剧，使水体功能受到极大破坏，已成为昆明市持续发 展的制约因素。 滇池的主要污染垆j 为严重富营养化，从1 9 8 8 1 9 9 9 年，滇池主要的富营养化 l 第一章前言 指标呈明显上升趋势，全湖水质超v 类，水体富营养化日趋严重，近1 0 年来， 滇池外海t p 浓度增加了一倍多，透明度下降了近一倍，叶绿素增长了十几倍， 水质由i v 类水变为超v 类；草海1 9 9 8 年以前污染呈上升趋势，白1 9 9 8 年以来， 水质虽有好转，但目前仍为超v 类水体。 正是由于滇池富营养化情况的严重性，国家将滇池污染治理列为“九五”期 间全国重点治理的“三河三湖”之一。本课题就是根据滇池的实际情况，在前期 实验结果的基础上，以一种轻质漂浮型材料作为除藻剂，通过一系列具体实验和 研究，达到研制、开发适合我国水体富营养化污染控制的新型除藻材料的目的。 1 2 水体富营养化的研究概要 水体富营养化】是湖泊、水库以及海湾等缓流水体的一种污染状态。当其出 现时，在水体内的水生生态系统中，藻类通过与其它水生生物的生存竞争，逐渐 取得优势并占据其它水生生物的生存空间，同时也使自身种属减少，少数藻类恶 性增殖，进而造成水中溶解氧的急剧变化，使鱼类等水生生物因缺氧而死亡。 一般认为，缓流水体中的自氧型生物主要是藻类，通过光合作用以太阳光能 和无机物合成本身的原生质。可用下面的方程式表示水体富营养化的过程【7 】： 1 0 6 c 0 2 + 1 6 n 0 3 + h p 0 4 2 - + 1 2 2 h 2 0 + l s h + + 能量+ 微量元素一 c 1 0 6 h 2 6 3 0 l l o n l 6 p l ( 藻类原生质) + 1 3 8 0 2 由上式可知，无机的氮、磷是藻类繁殖的控制因素，尤其是磷的作用十分突 出。 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化状态，但整个过程十分缓慢。下面就对水体富 营养化的形成、危害及对藻类的影响进行描述。 1 2 1 水体富营养化的形成 1 2 1 1 可导致水体富营养化盼营养物质 水体富营养化的根本原因是营养物质的增加。淡水水域藻类大量增殖的限制 因子主要是磷，其次是氮，可能还有碳、微量元素或纤维素。藻类可以利用水中 溶解的二氧化碳作为自身生长所需的碳源，而氮和磷成为限制性因素。在正常情 况下，水域中藻类可利用的氮远比磷多，因此水体中磷的含量成为湖泊水库富营 养化过程中的最主要的限制因素，现已有许多研究证实了这一点【8 】。 第一章前言 1 2 1 ，2 营养物质的主要来源 ( 1 ) 水土流失和农业施肥：。 不同地形集水区和不同肥力土壤输出的氯、磷量不同，水土流失量与施肥量 有密切的关系。为提高农产品的产量，人们常施用较多的氮肥和磷肥，它们极易 在降雨或灌溉时发生流失。氮磷营养物可随地表径流进入地面水体中或下渗，通 过土壤进行横向运动，然后排入地表水体中，这是导致地表水体富营养化的主要 原因。氮和磷还会在运动中随土壤颗粒沉积下来，成为湖、河或海底沉积物的一 部分。沉淀在底混中的污染物可以通过再悬浮、溶解的方式返回水体中，构成水 源的二次污染。据调查【8 】，太湖底泥每年释放的总氮和总磷约占其总负荷的 2 5 3 5 。杭州西湖富营养化的一个重要原因，是西湖底泥厚达o 8 6 m ，全湖一 年约平均释放7 2 2 t 磷，相当于外源性磷的两倍。 ( 2 ) 畜牧业、渔业： 在一些畜牧业发达的地区，批量养殖的家畜会产生大量的排泄物。这些排泄 物中含有许多n 、p 营养物和细菌，极易随地表径流流入江河、湖泊而污染水体。 随着水产养殖业的发展，许多水体成为人工养殖的场所。人工投放的饵料以及鱼 类的排泄物给水体带来了大量的氮磷。