1 簡(jiǎn)介

水資源是人類賴以生存的基本物質(zhì)，隨著人口增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，水的需要量急劇增加，而水資源污染也日益嚴(yán)重。我國自20世紀(jì)80年代以來，由于經(jīng)濟(jì)的急速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的相對(duì)滯后，許多湖泊、水庫已進(jìn)入富營養(yǎng)化，甚至嚴(yán)重富營養(yǎng)化狀態(tài)，如滇池、太湖、西湖、東湖、南湖、玄武湖、渤海灣、萊州灣、九龍江、黃浦江等。2000年對(duì)我國18個(gè)主要湖泊的調(diào)查表明，其中14個(gè)已進(jìn)入富營養(yǎng)化狀態(tài)。

2 水體富營養(yǎng)化的危害 

水華的出現(xiàn)使水味變得腥臭難聞，降低水體的透明度，增加濁度。水面被藻類遮蓋，陽光難以進(jìn)入，嚴(yán)重抑制了深層水體的光合作用，降低溶解氧。死亡藻類不斷沉到底部，加快了底部氧的消耗，使表面以下的水體處于厭氧狀態(tài)，造成好氧生物死亡。除散發(fā)臭味、破壞景觀、破壞水生生態(tài)環(huán)境外，部分藻類還能分泌藻毒素，引起鳥類、牛、羊等動(dòng)物中毒，可能有致突變作用，對(duì)人類也有很大的潛在危險(xiǎn)。富營養(yǎng)化對(duì)水體生態(tài)和人們生活造成很大影響，對(duì)于那些依靠富營養(yǎng)化水體為飲用水源的城市來說，情況尤為嚴(yán)重。水中的藻類會(huì)大大提高化學(xué)需氧量(COD)、生物需氧量(BOD)、懸浮固體(SS)等的濃度，增加水處理負(fù)擔(dān)。藻類在過濾時(shí)會(huì)堵塞濾料，在氯化消毒時(shí)產(chǎn)生三鹵甲烷(THMs)等有毒副產(chǎn)物。藻類代謝物如糖酸等在混凝過程中與混凝劑反應(yīng)，降低處理效果，增加混凝劑用量，而生成的絡(luò)合物又會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)腐蝕。藻毒素不能以常規(guī)方法去除。因此，富營養(yǎng)化水體作飲用水源會(huì)嚴(yán)重影響水廠的工藝運(yùn)行、腐蝕管網(wǎng)、惡化出水水質(zhì)。

3 處理工藝 

3.1 營養(yǎng)物質(zhì)的控制

3.1.1 工農(nóng)業(yè)廢水控制

改進(jìn)施肥方式，減少農(nóng)業(yè)廢水中氮磷的含量，加強(qiáng)水土保護(hù)，是全世界的共識(shí)，也是保護(hù)環(huán)境、防止水體富營養(yǎng)化的最佳方案，我國在這方面也作了持續(xù)的努力。然而，由于種種原因，效果不佳，部分地區(qū)水土流失日益嚴(yán)重。工業(yè)廢水的處理近年來取得相當(dāng)成績(jī)，使水體富營養(yǎng)化得到了有效控制。

3.1.2 洗滌劑禁磷

生活污水中的磷25%來自含磷洗滌劑，許多國家均有禁止或限制使用含磷洗滌劑的政策，我國深圳市、太湖與滇池流域也采取了類似措施。然而，日本在禁磷前后對(duì)琵琶湖的監(jiān)測(cè)表明，由于洗滌劑中的磷酸鹽占水體總磷污染的比例較低，該政策并不能明顯改變水中磷的含量。同時(shí)，洗滌劑中磷酸鹽的替代品沸石會(huì)較大程度地增加污水處理廠污泥的體積，給污泥處理帶來困難。因此，人們對(duì)洗滌劑禁磷的環(huán)境效應(yīng)有著很大的爭(zhēng)論。

