專利名稱:用于“水華”和“赤潮”防治、給排水工藝除藻的浸沒式紫外控制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域,具體涉及用于“水華”和“赤潮”防治、給排水工藝除藻的浸沒式紫外控制方法及其裝置。本發(fā)明適用于各類富營養(yǎng)化水體如湖泊、水庫、池塘、江河、海洋等“水華”和“赤潮”的預(yù)防和控制,以及給排水工藝除藻。此外,本發(fā)明可殺滅各類水體中的病菌、病毒等各種病原體,可應(yīng)用于相應(yīng)水體的消毒,如含病原體的醫(yī)院廢水的消毒等。
背景技術(shù):
中國是一個湖泊眾多的國家之一,大于1km2的天然湖泊有2300多個,湖泊面積為70988Km2,約占全國陸地總面積的0.8%,湖泊總貯水量為7077多億立方米。近年來,我國東部、南部隨著國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,環(huán)境污染控制的措施相對滯后,不少水體負(fù)荷了超量的氮、磷和其它有機污染等營養(yǎng)物,造成湖泊富營養(yǎng)化。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,國家重點治理的“三湖”以及其它眾多湖泊和沿海海域由于水體富營養(yǎng)化造成的藻類瘋長(即“水華”和“赤潮”)呈日益嚴(yán)重之勢,其它湖泊、水庫如東湖、西湖、洞庭湖、洪湖、鄱陽湖、高郵湖、洪澤湖、于橋水庫等也不容樂觀,已出現(xiàn)藍(lán)藻大規(guī)模增生的趨勢,并且會直接影響到江河流域,如長江中游最大的支流漢江,也連年出現(xiàn)“水華”,從而改變了“水華”僅限于湖泊的傳統(tǒng)認(rèn)識。從1998年開始,這種關(guān)于藍(lán)藻水華的危機頻頻出現(xiàn),并呈迅速蔓延之勢。
爆發(fā)“水華”的湖泊當(dāng)其藻類死亡后,會腐爛分解,消耗水體大量溶解氧(DO),嚴(yán)重時使水體溶解氧消耗殆盡而呈厭氧狀態(tài),使得需氧生物難以生存,甚至導(dǎo)致水中魚類等浮游生物大批窒息死亡,造成水產(chǎn)資源和水生生態(tài)的嚴(yán)重破壞。并且這種厭氧狀態(tài),還可能觸發(fā)或者加速底泥積累的營養(yǎng)物質(zhì)釋放,造成水體營養(yǎng)物質(zhì)的更高負(fù)荷,形成富營養(yǎng)化湖泊的惡性循環(huán);同時,許多“水華”藻類還會釋放藻毒素,對人畜安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅??傊孱悺八A”危害水環(huán)境、破壞生物多樣性、降低湖泊的旅游價值、導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低,加速湖泊功能的退化,最終影響經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展。所以,中國作為湖泊眾多的國家,藻類“水華”在中國已是一個突出的環(huán)境問題,必須采取行之有效的措施進(jìn)行預(yù)防和綜合治理,遏止藻類“水華”爆發(fā),減緩湖泊富營養(yǎng)化進(jìn)程,以使水質(zhì)趨向好轉(zhuǎn),已成為當(dāng)務(wù)之急。
