富營養化景觀水體的處理技術及相關研究進展

聶發輝，劉榮榮，劉占孟

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

富營養化景觀水體的處理技術及相關研究進展

聶發輝，劉榮榮，劉占孟

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

富營養化景觀水體一直以來是國內外水處理的難題。針對這種水體修復效果差、藻類多、溶解氧低、氮磷含量高、透光性小等特點，從物化處理方法和生物處理兩個方面綜述了國內外這種類型水體的處理技術，根據各種方法的特點，分析了其優勢和不足，提出了未來該類水體的主要研究方向，為實踐中該類水體的治理提供參考。

景觀水體；富營養化；物化處理；生物處理

景觀水體在美化城市環境的同時還具有調節氣候、改善環境、防災防旱和維持水體循環的功能，因其特殊的經濟價值深受人們的喜愛而廣泛地應用于噴泉、瀑布、人工湖、城市河道、護城河和景觀池塘等，成為居民休閑和娛樂的重要組成部分。然而景觀水是一種封閉緩慢的水體，具有水域面積小、水量少、水位淺、易污染、自凈能力差等特點，再加上早期技術局限、設計的不合理和水質的管理不善造成氮磷等營養物質輸入景觀水而積累，在各種環境因子的綜合作用下導致水體富營養化的發生［1］。目前，主要采用物化和生物法處理富營養化景觀水，通過污染物的控制和去除達到水質改善的目的。

1 物化處理

物化法運行穩定，處理后的水質受環境影響較小，在處理藻型及過營養化景觀水體時，能在短期時間達到改善水質，恢復水體的欣賞價值，常用的物化處理方法有底泥疏浚法、曝氣充氧法、混凝沉淀法、絮凝氣浮法、滅藻法和吸附法等。

1.1 底泥疏浚

底泥疏浚法可在較短的時間取得明顯效果，有效地提高水體的透明度，降低水中氮、磷的含量。以一定深度底泥疏浚后，沉積物中的營養物、重金屬和持久性有機物等污染物的去除明顯［2］。胡小貞等［3］對滇池草海污染底泥環保疏浚一期工程實施前后水質底質及水生生物的檢測與分析，疏浚后草海水體透明度由0.37 m提高到0.8 m，水中的TN（總氮）和TP（總磷）由疏挖前的8.91 mg·L-1和1.07 mg·L-1降低到疏挖后的8.15 mg·L-1和0.69 mg·L-1。

涂寶華等［4］通過竺山湖底泥疏浚表層50cm的模擬試驗，得到疏浚與對照柱間隙水的NH4+-N濃度分別為2.8～7.3 mg·L-1和2.6～11.8 mg·L-1，沉積物-水界面的NH4+-N通量分別為5.3～15.3 mg·（m2·d）-1和4.5～62.5 mg·（m2·d）-1，底泥疏浚對竺山湖內源氮釋放具有較好的控制作用。

1.2 曝氣充氧

曝氣充氧法是處理富營養化水體最常用的的方法，通過機械設備曝氣或擾動增加水體中氧的濃度，增強水體中微生物的活性，提高氧化有機物的能力［5］。

盧萃云等［6］研究發現曝氣充氧及人工造流技術對污染水體的有一定的修復效果。河道在自然運行條件下對COD（化學需氧量），TP，NH3-N和TN的去除率分別為7.44%，4.88%，5.70%和21.1%，通過曝氣充氧，在最佳氣水比條件下，對COD，TP，NH3-N和TN的去除率分別為26.82%，16.07%，9.51%和23.80%。

孫井梅等［7］在攪拌和曝氣條件，研究擾動對水體富營養化的改善。結果表明：擾動能夠有效促進底泥中氨氮向水體擴散，從而使底泥中氮含量明顯降低，運行99 d后，曝氣反應器中底泥總氮含量從初始3.46 g·kg-1降至0.68 g·kg-1，為對照反應器的1/4，總磷的平均去除率為37%。

Mostefa等［8］針對盧塞恩（瑞士）的富營養化湖泊，在冬天采用空氣曝入空氣，水體的溶解氧保持在8 mg·L-1以上，總磷的濃度低于0.15 mg·L-1；夏天采用純氧曝氣，在湖泊的15～30 m處，溶解氧濃度保持在5 mg·L-1以上，總磷濃度低于0.13 mg·L-1，從而能有效的改善湖泊的水質。

