朱喜、朱云:异龙湖劣Ⅴ类水质被禁锢超16年金刚石碳纳米电子技术将其提升为Ⅴ类析
添加时间:2024-01-08 09:44:49 作者:朱喜、朱云
来源:水利天下
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异龙湖劣Ⅴ类水质被禁锢超16年
金刚石碳纳米电子技术将其提升为Ⅴ类
朱 喜1 朱 云2
(1.无锡市水利学会.原无锡市蓝藻办顾问;2.无锡市水利工程管理中心)
异龙湖是云南九大高原湖泊之一,水污染严重。多年来,虽经多方努力治理,但劣Ⅴ类水质的状况并未得到改变。在2022年底至2023年,采取了金铎禹辰金刚石薄膜碳纳米电子水土蓝藻三合一专用技术治理异龙湖后,取得良好的阶段性成果,一次性整体消除了已超十六年之久的劣Ⅴ类水质。这是我国大中小型湖泊水污染治理史上的一件典型案例。相信今后相类似的湖库均能在相对较短时间内得到较好较快的治理。将明显加快我国大中小型湖泊水库及相关河道的治理进程,全面消除劣Ⅴ类水质,并逐步提升至Ⅲ类。
图1 异龙湖 |
1 异龙湖概况
异龙湖(图1)位于云南省红河州石屏县、滇池以南200余公里;有大小入湖河流20条,入湖河流中的城河有常年流水,其余一般均是季节性河道;湖泊经长山谷汇入南盘江,入珠江;异龙湖流域面积360 km2,汇水面积24km2;水面积36km2,其水面积大小根据来水量的多少会有所变化,其平均水深2-3 m,最大水深7m。
2 治理前污染状况
⑴ 治理前污染严重。污染严重包括水体、底泥和蓝藻爆发的3类污染。在发生太湖供水危机后的2007年开始出版的云南省环境质量公报中,异龙湖水质当时为劣Ⅴ类,直至2022年的16年或更长时间内,水质一直为劣Ⅴ类,虽费尽心思,采取多类方法多种技术治理,但近几年仍无法消除劣Ⅴ类,始终达不到年度考核目标Ⅴ类。
⑵ 异龙湖的水质距最终目标Ⅲ类差3个等级。主要是COD超标,TP、TN、 CODMn等其他均有程度不等的超标。
⑶ 异龙湖的底泥污染很严重。底泥深,有机质和其他污染物质的含量高。
⑷ 异龙湖的藻密度近年夏季达到6000-9000万个/L,爆发程度严重,主要是拟柱胞藻(非微囊藻类型)为主的蓝藻爆发,爆发时大部分蓝藻位于水体上中层和上层,而非集中位于水面。
3 污染原因
污染原因总体是外源入湖多,内源释放多。异龙湖存在底泥、蓝藻和水体的三重污染。其中底泥和蓝藻是最主要的内源污染。
3.1 外源入湖多
异龙湖位于石屏县城下游,所以城市产生的生活污水及其污水处理厂的尾水常年通过城河排放入湖,入湖河道周围的农田径流大量入湖。城河入湖口水域的水质COD 常常超过100mg/L,甚至达到480mg/L。
3.2 底泥深污染严重
⑴ 底泥有2m 深,大量释放污染负荷。上层浮泥在大风和波浪的物理作用下和生物扰动条件下极易悬浮,释放污染物,其中表层有机质浓度在140-350 g/kg,表层15cm以下底泥有机质含量在100-130g/kg之间。
⑵ 底泥污染物的来源:① 外源污染物经河道入湖沉淀;② 河道自身污染物和泥沙入湖沉淀;③ 降雨降尘入湖沉淀;④ 蓝藻持续爆发后藻类的残体堆积于底泥;⑤ 死亡植物的堆积。湖泊曾经数次干涸或接近干涸,长满植物,湖泊来水后植物死亡成为底泥。如1981年4月曾全湖干涸,2013年又连续干旱接近干涸,湖床上长满植物,后成为淤泥的主要组成部分。
3.3 COD劣Ⅴ类居高不下原因
近几年异龙湖水质COD一般持续在55-80mg/L之间波动运行,想方设法都没有能够将其降下来。原因:① 严重底泥污染,大量释放有机污染物质,特别是刮大风天气底泥污染物质的悬浮率特别高,还有鱼类等动物扰动底泥悬浮;② 高藻密度至大量蓝藻死亡增加有机污染物质;③ 下大雨时将外源入湖大量有机污染物质带入湖,等。
3.4 蓝藻长期持续爆发污染严重
蓝藻长期持续爆发原因:由于异龙湖在九大高原湖泊中高程最低;气温较高,一般年份四季蓝藻均可生长繁殖以致爆发;湖泊小,水浅,蓄水少仅0.9亿m3,导致风浪小和水动力条件差;长期富营养化,生境有利于蓝藻种源快速生长繁殖。蓝藻主要为非微囊藻类的拟柱胞藻,蓝藻主要是浮游于水体上层或上中层,水面上不很多,整个水体呈暗黄色(图2)。
