专利名称：一种抑制水系中绿藻生长的方法
技术领域：
本发明涉及抑制水系如湖泊或河流中绿藻生长的方法。
绿藻茂盛生长会造成湖泊和河流的污染问题。浮游生物的生长通常归因于富营养化。对浮游生物生态学的研究表明水中所生长的藻类品种取决于水的pH值，碱性水中为绿藻，酸性水中为硅藻或硅藻属。湖泊或河流中绿藻疯长与被污染水的pH值增加有关。本发明提出一种将湖泊或河流的水酸化来抑制绿藻生长和促进硅藻生长的方法。
背景技术：
湖泊和河流因其水组成发生改变而被污染。本发明的一个目标是一种使被污染湖泊和河流恢复到其原生态的方法。
在湖盆以花岗岩或其它晶质岩为底的山里，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范围。硅藻属是常见的浮游生物，它们在湖中会茂盛生长，在一些地方，湖水的酸性会更强。在湖水的pH值下降到5以下的地方则没有有机物，甚至没有硅藻属。湖水是晶亮的但也是无生气的。
在丘陵或平原地区，当湖盆以石灰石岩或沉积岩为底时，湖水主要为碱性。石灰石或其它碳酸盐岩石的存在会提供碳酸根离子来缓冲酸性。例如，苏黎世湖水的pH值范围从春季时的7.4左右到夏季时的8.85。在碱性湖水中，绿藻是最常见的浮游生物。对苏黎世湖、中国云南洱海及滇池的历史状况研究显示这些受污染湖泊的最显著化学变化是湖水的pH上升。苏黎世湖和洱海中水的最高pH值大于8.5而滇池则大于9。碱性增加有利于绿藻的生长和湖垩的沉积。瑞士及其它地区人士对古湖沼学的研究证实湖中所生长的浮游生物种类取决于湖水的pH。例如，在对苏黎世湖的季候纹泥进行研究时注意到硅藻骸是春天的沉积物，而沉淀有绿藻的湖垩则是夏天和秋天的沉积物。冬季纹泥常常是粘土级岩屑。浮游生物成分的改变反映了苏黎世湖水pH的变化。湖水春天对流时，底部微弱碱性的水到达表面。混合后使4月的表面水达到最低pH值约7.5。在富营养化的湖水中春天是硅藻大量繁殖的季节，因此，春天的纹泥富含硅藻骸。随着夏天的来临，硅藻停止繁殖，绿藻成为主要浮游生物。伴随方解石沉积，形成夏季纹泥中的湖垩，湖水的pH增加约10倍达到8.7或8.8。浮游生物的生长在冬季会受到抑制，一直到春天硅藻大量繁殖才再次开始纹泥沉积的年循环。
此浮游生物生态学知识构成了本发明的理论基础。确实，硅藻和绿藻的生长都需要营养，但占据优势的可能是硅藻也可能是绿藻，它们的生长取决于季节和湖水的pH。硅藻仅在春天能够繁殖。它们可以在微碱性的湖水中生长。但它们是唯一能在山湖的酸性水中生存的。在硅藻繁茂的水域中绿藻的生长受到抑制，春天也抑制绿藻生长，而在酸性水中绿藻不能生长。在受污染的湖泊中湖水变得碱性很强，甚至在本应硅藻繁茂的春天时也是如此。这是造成绿藻污染湖泊和河流的一个关键因素。
已做出大量努力企图通过降低湖水中营养物浓度来抑制绿藻的生长。这些努力并不成功。并且，若湖泊浮游生物是硅藻而不是绿藻时，营养物不一定有害。解决污染问题的关键不是营养物而是所生长的浮游生物种类。绿藻通常是不会被鱼类消耗的。将特殊种类的鱼引入滇池的做法能消耗但却不能消化掉绿藻，鱼的排泄物会形成湖中的小漂浮物造成更恶劣的污染。在绿藻生长受到抑制的天然水系中，富营养物被硅藻所消耗。硅藻是很好的鱼饲料。吃硅藻的鱼的排泄物是粪丸。因此，硅藻为主的山湖是鱼类很好的繁殖基地，因为硅藻骸和粪丸能快速沉降到湖底，故湖水通常是晶亮的。
先有技术描述湖泊和河流因绿藻生长受到生态污染。浮游生物的生长归因于使用化肥和城市发展导致的富营养化。目前提出的重点方案1.通过生态或化学处理法来控制受污染水中营养物浓度(美国专利5039427、6447681、6524487)
