（环境工程专业论文）富营养化水体中氮磷藻移出新型浮床装置的应用研究.pdf

富营养化水体中氮磷藻移出新型浮床装置的应用研究 摘要 湖泊富营养化问题已经成为世界性的环境灾害 尤其是蓝藻的季节性爆发严 重阻碍了流域内人民生活水平的提高和经济的发展 解决湖泊富营养化问题的研 究不仅是我国急需解决的重大环境问题之一 在国际上同样具有重要的科学意 义 本论文在中科院离子束生物工程学实验室絮凝磁分离实验室技术的基础上 进行了应用基础研究 主要研究结果包括 1 在絮凝磁分离实验室实验与磁力分离原理的基础上 对成熟应用在水处 理中两种磁分离结构进行了介绍 根据处理湖泊水需要连续性等实际情况选择磁 盘分离结构 对比磁性材料性能和价格选择钕铁硼作为磁块材料 从理论分析 数值模拟和实验验证三个方面选择了5 0 5 0 2 5 m m 尺寸磁块 对磁盘结构进行 了机械设计 给出了机械设计图和三维装配示意图 给出了五磁盘磁分离部件的 机械装配图与实体图 2 通过巢湖岸基实验 将实验室实验的成果向工程应用推进一步 提出适 合浮床所需要的特殊隔板絮凝工艺 并专门研究了五块磁盘的保证处理流量为 1 2 0 m 3 h 磁盘转速的较佳范围是0 5 1 5 r m i n 为日后操作提供参考 利用数值 模拟软件对特殊隔板絮凝进行内部流场模拟 直观显示出特殊隔板絮凝的内部流 场情况 3 在磁盘的设计与巢湖岸基实验的基础上对项目的最终设计目标 浮床进行 整体的设计 给出平面设计示意图 由于巢湖水质的不断变化 自动控制系统日 后必须应用于浮床之上 在设想上给出整体自动控制框架图 关键词 富营养化 磁分离 特殊隔板絮凝 浮床 4 a p p l i e dr e s e a r c ho f an e w f l o a t i n gp l a t f o r mu s e d i n r e m o v i n gn i t r o g e n p h o s p h o r u sa n da l g a ef r o m e u t r o p h i e dw a t e r a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o no fw a t e rb o d i e s h a sb e c o m ea ni n t e r n a t i o n a le n v i r o n m e n t a l d i s a s t e r e s p e c i a l l yh a r m f u ls e a s o n a la l g a lb l o o m ss e r i o u s l yh i n d e rt h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n ta n ds t a n d a r do fl i v i n g t oa d d r e s st h es o l u t i o n st ot h ep r o b l e mo fw a t e r b o d i e se u t r o p h i c a t i o ni sn o to n l ya nu r g e n tn e e di ne n v i r o n m e n t a li s s u e si nc h i n a b u t a l s oa ni n t e r n a t i o n a ls c i e n t i f i cg o a l i nt h i st h e s i s ab a s i ca n da p p l i e dr e s e a r c ho nt h ef l o c c u l a t i o ns e p a r a t i o nw i t ha m a g n e t i s mt e c h n o l o g yw a sp e r f o r m e db a s e do nl a be x p e r i m e n ta tt h ek e yl a b o r a t o r y o fi o nb e a mb i o e n g i n e e r i n go fc h i n e s ea c a d e m yo fs c i e n c e s t h em a i nr e s u l t sa r e l i s t e di nt h ef o l l o w i n g 1 o nt h eb a s i so fl a be x p e r i m e n ta n dt h et h e o r yo fm a g n e t i cs e p a r a t i o n a n d i n t r o d u c t i o no fs t r u c t u r e so ft h et w om a g n e t i cs e p a r a t i o nw h i c ha r ea p p l i e dm a t u r e l y t ow a t e rt r e a t m e n t w es e l e c t e dt h es t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h er e a l i t yo