富营养化景观水体的处理技术及相关研究进展

_________________________________收稿日期：基金项目：作者简介：文章编号：1005-0523（2014）02第31卷第2期2014年4月Vol.31No.2Apr.，2014华东交通大学学报JournalofEastChinaJiaotongUniversity富营养化景观水体的处理技术及相关研究进展聂发辉，刘荣荣，刘占孟（华东交通大学土木建筑学院，江西南昌330013）摘要：富营养化景观水体一直以来是国内外水处理的难题。针对这种水体修复效果差、藻类多、溶解氧低、氮磷含量高、透光性小等特点，从物化处理方法和生物处理两个方面综述了国内外这种类型水体的处理技术，根据各种方法的特点，分析了其优势和不足，提出了未来该类水体的主要研究方向，为实践中该类水体的治理提供参考。关键词：景观水体；富营养化；物化处理；生物处理中图分类号：X524文献标志码：A景观水体在美化城市环境的同时还具有调节气候、改善环境、防灾防旱和维持水体循环的功能，因其特殊的经济价值深受人们的喜爱而广泛地应用于喷泉、瀑布、人工湖、城市河道、护城河和景观池塘等，成为居民休闲和娱乐的重要组成部分。然而景观水是一种封闭缓慢的水体，具有水域面积小、水量少、水位浅、易污染、自净能力差等特点，再加上早期技术局限、设计的不合理和水质的管理不善造成氮磷等营养物质输入景观水而积累，在各种环境因子的综合作用下导致水体富营养化的发生［1］。目前，主要采用物化和生物法处理富营养化景观水，通过污染物的控制和去除达到水质改善的目的。1物化处理物化法运行稳定，处理后的水质受环境影响较小，在处理藻型及过营养化景观水体时，能在短期时间达到改善水质，恢复水体的欣赏价值，常用的物化处理方法有底泥疏浚法、曝气充氧法、混凝沉淀法、絮凝气浮法、灭藻法和吸附法等。1.1底泥疏浚底泥疏浚法可在较短的时间取得明显效果，有效地提高水体的透明度，降低水中氮、磷的含量。以一定深度底泥疏浚后，沉积物中的营养物、重金属和持久性有机物等污染物的去除明显［2］。胡小贞等［3］对滇池草海污染底泥环保疏浚一期工程实施前后水质底质及水生生物的检测与分析，疏浚后草海水体透明度由0.37m提高到0.8m，水中的TN（总氮）和TP（总磷）由疏挖前的8.91mg·L-1和1.07mg·L-1降低到疏挖后的8.15mg·L-1和0.69mg·L-1。涂宝华等［4］通过竺山湖底泥疏浚表层50cm的模拟试验，得到疏浚与对照柱间隙水的NH4+-N浓度分别为2.8~7.3mg·L-1和2.6~11.8mg·L-1，沉积物-水界面的NH4+-N通量分别为5.3~15.3mg·（m2·d）-1和4.5~62.5mg·（m2·d）-1，底泥疏浚对竺山湖内源氮释放具有较好的控制作用。1.2曝气充氧曝气充氧法是处理富营养化水体最常用的的方法，通过机械设备曝气或扰动增加水体中氧的浓度，增-0072-072014-01-13国家自然科学基金项目（51168031）；江西省自然科学基金项目（20114BAB213020）；江西省科技支撑基金项目（20122BBBBG70081）聂发辉（1977—），男，副教授，主要研究方向城市面源污染控制。第1期聂发辉，等：富营养化景观水体的处理技术及相关研究进展强水体中微生物的活性，提高氧化有机物的能力［5］。卢萃云等［6］研究发现曝气充氧及人工造流技术对污染水体的有一定的修复效果。河道在自然运行条件下对COD（化学需氧量），TP，NH3-N和TN的去除率分别为7.44%，4.88%，5.70%和21.1%，通过曝气充氧，在最佳气水比条件下，对COD，TP，NH3-N和TN的去除率分别为26.82%，16.07%，9.51%和23.80%。孙井梅等［7］在搅拌和曝气条件，研究扰动对水体富营养化的改善。结果表明：扰动能够有效促进底泥中氨氮向水体扩散，从而使底泥中氮含量明显降低，运行99d后，曝气反应器中底泥总氮含量从初始3.46g·kg-1降至0.68g·kg-1，为对照反应器的1/4，总磷的平均去除率为37%。