2.通过引入特殊的化学品、水生生物或其它外来物质来抑制目标水生生物的生长(美国专利5069717、5380762、6297193、6340468、6391201、6576594、6391619、6576674)这些已知方法的缺点是不够经济且为抑制藻类生长所引入的外来物质可能有毒和有害健康。
发明概述本发明的广义目标是提供一种抑制水系中绿藻生长，避免已知方法缺点的新方法。
出奇简单的解决方法是用二氧化碳处理水使水酸化，特别是可以使用工业产生的二氧化碳，这样不仅能清洁水质还能有净化空气的效果。
理论依据溶于天然水中的二氧化碳能使其成为很稀的碳酸，然后碳酸进一步离解为正的氢离子和负的碳酸氢根和碳酸根离子。H2CO3、HCO3-、CO32-三个物质的相对丰度受水的pH控制。在酸性水中，溶解的二氧化碳以稀碳酸H2CO3形式存在。在微酸性或微碱性水中，碳酸氢根离子HCO3-是主要的溶解物。在pH大于9的高碱性水中，CO32-变成主要物。但是，碳酸根离子的浓度还受方解石沉淀平衡的控制。当钙和碳酸根离子产物超过平衡值时就开始沉淀。碳酸盐的沉淀进一步耗减了溶解的二氧化碳并使水的碱性更高。
有机物腐烂是天然水中二氧化碳的来源。深湖湖底水的碱性低于水面的原因就是溶解有生物源产生的二氧化碳。当春天硅藻属繁茂时期湖底水被带到水面时，硅藻类浮游生物的光合作用会略微消耗一些溶解的二氧化碳来制造原生质。此时，pH上升，相应的碳酸氢根和碳酸根离子浓度会增加。当增加量微小时，水的碱性不足以引起绿藻生长。山湖的水仍保持酸性，其中绿藻很难生长而硅藻是唯一的浮游生物。同时，死硅藻的腐烂会生成生物源二氧化碳，能补偿因活硅藻光合作用所导致的二氧化碳耗减。
但是，在春末和夏季绿藻生长期湖泊pH的上升和方解石的沉淀会加剧。像硅藻一样，钙藻进行光合作用来制造原生质，造成溶解二氧化碳的耗减。这些耗减会使碳酸根离子浓度增加到微化学环境方面靠近活绿藻，其中碳酸根离子浓度增加到足以导致方解石饱和。
因绿藻生长而开始的方解石沉淀只是问题的开始。随着湖中pH值和溶解二氧化碳的降低，二氧化碳变成了以方解石形式沉淀的碳酸根离子，这样湖水中的碳酸会有更多耗减。有机物进行光合作用制造原生质所需的二氧化碳不得不由大气来提供，而这种大气二氧化碳的供应是无限量的。只有营养物的浓度成为绿藻生长的限制。在富营养的水中，生长持续进行并造成碳酸钙的进一步沉淀。此循环过程持续进行，天然水被海藻生长所污染。
营养物供应减少和完全切断时可避免海藻的生长，企图这样抑制海藻的做法并不成功。本发明指出，若在天然水中引入一种化学品使其pH发生改变，中断海藻生长-方解石沉淀-海藻生长的链式反应，例如将天然水变为酸性，就可避免方解石的沉淀。这样也就避免了因绿藻光合作用对大气二氧化碳的提取。“恶性循环”中断，结果是抑制了绿藻的生长。
发明内容
海藻生长与水pH关系的实验解释了所观察到的高碱性水中绿藻繁茂的现象。考虑到pH值是9，滇池水变成“藻汤”就不奇怪了，酸性的氢离子浓度是天然水的1/100。还做了一个加酸来抑制浮游生物的实验。例如，实验发现当加入盐酸使水的pH变为6.0或酸性更强之后滇池湖水中绿藻的生长完全停止，该实验证实了通过酸化天然水可抑制绿藻生长的理论。但是。为抑制浮游生物的生长而在大面积湖水中加入盐酸的做法并不经济可行，而且，这样加入也会有害健康。
