飲用水源水中藻類污染物的形成及治理

歐燁強(qiáng)(福建省平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)創(chuàng)新研究院，福建 平潭 350400)

0 引言

藻類污染已經(jīng)成為人們關(guān)注的新問題。營(yíng)養(yǎng)富集導(dǎo)致水源中藻類異常，從而引起嚴(yán)重的水污染，影響城市的自然景觀和供水質(zhì)量。

1 水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)狀

富營(yíng)養(yǎng)積累主要是由于水中氮，磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累，導(dǎo)致水體藻類的過度生長(zhǎng)和繁殖，并影響水的功能。全球約有75%以上的封閉型水體存在富營(yíng)養(yǎng)化問題。中華人民共和國水利部2019年發(fā)布的2018年中國水資源公報(bào)顯示：在121個(gè)湖泊中，中營(yíng)養(yǎng)湖泊占26.5%，富營(yíng)養(yǎng)湖泊占73.5%，和歷年數(shù)據(jù)相比，水體富營(yíng)養(yǎng)化仍較為嚴(yán)重。

2 源水藻類繁殖的危害

2.1 對(duì)水質(zhì)的不利影響

2.1.1 藻類致臭

飲用水中有各種類型的臭味物質(zhì)，它主要包含腐爛和其他有機(jī)物，藻類放線菌，真菌分泌物，以及二甲基異冰片烯和土臭素。隨著藻類數(shù)量的變化，氣味的類型也會(huì)變化。通常，藻類細(xì)胞產(chǎn)生的土臭素含量為(1～4)×10-8μg/L，但是如果水的環(huán)境條件發(fā)生變化，藻類釋放的土臭素是健康生長(zhǎng)的2到3倍，而且藻類死亡后會(huì)釋放出更多的土臭素，導(dǎo)致自來水會(huì)有異味。飲用水的氣味不一定構(gòu)成直接的健康風(fēng)險(xiǎn)，但會(huì)引起恐慌，質(zhì)疑水質(zhì)并降低公眾對(duì)飲用水安全性的信心。

2.1.2 藻類產(chǎn)生藻毒素

微囊藻毒素(MC)是由藍(lán)細(xì)菌產(chǎn)生的天然毒素。它是水資源中較常見的毒素，世界上大約25%至70%的藍(lán)細(xì)菌可以產(chǎn)生毒素。藻類毒素極具毒性，已被證明是“三種病原體”，在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的80多種類型的微囊藻毒素中，微囊藻毒素LR最常見且毒性最大，它的存在威脅著人類健康，食入或直接接觸被藻類污染的水會(huì)引起皮膚反應(yīng)，結(jié)膜炎，腸胃炎和許多其他疾病，有十多個(gè)國家報(bào)道過動(dòng)物飲用有毒藻類的水導(dǎo)致死亡的報(bào)道。

2.2 對(duì)水廠和管網(wǎng)運(yùn)行的不利影響

主要原因是大量藻類會(huì)堵塞過濾器，且藻類會(huì)增加pH值，會(huì)增加凝結(jié)劑量使用，而通過過濾器并進(jìn)入管網(wǎng)的一些藻類和水中殘留的有機(jī)物(AOC)會(huì)成為促進(jìn)微生物生長(zhǎng)的基質(zhì)，產(chǎn)生如線蟲和海綿等管狀網(wǎng)狀生物，這些動(dòng)物很難清除，嚴(yán)重時(shí)會(huì)阻塞水表和水龍頭。此外，其代謝產(chǎn)物也會(huì)與凝結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)，從而降低清理效果，增加藥劑成本。同時(shí)，生成的復(fù)合物還會(huì)導(dǎo)致管網(wǎng)腐蝕和管網(wǎng)水質(zhì)惡化，加速水分配系統(tǒng)的腐蝕和結(jié)垢，并縮短網(wǎng)管壽命。

