南水北調(diào)水源條件下的藻類生長成因及控制技術(shù)探究

南水|北調(diào)水源條件下的藻類生長成因及控制技術(shù)探究黃慧婷;王敏;李玉仙;顧軍農(nóng)【摘要】近年來，隨著城市化進程的加劇，生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的大量氮、磷等營養(yǎng)元素進入到水體，使城市供水中的部分水源遭受到不同程度的藻類污染。藻污染給水廠的運行管理和水質(zhì)安全帶來許多問題，本文將著重對藻類現(xiàn)狀、成因及影響因素，給水質(zhì)、制水工藝帶來的危害以及除藻方法進行總結(jié)，以北京藻類的現(xiàn)狀為例對比各種除藻方法的效果，為飲用水供水水質(zhì)安全提供依據(jù)。【期刊名稱】《城鎮(zhèn)供水》【年(卷)，期】2016(000)006【總頁數(shù)】6頁(P73-78)【關(guān)鍵詞】飲用水;藻類滁藻方法【作者】黃慧婷;王敏;李玉仙;顧軍農(nóng)【作者單位】北京市自來水集團技術(shù)研究院，北京市供水水質(zhì)工程技術(shù)研究中心，北京100012;北京市自來水集團技術(shù)研究院，北京市供水水質(zhì)工程技術(shù)研究中心，北京100012;北京市自來水集團技術(shù)研究院，北京市供水水質(zhì)工程技術(shù)研究中心，北京100012;北京市自來水集團技術(shù)研究院，北京市供水水質(zhì)工程技術(shù)研究中心，北京100012【正文語種】中文近年來，隨著城市經(jīng)濟的高速發(fā)展和環(huán)境污染的不斷加劇，飲用水的水質(zhì)安全問題已經(jīng)成為全民普遍關(guān)注的焦點。目前，我國城市的供水水源多為湖庫型水源，這些水體由于其自凈能力欠佳，當?shù)⒘椎葼I養(yǎng)元素進入后就很難被排出，從而不同程度地受到藻類的污染，而水體中藻類的大量繁殖直接給飲用水生產(chǎn)帶來諸多危害。因此,如何有效地去除水中藻類是給水工程中亟待解決的問題。本文重點旨在對藻類現(xiàn)狀的成因及影響因素、對水質(zhì)及制水的影響與危害及除藻方法做了總結(jié)，以北京水源為例對各種除藻方法及效果進行分析，以期更加深入的認識藻污染現(xiàn)狀的成因及控制方法，為保障供水水質(zhì)安全提供依據(jù)。1.1藻類現(xiàn)狀和成因藻類（除藍藻其它藻類均是真核生物）通常是指一群在水中以浮游方式生活、能進行光合作用的自養(yǎng)型微生物，個體大小一般在2~200pm,其種類繁多，均含葉綠素，在顯微鏡下觀察是帶綠色的有規(guī)則的小個體或群體。由于近年來城市經(jīng)濟的高速發(fā)展，大量工業(yè)廢水、農(nóng)田灌溉和生活污水排至江湖中，使湖泊及水庫水體逐漸從貧營養(yǎng)、中營養(yǎng)向富營養(yǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化，最終導致富營養(yǎng)化的發(fā)生。根據(jù)圖1-1所示，2013年《中國環(huán)境狀況公報》顯示61個國控重點湖庫中，富營養(yǎng)、中營養(yǎng)和貧營養(yǎng)的湖泊（水庫）比例分別為27.8%、57.4%和14.8%，總體狀況不容樂觀，密云水庫和丹江口水庫也已經(jīng)處于中營養(yǎng)狀態(tài)。密云水庫一直以來都是北京的主要供水水源，自2014年汛后南水進京以來，丹江口水庫已成為了北京的又一主力供水水源，因此，湖庫型水源的富營養(yǎng)化問題更加值得我們關(guān)注。富營養(yǎng)化的典型特征之一是水華，水華爆發(fā)時，水面呈現(xiàn)藍色、紅色、棕色、乳白色等異常的水色現(xiàn)象，水華爆發(fā)的原因是水體中藻類的大量繁殖和腐爛造成的。