第一章绪论
我国多数湖泊和水库存在不同程度的水体富营养化问题，氮磷营养物质超标严重会导致藻类暴发，产生水华，对水生生态系统健康造成严重威胁，这已成为制约我国经济社会可持续发展和影响国家水安全的重大“瓶颈”问题。湖库水体更新速度缓慢，一旦遭受污染，极难通过自净能力将污染物降至可接受的水平，而且湖库富营养化问题成因复杂，污染物种类多，通过单一技术难以有效解决。在当前水生态文明建设的新形势下，亟需研发高效经济的湖库污染物原位治理新技术和新装备。
本章概述我国湖库富营养现状及带来的问题、富营养化污染物去除技术和富营养化水体原位治理技术，基于已有技术的不足构建多技术协同的移动式水质净化思路，分析移动式水质净化技术的难点，提出本书的成果结构及逻辑关系。
1.1 湖库富营养化现状及带来的问题
湖泊是地球上重要的淡水蓄积库，与人类的生产、生活密切相关，具有重要的社会、生态功能。水库是防洪广泛采用的工程措施之一，可起到拦洪蓄水、调节水流、灌溉、供水、发电、养鱼等作用。随着社会发展，人民生活水平不断提高，越来越多的含有氮磷等营养物质的污水被排放到受纳水体中，使湖库呈现出不同程度的水体富营养化。湖泊和水库作为我国重要的饮用水水源地，面临着水体污染、水资源短缺和水生态破坏严重等一系列水环境问题，水体富营养化问题尤为突出。近年来我国的湖库治理已取得一些进展，但成效并不显著，尤其是藻类水华的暴发强度与频次仍然很高，进一步的治理仍面临着巨大的挑战（刘永等，2021）。
1.1.1 现状
水体富营养化是全球共同面临的挑战，自20世纪90年代以来，拉丁美洲、非洲和亚洲超过50%的河流出现病原菌（如粪大肠菌等）污染和有机污染加剧的现象，有近33%的河流出现盐度污染加剧的现象（Gordon et al.，2016）。美国国家环境保护局数据显示，在美国超过35%的湖泊氮含量超标、超过40%的湖泊磷含量超标，有10%的湖泊被划分为贫营养型、35%为中营养型、34%为富营养型、21%为超富营养型，超过40%的河流、小溪呈富营养状态（USEPA，2016）。
我国湖库众多，常年水面面积在1km2以上的湖泊共2865个，总水域面积7.89×104km2，包括1594个淡水湖、945个咸水湖、166个盐湖、160个其他类型湖泊（王敏等，2022）。根据《2020中国生态环境状况公报》，2020年开展水质监测的112个重要湖泊（水库）中，I～III类水质的湖泊（水库）占76.8%，劣V类水质的湖泊占5.4%，主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数；开展营养状态监测的110个重要湖泊（水库）中，贫营养状态占9.1%，中营养状态占61.8%，轻度富营养状态占23.6%，中度富营养状态占4.5%，重度富营养状态占0.9%。其中：太湖和巢湖为轻度污染、轻度富营养状态；滇池为轻度污染、中度富营养状态；丹江口水库和洱海水质为优、中度富营养状态；白洋淀为轻度污染、轻度富营养状态。
1.1.2 问题
湖库水体富营养化会导致藻类暴发，严重影响水体的可用性，破坏水生生态系统平衡，甚至危害人类健康。近年来滇池、太湖、巢湖等大型湖库蓝藻水华暴发事件时有发生，给社会生产、人民生活造成重大影响。例如，2007年夏季，太湖发生了严重的蓝藻水华，造成了整个无锡市市民的饮水困难，在国内外产生了巨大的影响（Guo，2007）。湖库富营养化带来的严重问题包括：破坏水生生态系统、威胁饮用水供水安全、影响水产养殖业和旅游业。
1.破坏水生生态系统
富营养化是导致水生生态系统退化的主要因素，水体富营养化导致生物多样性减少，生态系统的结构与功能严重退化。水体中营养盐达到一定阈值时，往往会导致浮游藻类的异常增殖，从而引起“水华”，使得水体透明度下降，抑制沉水植物的生长；浮游藻类死亡又消耗大量的氧气，会导致包括鱼类在内的大量水生动物因缺氧而死亡；浮游藻类大量生长还会引起湖水pH上升，促进沉积物营养盐的释放；一些浮游藻类如铜绿微囊藻还会产生微囊藻毒素（microcystins，MCs），对其他生物的生存及人类的健康产生威胁。随着富营养化水平提高，滤食性鱼类密度往往增加，而肉食性鱼类数量往往会减少，当滤食性鱼类增多时会使浮游动物捕食的压力增大，导致浮游动物尤其是大个体的浮游动物密度降低，从而引起浮游动物对浮游藻类的牧食压力降低，导致浮游藻类密度继续增加，水体进一步恶化（Jeppesen et al.，2000；Persson et al.，1991）。
