不同生物鏈組合對(duì)黃河下游地區(qū)引黃水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化及藻類控制

李佳岷，張克峰,*，陳永峰，李 梅，任 杰，顧學(xué)林

(1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101；2.山東勝利水務(wù)有限責(zé)任公司，山東東營(yíng) 257000)

為了解決我國(guó)水資源短缺的問(wèn)題，黃河下游地區(qū)建設(shè)了大量引黃平原水庫(kù)，黃河水為干旱、半干旱地區(qū)提供了豐富的水資源。但人類的生產(chǎn)和生活使含氮含磷廢水不斷排入黃河，水體的自我調(diào)節(jié)和凈化能力遭到嚴(yán)重破壞，水中藻類微生物獲得大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，大量氮磷的積累和藻類的滋長(zhǎng)導(dǎo)致黃河水水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重[1]。黃河下游水庫(kù)長(zhǎng)期在富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)下運(yùn)行，影響了飲用水安全[2]。因此，控制和治理水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化成為亟待解決的難題。

當(dāng)前的主要治理舉措有化學(xué)法、物理法、生物法[3-4]?；瘜W(xué)法主要應(yīng)用于水廠和水源地，其處理效果見(jiàn)效快且操作簡(jiǎn)單，但是極易引起二次污染。物理法主要有曝氣、過(guò)濾和吸附等，可以為水體提供自凈能力，減少藻類數(shù)量，但是無(wú)法從根本上解決水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題。與物理法和化學(xué)法相比，生物法具有無(wú)二次污染、處理能力大、凈化效果好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于新安水庫(kù)復(fù)雜的水環(huán)境特點(diǎn)，簡(jiǎn)單的生物修復(fù)技術(shù)很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，原位復(fù)合生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)投放水生植物、水生動(dòng)物及底棲生物組合而形成較完善的生物鏈，同時(shí)，不同生物法的結(jié)合能夠形成合理有效的生物操縱體系[5]，最終可形成穩(wěn)定的水生態(tài)系統(tǒng)[6-7]，進(jìn)而抑制藻類的滋長(zhǎng)和治理水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象。

本研究在東營(yíng)市勝利油田新安水庫(kù)進(jìn)行，研究不同生物鏈組合對(duì)新安水庫(kù)水體營(yíng)養(yǎng)鹽類指標(biāo)的去除率和水體凈化效果，以期為黃河下游地區(qū)引黃平原水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化和藻類控制提供支持。

1 試驗(yàn)方法和材料

1.1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)共設(shè)置4個(gè)處理單元：試驗(yàn)組P1、P2、P3和空白組P4。通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)，植物覆蓋率選擇45%，以鰱鳙魚(yú)為3∶1投放80 g/m3的魚(yú)苗。當(dāng)植物覆蓋率達(dá)到60%時(shí)，由于水生植物凋亡分解產(chǎn)生氮、磷，水中的TN、TP含量反而升高，且過(guò)高的植物覆蓋率占據(jù)水生動(dòng)物的生存空間，造成魚(yú)類死亡。檢測(cè)藻類指標(biāo)時(shí)發(fā)現(xiàn)，植物覆蓋率為30%時(shí)的藻類數(shù)量和種屬高于植物覆蓋率為45%時(shí)。綜合考慮，選擇45%的植物覆蓋率較合適。當(dāng)投放鰱鳙魚(yú)苗為3∶1、4∶1、5∶1及40、80、120 g/m3，均可降低和控制藻類數(shù)量，但考慮到水庫(kù)1 500萬(wàn)m3的庫(kù)存，若分別按40、80、120 g/m3投放魚(yú)苗，投放量分別達(dá)到600、1 200、1 800 t。因此，綜合考慮水質(zhì)處理效果和經(jīng)濟(jì)性，選擇植物覆蓋率為45%，以鰱鳙魚(yú)為3∶1投放80 g/m3的魚(yú)苗(表1)。

表1 不同生物鏈及其組合試驗(yàn)方法Tab.1 Test Methods for Different Biological Chains and Combinations

