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2.1.5在农业区大力发展生态农业....................................5
2.2内源污染控制......................................................6
3.水体治理技术.............................................................6
3.1物理法...............................................................6
3.1.1引水冲污和稀释................................................6
3.1.2吸附法........................................................6
3.1.3膜过滤法.....................................................6
3.1.4紫外线法......................................................6
3.1.5机械法除藻/除草..............................................7
3.2化学法...............................................................7
3.2.1氧化法.......................................................7
3.2.2非氧化法......................................................7
3.3物化法..........................................................8
3.3.1混凝沉淀....................................................8
3.3.2气浮........................................................9
3.3.3秸秆控藻....................................................9
3.3.4电化学法......................................................9
3.3.5超声波法....................................................9
3.4生物法...............................................................9
3.4.1水生植物修复..............................................10
3.4.2水生动物操纵..............................................10
3.4.3湿地生态工程..............................................10
3.4.4人工生物浮床/沉床.........................................11
3.4.5微生物修复...............................................11
3.4.6有益藻类抑藻..............................................11
3.4.7噬藻体......................................................12
3.5环境因子调控法.......................................................12
4.总结......................................................................12
参考文献...................................................................13
摘要:
富营养化是水体污染的重要原因之一,也是国内外水污染治理的难题。
从物理、化学、生化及环境因子调控等方面简单阐述了适用于水体富营养化治理与控制的各类技术方法及其特点,并探讨了相关技术的应用发展趋势。
关键词:
富营养化;
水污染;
治理与控制技术
1.引言
1.1水体富营养化的原因
水体富营养化(eutrophication)是指在人类活动的影响下,生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体,引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖,水体溶解氧量下降,水质恶化,鱼类及其他生物大量死亡的现象。
1.1.1营养物的来源:
工业点源污染,农业面源污染,水产养殖业过多投放饲料,例如未经处理或处理不完全的工业废水和生活污水,有机垃圾和家畜家禽的粪便,以及农业生产中施用的化肥等。
1.1.2形成机理:
导致富营养华的物质,通常是水系统中含量有限的营养物质,例如,在淡水中,含磷量是有限的,因此增加磷酸盐的含量就会使织物过度生长,同理,在海水中,氮盐含量则是导致富营养化的主要原因。
1.1.3形成过程:
水体纳入了营养物质,而加之藻类的生长周期较短,因此会大量繁殖,红色颤藻的出现是富营养化的征兆,随后,藻类个体数量速增,而种类渐减,水体由以硅藻和绿藻为主发展到以蓝藻为主。
(硅藻:
喜阴暗及较低温度,恶化水质;
喜欢在湖泊浅水中生长,对高温的适应程度仅次于蓝藻,产生难闻气味,使水断面减小;
蓝藻,喜高温,含氮量高的水体,7-9月是其生长旺季。
)
1.2水体富营养化的现象及治理的必要性
水体富营养化是指在人类活动的影响下,水体加速自然演化过程,在短期内出现的富营养问题,即氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口和海湾等缓流水体,导致营养盐浓度过高。
严重情况下引起藻类泛滥,称为藻型富营养化,即“水华”或“赤潮”;
或出现水生植物疯长成灾现象,称为草型富营养化。
我国的河流、湖泊污染不断加剧,富营养化问题尤为突出,且呈严重趋势[1-2]。
2.水体富营养化的防止
富营养化的产生有其社会、历史原因,并由相关的多元因素所引发,从长期的环保实践来看,防治水体富营养化是一个复杂的系统工程,是水污染治理中最为棘手又昂贵的难题。
目前,对于水体富营养化的防治,主要以控制营养盐为主,大多采取“高强度治污—自然生态恢复”的技术路线,即控制氮磷污染负荷与生态恢复措施相结合[51]
2.1外源污染控制
绝大多数水体富营养化都是由外界输入的营养物质富集造成的。
如果减少或截断外部输入的营养物质,将使水体失去营养物质富集的可能性,这也是从根本上控制水体富营养化的有效途径,可以采取以下措施:
2.1.1制定营养物质排放标准和水质标准,制定向水体排放营养物质的标准
确定某一水体的主要功能后,根据水体功能要求制定相应的水质氮、磷浓度允许标准。
2.1.2根据水体环境容量实施总量控制
对水体环境容量,尤其是氮、磷容量进行测算评估,据此制订氮磷排放的逐年削减和分配的总量控制办法。
应配套有严格的行政管理措施以保证控制办法的实施。
2.1.3合成洗涤剂禁磷和限磷
磷对水体富营养化的负荷超过氮,是导致富营养化的关键因子。
目前普遍使用的合成洗涤剂,一般均含有52.2%的磷酸盐成分,而且这些磷酸盐占水体磷污染的20%,因此合成洗涤剂禁磷与限磷是减少磷排放,降低富营养化水体总磷含量的重要措施,也是成本最低、最简单直接的措施。
2.1.4实施截污工程或引排污染源
截断向水体排放营养物质的污染源,是控制某些水体富营养化的关键性措施,可从根本上消除水体富营养化的主要人为外源性污染源。
2.1.5在农业区大力发展生态农业
通过实施生态农业工程,大力推广农业新技术,改进施肥方式和灌溉制度,合理种植农作物,推广新型复合肥,控制氮、磷肥使用量,以减少农业面源污染。