可見對“水華”藻類的控制是水環(huán)境保護(hù)的重要任務(wù)之一,也是當(dāng)前國內(nèi)外正在探索的難題??v觀過去20年中世界各國對“水華”防治措施,諸如廢水脫氮除磷、工業(yè)產(chǎn)品改進(jìn)(禁止含磷洗滌劑的使用)、排水改道、疏浚底泥、湖水凝聚沉淀處理、稀釋和溢流、底泥曝曬與干燥、深層排水、曝氣循環(huán)、加大水深、湖底覆蓋、土壤改良、化學(xué)殺藻、生物去除、生態(tài)系統(tǒng)控制以及生物利用等方法。其基本指導(dǎo)思想是盡量控制外源性(點源、面源)營養(yǎng)物質(zhì)輸入;削減內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì)的負(fù)荷;“水華”爆發(fā)前后應(yīng)急除藻抑藻。盡管削減污染源是根本性的措施,但由于水體污染積重難返,收效緩慢。以當(dāng)前大多數(shù)富營養(yǎng)化的水體狀況來看,“水華”爆發(fā)難以避免,一旦出現(xiàn)勢必造成重大損失,尤其是在其形成機制尚未完全揭示之前,應(yīng)急除藻措施必不可少。
應(yīng)急除藻抑藻技術(shù)是“水華”綜合防治的重要環(huán)節(jié),目前采用的主要方法包括物理法、化學(xué)法、生物法,雖然各有所長,但均有其自身的局限性,如通常使用的化學(xué)除藻劑硫酸銅、除草劑等,不僅效果不理想、成本高,而且還會影響甚至殺死其它非目標(biāo)生物,造成二次污染,所以國內(nèi)外研究者正在探索各種控制“水華”藻類生長的新方法。目前國內(nèi)對“水華”藻類的除去多采用機械捕撈法,但是對于龐大的水體這種方法作用微薄、耗資巨大,且收獲后的藻體難以利用。國家“三湖”治理中的太湖、巢湖曾投入大量的人力資金進(jìn)行“水華”藻體的捕撈,效果不明顯。總之,現(xiàn)行方法在特定條件下發(fā)揮了一定的作用,但是總得說來大多數(shù)措施往往曠日持久、耗資巨大、收效甚微,甚至造成二次污染,難以徹底解決湖泊“水華”問題,因此有必要探索清潔、高效、經(jīng)濟(jì)的新型防治技術(shù)。
目前,給排水中所用源水常常取自富營養(yǎng)化程度較高的江河、湖泊和水庫,在適宜的條件下,尤其是在高溫、晴朗的夏天,如果控制不好,會造成藻類大量滋長,干擾正常水處理,造成許多嚴(yán)重后果。主要表現(xiàn)在以下幾個方面藻類比重小,沉淀效果差;藻類帶負(fù)電,會黏附在濾料表面,使濾池的過濾周期顯著縮短,造成濾池頻繁反沖洗;藻類在代謝過程中產(chǎn)生多種嗅味,嚴(yán)重惡化水質(zhì);許多藻類會釋放藻毒素,長期攝入低濃度藻毒素會對人體產(chǎn)生危害。藻類在后續(xù)氯化消毒過程中與氯反應(yīng),生成具有致癌作用的有機氯等多種有害副產(chǎn)物。生物粘泥增多引起垢下腐蝕,導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降和設(shè)備壽命縮短,尤其是熱交換效率的降低導(dǎo)致凝結(jié)水的溫度過高,引起凝氣器真空度惡化,嚴(yán)重影響汽輪機效率。由此可見,給排水工藝的除藻,對保護(hù)設(shè)備、延長設(shè)備使用壽命、提高生產(chǎn)率、節(jié)水節(jié)能、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義,所以除藻是給排水工藝中不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一。隨著我國水環(huán)境污染和水體富營養(yǎng)化的狀況的日趨嚴(yán)重,控制與去除水中藻類是目前給排水處理領(lǐng)域中普遍關(guān)注的問題。
現(xiàn)在國內(nèi)外使用較多、較為成熟的除藻技術(shù),是利用化學(xué)藥劑對藻類進(jìn)行殺除,因其發(fā)展史較長,技術(shù)相對比較完善。目前我國現(xiàn)有的化學(xué)除藻劑有許多優(yōu)點,操作簡便、能立即見到一定成效。但缺點也很明顯,除藻劑會造成二次污染,破壞水質(zhì),加快管道腐蝕;此外,流動水體投藥時藥劑隨水流失,既增加了用藥劑量,又影響了出水水質(zhì)。
