南水北调水源条件下的藻类生长成因及控制技术探究

南水北调水源条件下的藻类生长成因及控制技术探究
黄慧婷;王敏;李玉仙;顾军农
【摘要】近年来，随着城市化进程的加剧，生产、生活产生的大量氮、磷等营养
元素进入到水体，使城市供水中的部分水源遭受到不同程度的藻类污染。

藻污染给水厂的运行管理和水质安全带来许多问题，本文将着重对藻类现状、成因及影响因素，给水质、制水工艺带来的危害以及除藻方法进行总结，以北京藻类的现状为例对比各种除藻方法的效果，为饮用水供水水质安全提供依据。

【期刊名称】《城镇供水》
【年(卷),期】2016(000)006
【总页数】6页(P73-78)
【关键词】饮用水;藻类;除藻方法
【作者】黄慧婷;王敏;李玉仙;顾军农
【作者单位】北京市自来水集团技术研究院，北京市供水水质工程技术研究中心，北京100012;北京市自来水集团技术研究院，北京市供水水质工程技术研究中心，北京100012;北京市自来水集团技术研究院，北京市供水水质工程技术研究中心，北京100012;北京市自来水集团技术研究院，北京市供水水质工程技术研究中心，北京 100012
【正文语种】中文
近年来，随着城市经济的高速发展和环境污染的不断加剧，饮用水的水质安全问题已经成为全民普遍关注的焦点。

目前，我国城市的供水水源多为湖库型水源，这些
水体由于其自净能力欠佳，当氮、磷等营养元素进入后就很难被排出，从而不同程度
地受到藻类的污染，而水体中藻类的大量繁殖直接给饮用水生产带来诸多危害。

因此, 如何有效地去除水中藻类是给水工程中亟待解决的问题。

本文重点旨在对藻类现状的成因及影响因素、对水质及制水的影响与危害及除藻方法做了总结，以北京水源为例对各种除藻方法及效果进行分析，以期更加深入的认识藻污染现状的成因及控制方法，为保障供水水质安全提供依据。

1.1 藻类现状和成因
藻类（除蓝藻其它藻类均是真核生物）通常是指一群在水中以浮游方式生活、能进行光合作用的自养型微生物，个体大小一般在2～200μm，其种类繁多，均含叶绿素，在显微镜下观察是带绿色的有规则的小个体或群体。

由于近年来城市经济的高速发展，大量工业废水、农田灌溉和生活污水排至江湖中，使湖泊及水库水体逐渐从贫营养、中营养向富营养状态转化，最终导致富营养化的发生。

根据图1-1所示，2013年《中国环境状况公报》显示61个国控重点湖库中，富营养、中营养和贫营养的湖泊（水库）比例分别为27.8%、57.4%和14.8%，总体状况不容乐观，密云水库和丹江口水库也已经处于中营养状态。

密云水库一直以来都是北京的主要供水水源，自2014年汛后南水进京以来，丹江口水库已成为了北京的又一主力供水水源，因此，湖库型水源的富营养化问题更加值得我们关注。

富营养化的典型特征之一是水华，水华爆发时，水面呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等异常的水色现象，水华爆发的原因是水体中藻类的大量繁殖和腐烂造成的。

湖库型水源中藻类种类主要为蓝藻、绿藻和硅藻。

根据贾东民等对密云水库藻类的研究数据显示，在2008～2010年间蓝藻和绿藻密度呈上升趋势，硅藻密度相对呈下降趋势，这种趋势在无外力干涉的影响下基本保持平稳[1]。

2014年底至2015年3月再次对密云水库的藻类情况进行了调查，结果见下图1-2所示，隐藻数量
相对其他藻种占据比例更大，绿藻数量高于硅藻。

然而，在申恒伦等对丹江口水库藻类的调查数据显示，在2003年～2006年间硅
藻为优势种群，其次是绿藻和蓝藻[2]。

近期对丹江口水库及南水输送到京的沿线
藻类进行了一次调研，结果如下表所示。

硅藻数量在输送的沿线呈增长趋势，在源头附近的取样位置绿藻明显胜于硅藻，出现这一现象主要与营养盐的吸收能力等因素有关。

1.2 影响藻类生长的因素
1.2.1 营养盐对藻类生长的影响
营养盐作为藻类生长必不可少的条件，不同的藻类具有不同的生理特点，对营养盐的吸收能力有所不同。

研究表明在高Si：N比率（氮限制）和高Si：P比率（磷
限制）条件下，硅藻胜过非硅藻而占据优势[3]；当硅的含量较少时，蓝藻在低N：P比率条件下占据优势，而绿藻在高N：P比率时胜出[4]；淡水硅藻在高N：P比率时占优势，而淡水绿藻适于生长在中等N：P比率条件下[5]。

硅藻数量在输运
的沿线逐渐增多这一现象的出现，与渠道中的水流速度相对缓慢，水量没有库区内的充盈且呈下降趋式，水体的营养本底值相对较高，即N：P的比率相对较高，创造了适宜硅藻生长繁殖的条件。