近年来，湖泊、水库等大水面养殖发展也 很快，这虽然提高了水产品的质量和数量，但同时也加速了我国湖泊水库富营养 化的过程。有资料报道【8 】，生产l t 鱼每年要生产1 5 k g 的磷，同时产生的生化需 氧量( b o d ) 为1 0 4 k g 。 ( 3 ) 生活污水与污水灌溉： 近些年，由于农业的不断发展和人民生活水平的提商，工业废水和生活污水 的大量排放已成为主要的营养物质来源之一。如一些含磷洗涤剂的应用，食品厂、 化工厂、毛皮工业等企业的废水排放，都会带来大量的营养物质。据估计【8 1 ，我 国人1 2 1 人均体内排出的磷约每天l g 左右，每天消耗的洗衣粉中的磷为o 2 l 瞎。另 一方面，污水作为一种可靠的水源和廉价的肥料常被用于灌溉农田，是污水农业 利用的一种提倡方式。但由于一些污水中的营养物含量较高或技术原因，常常造 成土壤和地表水的污染。掘对太湖地区3 7 个污水灌区的调查发现1 8 1 ，有3 2 个灌 区水质不符合要求。 ( 4 ) 城镇与矿区地表径流： 城镇路面大部分是不透水地面，由人类生活垃圾、生活污水及某些工业废水 所携带的氮磷营养物易随地表径流进入地表水中。美国环保局把城市地表径流列 为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源。【引。在磷矿区，人类活动破坏了原来 3 第一章前言 的土壤结构和植被面貌，使土壤表层裸露，在降雨的情况下，散落在矿区的矿渣、 泥沙、磷酸盐等污染物会随地表径流进入湖泊、水库、江河、海湾，从而导致水 体污染。 ( 5 ) 大气沉降： 大气沉降不仅是悬浮颗粒物、有害气体的来源之一，也是氮的来源之一。燃 料燃烧时，氮元素以氮氧化物的形式进入空气，而后随雨雪降落在土壤或水体表 面，污染地表水源。随着大气污染日益严重，大气沉降也己成为重要的水域富营 养化原因之一。 不过，由于水体富营养化的一个重要标志是藻类的过度生长，而影响藻类生 长的物理、化学和生物因素是极为复杂的，因此不能完全根据水中营养盐浓度来 判断水体富营养化程度。通常要通过浮游植物种类、种数和密度，全年总氮、总 磷含量及以叶绿素a 、总氮、总磷、氨氮、c o d 、b o d 为参数的营养状态指数( t l i ) 等来综合评价，确定营养化状况【8 】。此外，通过各系数与叶绿素a 相关程度可推 测出富营养化的形成原因，从而确定治理措施。 1 2 2 水体富营养化的危害阳1 ( 1 ) 富营养化导致水质恶化，增加饮用水处理的困难 城市湖泊，水库作为城市集中饮用水源时，必须维持其优良水质，确保其经 一般常规处理后就能达到饮用水水质标准。但是富营养化的水库、湖泊由于藻类 大量繁殖引起的水质恶化，会给水的净化处理带来许多困难，进而严重影响饮用 水水质。 富营养化给饮用水处理及饮用水水质带来的问题有： 、水中大量藻类和水生微生物的孽生繁殖使滤池堵塞，破坏正常运行。而且 微生物还会穿透滤池，在配水系统中繁殖造成配水系统不畅或阻塞1 1 0 】。而 且藻类产生的微量有机物使水带有强烈异味，采用常规净水工艺很难去除。 、水中大量藻类、有机物和氨氮的存在，使得混凝剂和消毒剂用量大大增加。 有机物是影响胶体稳定和混凝的控制性因素。天然有机物所含羧基和酚基 使得有机物具有的负电荷是粘土矿物颗粒阳离子交换容量的几十倍，因而 使混凝剂消耗大量增加；同时，有机物和氨氮与氯反应，使得为了维持管 网余氯含量所投加的氮量增加使制水成本提高，更增加了水中消毒副产物 的含量，降低了饮水安全性。 4 第一章前言 、藻类分泌出的有机物经分解生成难以降解的腐殖酸即“三卤甲烷前驱物” ( t h m 的前驱物) 。