水厂除藻技术的研究进展

  随着工农业的迅速发展,大量污染物被排放到水体中,造成水资源的严重污染。2016年5月20日,国家环保部公布的2015年《中国环境公报》中指出,我国地表水污染状况依然严峻:七大流域、浙闽片河流、西北诸河、西南诸河及太湖、滇池和巢湖等水体仍存在不同程度的污染问题。蓝藻水华是最为常见的淡水水华中的一种,也是危害最为严重的一种。近二十年来,世界范围内越来越多的湖泊与河流都面临着蓝藻水华的问题(如图1所示),其爆发生长的原因可归为以下几点:

  (1)当磷盐浓度低于0.2 mg/L时,磷浓度的增加可促进蓝藻水华优势藻-微囊藻的生长,使水体中的蓝藻成为优势藻种;

  (2)大多数蓝藻细胞的最佳生长温度都高于绿藻和硅藻,据报道蓝藻细胞在高于25 ˚C的温度条件下生长速率最快;

  (3)蓝藻细胞具有能利用橙、黄和绿波段光的藻胆蛋白,使蓝藻细胞具有比其它藻类更宽的光吸收波段;

  (4)许多蓝藻细胞中具有能使其悬浮在水体中并垂直迁移的气囊,这也有利于蓝藻细胞与其它藻类竞争光照和营养盐;

  (5)蓝藻可以通过二分裂形成细胞数目很多的群体胶鞘,使浮游动物难以摄食,从而具有更强的生长竞争优势;

  (a)中国太湖(微囊藻属);(b)美国加拿大伊利湖(微囊藻属);(c)瓜地马拉阿特兰湖(林氏藻属);(d)芬兰波罗的海海湾(节球藻属,鱼腥藻属,微囊藻属);(e)中国滇池(束丝藻属);(f)美国北卡罗来纳州Neuse河河口(微囊藻属)

  上海青草沙水库是具有代表性的大型人工水库,对保障上海供水水量和水质具有重要作用。根据《青草沙水库水质变化及藻类演替规律初步研究(2009年5月~2010年6月)》和《青草沙水库水质监测报告(2010年12月~2011年2月)》,青草沙水库在施工和运行期间水体中氮磷含量均达到富营养化水平,水库已具备藻类爆发所需的营养条件。

  蓝藻可以在生长过程中利用水体中的氮磷等营养物质以及其它微量元素合成细胞内有机物质。其中一部分有机物质,会因藻细胞代谢或受损而被释放到水体中,如臭味物质、藻毒素等,这些有机物质不但会影响水的感官性状而且对饮用水的水质安全也存在不利影响;另外藻细胞在光合作用过程中会生成大量的OH-,导致水体pH的显著升高。

  由于藻细胞带负电,具有很高的稳定性,难以混凝,同时藻类代谢物会在混凝过程中与混凝剂的水解产物反应生成络合物并附着在絮体颗粒表面,阻碍颗粒间的有效碰撞和聚集,这就需要增加混凝剂的投量,来补偿这些络合物对颗粒脱稳和絮凝造成的影响。同时,蓝藻水华时水体pH值偏高,使可选择的混凝剂种类减少,降低铝盐和铁盐等混凝剂的水解产物所带电荷,不利于藻细胞和絮体颗粒脱稳,严重影响混凝效果。此外,由于藻细胞密度小、形成的絮体结构松散、强度低、沉降性差,导致出水中仍可能有大量的藻细胞,增加水处理难度。尤其是细胞中含有气囊的藻类,如铜绿微囊藻,不但拥有更小的藻细胞密度,而且细胞在水体中所受的浮力更大,更不易沉降。另有研究报道,藻类光合作用中产生的氧气会在絮体中形成气泡,进一步降低沉降速率。

  由于常规的混凝沉淀过程不能有效地将水体中的藻类去除,导致出水中未去除的藻类进入后续滤池中,这些藻类会粘附在滤料的表面,使滤料结块、堵塞甚至穿透滤池,恶化水质,大大缩短滤池的运行周期,增加反冲洗频率、强度及水量,而且被藻类粘附的滤料也不易被冲洗干净,增大生产成本,导致实际产水量下降。有研究报道,当水体中微小蓝藻细胞占所有藻类的比例从10%~50%增加到85%~100%时,会导致更多的藻细胞穿透滤池进入到管网中,这一结果说明相比其它藻种,微小的蓝藻细胞如微囊藻对水处理工艺的影响会更为严重。

  水体中的藻类可在钢筋混凝土构筑物的表面附着生长,通过物理、化学及生物作用加速混凝土的腐蚀从而破坏管道,使构筑物的表面老化粗糙。有研究报道,这种腐蚀作用是由于有机酸的产生或者电化学电池的形成引起的。被腐蚀后的构筑物更容易被藻类附着生长,增加构筑物表面的清洗难度及所需消毒剂的量,导致生产成本的增加。

  在高藻水中,水体中的藻类及代谢物,包括碳水化合物、蛋白类化合物和氨基酸等,是主要的DBPs前驱体,具有较高的DBPs生成势,会造成消毒工艺过程中DBPs的形成。另外,AOM(藻类有机物)中富含有机氮,在氯化过程中可产生比NOM(天然有机物,如腐殖酸)更高量的N-DBPs,其相比C-DBPs具有更高的毒性和致癌性,严重威胁饮用水安全。

  常规的混凝-沉淀工艺去除藻细胞的效率并不理想,强化混凝是一种在水处理常规混凝过程中采取一定的技术措施提高除藻效果的化学方法,按其作用机理,可主要分为混凝剂强化法和预氧化法。强化混凝除藻不改变水厂原有的工艺流程,并且不需要增加构筑物和大型设备。另外,由于藻类密度较小,一般接近于水的密度,其形成的絮体一般不易沉淀,传统的混凝沉淀法很难达到较好的藻去除效果,因此,近年来气浮除藻的方法受到了广泛的关注。超声除藻由于技术简便可靠,且效果显著,正成为一种新的发展方向。电化学法除藻兼顾了混凝剂投加和絮体的去除,不仅可以有效去除藻类,对水中其它杂质也有一定的去除能力。此外,高级氧化法除藻也因为优秀的除藻能力且反应条件要求低而受到国内外学者的关注。1/3

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