Mostefa等［8］针对卢塞恩（瑞士）的富营养化湖泊，在冬天采用空气曝入空气，水体的溶解氧保持在8mg·L-1以上，总磷的浓度低于0.15mg·L-1；夏天采用纯氧曝气，在湖泊的15~30m处，溶解氧浓度保持在5mg·L-1以上，总磷浓度低于0.13mg·L-1，从而能有效的改善湖泊的水质。1.3混凝沉淀法混凝沉淀法可用于处理悬浮物、胶体物质及藻类的富营养化水体，具有操作简单、效果好，使用单一处理往往药剂费用较高，一般作为富营养化水体的预处理。丁希楼等［9］采用预氧化和混凝沉淀相结合处理富营养化水体，当高锰酸钾投加量0.6mg·L-1，氧化时间15min，PAC投加量30mg·L-1，沉淀30min时，在低密度和高密度含藻水中藻类去除率可分别达到95.8%，97.2%，除藻效果良好。陆洪省等［10］在28℃、摇床（150r·min-1）、pH值为7~8条件培养产高效絮凝剂的细菌（SKDX-1），研究发现产生的该絮凝剂对水体中叶绿素的去除率高达87.14％，对浊度的去除率为96％。胡颖慧等［11］用粉煤灰酸活化后过滤得到的滤液对壳聚糖进行改性，制备出一种新型絮凝剂，采用高锰酸钾预氧化，壳聚糖较少用量（0.6mg·L-1）可获得90%的藻去除率；当高锰酸钾投加量为1mg·L-1时，改性壳聚糖的投加量大大减少（0.3mg·L-1），藻去除率同比提高了近30%。1.4絮凝气浮法絮凝气浮法利用气泡的顶托作用，气泡上升的过程中被颗粒吸附，絮凝体中夹气泡，使其密度小于水的从而浮在水面，刮除浮渣能有效地去除水体中的氮磷和有机物。由于藻类密度较小，絮凝后絮核轻飘，粘附气泡性能较好，因而相比混凝沉淀，絮凝气浮法处理富营养化水体更具优势［12］。郑广宏等［13］通过正交试验复配了一种能够高效去除藻类、浊度和TP的混凝药剂，在加药量为20mg·L-1，表面负荷为2.0mm·s-1和反应时间为4.5min的最佳试验条件下，对藻类，浊度TP，TN和COD的平均去除率分别达93.2%，89.5%，74.9%，33.8%和43.5%。柳姝等［14］采用新型TCRI-17微气泡气浮装置混凝气浮处理富营养化的含藻废水，当混凝剂PAC、PAM投加量为40mg·L-1和2mg·L-1时，通过2min的混凝，2min的气浮，SS和COD去除率分别达到98.4%和85.7%。与混凝沉降相比，缩短了处理时间，PAC用量减少至2/3。汝旋等［15］用低频交变脉冲电絮凝气浮法对叶绿素a含量为345.3~517.7mg·m-3的富营养化水体进行修复，选择脉冲频率为0.1kHz脉冲，电压为25V，占空比为70%的工艺参数，经铝电极电解20min后对绿素a的去除率即可达到92.36%，对UV254的去除率为40.83%；经处理后，水体的叶绿素a含量降低至33.48mg·m-3，大大降低了水体中藻类以及有机物的含量。1.5灭藻法灭藻法是通过投加化学药剂把水体中的藻类杀灭，从而增加水体的溶解氧，改善水质和恢复水体的美观，常用的杀藻药剂有二氧化氯、高锰酸盐、硫酸铜、漂白粉等。季颖等［16］采用二氧化氯处理富营养化水体，当二氧化氯投加量为2.5mg·L-1，温度25℃时，pH=7.17，反应15min，对惠氏微囊藻和铜绿微囊藻的杀灭率分别为97.23%，96.2%；二氧化氯对藻水进行预氧化处理，732014年华东交通大学学报当二氧化氯预投量为3mg·L-1时，出水叶绿素的去除率达到98.5%，藻的杀灭率达到95%，浊度去除率达到89.08%。李星等［17］以高锰酸盐、氯化铝、氯化钠及酸溶氯化亚铜制取的复合除藻剂除藻效果显著，对浊度和叶绿素a的去除率最高达到99.1%和97.8%，能有效的把总氮和总磷最低残余量控制在1.010mg·L-1和0.021mg·L-1。