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中的原水來(lái)自東營(yíng)市新安水庫(kù)出水口，于2017年9月15日開(kāi)始準(zhǔn)備工作，到11月22日完成收尾工作，共計(jì)67 d。試驗(yàn)選擇4個(gè)300 L塑料桶，每個(gè)塑料桶中引入新安水庫(kù)出水口原水250 L，分別根據(jù)P1、P2、P3、P4生物鏈組合加入水生生物。鰱鳙魚(yú)苗來(lái)自當(dāng)?shù)貪O場(chǎng)，每組塑料桶放20 g魚(yú)苗，其中鰱魚(yú)15 g、鳙魚(yú)5 g；美人蕉來(lái)自花卉市場(chǎng)，平均株高約為31 cm，平均生物量約為76.37 g，底棲生物為2只河蚌、75 g田螺和50 g蝦苗；生物填料材質(zhì)采用比重相同的聚丙烯。3組試驗(yàn)組控制比例、密度、植物覆蓋率等因素不變，通過(guò)改變生物鏈組合來(lái)探究不同生物鏈組合對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化和藻類控制的影響。P2采用鰱鳙魚(yú)+美人蕉+底棲生物的組合，與P1相比增加了底棲生物，可以處理鰱鳙魚(yú)攝食藻類形成的糞便，生態(tài)系統(tǒng)更加完善；P3采用鰱鳙魚(yú)+美人蕉+底棲生物+生物填料的組合，與P2相比增加了生物填料，為微生物生長(zhǎng)繁殖提供了空間，提高了水質(zhì)處理能力；P4為空白組，起到與其他3組試驗(yàn)的對(duì)照作用。

1.3 指標(biāo)選擇和檢測(cè)

從2019年9月17日開(kāi)始，每隔7 d分析水質(zhì)指標(biāo)DO、TN、TP、氨氮、CODMn、葉綠素a[8]、藻類總數(shù)等指標(biāo)，直到2019年11月20日進(jìn)行最后一次各處理單元指標(biāo)檢測(cè)。水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)方法如表2所示。

表2 檢測(cè)指標(biāo)及測(cè)定方法Tab.2 Test Indices and Determination Methods

2 結(jié)果與討論

2.1 水體富營(yíng)養(yǎng)化指標(biāo)控制分析

(1)TN

根據(jù)進(jìn)水和出水檢測(cè)結(jié)果計(jì)算TN的去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元TN濃度和去除率變化曲線，如圖1所示。

圖1 各處理單元TN的變化量和去除率Fig.1 Changes and Removal Rates of TN in Each Treatment Unit

由圖1可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中TN去除率均達(dá)到60%以上。其中：P3處理單元的去除率較高，達(dá)到89.41%，從1.93 mg/L降低到0.204 mg/L；P2處理單元的去除率次之，達(dá)到88.15%，從1.76 mg/L降低到0.21 mg/L；P1處理單元的去除率較低，為80.19%，從1.85 mg/L降低到0.366 mg/L；空白處理單元去除率為18.18%，從1.87 mg/L降低到1.53 mg/L。綜上，各處理單元中TN去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1處理單元中水體中的氮可以通過(guò)水生生物捕食作用及其同化吸收，以及通過(guò)水生植物的收獲和死亡等沉積過(guò)程脫離水體的營(yíng)養(yǎng)循環(huán)；P2處理單元中的底棲生物能夠處理魚(yú)類糞便，減少其中的氮進(jìn)入水體；P3處理單元中的水生植物和生物填料為微生物提供了附著的基質(zhì)和庇護(hù)所，微生物中含有除氮的細(xì)菌，這是除氮的另一種途徑[9-11]。

(2)TP

根據(jù)進(jìn)水和出水檢測(cè)結(jié)果計(jì)算TP的去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元TP濃度和去除率變化曲線，如圖2所示。

圖2 各處理單元TP的變化量和去除率Fig.2 Changes and Removal Rates of TP in Each Treatment Unit

由圖2可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中TP去除率均達(dá)到60%以上。其中：P3處理單元的去除率最高，為90.24%，從0.068 mg/L降低到0.007 mg/L；P2處理單元的去除率次之，為89.77%，從0.053 mg/L降低到0.005 mg/L；P1處理單元的去除率最低，為87.32%，從0.062 mg/L降低到0.008 mg/L；空白處理單元去除率為23.21%，從0.056 mg/L降低到0.041 mg/L。綜上，各處理單元中TP去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1、P2處理單元中的水生植物能夠通過(guò)同化作用去除水中的磷，植物利用根系溶解性吸收水中的磷酸鹽營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)進(jìn)行植物的生長(zhǎng)和植物組織的合成；P3處理單元可使水中不溶解的磷通過(guò)聚磷菌分解成小分子、溶于水的物質(zhì)，水生植物和生物填料為這些微生物提供了附著基質(zhì)[12]，水中的磷主要通過(guò)這些細(xì)菌的協(xié)同作用，將有機(jī)不溶解的磷降解為無(wú)機(jī)溶解性的磷而被植物吸收去除。