fl a k ew a t e r t r e a t m e n tw h i c hm u s tb ec o n t i n u i t y n d f e bw a sc h o s e nt ob et h em a g n e t i cm a t e r i a l c o n s i d e r i n gt h ec a p a c i t ya n dp r i c e m a g n e tw i t hd i m e n s i o no f5 0 母5 0 幸2 5 m mw a s s e l e c t e da f t e rt h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n dd i g i t a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tt e s t m e c h a n i c a ld e s i g no fm a g n e t i cd i s k sw a sc r e a t e da n da n dt h r e e v i e wa s s e m b l i n g w e r ei l l u s t r a t e d m e c h a n i c a la s s e m b l i n gd r a w i n ga n dt h ee n t i t yv i e wo ft h ef i v e m a g n e t i cd i s k s w a sa l s oe x p l a i n e d 2 v i at h ee x p e r i m e n to nt h es h o r eo fc h a ol a k e w ep u tf o r w a r das p e c i a lb a f f l e d f l o c c u l a t i o nt e c h n i ca n dm a d eag r e a tp r o g r e s sf r o ml a bt oe n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n a n dw ea l s oe s p e c i a l l yd i s c u s s e dt h eg u a r a n t e ef l o ww a s12 0 m 3 h t h e 5 p r e f e r a b l er o t a t es p e e do ft h em a g n e t i cd i s kw a s0 5 1 5 r m i n a n dt h et w od a t ew e r e u s e f u lt of u r t h e rm a n i p u l a t i o n i nt e r m so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e w e s i m u l a t e dt h ei n n e rf l o wf i e l do ft h es p e c i a lb a f f l e df l o c c u l a t i o na n di ts h o w e ds o m e u s e f u li n n e rf l o ws i t u a t i o n 3 w ep r e s e n t e dt h ep l a nb l u e p r i n to ft h ef l o a t i n gp l a t f o r mo nt h eb a s i so ft h e m a g n a t i cd i s kd e s g i na n dt h ee x p e r i m e n to nc h a ol a k es h o r e b e c a u s eo ft h ew a t e r q u a l i t yi s n o tu n c h a n g e d t h ea u t o c o n t r o ls y s t e mm u s th eu s e do nt h ef l o a t i n g p l a t f o r m w ec o n c e i v et h ew h o l ef r a m eo ft h ea u t o c o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s e u t r o p h i c a t i o n m a g n e t i cs e p a r a t i o n e x p e c i a lb a f f l e df l o c c u l a t i o n f l o a t i n gp l a t f o r m 6 表格清单 表1 12 0 0 3 与2 0 0 4 年巢湖湖区主要污染指标表 3 表1 2 处理前后的水质检测结果表 4 表1 3 重金属含量检测结果 5 表4 1 各去除率效果图表 4 2 表5 1 总功率计算表 4 6 表5 2 总重量计算表 4 6 表5 3 总造价计算表 4 7 表5 4 磁性絮凝剂成本计算表 