专利名称：用于“水华”和“赤潮”防治、给排水工艺除藻的浸没式紫外控制方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属于水环境保护领域，具体涉及用于“水华”和“赤潮”防治、给排水工艺除藻的浸没式紫外控制方法及其装置。本发明适用于各类富营养化水体如湖泊、水库、池塘、江河、海洋等“水华”和“赤潮”的预防和控制，以及给排水工艺除藻。此外，本发明可杀灭各类水体中的病菌、病毒等各种病原体，可应用于相应水体的消毒，如含病原体的医院废水的消毒等。
背景技术：
中国是一个湖泊众多的国家之一，大于1km2的天然湖泊有2300多个，湖泊面积为70988Km2，约占全国陆地总面积的0.8％，湖泊总贮水量为7077多亿立方米。近年来，我国东部、南部随着国民经济高速发展，环境污染控制的措施相对滞后，不少水体负荷了超量的氮、磷和其它有机污染等营养物，造成湖泊富营养化。随着经济的高速发展，国家重点治理的“三湖”以及其它众多湖泊和沿海海域由于水体富营养化造成的藻类疯长(即“水华”和“赤潮”)呈日益严重之势，其它湖泊、水库如东湖、西湖、洞庭湖、洪湖、鄱阳湖、高邮湖、洪泽湖、于桥水库等也不容乐观，已出现蓝藻大规模增生的趋势，并且会直接影响到江河流域，如长江中游最大的支流汉江，也连年出现“水华”，从而改变了“水华”仅限于湖泊的传统认识。从1998年开始，这种关于蓝藻水华的危机频频出现，并呈迅速蔓延之势。
爆发“水华”的湖泊当其藻类死亡后，会腐烂分解，消耗水体大量溶解氧(DO)，严重时使水体溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存，甚至导致水中鱼类等浮游生物大批窒息死亡，造成水产资源和水生生态的严重破坏。并且这种厌氧状态，还可能触发或者加速底泥积累的营养物质释放，造成水体营养物质的更高负荷，形成富营养化湖泊的恶性循环；同时，许多“水华”藻类还会释放藻毒素，对人畜安全构成严重的威胁。总之，藻类“水华”危害水环境、破坏生物多样性、降低湖泊的旅游价值、导致水生生态系统的稳定性降低，加速湖泊功能的退化，最终影响经济和社会的可持续发展。所以，中国作为湖泊众多的国家，藻类“水华”在中国已是一个突出的环境问题，必须采取行之有效的措施进行预防和综合治理，遏止藻类“水华”爆发，减缓湖泊富营养化进程，以使水质趋向好转，已成为当务之急。
可见对“水华”藻类的控制是水环境保护的重要任务之一，也是当前国内外正在探索的难题。纵观过去20年中世界各国对“水华”防治措施，诸如废水脱氮除磷、工业产品改进(禁止含磷洗涤剂的使用)、排水改道、疏浚底泥、湖水凝聚沉淀处理、稀释和溢流、底泥曝晒与干燥、深层排水、曝气循环、加大水深、湖底覆盖、土壤改良、化学杀藻、生物去除、生态系统控制以及生物利用等方法。其基本指导思想是尽量控制外源性(点源、面源)营养物质输入；削减内源性营养物质的负荷；“水华”爆发前后应急除藻抑藻。尽管削减污染源是根本性的措施，但由于水体污染积重难返，收效缓慢。以当前大多数富营养化的水体状况来看，“水华”爆发难以避免，一旦出现势必造成重大损失，尤其是在其形成机制尚未完全揭示之前，应急除藻措施必不可少。
应急除藻抑藻技术是“水华”综合防治的重要环节，目前采用的主要方法包括物理法、化学法、生物法，虽然各有所长，但均有其自身的局限性，如通常使用的化学除藻剂硫酸铜、除草剂等，不仅效果不理想、成本高，而且还会影响甚至杀死其它非目标生物，造成二次污染，所以国内外研究者正在探索各种控制“水华”藻类生长的新方法。目前国内对“水华”藻类的除去多采用机械捕捞法，但是对于庞大的水体这种方法作用微薄、耗资巨大，且收获后的藻体难以利用。国家“三湖”治理中的太湖、巢湖曾投入大量的人力资金进行“水华”藻体的捕捞，效果不明显。总之，现行方法在特定条件下发挥了一定的作用，但是总得说来大多数措施往往旷日持久、耗资巨大、收效甚微，甚至造成二次污染，难以彻底解决湖泊“水华”问题，因此有必要探索清洁、高效、经济的新型防治技术。