由此可見,無論是富營養(yǎng)化的湖泊、水庫、池塘、江河、海洋等大型水體,還是給排水領(lǐng)域,都面臨著藻類大量生長繁殖造成嚴(yán)重危害的難題。由于目前還未找到令人滿意的除藻方法,所以探索清潔高效的除藻技術(shù)已成為水環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域、給排水領(lǐng)域的迫切要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠用于“水華”和“赤潮”防治、給排水工藝除藻的浸沒式紫外控制方法,以克服現(xiàn)有技術(shù)之不足。本發(fā)明不僅能有效地發(fā)揮直接殺藻抑藻作用,而且可以在不外加任何化學(xué)藥劑的前提下誘發(fā)出活性氧和其它各種自由基,削減藻類光合作用的捕光復(fù)合物,產(chǎn)生間接的殺藻抑藻效應(yīng),并且這種效應(yīng)具有一定的持久性;本發(fā)明還提供了實現(xiàn)該方法的裝置。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的,一種用于“水華”和“赤潮”防治、給排水工藝除藻的浸沒式紫外控制方法,其步驟為(1)將經(jīng)防水和絕緣處理的、波長為200~400nm的n(n≥1)支水銀蒸汽石英紫外燈,浸入“水華”、“赤潮”或給排水工藝水體中藻體密集處或易生長藻處,一般浸入深度為10~100cm,啟動紫外裝置;(2)反復(fù)進(jìn)行上述過程,直至藻類、“水華”或“赤潮”消失。
上述過程中,浸入深度以10~50cm為佳,還可以在啟動燈的同時,對處理區(qū)域供給空氣。
實現(xiàn)上述方法的裝置包括n支(n≥1)波長為200~400nm的水銀蒸汽石英紫外燈,該紫外燈置于耐紫外的輕質(zhì)固定架上,兩端經(jīng)防水和絕緣處理。
本方法采用浸沒式處理方法,在“水華”等藻類爆發(fā)前后浸入水體實施控制處理,不僅能有效地發(fā)揮直接殺藻抑藻作用,而且由于富營養(yǎng)化水體中含有各種有機質(zhì)和無機離子,以及在曝氣的條件下,所以還可在不外加任何化學(xué)藥劑的前提下誘發(fā)出活性氧和其它各種自由基,削減了藻類光合作用的捕光復(fù)合物,產(chǎn)生間接的殺藻抑藻效應(yīng),并且這種效應(yīng)具有一定的持久性,因而使水體處于一種持續(xù)的抑藻狀態(tài)。另外,尚未殺死的少量藻類,由于這種持續(xù)的抑藻狀態(tài)而產(chǎn)生回避反射,即離開水表層向水深處游動,太陽光照隨水體深度的增加而逐漸減弱,光合作用強度受到抑制,生長代謝變慢。所以,通過上述的直接作用、間接作用以及持久效應(yīng)最終達(dá)到有效控制“水華”的目的。小試、中試和現(xiàn)場試驗表明本方法滅藻率高、廣譜、見效快,同時克服了傳統(tǒng)方法低效率高成本、造成二次污染的缺點。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單,操作方便。此外,本技術(shù)在實現(xiàn)“水華”或“赤潮”防治、給排水工藝除藻的同時,還能加速水體中的有機物的降解,降低其危害性。
本發(fā)明不僅可滿足上述兩大領(lǐng)域的除藻要求,而且還可殺滅各類水體中病菌、病毒等各種病原體,可用于相應(yīng)水體消毒,如攜帶病原體的醫(yī)院廢水的消毒等。
圖1為本發(fā)明方法的操作流程示意圖;圖2為本發(fā)明方法控制結(jié)果曲線圖;圖3為給排水工藝除藻現(xiàn)場試驗結(jié)果;I未經(jīng)處理 II每天處理8h;圖4為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明方法為
1.選用紫外線波長200~400nm的石英紫外燈,其中以特征波長為253.7nm的低壓水銀蒸汽石英紫外燈為佳;紫外燈管兩端采取防水和絕緣措施,將經(jīng)上述絕緣處理的紫外燈(n≥1支),呈規(guī)律排列(如燈距≥10cm)于耐紫外的輕質(zhì)固定架上。