4 7 插图清单 图1 1 巢湖流域图 1 图1 2 巢湖夏季蓝藻爆发 3 图1 3 藻液处理流程示意图 4 图3 1 永磁材料性能价格图 1 8 图3 2 高梯度磁分离器结构图 1 9 图3 3 圆盘磁分离器结构图 一1 9 图3 4 磁吸附流程图 2 0 图3 5 磁体n s 极交替方式排列 左 和同向聚磁方式排列 右 示意图 1 1 图3 6 磁体双向阵列 左 和 对头挤 的磁体阵列 右 结构示意图一2 1 图3 7 磁体双向阵列 左 和 对头挤 的磁体阵列 右 磁力线示意图2 2 图3 8 磁体中轴线磁场分布 2 3 图3 9 不同尺寸磁块表面磁场的变化曲线 2 3 图3 1 0 不同尺寸磁块表面磁场梯度曲线 2 4 图3 一ll 不同尺寸磁块表面磁场与梯度乘积曲线 2 4 图3 1 2 磁盘结构机械图 2 5 图3 1 3 磁盘装配流程示意图 2 6 图3 1 4 磁盘实体图 j 2 6 图4 1 槽道实体图 2 8 图4 2 整体示意图 一 3l 图4 3 整体示意立体图 3l 图4 4 槽底与隔板图 3 3 图4 5 槽道流量与各因素去除率关系 3 3 图4 6 磁盘转速与各因素去除率关系 3 4 图4 7 五磁盘出水图 3 5 图4 8 水流速度云图 3 9 图4 9 速度等直线图 一4 0 图4 1 0 速度矢量图 4 0 图4 1 1 进出水对照图 4 3 图5 1 浮床整体规划平面图 4 5 图5 2 浮床总控系统规划图 4 8 图5 3 移出物循环利用 4 9 l o 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 i 作及取得的研究成果 据 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 金蟹 些叁堂 或其他教育机构的学位或证二体而使用过的 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谢 意 学位论文作者签名 乡桫够i 签字日期 7 邓月尹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁上些太堂有关保留 使用学位论文的规定 有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 本人授权地 王些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩 印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权j l 学位论文作者签名 j 以唁 一期 1 年p 月 7 日 学位论文作者毕业后去向 i 作单位 通讯地址 3 翩虢萝易农k 签字日期 z 卯产4 月 7 日 电话 邮编 特别声明 本学位论文是在我的导师指导下独立完成的 在研究生学习期间 我的 导师要求我坚决抵制学术不端行为 在此 我郑重声明 本论文无任何学术 不端行为 如果被发现有任何学术不端行为 一切责任完全由本人承担 学位论文作者签名 多酪吾 签字只期 矽7 每丫趴7 罚 致谢 硕士三年时光如白驹过隙 论文完成之际 首先衷心感谢导师汪家权老师 余增亮研究员在学习和工作中的悉心指导 论文的顺利完成倾注了他们大量的心 血 汪家权老师对科学事业的执着追求和对工作的高度热情 严谨务实的治学态 度 严于律己 宽以待人的高尚品格 使我倍受教益 也必将成为我在未来工作 中的榜样和奋斗目标 余增亮研究员父辈般的关怀更使我时刻感受到家庭的温 暖 遭遇挫折时给予的鼓励成为我前进的动力 迷惘时给予的指引成为我人生前 进的方向 再次感谢两位老师在论文工作中给予的锻炼机会 感谢和我 同过来参加此项目的叶瑞同学对我的帮助 独学无友 孤陋寡 闻 叶瑞同学身上具有的危机意识 坚韧的意志力以及不畏惧困难的信心让我 获益菲浅 衷心感谢巢湖治理小组的李军 张束清和王相勤老师在工作中给予的指正和 热情帮助 感谢许明亮 叶瑞 杜海明 吕凤鸣 季晨程和王絮同学在论文工作 中有益探讨和愉快合作 感谢实验室的每一位师长和同学 衷心感谢自己的同门兄弟姐妹对我的关心与帮助 研究生三年生涯令自己难 以忘怀 也留给了自己一笔宝贵的人生财富 在紧张的工作和学习生活中 来自家人的亲情关爱总是无微不至 令人倍感 温暖 深深感谢我的父母 姐姐 姐夫 他们一直以来给予我激励和关怀 尤其 是我的女友龙丹女士 她的支持与鼓励始终伴随在我的左右 在此向他们表示衷 心的感谢 张发宇 2 0 0 9 年孟春于合肥科学岛 第一章绪论 1 1 引言 近年来 在经济持续快速增长的背景下 生态环境问题也发生了深刻变化 湖泊富营养化日益突出 水华暴发 鱼虾基本绝迹 水体的颜色 气味均有不 同程度的恶化 部分湖泊甚至成为纳污水体 许多知名湖泊的地理位置处于大 中城市周边 它们的污染导致城市景观质量下降 严重影响了这些地区居民的 身心健康 水质污染导致湖泊及其沿岸的生物多样性下降 特别是一些对人类 有益的或有潜在价值的物种消失 因此 湖泊富营养化的综合治理和生态修复 刻不容缓 1 2 问题的提出 巢湖流域位于安徽省中部 处于长江 淮河之间 地处1 1 6 0 2 47 1 1 8 0 0 0 e 3 0 5 87 3 2 0 0 6 n 巢湖流域总面积1 3 3 5 0 平方公里 其中农耕地总面积9 7 2 