1.3 混凝沉淀法

混凝沉淀法可用于處理懸浮物、膠體物質及藻類的富營養化水體，具有操作簡單、效果好，使用單一處理往往藥劑費用較高，一般作為富營養化水體的預處理。

丁希樓等［9］采用預氧化和混凝沉淀相結合處理富營養化水體，當高錳酸鉀投加量0.6 mg·L-1，氧化時間15 min，PAC投加量30 mg·L-1，沉淀30 min時，在低密度和高密度含藻水中藻類去除率可分別達到95.8%，97.2%，除藻效果良好。

陸洪省等［10］在28℃、搖床（150 r·min-1）、pH值為7～8條件培養產高效絮凝劑的細菌（SKDX-1），研究發現產生的該絮凝劑對水體中葉綠素的去除率高達87.14%，對濁度的去除率為96%。

胡穎慧等［11］用粉煤灰酸活化后過濾得到的濾液對殼聚糖進行改性，制備出一種新型絮凝劑，采用高錳酸鉀預氧化，殼聚糖較少用量（0.6 mg·L-1）可獲得90%的藻去除率；當高錳酸鉀投加量為1 mg·L-1時，改性殼聚糖的投加量大大減少（0.3 mg·L-1），藻去除率同比提高了近30%。

1.4 絮凝氣浮法

絮凝氣浮法利用氣泡的頂托作用，氣泡上升的過程中被顆粒吸附，絮凝體中夾氣泡，使其密度小于水的從而浮在水面，刮除浮渣能有效地去除水體中的氮磷和有機物。由于藻類密度較小，絮凝后絮核輕飄，粘附氣泡性能較好，因而相比混凝沉淀，絮凝氣浮法處理富營養化水體更具優勢［12］。

鄭廣宏等［13］通過正交試驗復配了一種能夠高效去除藻類、濁度和TP的混凝藥劑，在加藥量為20 mg·L-1，表面負荷為2.0 mm·s-1和反應時間為4.5 min的最佳試驗條件下，對藻類，濁度TP，TN和COD的平均去除率分別達93.2%，89.5%，74.9%，33.8%和43.5%。

柳姝等［14］采用新型TCRI-17微氣泡氣浮裝置混凝氣浮處理富營養化的含藻廢水，當混凝劑PAC、PAM投加量為40 mg·L-1和2 mg·L-1時，通過2 min的混凝，2 min的氣浮，SS和COD去除率分別達到98.4%和85.7%。與混凝沉降相比，縮短了處理時間，PAC用量減少至2/3。

汝旋等［15］用低頻交變脈沖電絮凝氣浮法對葉綠素a含量為345.3～517.7 mg·m-3的富營養化水體進行修復，選擇脈沖頻率為0.1 kHz脈沖，電壓為25 V，占空比為70%的工藝參數，經鋁電極電解20 min后對綠素a的去除率即可達到92.36%，對UV254的去除率為40.83%；經處理后，水體的葉綠素a含量降低至33.48 mg·m-3，大大降低了水體中藻類以及有機物的含量。

1.5 滅藻法

滅藻法是通過投加化學藥劑把水體中的藻類殺滅，從而增加水體的溶解氧，改善水質和恢復水體的美觀，常用的殺藻藥劑有二氧化氯、高錳酸鹽、硫酸銅、漂白粉等。

季穎等［16］采用二氧化氯處理富營養化水體，當二氧化氯投加量為2.5 mg·L-1，溫度25℃時，pH=7.17，反應15 min，對惠氏微囊藻和銅綠微囊藻的殺滅率分別為97.23%，96.2%；二氧化氯對藻水進行預氧化處理，當二氧化氯預投量為3 mg·L-1時，出水葉綠素的去除率達到98.5%，藻的殺滅率達到95%，濁度去除率達到89.08%。

李星等［17］以高錳酸鹽、氯化鋁、氯化鈉及酸溶氯化亞銅制取的復合除藻劑除藻效果顯著，對濁度和葉綠素a的去除率最高達到99.1%和97.8%，能有效的把總氮和總磷最低殘余量控制在1.010 mg·L-1和0.021 mg·L-1。

韓鐵軍等［18］采用銅電解組合技術工藝滅藻，在處理第12天，除藻率為68.84%，渾濁度、COD、嗅閾值、氨氮分別下降57.14%，50.00%，48.44%，39.13%，溶解氧增加了66.7%，銅電解組合技術工藝對綜合改善景觀水質有顯著效果。