若用氯消毒即生成具有致癌、致畸和致突交作用的总 三卤甲烷( t t h m ) ，使水质更加恶化，不宜饮用。 、湖库底部沉积物的厌氧发酵，会使水中的f e ”、m n 2 + 浓度因还原作用而增 加。另外，发酵产生的甲烷气体，也会干扰水的处理过程。 、水中的n h 4 一n 在一定条件下会转化为亚硝酸盐，使其浓度增加，严重时 将使饮用水不能达到安全水质标准，水中过量的n h 4 一n 还会干扰氯消毒 过程。 、水中有机物的增加以及在管壁上形成的粘膜，会促进水中微生物如线虫、 苔藓虫等在配水系统孽生繁殖。 、在富营养化水体中异常增殖的某些藻类( 蓝藻) 可能分泌毒素，据报道1 1 】 ，世界范围内大约有7 0 的蓝藻可产生毒素。流行病学研究证实【1 2 3 1 ，引 用蓝藻污染的沟塘水可引发肝肿瘤，而危及人、畜健康。另外，藻类及其 可溶性代谢产物是氯化消毒副产物的前体物【1 4 1 郓，同样具有一定毒性。 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 富营养化水体中溶解氧浓度因藻类覆盖水面而降低，水体中水生生物常会 缺氧窒息致死【】，导致水产养殖减产，甚至完全破产。 富营养化使水体中的水带霉臭味，因此丧失水体的游泳价值和观赏价值。 富营养化使水体中的大片藻类给水上运输带来麻烦。 富营养化使水体水质不能符合工业冷却水及工艺用水的水质要求，易造成 冷却设施堵塞失效。 1 2 3 滇池富营养化特征 滇池水体的富营养化现象十分严重，从现场观察来看1 7 】，草海呈现黄绿色， 外海呈现褐绿色，水体透明度均小于1 m 。每年4 1 1 月水华频繁爆发，外草海南 部、海埂、灰湾断面常有大面积水华形成，严重破坏了滇池水体的景观和使用功 能。 据监测，目前表征滇池富营养化指标的t n 、t p 浓度已经分别高达8 2 7 m g l 、 o 5 9 m g l ( 草海) 、2 1 3 m g l 和o 3 3 m g l ( 外海) ，急需对其进行富营养化状态 评价和治理【】。水体的富营养化现象主要是由于氮磷等营养物质的含量超过一定 的限值，引起藻类异常增殖所致。在实际工作中，叶绿素a ( c h l a ) 是反映藻类 数量多少的综合指标，因此常常作为评价水体富营养化状况的主导因子，但由于 滇池的富营养化过程非常复杂，叶绿素a 的变化又常常与t p 、t n 、c o d m 。、透 第一章前言 明度( s d ) 等污染指标存在着密切关联，因此有研究选用多种因子评价方法一一 修正卡森指数法，以上述5 种参数作为评价基本因子，选取滇池草海和外海1 9 8 8 、 1 9 9 2 、1 9 9 6 年的监测值作为评价对象【19 1 ，分别计算上述5 个指标得分的平均值， 根据系统的富营养化分级指标2 叫，得到滇池水体相应年份、各监测点的营养类型 综合评价结果( 见表1 1 ) 。 表1 1 滇池水体营养类型综合评价结果 从表1 1 中的评分结果来看，自1 9 8 8 年以来，滇池外海和草海5 种因子的平 均营养评分都在不断上升，截止到1 9 9 6 年，草海的营养评分上升了1 6 分，外海 的评分上升了4 2 分，这说明已采用的措施并没能有效地降低滇池的富营养化程 度。 1 2 4 滇池寓营养化成因分析n ” ( 1 ) 良好的自然气候是产生滇池水体富营养化的必要条件。 滇池地处亚热带季风气候区，属冬暖夏凉性气候，这种气候特点正适合滇池 水华的主要成分一一微囊藻的大量繁殖，5 - 9 月由于气温相对较高气温变化范围 正好落在最适宜微囊藻生长的温度区内，因此这段时间也是滇池水华最常爆发的 时间段。 滇池湖面海拔高达1 8 8 7 5 m ，年平均日照达到2 4 8 1 2 h ，光照时间和强度均远 高于平原地区，这种充足的光照条件为微囊藻的快速繁殖提供了有利条件1 9 】。 