半封閉水體水綿污染治理效果及其機(jī)理

林瑞峰，白文榮，程子龍，王春艷，歐偉杰

(1.北京市北運(yùn)河管理處，北京 101125；2.北京聯(lián)合智業(yè)科技集團(tuán)股份有限公司，北京 100012)

水體富營養(yǎng)化是水體中N、P等營養(yǎng)鹽含量過多導(dǎo)致浮游植物等自養(yǎng)型生物過度生長，其中最為突出的就是大量的浮游藻類滋生，嚴(yán)重破壞水體生態(tài)環(huán)境[1]。在相對(duì)清潔的富營養(yǎng)化水體中更普遍發(fā)生的是水綿爆發(fā)問題，水綿是常見的真核生物，在水中呈片狀或團(tuán)狀，摸起來手感黏滑。春季，水綿在水下生活，當(dāng)陽光充足、天氣溫暖時(shí)，它們便進(jìn)行光合作用產(chǎn)生大量氧氣泡，出現(xiàn)在纏結(jié)的細(xì)絲間[2-3]，從而導(dǎo)致大面積水綿漂浮到水體表面造成黑臭的感官。然而目前針對(duì)水綿類富營養(yǎng)化的應(yīng)急處置工程開展較少，對(duì)水綿治理過程中水質(zhì)演變機(jī)制尚不清楚。為提高水綿應(yīng)對(duì)能力，亟需在環(huán)境應(yīng)急處置實(shí)踐中開展系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)和過程分析。

鏡河地處北京城市副中心，為副中心辦公區(qū)主要景觀帶，為周邊環(huán)境營造了水清、岸綠、人水和諧的休閑環(huán)境[4]。特別是近年來，政府對(duì)京杭大運(yùn)河文化高度重視，遺跡保護(hù)、水生態(tài)環(huán)境建設(shè)成為副中心建設(shè)的一項(xiàng)重要工作。本研究于2019年3月1日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，觀察到河道底部生長有綠色和黑褐色水綿，同時(shí)受溫度、光照、氣壓等影響，一部分水綿已漂浮在水面上，影響水體表觀。為全面了解水綿治理過程中水質(zhì)變化規(guī)律及污染物形態(tài)的演變機(jī)制，本研究以鏡河半封閉型水體為例，研究水綿污染事件處置過程中水環(huán)境質(zhì)量及其溶解性有機(jī)質(zhì)的變化，探明污染物遷移歸趨規(guī)律，為有效地進(jìn)行水環(huán)境改善、防治水綿再次爆發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鏡河規(guī)劃設(shè)計(jì)全長3.5km，目前已建成河道長度約2.4km，河道范圍80～200m，水面寬度20～156m，水深1.5～2m，設(shè)計(jì)正常蓄水位18m，最高蓄水位20m，規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)蓄庫容55萬m3，河底采用1.2m黏土防滲。鏡河走向基本為南北方向，而后沿“西北-東南”方向入北運(yùn)河。排澇循環(huán)泵站位于現(xiàn)狀鏡湖末端，北運(yùn)河左岸，為引水式泵站，當(dāng)鏡河發(fā)生大于20年一遇雨水時(shí)，將雨水強(qiáng)排至北運(yùn)河。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，鏡河水域內(nèi)均有分布水綿，鏡河水體主要以污水處理廠中水為水源，透明度高，偏堿性，總氮濃度高，適宜水綿繁殖。水溫約10～15℃，水綿最適宜溫度約20～30℃，隨著氣溫上升可能發(fā)生更大強(qiáng)度的生長，本研究于2019年3月1日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，觀察到河道底部生長有綠色和黑褐色水綿，同時(shí)受溫度、光照、氣壓等影響，光合作用活躍，釋放氧氣充分，水綿即浮于水面。

1.2 工程實(shí)施方案

一般化學(xué)、物理方法用于抑制藻類生長時(shí)，不易控制、成本較高且易破壞生態(tài)[5]。生物控藻方法一般包括生物制劑方法、水生植物控藻[6]。針對(duì)現(xiàn)狀情況，設(shè)計(jì)采取2種手段進(jìn)行處理：一方面針對(duì)河底的水綿，投灑顆粒生物制劑(水綿殺1號(hào))，顆粒態(tài)易沉降，用于治理河底水綿，抑制水綿上?。涣硪环矫驷槍?duì)水面漂浮的水綿，投撒液體生物制劑(水綿殺2號(hào))治理。“水綿殺”的主要成分是表面活性劑、生物酶等，制劑投入水中后緩慢向水體中釋放活性劑，有效阻斷水綿細(xì)胞壁轉(zhuǎn)移蛋白對(duì)養(yǎng)分的運(yùn)輸，使水綿快速衰亡，同時(shí)水綿在生物酶的作用下逐步被分解[7]，生物制劑投加方案見表1。本研究將整個(gè)治理期劃分為治理前期(2019年3月8—12日)、治理中期(2019年3月13—18日)和治理后期(2019年3月19—24日)。自2019年3月8—24日治理期間每天采樣1次。

