氢氧化镁对水质、底质改良的研究与应用

黄永强，游小艇，杨 铭

(福建省福州市海洋与渔业技术中心， 福建 福州 350026)

氢氧化镁对水质、底质改良的研究与应用

黄永强，游小艇，杨 铭

(福建省福州市海洋与渔业技术中心， 福建 福州 350026)

近年，沿海各地区水产养殖业发展迅速。由于内湾海区海水循环交换能力较弱，黑臭底泥的长期堆积，导致养殖水体水质和底质进一步恶化，然而这种问题普遍存在于封闭式或半封闭式水域环境中。对此，氢氧化镁作为水质、底质改良剂被应用于水环境的治理。本文概述了氢氧化镁的作用机理，包括氢氧化镁与悬浮颗粒物的静电、对氮磷的降解及对硫化氢的降解等作用；同时介绍了氢氧化镁在海水养殖场、淡水湖泊和水库、水华防控、赤潮防控及废水处理中的研究与应用；展望了氢氧化镁和纳米级氢氧化镁在水体环境领域的应用前景。

氢氧化镁；水质、底质改良剂；水体环境；水华；赤潮；废水

纯氢氧化镁，化学式为Mg(OH)2，为无色六方晶系或白色粉末，晶粒尺寸小，比表面积大，颗粒之间凝聚性强。氢氧化镁产品主要有料浆状、滤饼状和粉末状三种类型[1]。目前，氢氧化镁的制备方法主要有煅烧菱镁矿法、煅烧白云石法、海卤水石灰法、海卤水氨法、海卤水氢氧化钠法、氯化镁热解法等。近年来，由于矿产资源受限，以及人们对资源环保意识的加强，国内外开展以浓海水、海水制盐卤水等为原料进行氢氧化镁的制备研究工作[2]，并将其作为环境改良剂用于改善水体环境。

氢氧化镁是一种弱碱，与较强碱性物料(如石灰、烧碱、纯碱等)相比，具有缓冲性能好、活性大、吸附能力强、不具腐蚀性、安全可靠、无毒无害等优点。氢氧化镁在国外被广泛用于环保领域，可作为工业含酸废水的中和剂、工矿企业排放物中重金属的脱除剂、印染废水脱色剂、排烟脱硫剂、土地酸雨处理调节剂和水质、底质改良剂。

近年来，沿海各地区水产养殖业发展迅速，而且内湾海区海水循环交换能力较弱，加上排入水环境的生活废水、残饵、排泄物的蓄积作用，导致封闭式或半封闭式养殖水域如内陆海、海湾、湖泊、河流、水库的水质受到重大影响。封闭式或半封闭养殖水域，因黑臭底泥的长期堆积引起的缺氧、氮磷比例失调、有机物蓄积、水质酸性化、硫化氢和其他含硫化合物的大量产生，导致养殖水体水质、底质恶化，这种现象在水体环境特别是封闭式水域环境中普遍存在。对此，氢氧化镁作为水质、底质改良剂应用于水环境的治理。国外已进行了多年的探讨研究，不论在海水、淡水养殖水体，还是水华防控、赤潮防控和废水处理方面都有众多效果显著的应用研究实例，现作简要介绍。

1 氢氧化镁的作用机理

1.1 氢氧化镁与悬浮颗粒物的静电作用[3]

封闭式或半封闭式水域，因氮、磷等营养盐的大量富集，藻类等水生生物大量繁殖，水体中有机物的蓄积造成了水体的水质、底质的恶化，容易发生水华或赤潮现象。通过对恶化的水体播撒氢氧化镁制剂，可活化好氧性细菌，促进底泥的分解，从而使水体pH值得到改善并达到弱碱性(pH8.5～9.0)。同时，水体中带负电荷的悬浮颗粒物或浮游藻类(Z电位)与带正电荷的氢氧化镁颗粒，通过静电力作用实现附着形成絮凝体而沉降下来(图1)。

1.2 氢氧化镁对氮磷的降解作用[4]

一般水体中pH值若在7以上，MAP的溶解度急速降低，形成鸟粪石结晶体沉淀下来。氢氧化镁制剂可对水体环境中氨氮和磷酸磷起到降解消除作用。

1.3 氢氧化镁对硫化氢的降解作用

硫酸盐还原菌，英文简称SRB，是一种以有机物为养料的厌氧性细菌，广泛存在于土壤、海水、河水、地下管道中[5]。SRB是水体中产生硫化氢(H2S)的主要来源。SRB通常只有在弱酸性环境中才能产生，当水体中pH大于8.5时，SRB便不能存活。投加的氢氧化镁制剂可使水体保持弱碱性(pH8.5～9.0)，并且水体弱碱性可保持较长时间，从而抑制SRB的滋生，抑制硫化氢的产生[6]。同时，氢氧化镁可与硫化氢起中和反应，其化学反应式如下[7]：

