氫氧化鎂對水質、底質改良的研究與應用

黃永強，游小艇，楊 銘

(福建省福州市海洋與漁業技術中心， 福建 福州 350026)

氫氧化鎂對水質、底質改良的研究與應用

黃永強，游小艇，楊 銘

(福建省福州市海洋與漁業技術中心， 福建 福州 350026)

近年，沿海各地區水產養殖業發展迅速。由于內灣海區海水循環交換能力較弱，黑臭底泥的長期堆積，導致養殖水體水質和底質進一步惡化，然而這種問題普遍存在于封閉式或半封閉式水域環境中。對此，氫氧化鎂作為水質、底質改良劑被應用于水環境的治理。本文概述了氫氧化鎂的作用機理，包括氫氧化鎂與懸浮顆粒物的靜電、對氮磷的降解及對硫化氫的降解等作用；同時介紹了氫氧化鎂在海水養殖場、淡水湖泊和水庫、水華防控、赤潮防控及廢水處理中的研究與應用；展望了氫氧化鎂和納米級氫氧化鎂在水體環境領域的應用前景。

氫氧化鎂；水質、底質改良劑；水體環境；水華；赤潮；廢水

純氫氧化鎂，化學式為Mg(OH)2，為無色六方晶系或白色粉末，晶粒尺寸小，比表面積大，顆粒之間凝聚性強。氫氧化鎂產品主要有料漿狀、濾餅狀和粉末狀三種類型[1]。目前，氫氧化鎂的制備方法主要有煅燒菱鎂礦法、煅燒白云石法、海鹵水石灰法、海鹵水氨法、海鹵水氫氧化鈉法、氯化鎂熱解法等。近年來，由于礦產資源受限，以及人們對資源環保意識的加強，國內外開展以濃海水、海水制鹽鹵水等為原料進行氫氧化鎂的制備研究工作[2]，并將其作為環境改良劑用于改善水體環境。

氫氧化鎂是一種弱堿，與較強堿性物料(如石灰、燒堿、純堿等)相比，具有緩沖性能好、活性大、吸附能力強、不具腐蝕性、安全可靠、無毒無害等優點。氫氧化鎂在國外被廣泛用于環保領域，可作為工業含酸廢水的中和劑、工礦企業排放物中重金屬的脫除劑、印染廢水脫色劑、排煙脫硫劑、土地酸雨處理調節劑和水質、底質改良劑。

近年來，沿海各地區水產養殖業發展迅速，而且內灣海區海水循環交換能力較弱，加上排入水環境的生活廢水、殘餌、排泄物的蓄積作用，導致封閉式或半封閉式養殖水域如內陸海、海灣、湖泊、河流、水庫的水質受到重大影響。封閉式或半封閉養殖水域，因黑臭底泥的長期堆積引起的缺氧、氮磷比例失調、有機物蓄積、水質酸性化、硫化氫和其他含硫化合物的大量產生，導致養殖水體水質、底質惡化，這種現象在水體環境特別是封閉式水域環境中普遍存在。對此，氫氧化鎂作為水質、底質改良劑應用于水環境的治理。國外已進行了多年的探討研究，不論在海水、淡水養殖水體，還是水華防控、赤潮防控和廢水處理方面都有眾多效果顯著的應用研究實例，現作簡要介紹。

1 氫氧化鎂的作用機理

1.1 氫氧化鎂與懸浮顆粒物的靜電作用[3]

封閉式或半封閉式水域，因氮、磷等營養鹽的大量富集，藻類等水生生物大量繁殖，水體中有機物的蓄積造成了水體的水質、底質的惡化，容易發生水華或赤潮現象。通過對惡化的水體播撒氫氧化鎂制劑，可活化好氧性細菌，促進底泥的分解，從而使水體pH值得到改善并達到弱堿性(pH8.5～9.0)。同時，水體中帶負電荷的懸浮顆粒物或浮游藻類(Z電位)與帶正電荷的氫氧化鎂顆粒，通過靜電力作用實現附著形成絮凝體而沉降下來(圖1)。

1.2 氫氧化鎂對氮磷的降解作用[4]

一般水體中pH值若在7以上，MAP的溶解度急速降低，形成鳥糞石結晶體沉淀下來。氫氧化鎂制劑可對水體環境中氨氮和磷酸磷起到降解消除作用。

1.3 氫氧化鎂對硫化氫的降解作用

硫酸鹽還原菌，英文簡稱SRB，是一種以有機物為養料的厭氧性細菌，廣泛存在于土壤、海水、河水、地下管道中[5]。SRB是水體中產生硫化氫(H2S)的主要來源。SRB通常只有在弱酸性環境中才能產生，當水體中pH大于8.5時，SRB便不能存活。投加的氫氧化鎂制劑可使水體保持弱堿性(pH8.5～9.0)，并且水體弱堿性可保持較長時間，從而抑制SRB的滋生，抑制硫化氫的產生[6]。同時，氫氧化鎂可與硫化氫起中和反應，其化學反應式如下[7]：

