巢湖富營養(yǎng)化問題分析及磷削減研究

李辰，汪炎，王本洋

（東華工程科技股份有限公司，安徽合肥230024）

位于長江中下游的巢湖是我國的五大淡水湖之一，巢湖湖泊面積825平方公里，流域內包含了合肥、安慶、蕪湖、馬鞍山、六安5市16縣，流域面積13 486平方公里。受自然條件和人類活動雙重影響，歷史上巢湖藍藻水華經常爆發(fā)。伴隨著“十二五”“十三五”巢湖水專項的實施，政府近年來不斷加大巢湖生態(tài)環(huán)境整治。從2020年合肥政府工作報告中可以看出，巢湖水質穩(wěn)定在Ⅳ類以上，15個國考斷面水質全部達標，幾條主要河道水質穩(wěn)定改善。但是湖區(qū)氮磷等污染物濃度依然處于藍藻易發(fā)區(qū)間，每年湖區(qū)均需要啟動藍藻應急防控，水體富營養(yǎng)化依舊是巢湖面臨的主要問題之一。

圖1 2019年巢湖流域水質分布示意圖

為加快推進新一輪巢湖治理，在對巢湖現狀污染問題分析的基礎上，亟需尋找解決水體富營養(yǎng)化問題的方向。

研究數據顯示：雖然整體上巢湖水質有所改善，2018年巢湖平均為V類水質標準，TN=1.44 mg/L，TP=0.102 mg/L，較1995年以來，水質總體呈向好的趨勢，TP削減了75.1%。但是2016～2018年總磷變化不大，分別為0.092 mg/L，0.108 mg/L和0.102 mg/L。有研究指出，對于湖泊富營養(yǎng)化的治理，只控磷就可使湖泊貧營養(yǎng)化，而脫氮會導致固氮藍藻大量繁殖，反而有助于浮游藻類生長。初步確定只有當氨氮和總氮濃度大于5 mg/L時，水生植物生長才會受負面影響，同時促進沉積物的磷釋放。

2019年《中國環(huán)境狀況公報》指出：巢湖為輕度污染，主要污染指標為總磷，其中東半湖為輕度污染，西半湖為中度污染。西半湖和東半湖均為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)，平均全湖為輕度富營養(yǎng)狀態(tài)。

因此，解決巢湖富營養(yǎng)化問題的關鍵可以考慮從總磷的削減入手。

1 磷循環(huán)原理

磷的循環(huán)主要包括自然循環(huán)和社會經濟循環(huán)。其中自然循環(huán)是指磷的生物化學循環(huán)，即磷元素在巖石、土壤、水、大氣、生物之間發(fā)生的物化與生物轉移過程。磷礦石首先受物理風化作用進入土壤，然后經過雨水沖刷進入河湖，最終進入海洋，深海中的磷元素經過復雜的物化和生化過程后累積成磷礦，最終回歸自然，從而形成完整的自然循環(huán)。磷的自然循環(huán)過程通常比較緩慢，但這一循環(huán)過程基本能夠保持生態(tài)圈所持磷的含量基本恒定，物料平衡。

