專利名稱：一種防治“水華”和“赤潮”的浸入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)境保護領(lǐng)域，具體涉及一種防治“水華”和“赤潮”的浸入式紫外控制方法及其裝置，它適用于各類富營養(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。
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)成嚴重的威脅?？傊?，藻類“水華”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(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行“水華”藻體的捕撈，效果不明顯?？傊F(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)濟的新型防治技術(shù)。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，一種防治“水華”和“赤潮”的浸入式紫外控制方法，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體中“水華”或“赤潮”的藻體密集處，至10～40cm深處，啟動紫外裝置；(2)間斷進行上述過程，直至“水華”或“赤潮”消失。
上述過程中，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)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。
本方法采用浸入式處理方法，在“水華”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)化湖泊含有各種有機質(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)最終達到有效控制“水華”的目的。實驗室模擬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，本發(fā)明在實現(xiàn)控制“水華”或“赤潮”泛濫的同時，還能加速水體中的有機物的降解，降低其危害性。
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(燈距在10cm至100cm之間)于耐紫外的輕質(zhì)固定架上。
2.將上述紫外燈浸入將要或正在發(fā)生“水華”或“赤潮”的水體中，至10~40cm深處(以10~20cm為佳)，并將其移至藻體密集的位置，啟動裝置開始處理操作。藻體一般垂直分布于10~40cm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10~40cm。
3.在啟動紫外燈的同時，可用鼓風(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3所示，n只(n≥1)支水銀蒸汽石英紫外燈1，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短石英管予以絕緣密封。將經(jīng)上述密封處理的n支紫外燈，呈規(guī)律排列(如燈距在10cm至100cm之間)于耐紫外的輕質(zhì)固定架2上，制成浸入式紫外控制裝置。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“水華”或“赤潮”的水體中至10~40cm(以10~20cm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。
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“水華”或“赤潮”水域的大小、“水華”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。例如，根據(jù)模擬試驗，每天每平方米水面注入10kJ能量，可以有效抑制與除去“水華”。
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套浸入式紫外控制裝置。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”的藍藻，在進入對數(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II5kJ/(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。
綜上所述，本實驗以10kJ/(d·m2)處理為佳。
本發(fā)明采用浸入式處理方法，在“水華”爆發(fā)前后5~8天之內(nèi)處理，每天一次，如此反復(fù)處理3~7次，一般殺滅率在95％以上，而且由于富營養(yǎng)化湖泊含有各種有機質(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)?，生長代謝受到抑制。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20天以上，最終實現(xiàn)有效控制“水華”的目的。與其它方法相比，本方法具有廣譜高效、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)，適用于藍藻如微囊藻(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、社會效益。
權(quán)利要求
1.一種防治“水華”和“赤潮”的浸入式紫外控制方法，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體中“水華”或“赤潮”的藻體密集處，至10~40cm深處，啟動紫外裝置；(2)間斷進行上述過程，直至“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、2或3所述的方法，其特征在于將紫外燈浸入水體中10～20cm深處。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的方法，其特征在于n只紫外燈之間的燈距在10cm至100cm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于n只紫外燈之間的燈距在10cm至100之間。
8.一種實現(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)置于耐紫外的輕質(zhì)固定架(2)上、波長為200~400nm的水銀蒸汽石英紫外燈(1)，紫外燈兩端經(jīng)防水和絕緣處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求7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10cm至100cm之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求7、8或9所述的裝置，其特征在于所述紫外燈兩端與電線連接處用短石英管絕緣密封。
全文摘要
一種防治“水華”和“赤潮”的浸入式紫外控制方法，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體中“水華”或“赤潮”的藻體密集處，至10～40cm深處，啟動紫外裝置；(2)在啟動燈的同時，對處理區(qū)域供給空氣；(3)間斷進行上述過程，直至“水華”或“赤潮”消失。其裝置包括n支(n≥1)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。本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。此外，本發(fā)明在實現(xiàn)控制“水華”和“赤潮”泛濫的同時，還能加速水體中的有機物的降解，降低其危害性。
文檔編號C02F1/32GK1410360SQ0213928
公開日2003年4月16日 申請日期2002年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月14日
發(fā)明者周明, 董金榮, 趙開弘 申請人:華中科技大學(xué)