表1 生物制劑投加方案

1.3 樣品與方法

1.3.1樣品采集

圖1 采樣點(diǎn)圖

1.3.2實(shí)驗(yàn)方法

DO由手持式水質(zhì)檢測(cè)儀(YSI6600v2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，采集的表層、底層水樣分別儲(chǔ)存在有冰袋的樣品箱送至實(shí)驗(yàn)室在24h內(nèi)測(cè)定其它指標(biāo)。

Chl-a測(cè)定：依據(jù)HJ 897—2017《水質(zhì) 葉綠素a的測(cè)定 分光光度法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。

TN測(cè)定：由堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定。

TP測(cè)定：由鉬酸銨分光光度計(jì)法測(cè)定。

CODCr測(cè)定：采用重鉻酸鉀法測(cè)定。

BOD5測(cè)定：依據(jù)HJ 505—2009《水質(zhì)五日生化需氧量(BOD5)的測(cè)定稀釋與接種法》標(biāo)準(zhǔn)的方法測(cè)定。

三維熒光光譜測(cè)定熒光溶解有機(jī)物(FDOM)組分百分比：利用熒光光譜儀(HitachiF-7000，Tokyo，Japan)。測(cè)定參數(shù)如下：Ex和Em波長的狹縫寬度分別為5、10nm；Ex波長范圍為200～550nm且Ex和Em間波長間隔恒定為30nm；掃描速度為240nm·min-1，石英比色皿池長為1cm，熒光峰強(qiáng)度的單位定義為a.u.。

總有機(jī)碳(TOC)測(cè)定：將沉積物樣品取適量放入燒杯中，加入適量濃度為1mol/L的稀鹽酸反應(yīng)24h，除去碳酸鹽。然后反復(fù)用蒸餾水沖洗樣品至pH值為中性，而后將樣品烘干、研磨、100目過篩，取1g左右，用元素分析儀測(cè)定總有機(jī)碳含量[8]。

1.3.3分析方法

(1)單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)

水質(zhì)指數(shù)法能給出對(duì)河流水質(zhì)最直觀的反映，前人的研究開創(chuàng)和發(fā)展了許多針對(duì)其研究區(qū)的水質(zhì)指數(shù)，且取得了良好的效果。單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)法是國內(nèi)常用地表水水環(huán)境評(píng)價(jià)方法[9]。單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)Pi由整數(shù)位和2位小數(shù)組成，表達(dá)形式為：

Pi=X1.X2X3

(1)

式中，X1—水質(zhì)類別(按照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》劃定)；X2—監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在X1類水標(biāo)準(zhǔn)上限值與下限值變化區(qū)間中所處的位置；X3—水質(zhì)類別與功能區(qū)區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果[10]。

本研究中將鏡湖水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)。

(2)三維熒光光譜

三維熒光光譜結(jié)合熒光區(qū)域積分法(EEM-FRI)是一種用于整合EEM區(qū)域的定量分析技術(shù)，可對(duì)多組分體系中熒光光譜的重疊對(duì)象進(jìn)行光譜識(shí)別和表征。EEM-FRI技術(shù)可為水生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境熒光溶解有機(jī)質(zhì)(FDOM)動(dòng)態(tài)提供詳細(xì)信息[11]?；贓EM-FRI原理，將所有采集水樣的EEM劃分為5個(gè)區(qū)域(標(biāo)記為區(qū)域Ⅰ—Ⅴ)。區(qū)域Ⅰ和Ⅱ?yàn)轭惱野彼嵛镔|(zhì)，區(qū)域Ⅲ為類富里酸物質(zhì)，區(qū)域Ⅳ為類色氨酸物質(zhì)以及區(qū)域Ⅴ為類腐殖酸物質(zhì)[12]，且每個(gè)區(qū)域的熒光響應(yīng)百分比(Pi，n)可以表示為：

i=I-V

(2)

式中，φi，n、φt，n—EEM中區(qū)域i和總區(qū)域t的區(qū)域體積；MFi—每個(gè)區(qū)域的倍增系數(shù)；I(λExλEm)—每個(gè)Ex/Em波長處的熒光強(qiáng)度；ΔλEx、ΔλEm—Ex和Em之間間隔。利用MATLAB 2009和Origin 8.5軟件進(jìn)行FRI分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 治理過程中水質(zhì)變化

圖2 治理期間各單因子水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)的變化

經(jīng)過投加生物制劑治理后，鏡河綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)逐漸降低，說明生物治理對(duì)于鏡河水體富營養(yǎng)化狀態(tài)有一定改善的效果。