Mg(OH)2+XH2S→Mg(OH)2·(H2S)X→Mg(H2S)2+2O2→MgSO4

在水體中播撒氫氧化鎂制劑，硫化氫可被氧化生成硫酸鎂(MgSO4)，生成的硫酸鎂可溶于水體中，達到降解消除硫化氫的目的。

2 氫氧化鎂作為水質、底質改良劑的應用

對酸性化水質的水域播撒粉末狀的氫氧化鎂制劑作為水質、底質改良劑，可活化好氧性細菌，促進對底泥的分解作用，抑制硫酸鹽還原菌的增殖，抑制硫化氫、硫化物等有害物質，減弱養殖水域水質酸化的傾向，改善養殖水域的水體環境[8]，對水華、赤潮的防治具有一定的效果[9-10]，對廢水處理領域也具有良好的效果[11]。基于這一特性，多年來被稱為“綠色安全中和劑”的氫氧化鎂在水質、底質的改良方面獲得了廣泛的應用。

2.1 海水養殖場中的應用[12]

位于日本山口縣吉敷郡的日本對蝦海水養殖場，從1995年6月至1995年11月期間，通過5次播撒100和200 g/m2濃度的氫氧化鎂底質改良劑，使底泥中pH值維持在8.0與9.0之間，底泥中的硫化物總量控制在0.1 mg/g以下，表明氫氧化鎂對養殖水體的水質具有明顯的改善效果。

位于日本熊本縣天草郡鰤魚、河豚等海水魚養殖場中，從1995年6月至1998年12月期間，對6×104m2的鰤魚、河豚魚養殖海域，按350g/m2播撒氫氧化鎂水質改良劑，結果播撒氫氧化鎂制劑后的水體pH值保持在8.0左右，底質硫化物總量從試驗開始的1.0 mg/g降低至0.4 mg/g，表明氫氧化鎂能明顯減少養殖水體的硫化物總量。

從1998年3月到1998年9月期間，在日本三重縣志摩郡英虞灣的8.3×104m2珍珠蚌灣養殖場，其中珍珠蚌養殖于灣口海域，以灣口水域為試驗組(添加氫氧化鎂水質改良劑)，灣內的水域為試驗對照組(未添加氫氧化鎂水質改良劑)，在水溫上升期每年播撒一次400 g/m2的氫氧化鎂水質改良劑。結果硫化物總量從3.0 mg/g降低至1.0 mg/g以下；試驗組中硫酸鹽還原細菌的數量比對照組降低約90%。實踐證明，氫氧化鎂水質改良劑對海水養殖場中水質和底質均具有良好的改善效果。

日本熊本縣的海水網箱養殖場，主要養殖真鯛、河豚、大菱鲆、金槍魚、鰤魚等海水魚品種。每年春季(4—6月)和秋季(9—11月)，一年兩次在海水網箱內及四周按400～500 g/m2濃度，播撒日本宇部材料株式會社生產的“清水”牌氫氧化鎂制劑，養殖海域底質中的硫化物總量從最初的1.15 mg/g降低至0.45 mg/g，氫氧化鎂制劑對海水養殖場的水質和底質的改善作用明顯。

2.2 淡水湖泊和水庫中的應用[12]

日本國立環境研究所從琦玉縣行幸湖中采取水華的樣本，開展水華的沉降和分解試驗。結果顯示，氫氧化鎂水質改良劑的添加量為0.6 mg/μg·L-1(湖水中葉綠素a濃度)的情況下，氫氧化鎂水質改良劑對水華的沉降率達到90%，對湖水中葉綠素a(Chl-a)的降解率達到96%。氫氧化鎂水質改良劑對湖泊中的水華和底泥中葉綠素a具有明顯的降解作用。

位于日本千葉縣的山倉水庫，通過對水位低下的12×104m2水庫按100 g/m2的濃度播撒氫氧化鎂水質改良劑，使用結果顯示，水庫中氨氣的降解率為8.7%，硫化氫的降解率為94.5%，甲硫醇(CH3SH)的降解率為87.1%，二甲基硫醚[(CH3)2S]的降解率為91.0%，二硫化二甲基[(CH3)2S2]的降解率達到100%，氫氧化鎂水質改良劑對水庫水域中硫化物的降解效果明顯。

