飲用水源水中藻類繁殖危害及處理

田 珍，王 娟，孫海麗

（1.山東建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，濟(jì)南 250101；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250031；3.山東匯盛天澤環(huán)境工程有限公司，濟(jì)南 250101）

富營養(yǎng)化的湖泊和水庫中，因藻類的生長而引起的水污染已成為全球性難題。有關(guān)報(bào)道表明，中國很多湖泊中有毒水華的增長已造成飲用水污染問題［1］。近年來，我國飲用水源地的富營養(yǎng)化問題日趨嚴(yán)重，災(zāi)害性水華頻發(fā)，直接威脅到城市供水安全。2007年5月，無錫太湖發(fā)生了藍(lán)藻引發(fā)水污染事件，給當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響；同期，巢湖和滇池也發(fā)生了不同程度的藍(lán)藻污染事件。針對這一嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí)，在全面實(shí)施控源策略、加強(qiáng)自來水廠預(yù)處理工藝的同時(shí)，開發(fā)能夠直接在水源地域內(nèi)消除有害藻類的技術(shù)亦成為關(guān)注熱點(diǎn)。

1 源水藻類繁殖的危害

1.1 對水廠運(yùn)行的不利影響

1.1.1 堵塞濾池

美國的Pakmer教授研究了水中藻類對過濾效果的影響［2］，其規(guī)律為：當(dāng)藻類數(shù)量小于5×105個(gè)/L時(shí)，不會(huì)引起濾池堵塞；當(dāng)藻類小于5×106個(gè)/L時(shí)，濾池稍有堵塞現(xiàn)象；當(dāng)藻類數(shù)量小于2×106個(gè)/L時(shí)，濾池有明顯堵塞現(xiàn)象；當(dāng)藻類數(shù)量大于2×106個(gè)/L時(shí)，濾池會(huì)嚴(yán)重堵塞。

1.1.2 藥耗增加

藻類一般帶負(fù)電，具有較高的穩(wěn)定性，難于混凝。藻類使pH值增加，使投加低分子的鋁鹽混凝劑后難以產(chǎn)生高電荷的水解聚合物，影響藻類、濁質(zhì)有效地脫穩(wěn)，故而加大了混凝劑的投加量。由于含藻量的變化和藻類的不同，混凝劑的投加量會(huì)有很大的差異，投藥量的準(zhǔn)確把握有一定的困難。

1.2 對水質(zhì)的不利影響

1.2.1 藻類致臭

富營養(yǎng)化水體中致臭物質(zhì)主要是由藍(lán)藻綱、綠藻綱、硅藻綱等一些系或種產(chǎn)生的。研究表明，藻類的數(shù)量不同時(shí)，產(chǎn)生臭味種類也不同。通常一個(gè)藻類細(xì)胞產(chǎn)生土臭素的量為 （1～4）×10－8μg/L［3］，但當(dāng)水環(huán)境條件發(fā)生改變，即不適合藻類的健康生長時(shí)，藻類釋放到環(huán)境中的土臭素為健康生長狀況下的2～3倍。

