水源地水体营养化成因及对策分析

曹春明

【摘要】以吴江市东太湖应急备用水源地工程为例，主要讲述了水源地水体营养化成因及对策。

【关键词】水体富营养化；成因；技术措施；控制措施

1. 概述

吴江市东太湖应急备用水源地工程位于原吴江市横扇镇，利用东太湖围垦圩子，将盛西圩、盛东圩（部分）、老太湖西圩和老太湖东圩（部分）建成一个蓄水区作为吴江市的应急备用水源地。常水位时蓄水区内水面366.7万m2，蓄水量为751.5万m3。可满足吴江市居民生活用水和特别工业用水14天的用水需求，为水污染突发事件提供了可靠的应急手段，是保障应急供水水质和水量、促进经济又好又快发展和保障社会稳定的重要工程措施之一。应急水源地需封闭运行14天左右，在此期间，需基本保障蓄水区内水质维持Ⅲ类水水质，以满足应急供水的需求，而水体的营养化是影响水质的根本因素。

2. 水体富营养化成因

根据水体富营养化的藻类水华爆发的相关研究资料表明，水体富营养化形成的原因和条件主要有以下几个方面：

2.1营养元素。

营养元素（特别是氮和磷）是形成蓄水区水体富营养化的重要条件。根据Leibig最小值定律，生物的生长决定于外界供给它所需养分中数量最少的那一种。通过藻类原生质组成的分析，其主要组成元素的比例为 ，因此，藻类生长繁殖主要决定于氮和磷，特别是磷，磷含量的高低决定着藻类繁殖速度和富营养化程度。

2.2光照。

光是决定水体中绿色植物分布、生长的主要条件，它决定于水体的透明度。按照光亮的垂直分布，可以把水体分为富光带、光补偿面和深水带。富光带内植物光合作用的放氧量超过呼吸作用的耗氧量，水体中的溶解氧量较高；深水带内植物呼吸作用的耗氧量超过光合作用的放氧量，水体中溶解氧量较少；光补偿面的光照强度大约为全光照强度的1%，光合作用产生的氧和呼吸作用消耗的氧基本相当。因此，水体中的光照强弱、水生植物光合作用的强弱直接影响水体的富营养化。

2.3温度。

（1）水体温度的时间变化（季节、昼夜）形成水体的运动，是影响水中氧和营养物质的垂直运动和在各层分布的因素。在湖泊中，夏季表层增温，表层水漂浮在冷水之上，上下不易混合。冬季表层水温低于4℃或者结冰，冷水和冰密度小，浮在暖水之上。因此，夏、冬季水体的上下层氧气和营养物质都不能交换，春、秋季由于上下层水体温度不均匀而产生对流，氧气和营养物质都得以相互补充。

（2）此外，温度升高显著提高了水生生物的初级生产率，这也是水体中浮游植物短时间大量暴发的机制之一。

2.4水动力条件。

水动力条件是影响水体富营养化进程的重要因素，当营养盐、水温等富营养化条件满足的情况下，水动力条件有可能成为水体富营养化发生的制约因子。

3. 目前对富营养化和水华控制的主要技术措施

（1）基于外源性污染控制的截污、污水改道、污水脱氮除磷的处理、削减生活污水中磷的排放等；以及基于内源性污染消减的清淤、营养盐钝化、底层曝气、稀释冲刷、调节湖水氮磷比、覆盖底部沉积物及絮凝沉降等一系列措施。

（2）控制和改变环境条件：主要是通过引清调水，稀释水体中的营养盐和藻类，也可改变水体的流速抑制藻类的生长和聚集。

（3）控制藻类的异常生长：可采用化学杀灭和絮凝剂（如硫酸铜、明矾、石灰等）方法，以达到杀藻、促磷沉淀和脱氮等治理措施，往往投入花费大，并易造成二次污染；另一应急措施是用机械方法收获湖水中大量的藻类。机械法可在短期内快速有效地去除湖水中的藻类及藻华，但往往需要耗费大量的劳力和能量。

（4）随着人们对水污染过程及其内在机理认识的不断深入，生物调控也成为内源性富营养化控制的常用技术之一，包括恢复水生植被、通过调控或投放浮游动物、食鱼性或食浮游生物鱼类及微生物制剂等来控制蓝藻水华。由于湖泊的富营养化类型复杂多样，许多时候单纯的生物调控在控制蓝藻水华的效果方面往往缺乏长期持续性。

（5）综合上述各项技术对富营养化水体的治理来看，单纯的某一种技术或单项措施是无法长期有效地控制蓝藻水华的发生，因为，富营养化问题不是一个简单的水体污染问题，而是生态系统失调问题，是生态系统的结构功能在人类活动的干预下发生了重大变化后出现的一种生态灾害。建立良性自循环的健康水生态系统，是控制湖泊富营养化、蓝藻水华暴发，改善水质的重要途径。

（6）根据应急水源地的水质保障要求及运行情况，应急水源地需长期保持水源地水质水平，上述4种措施中的引清调水、化学杀灭及机械打捞等措施均为短期措施，不宜作为应急水源地的长期水质维持措施；生态保障措施采取构建良性水生生态系统及控制外源污染的输入作为工程主要的保障措施。