目前，给排水中所用源水常常取自富营养化程度较高的江河、湖泊和水库，在适宜的条件下，尤其是在高温、晴朗的夏天，如果控制不好，会造成藻类大量滋长，干扰正常水处理，造成许多严重后果。主要表现在以下几个方面藻类比重小，沉淀效果差；藻类带负电，会黏附在滤料表面，使滤池的过滤周期显著缩短，造成滤池频繁反冲洗；藻类在代谢过程中产生多种嗅味，严重恶化水质；许多藻类会释放藻毒素，长期摄入低浓度藻毒素会对人体产生危害。藻类在后续氯化消毒过程中与氯反应，生成具有致癌作用的有机氯等多种有害副产物。生物粘泥增多引起垢下腐蚀，导致换热效率下降和设备寿命缩短，尤其是热交换效率的降低导致凝结水的温度过高，引起凝气器真空度恶化，严重影响汽轮机效率。由此可见，给排水工艺的除藻，对保护设备、延长设备使用寿命、提高生产率、节水节能、提高经济效益具有重要意义，所以除藻是给排水工艺中不可缺少的重要环节之一。随着我国水环境污染和水体富营养化的状况的日趋严重，控制与去除水中藻类是目前给排水处理领域中普遍关注的问题。
现在国内外使用较多、较为成熟的除藻技术，是利用化学药剂对藻类进行杀除，因其发展史较长，技术相对比较完善。目前我国现有的化学除藻剂有许多优点，操作简便、能立即见到一定成效。但缺点也很明显，除藻剂会造成二次污染，破坏水质，加快管道腐蚀；此外，流动水体投药时药剂随水流失，既增加了用药剂量，又影响了出水水质。
由此可见，无论是富营养化的湖泊、水库、池塘、江河、海洋等大型水体，还是给排水领域，都面临着藻类大量生长繁殖造成严重危害的难题。由于目前还未找到令人满意的除藻方法，所以探索清洁高效的除藻技术已成为水环境保护领域、给排水领域的迫切要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够用于“水华”和“赤潮”防治、给排水工艺除藻的浸没式紫外控制方法，以克服现有技术之不足。本发明不仅能有效地发挥直接杀藻抑藻作用，而且可以在不外加任何化学药剂的前提下诱发出活性氧和其它各种自由基，削减藻类光合作用的捕光复合物，产生间接的杀藻抑藻效应，并且这种效应具有一定的持久性；本发明还提供了实现该方法的装置。
为实现上述发明目的，一种用于“水华”和“赤潮”防治、给排水工艺除藻的浸没式紫外控制方法，其步骤为(1)将经防水和绝缘处理的、波长为200～400nm的n(n≥1)支水银蒸汽石英紫外灯，浸入“水华”、“赤潮”或给排水工艺水体中藻体密集处或易生长藻处，一般浸入深度为10～100cm，启动紫外装置；(2)反复进行上述过程，直至藻类、“水华”或“赤潮”消失。
上述过程中，浸入深度以10～50cm为佳，还可以在启动灯的同时，对处理区域供给空气。
实现上述方法的装置包括n支(n≥1)波长为200～400nm的水银蒸汽石英紫外灯，该紫外灯置于耐紫外的轻质固定架上，两端经防水和绝缘处理。
本方法采用浸没式处理方法，在“水华”等藻类爆发前后浸入水体实施控制处理，不仅能有效地发挥直接杀藻抑藻作用，而且由于富营养化水体中含有各种有机质和无机离子，以及在曝气的条件下，所以还可在不外加任何化学药剂的前提下诱发出活性氧和其它各种自由基，削减了藻类光合作用的捕光复合物，产生间接的杀藻抑藻效应，并且这种效应具有一定的持久性，因而使水体处于一种持续的抑藻状态。另外，尚未杀死的少量藻类，由于这种持续的抑藻状态而产生回避反射，即离开水表层向水深处游动，太阳光照随水体深度的增加而逐渐减弱，光合作用强度受到抑制，生长代谢变慢。所以，通过上述的直接作用、间接作用以及持久效应最终达到有效控制“水华”的目的。小试、中试和现场试验表明本方法灭藻率高、广谱、见效快，同时克服了传统方法低效率高成本、造成二次污染的缺点。本发明装置结构简单，操作方便。此外，本技术在实现“水华”或“赤潮”防治、给排水工艺除藻的同时，还能加速水体中的有机物的降解，降低其危害性。