风是限制水华爆发的有利因素。滇池流域的大风期基本集中在冬春季节，而 夏秋季节由于受暖湿气流控制，风力相对较小。在草海和外海靠近西山附近的西 南部，因受高大山脉阻隔，风速多在3 5 m s 以下，故夏秋季节这些地区常常出现 大面积水华。 6 第一章前言 注入滇池的河流有2 0 余条，但出水口却仅有草海的西圆隧道和外海的海口 中滩闸( 流至螳螂川) ，这种封闭性对解决滇池的富营养化问题也极为不利，入 湖营养物质常在未输出之前就积沉于湖底。增加了湖区内源污染物量。 ( 2 ) 营养物质的大量输入是导致滇池水体富营养化的根本原因。 滇池的营养物质主要来自三个方面： 、点源： 滇池流域的工矿企业约有2 5 0 余家，生活人口共计2 0 3 万，每天排入滇池的 工业污水与生活污水 1 可达到5 0 7 1 0 4 i l l 31 9 9 9 年以来，流域内点源c o d 的 治理取得了一定成效，但t n 、t p 的削减量却并没有达到预期的效果，草海中的 r r w t d 叶缲素a 和c o d m 浓摩甚至还有所上升。 、面源： 近年来，面源污染的危害性受到了越来越多的重视。丰水年以面源形式入湖 的t p 、t n 负荷量甚至超过点源。滇池流域的面源污染物主要来自于水土流失、 降水降尘、径流污染和农业面源形成的入湖氮磷污染物可达到氨磷面源污染物总 量的7 0 以上。 、内源： 从滇池整体来看，磷是滇池最主要的内源释放营养物。据测定，每年入湖磷 营养盐约有7 0 沉入湖底，草海由于接纳大量豹城市污水，底泥中磷的含量较高， 基本处在1 - 2 x 1 0 - 3 m g g 之间。个别监测点由于受点源影响，磷含量甚至更高。 1 。3 国内外除藻方法的研究概况 关于富营养水体处理研究，国外8 0 年代初期即有报道【2 ，目前的富营养化 水体处理单元工艺主要可以归结为物理、化学和生物方法等三种。 1 3 。1 物理法 1 3 1 1 微滤法 微滤【2 2 1 是一种简单的物理过滤方法，它采用滤网或微滤机，以去除水中大于 或等于滤网孔径的浮游动物和藻类为主。在国外己广泛应用f 2 孔，国内的实验表明 其藻类去除率平均为6 i ，浮游动物去除率可达9 9 7 。上海自来水公司的一项 试验显示：该法对藻类的去除率为5 1 5 7 5 ，效果优于混凝沉淀。但对浊度、 色度、c o d m 。的去除率都很低，远不及混凝沉淀。 1 3 1 2 活性炭吸附 7 第章前言 通过活性炭吸附可以获得很好的藻类去除效果【2 ”，但小剂量的活性炭处理效 果不佳，水中的有机物会影响活性炭吸附，活性炭再生也较困难，这些都使得水 处理成本大大提高。 1 8 3 气浮除藻 藻类密度般较小，其絮体不易沉淀，采用气浮法可克服这一不利因素。武 汉东湖水厂1 9 7 5 年改建的气浮池，除藻效率在6 0 7 0 ，1 9 8 0 年该厂又造成 个4 万m 3 d 的气浮池，除藻效率达9 0 【1 0 1 。美国w a c h u s e l l 水库的试验表明，p h 值为6 5 、铝赫投加量1 0 m g f l 时，气浮浊的除藻效率可这9 0 以上。气浮法的主 要问题是藻渣难以处理，气浮池附近臭味重，操作环境差。另外，藻类可依赖其 浮沉调节机制对气浮工艺造成影响，为达到较好的除藻效果，气浮前需进行预加 氯，但这却降低了饮水安全性。同时气浮对浊度的去除效果较差。进水浊度高时， 会影响后续工艺处理效果。 1 3 1 4 直接过滤除藻 当湖泊水浊度较低时，可采用直接过滤处理。武汉工业大学进行的辐射流滤 池克接过滤试验中，原水在含藻量不超过4 0 0 0 0 万个l 时，经加矾、加聚丙烯酰 胺后，进入旋流反应池反应，在经辐射流均滤料过滤基减速过滤，除藻率可达 7 0 5 。