4. 营养盐的主要控制措施

根据应急水源工程的现状情况及工程设计条件，对于影响富营养化的4个主要因素中营养元素、光照及水动力条件在一定程度上是工程设计可以控制的，温度属于工程设计不可控因素，因此生态保障措施主要在营养盐的控制上，同时结合工程设计控制应急水源的光照及水动力条件。营养盐的控制包括内源控制、外源控制以及营养盐的生物操控。

（1）外源污染物控制。

应急水源封闭运行时，与东太湖其他水域隔离，主要的外源营养盐的输入来自降水降尘及陆域的输入，因此需对上述营养盐输入进行控制，利用植物缓冲带消纳是较好的方法，故蓄水区内设置相应的缓冲带及缓冲湿地。

（2）内源污染物控制。

应急水源封闭运行后主要的内源污染来自于底泥中营养盐的释放，因此采取调控蓄水区的水位，增加水生植物的覆盖率等控制措施，减少底泥中营养盐的释放。

（3）生物操控技术。

生物操控技术的目的在于在控制营养盐浓度、水位水深及水动力条件的基础上，通过生物修复及调控，构建良性的水生生态系统，通过良性的水生生态抑制蓝藻的爆发，保障水质。生物操控技术包括水生植物的恢复控制、底栖动物恢复控制、鱼类的控制及食藻虫技术，保障水质。

5. 应急措施

东太湖附近有航道，意外事故有可能造成外来污染源的输入、水质恶化、水华爆发或单一种水生植物疯长而造成水体景观和水生态系统破坏的情况，应采取有效措施应急处理，但要注意防止造成水体新的污染。一方面，通过生态净化工程的运行调度，将蓄水区的受污染水体水体尽快排出；另一方面，可一系列采取采用物理、化学及生物措施尽快恢复水质，如混凝沉淀、物理吸附法、气浮法、生物法、人工曝气等应急措施。在工程开闸运行时刻可综合运用物理措施、化学措施及生物措施；在工程关闸运行时应主要运用生物措施，适当结合物理措施，保障供水安全。

5.1有机改性粘土喷射法。

（1）有机改性粘土（如高岭土、蒙脱土等）喷射的应急措施，目前是国际上（如韩国、美国）广泛采用的赤潮预防治理措施之一。通过向水中投加高岭土、蒙脱土等有机改性粘土，它们在水中分散形成大量的悬浮颗粒，颗粒之间及颗粒与藻细胞之间通过重力差异性沉降、布朗运动、水流切应力等作用发生碰撞聚集，最后在重力作用下沉降于水底，从而消除水面水华。

（2）在我国，近两年来成功应用于南京玄武湖蓝藻水华的现场应急处置，保障了“全国十运会水上项目”的顺利进行，产生了显著的社会效益，为国内外相关研究和应用提供重要参考。

5.2物理吸附法。

物理吸附技术主要是利用多孔性的固体物质使水体中的一种或多种物质被吸附在固体表面而去除的方法。富营养化防治中用得较多的是活性炭吸附与沸石吸附。活性炭是用含炭为主要的物质（如木材、煤）作原料，经高温炭化和活化而制成的疏水性吸附剂，其比表面积可达500～1700m2/g，主要吸附对象是水体中的氮磷或有机物。天然沸石在自然界广为存在，对水体中的氨氮具有较强的吸附作用，经过改性处理后的沸石的吸附能力还可进一步加强。物理吸附作用的去除对象主要是有机物、无机氮，对于封闭的微污染水体的去除率在40%以上，同时对水体中的铁、锰、砷、硫酸盐也具有一定的吸附效果。

5.3生物法。

（1）生物法是利用微生物的作用改善水质。微生物是降解废物、废水的主力军，利用经过遗传工程改造的微生物将成为治理环境污染、保持生态平衡的最有效的方法。

（2）如硝化细菌可去碳去氮、杀灭病毒、降解农药、絮凝水体重金属及有机碎屑，能将硝酸盐反硝化成NO2和N2，它在消解碳系、氮系等有机污染时，也可消解有机污泥。嗜烃菌可短时间吞吃大部分油污，使其转化为二氧化碳和菌体蛋白。光合细菌能够利用水中残留的有机物（或H2S、NH3等）作为氢的供体进行光合作用，减少分解水中的有害物质，起到改善水质，相对提高溶氧量的作用。

（3）微生物技术适合封闭缓流水体，投资少，见效快，操作简单，通常在在藻类大量暴发前使用。

5.4人工复氧。

在水体中采用机械方法进行曝气和促进水的流动，可起到防止底泥释放磷，改善氧气状况，加强矿化作用，降低浮游植物光合作用等效果。例如，采用曝气船为河底补充氧，使水与底泥界面之间不出现厌氧层，经常保持有氧状态，这将有利于抑制底泥中磷的释放，对水质的改善有利。

5.5食藻虫控藻。

食藻虫是一种功能上经过人工改良的滤食性枝角类，是经过驯化的浮游动物，它完全可以在各种恶劣的藻水环境中生长繁殖，比相应的野生枝角类个体要大得多（正常个体可达5.5～6.5mm）、食藻能力强许多，目前经过五年多的自然水体试验证明：食藻虫食藻效果十分显著、自然环境稳定性良好、易于操控。食藻虫可以直接以蓝藻为食，且食藻虫本身也可以为生态系统中其他生物所捕食，不会造成二次污染。

[文章编号]1619-2737（2013）06-22-688