1.2.2 藻類產(chǎn)生藻毒素

據(jù)報(bào)道，世界范圍內(nèi)大約25%～70%［4］的藍(lán)藻可以產(chǎn)生毒素。產(chǎn)生毒素最主要的是銅綠微囊藻、水華魚腥藻和水華束絲藻，其中微囊藻毒素（MC）是一類分布最廣泛且與人類關(guān)系最為密切的七肽單環(huán)肝毒素，是強(qiáng)烈的肝臟腫瘤促進(jìn)劑［5］。微囊藻毒素通常大部分存在于藻細(xì)胞內(nèi)，當(dāng)細(xì)胞破裂或衰老時(shí)毒素釋放進(jìn)入水中，國內(nèi)外已有大量文獻(xiàn)報(bào)道證實(shí)湖泊水庫及飲用水中發(fā)現(xiàn)微囊藻毒素［6］。動(dòng)物飲用含有毒藻的水后引起中毒、死亡的事件在10余個(gè)國家都有報(bào)道，人類飲用或直接接觸藻類污染的水會(huì)引起皮膚反應(yīng)、結(jié)膜炎、鼻炎、嘔吐、腹瀉、腸胃炎等病癥。國內(nèi)外很多地區(qū)的水源水和飲用水中均發(fā)現(xiàn)含有微囊藻毒素，對人體健康形成威脅。流行病學(xué)研究證實(shí)，飲用藍(lán)藻污染的池塘水可引發(fā)肝腫瘤，藻類產(chǎn)生的藻毒素能強(qiáng)烈抑制蛋白磷酸合成酶的活性，導(dǎo)致細(xì)胞骨架破壞，引起肝細(xì)胞出血、壞死，而藻毒素以常規(guī)的方法不能有效去除。

1.2.3 藻類和有機(jī)物是消毒副產(chǎn)物的前體物

研究證明［7］加氯前Ames試驗(yàn)呈陰性的藻類培養(yǎng)物在加氯后呈陽性。氯化后離心上清液的致突變強(qiáng)度高于細(xì)胞培養(yǎng)物的致突變強(qiáng)度。這表明藻類及其可溶性代謝產(chǎn)物是Ames試驗(yàn)氯化致突前提物。在后續(xù)消毒過程中與氯作用生成三鹵甲烷（THM），增加水的致突變活性。

1.3 對管網(wǎng)水質(zhì)的不利影響

穿透濾池進(jìn)入管網(wǎng)的藻類及殘留在水中的生物可同化有機(jī)物（AOC）成為微生物繁殖的基質(zhì)，促進(jìn)細(xì)菌的生長，甚至可能在管網(wǎng)中生成較大的有機(jī)體，如線蟲和海綿動(dòng)物等，這些動(dòng)物很難消除，嚴(yán)重時(shí)可堵塞水表、水龍頭。藻類代謝產(chǎn)物在混凝過程中與混凝劑反應(yīng)，降低處理效果，增加藥劑用量，提高生產(chǎn)成本；生成的絡(luò)合物又會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)腐蝕，細(xì)菌的再繁殖還會(huì)造成管網(wǎng)水質(zhì)惡化，如水的濁度和色度上升、細(xì)菌總數(shù)增加等，并加速了配水系統(tǒng)的腐蝕和結(jié)垢，使管網(wǎng)服務(wù)年限縮短。

綜上所述，湖泊、水庫中藻類的大量存在，對水廠運(yùn)行、管網(wǎng)、水質(zhì)造成了極大影響，使處理后的水很難達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，藻類的去除與日常生活及身體健康密切相關(guān)，已成為當(dāng)今生物學(xué)、工業(yè)水處理、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖、食品加工和醫(yī)學(xué)消毒等領(lǐng)域著力解決的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 藻類污染控制技術(shù)

2.1 控制水體中的氮磷含量

藻類污染與水體富營養(yǎng)化關(guān)系密切，消除藻污染的根本途徑是控制水體富營養(yǎng)化，這也是目前各國普遍認(rèn)同的思路。水體富營養(yǎng)化的防治是目前水污染控制中難度最大的一項(xiàng)工作，迄今為止尚無任何單一的生物學(xué)、化學(xué)和物理措施能夠徹底去除水體中的氮、磷物質(zhì)，常規(guī)的二級(jí)生化處理方法只能去除30%～50%的氮、磷。國內(nèi)外學(xué)者對湖泊氮、磷污染進(jìn)行了大量研究，提出了許多控制湖泊氮、磷污染的措施及對策［8］，包括加強(qiáng)水環(huán)境管理、實(shí)施截污工程和湖內(nèi)污染消減及生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)等。

2.2 藻類的去除技術(shù)