2.將上述紫外燈浸入“水華”、“赤潮”或給排水工藝水體中藻體密集處或易生長藻處,一般浸入水體深度為10~100cm(以10~50cm為佳),并啟動此紫外裝置開始處理操作。藻體一般垂直分布于10~100cm的深度范圍內(nèi),其中以10~20cm深度范圍最為密集;就上層水體而言,隨深度增加,水體溫度降低,而低溫條件則會降低紫外燈的能量輸出,影響滅藻效果。因此,綜合以上兩個因素,在一般情況下選10~100cm浸入深度。
3.在啟動紫外燈的同時,用鼓風(fēng)機或空氣壓縮機供以空氣,供氣方向為沿?zé)艄鼙砻媛舆^,以實現(xiàn)清除裝置表面污垢、攪拌水體、曝氣等目的;同時為活性氧和各種自由基的產(chǎn)生提供條件。對本發(fā)明而言,供氣過程不是必須的,只是一種優(yōu)化的方案。
實現(xiàn)本發(fā)明方法的裝置如圖4所示,n支(n≥1)水銀蒸汽石英紫外燈,以發(fā)射C波紫外線為主,即波長為200~280nm,其特征波長為253.7nm。就生物效應(yīng)而言,以波長范圍在200~280nm的C波紫外光最強,因為蛋白質(zhì)和核酸的最大吸收峰均處在這一范圍內(nèi),所以C波紫外光滅藻效應(yīng)為佳。紫外燈兩端采取防水和絕緣措施,如可在電線連接處采用絕緣材料予以絕緣密封。將經(jīng)上述密封處理的n支紫外燈,呈規(guī)律排列(如燈距10~100cm之間)于耐紫外的輕質(zhì)固定架2上,制成浸沒式紫外控制裝置。根據(jù)具體情況選用如圖1所示的三種操作方法,即方法I由下而上照射;方法II由上而下照射;方法III上下雙向照射,其中以方法I為優(yōu)先選擇方案。
操作時將上述紫外控制裝置浸入將要或正在發(fā)生藻類生長、“水華”或“赤潮”的水體中至10~100cm(以10~50cm為佳)深處,并將其移至藻體密集的位置,啟動裝置開始處理操作。在裝置啟動的同時,用鼓風(fēng)機或空氣壓縮機供以空氣,供氣方向為沿?zé)艄鼙砻媛舆^,以實現(xiàn)清潔裝置表面污垢、攪拌水體、曝氣等目的;同時為活性氧和各種自由基的產(chǎn)生提供條件。
此浸沒式紫外控制裝置,按其操作時的運行狀態(tài),可分為兩類一種是浸沒移動式裝置,此類裝置以浸沒方式在水體中緩慢移動,例如湖泊、水庫、池塘、江河等大型水體的“水華”防治,可采用此浸沒移動式裝置;另一種是浸沒固定式裝置,以浸沒方式固定于流水中易生長藻處或藻體密集處,讓流水從此裝置流過,例如水流閘口處、給排水工藝除藻和廢水消毒等,可采用此浸沒固定式裝置。
此裝置還可以結(jié)合光電自動控制技術(shù),配置光傳感器和光控開關(guān),根據(jù)外界光強、溫度控制此浸沒式紫外裝置運行模式,以達(dá)到最佳效果、最低能耗。例如在夜間或陰雨天紫外燈管全部關(guān)閉;晴天高溫天氣時全部開啟;其它天氣狀況下,適當(dāng)調(diào)節(jié)燈管開啟的數(shù)目。
最后該技術(shù)能整合現(xiàn)代太陽能利用技術(shù),從而能將太陽光轉(zhuǎn)化為除藻滅藻、防治“水華”和“赤潮”的浸沒式紫外光,充分節(jié)約能源,其性能進(jìn)一步顯著提高,適用于各種水體高效抑藻滅藻。
溫度影響紫外光源的輻射強度。一般來說,紫外光源在40℃時紫外光輸出最強,若溫度降低或增高紫外光輸出均會減少,所以溫度過低與過高均不利。但在25~37℃范圍內(nèi),溫度對滅藻效果影響不大。
依據(jù)所需處理的給排水工藝藻類分布區(qū)域、“水華”或“赤潮”水域的大小、藻類、藻密度,以及水質(zhì)、水文、氣候、水溫等物理、化學(xué)和生物等因素,確定合適的處理強度、運行速度和時間;對于同一種藻類而言,藻密度越大,相應(yīng)的處理強度就越大,反之亦然。如此反復(fù)處理幾天,可將“水華”藻類有效地加以殺滅和抑制。
