水体富营养化治理与控制技术综述

水体富营养化治理与控制技术综述水体富营养化治理与控制技术综述水体富营养化治理与控制技术综述xxx公司水体富营养化治理与控制技术综述文件编号：文件日期：修订次数：第1.0次更改批准审核制定方案设计，管理制度水体富营养化治理与控制技术综述摘要：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综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。20世纪70年代后期全国约有27％的湖泊富营养化，80年代末、90年代初期全国约有63％的湖泊富营养化，到90年代后期已达85％。根据(2010年中国环境状况公报》，全国地表水污染较重，七大水系总体为轻度污染；26个国控重点湖泊(水库)中，营养状态为重度富营养的1个，占3．8％；中度富营养的2个，占7．7％；轻度富营养的11个，占42．3％；其他均为中营养，占46．2％。笔者从物理、化学、生化及环境因子调控等方面综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。1污染源控制外源污染控制降低外源污染负荷是湖泊富营养化控制与治理的至关重要的第一步。减少或截断外部营养物质的输入、控制外源营养盐进入水体的具体措施有净化水源、截污工程、洗涤剂限磷禁磷、合理使用土地等。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、底泥钝化和生物修复等。清淤挖泥，是减少内源污染负荷的方法之一。日本Suwako湖、荷兰Geerplas湖、南京玄武湖均实施了清淤工程，试图削减湖泊内源污染负荷；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。意大利威尼斯环礁湖的底泥用沙土覆盖后，有效阻止了底泥中污染物的扩散。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。2水体治理技术物理法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。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。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。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。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／m时，灭藻率为99．2％。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。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”。尚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。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。化学法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(Cl：)、二氧化氯(C10)、过氧化氢(H：O：)、臭氧(O，)、高锰酸钾(KMnO)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。相比于氯气，二氧化氯的除藻效率高，不产生三氯甲烷。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％。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(Mn)的含量升高，出水色度增加”。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(TiO)。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一和HO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。Choi等研究了一种二氧化钛光催化剂(N—TiO)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。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。非氧化法2．2．2．1硫酸铜铜离子(cu)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。2．2．2．2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。高浓度的La和ce对微囊藻以及月牙藻的生长有抑制作用，当水中La和ce质量浓度为0．05L时，微囊藻的生长繁殖完全被抑制。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。物化法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。2．3．1．1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％。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。2．3．1．2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。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(Al)在人体内累积可能造成中毒症状，因此不适用于大型富营养化水体的水华控制。2．3．1．3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。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。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11P的去除率均在74．9％以上。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。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CO：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40g／L的水平。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。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、H0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。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。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。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。生物法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。水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，但起效时间长，且生物量的控制及生态稳定性的完善较困难。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。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。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％。Ve1．1idis等研究发现，湿地对硝氮(NO一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。湿地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。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％。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％。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。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，最终实现水体富营养化的控制。有效微生物菌群(EM)是较常用的富营养水体的微生物修复菌群，该菌群由光和细菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌和发酵型丝状菌等复合培养而成。另外还有种属相对单一的微生物修复菌群，如诺卡氏菌(Nocardia)、光合细菌(PSB)、Clear—Flo系列菌等。李正魁等利用固定化增殖氮循环细菌群净化富营养化湖水，处理后总氮下降75％，氨氮下降91．5％，COD下降75％，水质得到明显的改善。对比传统的处理工艺，富营养化水体的微生物修复技术具有处理费用低、操作简便、二次污染性小、生态综合效益明显、处理效果显著等方面的优点。但目前尚难建立不同水质下，各水质指标变化与微生物的相关性分析体系。有益藻类抑藻有益藻类抑藻是利用人工可控制强的藻类，利用种间竞争原理，抑制有害藻类的泛滥，实现水华的控制。水网藻是一种大型的网片状及网袋状绿藻，肉眼可见，其繁殖能力强，在生长过程中能吸收大量的氨氮、硝氮及无机磷等，从而降低富营养化水体中的氮磷水平，使蓝绿藻由于失去赖以生存的高营养条件而无法在水体中大量繁殖，达到以藻治藻的目的。赵坤等研究表明，水网藻对铜绿微囊藻有较强的抑制作用，在水网藻种植水作用8d后，铜绿微囊藻死亡率达92％。噬藻体噬藻体(Cyanophage)是以蓝藻为寄主的浮游病毒类群(也称蓝藻病毒)，因其能特异性地感染蓝藻并导致其死亡，是蓝藻“水华”潜在的控制因子。如澳大利亚Moreton湾一种鞘丝藻(Lyngbyamajuscula)水华的崩溃就与噬藻体有关。但目前尚无把噬藻体应用于水华控制实践的报道。环境因子调控法藻类和水生植物受溶解氧、水动力条件、pH、光照和水温等环境因子的影响，适当调控水体的环境因子能够在一定程度上抑制藻类的生长和水生植物的泛滥。增加水中溶解氧可恢复并增强水体中好氧微生物的降解污染物能力，加速氮磷的吸收转化效率。林建伟等研究表明，曝气复氧可以有效地控制底泥总磷的释放，实现对藻类生长的限制因子——磷的控制