在天然水中生长有两种常见藻类。春天温度略低且pH值不很高时硅藻生长，硅藻提取富营养水中生物源产生的二氧化碳来生成原生质和硅质骨。许多湖的春季沉积物全部是硅藻骸，这一事实表明春季的富营养化水中绿藻竞争不过硅藻。因硅藻只能在春季繁殖，夏初硅藻停止生长时，绿藻开始生长且湖垩开始沉积并持续整个夏季。绿藻成为消耗水中营养物的唯一物种。藻类的生长要提取水中溶解的二氧化碳。同位素示踪表明所耗减的二氧化碳会由大气二氧化碳来补偿。水的高pH值表明碳酸根离子占优势且因此而导致方解石沉积。
本发明提出一种通过引入二氧化碳来抑制藻类生长的方法。将湖的一个区域与湖的其余区域隔离或半隔离。例如将一个倒置的筒体固定浸入到该部分湖中，将来自岸上供应源的二氧化碳泵送到筒体中，然后泵送入的气体溶解使水与气体平衡变成酸性。pH6.5-7.5的酸化水抑制了方解石的沉积。然后可将酸化水泵送出来进一步处理。
春季酸化水中只有少量生长的藻类，可将酸化水泵送到湖中。在这样的酸化湖水中硅藻会大量繁殖且绿藻不是其竞争对手。酸化水中，营养物被硅藻耗减，甚至到夏天来临的时候，都能避免绿藻的生长。
夏天绿藻开始生长时，酸化水含有死绿藻的残骸。我们的中国专利申请号03123273.6提出通过一个能滤去残骸的集成水路循环系统的方法将藻类残骸过滤掉而使酸化水渗过。在大型城市一侧的湖中，如靠近昆明的滇池部分，过滤后的湖水可供城市消费。
城市消费后的废水通常具有大于8的高pH。改变水处理厂处理后废水的pH的工作做的很少。本发明提出废水处理过程除常用步骤外还应包括酸化过程以使处理后排入湖中的废水的pH不再是大于8而是6.5-7。这样处理的废水即使在夏季绿藻的生长也会受到抑制。
湖水酸化循环处理过程可快一步进行。当城市人口需求0.3百万立方米/天的供应量时，酸化水的循环速度可以是100百万立方米/天。照这样的方法，即使一个10亿立方米的湖也能在10年内通过抑制绿藻生长而清洁完毕。
二氧化碳是最常见的由化石燃料如煤和油燃烧产生的废气。二氧化碳的另一个来源是石灰燃烧制造水泥过程。
当本方法用于处理受污染的湖泊时，优选有一个不准工业产生的二氧化碳由装置和工厂直接排放到大气的强制法规。化石燃料的燃烧和石灰燃烧所产生的二氧化碳要收集起来用于酸化受污染的湖泊。这样的法规不仅能使二氧化碳用于清洁受污染的湖泊，而且将二氧化碳转为对水酸化处理的方法还能减少因温室效应气体所导致的大气污染和减轻地球的温室效应。
权利要求
1.一种抑制水系如湖泊或河流中绿藻生长的方法，包括用二氧化碳处理水使水酸化。
2.按权利要求1的方法，包括将处理后的废水在排放入湖泊或河流之前用二氧化碳进行处理。
3.按权利要求1或2的方法，其中用来处理水的二氧化碳是工业产生的废气。
4.按权利要求1或2的方法，其中用来处理水的二氧化碳产生于化石燃料或石灰的燃烧过程。
5.按权利要求1的方法，其中要将经处理酸化后的含死藻残骸的水过滤来用于城市供水。
6.按权利要求1的方法，其中要将死藻残骸从处理后的水中滤出并燃烧用来生产化学肥料。
全文摘要
一种抑制水系如湖泊或河流中绿藻生长的方法，包括将二氧化碳、优选工业产生的二氧化碳引入要处理的水中，从而使水酸化并抑制绿藻生长及促进硅藻生长。二氧化碳可以是工业过程所产生。这种将这些工业产生的气体用于酸化水的处理方法可起到清洁水同时使空气净化的作用。
文档编号C02F1/66GK1787972SQ03826672
公开日2006年6月14日 申请日期2003年7月17日 优先权日2003年7月17日
发明者许靖华 申请人:许靖华