本发明不仅可满足上述两大领域的除藻要求，而且还可杀灭各类水体中病菌、病毒等各种病原体，可用于相应水体消毒，如携带病原体的医院废水的消毒等。
图1为本发明方法的操作流程示意图；图2为本发明方法控制结果曲线图；图3为给排水工艺除藻现场试验结果；I未经处理 II每天处理8h；图4为本发明装置的结构示意图。
具体实施例方式
本发明方法为
1.选用紫外线波长200～400nm的石英紫外灯，其中以特征波长为253.7nm的低压水银蒸汽石英紫外灯为佳；紫外灯管两端采取防水和绝缘措施，将经上述绝缘处理的紫外灯(n≥1支)，呈规律排列(如灯距≥10cm)于耐紫外的轻质固定架上。
2.将上述紫外灯浸入“水华”、“赤潮”或给排水工艺水体中藻体密集处或易生长藻处，一般浸入水体深度为10～100cm(以10～50cm为佳)，并启动此紫外装置开始处理操作。藻体一般垂直分布于10～100cm的深度范围内，其中以10～20cm深度范围最为密集；就上层水体而言，随深度增加，水体温度降低，而低温条件则会降低紫外灯的能量输出，影响灭藻效果。因此，综合以上两个因素，在一般情况下选10～100cm浸入深度。
3.在启动紫外灯的同时，用鼓风机或空气压缩机供以空气，供气方向为沿灯管表面掠过，以实现清除装置表面污垢、搅拌水体、曝气等目的；同时为活性氧和各种自由基的产生提供条件。对本发明而言，供气过程不是必须的，只是一种优化的方案。
实现本发明方法的装置如图4所示，n支(n≥1)水银蒸汽石英紫外灯，以发射C波紫外线为主，即波长为200～280nm，其特征波长为253.7nm。就生物效应而言，以波长范围在200～280nm的C波紫外光最强，因为蛋白质和核酸的最大吸收峰均处在这一范围内，所以C波紫外光灭藻效应为佳。紫外灯两端采取防水和绝缘措施，如可在电线连接处采用绝缘材料予以绝缘密封。将经上述密封处理的n支紫外灯，呈规律排列(如灯距10～100cm之间)于耐紫外的轻质固定架2上，制成浸没式紫外控制装置。根据具体情况选用如图1所示的三种操作方法，即方法I由下而上照射；方法II由上而下照射；方法III上下双向照射，其中以方法I为优先选择方案。
操作时将上述紫外控制装置浸入将要或正在发生藻类生长、“水华”或“赤潮”的水体中至10～100cm(以10～50cm为佳)深处，并将其移至藻体密集的位置，启动装置开始处理操作。在装置启动的同时，用鼓风机或空气压缩机供以空气，供气方向为沿灯管表面掠过，以实现清洁装置表面污垢、搅拌水体、曝气等目的；同时为活性氧和各种自由基的产生提供条件。
此浸没式紫外控制装置，按其操作时的运行状态，可分为两类一种是浸没移动式装置，此类装置以浸没方式在水体中缓慢移动，例如湖泊、水库、池塘、江河等大型水体的“水华”防治，可采用此浸没移动式装置；另一种是浸没固定式装置，以浸没方式固定于流水中易生长藻处或藻体密集处，让流水从此装置流过，例如水流闸口处、给排水工艺除藻和废水消毒等，可采用此浸没固定式装置。
此装置还可以结合光电自动控制技术，配置光传感器和光控开关，根据外界光强、温度控制此浸没式紫外装置运行模式，以达到最佳效果、最低能耗。例如在夜间或阴雨天紫外灯管全部关闭；晴天高温天气时全部开启；其它天气状况下，适当调节灯管开启的数目。