2.2.1 化學(xué)藥劑法

化學(xué)藥劑法除藻［9］既可在水源地進(jìn)行，也可在水處理廠進(jìn)行，是一種工藝簡單、操作方便的有效殺藻方法。目前，常用的殺藻劑主要有CuSO4、高錳酸鹽、液氯、ClO2、O3和H2O2等。

雖然硫酸銅和高錳酸鹽等化學(xué)殺藻劑是當(dāng)前化學(xué)控藻技術(shù)的主體，但在抑藻的同時(shí)也造成了二次污染，對其他水生生物也同樣存在毒性，即使在短期內(nèi)沒有不良反應(yīng)，也可能因在水生生物內(nèi)富集、殘留而存在遠(yuǎn)期危害，此外被殺死的藻類仍存留于水中，并未解決藻類生長的根源（即氮、磷的循環(huán)）問題。因此，常規(guī)化學(xué)殺藻劑在大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用上存在許多局限性。

O3是一種強(qiáng)氧化劑，不會(huì)產(chǎn)生二次污染，操作也簡單可行，從技術(shù)上講O3是最佳的殺藻劑，但是因O3生產(chǎn)費(fèi)用較高而在應(yīng)用上受到一定的限制，一般很少單獨(dú)使用，只用于組合工藝中對藻類的預(yù)氧化階段。

裴海燕等［10］對ClO2的殺藻效能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，ClO2可穿透細(xì)胞壁、細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，在不破壞藻細(xì)胞外部結(jié)構(gòu)的情況下將藻細(xì)胞中的葉綠素氧化。

2.2.2 物理化學(xué)方法

2.2.2.1 混凝沉淀

沉淀或澄清構(gòu)筑物的類型很多，其除藻率各不相同。例如用靜沉池處理泰晤士河水時(shí)，平均除藻率為59%［9］，處理衣阿華河水時(shí)除藻率為37%（硫酸鋁混凝）～97%（石灰軟化）；應(yīng)用澄清池處理波蘭河水時(shí)，平均除藻率為85%～86%（無預(yù)氯化）和95%～97%（預(yù)氯化），并且浮游生物量也分別下降了93%～96%和99%。實(shí)際處理效果隨藻密度大小而異，藻密度高時(shí)則除藻率下降，混凝沉淀對磷有一定的去除效果。混凝沉淀法具有投資少、操作和維修方便、效果好等特點(diǎn)，可用于含有大量懸浮物、藻類的水體處理。

2.2.2.2 微濾機(jī)除藻

對于低濁、高藻的湖泊水可以用微濾機(jī)［7］除藻。微濾機(jī)是一種截流細(xì)小懸浮物的篩網(wǎng)過濾裝置，除藻用的微濾機(jī)多用孔眼10～45μm（多數(shù)35μm）的濾網(wǎng)，它對藻類的去除率為50%～70%，對懸浮物的去除率約為97%～100%，但對濁度只能減少5%～20%。

2.2.2.3 氣浮除藻

氣浮法是利用氣浮工藝使藻類上浮而使其去除，適用于密度較輕的藻類。藻懸浮液的穩(wěn)定性［8］，與藻表面所帶電荷、親水效應(yīng)及位阻效應(yīng)有關(guān)。混凝是氣浮的一個(gè)前處理步驟，用來降低藻顆粒的穩(wěn)定性，以便微氣泡與藻顆粒接觸。在高溢流量和低絮凝時(shí)間條件下，氣浮（dissolved air flotation，DAF）工藝處理的出水與傳統(tǒng)工藝相比濁度低、藻細(xì)胞數(shù)量少。當(dāng)原水中藻類數(shù)量比較多或藻細(xì)胞中含有氣體空泡時(shí)，氣浮工藝是更有效的處理方法，而且氣浮產(chǎn)生的污泥固體成分含量高，比混凝沉淀法產(chǎn)生的污泥更容易處理。