万亩 跨合肥 巢湖 六安十一个市 县 1 9 9 7 年总人口9 6 0 万 流域内国民生产总值 4 9 3 亿元 占全省1 8 5 工业总产值8 1 0 5 4 亿元 农业总产值1 3 8 7 8 亿元 巢 湖为我国五大著名淡水湖之一 湖区跨巢湖 合肥两市 湖长6 1 7 k m 均宽 1 2 4 7 k m 面积7 6 9 5 5 k m 2 湖深平均2 8 9 m 最深处达3 6 7 m 湖容2 0 7 亿m 3 湖岸线长l5 5 7 k m 入湖河流主要有杭埠河 丰乐河 派河 白石山河 南淝 河 柘皋河 裕溪河等3 5 条 集水面积达1 3 万k m 2 为一河流型浅水吞吐湖 其中主要入湖河流有杭埠河 丰乐河 派河 南淝河等9 条 湖水由巢湖闸经裕 溪河入长江 裕溪河是唯一出湖河道 湖口距长江6 0 4 公里i l j 1 9 6 2 年建成的 巢湖闸和裕溪闸 使巢湖由过水性河流型浅水吞吐湖变为人工控制水位的半封 闭型水域 巢湖建闸后中庙站多年平均水位8 4 0 米 相应的湖面积7 7 0 平方公里 湖容积2 0 7 0 亿立方米 平均水深3 米左右 最大水深6 7 8 米1 2 j 图1 1 巢湖流域图 f i g l 1 t h ed r a i n a g ea l g ao f c h a ol a k e 巢湖流域独特的地理位置 良好的生态环境和丰富的自然资源 为本地区经 济发展提供了优越的条件 巢湖水体质量状况直接关系到当地社会经济发展目 标的实现 然而七十年代以来 随着工农业生产的迅速发展 大规模的水利工 程建设和人口的快速增长 给这 地区的生态环境带来了巨大的压力 在人类 活动影响下 巢湖及其流域生态环境受到严重破坏 湖盆淤积 水质恶化 目前已 成为长江中下游地区典型的富营养湖泊1 3 造成巢湖污染的原因比较复杂 除了由于巢湖水浅 阳光穿透性好 水体 含氧丰富 气候适宜 为藻类生长繁殖提供了较充足的阳光和氧气外 人为污 染是巢湖富营养化的主要原因之一 可以说巢湖蓝藻 水华 的发生 发展与其 流域社会经济的蓬勃发展造成的湖泊生态环境破坏有很大关系 4 p j 1 城市生活污水大多未经处理直接排放 成为巢湖重要污染源之一 据 统计 1 9 9 9 年有1 6 1 3 9 万t 生活污水流入巢湖 除合肥市和巢湖市已分别建成2 座日处理1 5 万t 和6 万t 污水处理厂外 大部分地区的生活污水未经处理直接流 入巢湖 是造成巢湖富营养化的主要污染物总磷 总氮的来源 2 工业废水虽经治理达标排放 但仍然存在一定的污染 全流域排入巢 湖的工业废水1 9 9 9 年达1 4 2 0 9 万t 经过1 9 9 9 年的限期治理 2 0 0 0 年的一控双达 标 实现了达标排放 但只是低水平达标 工业废水中污染物总量仍然不小 3 面源污染严重 一是沿湖近 5 0 0 万亩农田 大多以种植水稻为主 化 肥 农药使用量大 利用率低 大量未吸收降解的化肥 农药随地面径流入巢 湖 成为巢湖水质总磷 总氮超标的重要原因之一 二是由于沿岸缺乏防风防 浪林和水保工程防护林 属严重崩塌和轻微岸塌的土岸长6 6 k m 年崩塌入湖土 方3 4 万m 3 约5 7 万t 损失农田2 6 h m 3 造成湖体淤积 沿岸植物因控制水位提 高而减少 加剧了风浪淘蚀作用 破坏了湖泊景观与植被缓冲带 巢湖湿地生 态系统退化 生物多样性减少 加速了湖泊衰老 4 水体交换不畅 历史上的巢湖为天然吞吐型湖泊 每年与长江水体交 换量为1 3 6 亿m 3 左右 自1 9 6 2 年巢湖 裕溪两大控制闸相继建成后 虽然发挥 了巨大的防洪调控功能 但也使得巢湖与长江每年水体交换量减少了1 2 亿r n 3 左 右 水体自净能力急剧下降 同时由于水利 航运和城乡生产生活用水的需要 枯水季节也必须保持一定的水位 使得大量的滩涂被淹没 导致水生生物减少 一方面造成氮 磷不能有效带出 另一方面又造成藻类得以大量繁衍 巢湖夏 季蓝藻爆发情形见下图1 2 2 幽l 2 巢湖夏季蓝藻爆发 f i 9 1 2 t h ea l g a o f e h a o l a k eb r e a k s o u t i ns u m m e r 据国家环保局2 0 0 5 年6 月2 日公布的 2 0 0 4 年中国环境状况公报 数据 巢湖 水质受氯 磷营养盐与耗氧有机物的污染 全湖综合水质劣于地面水v 类标准 主要是总氨 总磷严重超标 全湖呈富营养化状态 其中台肥市 巢湖市及忠 庙酣近湖区呈重富营养化状态 合肥市饮用水源所在地的塘西水域 呈极富营 养化状态 在全国5 大淡水湖中 总氮位居第一 总磷位居第二 袭i 12 0 0 3 与2 0 0 4 年巢湖湖区主要污染指标表 t a b l e l 1 t h ed o m i n a n t p o l l u t i o n i a d e x o f c h a o l a k e i n 2 0 0 3a n d2 0 0 4 数据来源 国家环保局2 0 0 5 年6 月2 日公布的 2 0 0 4 年中国环境状况公报 巢湖因水体的严重富营养化及对环境的恶劣影响 被国家列为 九五 期间 重点治理的 三河三湖 工程之一 纳入 中国跨世纪绿色工程计划 r 6 据 有关资料1 4 1 表明 由于流域内地面植被的破坏导致大量泥沙下泻 每年有1 0 0 万 吨以上的悬移物入湖 折合计算巢湖水域每年要增加氮6 