防治饮用水源地富营养化水华的方法

摘要

本发明涉及一种防治饮用水源地富营养化水华的方法，将物理遮光与生态浮岛技术相结合，将饮用水源地划分成几个区域，利用生态浮岛区对污染水进行初步净化，去除大颗粒悬浮物质，并通过浮岛植物和吸附基质的作用去除部分氮、磷，同时消减风浪；利用第一级生态透水坝通过渗流作用引导经初步处理的水源水进入生态遮光区，同时利用生长于透水坝之上的湿生植物去除部分氮、磷；利用生态遮光区去除水中有害藻类，同时利用漂浮生长于遮光材料表面的水生植物去除剩余氮、磷；利用第二级生态透水坝通过渗流作用引导经净化的水源水进入水质稳定区；利用天然水体的自净作用在水质稳定区对水源水水质进行调理，稳定化以获得优质的水源水，供城镇自来水厂取用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种防治饮用水源地富营养化水华的方法，采用物理遮光技术与生态浮岛技术，将饮用水源地划分成几个区域进行净化及抑制有害藻类的生长，以获得优质的水源水，保证供水安全。属于水处理技术领域。

背景技术

近年来，我国饮用水源地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是饮用水源地富营养化的直接灾害性结果。当水华到来之时，水生动植物由于缺氧而大量死亡，进而导致水体发黑发臭，与此同时蓝绿藻还释放出毒害作用仅次于二恶英的藻毒素，导致饮用水源地丧失供水功能。在我国，由于饮用水源地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防治饮用水源地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，并不适用于饮用水源地的水华防治。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。公开号为CN1172861的中国发明专利提出“加入碱性物质使水中pH达到8.5～10，待水体静置澄清后再加入酸调整到中性”，采用该方法净化水体虽然能达到一定效果，但对整个水生生态系统而言，将造成全面的破坏。机械捕藻是一种较为常用的消除景观水体水华的物理方法，但就饮用水源地水华而言，由于发生时危害面积巨大，藻类浓度很高，故此采用该法存在着成本极高，去除效率低下的致命缺点。

植物浮岛(床)法是近年来迅速发展起来的水华防治方法，该法利用塑料泡沫等浮岛材料，直接在水面种植湿生和水生植物吸收水中氮磷等营养盐，以去除导致水华发生的关键性因子。公开号为CN1644533的中国发明专利“一种用于景观水体治理的生态吸附景观浮床装置及方法”提出采用沸石、造粒粉煤灰等材料为浮床基质吸附和富集水中氮、磷，以供种植于浮床上的植物生长过程之必需，形成水面生态景观，同时能不断削减水中营养盐水平。出于制作成本和实用性的考虑，目前该法多应用于城市小型景观水体以及少数湖库的沿岸带，但对于水量往往以上亿立方计的湖、库等已经发生富营养化的饮用水源地而言，试图利用相对极其少量的浮岛植物去削减整个水体的氮、磷水平显然是不现实的，同时由于广阔的自然水面强风浪的作用，浮岛还时刻存在着被损坏的危险；另一方面，在气候适宜的条件下水华一旦爆发，往往几乎是在一夜之间藻类就能在整个水源地成为优势生物种，具有浓度大、范围广、突发性的特点，此时依靠相对数量极少的浮岛是不可能阻止水华蔓延的。

值得注意的是，由于光是藻类生长的必需因素，近年来国内外一些学者提出通过物理遮光方法有可能抑制藻类生长繁殖，但到目前为止，由于遮光成本过高、风浪条件恶劣、技术可操作性差等实际问题难以解决，导致相对应的水源地遮光装置的设计成为难题，使得该技术一直尚处于试验研究阶段。

综上所述，针对日益严峻的饮用水源地水华防治问题，有待于在现有技术的基础上，开发新的具有实用价值的综合性方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种防治饮用水源地富营养化水华的方法，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，同时还能够保持水体生态景观，而只需比较低廉的运行成本。

