富营养化水体处理技术

富营养化水体处理技术

摘要：随着社会的发展和人口的增加，水污染逐年严重，近年来国一些湖泊陆续出现了富

营养化现象。针对这一问题，研究者提出和研究出若干种治理方法与技术。湖泊富营养化

治理应该遵循的方法是控源、生态修复以及流域管理；在此基础上，再采用合适的方法进

行除藻，这样才能有效的解决湖泊的富营养化问题。

关键词：富营养化水体，控源，除藻

1 我国湖泊水体现状

但是随着社会经济的发展和人口的增加，水污染逐渐严重，许多湖泊相继出现富营养化现象，这已经严重影响到了社会的发展以及部分城市的饮水问题。根据2013年中国环境状况公报所显示：湖泊水质为优良、轻度污染、中度污染和重度污染的国控重点湖泊（水库）比例分别为60.7%、26.2%、1.6%和11.5%。主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。富营养、中营养和贫营养的湖泊（水库）比例分别为27.8%、57.4%和14.8%[1]。

图1 2013年重点湖库营养状态指数

Fig.1 Trophic state index of key lakes and reservoirs in 2013

2 富营养化水体的治理

富营养化出现的根本原因是水体营养过剩，在生存竞争的演绎过程中引起水体生物群落中种群的多样性减少，草型水体向藻型水体转化。因此湖泊富营养化治理应该遵循的方法是控源、生态修复以及流域管理[2，3]。

控源包括流域上各种外源负荷以及源污染，其中源污染指的是湖泊底泥中污染物质向湖水释放形成的污染。当前，许多湖泊之所以没有能够治理好，主要原因是没有做到控源，只有当控源做好后水质才会有一定的改善。高永霞等人以旅游景区天目湖(沙河水库)为研究对象进行了连续性的状态研究。根据2006年水质调查结果以及沉积物、渔业生产、浮游生物、底栖生物等综合调查结果提出并实施了天目湖的治理方案，即必须采取措施控制农业面源、入湖河流、旅游业等外源性污染以及降低水土流失造成的入湖悬浮物质含量以提高水体透明度，从湖泊外源、源以及湖泊生态系统的物质循环三者之间的关系着手制定天目湖治理方案。2007年水体TN的平均浓度为1. 25 mg/L，较

2006年降低了0.22mg/L；TP平均浓度由2006年的0.06mg/L降至2007年的0. 05 mg/L；藻类生物量平均值由上一年的46.39mg/L降至22.56 mg/L。结果表明这些措施的实施对水体营养盐含量以及浮游生物量的降低已初见成效[4]。

在控源的基础上，可以针对湖泊的情况进行以水生植物恢复为核心的生态修复工作。湖滨带的生态修复可以有效拦截来自陆地的污染物质，而湖泊部各种类型水生植物的恢复可以有效地降低沉积物悬浮和源污染释放。艾青应用凤眼莲对城郊污水鱼塘中的NH4-N、NO3-N、COD、TN去除率分别为70%、88.1%、56%、73.1%[5]。在最适生长条件下，每天凤眼莲能吸收氮3.4kg/hm2，磷0.43kg/hm2[6]。邵林广应用水浮莲对富营养化湖泊进行净化试验，BOD5的去除率在70%以上，总氮去除率60%以上，总磷去除率70%以上[7]。

3 富营养化水体的处理技术

藻型水体是富营养化水体的主要特征，因此藻类的去除是处理富营养化水体的主要任务之一。随着富营养化的发展，水体由硅藻和绿藻为主变为以蓝藻为主。藻类繁殖迅速，生长周期短，将水体中的氮、磷及其它无机盐类在短期被一再的重复利用，一遇适宜环境就暴发性地繁殖，以致出现“水华”现象。死亡的水生生物在微生物作用下分解，消耗氧；或在厌氧条件下分解，产生硫化氢臭气，使水质不断恶化。同时湖泊逐渐变浅，直至成为沼泽。针对这个问题，国外学者针对富营养化水体中藻类处理问题，开发了许多成熟的技术方法。