Mg(OH)2+XH2S→Mg(OH)2·(H2S)X→Mg(H2S)2+2O2→MgSO4

在水体中播撒氢氧化镁制剂，硫化氢可被氧化生成硫酸镁(MgSO4)，生成的硫酸镁可溶于水体中，达到降解消除硫化氢的目的。

2 氢氧化镁作为水质、底质改良剂的应用

对酸性化水质的水域播撒粉末状的氢氧化镁制剂作为水质、底质改良剂，可活化好氧性细菌，促进对底泥的分解作用，抑制硫酸盐还原菌的增殖，抑制硫化氢、硫化物等有害物质，减弱养殖水域水质酸化的倾向，改善养殖水域的水体环境[8]，对水华、赤潮的防治具有一定的效果[9-10]，对废水处理领域也具有良好的效果[11]。基于这一特性，多年来被称为“绿色安全中和剂”的氢氧化镁在水质、底质的改良方面获得了广泛的应用。

2.1 海水养殖场中的应用[12]

位于日本山口县吉敷郡的日本对虾海水养殖场，从1995年6月至1995年11月期间，通过5次播撒100和200 g/m2浓度的氢氧化镁底质改良剂，使底泥中pH值维持在8.0与9.0之间，底泥中的硫化物总量控制在0.1 mg/g以下，表明氢氧化镁对养殖水体的水质具有明显的改善效果。

位于日本熊本县天草郡鰤鱼、河豚等海水鱼养殖场中，从1995年6月至1998年12月期间，对6×104m2的鰤鱼、河豚鱼养殖海域，按350g/m2播撒氢氧化镁水质改良剂，结果播撒氢氧化镁制剂后的水体pH值保持在8.0左右，底质硫化物总量从试验开始的1.0 mg/g降低至0.4 mg/g，表明氢氧化镁能明显减少养殖水体的硫化物总量。

从1998年3月到1998年9月期间，在日本三重县志摩郡英虞湾的8.3×104m2珍珠蚌湾养殖场，其中珍珠蚌养殖于湾口海域，以湾口水域为试验组(添加氢氧化镁水质改良剂)，湾内的水域为试验对照组(未添加氢氧化镁水质改良剂)，在水温上升期每年播撒一次400 g/m2的氢氧化镁水质改良剂。结果硫化物总量从3.0 mg/g降低至1.0 mg/g以下；试验组中硫酸盐还原细菌的数量比对照组降低约90%。实践证明，氢氧化镁水质改良剂对海水养殖场中水质和底质均具有良好的改善效果。

日本熊本县的海水网箱养殖场，主要养殖真鲷、河豚、大菱鲆、金枪鱼、鰤鱼等海水鱼品种。每年春季(4—6月)和秋季(9—11月)，一年两次在海水网箱内及四周按400～500 g/m2浓度，播撒日本宇部材料株式会社生产的“清水”牌氢氧化镁制剂，养殖海域底质中的硫化物总量从最初的1.15 mg/g降低至0.45 mg/g，氢氧化镁制剂对海水养殖场的水质和底质的改善作用明显。

2.2 淡水湖泊和水库中的应用[12]

日本国立环境研究所从琦玉县行幸湖中采取水华的样本，开展水华的沉降和分解试验。结果显示，氢氧化镁水质改良剂的添加量为0.6 mg/μg·L-1(湖水中叶绿素a浓度)的情况下，氢氧化镁水质改良剂对水华的沉降率达到90%，对湖水中叶绿素a(Chl-a)的降解率达到96%。氢氧化镁水质改良剂对湖泊中的水华和底泥中叶绿素a具有明显的降解作用。

位于日本千叶县的山仓水库，通过对水位低下的12×104m2水库按100 g/m2的浓度播撒氢氧化镁水质改良剂，使用结果显示，水库中氨气的降解率为8.7%，硫化氢的降解率为94.5%，甲硫醇(CH3SH)的降解率为87.1%，二甲基硫醚[(CH3)2S]的降解率为91.0%，二硫化二甲基[(CH3)2S2]的降解率达到100%，氢氧化镁水质改良剂对水库水域中硫化物的降解效果明显。

