CN101456603B - 治理富营养化水库水华的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种治理富营养化水库水华的方法，将水流隔板、生态浮岛、物理遮光、原位曝气技术相结合，利用水流隔板在取水口中分割出控光分离区和强化净化区，在控光分离区水面种植生态浮岛；在强化净化区的水表层设置物理遮光机构，水下配备原位管道曝气系统；源水流经水流隔板后进入控光分离区，在此区域内由于缺乏光照，有害藻类迅速浮聚于水表层，并被浮岛植物根系截留、捕集；进一步地，利用水流隔板将控光分离区处理后的源水引入强化净化区，在此区域内，利用物理遮光机构消除水下光照，同时利用原位管道曝气装置对水体实施曝气，促使水中的有害藻类逐渐消亡，最后经该强化净化区处理后的出水流入取水口，供给水厂所需。

Description

治理富营养化水库水华的方法

技术领域

本发明涉及一种治理富营养化水库水华的方法，用于消除及抑制水库中有害藻类的生长，保证供水安全。属于水处理技术领域。

背景技术

近年来，我国城镇水库的水体富营养化问题日益严峻，在春夏两季，蓝绿藻水华爆发，威胁供水安全。在水华发生时每升水中多达几亿个藻细胞，COD(化学需氧氧)和SS(固体悬浮物)等指标亦急剧升高，导致给水厂滤池堵塞、产水量下降、出水浊度以及藻毒素含量超标等问题，严重者将导致水厂被迫停产。在我国，由于水库的富营养化而引发的供水安全问题已成为制约社会、经济可持续发展的关键性因素，因此急待开发具有针对性的治理水库水华的关键性技术及方法。

目前较为传统的水华防治方法多用于小型景观水体的治理，并不适用于水库水华防治。如化学法，投加具有抑藻、杀藻、或絮凝作用的化学药剂，此类方法的问题在于综合成本过高，而且将带来潜在的水源地安全风险。近年出现的新动向之一是原位控藻技术研究获得重视并逐步开展。此类技术专以保护取水口周边的水源水为目标，在水源地域内直接实施控藻除藻工程，开展前处理。较为典型的如扬水筒技术，其工作原理在于通过高能空压机在扬水筒底部生成“气弹”，带动水流循环，造成库区表层水体与底层水体的剧烈交换，破坏夏季水华高发期在水库表层形成的温度跃层，使得积聚于该层的藻类被驱赶至水库底层，由于光照极低以及温度骤降等原因，藻类失去活性而逐渐消亡。扬水筒技术的局限性在于仅适用于水深10m以上的深水水库，不适用于较浅的水库；且单个扬水筒控制的水量一般高于300万m³，不适用于小型水库，另外建设成本和运行成本过高也限制了它的应用(孔海南.，王欣泽，何圣兵.应用扬水筒技术控制饮用水源水库富营养化的工程规模实验研究[C].“2005中国水环境污染控制与生态修复技术”高级研讨会论文集.宜昌，2005.9：27-32)。遮光法是另外一种立竿见影的除藻技术，它通过限制藻类的光合作用，促使藻类不断消亡沉降，小岛贞男等人的研究表明遮盖水库约1/3左右的水面，可以抑制藻类增殖(小岛贞男，饭田稻作，滑川明夫.局部遮光控制藻类(微囊藻属)的验证研究[J].用水与废水(日本)，2000，42(5)：5-12.)。但水面覆盖会造成水体溶解氧的显著下降，另外到目前为止，遮光技术如何在水库现场实施也是难题之一。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种治理富营养化水库水华的方法，能够有效消除水体中藻类的危害并净化水质，保证饮用水源地的供水安全，而只需比较低廉的运行成本。