1.2.2 其他因素对藻类生长的影响
光照、温度及pH也影响着藻类的生长繁殖。

藻类对光照强弱的喜好不同，有的藻适宜在强光下生长，有的藻则喜欢在光强较弱的条件下生长，硅藻生长的最适光强为5000～8000lx,蓝藻为1000～15000Ix，饱和光强一般为1000～23000lx,抑制光强>23000lx[6]。

此外，藻类的生长也受水温及pH值的影响，温度对藻类生命活动的影响主要是通过控制光合作用的酶促反应或呼吸作用强度直接影响藻类的生长及繁殖[7]。

李宗来[8]在对密云水库藻类种群研究中发现，硅藻的最适温度是16～24℃，蓝藻的最适温度是23～30℃，绿藻的最适温度是22～26℃。

pH对
藻类的繁殖也起着至关重要的作用，最常见的是藻类吸收大量CO2引起水体pH
上升。

刘春光等[9]在pH对藻类生长影响的研究中证实了pH值为8.5时最适宜多数藻类生长。

硅藻的最适pH相比其他藻种的适宜PH值较低，为7.8～8.2。

在南水北调源头附近取样的检测数据显示绿藻数量明显胜于硅藻，这可能与当地的水温、pH和光照强度相对较高有关。

目前，湖泊、水库的富营养化程度不断加剧，水体中的藻类等浮游生物大量繁殖造成饮用水水源受到污染，使得制水系统的正常运行受到干扰，直接影响了净水厂供水的水量和水质，主要表现在以下几方面：
（1）对水质的影响：饮用水出现嗅味。

藻类是导致水源中嗅味发生的常见原因，几乎所有的浮游藻类都会产生异臭物质。

不同藻类产生的嗅味不同，常见的硅藻可产生鱼腥味，蓝绿藻能产生土霉味[10]。

不仅如此，蓝藻类在生长过程及死亡、腐烂及分解后，均会向水中释放藻毒素。

曾有报道证实，含有藻毒素的自来水被人饮用后会引起消化道疾病。

此外，藻类在生长过程中向水体中分泌有机代谢物，它们具有较高的消毒副产物生成势（DBPsFPS），可在氯化/消毒过程中生成消毒副产物，由此提高出水中消毒副产物生成的风险。

（2）对供水单元及供水构筑物的影响：首先，藻类及其分泌的有机物会影响混凝沉淀过程，藻细胞自身带负电荷且电稳定性较高，不易被沉降，因而为了达到较理想的效果，需要加大混凝剂的投加量；藻类的大量存在，会导致水体的pH值有所升高，这将给混凝剂的选型带来局限性。

另外，相当数量的藻类存在于滤池中时，会致使滤料层被堵塞，过滤周期相应缩短，滤头损失相应增加，产水量随之降低。

以硅藻为例，硅藻自身具有坚硬的硅质外壳，具有该种结构不易被氧化剂和消毒剂破环，硅藻表面附着粘性的物质，在制水过程中聚集成团形成片状的粘结物质，导致滤池堵塞，滤池的过滤周期缩短，产水能力严重下降[11]。

尺寸相对较小的藻类还能穿透滤池，进入清水池甚至管网，为细菌的生长提供有利的栖息场所，并加快
配水系统的老化速度。

此外，藻类细胞可附着于混凝土材质的供水构筑物表面形成润滑层，水垢、青苔等可在上面附着生长，长期腐蚀致使池壁老化。

由此看出供水过程中藻类的存在带来诸多不利的影响，所以，研究经济可行的除藻工艺已经成为给水工程中亟待解决的问题。

2.1 常用除藻方法
目前，国内外常用的除藻方法主要包括物理除藻（微滤机法、直接过滤法及气浮法）、化学除藻（化学药剂法和强化混凝法）、生物处理法和组合工艺法等。

2.1.1 微滤机法、直接过滤法和气浮法
微滤机法是通过固定在设备转鼓上的微孔筛网去除水中直径大于或等于滤网孔径的藻类和浮游动物。

直接过滤法是指向原水中加入混凝剂后不需经过沉淀池沉淀而直接进行过滤的工艺。

气浮法（DAF）是通过气泡附着于混凝剂絮体颗粒上，强制絮体颗粒上浮而达到固液分离去除藻类，采用此种方法的藻类去除率高达99.8%[13]。

对比以上三种除藻方法特点如下表所示：
2.1.2 化学药剂法
化学药剂法是通过添加除藻剂，在不添加任何水处理设备及构筑物，不需改变现有水厂工艺简单有效的除藻方法。