0 0 吨 磷l o 吨 流域内 耕地约为6 47 万平方千米 每年糟用化肥2 0 8 4 1 0 3 吨 其中约有j 3 以上 流失进入巢湖 沿湖排放的工业废水和生活污水每年超过18 1 0 8 吨 大部分未 经处理直接排入巢湖 巢湖每年必须接纳总氮为1 8 3 6 8 吨 总磷为1 0 5 0 吨 1 3 研究的内容与意义 如何控制巢湖水体的富营养化将变成一个十分棘手的问题 首先应该从外 源污染控制入手 减少流入潮区的氮磷元素 其次要逐步根除内源污染即 o 内 已经富集的氮磷7 c 素 要从根本上解决富营养化或者说蓝藻的问题也就是减少 其赖以生存的氮磷元素 尤其是磷元素 关于治理淡水藻华方法的研究 国内 外已有许多报道 如物理法 化学法 生物法等 9 i l 1 3 j4 1 混凝法应h j 于 富营养化水的研究也比较广泛旧 j 但用絮凝磁吸附的方法处理富营养永的 研究尚无 中固科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所离子束生物 程实验室首次提出j 絮凝磁吸附的技术来处理巢湖亩营养水 并申请了巢湖氮 磷藻磁聚移出技术湖区试验这个项目 其基本原理是 选择粉煤灰做为絮凝荆主要成分 并加入磁性物质 利用 酸进行改性 参见 l s lo 此种改性的粉煤灰与富营养化水混合 絮凝 絮凝完全 后的絮体带有磁性 在外磁场的作h j 下 此种带有磁性的絮体很快被吸附并移 出水体 从而缩短混凝沉淀的时f u j 而且能够很好减少藻类赖以生存的氮磷元 素 这种技术称为絮凝磁吸附技术 絮凝磁吸附实验室实验的流程示意图如下图l l 实验结果见表l 2 其条 件为搅拌时间3 0 秒 絮凝与磁吸附时i i l 6 0 秒 磁性絮凝剂投加量约1 0 0 m g l 巢湖藻水 2 0 0 8 年7 月1 0 号取自义城 经过添加磁性絮凝剂 搅拌絮凝并将絮体 移出后 可以直观的看出处理水的浊度有明显降低 磁性絮凝剂对巢湖藻液有 明显的净化效果 幽i 3 藻渣处理流程示意图 f i g l 3 t h e a l g ad e s p o s i l i o n p r o c e s s 表i 一2 处理前后的水质检测结果表 t a b l e1 2t h ef o r e a n d a f i e fw a e r q u a l i t yr e s u l t 检测项目c h l a 总磷m g l 总氮m g l c o d 浊度n t u m g l 处理前 1 8 92 l3 762i3 i7 52 3 87 5 处理后 00 825 59 1 462 5 去除率 1 0 0 9 41 6 5 88 7 9 30 6 9 73 8 从表中可以明显看出 各项指标都能够达到很好的去除效果 关键在于对 于蓝藻生长的最重要的限制性因素磷的去除效果极佳 同时 考虑重金属是一 类毒性很大 具有潜在危害的无机污染物 主要是指汞 镉 铅 铬以及类金属 砷等生物毒性显著的重元素 它们可在土壤和生物体内富集 造成土壤和作物的 污染 对作物生长 产量和品质均有较大危害 特别是它们还能被作物富集吸 收进入食物链 具有损害人和动物健康的潜在危险 这种污染具有隐蔽性 长 期性和不可逆性的特点 且难降解 易积累 毒性大 是影响生态系统安全的 一类重要污染物质 所以对重金属也进行了检测 表1 3 重金属含量检测结果 t a b l e1 3t h er e s u l to fh e a v ym e t a lc o n t e n t 注 水样均为l a g m l 水处理剂中除a l 含量采用百分含量外 其余元素含量的单位均为g g g 元素含量采用原子吸收光谱法测定 检测结果如表1 3 所示 从检测结果 中可以看出 处理水中的各种元素相对巢湖藻水 a l s p b c r s e c u c d h g z n 等元素含量均不同程度的下降 虽然磁性絮凝剂本身含有以上这 些元素 但是处理巢湖藻水过程中 由于处理产生的絮体最终被移出水体 没 有给水体带入这些金属元素 而且可以看出 磁性絮凝剂对水体中所含的重金 属有一定的去除能力 所以本论文内容是针对湖泊内源污染问题的解决 在中科院离子束生物工 程学实验室絮凝磁分离实验室技术的基础上进行了应用基础研究 主要研究内 容如下 1 首先简要阐述了水体富营养化的概念 并对国内外湖泊富营养化的现 状 成因和危害进行综合评述 归纳目前国内外湖泊富营养化的控制理论和技 术 并对各项技术的优缺点进行比较 2 针对本项目的设计目标与要求 研究了湖泊富营养化物质移出实验平 台的关键部件 磁分离机构的研制 介绍了磁力分离的原理 对影响磁分 离效率的因素做了分析 介绍并比较了水处理中两种成熟的磁分离结构 选择 磁盘分离结构为本论文所用 并对磁盘中磁块的磁系组成 磁块的尺寸进行了合 理选择 一 3 在蓝藻暴发期进行了五磁盘i 8 槽道的岸基实验 验证了自行设计的磁 盘的处理效果 并总结磁盘在所设计浮船上应用的几个基本参数 结合处理水 华时的实际情况 提出 种特殊的隔板絮凝 总结了巢湖岸基实验的有用参数 为设计目标所提出的浮床建造提供有用数据 不仅如此 利用数值模拟软件对 特殊隔板絮凝进行模拟 利用模拟的结果指导结构的改进 4 在巢湖岸基实验的基础上 结合设计目标 整体上给出整个浮床工艺 流程 浮床表面部件的设计安排 5 对全文进行总结 并对絮凝磁吸附技术做出展望 