8 9 1 25 1 ，由于高藻水的浊度具有堵塞和穿透滤床的特点，故滤前需投加灭 藻荆或辅以助滤剂，增设微絮凝机以改善微絮体表面性能，增强内部结构，提高 直接过滤效率。 1 3 1 5 超导磁石除藻 日本大阪市立产业技术研究所和大阪大学等研究组共同开发使用高温超导 磁石有效去除水中微胞藻属等藻类的技术26 1 。把含有藻类的水和铁粒子混合，用 超导磁石回收水中的铁，室内试验微胞藻去除率达7 0 以上，下一步将进行湖沼 实用去除试验。由于该法目前还只是处于实验室阶段，所以还不成熟。 1 3 1 ，6 微电解除藻 上海同济大学采用微电解的方法进行除藻，研究表明2 7 1 ，用杀藻器进行微电 解杀灭湖泊中藻类的效果显著，当进水流量】m 3 h ，电流密度在8 9 l l ，8 m a c m 2 以及当进水流量0 5 m 3 h ，电流密度在5 9 8 9 m a c m 2 时，杀藻效果均极好，可明 8 第一章前言 显破坏藻类细胞中叶绿索的结构，使藻类的光合作用明显减弱。即使在阳光充足 条件下，呼吸作用大于光合作用，溶解氧急剧下降，其下降率均可达到9 2 ，白 天与夜晚的溶解氧接近，达到杀藻效果。 由此可知，电解水处理可以有效地杀灭和抑制水中的藻类。但相关分析表明， 如果杀藻不充分且不能赋予水体持续抑藻能力的处理，反而会促进优势藻类大量 生长繁殖i ”】。 1 3 1 7 电磁波除藻 中国科学院水生生物研究所经多年调研、试验成功的研究出一种电子灭藻机 【29 1 ，其作用原理是利用电磁波使藻细胞分子发生振动，造成细胞壁破裂，细胞内 含物聚集在一起，从而自融或破裂死亡。它具有灭藻速度快、效果好、实用方便、 能耗低、无二次污染的特点，但目前还没有应用于实际的报道。 1 3 1 8 其他方法 净水工艺除藻法还有把磁场力与藻细胞表面的负电性结合起来的高梯度磁分 离技术，以破坏藻类生存条件为基础的通过光调节、水位调节方式除藻的方法以 及对藻类进行生理灭活的直流电击1 3 0 1 、超声波处理技未。 1 3 2 化学法 1 3 ，2 1 化学药剂( 除藻剂) 法 化学药剂可与构成微生物蛋自质的半胱氨酸的s h 基为活性点的酶钝化【2 ， 并可破坏某些藻类的细胞壁j 细胞膜及细胞内含物而使其灭活甚至解体，从而可 杀灭活体藻细胞。 目前，应用最广泛的杀藻剂是硫酸铜，多用于水源水体杀藻。但控制藻类生 长的硫酸铜浓度一般需大于0 1 m g l ，这会导致水中铜盐浓度上升，危害人体健康， 同时使用硫酸铜会破坏藻细胞，使细胞内大部分藻毒素渗入水体中，故经硫酸铜 处理后的水不能立即作为饮用水源。为提高硫酸铜的功效，减小硫酸铜的毒害作 用，尹澄清等【3 1 1 经研究发现在围隔中用铁盐、铝盐作增效剂后，浓度为 o 2 0 3 m g l 的铜离子就可控制微囊藻水华的生长。赵平等，2 1 研究沸石载铜( f z t ) 作为除藻剂对赤潮生物的灭杀和控制作用，结果表明，f z t 能缓慢释放铜离子对 海洋原甲藻的去除作用，延长了有效期，增强了除藻能力，并减轻了直接投放硫 酸铜造成局部铜离子浓度过搿而伤害鱼类的缺点。加入铁盐增效剂可提高除藻剂 9 一一 ：塑二兰旦i 一一 的除藻效果，减少除藻剂的用量。 另外有种替代方法是以c a ( o h ) 2 作为处理药剂【3 3 1 。c a ( o h ) 2 不破坏藻细胞 形态的完整性，故不会导致细胞内藻毒素的释放。其作用机理是将磷酸盐从水中 沉淀去除同时去除藻类。出于水中p h 值大于1 0 可抑制藻类的光合作用，因此投 加c a ( o h ) 2 还可提高p h 值以抑制藻类的生长。不过，需要大剂量投入c a ( o h ) 2 ( 如2 5 0 m g l ) 才能明显去除藻类和磷。 