1.6 吸附法

吸附法是利用吸附劑把水中的污染物和營養物質吸附去除，常用的吸附材料如硅酸鈣、沸石、鋼渣、工業爐渣、樹脂等，具有費用低、吸附效果好等優點。

韓劍宏等［19］采用粒徑大小為100目的硅酸鈣處理富營養化湖水，當投加量為0.1 mg·L-1，pH值為8，震蕩時間為60 min時，對氨氮的去除率達到81.67%，能有效地降低水體中的氨氮濃度。

劉麗娜等［20］采用中鈣粉煤灰處理總磷（TP）為0.73 mg·L-1，可溶性磷酸鹽（DP）為0.40 mg·L-1的重度富營養化水體，對DP的去除率為88.30%。

段金明等［21］利用鋼渣與氫氧化鋁以4∶3質量配比混合，在700℃下進行2 h煅燒，得到改性鋼渣脫氮除磷能力遠遠大于原鋼渣，當pH值為4～8，氨氮（以N計）最大吸附量在10，20，30℃下分別為1.67，2.59，3.24 mg·g-1，磷酸根（以P計）的最大吸附量在10，20，30 ℃下分別為1.02，1.19，1.37 mg·g-1。

1.7 其他物化方法

周小平等［22］對2007—2008年引江濟太調水對太湖的水質影響分析，發現2008年5月與去年同期相比貢湖的高錳酸鹽指數、總磷和總氮質量濃度分別從7.04 ，0.106 ，4.10 mg·L-1下降到3.35，0.087，2.87 mg·L-1。

Wauer等［23］利用硝酸鹽、鐵復合物對德國的Dagow湖和Globsow湖進行底泥原位處理，水體的磷釋放量由處理前4～6 mg·（m2·d）-1降低到幾乎為0。

Lürling等［24］研究絮凝劑聚合氯化鋁（PAC）與改性吸附劑膨潤土組合藥劑對富營養化湖泊水處理效果，結果發現，當PAC投加量為4.4 mg·L-1，改性膨潤土投加量為390 mg·L-1時，對水體中藻類和濁度的去除效果較好，水體中葉綠素a濃度從19.5（±36.5）μg·L-1降低為3.7（±4.5）μg·L-1，TP的濃度從169（±126）μg·L-1降低為14（±15）μg·L-1。

于紅蕾等［25］采用納濾（NF90、NF270）預處理景觀水體，研究納濾的對DIN的去除效果和DON的精確性。結果表明，NF270對DIN的去除效果好，對NH4+－N、NO3-－N和NO2-－N的平均去除率為55.9%、73.1%和72%；同時DON有較強的保留性，能把DIN/TNT控制在47.5%至84.5%之間。

2 生物處理

生物法具有去污效果好，運行費用低、不造成二次污染等優點，是目前富營養化水處理中最為有效的方法［26］。生物法可以靈活運用于富營養化水體，與物化法進行組合能達到很好的處理效果，常用的生物法有生物床、微生物修復、植物浮床、人工濕地等。

2.1 生物床

生物床常用物理化學穩定、機械強度高、比表面積大、截留效果好的基質作為濾池的填充材料，通過掛膜技術使微生物附著在填料上形成生物膜，把水體引入生物濾池，通過濾層的物理吸附、化學結合、微生物降解的綜合作用，去除水中的氮磷等營養物質。

張孝中等［27］用復合生物濾池處理城市高污染水體，當濾池容積負荷為0.3～5 kg COD/（m3·d），水力負荷4.5～5 m3·（m2·d）-1，C/N為5～8時，通風比為9%，濾池對COD，NH4+-N和TN平均去除率分別為80%，83%和63%，達到高效同步硝化反硝化狀態。

李文松等［28］采用折流式活性炭纖維生物膜工藝處理景觀水體，在折流狀態下，溫度為10～28℃，pH為6.8～7.4，HRT（水力停留時間）為3 h情況下，系統對COD，NH3-N，TP和濁度去除率分別達到了82%，67%，45.3%和79.4%。出水COD為14.8 mg·L-1，NH3-N和TP的質量濃度分別為1.02 mg·L-1和0.063 mg·L-1，濁度為7 NTU。

Chen等［29］采用水生植物、沸石、陶粒和卵石組成的生物濾床，當水力負荷為1.2 mg·d-1時，SS（懸浮固體），TN，NH4+-N，NO3-N，NO2-N和TP的去除率均保持在50%以上，水生植物能有效地去除SS，NH4+-N和除磷，COD主要由生物陶瓷去除，礫石床對總氮的去除率為60.6%。