提出有待进一步研 究的问题 本文的研究意义在于提出一种新型的处理水体富营养化的治理方法一絮 凝磁吸附的方法 并从工程实验上考证了该方法的可行性 絮凝磁吸附技术既 能有效快速的吸附絮凝藻类 同时又可以通过外磁场的作用迅速将藻聚物移出 水体 而且对水体中氮 磷去除效果非常显著 可以做到标本兼治 从根本上 解除藻华暴发带来的危害 该方法变废为宝 既能一定程度上抑制藻华 又能 缓解粉煤灰堆积造成的压力 同时 磁性物质性能稳定 可重复回收利用 从 而能降低成本 6 第二章水体富营养化及其防治技术 2 1 水体富营养化概念 富营养化是指由于人类的活动 水体中营养物质增加 一般是氮 磷的化合 物 引起浮游植物过量生长和整个水体生态平衡的改变 因而造成危害的一种 污染现象 引 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 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 所以水面往往呈现红色 棕 色 蓝绿色等 这种现象在江河湖泊中称为 水华 在海洋则称为 赤潮 富营养化分为天然富营养化和人为富营养化两种 天然富营养化是湖泊水 体生长 发育 老化 消亡整个生命史中必经的天然过程 其过程漫长 常常 需要以地质年代或世纪来描述其进程 人为富营养化则是因人为排放含营养物 质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化现象 它演变的速度非常快 可在短期内使水体由贫营养状态变为富营养状态 湖泊的富营养化是千百年来自然发生的过程 因为湖泊本身起着一个营养 物质沉积池的作用 营养物质的输入输出并不平衡 结果产生积累 在以千年 计的时间跨度里 植物的生长一般与输入湖泊的营养物相平衡 生物群体的生 产力随越来越高的营养水平而变的更高 然而 在富营养化不断加剧的体系中 营养消费量并不能和营养物保持并驾齐驱 于是出现了藻类和其它植物的过量 生长 2 2 水体富营养化的成因与危害 2 2 1 水体富营养化成因 湖泊富营养化是水体中植物类营养物 也就是溶解性无机盐类营养物 主 要是含氮 磷盐类 过度积累的现象 由于这些盐类是植物增长所需要的 因 此 湖泊富营养化的一个直接结果 也是它的一个显著标志就是浮游植物的大 量生长和繁殖 水华是湖泊富营养化的典型表现 它是水体过多植物类营养物 质引起藻类大量增长所造成 湖泊富营养化的根本原因是营养物质的增加 人为富营养化是当代湖泊富 营养化的主要因素 氮 磷是浅水湖泊藻类大量增殖的主要限制因子 也是构 成湖泊水体富营养化的决定性因素 由于藻类可利用的氮远比可利用的磷多 因此 磷常被作为富营养化的限制因子 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 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 只是由于人类活动 7 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 活和农业废水 另一方面又采取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 2 2 2 水体富营养化危害 湖泊是人类重要的自然资源 广泛用于防洪 灌溉 航运 给水和养殖 一旦湖泊富营养化 其主要危害有 1 导致水体质量下降 功能减退 水生态系统失衡 加速湖泊老化 2 影响水体景观 大量肉眼可见的蓝绿色絮状或胶团状物漂浮水面 经风 浪冲击而聚集水域沿岸 堆积腐烂 产生恶臭 影响周围居民生活 影响美观 并扩散到大气中 使空气遭受污染 3 导致制水供水成本提高 净化系统堵塞 出水中含有异味 人们的饮水 质量下降 4 破坏天然水产资源 使鱼类资源小型化 生物多样性下降 优质水产品 的养殖受到严重威胁 暴发性流行病害肆虐 5 影响水生植物的恢复 除遮光和营养竞争外 附生藻类可在水生植被的 表面形成一个高p h 值 高0 2 和低c 0 2 的环境 使水生植被对c 0 2 的可利用 性降低 光合作用受阻 以致水体的自净能力减弱 如此种种 最终均将影响 到人类的身体健康 其潜在危害不容忽视 为此 对湖泊富营养化的治理研究 受到普遍重视 2 3 水体富营养化的防治技术 湖泊富营养化防治走过了从控制营养盐 直接除藻 到生态工程等艰难历 程 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 富营养化藻型湖泊的显著特征是浮游植物大量发生 进而造成水质 恶化 水体功能下降 水生生物死亡等灾难性后果 它不仅制约了湖泊资源的 可利用性 而且直接影响人类的健康生存与社会经济的持续发展 2 3 1 控制营养盐 控制水体营养盐浓度是传统的富营养化防治措施 它基于限制因子原理 对于外源性污染采取截污 污水改道 污水除磷等 对于内源性污染采取了清 淤挖泥 营养盐钝化 底层暴气 稀释冲刷 调节湖水氮磷比 覆盖底部沉积 物等一系列措施 截污 减少氮磷流入等都是从外源上控制水体富营养化 防止营养盐类大 量进入水体 清淤 疏浚等就是将湖泊底部富含氮磷等营养盐的底泥清除掉 减少底泥的氮磷释放 从而从外源控制流入与内源不断降低来减少藻类赖以生 8 存的氮磷元素 控制水体藻华 但并不是清淤 疏浚就能很好的控制蓝藻的暴 