3.1.3 城市污水除氮除磷

在城市污水處理中除氮除磷又稱三級(jí)處理，在歐美等發(fā)達(dá)國家運(yùn)用較多。三級(jí)處理有化學(xué)法和生物法2種，化學(xué)法以絮凝劑沉淀溶解性磷，再通過硝化和反硝化工藝處理；生物法利用微生物除氮脫磷，常用的有AO、AAO(A2O)、OAO(AO2)等工藝。為促進(jìn)除磷，也有工藝投加揮發(fā)性有機(jī)酸或糖類物質(zhì)。三級(jí)處理主要是除氮，除磷效果不明顯，而且某些工藝會(huì)造成二次污染[8]。此外，三級(jí)處理工藝復(fù)雜，費(fèi)用較高，我國城市污水集中處理量還很低，難以大規(guī)模地在常規(guī)處理的基礎(chǔ)上再增加三級(jí)處理。因此，生活污水中氮磷的控制在我國大部分地區(qū)尚難實(shí)行。隨著城市化的進(jìn)程和居民生活水平的提高，生活污水中氮磷會(huì)有進(jìn)一步的上升。

3.1.4 分污引水

污水分流、部分排出污染水體中水量、引入清水沖污等措施雖然可以部分減輕污染水體的壓力，但是工程巨大，而且將污染轉(zhuǎn)移到分流區(qū)域，可能造成新的污染區(qū)。玄武湖和西湖的經(jīng)驗(yàn)表明，污水分流和引水沖污難以取得預(yù)期效果，藻類繁殖在短暫受抑制(3個(gè)月)后又恢復(fù)原狀。

3.1.5 底泥挖掘

富含營養(yǎng)物質(zhì)的底泥在一定條件下會(huì)釋放出氮磷，成為水體的內(nèi)源性污染源，因而底泥挖掘一度成為富營養(yǎng)化水體治理的重要措施。然而底泥挖掘工程巨大，挖出的底泥難以進(jìn)一步處理，從經(jīng)濟(jì)上來說，這可能是最昂貴的措施。由于底泥中氮磷的吸收和釋放過程復(fù)雜，目前尚無明確認(rèn)識(shí)，底泥挖掘常常收不到預(yù)期效果。甚至因?yàn)槠茐牧怂w底部生物和水生植物環(huán)境，將深層底泥暴露，使其中所含的氮磷溶解到水體中，而在一段時(shí)期內(nèi)加深水華[3]。玄武湖和西湖的經(jīng)驗(yàn)證明了該法弊病很多，必須慎重考慮。

3.1.6 混凝除磷

投加混凝劑沉淀溶解性磷，使其不能被藻類利用，在美國和澳大利亞運(yùn)用較多，常用的混凝劑有鐵、鋁鹽。該法效果不錯(cuò)，特別是在較深的湖泊，磷酸鹽絡(luò)合物可沉降到湖底同溫層而不再返回表層。但是，在缺氧或氧化還原電位降低的條件下，這些絡(luò)合物不穩(wěn)定，會(huì)釋放出溶解性磷。此外，混凝劑用于大面積水體時(shí)用藥量大，可能與水體中其他物質(zhì)發(fā)生不利反應(yīng)，因此具有一定的潛在危險(xiǎn)。

3.2 抑藻殺藻

3.2.1 深層曝氣

針對(duì)藻類的過度繁殖引起表層以下厭氧狀態(tài)，導(dǎo)致其他生物死亡，人們?cè)噲D用機(jī)械攪拌或曝氣來提高水中的溶解氧量。然而水體中氧的主要來源是水生植物的光合作用，富營養(yǎng)化水體表面并不缺氧，表面下水體因被藻類遮蓋得不到陽光而缺氧，機(jī)械攪拌或曝氣不能改變這一根本原因，收效甚微。

3.2.2 藥物除藻

常用的除藻劑有硫酸銅、氯、二氧化氯等，此外，臭氧和高錳酸鉀作為除藻劑也有研究。這些氧化劑可以較快地殺藻，并進(jìn)一步氧化藻細(xì)胞損傷釋放的代謝物質(zhì)和有毒有害物質(zhì)，效果顯著。但是這些藥劑價(jià)格較貴，而且對(duì)水生生物的影響以及與河水中溶解性離子的反應(yīng)均未得到排除，可能引起二次污染。