Jing等［30］采用多孔粉煤灰、陶瓷顆粒為基質的生物濾池，引入污水流經濾池運行16 d完成接種，在水力負荷為4.0～5.0 m3·（m2d）-1，C/N比為6-10的最佳條件下，COD、氮分別通過上濾層硝化作用和下濾層的反硝化作用去除，COD，NH4+-N，TND的去除率分別為80%，85%和60%。

2.2 微生物修復

人工培養和篩選出對氮磷、有機物等物質吸收、降解效果好的細菌，如光合細菌、硝化細菌等，利用這些微生物高效的處理能力，達到治理富營養化水體的目的。

繆鑫昕等［31］研究了添加碳源及投加反硝化細菌對低碳氮比景觀水體生物脫氮的影響，結果表明，B.subtilis FS05投加能顯著促進水體的生物脫氮作用，水體在28℃靜置72 h后，對TN、氨氮、硝酸鹽及亞硝酸鹽的去除率分別達到了66.9%，73.4%，66.0%和82.2%。

Yang等［32］利用光合細菌、硝化細菌、復合細菌等細菌處理富營養化水，在pH為8的條件下投加微生物菌群，水中COD、葉綠素a和氨氮的平均去除率分別為60%，90%和50%，溶解氧含量從1 mg·L-1增加到7 mg·L-1。

周慧華等［33］采用自主研發的水體生物基、底泥生物基和微動力渦輪水循環曝氣系統處理富營養化水體。結果發現，水體生物基對水體中COD，NH4+-N和TP的平均去除率分別為82.33%，98.00%和54.73%，在投加5 d內可達到20%以上的底泥減量率；組合系統對水體營養鹽去除和底泥有機質降解效果較好，COD，NH4+-N和TP的去除率分別為52.0%，33.6%和23.4%，同時河道底泥中有機質成分下降了26%。

2.3 植物浮床

植物浮床是利用植物高度發達的根系通過吸附和吸收作用把水體中氮磷等營養物質轉移到植物上，選擇合適的時間進行打撈和收割，最終降低水體中氮磷的含量。

鄭立國等［34］采用浮法控制器、水循環增氧系統和造浪-輸送系統為輔助設備的組合型生態浮床處理景觀水，研究上覆水-沉積物中氮磷形態的遷移轉化。結果表明：實驗期間上覆水中TN，NH4+-N和TP的去除率分別達到61.92%，63.09%和80.0%，DO由原來的8.7～8.9 mg·L-1上升到9.3～10.4 mg·L-1；沉積物中TN和NH4+-N的去除率分別達到23.79%和37.04%，同時TP含量上升了43.71%。

Li等［35］采用空心菜、濾食性貝類和人工半軟裝配介質作為生物膜載體組成生態浮床系統，在太湖岸邊進行圍隔實驗，當交換周期7 d時，浮床對TN，NH4+-N，TP，TOC和葉綠素a的平均去除率為52.7%，33.7%，54.5%，49.2%和89.2%。

叢海兵等［36］采用陸地濕生的耐寒植物-黃菖蒲作為生態浮床植物，對TN，TP的平均去除速率為763.79，86.92 mg·（m2·d）-1，氮、磷的年去除量分別為186 365.78，21 207.64 mg·（m2·a）-1。

Hu等［37］采用爐渣（粘合劑）、膨脹珍珠巖（輕量級劑）和穩定化處理的疏浚淤泥進行固化菖蒲浮床，當污泥、爐渣、膨松珍珠巖混合比為29∶5∶6時，固化產物具有1.55 MPa抗壓強度和0.24 MPa彎曲強度，對TN，TP，NH4+-N和葉綠素a的去除率分別為36.3%，35.7%，44.3%和47.9%。

2.4 人工濕地

人工濕地作為一種新型污水生態處理技術，在國內外取得了較快速的發展。它具有工藝簡單、易于維護、緩沖容量大、抗污染負荷，在實現凈化污水的同時還能美化環境和提高景觀的欣賞價值等優點，在環境污染治理方面已得到廣泛的應用［38-39］。

黃德鋒等［40］采用風車草水平潛流、美人蕉水平潛流、礫石復合垂直流和沸石-頁巖復合垂直流4種類型濕地處理富營養化景觀水，發現各類污染物均有較好的去除效果，對濁度和葉綠素a的去除率分別為80.2%～92.3%和92.2%～98.3%；CODcr，TP，TN去除率分別為56.6%～77.4%，73.0%～95.0%和58.1%～85.3%。

He等［41］采用由礫石、沸石和礦灰組成的三級人工濕地系統處理富營養化水體，運行14周后，相比以砂礫為基質的單級人工濕地，TN、TP的去除率分別提高了21.56%～62.27%，19.37%～65.27%。