为实现这一目的，本发明将水流隔板、生态浮岛、物理遮光、原位曝气技术相结合，利用水流隔板在取水口中分割出控光分离区和强化净化区，在控光分离区水面种植生态浮岛；在强化净化区的水表层设置物理遮光机构，水下配备原位管道曝气系统；源水流经第1级水流隔板后进入控光分离区，在此区域内由于缺乏光照，有害蓝藻如微囊藻等迅速浮聚于水表层，并被浮岛植物根系截留、捕集，因而在控光分离区下层可获得藻类浓度较低的源水；进一步地，利用第2级水流隔板将控光分离区处理后的源水引入强化净化区，在此区域内，利用物理遮光机构消除水下光照，同时利用原位管道曝气装置对水体实施曝气，在无光且溶解氧充足条件下，水中的有害藻类由于内源代谢的持续进行而不断消耗自身的营养物质，逐渐消亡。最后经该强化净化区处理后的出水流入取水口，供给水厂所需。

本发明的方法具体包括以下步骤：

1、采用水流隔板在取水口周边分割出部分水域用于水质净化，该水域分为控光分离区和强化净化区。根据日处理水量、所在区域平均水深以及所需水力停留时间确定控光分离区和强化净化区所需的水面面积，其中控光分离区的水力停留时间取0.5-2.5天，强化净化区的水力停留时间取3-8天。

2、在控光分离区的水体表面投放生态浮岛，使覆盖率达到70-90％，将水下光照度控制在5000lx以下。

3、在强化净化区设置遮光机构和原位管道曝气装置。遮光机构的主体遮光材料采用厚度大于0.5mm的市售高密度聚乙烯布或遮阳网，覆盖面积为强化净化区的80％以上，其遮光率要求达到90％以上，保证入射光照度低于3000lx。原位管道曝气装置的主体结构为悬挂式水下曝气管，埋设于强化净化区内水下3-8m，距离取水口30m-50m处，曝气管通过空气管道与岸边的空气压缩机连接。由设置于岸边的配电箱控制原位管道曝气装置的开启、关闭及曝气强度。日曝气量与日处理水量的体积比率控制在0.5∶1-5∶1。

4、源水经由水流隔板的引流之后流经控光分离区，在控光分离区的光照度条件下促使有害蓝藻迅速浮聚于水表层，从而被浮岛植物根系截留、捕集；同时通过浮岛植物和吸附基质的共同作用去除水中部分氮、磷。

5、控光分离区处理后的出水经由水流隔板的引流之后进入强化净化区，在强化净化区的低光照度条件下及通过曝气充氧，促进藻类快速消亡，同时提高水中的氧含量，提升水质。

6、强化净化区处理后的出水流入取水口，供给水厂所需。

本发明中，所述水流隔板高度为2-5m，采用厚度大于2mm的高密度聚乙烯布为主体材料，主体材料上侧连接浮子，下侧连接沉子，从而垂直竖立于水中实现水体分割。

本发明中，所述浮子可以是圆柱形的浮筒或者是浮球。

所述遮光机构可以采用整张遮阳网，也可以利用尼龙绳将若干张遮阳网相互拴连而成。遮阳网的背面用尼龙绳绑定若干个浮筒提供浮力。

本发明的创新之处在于：根据在光限制条件下藻类具有垂直上浮和逐渐消亡的特性，提供一套将水流隔板技术、生态浮岛技术、物理遮光技术、原位曝气技术有机结合的控藻方法，一方面通过水流隔板及生态浮岛形成控光分离区，直接分离去除源水中易于上浮的有害蓝藻；另一方面在强化净化区进行物理遮光和曝气充氧，促进藻类在遮光条件下的快速消亡，同时解决因为遮光时间过长而导致的溶解氧过低问题，提升水质。本发明提供的水库水华治理方法克服了以往水华控制技术运行成本高、运行管理不方便的缺点，能够在较低的成本条件下保证水厂每天取用的源水水质，保证人们的饮用水安全。