2.2.2.4 吸附

活性炭吸附工藝是目前去除水中有機(jī)物的首選工藝［8］。由于原料來源豐富，表面積大，對色、臭、味及其他有機(jī)物有良好的去除率。活性炭在水處理過程中的應(yīng)用日益廣泛。其中粉末活性炭對去除水中藻細(xì)胞分泌物產(chǎn)生的低分子量DOC尤為有效，并能有效地去除水中的微囊藻毒素，在經(jīng)典的慢砂濾池后加上一個(gè)活性炭濾池，可去除引起水臭味的有機(jī)物，如：土臭味素及2－甲基異冰片（MIB），有效地降低出水的臭味。但活性炭對危害較大的鹵代烴的吸附效果不太好，而且活性炭吸附后的再生問題一直難以得到滿意的解決。目前，正在開發(fā)新型吸附材料如活性炭纖維、多孔合成樹脂等。

2.2.3 強(qiáng)化混凝沉淀

加強(qiáng)混凝是提高除藻效果的重要方法，藻類一般帶負(fù)電，經(jīng)混凝后可顯著提高沉淀和過濾的除藻效率。

（1）投加合適的混凝劑，投加助凝劑應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果投放，混凝劑和助凝劑兩者有一個(gè)合適的配比和條件，這樣可以充分地提高沉淀池的沉淀性能，保證大量的活性炭可以沉淀；

（2）要強(qiáng)化排泥，由于按照常規(guī)的排泥方式，大量的活性炭在沉淀池聚集，所以一定要強(qiáng)化排泥。

2.2.4 生物處理除藻

飲用水生物處理除藻技術(shù)1971年始于日本，它是利用附著在載體表面上的生物膜使水中的藻類被吸附、分解氧化，有些藻類還會(huì)被生物膜上原生動(dòng)物和后生動(dòng)物所捕食，而且該法對藻毒素也有很好的去除效果［11］。國內(nèi)外很多成功的經(jīng)驗(yàn)表明［6］，通過種植蘆葦、蒲草等水生植物，建立人工濕地—水生生物系統(tǒng)，通過大型水生植物處理入庫水體，消耗水中營養(yǎng)物質(zhì)，系統(tǒng)水中對TN、TP的去除率分別為20%～60%和30%～45%，對重金屬離子、藻毒素也有較好的吸附作用。通過收割蘆葦、蒲草能夠達(dá)到凈化水體的目的。此外，合理放養(yǎng)鰱魚等魚類對水質(zhì)凈化也有一定作用。根據(jù)生態(tài)平衡原理，在富營養(yǎng)化水體中投放適當(dāng)密度的鰱、鳙魚，通過藻類吸收水體中的氮磷、魚類攝食藻類的食物鏈關(guān)系，捕撈成魚帶出氮磷，從而達(dá)到控制和減少藻類滋生，抑制水體富營養(yǎng)化起到積極作用。

除上述方法之外，還有很多先進(jìn)的技術(shù)在試驗(yàn)階段。如陳雪初、孫陽才、張海春等［12］利用遮光法控藻的中試試驗(yàn)取得了較好的去藻效果，呂錫武、道森悠平、丁國際［13］利用好養(yǎng)反應(yīng)器降解藍(lán)藻及藻毒素的研究實(shí)驗(yàn)對于選擇富營養(yǎng)化水處理工藝有重要的參考價(jià)值。

3 結(jié)語

針對飲用水源水富營養(yǎng)化所帶來的一系列問題，最根本的治理措施是減少湖水中氮、磷含量，控制藻類繁殖。對已經(jīng)富營養(yǎng)化的飲用水源水，則應(yīng)在常規(guī)水處理工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采取物理、化學(xué)、生物學(xué)等各種技術(shù)措施，充分發(fā)揮各技術(shù)手段的特點(diǎn)和優(yōu)勢，進(jìn)行綜合處理，以期達(dá)到最佳去除效果，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、安全的飲用水，保障人類健康。然而，藻類問題的最終解決方法還是要靠保護(hù)水源，防止污染來解決。

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