2.3 水華預防和控制

水華指在淡水湖泊水體中，由于大量生活污水、工業廢水排放及農業非點源污染，造成氮、磷等營養鹽富集，使水體富營養化，進而導致藍藻、綠藻、硅藻等藻類暴發性繁殖，產生有毒、致癌的藻毒素，并大量消耗水體中的溶解氧，使水體產生惡臭的一種生態異常現象。水華現象已成為一種世界性的公害，國內的太湖、滇池、巢湖、洪澤湖流域中都發生過水華現象，其對飲用水源、水體生態環境和漁業生產巨大的影響。

近年來，國外利用氫氧化鎂水質改良劑，廣泛開展淡水湖泊中水華防治的應用研究。通過室內環境模擬湖泊水體環境，以導致水華形成的代表藻類藍藻類的一種——銅綠微囊藻(M.aeruginosa)的渾濁液為試驗對象，添加鎂離子的濃度分別為3 mg-Mg/L和63 mg-Mg/L的氫氧化鎂水質改良劑，試驗結果顯示磷酸鹽(PO4-P)的總除去量達到0.25 mg-P/L，PO4-P的除去率為90%；氨氮(NH3-N)的總除去量達到0.10 mg-N/L，NH3-N的除去率為17%(圖2)[13]。試驗結果表明氫氧化鎂水質改良劑對銅綠微囊藻水華水體中的氮、磷營養鹽具有一定的降解作用。

分別采集日本琦玉縣幸手市行幸湖水域的水華樣本，通過播撒氫氧化鎂水質改良劑(海水來源的氫氧化鎂成分含量為96.1%，平均粒徑為1.9 μm)，開展氫氧化鎂水質改良劑對微囊藻水華的沉降效果試驗，及氫氧化鎂對水生植物和水生動物生長的影響試驗。結果顯示，氫氧化鎂水質改良劑對6月和9月的微囊藻水華的沉降率都達到90%左右(圖3)。綜合考慮水華的沉降效果、氫氧化鎂對水生植物和水生動物的生長影響等因素，氫氧化鎂作為水華處理劑的適合用量為50～100 g/m2[14]。氫氧化鎂對微囊藻水華的沉降效果明顯，氫氧化鎂可作為水華處理劑應用于水華治理。

Reiko Kanda通過對位于江蘇省無錫市的太湖部分流域，1 000 m2水域按100 g/m2的濃度播撒粉末狀自主研發的氫氧化鎂制劑(海水來源的氫氧化鎂成分含量為96.1%，平均粒徑為1.9 μm)，經過4個月的調查研究，測定試驗前后的水深、水溫、pH值、溶解氧(DO)、電導率、透明度、化學需要量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)、葉綠素a等理化因素，葉綠素a的濃度從使用前的0.385 mg·L-1降低至30 d后的0.033 mg·L-1，TP從0.38 mg·L-1降至0.14 mg·L-1，TN從36.6 mg·L-1降至5.51 mg·L-1，結果證實氫氧化鎂水質改良劑對太湖流域的水華水質具有明顯的改良作用(表1)[14]。

表1 太湖部分水域氫氧化鎂水質改良劑的應用結果

湖泊水體的富營養化和水華的發生是世界范圍內的重大環境問題之一，目前還缺乏有效的防治手段。雖然現有的硫酸銅試劑、超聲波技術、底泥覆砂和生物技術等可直接沉降或殺死引發水華的藻類，或采用直接打撈的方法，但其所花費的人力、物力十分巨大，且難以控制藻類對湖泊水體水質的影響，并造成大量的銅對水質的污染。而氫氧化鎂作為新型的水質改良劑，可降解水華藻類和氮磷營養鹽，改善湖泊水體的透明度[15-16]，可從根本上阻斷水華生長的營養物質來源，達到防治水華的目的。

2.4 赤潮預防和控制

赤潮，又稱為有害藻華，是指在一定的環境條件下，海洋中的浮游微藻(主要為甲藻類)、原生動物或細菌爆發性增殖和聚集，引起水色變化的災害性海洋生態異常現象[17]。赤潮對海洋環境、漁業生產和人類生活具有巨大的災害影響。