最后该技术能整合现代太阳能利用技术，从而能将太阳光转化为除藻灭藻、防治“水华”和“赤潮”的浸没式紫外光，充分节约能源，其性能进一步显著提高，适用于各种水体高效抑藻灭藻。
温度影响紫外光源的辐射强度。一般来说，紫外光源在40℃时紫外光输出最强，若温度降低或增高紫外光输出均会减少，所以温度过低与过高均不利。但在25～37℃范围内，温度对灭藻效果影响不大。
依据所需处理的给排水工艺藻类分布区域、“水华”或“赤潮”水域的大小、藻类、藻密度，以及水质、水文、气候、水温等物理、化学和生物等因素，确定合适的处理强度、运行速度和时间；对于同一种藻类而言，藻密度越大，相应的处理强度就越大，反之亦然。如此反复处理几天，可将“水华”藻类有效地加以杀灭和抑制。
以下举两个实例，以便进一步说明本技术发明用于“水华”防治、给排水工艺除藻的实际效果1.防治“水华”的模拟实验选用功率为4W、额定电压为220V的灭菌紫外灯3支，以发射特征波长为253.7nm的C波紫光为主，按本方法制成3套浸没式紫外控制装置。在25～30℃、光照2000Lx、N含量＞0.3mg/L、P含量＞0.02mg/L的条件下，培养几种产生“水华”的蓝藻，在进入对数生长期后，以特征波长为253.7nm的上述紫外灯装置分别以5kJ/(d·m2)、10kJ/(d·m2)、15kJ/(d·m2)(P功率(w)；t处理时间(s)；S照射表面积(m2))能量条件处理。然后测定藻细胞数量。重复三次，取平均值绘制生长曲线。例如，铜绿微囊藻的处理结果如图2所示，紫外控制装置处于水下10～20cm深处操作，I未经处理；II5lJ/(d·m2)处理；III10kJ/(d·m2)处理；IV15kJ/(d·m2)处理，结果分析如下(1)以5kJ/(d·m2)处理的情况蓝藻生长受到一定的抑制，但不足以全面遏制其生长。
(2)以10kJ/(d·m2)处理的情况一般经过5～6次处理，即可有效地将蓝藻杀灭和抑制，水体透明度可得到显著提高，此效果可保持20天以上。即使20天后有所反弹，也低于处理前的水平，并可用此方法再次将其杀灭。
(3)以15kJ/(d·m2)处理的情况一般经过5～6次处理，即可有效地将蓝藻杀灭和抑制，水体透明度基本可恢复到正常水体的水平，效果理想时不会出现反弹现象；但有时于30天后会出现反弹，也低于处理前的水平，并可用此方法再次将其杀灭。
综上所述，本实验以10kJ/(d·m2)处理为佳。
本发明采用浸没式处理方法，在“水华”爆发前后处理，每天一次，如此反复处理适当的次数，可有效地控制藻类“水华”；而且由于富营养化水体中含有各种有机质和无机离子，以及在曝气的条件下，所以还可诱发出间接的杀藻抑藻效应，并具有一定的持久性，因而使水体处于一种持续的抑藻状态。此外，尚未杀死少量的藻类，由于处于持续的抑藻环境而产生回避效应，即离开水表层向水深处游动，水深处的太阳光照随之减弱，光合作用强度变弱，生长代谢受到抑制。所以，通过上述的直接作用、间接作用以及持久效应，其效果可维持较长的时间，最终实现有效控制“水华”的目的。本发明适用于蓝藻如微囊藻(Microcystis)、鱼腥藻(Anabaena)、念珠藻(Nostoc)、束丝藻(Aphanizomenon)、腔球藻(Coelosphaerium)等，以及绿藻、硅藻、褐藻、甲藻等“水华”或“赤潮”藻类的控制，尤其适合于“水华”爆发频繁的富营养化水体，具有显著的环境、经济、社会效益。