3.2.3 生物控制

利用水生生物對(duì)藻類的捕食或競(jìng)爭(zhēng)作用，投加這些抑制性的生物，再定期捕撈。該法投資省，而且利于建立合理的水生生態(tài)循環(huán)，因此，國內(nèi)外從20世紀(jì)70年代起進(jìn)行了廣泛的研究。在分析魚的種群的基礎(chǔ)上，可針對(duì)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)聂~類以濾食藻類及食藻微生物，包括我國常見的梭魚、鰱魚、草魚等。可用的經(jīng)濟(jì)類水生植物有鳳眼蓮、蓮子草、慈姑、茭白、水花生、菱角等。然而，這些生物在減少藻類的同時(shí)，本身也會(huì)排泄相當(dāng)量的營養(yǎng)物，這意味著同時(shí)有較大比例的營養(yǎng)物進(jìn)入礦化循環(huán)而沒有真正被去除。水生生態(tài)十分復(fù)雜，在人為強(qiáng)烈干擾下，將造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，難以控制，不屬于當(dāng)?shù)刈匀环N群的引進(jìn)生物可能留下長(zhǎng)期隱患。因此，采用生物控制時(shí)必須仔細(xì)考慮帶來的不利生態(tài)后果。

3.2.4 機(jī)械捕集

在水華出現(xiàn)時(shí)用船只捕撈藻類，收獲的藻類可以加工成魚食, 在上海等地有使用。該法易于控制，短期效果顯著，但在藻類大量繁殖后再去除，工作量極大，事倍功半。

3.2.5 超聲波除藻

20世紀(jì)90年代日本開始進(jìn)行超聲波抑藻殺藻技術(shù)的研究，目前在千葉湖進(jìn)行較大規(guī)模的試驗(yàn)。我國清華大學(xué)等單位也進(jìn)行了一定研究。初步結(jié)果表明，適當(dāng)頻率和強(qiáng)度的超聲波處理5min就可以嚴(yán)重抑制藻類生長(zhǎng)(減少50%)。高效、迅速、簡(jiǎn)單、無二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn)使得超聲波抑藻殺藻具有很大的吸引力。

超聲波泛指頻率在16kHz以上的聲波，是物質(zhì)介質(zhì)中的一種彈性機(jī)械波，能在水中產(chǎn)生一系列接近于極端的條件,如超過重力加速度幾萬倍的質(zhì)點(diǎn)加速度，空化泡破裂產(chǎn)生的瞬間高溫和高壓(4000K,500大氣壓)、急劇的放電,以及強(qiáng)烈的沖擊波和射流等。由此衍生的二次波、輻射壓、聲捕捉、自由基、氧化劑等也可能較大程度地改變介質(zhì)性質(zhì)。

超聲波可能的抑藻殺藻機(jī)理有：破壞細(xì)胞壁、破壞氣胞、破壞活性酶。高強(qiáng)度的超聲波能破壞生物細(xì)胞壁，使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流出，這一點(diǎn)已在工業(yè)上運(yùn)用。藻類細(xì)胞的特殊構(gòu)造是一個(gè)占細(xì)胞體積50%的氣胞，氣胞控制藻類細(xì)胞的升降運(yùn)動(dòng)。超聲波引起的沖擊波、射流、輻射壓等可能破壞氣胞。在適當(dāng)?shù)念l率下，氣胞甚至能成為空化泡而破裂。同時(shí)，空化產(chǎn)生的高溫高壓和大量自由基，可以破壞藻細(xì)胞內(nèi)活性酶和活性物質(zhì)，從而影響細(xì)胞的生理生化活性。此外，超聲波引發(fā)的化學(xué)效應(yīng)也能分解藻毒素等藻細(xì)胞分泌物和代謝產(chǎn)物。超聲波作用受多種因素影響，其中最重要的是頻率和強(qiáng)度，對(duì)工藝條件的優(yōu)化是下一步研究的重點(diǎn)。

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