2.威胁饮用水供水安全
富营养化水体发生藻类水华时，会给当地自来水厂带来一系列负面影响。过量的藻类会堵塞自来水厂过滤池，降低过滤效率，需要改善和增加过滤措施，从而增加净水成本（Alum et al.，2008）。同时，水华会消耗水中的溶解氧（dissolved oxygen，DO），富营养化水体往往由于缺氧而产生硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害物质，而某些藻类也分泌一些藻毒素，在制水过程中引起饮用水水质下降，增加了水处理的技术难度。此外，水华水体富含铁，会在水管中形成铁锈，产生所谓“红水”，使自来水功能丧失（Alum et al.，2008）。微囊藻是湖泊、水库、池塘等富营养化水体中*常见的水华蓝藻，也是微囊藻毒素的主要生产者（Massey et al.，2018）。微囊藻毒素是一类具有生物活性的环状七肽化合物，结构中存在环状结构和间隔双键，因而具有较高的稳定性，不易被降解（Bouaicha et al.，2019）。到目前为止，已有200多种MCs异构体被鉴定出来（张孝进等，2021）。MCs进入生物体后会靶向攻击肝细胞，通过抑制蛋白磷酸酶的活性，诱发肝细胞坏死（Buratti et al.，2017）。西方国家已经禁止将富营养化水体作为饮用水源（Wilson et al.，2006）。
3.影响水产养殖业和旅游业
在富营养化水体中，水生生物的群落、种类结构发生变化，一些耐污种的个体数猛增。相反，一些非耐污种数量减少甚至消失，一些经济水产种类（如优质鱼类）也会大量减少甚至消失，而低劣种类会有所增加，使得水产养殖的经济效益大幅下降（Read et al.，2003）。同时，水体一旦发生富营养化，因藻类大量繁殖，水体透明度下降，水质浑浊，水面藻类聚集，臭味弥漫，严重影响湖库的旅游观光，丧失旅游价值。云南滇池曾是水质恶化、自然景观遭到破坏的典型实例（冯宁等，2010）。
1.2 湖库富营养化治理技术
富营养化湖库水体中的主要污染物包括氮磷营养盐及藻类。对于氮磷营养盐治理，现有技术主要针对氨氮和总磷，两者均为《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中的基本项目，是湖库水体水质评价的重要指标。本节概述富营养化水体氨氮、总磷和藻类的去除技术及富营养化水体原位治理技术。
1.2.1 富营养化污染物去除技术
1.氨氮去除技术
氨氮是水环境中氮的主要形态之一，是导致水体富营养化的重要物质之一，当氨氮质量浓度超过0.2 mg/L会对水生生物产生毒害作用（李伊晗等，2021）。氨氮容易引起水体中藻类及大量微生物加速繁殖，给自来水处理带来困难，造成饮用水中存在异味。氨氮在硝化细菌的作用下，氨氧化为硝酸盐及亚硝酸盐，若饮用水中存在大量的硝酸盐，会诱发婴儿的高铁血红蛋白血症，而亚硝酸盐经过水解后所生成的亚硝胺，具有较强的致癌性，严重威胁着人类的身体健康（李宏等，2013）。目前，去除氨氮的方法主要有物理法、化学法、生物法等。
1）物理法
（1）沸石吸附。沸石是一种价廉且丰富易得的多孔性矿物材料。沸石去除氨氮主要是利用沸石对阳离子的选择交换能力。沸石粉具有比颗粒沸石更多的外表面积，因此对具有更多的吸附和交换点位。氨氮初始质量浓度为2.5mg/L，当沸石粉投加量在2.0g/L时，沸石粉对氨氮的去除率超过50％；沸石粉投加量低于l.0g/L时，氨氮去除率不足20%，且投加沸石粉法很难将水中氨氮质量浓度降低到0.5mg/L（II类水限值）以下（郑涵等，2013），因此该方法较适用于景观水体、非生活饮用水源的湖泊水库中氨氮的去除。