4 采用金刚石薄膜碳纳米电子水土蓝藻三合一专用技术治理异龙湖水体
治理异龙湖的原则是采取双减措施,减少外源污染负荷入湖和减少内源的存量。其中减少内源存量措施的最佳选择是采用金刚石薄膜碳纳米电子水土蓝藻三合一专用技术。
4.1 技术原理
金刚石薄膜碳纳米电子技术是水土蓝藻三合一专用治理技术,可以同时治理水体污染,底泥污染和蓝藻爆发污染。其治理原理:该技术以纳米金刚石电极材料为核心,利用材料的负电子亲和势性能,在弱电场的驱动下向水中释放大量低能电子,使水中络合物离散,形成微纳米颗粒,其中以碳为骨架的纳米点,能高效吸收巨大的太阳光清洁能源,通过光解和光催化消解水体中各类污染物,经过脱毒的胶体和络合物能够成为水生物的饵料,激活土著微生物群,恢复水体自净功能,增强自然修复水生态系统的能力,丰富生物多样性。
4.2 技术优势
1.该技术能同时实现“水体·底泥·蓝藻”三者共治。可同时完成治理水体、底泥和蓝藻污染的任务,可同时实现远程遥控。
2.是物理型技术,无需添加化学制剂和微生物,无二次污染。
3.清除底泥污染速度快、效率高和效果好,是原位清淤,仅清除底泥中有机污染物质,不占用土地资源,不损毁和扰动底栖的动物和植物。
4.可通过激活土著微生物群,壮大水生动物种群和沉水植物群落。
5适用于大面积的较浅水体,包括大中小型湖泊、水库和主要河道。
6.具有低能耗、高适应性的优势,具有较低的投入和运行成本,“水体·底泥·蓝藻”三者同时治理较三者的分别单独治理要节省投入和运行费用60%以上。
4.3 治理过程
异龙湖治理内源主要是降低原有污染负荷的存量,其原则是优先清除淤泥有机污染,减少释放污染负荷;削减、降低藻密度,减轻蓝藻爆发程度;同时有效治理水体污染,提升水质。
从2022年12月始采用金刚石薄膜纳米电子三合一专用技术设备全面整体治理异龙湖水域,按有效治理水域面积0.3km2/台套设备进行配置,先后投入120台套设备,并实现集中控制,适时维修。设备配置后,底泥中的土著微生物群落得到有效发展,生物多样性丰富,以碱性磷酸酶为主的包括脲酶,蔗糖酶等活性物质消除底泥污染物质的能力增加,逐步消除底泥的有机污染物质,减轻底泥的污染负荷释放率;逐步降低蓝藻密度,减轻蓝藻的爆发程度;使融入水体的污染负荷逐步减少,水质得到有效提升。
5 治理效果
经过1年的治理取得明显的阶段性效果:
⑴ 削减底泥有机污染物质污染
由于治理设备使底泥微生物活性大大增强,底泥表层水解酶含量增加,氧化还原酶增加,微生物消解底泥有机污染物的能力大大增强,致有效削减了异龙湖2m深淤泥上层的有机污染物质含量(易释放污染物部分)的49%—89%;底泥中的总有机碳下降25%、TP下降 78%、TN下降 60%;且清除有机淤泥的方式是原位清除,不需堆泥场,不损毁底栖动物和沉水植物。
⑵ 藻密度明显降低
有效降低异龙湖泛滥成灾的以拟柱胞藻为主的蓝藻密度,藻密度从2022年底4500万个/L、高峰时的9000万个/L,降低至2023年底1600-2500万个/L,削减率为65-75%;2023年底与治理初期的最小值对比,藻密度下降 57%;叶绿素含量有较大幅度的下降;随之非微囊藻类蓝藻的爆发程度得到有效减轻(图2)。
⑶ 水质提升、消除劣Ⅴ类
由于底泥污染负荷释放率降低、蓝藻污染负荷减轻,由于表层水体有益微生物活性增加和丰富了微生物的生物多样性,分解水体有机污染物的能力增加,致水体中污染负荷得到有效削减,使水质得到阶段性的较大幅度的改善。
① 异龙湖水质由劣Ⅴ类提升为Ⅴ类。异龙湖水质为超16年(2007年前-2022年)的劣Ⅴ类、多年年度考核目标Ⅴ类均不合格的状况,经治理被突破,提升为Ⅴ类。COD、TP、TN均得到不同程度的提升,终于达到V类水质。
② COD从多年持续劣Ⅴ类提升为Ⅴ类。COD从多年持续劣Ⅴ类(平均63mg/L,有些水域个别时间曾经达到100-400mg/L),提升至2023年底的Ⅴ类(平均37.8mg/L)。
