供水水源藻類控制技術研究

李 寧

(南水北調中線建管局 河南分局，河南 鄭州 450008)

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供水水源藻類控制技術研究

李 寧

(南水北調中線建管局 河南分局，河南 鄭州 450008)

指出了供水水源藻類爆發(fā)，嚴重破壞了水體生態(tài)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定，給人類的生產和生活造成極大影響，其中藍藻產生的毒素已對人類生存的環(huán)境構成威脅。從減少藻類可利用的營養(yǎng)鹽出發(fā)，分析了控制藻類生長的技術方法。闡述了藻類控制的生態(tài)技術、機械除藻和曝氣混合法、污染源防治、前置水庫和深層排水及其他應急處置技術。供水質安全管理人員參考。

藻類；生態(tài)技術；機械除藻；污染源；水庫

1　引言

供水水源的富營養(yǎng)化是當今人類的一個重大環(huán)境問題，在很多富營養(yǎng)化水體中都出現了藻類水華現象，其中藍藻毒素和異味物質能夠對水環(huán)境和人類健康造成嚴重危害。我國是藻類發(fā)布最廣和影響最大的國家之一，特別是在經濟快速發(fā)展地區(qū)，飲用水體出現藻類水華問題尤為突出。2007年5月，太湖暴發(fā)了大規(guī)模的藍藻水華，無錫市自來水廠被迫停止供水，引發(fā)了一場突如其來的飲用水危機。溫家寶等國家領導人親自到太湖視察，并提出了太湖治理戰(zhàn)略。藻類水華形成的污染對生態(tài)系統(tǒng)及社會安全構成了潛在的威脅。如何控制和消除富營養(yǎng)化水體中藻類暴發(fā)性增長是水質保護工作者的重要任務。

2　藻類控制的基本原理

藻類是水體富營養(yǎng)化過程的產物，藻類控制的關鍵在于減少藻類可利用的營養(yǎng)鹽，從而切斷藻類生長的物質保障。進入水體的營養(yǎng)鹽有3個去向：①一部分營養(yǎng)鹽隨著顆粒物沉淀到水體底部，與底泥混合在一起，這部分營養(yǎng)鹽可以通過釋放再次進入水層，作為浮游生物的營養(yǎng)物質；②另一部分營養(yǎng)鹽主要滯留在水體中，作為生物代謝利用的營養(yǎng)物質，由藻類吸收后在生態(tài)系統(tǒng)中遷移，浮游動物是浮游植物的主要消費者，浮游植物的營養(yǎng)鹽可直接轉移到浮游動物體內，當浮游動物數量較高時，可以很大程度地改善水體中營養(yǎng)鹽的分配，同時浮游動物體內的營養(yǎng)鹽又會通過魚類的捕食轉化到魚的體內；③還有部分營養(yǎng)鹽通過水的運動而流出水體[1]。

3　藻類控制的生態(tài)技術

藻類控制的生態(tài)技術既避免了化學方法有可能帶來的二次污染，又可以降低水體富營養(yǎng)化防治和藻類水華控制成本，是輸水渠道、水庫水質管理的重要手段，在我國及歐美國家現己得到廣泛應用。其核心環(huán)節(jié)是大型浮游動物的數量，大型浮游動物不僅直接對藻類進行濾食，同時大型動物因個體含磷高也明顯改善了水體中磷在生態(tài)系統(tǒng)組分上的分配。通過調控捕食性魚類間接增加大型浮游動物的數量，控制藻類結構與數量，改變營養(yǎng)鹽在生態(tài)系統(tǒng)上的分配。

3.1鰱魚、鳙魚養(yǎng)殖對藻類的控制

鰱魚、鳙魚均為濾食性魚類，以浮游植物和浮游動物為食。Paranoa水庫位于南美洲巴西，面積40 km2，主要用于巴西首都的供水,由于生活污水的大量排入，水質惡化，水庫藻類大量暴發(fā)，巴西的一些學者在Paranoa水庫進行了高密度和中密度鰱、羅非魚等4種魚的圍隔實驗，他們通過實驗發(fā)現鰱顯著地降低了藍藻的密度，因而運用鰱來控制Paranoa水庫的藍藻是非常有效的；在我國山東的東周水庫和浙江的橋墩水庫通過放養(yǎng)鰱魚、鳙魚，也較成功地控制了水庫藻類，水庫水質也得到了明顯的改善[1]。南水北調中線工程已開始實施干渠圍隔實驗，以確定鰱魚、鳙魚的放養(yǎng)比例，避免不合理的養(yǎng)殖，導致大型浮游種群減少，降低浮游動物對浮游植物的控制能力。