（2）沸石和水化硅酸钙混合滤柱吸附。水化硅酸钙是一种具有强除磷能力的晶种。研究选用粒径为3～5cm的水化硅酸钙颗粒和天然沸石，磷酸盐初始质量浓度为0.13～0.15mg/L，氨氮初始质量浓度为2.0～2.5mg/L，设置滤速为0.7m/d、1.4m/d、4.2m/d、16.8m/d。研究结果表明：单一的水化硅酸钙填充滤柱对磷酸盐有良好的吸附作用，而且抗负荷变化能力较强，但对氨氮的去除能力十分有限；单一沸石填充滤柱对磷酸盐吸附效果良好，且比较稳定，但明显低于含有水化硅酸钙的滤柱对磷酸盐的去除率；沸石和水化硅酸钙比例为1︰1的混合滤柱对氨氮和磷酸盐去除效果*好，磷酸盐*高去除率可达98.46%，氨氮去除率*高可达82.43%（董阳等，2012）。该方法可用于富营养化水体、生活饮用水源地等微污染水体中氮磷的去除。
（3）曝气复氧技术。曝气复氧技术是一种快速、高效、简便易行的污染水体治理技术，适合于湖泊、河流、城市景观水体的异位生态净化、原位循环生态净化、水体驱动和增氧（李玲等，2009）。曝气复氧既可以有效去除水体中的黑臭物质、改善水质，又可以提高水体中的溶解氧含量，强化水体的自净功能，促进水体生态系统的恢复（徐续等，2006）。德国梅塞尔（MESSER）集团开发的微气泡纯氧曝气技术，将微孔曝气和纯氧曝气的优点结合起来，广泛应用于污染河流的曝气复氧，由于设备简单可靠、不产生噪声和对流态不形成扰动等优点，适合于具有旅游景观功能的市区河道的治理（凌晖等，1999）。
2）化学法
（1）电化学氧化法。电化学氧化法净水是由电氧化法与化学氧化法共同完成，该方法能使水中的污染物生成不溶于水的沉淀物，或生成气体从水中逸出，从而使废水得以净化，具有环保、效率高、二次污染少等优点。该方法在净水厂使用较多，如自来水厂、污水处理厂。电化学氧化过程中，氨氮去除率与氨氮的初始浓度无关；随着电流密度的增大，氨氮去除率和能耗增加；高Cl-浓度或中性条件有利于氨氮的去除（曾次元等，2006）。
（2）折点氯化法。折点氯化法是将氯气或次氯酸钠通入污水中，将废水中的氨氮氧化成氮气的化学脱氮工艺。当氯气通入水中达到某一点时，水中游离氯含量*低，氨的浓度降为零，当氯气通入量超过该点时，水中的游离氯就会增多，该点称为折点，该状态下的氯化称为折点氯化（黄海明等，2008）。该方法处理后的水在排放前一般需要用活性炭或二氧化硫进行反氯化，以去除水中残留的氯。该方法的处理效率达90%～100%，处理效果稳定，不受水温影响；其缺点在于运行费用高，副产物氯胺和氯化有机物可能会造成二次污染（黄军等，2013）。
3）生物法
（1）生物滤池法。曝气生物滤池法是一种集过滤、生物吸附、生物氧化于一体的新型水处理技术，较多用于工业废水、城市污水处理，该方法处理效果受温度、pH等因素的影响（张敏等，2011），较少用于湖泊水库的氮磷去除。
（2）硝化反硝化法。硝化反硝化脱氮是通过微生物参与一系列反应使得氨氮在反应过程中被氧化降解成氮气从而去除。反应过程中首先进行氨化反应：在氧气较为充足的环境下，通过氨化细菌的作用，氨氮通过部分有机物氧化而成；之后在厌氧条件下通过亚硝酸细菌的作用将氨氮转化为亚硝态氮；再进行硝化反应，在充足的氧气环境中通过硝化细菌的作用，亚硝态氮被转化为硝态氮；*后进行反硝化反应，硝态氮在缺氧的环境中，在反硝化细菌的作用下被转化为氮气排出（Fdz-Polanco et al.，1994）。目前硝化反硝化原理应用比较多的工艺有氧化沟、缺氧好氧（anaerobic oxic，AO）、序批式活性污泥法（sequencing batch reactor activated sludge process，SBR）等。
（3）碳纤维净化技术。碳纤维（carbon fiber，CF）净水产品具有较高的
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