附图说明

图1为本发明对划分区域进行治理的示意图。

图1中，1为水库水体主体，2为水流隔板，3为生态浮岛，4为物理遮光机构，5为原位管道曝气装置，6为取水口。

图2为本发明中水流隔板的结构示意图。

图2中，7为聚乙烯布，8为浮子，9为沉子，10为锚。

图3为本发明中采用的遮光机构示意图。

图3中，11为遮光材料，12为浮筒，13为水泥沉子。

图4为本发明曝气装置的结构示意图。

图4中，14为空气压缩机，15为空气输送管，16为岸边，17为悬空拉绳，18为水泥沉子，19为空气曝气管。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。以下实施例不构成对本发明的限定。

本发明治理富营养化水库水华的方法具体包括如下内容：

1、首先，如图1所示的净化区域划分示意图，利用水流隔板2在取水口6的周边中分隔出一部分水域用于水质净化，分别为控光分离区、强化净化区。根据日处理水量、所在区域平均水深以及所需水力停留时间分别确定所述控光分离区、强化净化区各自所需的水面面积。

设控光分离区、强化净化区各自所需的水面面积分别为S₁、S₂，根据日处理水量V，所在区域平均水深H₁、H₂，所需水力停留时间T₁、T₂，则：

所述控光分离区的总面积按以下公式设计：

S₁＝V/(H₁×T₁)

其中S₁为控光分离区总面积m²；V为日处理水量m³/d；H₁为控光分离区平均水深m；T₁为停留时间，取0.5-2.5d；

所述强化净化区的总面积按以下公式设计：

S₂＝V/(H₂×T₂)

其中S₂为强化净化区总面积m²；V为日处理水量m³/d；H₂为强化净化区平均水深m；T₂为停留时间，取3-8d。

水流隔板2用于分割水体，同时阻隔分离浮聚于水表层的群体状藻类，其结构如图2所示。水流隔板采用大于2mm的高密度聚乙烯布7为主要隔水部件，上侧连接的浮子8采用浮筒，浮筒高30-40cm，直径为10-15cm，下侧连接重量为2-3kg的沉子9，组成水流隔板，并利用锚10将其固定于水上。

由船载若干水流隔板至施工水域，将水流隔板缓慢投入水中，由于浮筒和沉子的垂直定位作用，水流隔板竖直立于水面之上；将若干水流隔板依次连接后即可分隔水体，在水库取水口周边形成强化净化区；利用2-3个重量为30-40kg的水下锚10固定水流隔板使其稳定立于水面。

2、如图1所示，生态浮岛3布设于控光分离区水表面，由若干前后及首尾相连的铺展于水面的生态浮岛构成，生态浮岛参照已有公开号为CN1644533的专利建造。覆盖率达到70-90％，将水下光照度控制在5000lx以下。

3、在强化净化区设置遮光机构4和原位管道曝气装置5。遮光机构即利用工程结构物覆盖水面，促使藻类在无光状态下消亡沉降。遮光机构如图3所示，由遮光材料11、绑缚在遮阳材料上的浮筒12、固定遮阳材料的水泥沉子13构成。遮光材料11采用高密度聚乙烯布或者遮阳网，厚度＞0.5mm，覆盖面积＞强化净化区的80％，遮光率＞90％，以保证平均入射光强低于3000lx，可以根据所需遮盖的水体的实际面积采用整张网，或者利用尼龙绳将若干张遮阳网相互拴连而成。遮阳网的背面用尼龙绳绑定若干个高30-40cm，直径为10-15cm的浮筒12提供浮力，其中每个浮筒间隔为1-3m；在位于遮阳网各个边角的浮子上栓连尼龙绳，尼龙绳的另一头栓连放置于水底的重量为10kg-15kg的水泥沉子13，使遮光机构固定在强化净化区，并保持静止状态。