與之相對應的社會經濟循環(huán)指的是由于人類活動導致磷的物質流動，磷礦石經人類開采后加工制造，生產成磷產品，供給消費者使用，其中的廢棄物回收或處理。黎斯思對磷進行物質流分析表明，按照磷的存在形式，在循環(huán)過程中磷礦中的磷主要以PO形式存在。磷礦被開采后，85%～90%的磷用于制取無機磷化肥，其他作為飼料添加劑（3.3%）、生產洗滌劑（4%）、藥品、工業(yè)用途等。化肥中的無機磷進入土壤后，被植物根系吸收，從而進入植物體內周轉，其中植物液泡中包含90%的無機磷，細胞質中包含10%的無機磷和ATP、G-6-P等有機磷。畜禽養(yǎng)殖過程中飼料被攝入之后，飼料中所含的磷與動物體內的磷元素一并在腸道內發(fā)生作用，形成復合物，一部分被動物吸收，主要以羥磷灰石Ca（PO）形式存在于動物骨骼和牙齒中（85%～90%），另一部分不能被吸收的磷隨著糞便排出體外。居民消費過程中磷的代謝與畜禽養(yǎng)殖類似，人體的腸道主要吸收無機磷，消化液中的磷酸酯可以將攝入的有機磷水解轉化成無機磷，其中約85%的磷以羥磷灰石Ca（PO）形式存在于骨骼和牙齒中，剩余的磷隨糞便排出體外。金屬加工主要應用于鋼鐵表面磷化，是指在金屬表面形成磷酸鹽轉化膜，目的是為了給金屬提供保護，防止金屬腐蝕。磷礦開采以及磷產品加工時均會產生廢棄物，其中工業(yè)廢棄物以選礦廢物、磷石膏、有機磷農藥為主；磷產品消費過程中產生的廢棄物主要是含磷污水與生活垃圾。除上述廢棄物在處理過程中將部分磷進行收集或轉化，絕大多數的磷進入自然環(huán)境，尤其是地表水體，從而加快了磷循環(huán)的進程，導致磷在自然水體中含量增加。圖2是磷的社會經濟循環(huán)過程。

圖2 磷的社會經濟循環(huán)過程

2 磷污染分析

2.1 點源磷污染

點源污染是指由固定或集中排放口排出的污染，與非點源污染源相對應，主要包括污水處理廠排口、污水收集裝置排口、污水管網直排口等。從點源污染的特性可以看出，污染物類型相對固定，排放濃度、頻次可追溯，受外界環(huán)境影響較小，可人為控制或干預的程度較高。

《巢湖綜合治理綠色發(fā)展總體規(guī)劃》（2018～2035）指出近年的入湖污染物結構中，城鎮(zhèn)生活污染貢獻占50%以上，并呈上升趨勢；工業(yè)生產貢獻15%左右，已呈下降跡象；流域面源（含城區(qū)雨水、農業(yè)農村排放等）貢獻35%左右，并隨降水呈現波動。

依據國家城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準，目前國內大多數污水處理廠出水TP均執(zhí)行一級A標準，即不大于0.5 mg/L。為了提高水環(huán)境質量，各地相繼出臺了更嚴格的水質標準。安徽省要求巢湖流域TP排放指標不大于0.3 mg/L。目前環(huán)巢湖流域并未出臺更嚴格的規(guī)定。而為了推進滇池流域的治理，昆明市要求TP排放指標執(zhí)行地表Ⅲ類標準（湖庫），即0.05 mg/L。

資料顯示，截至2018年，合肥市污水處理總規(guī)模為197萬m/d，其中91.45%的城市生活污水得到集中處理，70%的省級及以上工業(yè)園區(qū)污水得到集中處理。因此削減點源總磷污染是治理巢湖富營養(yǎng)化的重要手段。

2.2 面源磷污染

面源污染是指固態(tài)或溶解態(tài)的污染物，隨機性地被降雨（融雪）沖刷，經地表或地下徑流作用后進入河道、水庫、湖泊等自然水體造成的污染。巢湖流域的面源污染主要是雨水或沖洗導致的地表徑流通過河道匯入或直接流入巢湖的污染物，主要包含：①城市面源污染；②農村面源污染；③礦山面源污染；④大氣沉降面源污染。該類污染物通常受氣候、環(huán)境、空間變化等因素影響，隨機性和變化性較大，不易進行人工控制或干預。

城市面源污染主要包括雨水徑流、交通運輸、道路沖刷、生活垃圾堆放等過程進入雨水管網的污染物，因此污染物濃度及種類受不同地區(qū)下墊面的類型影響很大。徐微等人調查合肥市城區(qū)初期雨水地表徑流污染顯著，COD平均值高達609 mg/L，且以難降解成分為主；SS平均值為545 mg/L；氨氮、TN、TP均超過城鎮(zhèn)污水廠排放一級A標準。竇月芹等對合肥不同下墊面的降雨徑流進行分析，結果表明，生活區(qū)的徑流營養(yǎng)鹽污染最嚴重，其次是道路，草地污染最輕。