3.2利用大型底棲動物控制藻類

河蚌主要以浮游植物為食，具有較強的從水中過濾獲取浮游植物和懸浮物的能力。河蚌等大型底棲動物對于保持生態(tài)系統(tǒng)健康起著關鍵的作用。河蚌濾食浮游植物和懸浮物后進行消化，部分未消化的浮游植物等過濾物排出體外，加快水體懸浮物的沉降，在水體中河蚌起著過濾器和沉淀器的作用；通過人工養(yǎng)殖河蚌可實現對水體浮游植物的控制，河蚌的過水量很大，每千克河蚌過濾量高達100L/d；因此，在合理安排放養(yǎng)水層的前提下，養(yǎng)殖河蚌是水庫、渠道藻類控制的重要手段，該技術能夠明顯提高水體透明度，增加水體下層溶解氧含量，減輕水體中氮磷污染負荷，控制藍藻水華的暴發(fā)[2]。 當水體較深時，可以在水面下一定深度懸掛養(yǎng)殖。由于蚌類的壽命較短，需要加強收獲管理，以免形成二次污染。

4　機械除藻和曝氣混合法控藻

機械除藻和曝氣混合法控藻都能夠控制水體中藻類生長規(guī)模，降低藻類對供水的影響，而且不會給水體帶來污染物也不會導致生物入侵，是相對安全的方法。南水北調中線工程在渠道倒虹吸進口藻類等漂浮物集聚區(qū)，采取人工和機械打撈方式，不但清除了大量的藻類等漂浮物，而且還能帶走大量的營養(yǎng)鹽；該方法對生態(tài)系統(tǒng)和水質都沒有任何負面影響。但是該方法也存在諸多不足，如其能耗較大、成本高，收集的藻類還存在后處理和利用的問題等。目前該方法的研究重點是開發(fā)高效節(jié)能的除藻設備、收集系統(tǒng)以及收集的藻類后續(xù)處理與資源化技術。水體曝氣可以短期內造成水體的運動，影響藍藻光合作用所需要的光能來源，同時破壞水體的垂直分層，減少藻類在水表層的堆積。

5　基于污染源管理的藻類防治技術

根據污染物的排放特點，污染源可分為點污染源(集中排放，如城市、農村生活污水)和面污染源，主要通過地表徑流匯集排放，如農業(yè)化肥經過地表徑流對水體的污染。面污染源的控制比較困難，很多較大流域的水體污染來源主要是面污染源。對面污染源主要的解決方案不僅需要技術，更需要政府的政策性指導與調控。如農業(yè)生產方式和土地開發(fā)模式。

5.1面污染源控制技術

面污染源主要表現在農業(yè)、林業(yè)生產中施用化肥流失及一些沒有污染收集系統(tǒng)的村鎮(zhèn)生活污水兩個方面。例如水庫庫區(qū)的果樹種植在我國南方較為普遍，大量需要施肥的經濟作物的種植是水庫重要的面污染源。而水體的流域面積較大，面污染源的治理難以采取集中治理。流域管理是控制富營養(yǎng)化和改善水質、降低藻類爆發(fā)的關鍵和根本出路?？梢酝ㄟ^技術改良，降低農業(yè)、畜牧和林業(yè)生產過程中的化肥施用以及造成的土地侵蝕。

國內外對通過阻止農業(yè)面污染源來防治水體富營養(yǎng)化的研究較多，包括建立植被過濾帶、水邊休閑地和生態(tài)緩沖區(qū)，降低氮磷進入水體數量。我國南水北調中線工程干渠兩側建設的生態(tài)緩沖區(qū)，有效減弱了潛在污染物與渠道水體之間的聯系，提供了一個阻止污染物輸入的物理屏障，對保護水質安全發(fā)揮著積極作用。