3 以三十六腳湖為例分析飲用水源水中藻類的污染分析

3.1 調(diào)查背景

三十六腳湖是福建省最大的淡水湖。南北長(zhǎng)4.6公里，寬5.3公里。保護(hù)區(qū)總面積為1340平方公里。三十六腳湖水庫始建于1966年，湖壩高3.94m，壩頂高約18.24m，水庫目前面積為13.4平方公里，在2012年清淤擴(kuò)容后，正常存儲(chǔ)容量為2056萬立方米，是平潭島唯一的具有多年調(diào)節(jié)性能的中型水庫。對(duì)該湖進(jìn)行的初步研究發(fā)現(xiàn)，該庫區(qū)的富集指數(shù)在40～50之間，目前處于中等營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，可以看出其湖區(qū)水體長(zhǎng)期處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，偶有高于50的富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)出現(xiàn)，存在藻類爆發(fā)水華的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 主要污染源類型

湖區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查主要來自2018—2020年地表水質(zhì)指標(biāo)，采用歷史數(shù)據(jù)分析、在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)得出，通過平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供的2018年至2020年每月測(cè)試的五個(gè)水質(zhì)參數(shù)CODMn、TP、TN、Chl-a和透明度計(jì)算得出三十六腳湖的富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)在40～50之間，表示該湖區(qū)的水域還是會(huì)出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)豐富情況，如圖1所示。

圖1 2018-2020年三十六腳湖湖區(qū)富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)的年際和季節(jié)變化

通過實(shí)地調(diào)查、抽樣調(diào)查和文獻(xiàn)調(diào)查，確定了三十六腳湖的基本污染源結(jié)構(gòu)：(1)水中氮、磷的直接流動(dòng)。(2)流域周邊居民的生活污水和生活垃圾。(3)散布在渡槽上的動(dòng)物和家禽繁殖產(chǎn)生的尿和糞便滲透土壤或流入水庫。(4)將農(nóng)藥和化肥用于農(nóng)田水流和降雨到沿河水庫。(5)森林和草地的氮、磷養(yǎng)分流入水庫。(6)沉積物釋放出的內(nèi)在氮和磷污染。(7)大氣沉降引起的氮污染。

3.3 浮游植物現(xiàn)狀和藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)分析

3.3.1 調(diào)查方法

主要使用歷史數(shù)據(jù)分析和重點(diǎn)地區(qū)采樣分析，研究湖泊地區(qū)浮游植物群落分布結(jié)構(gòu)的分布特征，并監(jiān)測(cè)群落結(jié)構(gòu)的變化。

3.3.2 采樣和分析方法

(1)定性樣品。使用25#浮游生物網(wǎng)，以20～30cm/s的速度從表面到0.5米的深度形成一個(gè)∞環(huán)，然后緩慢拖拉1～3分鐘以進(jìn)行收集。收集定性樣品并將其標(biāo)記在樣品瓶上。返回實(shí)驗(yàn)室，并用10×40放大顯微鏡觀察以確認(rèn)物種。

(2)定量樣品。使用有機(jī)玻璃集水器，在水面以下0.5米處收集1升水樣品，添加魯哥氏固定劑(15mL/L)，在現(xiàn)場(chǎng)固定，標(biāo)記并在實(shí)驗(yàn)室放置24h。然后使用虹吸管小心將其取出。將水樣濃縮至30mL，并用10×40放大顯微鏡以0.1mL的計(jì)數(shù)(20mm×20mm)進(jìn)行計(jì)數(shù)。用于計(jì)算原始水樣本的浮游細(xì)胞密度的公式為：

式中：N為每升原水樣中的浮游植物數(shù)量(個(gè)/L)；S為計(jì)數(shù)框的面積(mm2)；S0為計(jì)數(shù)面積(mm2)，即視野數(shù)×視野面積；V為1L原水樣沉淀濃縮后的體積(mL)；V0為計(jì)數(shù)框體積(mL)；n為計(jì)數(shù)所得浮游植物的數(shù)目。

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和在三十六腳湖水生湖泊中的研究結(jié)果，在水樣本中發(fā)現(xiàn)了六類：浮游植物藍(lán)藻，綠藻，硅藻，二氟甲藻酸鹽，裸藻和隱藻6大類。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，浮游生物在不同時(shí)間的表現(xiàn)為夏季＞秋季，冬季＞春季。在春季和夏季初，硅藻門是最主要的種類，百分比高達(dá)58.81%至83.47%。在夏季和秋季，浮游植物占主導(dǎo)地位。其中銅綠微囊藻為主要種類，約占64.50%。秋季，隱藻的比例將顯著增加。冬季，三十六腳湖中浮游植物的總量大幅度減少，其中藍(lán)藻、硅藻和綠藻為主要類別。其分布如圖2所示。