曝气装置目的为复氧，由于在强化净化区因为藻类及微生物呼吸作用溶解氧迅速下降，在强化净化区后阶段通过曝气装置曝气使水中氧含量提高，防止出现厌氧状况，同时进一步提升藻类的消亡速率，从而保证了取水口水质。原位管道曝气装置的主体结构为悬挂式水下曝气管，埋设于强化净化区内水下3-8m，距离取水口30m-50m处，曝气装置的构建如图4所示，由空气压缩机14，空气输送管15、岸上固定点16、悬空固定拉绳17、水泥沉子18、空气曝气管19组成。空气输送管15和曝气管19为聚乙烯塑料管，管径为2-8cm，曝气管的曝气孔径为2-3mm；空气输送管15连接空气压缩机14和曝气管19；管道上方由悬空拉绳17固定，下方由水泥沉子18固定，悬空拉绳17采用直径1-2cm聚乙烯绳，固定在16近岸上。曝气管与岸边的空气压缩机连接，而空气压缩机14放置于岸边的空气压缩站房中。空气压缩机为排气量在180-240m³/h，功率为18.5-24.7kw。设置于岸边的配电箱控制原位管道曝气装置的开闭及曝气强度，曝气装置的日曝气量与日处理水量的体积比率控制在0.5∶1-5∶1。

4、源水经由水流隔板2的引流之后流经控光分离区，在控光分离区的光照度控制在5000lx以下的条件下，此时，由于有害蓝藻的呼吸作用大于光合作用，消耗自身糖原物质，造成密度下降，因此迅速浮聚于水表层，从而被浮岛植物根系截留、捕集；同时通过布设于控光分离区水表面的生态浮岛3上的植物和吸附基质的共同作用去除水中部分氮、磷。

5、控光分离区处理后的出水经由水流隔板2的引流之后进入强化净化区，在强化净化区的低光照度条件下及通过曝气充氧，促进藻类的内源呼吸代谢，快速消亡，同时提高水中的氧含量，提升水质。

6、强化净化区处理后的出水流入取水口6，供给水厂所需。

在本发明的一个实施例中，实验地点为水面面积50000m²，平均水深10m，日供水量1000m³的某小型水库，形状为狭长型，取水口附近水面宽20m。由于常年有农村面源污水排入，该水库在夏季时常发生严重的水华现象，水中藻类数量为1.7×10⁸个/L，且以有害的铜绿微囊藻为主，透明度0.3米，浊度为47°，COD为13mg/L，总氮为1.2mg/L，总磷为0.1mg/L，总体水质为IV-V类。为改善水质，保证取水安全，采用了本发明的方法对水源地划分区域治理，如图1所示。

依据地形特点在沿岸采用水流隔板分割出水面面积分别为200m²和800m²的控光分离区和强化净化区。日处理水量为1000m³。控光分离区为方形，与水流垂直方向平均宽度为20m，沿水流方向长度为10m，水力停留时间为2d；强化净化区也为方形，与水流垂直方向平均宽度为20m，沿着水流方向平均宽度40m，水力停留时间为8d。

水流隔板的高度为2-5m，材质为2mm厚度高密度聚乙烯布，设置水流隔板的深度为5m，总长度和控光分离区宽度相同为20m，由船载若干水流隔板至施工水域，将20个浮筒按间隔1m绑缚在水流隔板的上部，浮筒为高40cm，直径15cm的圆柱形筒体，内部为塑料泡沫，并且在下方捆绑20个2kg重的水泥沉子，每个间隔1m。将水流隔板缓慢投入水中，由于浮筒和沉子的垂直定位作用，水流隔板竖直立于水面之上，将若干水流隔板依次连接后即可分隔水体。栓连间隔3m的水下锚6个，每个重量为30kg，用于固定水流隔板使其稳定立于水面。

在控光分离区水面建成根据中国专利CN1644533所设计的生态浮岛，使覆盖率达到90％。

强化净化区内物理遮光机构覆盖总面积为750m²，采用遮光率为95％的遮阳网，保证夏季平均入射光强低于3000lx；遮阳网的背面用尼龙绳绑定300个高30cm，直径为10-15cm的浮筒提供浮力，其中每个浮筒间隔为2m；在位于遮阳网各个边角的浮子上栓连尼龙绳，尼龙绳的另一头栓连放置于水底的重量为10kg-15kg的水泥沉子，使遮光机构固定在自然水域的某个位置，并保持静止状态。