3.1机械除藻

机械除藻是指通过使用机械工具对水面过厚层的藻类堆积处进行捞藻，这种方法可以达到瞬时局部效果，在大规模除藻行动的开始阶段或除藻前的准备阶段可以使用。但这种简易办法只能作为一种次要的前期辅助手段，谈不上是一种单独除藻方法。水体中能捞取的藻量相对于湖泊中藻类生长的总量来说是可以忽略不计的，并且捞藻的速度远远比不上藻类的生长速度[8]。在水华爆发时，微囊藻可以迅速生长，覆盖水面。因此这种方法浪费大量资金人力却收效甚微。

3.2. 化学除藻

传统上采用硫酸铜和氯化物除藻，或铁盐配合铜盐使用增强除藻剂除藻效率，近年采用醋酸除藻也获得了良好的效果。2005年9月在玄武湖开展了化学除藻剂治理蓝藻水华的实验研究中，除藻剂平均用量为26.87g/m2，治理后实验区藻类总量下降了82.8%；水体各项理化指标得到一定改善，但停止洒药后部分指标回升；浮游动物未出现显著变化。实验结果表明，除藻剂可以在短时间除抑蓝藻，但不能从根本上解决湖泊富营养化问题[9]。除藻剂虽能快速杀死藻类，但无法从根本上减少水中TN、TP含量，所以“水华”在气候适宜时又会重现。化学药品会破坏藻细胞使藻毒素释放到水中，这对人和水中生物健康产生危害。再有，除藻剂会引发水体二次污染，不适宜长时期大规模使用。利用化学物质的强氧化性来杀藻，亦可起到控制水华的作用。

3.3. 微生物控藻

在湖泊生态系统中，鱼类对浮游生物的种类、数量有很重要的影响。中科院曾经在东湖放养鳙、鲢，当生物量为46kg/m2时达到了抑制水华的放养密度，从1985年起东湖的蓝绿藻“水华”未再出现。不过，高密度的鳙、鲢对大型浮游植物有极大的抑制作用。近几年东湖中小型藻类迅速发展，水质愈加恶化。此外，东湖商品鱼存在强烈的腥味和异味感，随着人们生活水平的提高，其经济效益也将进一步削弱[10]。

很多原生动物亦可取食藻类。原生动物具有食量大、抗逆性强、易繁殖等优点。但是，人为主动利用原生动物控藻的成功例子却鲜见。这或许是因为“水华”中藻的种类很多，适宜于原生动物食用藻类(如单细胞藻)数量的降低，就引起其它藻类(如丝状藻)的繁盛。浓度高的丝状藻会导致生物的摄食率偏低，进而生长被抑制[23]。太湖里浮游动物与浮游植物的数量关系也表明，在富营养化

水体中浮游动物对于藻类的控制是很有限的[11]。

3.4. 遮光除藻

光照度是藻类生长的限制因子之一，遮避光源会显著抑制藻类的光合产氧速率，并促使藻类消亡。中试结果显示，遮光9天之后叶绿素a浓度、浊度、COD都显著下降，去除率分别达到80.1%、68.0%、93.8%，证实了遮光法控藻的可行性[12]，但此方法在实际应用中困难较大。

3.5. 超声除藻

超声波应用于环保、水处理中，被称为环境友好技术[13]，具有便于引进自动化操作手段，处理中不引入化学药物，反应过程温和、速度快、无二次污染等优点。超声空化能够杀死水中的微生物，降解有毒有害有机物。将超声技术应用在自然水体，通过超声的辐射可以抑制藻类生长[14]。超声波具有生物效应：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；声致自由基能够影响细胞结构，使生物组分发生物理和化学变化；超声的触变效应能够引起组织结合状态的改变[15]。王波等[16]发现超声辐射能够有效降解藻毒素，20kHz、120W的超声作用5min，藻毒素的去除率就达到60%以上。超声波可杀灭藻类。在破碎藻细胞后，对外溢藻毒素也有良好的降解效果，不会产生生物蓄积效应，也不会引发水体的二次污染，能在短时间恢复水质。因此，在水华爆发时大规模应用超声技术除藻是可行的。现在一些超声除藻设备均采用高功率、高频率的超声，在杀藻的同时也会影响水中生物的。过大的能耗、过高的成本也局限了这种设备的推广。近年来发现低频低功率超声对微囊藻细胞也有显著的生长抑制作用，较之前高频高功率超声除藻技术更有实际应用意义[17]，这种高效节能低成本的超声技术具有广阔的应用前景。低频低功率超声波可以显著抑制藻细胞生长，对环境友好——无藻毒素溢出污染水体，且节能高效易于实现自动化操作，这使得超声除藻技术成为一项实用技术[18]。