我國農村飲水安全一直是困擾村民生活健康的重要問題，不少偏遠水庫主要是受村鎮(zhèn)生活污水污染。特別是貧困山區(qū)，缺少基本的污水收集系統(tǒng)，生活污水排放不具備像大城鎮(zhèn)那樣的集中排放系統(tǒng)。因此，發(fā)展集中式的污水收集系統(tǒng)，進行處理后達標排放，再借助人工濕地往往也能收到很好的效果。

5.2內污染源控制技術

內污染源成為直接影響水質的關鍵。可以采取底泥疏浚和鈍化技術來減少水庫中氮、磷來源，以達到防治水體富營養(yǎng)化的目的。 水體底泥是最主要的內污染源。經過不同途徑進入水體的有機物和N、P等營養(yǎng)元素吸附在懸浮顆粒上，其中相當一部分沉積到底泥中。水庫、渠道底泥N、P的釋放，能夠加速水體富營養(yǎng)化進程。對一些內污染源嚴重的水庫、渠道，底泥疏浚是非常必要的。我國太湖五里湖進行了大規(guī)模的底泥疏竣工程，深圳水庫也進行了類似的疏浚工程。和湖泊相比，水庫需要綜合考慮其特征水位，在前置水庫進行底泥疏浚，這樣既可以減少工程所需的人力物力，又可以提高底泥疏浚效果。底泥疏浚是最徹底的去除內污染源營養(yǎng)物質的方法，但也是有風險的方法，因此底泥疏浚過程中一定要注意防止二次污染，底泥疏浚過程難免對底泥產生攪動，因此在疏浚階段，水體水質可能有所下降，需要在疏浚工程中采用一些攪動較小的技術，并采取措施控制影響范圍。 疏浚工程投入很高，需要根據水庫的土質和施工條件，選擇最適宜的挖泥船型，以保證疏浚工程的質量、施工速度和節(jié)省投資；確定較短的拋泥路程，節(jié)省燃料消耗和提高工效；建立不滲漏的拋泥區(qū)，用化學固定法將疏浚泥土變成無污染的建筑填充料；選擇施工的時間和地點，減少污染物對生態(tài)的影響等。

磷是富營養(yǎng)化控制的關鍵目標元素，磷在沉入水體底泥后如遇一定pH值和氧化還原條件可能會從底泥中釋放出來，形成二次污染，特別是在深水富營養(yǎng)化水體中，底層容易形成缺氧和低pH值環(huán)境，從而有利于磷的釋放。為降低水體中磷的釋放，可添加鋁鹽和鐵鹽至湖泊和水庫底泥中以鈍化底泥中磷的活性，將磷滯留在底泥中。底泥中的磷與鐵和鋁結合后，相對較為穩(wěn)定。高價位鐵離子有較強的氧化性，對磷鈍化能力較強而且能夠在較寬pH值范圍內應用。但大量使用鐵鹽會降低pH值，因此可根據水體的性質，使用一定的鈣鹽來適當調節(jié)pH值。

目前歐美地區(qū)的湖泊采用底泥固化技術時，通常結合其他生態(tài)系統(tǒng)修復或恢復方法，如外污染源控制和水生植被的恢復。在湖泊中，一旦水體水質得到改善，透明度增加，以及水生生物特別是沉水植物形成一定規(guī)模時，底層中水的溶解氧數量就會得到改善，底泥中被固化的磷就能較穩(wěn)定地埋藏在底泥中，從而實現水質的改善。目前國際上己有公司開發(fā)出底泥固化的注射技術。

6　前置水庫和深層排水

對于水庫這樣的人工水體，前置水庫和深層排水是降低水體營養(yǎng)鹽的重要方法。前置水庫是根據水庫的流域特征，在水庫上游的坡度上設定串聯階梯水庫。前置水庫能充分利用水庫本身的沉降，使入庫水得到凈化，減少營養(yǎng)元素的輸入，從而保障水庫的水質，防治水庫的富營養(yǎng)化。梯級水庫在我國水電梯級開發(fā)中極為普遍，上游水庫為下游水庫起到前置庫的作用。由于受到前置水庫的影響，水庫氮磷有一部分得到滯留，降低了流入主庫區(qū)的氮磷含量。同時提供污染物集中處置和清除的場所。前置水庫在水資源管理和水體富營養(yǎng)化防治及藻類水華控制上是一種很好的工程措施。