2.给排水工艺除藻现场试验结果选用功率为30W、额定电压为220V的灭菌紫外灯12支，以发射特征波长为253.7nm的C波紫外线为主，按本方法制成浸没式紫外除藻装置。将该装置浸入给排水工艺斜管沉淀池中的斜管附近，每天白天处理8h，晚上全部关闭，如此反复处理4次，测定藻密度，绘制生长曲线如图3。曲线I未经处理，曲线II每天处理8h。曲线I表明未经处理的沉淀池中的藻生长很快；曲线II表明经处理后，沉淀池中的藻密度迅速下降，经4次处理后沉淀池中已基本没有藻生长繁殖。由此可见，本发明适应于给排工艺中的除藻处理。
以上两例表明，与其它方法相比，本发明在“水华”防治、给排水工艺除藻方面，具有广谱高效、见效快、节能、可完全实现自动控制等优点，克服了传统方法低效率高成本、造成二次污染等缺点，并且具有持续的抑藻效应。
权利要求
1.用于“水华”和“赤潮”防治、给排水工艺除藻的浸没式紫外控制方法，其步骤为(1)将经防水和绝缘处理的、波长为200～400nm的n(n≥1)支水银蒸汽石英紫外灯浸入“水华”、“赤潮”或给排水工艺水体中藻体密集处或易生长藻处，一般浸入水体深度为10～100cm，当需要除藻处理时，启动紫外装置；(2)反复进行上述过程，直至藻类、“水华”或“赤潮”消失。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在启动灯的同时，对处理区域供给空气，供气方向沿灯管表面掠过。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于紫外灯的波长为200～280nm。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于紫外灯的特征波长为253.7nm。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于将紫外灯浸入水体中10～50cm深处。
6.一种实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于该装置包括n支(n≥1)波长为200～400nm的水银蒸汽石英紫外灯(1)，该紫外灯置于耐紫外的轻质固定架(2)上，两端经防水和绝缘处理。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述紫外灯在轻质固定架上的灯距在10～100cm之间。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于该装置为移动式或固定式。
9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于该装置上配置有光传感器和光控开关。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于该装置上配置有光传感器和光控开关。
全文摘要
本发明公开了一种用于“水华”和“赤潮”防治、给排水工艺除藻的浸没式紫外控制方法及其装置，其步骤为①将经防水和绝缘处理的、波长为200～400nm的n支水银蒸汽石英紫外灯浸入“水华”、“赤潮”或给排水工艺水体中藻体密集处或易生长藻处，一般浸入水体深度为10～100cm，处理时启动紫外装置；②反复进行上述过程，直至消失。同时还可对处理区域供给空气；③其装置包括n支置于耐紫外的轻质固定架上、波长为200～400nm的水银蒸汽石英紫外灯，紫外灯两端经防水和绝缘处理。本方法灭藻率高、广谱、见效快，同时克服了传统方法低效率高成本、造成二次污染的缺点。装置结构简单，操作方便。此外，本发明还能加速水体中的有机物的降解，降低其危害性。
文档编号C02F1/74GK1511789SQ0315417
公开日2004年7月14日 申请日期2003年8月15日 优先权日2002年11月14日
发明者明 周, 周明, 赵开弘, 董金荣 申请人:华中科技大学