2.3 水华预防和控制

水华指在淡水湖泊水体中，由于大量生活污水、工业废水排放及农业非点源污染，造成氮、磷等营养盐富集，使水体富营养化，进而导致蓝藻、绿藻、硅藻等藻类暴发性繁殖，产生有毒、致癌的藻毒素，并大量消耗水体中的溶解氧，使水体产生恶臭的一种生态异常现象。水华现象已成为一种世界性的公害，国内的太湖、滇池、巢湖、洪泽湖流域中都发生过水华现象，其对饮用水源、水体生态环境和渔业生产巨大的影响。

近年来，国外利用氢氧化镁水质改良剂，广泛开展淡水湖泊中水华防治的应用研究。通过室内环境模拟湖泊水体环境，以导致水华形成的代表藻类蓝藻类的一种——铜绿微囊藻(M.aeruginosa)的浑浊液为试验对象，添加镁离子的浓度分别为3 mg-Mg/L和63 mg-Mg/L的氢氧化镁水质改良剂，试验结果显示磷酸盐(PO4-P)的总除去量达到0.25 mg-P/L，PO4-P的除去率为90%；氨氮(NH3-N)的总除去量达到0.10 mg-N/L，NH3-N的除去率为17%(图2)[13]。试验结果表明氢氧化镁水质改良剂对铜绿微囊藻水华水体中的氮、磷营养盐具有一定的降解作用。

分别采集日本琦玉县幸手市行幸湖水域的水华样本，通过播撒氢氧化镁水质改良剂(海水来源的氢氧化镁成分含量为96.1%，平均粒径为1.9 μm)，开展氢氧化镁水质改良剂对微囊藻水华的沉降效果试验，及氢氧化镁对水生植物和水生动物生长的影响试验。结果显示，氢氧化镁水质改良剂对6月和9月的微囊藻水华的沉降率都达到90%左右(图3)。综合考虑水华的沉降效果、氢氧化镁对水生植物和水生动物的生长影响等因素，氢氧化镁作为水华处理剂的适合用量为50～100 g/m2[14]。氢氧化镁对微囊藻水华的沉降效果明显，氢氧化镁可作为水华处理剂应用于水华治理。

Reiko Kanda通过对位于江苏省无锡市的太湖部分流域，1 000 m2水域按100 g/m2的浓度播撒粉末状自主研发的氢氧化镁制剂(海水来源的氢氧化镁成分含量为96.1%，平均粒径为1.9 μm)，经过4个月的调查研究，测定试验前后的水深、水温、pH值、溶解氧(DO)、电导率、透明度、化学需要量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)、叶绿素a等理化因素，叶绿素a的浓度从使用前的0.385 mg·L-1降低至30 d后的0.033 mg·L-1，TP从0.38 mg·L-1降至0.14 mg·L-1，TN从36.6 mg·L-1降至5.51 mg·L-1，结果证实氢氧化镁水质改良剂对太湖流域的水华水质具有明显的改良作用(表1)[14]。

表1 太湖部分水域氢氧化镁水质改良剂的应用结果

湖泊水体的富营养化和水华的发生是世界范围内的重大环境问题之一，目前还缺乏有效的防治手段。虽然现有的硫酸铜试剂、超声波技术、底泥覆砂和生物技术等可直接沉降或杀死引发水华的藻类，或采用直接打捞的方法，但其所花费的人力、物力十分巨大，且难以控制藻类对湖泊水体水质的影响，并造成大量的铜对水质的污染。而氢氧化镁作为新型的水质改良剂，可降解水华藻类和氮磷营养盐，改善湖泊水体的透明度[15-16]，可从根本上阻断水华生长的营养物质来源，达到防治水华的目的。

2.4 赤潮预防和控制

赤潮，又称为有害藻华，是指在一定的环境条件下，海洋中的浮游微藻(主要为甲藻类)、原生动物或细菌爆发性增殖和聚集，引起水色变化的灾害性海洋生态异常现象[17]。赤潮对海洋环境、渔业生产和人类生活具有巨大的灾害影响。