(3)氨氮

根據(jù)進(jìn)水和出水檢測(cè)結(jié)果計(jì)算氨氮的去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元氨氮濃度和去除率變化曲線，如圖3所示。

圖3 各處理單元氨氮的變化量和去除率Fig.3 Changes and Removal Rates of Ammonia Nitrogen in Each Treatment Unit

由圖3可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中氨氮去除率均達(dá)到55%以上。其中：P3處理單元的去除率最高，達(dá)到65%，從0.738 mg/L降低到0.258 mg/L；P2處理單元的去除率次之，達(dá)到59%，從0.721 mg/L降低到0.296 mg/L；P1處理單元的去除率最低，為56.5%，從0.735 mg/L降低到0.316 mg/L；空白處理單元去除率為13.22%，從0.726 mg/L降低到0.630 mg/L。綜上，各處理單元中氨氮去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1處理單元魚(yú)類攝食藍(lán)藻降低水中營(yíng)養(yǎng)鹽含量，但是其排泄物又將營(yíng)養(yǎng)鹽帶入水中[13]，水生植物可吸收水生動(dòng)物排泄物中的氨氮；P2處理單元中增加了底棲生物，處理水生動(dòng)物排泄物中的氨氮效果更好；P3處理單元中的生物填料為水中的硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌提供了基質(zhì)，硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌又能去除含氮有機(jī)物中的氨氮，同時(shí)，水生植物和生物填料又能為這些微生物提供很好的庇護(hù)所[14]。

(4)CODMn

根據(jù)進(jìn)水和出水檢測(cè)結(jié)果計(jì)算CODMn的去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元CODMn濃度和去除率變化曲線，如圖4所示。

圖4 各處理單元CODMn的變化量和去除率Fig.4 Changes and Removal Rates of CODMn in Each Treatment Units

由圖4可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中CODMn去除率均達(dá)到45%以上。其中：P3處理單元的CODMn去除率較高，達(dá)到66.93%，從4.84 mg/L降低到1.60 mg/L；P2處理單元的去除率次之，達(dá)到60.86%，從4.68 mg/L降低到1.83 mg/L；P1處理單元的去除率較低，為58.27%，從4.79 mg/L降低到2.00 mg/L；空白處理單元去除率為13.05%，從4.75 mg/L降低到4.13 mg/L。綜上，各處理單元中CODMn去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1處理單元中魚(yú)類吞噬水中的藻類、腐泥和懸浮性有機(jī)物，但其排泄物又會(huì)將有機(jī)物重新帶入水中；P2處理單元中的底棲生物可以處理魚(yú)類攝食藻類、腐泥形成的糞便；P3處理單元中水中的一些微生物起到分解者的作用，將有機(jī)物分解成簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物，釋放到環(huán)境中，供生產(chǎn)者再一次利用。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可知，不同生物鏈組合對(duì)水體中的TN、TP、氨氮、CODMn、葉綠素a和藻類總數(shù)等水質(zhì)指標(biāo)有不同程度的去除效果，使水質(zhì)得到不同程度的改善。生物鏈組合越完善，在水處理系統(tǒng)中起到緩解或控制水體富營(yíng)養(yǎng)化的作用越好，P3生物鏈組合比P1、P2更完善，因此，其效果優(yōu)于P1、P2。

2.2 水體生物指標(biāo)分析

(1)藻類總數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)水體中藻類總數(shù)檢測(cè)結(jié)果計(jì)算其去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元藻類總數(shù)和去除率變化曲線，如圖5所示。

圖5 各處理單元藻類總數(shù)的變化量和去除率Fig.5 Changes and Removal Rates of Total Algae in Each Treatment Unit