采用钠法工艺生产的次氯酸钙是一种无残毒、不产生二次污染的高效广谱灭 菌药物，况琪军等人f 3 4 】对该药物的杀藻效果进行生物测试，结果表明，它能有效 地杀灭引发水华的绿藻、蓝藻和硅藻。有效氯含量6 2 。5 p p m 曝露9 6 h ，试验藻 类的死亡率可达9 2 1 0 0 。高浓度( 5 0 0 p p m ) 条件下，绿藻、蓝藻和硅藻分别 在几分钟和l h 内全部死亡。 c 1 0 2 的除藻效果较好，投加l m g l 去除率就可达7 5 。况琪军等人3 5 1 研究 表明，无论是人工培养的斜生栅藻还是东湖的天然混合藻类，稳定性c 1 0 2 均能 显示其高效的杀藻作用，2 5 m g l 浓度即可快速杀死藻类。但其成本较高，在使用 过程中也会产生一些对人体有害的亚氯酸盐和氯酸盐。 预氯化常用于水处理工艺中以杀死藻类1 2 1 】，使其及藻毒索易于在后续水处理 工艺中去除。当液氯在卜2 m g l 或次氯酸钙2 5 1 6 m g l 时，经过3 0 m i n 反应后 藻毒素去处率可达9 0 以上。但预氯化使水中消毒副产物增加，对人体健康不利。 另外，高藻期水的p h 值高，c 1 0 。多，使某些藻类的去除率并不总随加氯量的增 加而增加。 除此以外，人们还研制了很多杀藻剂，如高锰酸盐复合药剂 3 6 1 、b c 一6 5 5 药 剂( 有机溴杀菌灭藻剂) 3 7 1 、百毒杀、h 2 0 2 【3 8 1 等，都取得了一定的效果，但大 部分都还处于研究阶段，是否可以实际应用，还有待进一步的考察。 1 3 2 2 臭氧除藻法 臭氧是一种强氧化剂，容易与有机物的一c = c 一双键反应，使得有机物分子 量变小、芳香性消失、极性增加、可生化性提高，去除藻毒素的效果也好。当藻 毒索浓度在3 0 - 5 8 m g l 时，臭氧浓度1 m g l ，水中藻毒素就可降至检测范围以下 】。但臭氧对c h l a ( 叶绿素a ) 的去除率不高，投加量4 m g l 以上时，去除率才达 7 0 。裴海燕等研究表明 3 9 9 一定浓度的0 3 化气体，在达到一定去除率后，增 加0 3 投加量，叶绿素去除率增加幅度不大。另夕 臭氧可扩散至藻细胞内部，破 坏c h l a 结构，但不足以使藻类细胞完全溶裂。并且，藻体细胞的细胞壁结构与藻 1 0 第一章前言 类的杀灭效果有很大关系。蓝藻等类似于细菌的藻类容易被杀灭，而细胞壁比较 坚固的藻类如绿藻、硅藻则不容易被灭杀。因此若仅仅为除藻而引入臭氧投加设 备，不仅很难得到理想的除藻效果，而且经济上投入很大。 1 3 2 3 强化混凝沉淀除藻 目前，用于除藻的混凝剂主要有：三氯化铁40 1 、明矾浆4 “、聚合氯化铝铁、 高锰酸钾复合药剂f 4 2 l 等，并都取得了较好的除藻效果。但富营养水体中藻类可分 泌可溶性胞外有机物( e o m ) 1 4 ”，e o m 主要由含氮物质和戊糖胶类物质组成。当 藻类浓度较高时，由于藻类个体微小，藻细胞外有粘性分泌物，由藻类分划的糖 酸和糖醛酸能与铁盐、铝盐混凝剂形成配合、络合物胶体而不利于脱稳。使混凝 对其去除效果不佳。在高藻期内，水的p h 值往往大于7 0 ，对一些铝盐、铁盐无 机混凝剂的水解也会产生不利影响。 如果对混凝沉淀加以强化，可大大提高除藻效率，甚至可达到9 0 以上【i o 】。 常用的强化混凝方法有：在使用常规混凝剂的同时，调节p h 值或加入一定量的 活性硅酸、藻脘酸钠及有机高分子助凝剂或粘士、石灰乳、活性炭等药剂，以及 施加电场、磁场、超声波、紫外辐射、电离辐射、混凝悬浮物再循环等非药剂法。 