近年来，海水中提炼的氢氧化镁在赤潮防治中受到特别的关注。氢氧化镁开发成新型赤潮驱除剂可应用于赤潮灾害的防治。赤潮海域中的悬浮颗粒物、浮游微藻类可与氢氧化镁颗粒通过附着而沉降于水体底部，达到防控赤潮的目的。Maeda Hiroto等通过采集赤潮水域的水样，播撒0.2 g/L的氢氧化镁进行赤潮驱除剂的开发研究，研究结果表明，氢氧化镁对赤潮藻类细胞的运动性有阻害作用，对赤潮发生的藻类有凝集沉降效果，对异甲藻(Heterocapsacircularisquama)、多环旋沟藻(Cochlodiniumpolykrikoides)、卡盾藻(Chattonellamarina)、赤潮异湾藻(Heterosigmaakashiwo)的除去率达到80%[18-19]。实践研究表明，海水中提炼的氢氧化镁可作为一种高效、低成本的环境友好型的赤潮驱除剂，并应用于赤潮的防控领域。

2.5 废水中的应用

2.5.1 重金属的脱除

工业废水中的重金属污染是现代社会中面临的重大水环境污染问题。氢氧化镁作为一种新型的水质处理剂，其具有缓冲性能好、吸附能力强、无腐蚀性、安全等特点，可吸附脱除工业废水中重金属铜、铅、铬、镍及放射性铀。刘文辉等[20]采用粉状和乳液氢氧化镁处理含铜污水，铜的脱出率可达99%以上。郑荣光等[21]采用乳液氢氧化镁对含铅废水进行处理，铅的脱除率达到96%以上。姜述芹等[22]采用乳液和粉状氢氧化镁处理含铬废水，铬的去除率可达98 %以上。许庆清[23]采用粉末和浆状氢氧化镁处理含镍废水，镍的去除率可达到98%以上。罗明标等[24]采用乳液氢氧化镁处理含铀废水，废水中铀含量降至0.05 mg /L以下，达到国家环保要求。

2.5.2 酸性废水的中和

随着城市化和工业化进程的加快，城市工业废水是水污染的重要因素之一。氢氧化镁与传统的生石灰、熟石灰及烧碱等强碱类物质相比，因其具有活性大、吸附能力强、无腐蚀性、安全、无毒和无害等优点，可沉降吸附重金属离子、有机物及各类悬浮物的同时，亦可中和酸性废水达到工业废水的有效处理。王路明[25]将氢氧化镁作为酸性废水中和处理剂，研究表明，处理后的酸性废水的pH值不超过9，悬浮颗粒物可较快沉降，氢氧化镁具有很好的中和性能。氢氧化镁作为酸性废水处理剂，目前国外已规模化生产与应用，国内氢氧化镁在水处理方面的应用研究还处于初始阶段。

2.5.3 印染废水的处理

印染废水是对水环境危害极大的一类工业污水，因其污染成分复杂、排放量大等问题给治理带来了极大困难。近年来国内外开展了氢氧化镁对印染废水处理的研究，其原理是利用带正电荷的氢氧化镁吸附带负电荷的阴离子染料，染料废水沉降吸附脱色达到消除的目的。嵇康等[26]采用氢氧化镁对印染废水的脱色处理研究，结果表明，在pH大于11的条件下，脱色率可达98%以上，氢氧化镁具有良好的脱色效果。王路明[27]采用氢氧化镁处理各种印染废水，结果以氢氧化镁作为印染废水处理剂，色度去除率在95%以上，COD去除率在80%以上，氢氧化镁具有良好的脱色及除去悬浮物和COD效果。

2.5.4 废水中氮磷的消除

近年来，工业废水和生活废水中氮磷的过量排放已经成为水环境的主要污染源之一。氢氧化镁可与废水中的氮磷发生化学反应，生成难溶的磷酸铵镁(俗称鸟粪石)沉淀，实现废水中氮磷的沉降清除。Wu等[28]利用氢氧化镁处理含磷污水，结果表明氢氧化镁对污水中磷酸盐的沉降吸附效果显著。王玉琪等[29]开展氢氧化镁去除废水中氨氮的实验研究，结果显示，氨氮的去除率达90.71%，氢氧化镁去除氨氮的效果良好。