同时,合理使用土地,最大限制地减少土壤侵蚀,水土流失与肥料流失,如在农田安排自然排泄系统,防止地表径流漫流,减少由此引起的肥料损失。
2.2内源污染控制
当水体外界污染物的排放减少或停止之后,一定条件下,底泥不再作为污染物的“汇”,而成为“源”。
这时底泥中的污染物释放出来,对水体造成二次污染,成为内源污染并加速水体的富营养化。
常见的内源污染控制技术有清淤挖泥、原位覆盖、底泥钝化[3]和生物修复等。
清淤挖泥,是减少内源污染负荷的方法之一。
清淤结果显示,在工程结束初期水质好转,但后期水体仍呈现富营养化状态。
原位覆盖技术是在底泥表面铺放一层或多层清洁的土壤、沙子、淤泥、砂砾等覆盖物,使底泥与上层水体隔离,从而阻止底泥中污染物向上覆水体的迁移[4]。
底泥用沙土覆盖后,有效阻止了底泥中污染物的扩散[5]。
相对于清淤挖泥,原位覆盖技术施工简单、费用低,但底泥覆盖后会影响小型湖泊的蓄水量,且对底栖生态环境有一定的破坏性。
3.水体治理技术
3.1物理法
3.1.1引水冲污和稀释。
引水冲污和稀释是指向富营养水体中引入寡营养盐、水质较好的水,冲刷置换湖内的富营养水体。
但该方法仅可在短期内缓解水体的富营养化状况,若外源和内源污染不能有效控制,引水冲污和稀释的效果不能长期保持,且该方法在北方等缺水地区的可行性较差。
3.1.2吸附法。
吸附法是利用比表面积高的物质,吸附水中的藻类、悬浮物等物质,实现富营养化水体的净化。
常见的吸附剂有活性炭和沸石,也有使用粉煤灰、水滑石、泥沙等作为吸附剂。
王瑛等研究证明,纳米活性炭纤维可以有效地去除富营养化景观水中的多种污染物[6]。
3.1.3膜过滤法。
膜过滤技术是以外加压力或化学势差为推动力,利用高分子膜实现藻类等杂质与水的分离。
李发站等研究了超滤膜工艺,并联合砂滤和生物接触氧化技术的综合工艺处理富营养化湖泊水,该组合工艺对藻类的去除率达
97.9%,去除效果优于常规工艺[7]。
膜过滤法对藻类和藻毒素的去除率高,但易被有机物污染或堵塞,且成本高。
3.1.4紫外线法。
藻类等微生物在受到紫外线照射时,藻细胞内的DNA螺旋体被紫外线的电磁能所破坏,导致细胞无法增殖,达到灭活效应。
刘茜等利用紫外线法灭杀水库中的藻类,结果表明,紫外辐射剂量为60mJ/m2时,灭藻率为99.2%[8]。
紫外线法除藻工艺的运行成本低,不会生成有害消毒副产物,但该技术目前在生产上的应用还不成熟,推广应用有限[9]。
3.1.5机械法除藻/除草。
沈银武等研制了蓝藻的机械清除仪器,并用于治理滇池水华,仪器利用重力振动、旋振和离心等方法收集富藻水,起到了较好地蓝藻水华的控制作用[10]士友等利用水草收割机在乌梁素海进行富营养化适度控制和水生植物开发利用研究,试验表明通过机械技术收割水生植物能减缓生物促淤速度[11]。
机械法适用于藻类和水草严重泛滥的富营养化水体,是一种应急处理方式,但不能从根本上控制水体的富营养化。
3.2化学法
3.2.1氧化法。
化学氧化剂能够氧化藻细胞的部分结构(如藻细胞叶绿素中的吡咯环),干扰其正常新陈代谢,最终导致藻细胞失活死亡。
常用控藻氧化剂有氯气(Cl2)、二氧化氯(ClO2)、过氧化氢(H2O2)、臭氧(O3)、高锰酸钾(KMnO4)等。
氯气预氧化(也称预氯化),是一种传统控藻杀藻技术。
但氯气易与水中的有机物反应,生成三氯甲烷等有害副产物[12]。
相比于氯气,二氧化氯的除藻效率高[13],不产生三氯甲烷[14]。
有研究表明,二氧化氯投加量仅为1mg/L时对藻的去除率可达75%[15]。
高锰酸钾对水中的藻类和微生物具有明显的抑制和去除作用。
石颖等通过试验表明,在模拟富营养化水体中,高锰酸钾的复合剂投加量为1mg/L、混凝剂(聚合铝)为20mg/L时,藻类去除率达70%;
但在应用高锰酸钾及其复合药剂时,可能导致水中锰离子(Mn2+)的含量升高,出水色度增加[16]。
过氧化氢和臭氧预氧化除藻均不存在增加副产物和二次污染的问题,且有较强的氧化能力,杀藻效率高,但这2种试剂的生产成本较高,限制了其推广应用。
目前,研究较多的光催化氧化剂为二氧化钛(TiO2)。
当二氧化钛受到太阳能辐射时,可以将吸附在二氧化钛表面的OH-和H2O氧化成羟基自由基(·
OH)。