農業(yè)面源污染主要包括農田里的農藥、重金屬、氮磷、土壤、生活垃圾以及牲畜糞便等無機或有機物，通過徑流進入受納水體導致的污染。對巢湖流域種植最多的麥稻輪作農田進行研究發(fā)現，徑流的總磷流失量為0.302～0.612 kg/hm，稻季會流失89%以上的總磷，其中約37%的總磷以可溶性磷形式流失，磷肥的利用率在30%～40%。

礦山面源污染主要包括礦區(qū)的泥沙、礦渣、副產物、添加劑等無機或有機物，受地理或氣候作用影響，隨降雨或地表徑流沖刷進入臨近受納水體。調查顯示：由于古老的含磷變質巖系在巢湖北岸廣泛分布，巢湖北岸的磷本底值偏高。富磷巖層長期裸露，經陽光和雨水侵蝕，同時流域內水系眾多，其中有店埠河、炯煬河、柘皋河等均起源于磷礦和含磷地層，都為磷的遷移提供了便利，每天大量的磷通過物理、化學和生物作用后進入巢湖。特別是近幾十年來磷礦大量開采，導致入湖磷素的量也不斷累積。首先入湖口會沉積大量的磷素，所以通常北岸入湖口的總磷含量要高于南岸入湖口。孫喆通過對巢湖周邊龜山-馬鞍山一代富磷區(qū)進行研究發(fā)現，富磷地區(qū)河流中顆粒態(tài)磷是TP的主要存在形式，占60%以上，如此高的百分比反映巖源磷風化隨水體遷移進入河流。此外，磷化工企業(yè)排放的污染物以及磷石膏堆場防滲不到位，均有可能造成污染。

2.3 內源磷污染

內源污染主要指的是沉積或懸浮在湖泊中的沉積物造成的污染。該沉積物中攜帶的污染物在本體與水體中不斷釋放與吸附，在一系列物化和生化作用下，處于動態(tài)平衡。在某些環(huán)境下，沉積物可作為“源”，向水體釋放磷，造成二次污染；在另一些環(huán)境下，未飽和的沉積物又可以吸附水體中的磷，降低水體中污染物的濃度。

潘成榮等對于巢湖東西半湖取樣研究表明：無機磷是巢湖底泥中磷的主要存在形式；在東西半湖中，各種賦存形態(tài)的磷含量不同，但都以鐵結合態(tài)為主；其中易溶性磷在西半湖中明顯高于東半湖，可推測西半湖水生生物更容易獲取營養(yǎng)物；陸地是巢湖有機質的主要來源，其占湖泊中總有機質含量的80%。李運奔等對東巢湖近城市湖灣沉積物的研究表明，東巢湖近城市湖灣沉積物中氮、磷污染物蓄積量較高，內源沉積物明顯釋放磷酸鹽、氨氮，平均釋放速率分別為1.25 mg/(m·d)和32.44 mg/(m·d)。陳航通過采集西半湖區(qū)的沉積物進行模擬動力學實驗表明：上覆水中磷的初始濃度為0.05 mg/L時，沉積物表現為“源”；上覆水磷初始濃度為0.5 mg/L時，沉積物表現為“匯”。

3 措施建議

針對巢湖流域不同的污染物類型，建議措施如下：

3.1 針對點源磷污染

當前巢湖流域的市政污水除磷工藝均采用生物除磷+輔助化學除磷的方式來控制出水TP達標。其中生物法是通過排放剩余污泥來降低磷含量，通常二沉池出水TP還保持在2～3 mg/L；而化學除磷通常采用混凝沉淀的技術，一般出水TP＜0.5 mg/L，進一步去除TP難度較大。

崔朋等利用昆明某大型污水廠出水進行中試試驗表明：投加PAC和PAM，采用溶氣氣浮的方式，可將出水總磷從0.47 m/L降至0.08 mg/L，砂濾后可進一步處理至0.03 mg/L，其中正磷酸鹽幾乎全部去除。除氣浮技術以外，夾砂沉淀或磁混凝技術均可以使出水TP穩(wěn)定在0.3 mg/L以下。