曝气装置是由1台空气压缩机、1根空气输送管、1根空气曝气管、60个水泥沉子、2根悬空固定拉绳、以及岸上固定点组成。空气压缩机为排气量在180m³/h，功率为18.5kw，放置在岸上的空气压缩机站房中。空气输送管和曝气管为聚乙烯塑料管，布置在水下7m深处，取水口30m处，管径为5cm。曝气管长度为15m，曝气孔径为2mm；空气输送管则用于连接曝气管和放在岸上站房中的空气压缩机，长约20m。管路下方由水泥沉子固定，每隔1m固定一个水泥沉子，共15个水泥沉子，每个水泥沉子重量为1kg。悬空拉绳采用直径2cm聚乙烯绳，用木桩固定在两岸。

经过本方法处理之后，出水透明度由处理前的0.2m提升至0.6m，浊度由处理前的47°下降到10°，藻类去除率为93％，COD去除率为85％，总氮去除率为42％，总磷去除率为60％。水中藻类数量为1.2×10⁷个/L，且以无害的硅藻为主，COD为2mg/L，总氮为0.7mg/L，总磷为0.04mg/L，溶解氧为5mg/L，水体水质提升到III类，满足饮用水源地水质要求。

Claims (6)

1.一种用于治理富营养化水库水华的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)采用水流隔板(2)在取水口(6)周边分割出控光分离区和强化净化区，根据日处理水量、所在区域平均水深以及所需水力停留时间确定控光分离区和强化净化区所需的水面面积，其中控光分离区的水力停留时间取0.5-2.5天，强化净化区的水力停留时间取3-8天；

2)在控光分离区的水表面投放生态浮岛(3)，使覆盖率达到70-90％，将水下光照度控制在5000lx以下；

3)在强化净化区设置遮光机构(4)和原位管道曝气装置(5)，遮光机构采用厚度大于0.5mm的高密度聚乙烯布或遮阳网，覆盖面积为强化净化区的80％以上，遮光率达到90％以上，保证入射光照度低于3000lx；原位管道曝气装置的主体结构为悬挂式水下曝气管，埋设于强化净化区内水下3-8m，距离取水口30m-50m处，曝气管通过空气管道与岸边的空气压缩机连接，由设置于岸边的配电箱控制原位管道曝气装置的开闭及曝气强度；日曝气量与日处理水量的体积比率控制在0.5∶1-5∶1；

4)源水经由水流隔板(2)的引流之后流经控光分离区，在控光分离区的光照度条件下促使有害蓝藻迅速浮聚于水表层，从而被浮岛植物根系截留、捕集；同时通过浮岛植物和吸附基质的共同作用去除水中部分氮、磷；

5)控光分离区处理后的出水经由水流隔板(2)的引流之后进入强化净化区，在强化净化区的低光照度条件下及通过曝气充氧，促进藻类快速消亡，同时提高水中的氧含量，提升水质；

6)强化净化区处理后的出水流入取水口(6)，供给水厂所需。

2.根据权利要求1的用于治理富营养化水库水华的方法，其特征在于所述水流隔板(2)高度为2-5m，采用厚度大于2mm的高密度聚乙烯布(7)为主体材料，主体材料上侧连接浮子(8)，主体材料下侧连接沉子(9)，从而垂直竖立于水中实现水体分割。

3.根据权利要求1的用于治理富营养化水库水华的方法，其特征在于所述遮光机构(4)采用整张遮阳网，或者利用尼龙绳将若干张遮阳网相互拴连而成；遮阳网的背面用尼龙绳绑定若干个浮筒提供浮力。

4.根据权利要求2的用于治理富营养化水库水华的方法，其特征在于所述浮子(8)为浮筒或浮球。

5.根据权利要求2的用于治理富营养化水库水华的方法，其特征在于所述沉子(9)重量为2-3kg，利用锚(10)将其固定于水下。

6.根据权利要求4的用于治理富营养化水库水华的方法，其特征在于所述浮筒高30-40cm，直径为10-15cm。

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