羟基自由基的强氧化性导致藻类死亡[17]。
Choi等研究了一种二氧化钛光催化剂(N-TiO2)降解微囊藻毒素(MC-LR)的效果,发现在可见光照射下,30min内能降解50%的微囊藻毒素,2h内几乎将其完全去除;
该技术处理富营养化水体无毒、高效[18]。
但目前二氧化钛光催化氧化技术仍处于实验研究和探索阶段,尚未有实际生产应用的报道[19]。
3.2.2非氧化法。
(1)硫酸铜。
铜离子(Cu2+)对藻类产生毒性是由于铜离子和藻细胞壁表面的含硫基团有很强的亲合力,干扰藻类正常的新陈代谢和生化反应过程,对藻类的生长产生抑制作用。
美国、澳大利亚常用硫酸铜(CuSO4)试剂法处理藻型富营养化水体,工艺成熟。
为防止铜离子对水生动物的影响,可将其制成铜基化合物(含铜有机螯合物),但可能存在铜离子的二次污染问题。
(2)稀土累积。
稀土在藻细胞内积累过量,能对藻类生长有抑制作用,其可增加细胞膜的通透性、降低酶的活性,影响细胞内蛋白质和核酸的合成以及激素的分泌,从而影响新陈代谢,最终导致藻类的死亡[20]。
高浓度的La3+和Ce3+对微囊藻以及月牙藻的生长有抑制作用,当水中La3+和Ce3+质量浓度为0.005g/L时,微囊藻的生长繁殖完全被抑制[21]。
我国稀土资源丰富,因此稀土元素积累法控藻成本较低,但稀土元素在食物链中有累积放大作用,具有生态风险。
3.3物化法
3.3.1混凝沉淀。
在藻型富营养化水体中投加混凝剂,混凝剂的水解产物与水中藻类等颗粒性物质进行电中和并脱稳,利用小絮体间的吸附架桥或粘附网捕作用形成较大絮体,最终在重力作用下使藻类等污染物沉淀去除。
用在富营养化水体控制中的混凝剂有铁系混凝剂、铝系混凝剂、粘土等,其中铁系混凝剂和铝系混凝剂应用最为普遍。
(1)铁系混凝剂。
铁系混凝剂有氯化铁、聚合氯化铁、聚合硫酸铁、聚合磷酸铁、聚合硅酸铁等。
肖利娟等用以铁盐为核心的无机絮凝剂(HA1)对发生水华的某华南供水水库做应急处理后,蓝藻及水华优势种(卷曲鱼腥藻和微囊藻)去除率均超过90%[22]。
高铁酸盐兼具氧化、混凝和沉淀等多重除藻功能,高铁酸盐除藻有投加剂量低、见效快和除藻效率高的优点。
但高纯度固体高铁酸盐制备工艺条件苛刻,生产成本昂贵,同时也有一般铁盐混凝剂的出水色度高、腐蚀设备的缺点。
(2)铝系混凝剂。
铝系混凝剂有明矾、聚硅硫酸铝等。
Kasper等向Sonderby湖投加明矾后,湖水总磷浓度由1.28mg/L降为0.02mg/L,湖水透明度由0.8m增大至1.5m[23]。
与硫酸铜等传统除藻剂不同,明矾或明矾浆除藻不会在水面形成大面积死藻浮膜,也不直接威胁鱼类和浮游动物的生存,但药剂使用量大,同时铝离子(Al3+)在人体内累积可能造成中毒症状[24],因此不适用于大型富营养化水体的水华控制。
(3)粘土。
粘土在水中分散形成大量的悬浮颗粒,颗粒与藻细胞发生碰撞集聚,最后在重力的作用下沉降于水底。
Malcolm等向富营养化水体中投加一种改性的粘土后,水中的可溶性活性磷的浓度降低,有效地抑制了水华[25]。
粘土来源充足,使用方便、耗资少,其絮凝具有安全、无毒的特点。
但到目前为止,粘土除藻技术还局限于海水赤潮的研究和局部应急处理,鲜有在淡水水华中的应用。
3.3.2气浮。
气浮法利用高度分散的微气泡作为载体去粘附废水中的悬浮物和藻类,使其密度小于水而上浮到水面以实现固液分离。
郑广宏等利用混凝气浮法处理富营养化的景观水体后,藻类、浊度和TP的去除率均在74.9%以上[26]。
目前气浮技术对低温、低浊、富藻水体的净化处理效果较好;
但浊度超过100NTU时,落渣困难、出水不稳定[27]。
3.3.3秸秆控藻。
在富营养化水体中,投加大麦秆、小麦杆、稻草杆等秸秆能引起水中无机氮、无机磷和CO2的浓度变化以及水体透明度、透光率等因素的改变,影响藻类的生长条件。
部分秸秆释放化感物质,如大麦秆能够释放芳香族有机化合物,抑制藻类的生长。
Ball等试验表明,湖区内投加大麦麦秆后,Chla的浓度可以保持在40μg/L的水平[28]。
秸秆控藻法原料来源较广泛,治理的费用低廉,但作用周期长,影响水体美观。
3.3.4电化学法。
电化学灭藻技术是在水体中利用电化学方法产生的活性氧(·
OH、O2、O3、H2O2等)来快速杀灭藻类,在通电停止后仍具有一定的持续灭藻的能力。