1 3 3 生物处理 生物处理工艺由于操作方便、易于管理、处理效率高、占地面积小、戏本低 等优点近几年来已逐渐受到国内外研究者的重视f 4 4 q 5 1 ，但相关研究还不深入。 1 3 3 1 有效微生物除藻试验研究 - 由研究发现：水体中一些微小动物对藻类及其有毒副产品的生物降解起着重 要作用。现已发现多种粘细菌、蓝藻嗜菌体和真菌能裂解藻类营养细胞或破坏细 胞的某一特定结构。李雪梅等人【4 6 】通过从自然界筛选出各种以光合细菌、敬线菌、 酵母菌和乳酸菌为主的微生物，用特定的方法混合培养形成有效微生物群进彳亍降 解研究并发现：水体中投加有效微生物群后，水表面和水下o 5 m 水体中的c h l a 含量、t n 、t p 和c o d m 。均下降，而水中的溶解氧和水体透明度相应上升。李征 等 4 7 1 研究发现，利用优势菌除藻，在模拟试验中，对c o d m 。的降解率可高达5 5 ， 但在现场试验中，对c o d m 。的降解率仅为2 0 左右，其原因还应该进一步研究。 运用投加优势除藻菌净化富营养化湖水，简单易行，投资少，费用低，易于 推广，只是技术还不成熟，还有待研究 4 8 1 。 第一章前言 1 3 3 2 生物膜法预处理 生物膜法预处理中，填料上的生物膜可吸附、附着、机械截留、捕食消解水 中的藻类。武汉东湖水厂进行的三相生物接触氧化预处理试验表明，该法去除藻 类7 0 9 0 ，对氨氮、浊度、色度和c o d m 。的去除率分别为8 0 9 0 、4 8 8 0 、 3 0 6 0 和1 8 2 6 f 49 1 。但在藻负荷较高时，欲取得良好的除藻效果仍需要结 合其他工艺。生物除藻的同时也降低了水中有机物的含量，可减少后续工艺处理 中混凝剂用量。 1 生物陶粒滤池预处理中，在气水比l ：1 条件下，藻类可去除5 0 以上，大 部分藻类的e o m 被细菌分解，氨氮去除率在8 0 以上，c o d m 。浊度、色度去 除率也分别可达2 5 、6 7 ；7 和3 3 7 【5 0 l 。但由纤维索或s i 0 2 等成分构成细胞壁 的藻类，难以在短时间内分解彻底，滤池中往往存有大量的死藻体和有机碎片， 并可能生成新的藻类。故高藻期，生物滤池需较频繁的反冲洗。 1 3 3 3 人工湿地除藻 况琪军等1 5 1 1 在小试获得阶段性结果的基础上，进行了人工湿地中试的除藻试 验，试验运行一周年，最高除藻率可达9 7 ；9 6 ( 9 月份) ，最低时亦可达7 2 6 9 ( 3 月份) ，各季度平均，春、夏、秋季的除藻率基本相近，分别为8 6 8 3 ，8 9 18 和8 5 0 8 ，冬季略低一些，7 4 0 2 ， 人工湿地【5 2 。5 1 去除藻类的主要机制是机械过滤作用，同时存在着化学和生物 作用。该方法有一大优点：人工湿地的渗水率不随系统滤水量的增加而递减，仅 在一定范围内波动，同时该方法无藻渣产生。 1 3 3 4 生物系统固定化除藻 出活性污泥掣i i 化得到的生物系统经固定后能够有效去除藻类，以海绵和木屑 作载体，藻类去除率分别可以达到9 0 和8 0 以上t 5 们。生物系统对藻类的絮凝吸 附作用，微型动物的捕食以及特定细菌对藻类的分解作用是主要的除藻机制，丽 适宜载体的投加则增加了生物活性，强化了生物捕食性能，提高了处理效果【57 1 。 1 3 3 5 浮游动物滤清器除藻 陈鸣钊等5 8 1 根据浮游植物( 藻类) 与浮游动物( 轮虫类) 之间的生态食物链 关系，e l t o n i a n 金字塔5 引，设计出专利设备“浮动生物滤清器”( f b e ) ，在该设嘻 内部给轮虫( 类) 创造了一个生长、繁殖和栖息的地方，并让它吃掉藻类，应用 1 2 第一章前言 该设备在不同地点进行了实际观测试验，其除藻效率达到8 4 9 3 。 