发 1 9 9 8 年3 月南京玄武湖完成全湖清淤 并灌入相对清洁的长江水恢复原水 位 在清淤结束后的短时间内 湖水c h l a 有明显下降 但清淤2 个月后 随 着水温升高 藻类恢复很快 1 9 9 8 年均值仍高达1 1 3m g m 3 2 0 0 0 年均值 l1 9 m g m 3 1 2 0 2 1 l 清淤不仅费用高 技术难度大 而且影响清淤结果的因素较多 有时不能得到预期的结果 此外 大规模的全湖清淤 将会破坏湖泊生态系统 原有的生物种群结构及其生境 削弱湖泊的自净功能 2 3 2 直接除藻 我国许多淡水湖泊由于水中氮 磷等无机物大量的增加 引起自养型浮游 植物一藻类异常增殖 藻类大量聚集在湖水表面形成富营养化过程的极端表现 一 水华 或 湖靛 从而使水体的感官性状和使用功能大大下降 而藻类 释放出的各种毒素对水生生物和人畜的饮水安全也造成威胁 并且藻本身碳氮 磷的生物富集体 除藻即除氮磷 所以必须对形成优势种类的浮游藻类予以去 除 以维护生物多样性和生态平衡 目前 国内外直接除藻的方法很多 主要 分为物理除藻 化学除藻和生物除藻等方法 2 3 2 1 物理除藻 1 机械打捞 用机械方法收获湖水中大量的藻类 可在短期内快速有效地去除湖水中的 藻类 但该法往往需要耗费大量的劳力和能量 而且随着藻类的生长 需要不 断地收获 对于有商业价值的藻类 收获藻类可得到较好的经济效益 但是 对于许多富营养化湖泊 往往没有单纯的 良好的藻类资源 收获藻类难以取 得相应的直接经济效益 2 过滤除藻 以丙纶丝为滤料 利用筛分截留与吸附一絮凝是过滤除藻的机理1 22 以自 制转鼓装置对高藻原水进行直接过滤除藻试验 结果表明 对叶绿素a 及藻总 数的去除率分别为6 4 一9 5 和8 2 一9 6 对主要藻种的平均去除率均在8 5 以上 除藻效果明显 但原水中藻类特征 试验运行工况条件直接影响对藻类 的去除效果 5 超声技术除藻 舒天阁等1 2 3 利用低功率超声波去除铜绿微囊藻的研究表明 当超声频率为 5 0 0 k h z 超声功率为8 0 w 时 藻类的去除效果最好 超声5 m i n 后 除藻率可达9 4 而且通过二次超声可进一步抑制残余藻类的生长 稳定除藻效果 我国首艘 超声除藻船也于今年在常州下水 这种超声除藻船由东南大学 江苏大友科技 发展有限公司 常州合力电器有限公司何常州玻璃刚造船厂联合研制 采用低 功率 0 5 5 0 瓦 超声空化除藻 这一自主知识产权的新技术 可以在3 0 秒至5 分钟内 以低功率超声幅射破坏藻细胞内的气泡 使藻细胞生物活性消 9 失 降低水中藻浓度 同时不会导致藻细胞粉碎而释放藻毒素 4 遮光技术 藻类依靠光合作用维护其生存和繁衍 通过在湖面覆盖部分遮光板 可控 制湖中藻类增殖 采用塑料制浮板遮光 覆盖面积为水面的5 0 一6 0 遮光 一个月左右微胞藻属消失 湖水明澈透底 此外 c o d 下降5 0 d o 也显著 减少 保持在4 m g l 左右 特别显著的是水色和藻类的变化1 2 引 5 曝气冲刷 f o x i n 多功能水质净化船具有高速充氧或空曝的功能 有效地破坏微囊藻 的富集层 并向不同水深的空间补充大量的溶解氧 改变水体中溶解氧垂直分 布的极端不均衡状态 迅速提高湖水的透明度 使底层水生植物的光合作用得 以顺利进行 从而为水生态系统的恢复创造有利条件1 2 川 杨文龙1 2 6 1 介绍 稀释 和冲刷使藻类冲刷出湖库的速度大于藻类的生长速度 冲坏藻细胞以控制藻类 生物量 人工循环湖水可消除和防止热分层 使湖水充分混合 控制水华的发 生 2 3 2 2 化学除藻 这是目前国内外使用最多 也是最为成熟的杀藻技术 因其发展史较长 技术相对比较完善 目前 国内外普遍采用絮凝 抑制和综合方法进行化学除 藻 这类技术的机理是利用化学药剂对藻类进行杀除 总的来说 化学药剂一 般要求为 高效 低 无 毒 无污染 无腐蚀 同时具有缓蚀 阻垢作用或能 与缓蚀剂 阻垢剂配合使用 成本低 生产及运输安全 投药方便 化学法的 主要优点是操作简便 一次性使用成本低 缺点之一是不能长期投用一种药 否则 长期使用低浓度的化学药物会使藻类产生抗药性 之二是可能对环境产 生污染 死亡藻类所产生二次污染及化学药品的生物富集和生物放大对整个生 态系统的负面影响较大 化学法一般用于应急处理 化学法用于除藻的研究较多 有利用药剂的氧化性除藻 臭氧的氧化性能 极佳 臭氧应用于处理藻类的研究广泛 缪恒锋等1 2 7 j 研究表明 利用臭氧的氧 化技术 臭氧能够快速的破坏铜绿微囊藻细胞的细胞壁 很少量的臭氧就能够 对藻细胞造成损伤 臭氧氧化可以去藻毒素 1 0 m i n 的去除率 l r 为8 2 2 5 r r 为7 4 2 8 采用臭氧 生物活性炭工艺进行了中试研究 试验结果表明 臭 氧 生物活性炭工艺对有机物的去除效果明显 对c o d m n 的平均去除率为 7 3 7 6 对u v 2 5 4 的平均去除率为8 6 3 8 高温条件下 大量生长的细菌随出水 流出反应器 在投氯量为1 m g l 时可杀灭生物活性炭工艺出水中的大部分细菌 剩余细菌数 9 9 9 9 耗电0 1 k wo h m 3 2 3 2 3 生物除藻 生物除藻技术的机理是一是利用藻类的天敌及其产生的生长抑制物质来 抑制和杀灭藻类 二是利用植物类或者鱼类来处理藻 从理论上说 生物除藻 是最为科学的方法 