專利名稱：一種抑制水系中綠藻生長的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及抑制水系如湖泊或河流中綠藻生長的方法。
綠藻茂盛生長會造成湖泊和河流的污染問題。浮游生物的生長通常歸因于富營養(yǎng)化。對浮游生物生態(tài)學(xué)的研究表明水中所生長的藻類品種取決于水的pH值，堿性水中為綠藻，酸性水中為硅藻或硅藻屬。湖泊或河流中綠藻瘋長與被污染水的pH值增加有關(guān)。本發(fā)明提出一種將湖泊或河流的水酸化來抑制綠藻生長和促進硅藻生長的方法。
背景技術(shù)：
湖泊和河流因其水組成發(fā)生改變而被污染。本發(fā)明的一個目標是一種使被污染湖泊和河流恢復(fù)到其原生態(tài)的方法。
在湖盆以花崗巖或其它晶質(zhì)巖為底的山里，湖水是接近中性或微酸性的。pH值低于7，通常是在5.5-6.5范圍。硅藻屬是常見的浮游生物，它們在湖中會茂盛生長，在一些地方，湖水的酸性會更強。在湖水的pH值下降到5以下的地方則沒有有機物，甚至沒有硅藻屬。湖水是晶亮的但也是無生氣的。
在丘陵或平原地區(qū)，當湖盆以石灰石巖或沉積巖為底時，湖水主要為堿性。石灰石或其它碳酸鹽巖石的存在會提供碳酸根離子來緩沖酸性。例如，蘇黎世湖水的pH值范圍從春季時的7.4左右到夏季時的8.85。在堿性湖水中，綠藻是最常見的浮游生物。對蘇黎世湖、中國云南洱海及滇池的歷史狀況研究顯示這些受污染湖泊的最顯著化學(xué)變化是湖水的pH上升。蘇黎世湖和洱海中水的最高pH值大于8.5而滇池則大于9。堿性增加有利于綠藻的生長和湖堊的沉積。瑞士及其它地區(qū)人士對古湖沼學(xué)的研究證實湖中所生長的浮游生物種類取決于湖水的pH。例如，在對蘇黎世湖的季候紋泥進行研究時注意到硅藻骸是春天的沉積物，而沉淀有綠藻的湖堊則是夏天和秋天的沉積物。冬季紋泥常常是粘土級巖屑。浮游生物成分的改變反映了蘇黎世湖水pH的變化。湖水春天對流時，底部微弱堿性的水到達表面?；旌虾笫?月的表面水達到最低pH值約7.5。在富營養(yǎng)化的湖水中春天是硅藻大量繁殖的季節(jié)，因此，春天的紋泥富含硅藻骸。隨著夏天的來臨，硅藻停止繁殖，綠藻成為主要浮游生物。伴隨方解石沉積，形成夏季紋泥中的湖堊，湖水的pH增加約10倍達到8.7或8.8。浮游生物的生長在冬季會受到抑制，一直到春天硅藻大量繁殖才再次開始紋泥沉積的年循環(huán)。
此浮游生物生態(tài)學(xué)知識構(gòu)成了本發(fā)明的理論基礎(chǔ)。確實，硅藻和綠藻的生長都需要營養(yǎng)，但占據(jù)優(yōu)勢的可能是硅藻也可能是綠藻，它們的生長取決于季節(jié)和湖水的pH。硅藻僅在春天能夠繁殖。它們可以在微堿性的湖水中生長。但它們是唯一能在山湖的酸性水中生存的。在硅藻繁茂的水域中綠藻的生長受到抑制，春天也抑制綠藻生長，而在酸性水中綠藻不能生長。在受污染的湖泊中湖水變得堿性很強，甚至在本應(yīng)硅藻繁茂的春天時也是如此。這是造成綠藻污染湖泊和河流的一個關(guān)鍵因素。
已做出大量努力企圖通過降低湖水中營養(yǎng)物濃度來抑制綠藻的生長。這些努力并不成功。并且，若湖泊浮游生物是硅藻而不是綠藻時，營養(yǎng)物不一定有害。解決污染問題的關(guān)鍵不是營養(yǎng)物而是所生長的浮游生物種類。綠藻通常是不會被魚類消耗的。將特殊種類的魚引入滇池的做法能消耗但卻不能消化掉綠藻，魚的排泄物會形成湖中的小漂浮物造成更惡劣的污染。在綠藻生長受到抑制的天然水系中，富營養(yǎng)物被硅藻所消耗。硅藻是很好的魚飼料。吃硅藻的魚的排泄物是糞丸。因此，硅藻為主的山湖是魚類很好的繁殖基地，因為硅藻骸和糞丸能快速沉降到湖底，故湖水通常是晶亮的。
先有技術(shù)描述湖泊和河流因綠藻生長受到生態(tài)污染。浮游生物的生長歸因于使用化肥和城市發(fā)展導(dǎo)致的富營養(yǎng)化。目前提出的重點方案1.通過生態(tài)或化學(xué)處理法來控制受污染水中營養(yǎng)物濃度(美國專利5039427、6447681、6524487)