以下舉兩個實例,以便進(jìn)一步說明本技術(shù)發(fā)明用于“水華”防治、給排水工藝除藻的實際效果1.防治“水華”的模擬實驗選用功率為4W、額定電壓為220V的滅菌紫外燈3支,以發(fā)射特征波長為253.7nm的C波紫光為主,按本方法制成3套浸沒式紫外控制裝置。在25~30℃、光照2000Lx、N含量>0.3mg/L、P含量>0.02mg/L的條件下,培養(yǎng)幾種產(chǎn)生“水華”的藍(lán)藻,在進(jìn)入對數(shù)生長期后,以特征波長為253.7nm的上述紫外燈裝置分別以5kJ/(d·m2)、10kJ/(d·m2)、15kJ/(d·m2)(P功率(w);t處理時間(s);S照射表面積(m2))能量條件處理。然后測定藻細(xì)胞數(shù)量。重復(fù)三次,取平均值繪制生長曲線。例如,銅綠微囊藻的處理結(jié)果如圖2所示,紫外控制裝置處于水下10~20cm深處操作,I未經(jīng)處理;II5lJ/(d·m2)處理;III10kJ/(d·m2)處理;IV15kJ/(d·m2)處理,結(jié)果分析如下(1)以5kJ/(d·m2)處理的情況藍(lán)藻生長受到一定的抑制,但不足以全面遏制其生長。
(2)以10kJ/(d·m2)處理的情況一般經(jīng)過5~6次處理,即可有效地將藍(lán)藻殺滅和抑制,水體透明度可得到顯著提高,此效果可保持20天以上。即使20天后有所反彈,也低于處理前的水平,并可用此方法再次將其殺滅。
(3)以15kJ/(d·m2)處理的情況一般經(jīng)過5~6次處理,即可有效地將藍(lán)藻殺滅和抑制,水體透明度基本可恢復(fù)到正常水體的水平,效果理想時不會出現(xiàn)反彈現(xiàn)象;但有時于30天后會出現(xiàn)反彈,也低于處理前的水平,并可用此方法再次將其殺滅。
綜上所述,本實驗以10kJ/(d·m2)處理為佳。
本發(fā)明采用浸沒式處理方法,在“水華”爆發(fā)前后處理,每天一次,如此反復(fù)處理適當(dāng)?shù)拇螖?shù),可有效地控制藻類“水華”;而且由于富營養(yǎng)化水體中含有各種有機質(zhì)和無機離子,以及在曝氣的條件下,所以還可誘發(fā)出間接的殺藻抑藻效應(yīng),并具有一定的持久性,因而使水體處于一種持續(xù)的抑藻狀態(tài)。此外,尚未殺死少量的藻類,由于處于持續(xù)的抑藻環(huán)境而產(chǎn)生回避效應(yīng),即離開水表層向水深處游動,水深處的太陽光照隨之減弱,光合作用強度變?nèi)酰L代謝受到抑制。所以,通過上述的直接作用、間接作用以及持久效應(yīng),其效果可維持較長的時間,最終實現(xiàn)有效控制“水華”的目的。本發(fā)明適用于藍(lán)藻如微囊藻(Microcystis)、魚腥藻(Anabaena)、念珠藻(Nostoc)、束絲藻(Aphanizomenon)、腔球藻(Coelosphaerium)等,以及綠藻、硅藻、褐藻、甲藻等“水華”或“赤潮”藻類的控制,尤其適合于“水華”爆發(fā)頻繁的富營養(yǎng)化水體,具有顯著的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會效益。
2.給排水工藝除藻現(xiàn)場試驗結(jié)果選用功率為30W、額定電壓為220V的滅菌紫外燈12支,以發(fā)射特征波長為253.7nm的C波紫外線為主,按本方法制成浸沒式紫外除藻裝置。將該裝置浸入給排水工藝斜管沉淀池中的斜管附近,每天白天處理8h,晚上全部關(guān)閉,如此反復(fù)處理4次,測定藻密度,繪制生長曲線如圖3。曲線I未經(jīng)處理,曲線II每天處理8h。曲線I表明未經(jīng)處理的沉淀池中的藻生長很快;曲線II表明經(jīng)處理后,沉淀池中的藻密度迅速下降,經(jīng)4次處理后沉淀池中已基本沒有藻生長繁殖。由此可見,本發(fā)明適應(yīng)于給排工藝中的除藻處理。