为实现这一目的，本发明将物理遮光技术与生态浮岛技术相结合，将饮用水源地划分成几个区域，利用生态浮岛区对污染水进行初步净化，去除大颗粒悬浮物质，并通过浮岛植物和吸附基质的作用去除部分氮、磷，同时消减风浪；利用第一级生态透水坝通过渗流作用引导经初步处理的水源水进入生态遮光区，同时利用生长于透水坝之上的湿生植物去除部分氮、磷；利用生态遮光区去除水中有害藻类，同时利用漂浮生长于遮光材料表面的水生植物去除剩余氮、磷；利用第二级生态透水坝通过渗流作用引导经净化的水源水进入水质稳定区；利用天然水体的自净作用在水质稳定区对水源水水质进行调理，稳定化以获得优质的水源水，供城镇自来水厂取用。

本发明的方法具体包括以下步骤：

1、将饮用水源地依次划分为生态浮岛区、第一级生态透水坝、生态遮光区、第二级生态透水坝和水质稳定区；根据日取水量、所在区域平均水深以及所需水力停留时间分别确定所述生态浮岛区、生态遮光区、水质稳定区各自所需的水面面积。其中，生态浮岛区的水力停留时间取0.1-1天，生态遮光区的水力停留时间取7-10天，水质稳定区的水力停留时间取3-5天。

2、生态浮岛区由若干前后及首尾相连的铺展于水面的生态浮岛构成，利用生态浮岛区对受污染水源水进行初步净化，去除水中大颗粒悬浮物质，通过浮岛植物和吸附基质的作用去除部分氮、磷，同时消减风浪。

3、第一级生态透水坝由砾石构建，坝身较来水的日常平均水位高0.3-0.7米，沿水流方向宽度为2-5米，坝上种植湿生植物；利用第一级生态透水坝的渗流作用，引导经初步处理的水源水进入生态遮光区，同时利用生长于透水坝之上的湿生植物去除部分氮、磷。

4、生态遮光区以遮阳网为遮光部件，若干遮阳网相连之后将其两边分别固定于第一级和第二级生态透水坝上，形成面积巨大的遮光区；遮阳网的遮光率为60％-90％，以保证夏季平均入射光强低于3000lx；遮阳网上投种浮水性水生植物；利用生态遮光区去除水中有害藻类，同时利用漂浮生长于遮光材料表面的水生植物去除剩余氮、磷。

5、第二级生态透水坝由砾石构建，坝身较来水的日常平均水位高0.3-0.7m，沿水流方向宽度为2-5米，坝上种植湿生植物；利用第二级生态透水坝的渗流作用，引导经过净化的水源水进入水质稳定区。

6、在水质稳定区内，利用天然水体的自净作用稳定水质，稳定化处理之后，水源水达到供水要求，供城镇自来水厂取用。

本发明具有显著的技术效果。本发明的创新之处在于将物理遮光技术与生态浮岛技术相结合，将具有削减氮磷功能的生态浮岛和具有显著抑藻除藻效果的生态遮光结构有机地组合，成为能够在饮用水源地大规模应用的水质净化系统，同时发挥治标和治本的功能。本发明还具有不需动力，无耗电，运行简单，单位建设成本、运行费用和管理费用低廉的显著优点，是符合我国的实际情况的饮用水源地水体保护手段。

附图说明

图1为本发明方法中对水源地划分区域治理的示意图。

图1中，1为生态浮岛区，2为第一级生态透水坝，3为生态遮光区，4为第二级生态透水坝，5为水质稳定区。

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。

本发明防治饮用水源地富营养化水华的方法具体包括如下内容：

1、首先，将水源地进行区域划分，如图1所示，饮用水源地依次划分为生态浮岛区1、第一级生态透水坝2、生态遮光区3、第二级生态透水坝4和水质稳定区5。根据日取水量、所在区域平均水深以及所需水力停留时间分别确定所述生态浮岛区1、生态遮光区3、水质稳定区5各自所需的水面面积。其中，生态浮岛区1的水力停留时间取0.1-1天，生态遮光区的水力停留时间取7-10天，水质稳定区的水力停留时间取3-5天。