2.通過引入特殊的化學(xué)品、水生生物或其它外來物質(zhì)來抑制目標水生生物的生長(美國專利5069717、5380762、6297193、6340468、6391201、6576594、6391619、6576674)這些已知方法的缺點是不夠經(jīng)濟且為抑制藻類生長所引入的外來物質(zhì)可能有毒和有害健康。
發(fā)明概述本發(fā)明的廣義目標是提供一種抑制水系中綠藻生長，避免已知方法缺點的新方法。
出奇簡單的解決方法是用二氧化碳處理水使水酸化，特別是可以使用工業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳，這樣不僅能清潔水質(zhì)還能有凈化空氣的效果。
理論依據(jù)溶于天然水中的二氧化碳能使其成為很稀的碳酸，然后碳酸進一步離解為正的氫離子和負的碳酸氫根和碳酸根離子。H2CO3、HCO3-、CO32-三個物質(zhì)的相對豐度受水的pH控制。在酸性水中，溶解的二氧化碳以稀碳酸H2CO3形式存在。在微酸性或微堿性水中，碳酸氫根離子HCO3-是主要的溶解物。在pH大于9的高堿性水中，CO32-變成主要物。但是，碳酸根離子的濃度還受方解石沉淀平衡的控制。當鈣和碳酸根離子產(chǎn)物超過平衡值時就開始沉淀。碳酸鹽的沉淀進一步耗減了溶解的二氧化碳并使水的堿性更高。
有機物腐爛是天然水中二氧化碳的來源。深湖湖底水的堿性低于水面的原因就是溶解有生物源產(chǎn)生的二氧化碳。當春天硅藻屬繁茂時期湖底水被帶到水面時，硅藻類浮游生物的光合作用會略微消耗一些溶解的二氧化碳來制造原生質(zhì)。此時，pH上升，相應(yīng)的碳酸氫根和碳酸根離子濃度會增加。當增加量微小時，水的堿性不足以引起綠藻生長。山湖的水仍保持酸性，其中綠藻很難生長而硅藻是唯一的浮游生物。同時，死硅藻的腐爛會生成生物源二氧化碳，能補償因活硅藻光合作用所導(dǎo)致的二氧化碳耗減。
但是，在春末和夏季綠藻生長期湖泊pH的上升和方解石的沉淀會加劇。像硅藻一樣，鈣藻進行光合作用來制造原生質(zhì)，造成溶解二氧化碳的耗減。這些耗減會使碳酸根離子濃度增加到微化學(xué)環(huán)境方面靠近活綠藻，其中碳酸根離子濃度增加到足以導(dǎo)致方解石飽和。
因綠藻生長而開始的方解石沉淀只是問題的開始。隨著湖中pH值和溶解二氧化碳的降低，二氧化碳變成了以方解石形式沉淀的碳酸根離子，這樣湖水中的碳酸會有更多耗減。有機物進行光合作用制造原生質(zhì)所需的二氧化碳不得不由大氣來提供，而這種大氣二氧化碳的供應(yīng)是無限量的。只有營養(yǎng)物的濃度成為綠藻生長的限制。在富營養(yǎng)的水中，生長持續(xù)進行并造成碳酸鈣的進一步沉淀。此循環(huán)過程持續(xù)進行，天然水被海藻生長所污染。
營養(yǎng)物供應(yīng)減少和完全切斷時可避免海藻的生長，企圖這樣抑制海藻的做法并不成功。本發(fā)明指出，若在天然水中引入一種化學(xué)品使其pH發(fā)生改變，中斷海藻生長-方解石沉淀-海藻生長的鏈式反應(yīng)，例如將天然水變?yōu)樗嵝?，就可避免方解石的沉淀。這樣也就避免了因綠藻光合作用對大氣二氧化碳的提取?！皭盒匝h(huán)”中斷，結(jié)果是抑制了綠藻的生長。

發(fā)明內(nèi)容
海藻生長與水pH關(guān)系的實驗解釋了所觀察到的高堿性水中綠藻繁茂的現(xiàn)象?？紤]到pH值是9，滇池水變成“藻湯”就不奇怪了，酸性的氫離子濃度是天然水的1/100。還做了一個加酸來抑制浮游生物的實驗。例如，實驗發(fā)現(xiàn)當加入鹽酸使水的pH變?yōu)?.0或酸性更強之后滇池湖水中綠藻的生長完全停止，該實驗證實了通過酸化天然水可抑制綠藻生長的理論。但是。為抑制浮游生物的生長而在大面積湖水中加入鹽酸的做法并不經(jīng)濟可行，而且，這樣加入也會有害健康。