2.2 溶解性有機(jī)質(zhì)結(jié)構(gòu)演變與歸趨

根據(jù)各采樣點(diǎn)的5個(gè)區(qū)域的Pi，n值，湖口和湖心水樣中各物質(zhì)含量次序均為類腐殖酸>類色氨酸>類酪氨酸>類富里酸物質(zhì)，鏡河水體中溶解性有機(jī)質(zhì)以類腐殖酸物質(zhì)為主，如圖3所示。治理中期湖口底層水體類蛋白物質(zhì)含量較低，表層水體類蛋白物質(zhì)含量較高；治理后期湖口水樣類蛋白物質(zhì)含量均較高。鏡河湖口表層水樣與底層水樣相比，具有更多的類酪氨酸物質(zhì)和相對(duì)較少的類色氨酸和類腐殖酸物質(zhì)。而湖心表層與底層水樣相比，具有較少的類酪氨酸和類富里酸物質(zhì)和較多的類腐殖酸物質(zhì)。湖心島表層和底層水樣治理中期類蛋白物質(zhì)顯著升高，但在治理后期逐漸下降。區(qū)域Ⅱ的類酪氨酸組分鏡湖水體中含量最高的類蛋白組分，治理過程中在湖心島底層水體中大量的富集，富集程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過表層水體，表明水綿內(nèi)源的污染物正在伴隨沉降過程歸趨到沉積物中。

圖3 水體有機(jī)質(zhì)熒光組分分布

水綿通過細(xì)胞內(nèi)葉綠體進(jìn)行光合作用，從而維持其生存和繁衍。生物制劑與水綿細(xì)胞直接接觸，透過細(xì)胞壁和細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)破壞其細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核，導(dǎo)致細(xì)胞變異和破損，干擾葉綠素的合成途徑，抑制其光合作用和呼吸作用，因此葉綠素a的含量可一定程度上代表水綿生物量。治理工程中期葉綠素a含量顯著下降，表明生物制劑可以限制水綿的生長，同時(shí)鏡河氨氮濃度均有明顯的升高趨勢(shì)，如圖4所示，伴隨著三維熒光光譜揭示了水中溶解性蛋白組分顯著提升，這說明治理措施促使水綿大量死亡，殘?bào)w分解過程釋放出大量的蛋白質(zhì)，同時(shí)短時(shí)間內(nèi)缺少利用氮、磷元素的生物，導(dǎo)致使總磷和氨氮濃度升高。治理工程后期，水綿生物量進(jìn)一步下降，說明水綿繁殖受到了有效控制；且鏡河氨氮濃度和類蛋白組分恢復(fù)到初期階段，說明治理措施引發(fā)的氨氮上升是治理過程的階段性問題，會(huì)自然恢復(fù)。

圖4 湖心水樣熒光光譜圖

沉積物中的總有機(jī)碳在治理全過程中逐漸增加，如圖5所示，闡明了水體污染物的歸宿在沉積物中。上述結(jié)果表明，水綿治理措施有效地殺滅了水綿生物體，釋放出植物蛋白組分。不過較多的類蛋白物質(zhì)含量可能會(huì)導(dǎo)致次生危害，治理過程中應(yīng)減少對(duì)底泥的擾動(dòng)，采取適當(dāng)穩(wěn)定化措施，消除再次爆發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 治理過程中水和底泥環(huán)境質(zhì)量變化

2.3 工程實(shí)施效果分析討論

本文針對(duì)鏡河隨著季節(jié)變化、溫度提升、水綿大面積爆發(fā)、嚴(yán)重影響正常水生態(tài)環(huán)境和景觀需求的問題，依據(jù)鏡河水環(huán)境現(xiàn)狀，制定了水綿治理方案，通過比選當(dāng)前國內(nèi)外典型、成熟的水綿防治技術(shù)，設(shè)計(jì)投撒生物制劑治理措施，對(duì)鏡河水綿和水環(huán)境進(jìn)行了治理。制劑投入水中后緩慢向水體中釋放活性劑，有效阻斷水綿細(xì)胞壁轉(zhuǎn)移蛋白對(duì)養(yǎng)分的運(yùn)輸，使水綿快速衰亡，同時(shí)水綿在生物酶的作用下逐步被分解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生物治理方法效果比較顯著，鏡河水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷改善。

不同配比生物制劑可以有針對(duì)性地去除不同污染物[15]，采用生物制劑處理水綿問題時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行藥劑濃度選擇，盡量避免其他植物，均勻拋撒。施藥后光照強(qiáng)度對(duì)防效有影響，因此要選擇晴天施藥?！八d殺”主要成分為表面活性劑、生物酶等，不會(huì)對(duì)鏡河水體造成二次污染。

3 結(jié)論

(1)生物治理對(duì)于鏡河的水質(zhì)和水體富營養(yǎng)化狀態(tài)均有改善的效果，其中鏡河水體的綜合水質(zhì)標(biāo)識(shí)指數(shù)平均值在治理前期為Ⅳ類水，在治理后期達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)；經(jīng)過投加生物制劑治理后，鏡河綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)逐漸降低，水體為中營養(yǎng)湖泊。

(2)生物治理技術(shù)對(duì)水綿爆發(fā)的處置過程會(huì)導(dǎo)致階段性氨氮和總磷的升高，這是由集中滅殺水綿引起的生物殘?bào)w釋放引起的，在進(jìn)一步處置過程中可以恢復(fù)，不會(huì)造成持續(xù)環(huán)境危害。

(3)水質(zhì)改善的同時(shí)沉積物中的有機(jī)質(zhì)含量有顯著的提高，水體污染物的最終歸宿在水體沉積物，為了避免水綿再次爆發(fā)風(fēng)險(xiǎn)需要采取更精準(zhǔn)的生態(tài)控制措施。