韩铁军等［18］采用铜电解组合技术工艺灭藻，在处理第12天，除藻率为68.84%，浑浊度、COD、嗅阈值、氨氮分别下降57.14%，50.00%，48.44%，39.13%，溶解氧增加了66.7%，铜电解组合技术工艺对综合改善景观水质有显著效果。1.6吸附法吸附法是利用吸附剂把水中的污染物和营养物质吸附去除，常用的吸附材料如硅酸钙、沸石、钢渣、工业炉渣、树脂等，具有费用低、吸附效果好等优点。韩剑宏等［19］采用粒径大小为100目的硅酸钙处理富营养化湖水，当投加量为0.1mg·L-1，pH值为8，震荡时间为60min时，对氨氮的去除率达到81.67%，能有效地降低水体中的氨氮浓度。刘丽娜等［20］采用中钙粉煤灰处理总磷（TP）为0.73mg·L-1，可溶性磷酸盐（DP）为0.40mg·L-1的重度富营养化水体，对DP的去除率为88.30%。段金明等［21］利用钢渣与氢氧化铝以4∶3质量配比混合，在700℃下进行2h煅烧，得到改性钢渣脱氮除磷能力远远大于原钢渣，当pH值为4~8，氨氮（以N计）最大吸附量在10，20，30℃下分别为1.67，2.59，3.24mg·g-1，磷酸根（以P计）的最大吸附量在10，20，30℃下分别为1.02，1.19，1.37mg·g-1。1.7其他物化方法周小平等［22］对2007—2008年引江济太调水对太湖的水质影响分析，发现2008年5月与去年同期相比贡湖的高锰酸盐指数、总磷和总氮质量浓度分别从7.04，0.106，4.10mg·L-1下降到3.35，0.087，2.87mg·L-1。Wauer等［23］利用硝酸盐、铁复合物对德国的Dagow湖和Globsow湖进行底泥原位处理，水体的磷释放量由处理前4~6mg·（m2·d）-1降低到几乎为0。Lürling等［24］研究絮凝剂聚合氯化铝（PAC）与改性吸附剂膨润土组合药剂对富营养化湖泊水处理效果，结果发现，当PAC投加量为4.4mg·L-1，改性膨润土投加量为390mg·L-1时，对水体中藻类和浊度的去除效果较好，水体中叶绿素a浓度从19.5（±36.5）μg·L-1降低为3.7（±4.5）μg·L-1，TP的浓度从169（±126）μg·L-1降低为14（±15）μg·L-1。于红蕾等［25］采用纳滤（NF90、NF270）预处理景观水体，研究纳滤的对DIN的去除效果和DON的精确性。结果表明，NF270对DIN的去除效果好，对NH4+－N、NO3-－N和NO2-－N的平均去除率为55.9%、73.1%和72%；同时DON有较强的保留性，能把DIN/TNT控制在47.5%至84.5%之间。2生物处理生物法具有去污效果好，运行费用低、不造成二次污染等优点，是目前富营养化水处理中最为有效的方法［26］。生物法可以灵活运用于富营养化水体，与物化法进行组合能达到很好的处理效果，常用的生物法有生物床、微生物修复、植物浮床、人工湿地等。2.1生物床生物床常用物理化学稳定、机械强度高、比表面积大、截留效果好的基质作为滤池的填充材料，通过挂膜技术使微生物附着在填料上形成生物膜，把水体引入生物滤池，通过滤层的物理吸附、化学结合、微生物降解的综合作用，去除水中的氮磷等营养物质。张孝中等［27］用复合生物滤池处理城市高污染水体，当滤池容积负荷为0.3~5kgCOD/（m3·d），水力负荷4.5~5m3·（m2·d）-1，C/N为5~8时，通风比为9%，滤池对COD，NH4+-N和TN平均去除率分别为80%，83%和63%，达到高效同步硝化反硝化状态。74第1期聂发辉，等：富营养化景观水体的处理技术及相关研究进展李文松等［28］采用折流式活性炭纤维生物膜工艺处理景观水体，在折流状态下，温度为10~28℃，pH为6.8~7.4，HRT（水力停留时间）为3h情况下，系统对COD，NH3-N，TP和浊度去除率分别达到了82%，67%，45.3%和79.4%。出水COD为14.8mg·L-1，NH3-N和TP的质量浓度分别为1.02mg·L-1和0.063mg·L-1，浊度为7NTU。Chen等［29］采用水生植物、沸石、陶粒和卵石