设生态浮岛区1、生态遮光区3、水质稳定区5各自所需的水面面积分别为S₁、S₂、S₃，根据日取水量V，所在区域平均水深H₁、H₂、H₃，所需水力停留时间分别为T₁、T₂、T₃，则：

所述生态浮岛区1的总面积按以下公式设计：

S₁＝V/(H₁×T₁)

其中S₁为生态浮岛区总面积m²；V为日取水量m³/d；H为生态浮岛区平均水深m；T为停留时间d，取0.1-1d；

所述生态遮光区3的总面积按以下公式设计

S₂＝V/(H₂×T₂)

其中S₂为生态遮光区总面积m²；V为日取水量m³/d；H₂为生态遮光区平均水深m；T₂为停留时间d，取7-10d；

所述水质稳定区的总面积按以下公式设计

S₃＝V/(H₃×T₃)

其中S₂为水质稳定区总面积m²；V为日取水量m³/d；H₂为水质稳定区平均水深m；T₂为停留时间d，取3-5d。

2、生态浮岛区1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。

生态浮岛可沿第一级生态透水坝2投放，利用尼龙绳和木桩将生态浮岛一端固定于生态透水坝上，使浮岛不至于漂离生态浮岛区。利用生态浮岛区1，可对受污染水源的水进行初步净化，去除水中大颗粒悬浮物质，通过浮岛植物和吸附基质的作用去除部分氮、磷，同时可以起到消减风浪的作用。

3、建造第一级生态透水坝2，拦蓄并分割水体，在第一级生态透水坝2两边分别形成生态浮岛区1和生态遮光区3。第一级生态透水坝2采用砾石为基材，可堆放在由竹子制成的方型框架之中，即为工程施工所常用的竹笼，利用竹笼堆砌成透水坝。坝身较来水的日常平均水位高0.3-0.7米，沿水流方向宽度为2-5米，坝上种植湿生植物。利用第一级生态透水坝2的渗流作用，引导经初步处理的水源水进入生态遮光区3，同时利用生长于透水坝之上的湿生植物去除部分氮、磷。

4、生态遮光区3位于第一级生态透水坝2和第二级生态透水坝4之间，生态遮光区3以遮阳网为遮光部件，若干遮阳网相连之后，可以利用尼龙绳和木桩将遮阳网的两边分别固定于第一级和第二级生态透水坝上，形成面积巨大的遮光区。遮阳网的遮光率为60％-90％，以保证夏季平均入射光强低于3000lx；遮阳网上投种浮水性水生植物，如水雍菜、水芹菜、水浮莲等。利用生态遮光区3可去除水中有害藻类，同时利用漂浮生长于遮光材料表面的水生植物去除剩余氮、磷。

5、第二级生态透水坝4同样由砾石构建，拦蓄并分割水体，在第二级生态透水坝4的两边分别形成生态遮光区3和水质稳定区5。与第一级生态透水坝2类似，第二级生态透水坝4的坝身较来水的日常平均水位高0.3-0.7m，沿水流方向宽度为2-5米，坝上种植湿生植物如芦苇、茭白、香蒲等。利用第二级生态透水坝4的渗流作用，引导经过净化的水源水进入水质稳定区5。

6、在水质稳定区5内，不设置任何人工构筑物，利用天然水体的自净作用稳定水质，经过3-5天的稳定化处理之后，水质可达到水源水供水要求。

本发明采用物理遮光技术与生态浮岛技术，将饮用水源地划分成几个区域进行净化及抑制有害藻类的生长，可以获得优质的水源水，保证供水安全。如图1所示，受污染水源水先流经生态浮岛区1，通过浮岛吸附层中的造粒粉煤灰、水化硅酸钙、  沸石，人工沸石、蛭石等基质直接吸附富集水中的氮、磷，同时为浮岛植物的生长提供充足的营养盐；浮岛植物根系为有益菌群和微小动物提供有利于生长繁殖的微环境，发挥整个根系生态系的水质净化功能，同时促使来水中大颗粒悬浮物迅速沉降，防止后续透水坝的堵塞。