3.6. 电化学除藻

电化学除藻无须添加有害化学物质，直接电解水溶液就能获得氧自由基(特别是羟自由基)和活性氯等抑菌成分，对细菌和病毒有较高的灭活率；并且具备成本低廉，对环境友好的优点，在污水处理方面得到快速发展。电化学除藻效率与电极材质、电流强度和搅动频率等因素相关，在恰当条件时除藻率可达到90%以上[19]。电化学技术目前存在的三个主要问题：电流效率较低、阴极结垢以及杀菌剂浓度控制[20]。随着科技的发展必然会出现有效的解决措施，而且目前已有的技术尚需在实际应用中进一步完善。

3.7. 植物抑藻

水生高等植物具有显著的环境生态功能和初级生产功能，是湖泊生态系统结构和功能的重要组成部分，是良性湖泊生态系统的必要组成部分。植物之间存在对环境生长因子(光、肥、水等)的竞争，如水葫芦、满江红、紫萍和西洋菜，对蓝藻、绿藻和衣藻有抑制效应[21]。在水体富营养化初期采用这种方式治理藻污染效果比较明显。但在水体富营养化程度严重，TN、TP含量过高且高等水生植物无法存活时，该法就无法实施。

植物化感作用就是植物通过向环境释放化学物质而对另一种植物(包括微生物)所产生的有害或有益的作用。释放的化学物质被称为化感物质。学者发现多种植物如凤眼莲、石营蒲、大麦杆、苦草等均有抑藻化感作用。把大麦杆投入水体抑制藻类生长是最成功的利用化感作用控藻的实例。在室把浮萍与蓝藻(<103个/mL)混养12天后发现，实验组的蓝藻在干重、产毒量等方面均不如单独培养蓝藻(<103个/mL)的对照组，同时实验组的浮萍也不如单独培养浮萍的对照组生长状况良好[22]。目前人们对于化感控藻的机理不甚明确，化感物质的提纯、分离、鉴定工作还未取得突破性进展，这些客观因素妨碍了植物化感除藻技术的大规模应用。

3.8. 黏土除藻

黏土是由许多种矿物质及杂质所组成，来源充足，具有天然无毒、使用方便、耗资少等特点，被许多国家所采用。学者发现，当黏土颗粒直径与藻细胞直径大小相近时，沉降水华效果最好；并且黏土除藻技术适用于离子浓度较高的水体中，因此黏土使用在海水中除藻效果明显，但在淡水湖泊中收效不佳[23]。另外，该技术的定位是一种应急处理措施，并不能防止浅水湖泊藻类的泛起、底泥的二次污染和来年水华的复发，因而仍然难以在淡水湖泊中广泛使用。

3.9. 人工湿地

人工湿地是一种利用基质、微生物及动植物群落的物理、化学及生物的相互作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、微生物分解、植物吸收等过程实现对污水中有机物、氮、磷等去除的复杂生态系统；主要由微生物、植物和基质构成。采用砂砾、沸石、粉煤灰构建的人工湿地能去除19.37%～65.27%的TP和21.56%～62.94%的TN[24]。人工湿地除藻的局限性在于：该方法不能很好解决出水氮、磷偏高的问题，而且它受季节等外界条件影响较大，其除藻效率还有待研究。

4 结论

目前，湖泊富营养化问题日益严重，所以针对该问题的研究成为了热点。根据国外的相关研究成果可以发现，虽然许多技术对藻类在试验中有明显的去除效果，但在实际中存在一些问题，例如处理技术无法在大围的湖泊中使用，处理工艺只能暂时性的解决藻类问题，不能从根本上解决富营养化问题，水体还会出现恶化现象——水华爆发等。

因此，针对水体的富营养化问题，只有先从根本上来控制源头，控制排入到湖泊中的氮、磷及无机盐类含量，再加上合适的处理技术，才是解决这种问题的关键所在。

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