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有关水动力循环复氧控藻技术在城市景观水体富营养化治理中的应用研究

作者:2017-02-10 16:41阅读:文章来源:未知
  景观水体是现代城市生态建设的重要部分,它可以满足人们身心的需要。但由于景观水体半封闭、流动性差、循环自净能力较小等特点,水体污染问题越来越严重,普遍出现富营养化现象。水体富营养化导致水体透明度下降,溶解氧降低,水质严重恶化,极易暴发蓝藻水华。目前,景观水体的治理常用技术有物理处理法、化学处理法、生物修复法,而这几种方法都存在着一些问题,比如能耗高,效果难以持久,工艺复杂条件不易控制等缺点。
  水动力循环复氧控藻技术作为一种新型的水处理技术,具有无能耗、低维护费、易操作、拥有良好处理效果等特点。笔者结合实际,在景观水体无锡蠡溪公园西苑中引入了水动力循环复氧控藻技术,探讨了该技术对景观水体水质的改善效果和对其浮游藻类生长的抑制作用,以期为景观水体治理及技术的选择和应用提供理论依据。
  1水体概况及试验方案
  1.1水体概述无锡蠡溪公园西苑位于蠡溪桥西侧,占地3.7hm2,公园中心区为景观水体(下称西苑水体),仅通过位于四角的小桥与外围河流连接,水体相对封闭。在上游河流来水和周围污水排放共同影响下,水体水质严重超标,并且连年有蓝藻暴发。
  1.2试验方案
  1.2.1试验设计及监测方法。为改善景区水体环境,控制蓝藻生长,2010年2月在西苑水体中应用了水动力循环复氧控藻技术对该景观水体进行生态修复,以达到净化水质、控制蓝藻暴发,改善景区水环境的目的。根据无锡蠡溪公园西苑水体的形状特征和水质特征,选取了2台水动力循环复氧控藻设备安装于水体中,并设置5个采样点,分别为懋德桥、田叶桥、凤荷桥、绿杨桥、湖中心,自2010年3~11月共采样9次,以5个采样点的平均水质代表整个西苑水体的水质状况,考察水动力循环复氧控藻技术对西苑水体的改善情况。
  主要监测指标包括:①物理指标:水温、pH、溶解氧(DO)、色度、浊度;②化学指标:总氮(TN)、总磷(TP)、氨氮(NH4+-N)、高锰酸盐指数(CODMn)、叶绿素(Chla)等;③生物指标主要监测藻类总丰度及其种类组成变化。
  CODMn采用酸性法;TN、TP采用过硫酸钾-紫外消解分光光度法;NH4+-N采用纳氏比色法;叶绿素a采用热乙醇法。每次测样时加入国家环保总局水环境标准样品(国家标准样品物质网)进行加标测定。
  1.2.2水动力循环复氧控藻技术原理及相关试验参数。水动力循环复氧控藻技术设备利用高效纵向循环将底层低溶解氧的水提升到表层使之形成表面流,使表层水体不断更新,此过程不仅有助于改善水体的表面张力,而且加快了界面复氧速度。另外,在水体自重作用下,被抽走的底层水由邻近的上层水体替代,实现了上下层水体的交换。覆盖面积内水体不仅实现了水体的纵向循环,而且改善了水体溶解氧及营养盐的分布状况,使整个水体溶解氧含量明显提高,并逐渐均化。
  试验选取的水动力循环复氧控藻设备正常运转时,叶轮由高效低速直流电机带动,由于其具有轴向流和正向位移的双重特性,通过腔体能产生10m3/min的主体流。深层水体会快速流向水体表面,当主体流离开叶轮以近层流的方式快速流过分水盘时,同时形成感应流将浅表层的水带动起来而形成一个环流,感应流与主导流汇合后沿着水体表面以360°辐射状向外扩散。该水动力循环复氧控藻设备的总循环交换量约为5万t/d。
  2结果与分析
  2.1对CODMn的去除效果
  尽管处理水体周围仍然不断有餐饮污水排入湖体,但污染负荷相对稳定可控。可以看到在处理期间,整个水体的CODMn浓度呈现下降趋势,处理期结束时平均去除率达到28%,CODMn指数保持在地表II~III类水。这是由于系统使上、下层水体充分交换,提高了水体的溶解氧浓度,加速了水中有机物的氧化。另外底层水体的溶解氧浓度得到明显提高,形成的富氧环境促进了微生物的降解作用,故水体中的CODMn浓度逐渐降低。
  2.2对N、P的净化效果
  N、P含量超标是西苑水体存在的主要问题,水体TN初始值在4.0mg/L以上,TP初始值在0.18mg/L左右。如图5,处理区水体TN、NH4+-N、TP都呈下降趋势,到11月份,TN、NH4+-N、TP最高去除率分别达到67%、84%、56%,达到了地表Ⅳ类水标准。这是由于水动力循环复氧技术增强了好氧微生物的活性,使其脱氮除磷能力得到显著提高。
  N的去除方面,好氧条件加速了硝化作用,促进底层厌氧分解产物氨转化,形成硝酸盐,通过水生植物的吸收利用、鱼类的摄食作用将N搬离水体。水体由厌氧转向好氧的过程如下:
  RCHNH2COOH→NH3
  RCHNH2COOH+O2→RCOOH+CO2+NH3
  NH4++O2→NO3-
  最后NO3-被植物吸收去除。
  在P的释放和吸附过程中,溶解氧浓度可影响P的转化方向,在厌氧或缺氧环境下,由于Fe、Al和Mn等金属元素以低价离子的形式存在,有利于磷酸盐的释放。相反,富氧环境有利于水体中磷酸盐的吸附,水体中的磷被固化在底泥中或被浮游动植物吸收转移而被去除。
  2.3水动力循环复氧控藻技术对藻类的控制效果分析
  对于水动力循环复氧控藻技术对藻类的处理效果,国内外有相应的报道,其控藻的机理主要在于水动力循环打破了蓝绿藻繁殖的最佳生境。笔者从叶绿素a的浓度、藻类总丰度、浮游植物种类和优势藻种4个方面进行了监测分析。由于藻类繁殖的高峰期在夏季,所以研究只对6月、7月和8月的藻类总丰度、浮游植物种类和优势藻种进行了跟踪监测。
  2.3.1对叶绿素a的去除效果。可以看出,自5月份以来,水体叶绿素a一直维持在较低水平14~28mg/L。与处理初期相比,11月份叶绿素a下降率达到61.0%,平均去除率达到了40.2%。即使在夏秋藻类易爆发季节,处理区藻类生长也受到了有效的抑制。原因在于水动力循环复氧控藻设备对营养盐和有机污染物的去除,减少了藻类生长必须的营养源,而系统形成的水体上下交换打破了喜静蓝藻的生存环境,因此随着运行时间延长,处理区水体藻类Chla整体上呈下降趋势。
  2.3.2藻类总丰度变化。在水动力循环复氧控藻设备的作用下,西苑水体中浮游植物总丰度明显降低,和6月份相比,7月份的藻类总丰度下降了57%,8月份基本维持在同一水平。水动力循环复氧控藻设备加速了水的流动,打破了水体营养盐的不均匀分布,使浮游植物的平流损失量加大,此外,扰动作用能够打破大多数蓝藻的生长环境,使其丧失生长优势。
  2.3.3浮游植物组成变化。在西苑水体中,初期处理区水体中藻类主要以蓝藻、绿藻、硅藻为主,6月份在群落中所占比例分别为51%、18%、19%,7月份比例分别为3%、15%、60%,水体中隐藻开始增多,占藻类总丰度19%;8月份一些隐藻成为优势藻种,各门所占比例分别为蓝藻22%、绿藻37%、硅藻10%、隐藻35%。可见在浮游植物群落组成中,绿藻门植物数量基本稳定,蓝藻与硅藻生长相互制约,数量变化不稳定,因而在多种因素综合作用下,硅藻丰度也表现出了波动变化,所占比例下降。可见,水动力循环复氧控藻技术不仅降低了浮游植物的数量,也影响着浮游藻类群落的组成和结构。
  2.3.4优势藻种变化。随着藻类群落组成变化,水体优势藻种也变化明显,6月份以硅藻门小环藻为主,7月份色球藻增多,成为优势藻种,8月份隐藻门藻类增殖加快,发展成为优势种,主要为尖尾蓝隐藻,此外绿藻门仍占据一定的比例,衣藻属成为第二优势藻种。水体中优势藻种类和数量的变化说明,水动力循环复氧控藻技术促进了pH、溶解氧和水温等环境因子的均化,增强了硅藻、隐藻等其他藻类的竞争能力,水体不再以蓝绿藻占优势,在水流环境适合的条件下,硅藻、隐藻等藻类迅速增殖成为优势藻种,使得藻类群落的多样性提高(均值由1.63增加至2.36)。这些贫营养型藻类的竞争能力加强,抑制了微囊藻、色球藻、鱼腥藻等有害藻类的增殖,可有效控制西苑水体蓝藻水华的发生。
  3结论
  水动力循环复氧控藻技术对无锡蠡溪公园西苑景区水体中CODMn、TN、NH4+-N、TP及藻类叶绿素a均有明显的去除效果,水质改善效果显著,与3月份相比,处理区各监测点水体TN平均去除率均达35.7%,NH4+-N平均去除率达到49.7%,TP平均去除率达到37%;CODMn平均去除率达到28%,叶绿素a平均去除率达40.2%。
  总体来说,西苑水体目前已达到IV类水标准,符合一般景观要求水域的用水标准(V类)。经过水动力循环复氧控藻技术处理后,水体中藻类总丰度明显下降,平均下降率达到56%,藻种组成发生了变化,群落逐渐从单一结构转变为多优势种共存的稳定结构,水体不再以蓝绿藻占优势,在水流环境适合的条件下,硅藻、隐藻等贫营养型藻类的竞争能力增强,迅速增殖成为优势藻种,微囊藻、色球藻、鱼腥藻等有害藻类生长受到抑制,景区蓝藻水华现象得到了有效控制,景区生态环境明显转好。
  本工程试验结果表明,水动力循环复氧控藻技术作为一种新型的水生态修复技术,在富营养化景观水体水质改善和蓝藻控制方面具有显著效果,且该技术完全以太阳能为设备运行的驱动力,无运行费用,是最具特色的节能环保水生态治理技术,可在景观水体治理工程中进行推广应用。
 

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