3.2 針對面源磷污染

針對面源污染應當采用非工程手段與工程手段相結合。對巢湖地區(qū)農業(yè)面源污染，從治理思路上，通?？紤]源頭控制。改變施肥方式，分批次施肥或施加緩釋肥，不同類型農田分區(qū)施肥，改變植物種植方式。根據合肥市政府工作報告，合肥市將很快實現環(huán)湖一公里農藥化肥零增長。

采用工程手段處理面源污染的方式有很多，針對面源污染大多分散的特點，可因地制宜地采用各種生態(tài)處理技術，如人工濕地。該技術具有投資低、污染物去除效果好、運行費用低、耐污染能力強、維護簡單和生態(tài)景觀性能好等一系列優(yōu)點。盧少勇等發(fā)現人工濕地對磷去除機理主要是物理化學作用，即通過沉淀去除。植物對于磷的去除作用與收割頻率、進水負荷、植物物種以及氣候條件有關。其余諸多實驗表明，人工濕地中TP的去除基本都是靠地下部分，植物吸收量非常少。但張迎穎在滇池的氣候條件下使用鳳眼蓮進行實驗發(fā)現，水體總磷初始濃度較低，80%的TP均由鳳眼蓮吸收作用去除；6%～8%由根系吸附去除。

除此以外，還可以考慮從沉水植物的種植入手，降低湖泊中的總磷含量。沉水植物通過光合作用可以提高水體的透明度和溶解氧，有利于水體中的磷與底基中的金屬沉淀。任艷芹等在2010年對巢湖中的沉水植物進行調查時發(fā)現：巢湖沉水植物總計觀測到4科5屬6種，分布面積僅占全湖面積的1.54%，總生物量約為8 077.8 t，其中馬來眼子菜在巢湖沉水植物種屬中占絕對優(yōu)勢，其分布面積占沉水植物分布總面積的90.7%；輪葉黑藻、穗花狐尾藻和金魚藻等沉水植物稀少，已瀕臨消失。試驗檢測表明：沉水植物群落分布與巢湖的水深、透明度、化學需氧量、正磷酸鹽、總磷等相關性極為顯著，而與水體中的總氮并沒有達到顯著水平，說明巢湖流域沉水植物的群落分布受氮的限制要小于磷。

3.3 針對內源磷污染

治理內源污染主要有異位和原位修復兩種。異位修復主要是通過清淤或抽吸的方式去除污染嚴重的底泥。該方法可顯著減少底泥中氮磷的釋放，清淤土回填可修復巢湖濕地底基。該方法在修復蘆葦濕地的同時，也減少外運淤泥量，一舉兩得，近幾年在南淝河左湖岸已有一些清淤工程實施。

原位修復技術有：鈍化法，即投加化學藥劑固定總磷，通常是鋁、鐵和鈣的化合物，鋁劑鈍化法在歐美得到長期廣泛的應用；覆蓋法，即通過將碎石、泥沙、吸附劑等投入污染水體，使得原本底泥中的磷固化，釋放速率降低，但該方法可能引起水體容積減少，當前在海洋中應用較多；氧化法，即投加氧化劑，但因為涉及到生態(tài)問題，國內應用較少。

4 結束語

（1）治理巢湖富營養(yǎng)化問題要從源頭管控開始，科學的調查手段、合理的處理技術與嚴謹的監(jiān)督體制多管齊下，方能達到“一湖清水”的目的。

（2）通過各種措施控制水體總磷含量，是解決富營養(yǎng)化問題的有效途徑。污水廠提標是解決點源污染的有效措施；開展全流域面源污染狀況調查，掌握重點區(qū)域面源污染狀況，確定污染產生的主要原因，是緩解面源污染的基礎。

（3）水體富營養(yǎng)化與底泥密切相關。目前各種底泥處理方式均存在各自的優(yōu)勢和不足，單一技術很難達到理想的效果。在考慮生態(tài)安全的前提下，采用成本低、見效快、無二次污染的底泥處理處置方式是巢湖底泥治理的重點研究方向。