经过初步处理的水源水经由第一级生态透水坝2通过渗流作用引导入生态遮光区3，水源水在生态遮光区内停留时间达到七天以上，在此期间由于缺乏光照，来水中的有毒藻类将无法生长繁殖，活性大大降低，很快沉入水底并且死亡；同时在夏季水华多发的时节，阳光直射下遮光区平均温度可较来水低2℃以上，区域温度的差异使得遮光区的水体密度大于来水密度，从而促使来水在流动中下沉，这也促进了藻类的沉降死亡；此外遮阳网上生长有大量的水生植物，对水中氮、磷具有很强的吸收效果，进一步削减了水中氮磷营养盐。

经过强化净化后的水源水经由第二级生态透水坝4通过渗流作用引导入水质稳定区5，在此区域内不加任何人工强化，依靠水体本身的自净能力，主要通过大气复氧作用、沉淀作用、水生微生物分解作用对水质进行调理和稳定化，以提高水中溶解氧水平、去除微小颗粒物质。

由于在水质稳定区5内的水源水不断被取用，导致第一级生态透水坝外生态浮岛区1的自然水体、生态遮光区3的水体，以及水质稳定区5的水体之间存在水位差，这使得水源水可以经由透水坝的调节，通过渗流作用较为均匀地逐级流过生态浮岛区1、生态遮光区3和水质稳定区5。

实施例

实施例实验地点为水面面积120000m²，平均水深8m，日供水量10000m³的某小型水库，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2.7×10⁹个/L，且以有害的铜绿微囊藻为主，透明度0.1米，浊度为107°，COD为27mg/L，总氮为1.3mg/L，总磷为0.3mg/L，总体水质为V类。为改善水质，采用了本发明的方法。

依据地形特点在沿岸取水口附近建筑高为8.5m，宽为3m，总长为300m的第一级生态透水坝，透水坝采用当地砾石为基材，堆放入由竹子制成的方型框架之中，即为工程施工所常用的竹笼，利用竹笼堆砌成透水坝。拦蓄水体总水面面积为13000m²；在所拦蓄的水体内部，取水口周边建设高为8.7m，宽为3m，总长为120m的第二级生态透水坝，形成取水区，其水面面积为4500m²，生态透水坝之上种植芦苇和茭白；在第一级生态透水坝之外沿坝投放按公开号为CN1644533的专利设计的生态浮岛，形成水面面积共为600m²的生态浮岛区；在第一级和第二级生态透水坝之间铺设70张长为35m，宽为4m，遮光率为85％的遮阳网，形成水面面积为9800m²的生态遮光区，在4月初往遮阳网上投撒水雍菜籽和黑麦草籽，到6月初时植物长势良好，几乎覆盖于整个遮光区表面。

受污染水源水流经生态浮岛区时，停留时间为0.5d，出水透明度由处理前的0.1m提升至0.2m，浊度由处理前的107°下降到63°，藻类去除率为7％，COD去除率为14％，总氮去除率为10％，总磷去除率为10％。

处理出水通过渗流作用在第一级生态透水坝的导引下进入生态遮光区，停留时间为7.8d，处理后出水透明度提升至1m，浊度下降到11°，藻类去除率为91％，COD去除率为74％，总氮去除率为60％，总磷去除率为70％。

水源水经第二级生态透水坝导引入水质稳定区后，经3.6d时间稳定化后水中藻类数量为5.3×10⁶个/L，且以无害的硅藻为主，透明度达1.3米，浊度为9°，COD为2mg/L，总氮为0.3mg/L，总磷为0.06mg/L，溶解氧为9mg/L，水体水质提升到III类，满足饮用水源地水质要求。