圖2 2018-2020年三十六腳湖不同季節(jié)浮游植物群落結(jié)構(gòu)

3.4 產(chǎn)生的危害

由于水源的補(bǔ)水帶來的營(yíng)養(yǎng)及周邊影響，藻類爆發(fā)具有更大的影響和有害因素。特別是近年來，由于藻類的經(jīng)常性爆發(fā)，導(dǎo)致水質(zhì)的泥土氣味發(fā)臭以及水管的堵塞已成為主要問題。

3.5 整治措施

目前，這個(gè)三十六腳湖的湖泊水域中仍然有各種影響水質(zhì)的藻類。認(rèn)真控制藻類需要同時(shí)治療根本癥狀和病因。目前，國內(nèi)外湖泊與水庫的藻類控制技術(shù)主要有三種方法：物理、化學(xué)和生物方法。

3.5.1 物理方法

(1)人工和機(jī)械撈藻。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、直接、效率高且不會(huì)造成二次污染，但是效果有限，無法遏制藻類生長(zhǎng)。

(2)遮光控藻。將遮光板或遮光球覆蓋在水面上會(huì)抑制藻類的光合作用并阻止其傳播，這種方法成本較大，而且適合在藻類生長(zhǎng)之前使用，可用性不強(qiáng)。

(3)黏土除藻。利用黏土除藻優(yōu)勢(shì)在于原料來源廣泛，并且具有出色的除藻效果，但是添加了粘土?xí)黾映练e物，淤泥增多，后續(xù)清理麻煩。

3.5.2 化學(xué)方法

使用化學(xué)殺滅藻類和抑制藻類以防止其生長(zhǎng)的試劑的優(yōu)點(diǎn)是快速、有效且易于操作。但是，化學(xué)藥品會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，而死亡的藻還會(huì)造成二次污染。除非威脅緊急和生態(tài)安全，否則化學(xué)方法去除藻類的方法通常是不合適的。

3.5.3 生物方法

(1)生物操縱。通過以藻類為食的動(dòng)物，例如鰱魚、魚等控制藻類的繁殖。但是浮游動(dòng)物和魚類對(duì)藻類牧食壓力不大，且對(duì)藻類牧食具有選擇性。

(2)人工浮島。該方法的原理是，根部直接吸收水中的養(yǎng)分以限制藻類的生長(zhǎng)，但是養(yǎng)分吸收慢導(dǎo)致藻類的去除效率低。根據(jù)各種實(shí)踐，物理化學(xué)和生物技術(shù)組合治理被認(rèn)為是治療三十六腳湖較好的方法。首先要控制沉積物和藻類內(nèi)源的氮和磷，減少周邊農(nóng)村生活污水、畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)藥化肥的污染，其次加強(qiáng)預(yù)警和防范，在三十六腳湖容易爆發(fā)藍(lán)藻水華的取水口加裝水質(zhì)監(jiān)控和預(yù)警系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)藍(lán)藻水華預(yù)警防范，最后通過布設(shè)生物浮礁吸磷、底層微納米曝氣、調(diào)整水域浮游植物群落結(jié)構(gòu)等方式對(duì)水質(zhì)進(jìn)行改善和修復(fù)，恢復(fù)健康的水生生態(tài)系統(tǒng)。

3.6 水環(huán)境教育工程

為了改善三十六腳湖的水質(zhì)，除了治理監(jiān)督外，還需要在中小學(xué)中加強(qiáng)水環(huán)境保護(hù)教育，從根本上提高公眾對(duì)水下環(huán)境保護(hù)的認(rèn)識(shí)，建議建立一個(gè)水環(huán)境教育中心，以水環(huán)境保護(hù)的宣傳和教育為內(nèi)容教育，建立公眾與自然之間的健康關(guān)系，并繼續(xù)保護(hù)水資源，從而促進(jìn)自然教育基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，以減少資源污染。

4 結(jié)語

文章介紹了從微污染水源中檢測(cè)和去除藻類的方法探討。隨著我國飲用水源處理技術(shù)的發(fā)展，在未來的工作中，藻類和有機(jī)物的去除將達(dá)到更高的水平。