以上兩例表明,與其它方法相比,本發(fā)明在“水華”防治、給排水工藝除藻方面,具有廣譜高效、見效快、節(jié)能、可完全實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點,克服了傳統(tǒng)方法低效率高成本、造成二次污染等缺點,并且具有持續(xù)的抑藻效應(yīng)。
權(quán)利要求
1.用于“水華”和“赤潮”防治、給排水工藝除藻的浸沒式紫外控制方法,其步驟為(1)將經(jīng)防水和絕緣處理的、波長為200~400nm的n(n≥1)支水銀蒸汽石英紫外燈浸入“水華”、“赤潮”或給排水工藝水體中藻體密集處或易生長藻處,一般浸入水體深度為10~100cm,當(dāng)需要除藻處理時,啟動紫外裝置;(2)反復(fù)進(jìn)行上述過程,直至藻類、“水華”或“赤潮”消失。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其特征在于在啟動燈的同時,對處理區(qū)域供給空氣,供氣方向沿?zé)艄鼙砻媛舆^。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于紫外燈的波長為200~280nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于紫外燈的特征波長為253.7nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法,其特征在于將紫外燈浸入水體中10~50cm深處。
6.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置,其特征在于該裝置包括n支(n≥1)波長為200~400nm的水銀蒸汽石英紫外燈(1),該紫外燈置于耐紫外的輕質(zhì)固定架(2)上,兩端經(jīng)防水和絕緣處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置,其特征在于所述紫外燈在輕質(zhì)固定架上的燈距在10~100cm之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置,其特征在于該裝置為移動式或固定式。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置,其特征在于該裝置上配置有光傳感器和光控開關(guān)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置,其特征在于該裝置上配置有光傳感器和光控開關(guān)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于“水華”和“赤潮”防治、給排水工藝除藻的浸沒式紫外控制方法及其裝置,其步驟為①將經(jīng)防水和絕緣處理的、波長為200~400nm的n支水銀蒸汽石英紫外燈浸入“水華”、“赤潮”或給排水工藝水體中藻體密集處或易生長藻處,一般浸入水體深度為10~100cm,處理時啟動紫外裝置;②反復(fù)進(jìn)行上述過程,直至消失。同時還可對處理區(qū)域供給空氣;③其裝置包括n支置于耐紫外的輕質(zhì)固定架上、波長為200~400nm的水銀蒸汽石英紫外燈,紫外燈兩端經(jīng)防水和絕緣處理。本方法滅藻率高、廣譜、見效快,同時克服了傳統(tǒng)方法低效率高成本、造成二次污染的缺點。裝置結(jié)構(gòu)簡單,操作方便。此外,本發(fā)明還能加速水體中的有機物的降解,降低其危害性。
文檔編號C02F1/74GK1511789SQ0315417
公開日2004年7月14日 申請日期2003年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月14日
發(fā)明者明 周, 周明, 趙開弘, 董金榮 申請人:華中科技大學(xué)