藻类不应采用化学药剂来彻底杀除 一是难以做到 二是 代价太大 三是造成环境污染或破坏生态平衡 而改用生物防治则不会出现上 述情况 其实生物除藻技术并不是想彻底杀灭或消除藻类 而是利用生态平衡 等原理对藻类的生长和繁殖进行抑制 从而达到控制藻体数量的目的 但从技 术层面上看 实施起来有较大的难度 1 以藻类来治藻 以藻制藻的机理是利用水网藻等快速繁殖 吸收肥料强的特点 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 以改善水体营养状况 此外 水网藻还 可以去除水中的氮和磷 在富营养化水体中均生长良好 在含t n 为 3 3 4 5 1 5 m g l t p 为0 1 0 0 1 9 m g l 的富营养化水库和t n 为3 3 8 6 m g l t p 为1 9 3 6 m g l 重营养化的湖水中 经过水网藻 1 9 l 处理2 d 4 d 6 d 后 对氨 氮 总氮和总磷去除率均在7 0 以上 2 利用藻类病原菌抑制藻类生长的技术 已发现粘细菌能使寄生的营养细胞裂解 但对异形细胞无效 且寄主范围 广泛 用之降低藻类产量的效果尚不明显 这一技术还在进一步的研究开发之 中 颇具发展前途 有人发现了蓝藻的天然病理真菌一一壶菌 c h y t s i d i u s 但 寄主范围很窄 应用价值不大1 3 训 进一步寻找有效的藻类的病原菌成为当务之 急 3 利用病毒控制藻类的生长的技术 目前已有人分离到侵噬蓝藻的病毒 称为蓝藻噬菌体 有实验证明 蓝藻 接种该病毒后明显降低了藻体数量 可应用于控制藻类的生长f 3 纠 利用噬菌体 防止和消除冷却水系统生物粘泥 是一种颇具前途的生物学方法 研究表明 它对于防止电站海水冷却水系统及造纸工业水系统生物粘泥的形成十分有效 但此法尚未走出实验室 需解决对循环水中的细菌或藻类敏感的噬菌体及循环 水流速度 温度对噬菌体的影响的问题 3 6 4 发展滤食性鱼类 据报道 1 9 9 8 年底和1 9 9 9 年初 在桥墩水库1 h m 2 水面放养尾重2 0 9 左右 鲢 鳙鱼种1 2 0 0 尾 浮游蓝藻数量比同期下降7 7 7 透明度提高1 5 m 水 库只是局部发生水华 2 0 0 0 和2 0 0 1 年水库不再出现蓝藻水华 水体表观质量明 显提高 与1 9 9 8 年8 月同期比较 透明度提高2 4 m 总氮下降6 1 1 总磷下降 5 9 4 浮游蓝藻总量由1 9 9 8 年的10 4 3 5 5 1 0 4 个细胞 l 下降至1 4 3 3 l0 4 个细胞 l 蓝藻个体数量比例从1 9 9 8 年的9 9 2 下降至3 1 5 水体富营养状 况从治理前的中一富营养类型恢复到中一贫营养类型 张根芳等 37 研究表明 养蚌育珠并搭养适量鱼类可以使2 0 一4 0 c m 的水层形成附着丝状藻类 原生动 物 腔肠动物 多孔动物和苔藓动物等多种附着生物 使n p c o d 和b o d 5 含 量分别下降6 7 3 7 3 2 3 8 1 和15 5 起到了明显控制富营养化的作用 同 时还能收获珍珠 蚌肉和贝壳等产品 比其他控制方法具有更好的实际应用性 5 养殖高等水生植物 众所周知 水生高等植物不仅能够快速吸收水体和沉积物中的营养盐 3 8 3 9 4 0 4 1 分泌产生他感物质抑制浮游植物生长 4 2 1 而且对湖泊生态系统的物 理 化学及生物学特性亦有重要影响 4 3 1 生物调控后湖泊能否保持清水状态 很大程度上依赖于恢复的水生高等植物的发展 因此 水生高等植物被广泛应 用于降低湖泊水体营养盐负荷 控制藻类生长 调节湖泊生态系统等 近1 0 年来 国内外对水生高等植物在湖泊生态系统中的作用及其恢复进行了广泛的 研究 试图将以藻类为优势的浊水态水体转为以水生高等植物为优势的清水态 水体 包括生物调控的专家们也认为生物调控之后 必须恢复水生高等植物 才能维持清水态湖泊生态系统 许多研究表明水生高等植物可维持水体长期稳 1 2 定于清澈状态 4 引 对水生高等植物尤其是沉水植物在浅水湖泊生态系统中的功 能 作用的研究十分活跃 恢复水生高等植物已成为浅水湖泊富营养化治理和 生态恢复的关键 6 微生物絮凝剂除藻 微生物絮凝剂是一种由微生物产生的具有絮凝功能的高分子有机物 主要 有利用微生物细胞的絮凝剂 利用微生物细胞壁提取物的絮凝剂和利用微生物 细胞代谢产物的絮凝剂三种类型 利用微生物本身或产生的多肽 酯类 糖蛋 白 粘多糖 纤维素和核酸等作絮凝剂 可以对包括藻类在内的大多数微生物 产生絮凝作用 并且对环境无二次污染 4 5 4 引 另外水体恢复功能菌 r b 利水 剂 a e m 菌 p s b 光合菌等 都有较好的除藻作用 在滇池草海约8 0 0 m 3 围 栏实验中 光合细菌 p s b 净水剂对叶绿素a 去除率在7 5 以上 藻类去除率 在9 0 以上 具有操作简便 无二次污染产生等特点1 4 2 3 3 生态工程 针对非点源污染 美国科学家利用湿地生态系统作为湖泊周边流域和湖区 之间的化学和水文缓冲器 提出了保护湖区水质的湿地生态工程 越来越多的 研究显示位于水体和陆地生态系统之间的生态交错带 e c o t o n e 具有过滤功 能 缓冲器功能f 4 引 它不仅可吸附和转移来自面源的污染物 营养物 改善水 质 而且可截留固定颗粒物 减少水体中的颗粒物和沉积率 同时 湿地可以 提供生物繁育生