目前，国外已开发出氢氧化镁水质改良剂的商业产品，如日本山口县“宇部材料株式会社”从海水中提取开发的水质改良剂“氢氧化镁制剂”和“清水”牌水质、底质改良剂、日本东京“济美环境化学株式会社”从海水中提炼开发的水华和赤潮驱除剂—“海洋矿物质”等产品。使用“氢氧化镁制剂”水质改良剂后，日本长野县松本市国宝松本城内水域和日本群马县城沼水域的的水华现象得到了明显的改善；日本琦玉县川口市安行水域内，采用“海洋矿物质”氢氧化镁产品后，水域内的水华现象得到了明显的抑制；日本熊本县的海水网箱养殖场，1年播撒两次的“清水”牌氢氧化镁制剂，养殖海域内的水质和底质得到明显的改善；国内使用进口的“海洋矿物质”氢氧化镁产品，太湖部分流域和北京国际会议中心庭园内的水华现象得到了明显的改善。国内外的研究和应用表明，氢氧化镁对养殖水域的水质和底质环境、淡水湖泊和水库的水质具有明显的改善作用，对水华和赤潮具有一定的防治效果，对废水的处理效果显著。

3 前景展望

近年来，沿海各地海、淡水养殖业发展迅速，养殖模式不断更新，养殖规模不断扩大，随之而来的养殖水域的水体富营养化等水环境问题日益凸显。内陆湖泊如太湖、滇池等地的水华灾害，近海海域如长江口海域的异甲藻赤潮、福建兴化湾和东海海域发生的多环旋沟藻赤潮等灾害严重影响我国水体环境和渔业生产。对此，氢氧化镁作为水质改良剂，对水体环境的硫化物总量、总氮、总磷、有毒藻类、水中悬浮物、底部淤泥、有害细菌具有明显沉降消解作用。国外的研究和实践证实，氢氧化镁水质改良剂对封闭或半封闭淡水水质、半封闭式海水水质、水华水域水质、赤潮海域水质及水污染环境具有明显的改善效果，而且具有效果显著、来源广泛、经济合理和环境友好等特点。今后，研究开发从海水或卤水中提取氢氧化镁水质、底质改良剂，并将其应用于传统的池塘养殖、高密度养殖、高位池养殖、工厂化循环水养殖等不同的水产养殖模式，以及水华治理、赤潮防控和废水处理等工作将具有广阔的前景。

同时，纳米级氢氧化镁具有纯度高、流动性好、粒度超微细化、热稳定性好等优点，并且由于对重金属离子有较大的吸附能力，因此其可作为重金属脱除剂应用于水体环境中的污染治理[30]。纳米氢氧化镁还具有广谱抗菌性，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单胞菌、枯草芽孢杆菌、铜绿假单胞菌、苏云金芽孢杆菌和蜡样芽孢杆菌都具有显著的抗菌活性，并且对革兰氏阳性菌的杀菌效果优于革兰氏阴性菌[31]。纳米氢氧化镁在未来环保领域的应用，特别是对封闭水域的水环境治理，将是一个具有重要意义的研究方向。

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Research and utilization of magnesium hydroxide on the water quality and sediment improvement

HUANG Yongqiang，YOU Xiaoting ，YANG MingL

(Fuzhou Ocean and Fishery Technology Center，Fuzhou 350026，China)

In recent years，aquaculture developed rapidly in coastal areas.Due to the feeblish inner sea water circulation-exchange capacity and the long-term accumulation of black-odor sediment，aquaculture water quality and sediment become to be deteriorated further.But this problem generally exists in enclosed or semi-enclosed water environment.So magnesium hydroxide was used as water quality and sediment amendments for the treatment of water environment.The progress of research and utilization of magnesium hydroxide perform as water quality and sediment amendments in the field of water environment were commented in this paper.The mechanisms of magnesium hydroxide using in water environment，including the electrostatic effect between magnesium hydroxide and suspended particles，the degradation of nitrogen and phosphorus by magnesium hydroxide，and the degradation of hydrogen sulfide by magnesium hydroxide were profiled.The application of magnesium hydroxide in mariculture areas，freshwater lake，water reservoirs，water bloom prevention and control，red tide prevention and control and wastewater treatment were outlined.Numerous applications showed that magnesium hydroxide could be applied to improve the water conditions of aquaculture area，freshwater lake，water reservoirs，water bloom，red tide and wastewater.Application trend of magnesium hydroxide and nano-magnesium hydroxide in the field of water environment was prospected.

magnesium hydroxide；water quality，sediment amendments；water environment；red tide；water bloom；wastewater

2016-11-14

黄永强(1984-)， 男，福建福州，硕士， 研究方向：水产增养殖技术. E-mail：hyq8858@163.com

S912

A

1006-5601(2017)02-0139-08

黄永强，游小艇，杨 铭.氢氧化镁对水质、底质改良的研究与应用[J].渔业研究，2017，39(2)：139-146.