常用的除藻剂主要有氯、二氧化氯、臭氧和高锰酸钾等。

对比不同除藻剂的除藻优缺点如下表所示，近年来,我国也研究了高锰酸盐
和高铁酸盐复合药剂进行除藻，研究结果表明除藻效果可以得到显著提高,而且无
残留毒性[16]。

2.1.3 强化混凝法
强化混凝法是通过将原水的PH值控制在一定范围内，向其中投加过量的混凝剂和一定量的助凝剂，实现水处理过程中的藻类去除。

常用的混凝剂包括铝盐类(聚合
硫酸铝、聚合氯化铝、硫酸铝等)和铁盐类(聚硅硫酸铁、聚硅氯化铁等)。

该方法
不仅能将除藻率提高到90%以上,也可以去除水中存在的有机物。

强化混凝法在国
外研究中被指出只能有效提高藻类在滤池中的去除率,并不能有效提高其在沉淀池
中的去除率[17]。

2.1.4 生物处理法
生物处理法主要指生物膜法去除藻类，其原理是利用附着在生物膜上的微生物对藻类进行絮凝、吸附作用，使其沉降、氧化或被原生动物吞噬。

生物膜处理效果及运成本高低主要取决于生物填料。

生物处理法对藻类的去除效果依藻类的作用而差异很大,对蓝藻类去除率可达到90%，对硅藻类的去除率为45%～75%，对绿藻类去除效果最低，仅为40%左右[13]。

2.1.5 组合工艺法
目前，国内常用的组合工艺法主要有臭氧-活性炭深度处理法、臭氧-气浮联用工艺和预臭氧-生物膜-活性炭法。

其中，臭氧-活性炭深度处理法对去除藻毒素效果很好，有实验证实该组合工艺对藻毒素的去除率能达到100%[18]。

臭氧-气浮联用
工艺是将臭氧化的化学现象和气浮净水技术的物理现象有机地结合在一起处理低浊、低色、低有机质的含藻原水[19]。

预臭氧-生物膜-活性炭法进行除藻，不仅对藻类总数有很好的去除效果，对叶绿素A也可达到很高的去除率。

另外，对色度、浊度、氨氮、有机物的去除率也均优于前两种组合工艺。

2.2 除藻效果比较
上述的各种除藻方法的适用范围不同，应结合实际情况进行选择。

笔者以目前北京的水质情况为例，对以上的不同除藻方法进行效果比对。

2014年汛后，南水北调中线通水后，北京城区的供水水源主要以密云水库和丹江口水库为主，根据2013年的《中国环境状况公报》中提到的中国重点湖库营养状态指数，密云水库和丹江口水库均已处于中营养状态，这个现状令人担忧。

近几个月对两库的藻类情况进行检测发现，密云水库水体中绿藻数量高于硅藻，南水北调中线来水（丹江口水库）以硅藻为主，藻类数量均已达到每升水中百万个。

根据这一检测结果对各种除藻方
法进行比较如下表所示：
单独采用微滤机法和直接过滤法均不满足现行水质情况下的除藻要求因此不宜采用。

另外，北京各供水厂在建厂时均没有构建气浮池，所以气浮法目前也不适用。

生物处理法尽管对藻类的去除效果较明显，但到目前为止并没有被广泛使用，还处于试验阶段因此也不适用。

针对北京城区的水质特点及藻类现状，可采用强化混凝法、化学药剂法和组合工艺法。

强化混凝法可根据水质变化对混凝剂投加量、水的PH 值进行调整，同时加入助凝剂以达到更好的除藻效果，但此方法只能是减轻藻类存在给水处理带来的问题，不能从根本上解决藻类存在带来的问题。

化学药剂法因实际情况不同，选取的化学药剂也存在差异，但除藻效果都较明显，是一种较经济且普遍应用的除藻方法。

近年来，为了降低化学试剂法带来的副产物等影响，组合工艺法逐渐被普遍应用。

该方法既能提高藻类的去除率，也提高对色度、浊度、氨氮、有机物等的去除率。

目前，环境污染带来的负面效应越来越明显，水环境方面最凸显的就是湖库水源水富营养化引发的藻污染。

藻污染给水厂的运行管理和供水的水质安全带来了不利影响，引起了水行业人士的广泛关注。

针对藻污染控制和去除的方法多种多样，但都存在一定的缺陷，在今后的藻污染去除及控制的研究方面，笔者针对北京的水源现状考虑应从以下三方面进行工作：
（1）密切关注及定期监测南水北调源头及输配过程中的藻类情况，南水北调办公室应协调南水北调中线局做到中线管理机构和沿线各供水单位检测信息共享，建立全面有效的水源区及流经区域的水环境预警预报系统，做到尽可能在进厂前有效控制藻类数量。

（2）探究在预处理中引入一种高效、不产生二次污染的可替代预氧化的除藻方法，在降低藻类对混凝干扰的前提下，有效控制藻类数量，尽量将藻类杀灭在工艺链的最前端。

（3）在供水厂内的各处理工艺单元，根据藻类种类及数量的变化，适时调整各工艺段的药剂投加量，控制各工艺单元出水中的藻类数量，最终保证产水量及水质。

【相关文献】
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