应用浮动生物滤清器1 6 0 1 可以解决地面水水域特别是湖泊、水库及不流动水 域( 天然氧化塘或贮水池) 中过量藻类的去除问题。实际运转监测证实对藻类， 特别是对蓝藻门和绿藻门的藻类去除有比较好的去除效率。 1 3 ，3 6 生物活性炭处理 一般是在预处理( 预氧化、生物预处理) 、混凝沉淀后，利用活性炭的吸附 及其上生长的微生物进一步去除水中藻类、有机物和消毒副产物等。 1 3 4 组合技术除藻 由于富营养化水源水中藻类及其他污染物的多样性和复杂性，藻类的去除仅 靠一个处理单元单独完成很难达到很好的效果，另各单元技术去除不同分子量溶 解性有机物具有互补性，如混凝沉淀主要去除分子量太于1 0 0 0 的有机物，生物 处理的有效作用区间是分子量小于5 0 0 和3 0 0 0 1 0 0 0 0 - 的有机物。故实践中需要 针对原水中藻类的含量及水质情况，将各处理技术有机联合起来。 任翱等【6 1 1 应用光合细菌、硝化细菌、玉垒菌等高效微生物及其组合，采用悬 浮与挂膜两种批式工艺，对比分析其对富营养化水体有机物的去除及含氮化合物 的转化效果；同时，采用接触氧化反应器进行连续流试验考察其对氨氮的转化效 果。结果证明，采用微生物组合技术处理方法治理富营养化水体是切实可行的。 梁想等【6 2 】采用生物作载体，吸附水溶液中的铜离予，研究其对赤潮生物的杀 灭和控制作用。生物载体投放到水体后，载体缓慢释放出铜离子丽杀灭赤潮藻， 延长了有效期，增强了杀藻能力 6 a , 6 4 1 。研究结果表明；海带不仅适用于生物吸附 去除水中重金属铜，同时其作为载体适用于吸附c u ”后杀灭赤潮藻。 国内外部分学者【6 5 。0 1 研究了稳定塘系统出水中微藻的自动絮凝作用规律。在 光暗交替条件下，微囊生物量呈增减替换趋势；在遮光条件下即出现所谓“暗沉 降”现象；揭示了由于优势种的不同所显现的沉降速率的差异。万登榜等【6 引通过 研究肯定了水生动物( 如蚌和鱼) 对微藻的滤食作用及絮凝剂( 聚合硫酸铁p f s 和聚合氯化铝p a c ) 在适当p h 值下对微藻的快速絮凝沉降效率。在此基础上提 出了几种廉价且便于操作的除藻技术，如采用间歇排水方式除藻或采用遮光措 施，或用p f s 絮凝剂除藻等。 目前富营养化水除藻方法较多，尽管这些方法各有所长，但由于藻细胞特性 复杂，单一的技术都很难达到理想的除藻效果，或难以将除藻效果持久化；采用 1 3 第一章前言 组合技术可大大提高除藻效率，但其工艺较复杂，致使工程造价与生产管理费用 较高。因此，在富营养化湖泊除藻方面还有许多问题需要人们去努力探索和研究， 这方面的研究进展将会在世界范围内受到人们的广泛关注。 1 4 本研究前期湖泊除藻试验的主要试验结果 1 4 1 实验材料及外部特征 实验过程中所选用的除藻材料是以昆明地区特有的建筑用轻质陶粒块为主 要原料，经高温及特殊处理后加工制成。该除藻材料外观形态为深灰色多孔不规 则块状固体，属多孔疏松状物质，具有很大的比表面积，相似直径为5 - 1 0 e r a ， 密度约为2 0 0 - - 3 0 0 k g m 3 ，密度小于水，故可漂浮于水面，实验中称其为轻质漂 浮型除藻材料。该材料自身成分稳定，主要由s i 0 2 、a 1 2 0 a 、f e 2 0 3 、c a o 、m g o 及少量n a 、k 、m n 、z n 、n i 等金属元素的化合物组成。各主要组成成分在轻质 除藻材料中所占的百分比如表1 2 所示。 。 该材料可用于水体的净化、过滤，并已经取得了很好的处理效果 7 1 1 ，但是将 它应用到富营养化水体的污染控制中还是首例。 使用轻质漂浮型除藻材料进行除藻时，只需要将该材料直接投加到需要处理 的水样中，轻质除藻材料会自