近年來，海水中提煉的氫氧化鎂在赤潮防治中受到特別的關注。氫氧化鎂開發成新型赤潮驅除劑可應用于赤潮災害的防治。赤潮海域中的懸浮顆粒物、浮游微藻類可與氫氧化鎂顆粒通過附著而沉降于水體底部，達到防控赤潮的目的。Maeda Hiroto等通過采集赤潮水域的水樣，播撒0.2 g/L的氫氧化鎂進行赤潮驅除劑的開發研究，研究結果表明，氫氧化鎂對赤潮藻類細胞的運動性有阻害作用，對赤潮發生的藻類有凝集沉降效果，對異甲藻(Heterocapsacircularisquama)、多環旋溝藻(Cochlodiniumpolykrikoides)、卡盾藻(Chattonellamarina)、赤潮異灣藻(Heterosigmaakashiwo)的除去率達到80%[18-19]。實踐研究表明，海水中提煉的氫氧化鎂可作為一種高效、低成本的環境友好型的赤潮驅除劑，并應用于赤潮的防控領域。

2.5 廢水中的應用

2.5.1 重金屬的脫除

工業廢水中的重金屬污染是現代社會中面臨的重大水環境污染問題。氫氧化鎂作為一種新型的水質處理劑，其具有緩沖性能好、吸附能力強、無腐蝕性、安全等特點，可吸附脫除工業廢水中重金屬銅、鉛、鉻、鎳及放射性鈾。劉文輝等[20]采用粉狀和乳液氫氧化鎂處理含銅污水，銅的脫出率可達99%以上。鄭榮光等[21]采用乳液氫氧化鎂對含鉛廢水進行處理，鉛的脫除率達到96%以上。姜述芹等[22]采用乳液和粉狀氫氧化鎂處理含鉻廢水，鉻的去除率可達98 %以上。許慶清[23]采用粉末和漿狀氫氧化鎂處理含鎳廢水，鎳的去除率可達到98%以上。羅明標等[24]采用乳液氫氧化鎂處理含鈾廢水，廢水中鈾含量降至0.05 mg /L以下，達到國家環保要求。

2.5.2 酸性廢水的中和

隨著城市化和工業化進程的加快，城市工業廢水是水污染的重要因素之一。氫氧化鎂與傳統的生石灰、熟石灰及燒堿等強堿類物質相比，因其具有活性大、吸附能力強、無腐蝕性、安全、無毒和無害等優點，可沉降吸附重金屬離子、有機物及各類懸浮物的同時，亦可中和酸性廢水達到工業廢水的有效處理。王路明[25]將氫氧化鎂作為酸性廢水中和處理劑，研究表明，處理后的酸性廢水的pH值不超過9，懸浮顆粒物可較快沉降，氫氧化鎂具有很好的中和性能。氫氧化鎂作為酸性廢水處理劑，目前國外已規模化生產與應用，國內氫氧化鎂在水處理方面的應用研究還處于初始階段。

2.5.3 印染廢水的處理

印染廢水是對水環境危害極大的一類工業污水，因其污染成分復雜、排放量大等問題給治理帶來了極大困難。近年來國內外開展了氫氧化鎂對印染廢水處理的研究，其原理是利用帶正電荷的氫氧化鎂吸附帶負電荷的陰離子染料，染料廢水沉降吸附脫色達到消除的目的。嵇康等[26]采用氫氧化鎂對印染廢水的脫色處理研究，結果表明，在pH大于11的條件下，脫色率可達98%以上，氫氧化鎂具有良好的脫色效果。王路明[27]采用氫氧化鎂處理各種印染廢水，結果以氫氧化鎂作為印染廢水處理劑，色度去除率在95%以上，COD去除率在80%以上，氫氧化鎂具有良好的脫色及除去懸浮物和COD效果。

2.5.4 廢水中氮磷的消除

近年來，工業廢水和生活廢水中氮磷的過量排放已經成為水環境的主要污染源之一。氫氧化鎂可與廢水中的氮磷發生化學反應，生成難溶的磷酸銨鎂(俗稱鳥糞石)沉淀，實現廢水中氮磷的沉降清除。Wu等[28]利用氫氧化鎂處理含磷污水，結果表明氫氧化鎂對污水中磷酸鹽的沉降吸附效果顯著。王玉琪等[29]開展氫氧化鎂去除廢水中氨氮的實驗研究，結果顯示，氨氮的去除率達90.71%，氫氧化鎂去除氨氮的效果良好。