余江等［42］采用改良混合式平面流人工濕地系統在水力停留時間為3 d時，系統總體上運行到25 d后逐漸趨于穩定，TP，TN的平均去除率可達到60.0%，80.5%；隨后提高進水中氮磷濃度，保持水力停留時間不變，在21 d運行期內，系統一直保持比較高的抗沖擊和穩定性，TP、TN的平均去除率可達到86.8%，90.1%。

Li等［43］采用垂直潛流、水平潛流和表面流三種人工濕地處理太湖富營養化水體，水力負荷為0.64 m3·（m2·d）-1時，對COD、氨氮、硝酸鹽氮、TN和TP的去除率分別為17%～40%，23%～46%，34%～65%，20%～52%和35%～66%；通過收割表面流人工濕地的植物，對TN和TP去除率為20%和57%，當土地受限制時，采用高水利負荷率的垂直潛流和水平潛流的人工濕地具有很好的脫氮除磷效果，最終出水的總磷濃度分別為0.056 mg·L-1和0.052 mg·L-1。

3 結論與展望

1）采用單一的處理方法如引水稀釋、曝氣充氧、絮凝沉淀、加藥氣浮、吸附處法等治理富營養化水體，效果往往不佳，盡管底泥疏浚法處理效果好，但費用較高限制了其大規模的運用。絮凝法能有效去除水體中懸浮物、藻類、有機物、氨氮，但作為單一處理會造成二次污染，通常作為預處理工藝，協助生物法處理。利用微生物的高效吸收和降解作用，篩選、培養和分離對氮磷降解能力強的微生物，通過植物浮床、人工濕地、基質提供微生物附著，能有效地改善水質。從長遠來看，擁有高效、經濟、環保處理效果的生物處理技術將是今后研究的主體方向，通過聯合物理、化學、物化等技術手段，將常規技術與生物技術的綜合處理法進行優化，從而有效治理富營養化水體。

2）采用化學藥劑處理藻水費用一般較高而且往往會造成二次污染，因而研究制取廣譜、高效的抑藻-殺藻劑是未來的主要研究方向。目前研究的水生植物化感-抑制控藻技術、植物的提取液及微生物的分泌物對抑制、控制藻類已經取得一定的成效，它有效的減少水體水華和惡臭的發生，把藻的生物量控制在較低的水平，為實踐中藻型富營養化水體治理提供參照。

3）人工濕地具有緩沖容量大、工藝簡單、經濟高效、美化環境等優點在我國有一定的運用，同時人工濕地也存在易堵塞、受季節性影響的問題。通過有效的措施解決人工濕地的堵塞問題，采用污染負荷高、吸附效果好、截留效果好、使用周期長的基質，提高人工濕地的處理效率；研究氮磷吸收效果好的抗寒型植物-人工濕地，使濕地在寒冷的環境能也能保持較好的氮磷去除效果；優化人工濕地的布水方式，增加水體的溶解氧，從而加強植物-微生物的協同凈化能力。在此基礎上采用脫氮除磷效率高的復合、多級的新型人工濕地將為人工濕地提供一個廣闊的發展前景。

4）污水處理廠的出水的二級處理技術組合和優化具有廣泛的應用前景。外源物質中氮磷等營養釋放、積累是導致水體發生富營養化的主要原因，從預防的角度我們應該采用適當污水的截留措施，通過加強管理把水體污染源控制住，與此同時采用經濟的污水處理廠的二級處理出水來補充景觀水體，能有效的減少水體的氮磷負荷。

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Treatment Technology of Eutrophication Landscape Waters

Nie Fahui,Liu Rongrong,Liu Zhanmeng
(School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Eutrophic landscape water has been recognized as a treatment problem both at home and abroad.In view of the poor effect of repairing water,more water weed,low dissolving oxygen,high content of nitrogen and phosphorus,small light transmission,this paper discusses in details the features,advantages and disadvantages of different treatment technologies from physicochemical and biochemical perspective.Besides,it points out the rele?vant future research direction and provides reference for treating eutrophication landscape waters.

landscape waters;eutrophication;physicochemical treatment;biochemical treatment

X524

A

1005-0523（2014）02-0072-07

2014-01-13

國家自然科學基金項目（51168031）；江西省自然科學基金項目（20114BAB213020）；江西省科技支撐基金項目（20122BBBBG70081）

聶發輝（1977—），男，副教授，主要研究方向城市面源污染控制。

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