吴星五等分别采用电化学法处理富营养化藻型水体,均取得了较好去除效果[29-30]。
电化学法杀藻效果好,但由于机理尚不透彻,导致在实际应用中设备效果不稳定、耗电量大。
3.3.5超声波法。
超声波具有的机械振动、声流和空化效应能够造成生物细胞组织的损伤、断裂或粉碎。
AHN等分别在实验室和浅水湖中研究了超声波对藻类的抑制作用,结果表明超声波对于抑制蓝藻的生长极为有效[31]。
由于超声波除藻法能导致局部水域水温上升,耗能高,且影响水生动物生长,因此大面积推广受到限制。
3.4生物法
3.4.1水生植物修复。
水生植物修复技术,即恢复水生态系统中水生植物群落,实现植物对营养盐、重金属和有机污染物的吸附、利用或转移。
同时,水生植物能够为微生物提供附着共生空间,为水生动物提供食物来源,因此可实现水生态系统的良性物质循环和能量流动。
此外,某些水生植物能分泌化感物质来抑制藻类生长,且水陆间的植物生态系统还具有截留、过滤地表径流等作用,维持湖泊的相对独立与稳定。
目前在富营养化修复方面,研究较多的水生植物有挺水
植物、漂浮植物、浮叶植物和沉水植物等。
挺水植物和浮叶植物不仅具有较高的氮磷吸收效果,同时具有较好的景观性,因而这些植物在富营养化水体修复的研究和应用方面均较广泛。
沉水植物全部位于水中,氮磷等营养物质吸收效率
高,因此沉水植物逐渐成为研究热点。
吴振斌等在武汉东湖的围隔试验证明,重建后的沉水植物系统可以明显改善水质,提高水体透明度,分别维持COD和BOD在20和5mg/L左右[32]生植物修复系统利用太阳为能量源,具有安全、成本低、生态协调及美化环境等特点[33]时间长,且生物量的控制及生态稳定性的完善较困难。
3.4.2水生动物操纵。
水生动物操纵法,即采用底栖动物、浮游动物、鱼类等人工操纵措施,利用水生动物间的捕食竞争关系,发挥作为消费者和生产者的水生动物与水生植物之间的相互依赖制约关系,构成完整生态食物链和食物网,控制水体富营养化。
目前该技术中使用较多的水生动物有蚌类、螺类、食草鱼类、杂食鱼类等。
陆开宏等在藻华水体月湖和一些城镇公园水体投放罗非鱼控藻,结果表明罗非鱼的牧食压力导致了水体叶绿素的减少及透明度的提高,蓝藻水华
得到有效控制[34]但鱼类和浮游动物对藻类的吞食结果难以控制,且外来生物的引入又有引发生态问题的风险。
此外水生动物控藻相对于物理方法和化学方法见效慢。
3.4.3湿地生态工程。
湿地对富营养化水体中氮磷等营养物质具有很强的去除能力。
严立等研究表明,由砾石、沸石和粉煤灰填料组成的三级人工湿地对总磷的去除率为35.1%~65.3%,总氮的去除率为28.7%~62.9%[35]Vellidis等研究发现,湿地对硝氮(NO3-N)的去除率为78%,对氨氮(NH3-N)的去除率为52%,对溶解态反应磷(DRP)和总磷(TP)的去除率在66%以上[36]生态工程治理富营养化水体与其他方法相比,具有能耗小、成本低、治理效果较好,且对环境污染小,有利于资源化和整体生态环境的改善,但占地面积大,在北方地区易受季节限制其净化能力。
3.4.4人工生物浮床/沉床。
人工生物浮床技术是按照自然界自身规律,把高等水生植物或改良的陆生植物,以浮床作为载体,种植到富营养化水体的水面。
人工生物浮床技术既可以达到净化水质的效果,同时又可营造水上景观。
郭沛
涌等研究发现,水面覆盖率为30%的黑麦草为主体植物的浮床系统,对氨氮的去除率可达95.89%[37]人工生物沉床的主体为沉水植物。
李金中等通过对天津市外环河人工沉床示范工程长达1年的运行监测表明,在停留时间为6d时,植物生长期内人工沉床对COD的去除率可达30%~35%[38]人工生物浮床/沉床能够增加水生植物的种植面积,增强水中多余氮磷等营养物质的去除量,同时增加水生动物和微生物的附着空间,提高污染物去除效率。
但该技术中植物的选型和群落的最优化配置有待深入研究,同时,植物载体的抗腐蚀性和抗风浪性需进一步提高。
3.4.5微生物修复。
该技术利用微生物建立微生态系统,加快水中物质循环和能量流动,强化微生物对水中污染物的高效吸收和降解作用[3
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