目前，國外已開發出氫氧化鎂水質改良劑的商業產品，如日本山口縣“宇部材料株式會社”從海水中提取開發的水質改良劑“氫氧化鎂制劑”和“清水”牌水質、底質改良劑、日本東京“濟美環境化學株式會社”從海水中提煉開發的水華和赤潮驅除劑—“海洋礦物質”等產品。使用“氫氧化鎂制劑”水質改良劑后，日本長野縣松本市國寶松本城內水域和日本群馬縣城沼水域的的水華現象得到了明顯的改善；日本琦玉縣川口市安行水域內，采用“海洋礦物質”氫氧化鎂產品后，水域內的水華現象得到了明顯的抑制；日本熊本縣的海水網箱養殖場，1年播撒兩次的“清水”牌氫氧化鎂制劑，養殖海域內的水質和底質得到明顯的改善；國內使用進口的“海洋礦物質”氫氧化鎂產品，太湖部分流域和北京國際會議中心庭園內的水華現象得到了明顯的改善。國內外的研究和應用表明，氫氧化鎂對養殖水域的水質和底質環境、淡水湖泊和水庫的水質具有明顯的改善作用，對水華和赤潮具有一定的防治效果，對廢水的處理效果顯著。

3 前景展望

近年來，沿海各地海、淡水養殖業發展迅速，養殖模式不斷更新，養殖規模不斷擴大，隨之而來的養殖水域的水體富營養化等水環境問題日益凸顯。內陸湖泊如太湖、滇池等地的水華災害，近海海域如長江口海域的異甲藻赤潮、福建興化灣和東海海域發生的多環旋溝藻赤潮等災害嚴重影響我國水體環境和漁業生產。對此，氫氧化鎂作為水質改良劑，對水體環境的硫化物總量、總氮、總磷、有毒藻類、水中懸浮物、底部淤泥、有害細菌具有明顯沉降消解作用。國外的研究和實踐證實，氫氧化鎂水質改良劑對封閉或半封閉淡水水質、半封閉式海水水質、水華水域水質、赤潮海域水質及水污染環境具有明顯的改善效果，而且具有效果顯著、來源廣泛、經濟合理和環境友好等特點。今后，研究開發從海水或鹵水中提取氫氧化鎂水質、底質改良劑，并將其應用于傳統的池塘養殖、高密度養殖、高位池養殖、工廠化循環水養殖等不同的水產養殖模式，以及水華治理、赤潮防控和廢水處理等工作將具有廣闊的前景。

同時，納米級氫氧化鎂具有純度高、流動性好、粒度超微細化、熱穩定性好等優點，并且由于對重金屬離子有較大的吸附能力，因此其可作為重金屬脫除劑應用于水體環境中的污染治理[30]。納米氫氧化鎂還具有廣譜抗菌性，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、銅綠假單胞菌、枯草芽孢桿菌、銅綠假單胞菌、蘇云金芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌都具有顯著的抗菌活性，并且對革蘭氏陽性菌的殺菌效果優于革蘭氏陰性菌[31]。納米氫氧化鎂在未來環保領域的應用，特別是對封閉水域的水環境治理，將是一個具有重要意義的研究方向。

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Research and utilization of magnesium hydroxide on the water quality and sediment improvement

HUANG Yongqiang，YOU Xiaoting ，YANG MingL

(Fuzhou Ocean and Fishery Technology Center，Fuzhou 350026，China)

In recent years，aquaculture developed rapidly in coastal areas.Due to the feeblish inner sea water circulation-exchange capacity and the long-term accumulation of black-odor sediment，aquaculture water quality and sediment become to be deteriorated further.But this problem generally exists in enclosed or semi-enclosed water environment.So magnesium hydroxide was used as water quality and sediment amendments for the treatment of water environment.The progress of research and utilization of magnesium hydroxide perform as water quality and sediment amendments in the field of water environment were commented in this paper.The mechanisms of magnesium hydroxide using in water environment，including the electrostatic effect between magnesium hydroxide and suspended particles，the degradation of nitrogen and phosphorus by magnesium hydroxide，and the degradation of hydrogen sulfide by magnesium hydroxide were profiled.The application of magnesium hydroxide in mariculture areas，freshwater lake，water reservoirs，water bloom prevention and control，red tide prevention and control and wastewater treatment were outlined.Numerous applications showed that magnesium hydroxide could be applied to improve the water conditions of aquaculture area，freshwater lake，water reservoirs，water bloom，red tide and wastewater.Application trend of magnesium hydroxide and nano-magnesium hydroxide in the field of water environment was prospected.

magnesium hydroxide；water quality，sediment amendments；water environment；red tide；water bloom；wastewater

2016-11-14

黃永強(1984-)， 男，福建福州，碩士， 研究方向：水產增養殖技術. E-mail：hyq8858@163.com

S912

A

1006-5601(2017)02-0139-08

黃永強，游小艇，楊 銘.氫氧化鎂對水質、底質改良的研究與應用[J].漁業研究，2017，39(2)：139-146.