③ TP从Ⅴ类提升为Ⅲ类。TP从2023年4月初的平均Ⅴ类(0.155mg/L),4月21日高峰时的劣Ⅴ类(0.32mg/L),提升至年底的平均Ⅲ类(0.047mg/L)。
④ TN从劣Ⅴ类提升为Ⅳ类。2023年4月初的劣Ⅴ类(3.4mg/L),提升至年底的平均Ⅳ类(1.05mg/L)。
⑤ 透明度提高3倍。透明度从2023年初的25cm提高至年底的70cm(图3)。
⑷ 水质继续呈提升趋势
根据监测得到的水质指标曲线图和调查分析,水质正继续呈提升趋势。估计再经1-3年的深入治理,包括其他相关治理措施的配合,异龙湖水质能达到平均Ⅲ类。
6 今后治理
⑴ 治理最终目标为全面达到Ⅲ类和消除蓝藻爆发。
⑵ 继续实行双减措施。总结经验教训,有力推进河湖长制。用控源截污措施继续削减外源污染负荷,关键是加大污水处理能力和污水厂提标至湖泊水质目标Ⅲ类;同时加大治理其他点源的力度,加大治理种植业等面源的力度;继续采用金刚石薄膜碳纳米电子水土蓝藻三合一专用技术治理湖体水域,继续消除底泥污染,削减其污染负荷的释放;继续削减藻密度,减轻拟柱胞藻类型的蓝藻爆发程度。使异龙湖水质逐步达到Ⅳ类,最终达到Ⅲ类;并完全消除拟柱胞藻为主的蓝藻爆发。
⑶ 经1-3年继续深入治理,当清除底泥有机污染物超过100cm时,清除有机污染后剩余的无机底泥成为底泥上部的原位覆盖层,可进一步自然有效阻止下层底泥释放有机污染物。
⑷异龙湖为浅水湖泊,可在相当水域修复生态恢复湿地,湿地面积达到其水面积的一半以上。恢复湿地的关键是改善生境,包括合适的透明度、营养程度、底质、底面高程和减小风浪,等。
⑸实施调水,科学调蓄,节约用水,使湖泊不干枯。
7 展望
深入治理异龙湖,在加强控源截污措施的基础上,采用金刚石薄膜碳纳米电子水土蓝藻三合一专用技术治理异龙湖水体,异龙湖水质必能在3-5年内全面达到Ⅲ类,稍后一点时间可全面消除蓝藻爆发。同时由于修复生态恢复湿地,使异龙湖水体的自我净化水体能力和自我修复生态的能力得到加强,以后可以确保水质持续达到Ⅲ类,保持蓝藻持续不爆发。
进一步研究水土蓝藻三合一专用技术与其他技术的组合,形成水土蓝藻三合一的集成技术,更可提高水土蓝藻三合一技术的治理效果和治理速度,更有利于在湖泊水库治理水环境的事业中得到推广。
采用金刚石薄膜碳纳米电子水土蓝藻三合一专用技术治理异龙湖水域的经验为全国治理此类湖泊和水库等水体的污染树立了典型。可在全国条件相类似湖泊水库进行推广,根据具体情况,可实行一次性整体治理或实行分水域治理,污染严重和规模大的水体可实行分阶段实行。
此技术可以在云南省九大高原湖泊中的大部分湖泊得到推广,如杞麓湖(37.3km2,现水质劣Ⅴ类)、星云湖(34.7km2,Ⅴ类)、滇池(310km2,Ⅴ-劣Ⅴ类,其中草海10km2,劣Ⅴ类)、洱海(249km2的部分,Ⅲ-Ⅱ类),等湖泊,使湖泊水质最终达到Ⅲ类目标,其中洱海达到Ⅱ类(地表水环境质量标准GB3838-2002,下同)。
此技术可在全国大中小型湖泊,如太湖的竺山湖(63km2,水质为劣Ⅴ类(2022年,下同))、太湖西部水域上游河网区湖泊如东氿(5.7km2)、西氿(10.7km2)、团氿(4.5km2)和滆湖(166.7km2)、长荡湖(86.7km2),等推广,在“引江济太”望虞河经过的漕湖(9.1km2)、鹅真荡(5.2km2)、嘉陵荡(1.2km2)推广,使水质的各项指标全面达到Ⅲ类,有利于太湖水质全面达到Ⅲ类(其中东部水域Ⅱ类)。
此技术可在巢湖的西巢湖(200km2,Ⅳ-Ⅴ类)推广,分阶段达到Ⅲ类,等;可在河北、北京等北方区域相当多水库湖泊或主要河道推广,因其底泥多、TN浓度高(如海河流域的大黑顶水库2023年9月5日的TN为4.32mg/L,但有关部门的总评为Ⅱ类;南淝河2021-2022年TN为5.88-6.01mg/L,但总评为Ⅳ类);可在全国其他条件相类似湖泊水库推广,在适宜的大中型河道进行推广。
金刚石薄膜碳纳米电子水土蓝藻三合一专用治理技术能够有力促进全国的湖泊水库和河道水环境的治理进程、提高治理效果和节约总体投入及运行费用,并加快治理速度,使中国的湖泊水库和主要河道均能够成为美丽的青山绿水。