由圖5可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中藻類總數(shù)去除率均達(dá)到40%以上。其中：P3處理單元的去除效果較好，去除率達(dá)到85.94%，從7 653.5萬(wàn)個(gè)/L降低到1 076.0萬(wàn)個(gè)/L；P2處理單元的去除效果次之，去除率達(dá)到82.59%，從7 689.0萬(wàn)個(gè)/L降低到1 338.5萬(wàn)個(gè)/L；P1處理單元的去除效果較低，去除率為78.35%，從7 535.0萬(wàn)個(gè)/L降低到1 631.0萬(wàn)個(gè)/L；空白處理單元去除率為35.11%，從7 518.5萬(wàn)個(gè)/L降低到4 879.0萬(wàn)個(gè)/L。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，P1～P3處理單元的藻類總數(shù)較P4(空白)處理單元均有不同程度的降低，分別下降了43.24%、47.48%、50.83%。綜上，各處理單元中藻類總數(shù)去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1、P2處理單元中，濾食性魚(yú)類通過(guò)對(duì)藻類的攝食作用降低水中藻類整體含量，同時(shí)，水生植物通過(guò)植物化感作用和競(jìng)爭(zhēng)作用抑制水中藻類的生長(zhǎng)；P3處理單元中水中的微生物可以把藻類當(dāng)成宿主細(xì)胞使其裂解死亡，且部分細(xì)菌胞外溶藻物質(zhì)可快速作用于藻細(xì)胞[15]；P4處理單元中藻類總數(shù)減少原因可能是多方面的，如水庫(kù)內(nèi)水溫隨天氣變化迅速，削弱了藻類的生存能力。

(2)葉綠素a

根據(jù)進(jìn)水和定期檢測(cè)結(jié)果計(jì)算葉綠素a的去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元葉綠素a濃度和去除率變化曲線，如圖6所示。

圖6 各處理單元葉綠素a的變化量和去除率Fig.6 Changes and Removal Rates of Chlorophyll a in Each Treatment Unit

由圖6可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中葉綠素a去除率均達(dá)到35%以上。其中：P3處理單元葉綠素a的去除率較高，達(dá)到89.52%，從33.6 mg/m3降低到3.5 mg/m3；P2處理單元的去除率次之，達(dá)到85.59%，從32.9 mg/m3降低到4.7 mg/m3；P1處理單元的去除率較低，為82.47%，從33.1 mg/m3降低到5.8 mg/m3；空白處理單元去除率為47.10%，從32.8 mg/m3降低到17.4 mg/m3。P1～P3處理單元的葉綠素a濃度較P4(空白)處理單元也均有不同程度的降低，表明了藻類數(shù)量的減少。綜上，各處理單元中葉綠素a去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1處理單元中，濾食性魚(yú)類可以通過(guò)濾食直接去除水體中的大型藻類，另外水生植物和藻類同屬于初級(jí)生產(chǎn)者，兩者對(duì)水中所需的因素起到競(jìng)爭(zhēng)作用，抑制藻類生長(zhǎng)；P2處理單元中，底棲生物能夠處理糞便中的營(yíng)養(yǎng)鹽，抑制了藻類的生長(zhǎng)；P3處理單元中，生物填料具有較高的比表面積，為葉綠素a在生物填料孔隙內(nèi)的擴(kuò)散和吸附提供了活性位[16]。

3 結(jié)論

(1)3種生物鏈組合和空白對(duì)照組相比，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的修復(fù)都有良好的效果，P3(鰱鳙魚(yú)+美人蕉+底棲生物+生物填料)的小型生態(tài)系統(tǒng)對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體中的TN、TP、氨氮、CODMn、葉綠素a和藻類總數(shù)等水質(zhì)指標(biāo)的去除效果，優(yōu)于P1(鰱鳙魚(yú)+美人蕉)和P2(鰱鳙魚(yú)+美人蕉+底棲生物)。根據(jù)目標(biāo)水環(huán)境狀況，生物鏈組合越完善，對(duì)水體理化指標(biāo)的調(diào)節(jié)和藻類的控制效果越好。

(2)簡(jiǎn)單的生物鏈組合對(duì)水體的處理效果往往很難達(dá)到預(yù)期的效果，所以需要結(jié)合其他水生生物對(duì)受污染的水源進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)目標(biāo)水環(huán)境狀況，通過(guò)投加沉水植物使水體達(dá)到清水穩(wěn)態(tài)狀；放養(yǎng)一定的濾食性魚(yú)類和適量食草性魚(yú)類，限制浮游植物和藻類的生長(zhǎng)；投加一定的底棲生物處理魚(yú)類產(chǎn)生的糞便，從而減少水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽含量，抑制藻類的再次生長(zhǎng)；添加生物填料，為溶藻微生物提供棲息場(chǎng)所。