水庫通常有不同深度的排水口。根據水庫的這一特點，調水稀釋和深層排水是水庫削減內污染源的重要途徑。深層和表層排水的合理調度己成為水庫特有的改善水質的方法。水庫底層排水可以大量放走水底層的營養(yǎng)鹽；而表層放水可以直接放走水華藻類，達到功能水體的要求。南水北調中線工程根據這一原理，主要引用了丹江口水庫的優(yōu)質中層水。

7　藻類水華控制的應急處置技術

7.1化學方法

化學方法是應急方案中最有效的方法，能夠在短期內去除表層水體中藍藻生物量。目前廣泛采用的化學方法主要有：鋁鹽和鐵鹽。鋁鹽是我國農村居民傳統(tǒng)的絮凝劑，由于長期飲用含鋁鹽的水，可能會對人體健康產生影響，所以目前自來廠基本不再使用鋁鹽作為絮凝劑。但鋁可與水體中的磷相結合，形成較為穩(wěn)定的鋁磷物質，直接向發(fā)生藻類水體表面噴灑鋁鹽，能夠達到藻細胞絮凝和快速沉降作用。對供水口發(fā)生的藻類，可考慮采用鋁鹽處理，但需要對使用量進行控制，確保不會導致自來水中鋁含量超標。鐵鹽也是一種高效的絮凝劑，直接向發(fā)生藻類水體表面噴灑鐵鹽，也能夠達到藻細胞絮凝和快速沉降作用。鐵鹽相對鋁鹽較為安全，國際上不少飲用水源地運用鐵鹽控制藍藻。

由于化學方法始終存在二次污染的問題，因此不能作為在供水水源地管理中長期使用的方法。即使短期使用也需要專家指導，并同時進行跟蹤監(jiān)測。

7.2調水沖稀

調水沖稀是通過將水質好的水調入需要治理的水體，達到改善水質的一種方法。以調水為主要手段的水動力調節(jié)也是應急方法之一，這類方法主要運用于有條件的地區(qū)和水體。我國利用引長江水入太湖和引錢塘江水改善西湖水質就是基于這一方法。引河流或江水注入湖泊和水庫可以在短期內迅速降低水體中的藍藻生物量，加速水體的流動性并抑制藍藻的生長。我國河流中的總磷量通常要比湖泊和水庫高，因此大量調水可能會帶入大量的營養(yǎng)鹽，導致在調水停止后，水庫和湖泊水質在短期改善后出現反彈，水體透明度改善會誘發(fā)藻類再次發(fā)生，出現更大規(guī)模的水華。因此，在污染源沒有得到一定程度控制時，調水對藻類控制是短期的。針對具體的水體是否進行調水、如何調水，需要做一定的前期分析，目前水動力學模型比較成熟，可運用模擬方法進行定量分析和預測。

由于藻類的暴發(fā)是多種因素綜合作用的結果，經驗表明，僅靠一種治理方案往往難以取得理想效果，利用生物技術控藻的優(yōu)勢在于其對環(huán)境的危害小、價格相對較低以及持久的控制效應，可以作為藻類去除的首選方法，在必要時可以與其他除藻方法聯合使用。如在藻類暴發(fā)影響嚴重的緊急狀態(tài)下，應兼以機械除藻和化學除藻等，使水域生態(tài)系統(tǒng)快速恢復原有的平衡[3]。在生態(tài)系統(tǒng)趨于良性循環(huán)的基礎上選用生物控藻技術，是一種控制藻類水華的最佳選擇。

[1]彭亮，胡韌，雷臘梅，等.水庫藍藻水華檢測與管理[M].北京：中國環(huán)境科學出版社，2011.

[2]胡秀琳，廖日紅，孟慶義，等.鰱魚放養(yǎng)控制北京城市河湖水華試驗研究[J].環(huán)境工程學報，2007,1(11).

[3]吳剛，席宇，趙以軍.溶藻細菌研究的最新進展[J].環(huán)境科學研究，2002,15(5).

2016-06-13

李寧(1968—)，男，高級工程師，主要從事工程建設管理工作。

S949

A

1674-9944(2016)16-0100-03