在天然水中生長有兩種常見藻類。春天溫度略低且pH值不很高時硅藻生長，硅藻提取富營養(yǎng)水中生物源產(chǎn)生的二氧化碳來生成原生質(zhì)和硅質(zhì)骨。許多湖的春季沉積物全部是硅藻骸，這一事實表明春季的富營養(yǎng)化水中綠藻競爭不過硅藻。因硅藻只能在春季繁殖，夏初硅藻停止生長時，綠藻開始生長且湖堊開始沉積并持續(xù)整個夏季。綠藻成為消耗水中營養(yǎng)物的唯一物種。藻類的生長要提取水中溶解的二氧化碳。同位素示蹤表明所耗減的二氧化碳會由大氣二氧化碳來補償。水的高pH值表明碳酸根離子占優(yōu)勢且因此而導(dǎo)致方解石沉積。
本發(fā)明提出一種通過引入二氧化碳來抑制藻類生長的方法。將湖的一個區(qū)域與湖的其余區(qū)域隔離或半隔離。例如將一個倒置的筒體固定浸入到該部分湖中，將來自岸上供應(yīng)源的二氧化碳泵送到筒體中，然后泵送入的氣體溶解使水與氣體平衡變成酸性。pH6.5-7.5的酸化水抑制了方解石的沉積。然后可將酸化水泵送出來進一步處理。
春季酸化水中只有少量生長的藻類，可將酸化水泵送到湖中。在這樣的酸化湖水中硅藻會大量繁殖且綠藻不是其競爭對手。酸化水中，營養(yǎng)物被硅藻耗減，甚至到夏天來臨的時候，都能避免綠藻的生長。
夏天綠藻開始生長時，酸化水含有死綠藻的殘骸。我們的中國專利申請?zhí)?3123273.6提出通過一個能濾去殘骸的集成水路循環(huán)系統(tǒng)的方法將藻類殘骸過濾掉而使酸化水滲過。在大型城市一側(cè)的湖中，如靠近昆明的滇池部分，過濾后的湖水可供城市消費。
城市消費后的廢水通常具有大于8的高pH。改變水處理廠處理后廢水的pH的工作做的很少。本發(fā)明提出廢水處理過程除常用步驟外還應(yīng)包括酸化過程以使處理后排入湖中的廢水的pH不再是大于8而是6.5-7。這樣處理的廢水即使在夏季綠藻的生長也會受到抑制。
湖水酸化循環(huán)處理過程可快一步進行。當城市人口需求0.3百萬立方米/天的供應(yīng)量時，酸化水的循環(huán)速度可以是100百萬立方米/天。照這樣的方法，即使一個10億立方米的湖也能在10年內(nèi)通過抑制綠藻生長而清潔完畢。
二氧化碳是最常見的由化石燃料如煤和油燃燒產(chǎn)生的廢氣。二氧化碳的另一個來源是石灰燃燒制造水泥過程。
當本方法用于處理受污染的湖泊時，優(yōu)選有一個不準工業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳由裝置和工廠直接排放到大氣的強制法規(guī)?；剂系娜紵褪胰紵a(chǎn)生的二氧化碳要收集起來用于酸化受污染的湖泊。這樣的法規(guī)不僅能使二氧化碳用于清潔受污染的湖泊，而且將二氧化碳轉(zhuǎn)為對水酸化處理的方法還能減少因溫室效應(yīng)氣體所導(dǎo)致的大氣污染和減輕地球的溫室效應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種抑制水系如湖泊或河流中綠藻生長的方法，包括用二氧化碳處理水使水酸化。
2.按權(quán)利要求1的方法，包括將處理后的廢水在排放入湖泊或河流之前用二氧化碳進行處理。
3.按權(quán)利要求1或2的方法，其中用來處理水的二氧化碳是工業(yè)產(chǎn)生的廢氣。
4.按權(quán)利要求1或2的方法，其中用來處理水的二氧化碳產(chǎn)生于化石燃料或石灰的燃燒過程。
5.按權(quán)利要求1的方法，其中要將經(jīng)處理酸化后的含死藻殘骸的水過濾來用于城市供水。
6.按權(quán)利要求1的方法，其中要將死藻殘骸從處理后的水中濾出并燃燒用來生產(chǎn)化學(xué)肥料。
全文摘要
一種抑制水系如湖泊或河流中綠藻生長的方法，包括將二氧化碳、優(yōu)選工業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳引入要處理的水中，從而使水酸化并抑制綠藻生長及促進硅藻生長。二氧化碳可以是工業(yè)過程所產(chǎn)生。這種將這些工業(yè)產(chǎn)生的氣體用于酸化水的處理方法可起到清潔水同時使空氣凈化的作用。
文檔編號C02F1/66GK1787972SQ03826672
公開日2006年6月14日 申請日期2003年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月17日
發(fā)明者許靖華 申請人:許靖華