湖庫型水源中藻類種類主要為藍藻、綠藻和硅藻。根據(jù)賈東民等對密云水庫藻類的研究數(shù)據(jù)顯示，在2008-2010年間藍藻和綠藻密度呈上升趨勢，硅藻密度相對呈下降趨勢，這種趨勢在無外力干涉的影響下基本保持平穩(wěn)［1］。2014年底至2015年3月再次對密云水庫的藻類情況進行了調(diào)查，結(jié)果見下圖1-2所示，隱藻數(shù)量相對其他藻種占據(jù)比例更大，綠藻數(shù)量高于硅藻。然而，在申恒倫等對丹江口水庫藻類的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在2003年~2006年間硅藻為優(yōu)勢種群，其次是綠藻和藍藻［2］。近期對丹江口水庫及南水輸送到京的沿線藻類進行了一次調(diào)研，結(jié)果如下表所示。硅藻數(shù)量在輸送的沿線呈增長趨勢，在源頭附近的取樣位置綠藻明顯勝于硅藻，出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要與營養(yǎng)鹽的吸收能力等因素有關(guān)。1.2影響藻類生長的因素1.2.1營養(yǎng)鹽對藻類生長的影響營養(yǎng)鹽作為藻類生長必不可少的條件，不同的藻類具有不同的生理特點，對營養(yǎng)鹽的吸收能力有所不同。研究表明在高Si:N比率（氮限制）和高Si:P比率（磷限制）條件下，硅藻勝過非硅藻而占據(jù)優(yōu)勢［3］；當硅的含量較少時，藍藻在低N:P比率條件下占據(jù)優(yōu)勢，而綠藻在高N:P比率時勝出［4］；淡水硅藻在高N:P比率時占優(yōu)勢，而淡水綠藻適于生長在中等N:P比率條件下［5］。硅藻數(shù)量在輸運的沿線逐漸增多這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，與渠道中的水流速度相對緩慢，水量沒有庫區(qū)內(nèi)的充盈且呈下降趨式，水體的營養(yǎng)本底值相對較高，即N:P的比率相對較高，創(chuàng)造了適宜硅藻生長繁殖的條件。1.2.2其他因素對藻類生長的影響光照、溫度及pH也影響著藻類的生長繁殖。藻類對光照強弱的喜好不同，有的藻適宜在強光下生長，有的藻則喜歡在光強較弱的條件下生長，硅藻生長的最適光強為5000~8000lx,藍藻為1000~15000Ix，飽和光強一般為1000~23000lx,抑制光強＞23000lx［6］。此外，藻類的生長也受水溫及pH值的影響，溫度對藻類生命活動的影響主要是通過控制光合作用的酶促反應(yīng)或呼吸作用強度直接影響藻類的生長及繁殖［7］。李宗來［8］在對密云水庫藻類種群研究中發(fā)現(xiàn)，硅藻的最適溫度是16~24°C，藍藻的最適溫度是23~30°C,綠藻的最適溫度是22~26°C。pH對藻類的繁殖也起著至關(guān)重要的作用，最常見的是藻類吸收大量CO2引起水體pH上升。劉春光等［9］在pH對藻類生長影響的研究中證實了pH值為8.5時最適宜多數(shù)藻類生長。硅藻的最適pH相比其他藻種的適宜PH值較低，為7.8~8.2。在南水北調(diào)源頭附近取樣的檢測數(shù)據(jù)顯示綠藻數(shù)量明顯勝于硅藻，這可能與當?shù)氐乃疁亍H和光照強度相對較高有關(guān)。目前，湖泊、水庫的富營養(yǎng)化程度不斷加劇，水體中的藻類等浮游生物大量繁殖造成飲用水水源受到污染，使得制水系統(tǒng)的正常運行受到干擾，直接影響了凈水廠供水的水量和水質(zhì)，主要表現(xiàn)在以下幾方面：對水質(zhì)的影響：飲用水出現(xiàn)嗅味。藻類是導致水源中嗅味發(fā)生的常見原因，幾乎所有的浮游藻類都會產(chǎn)生異臭物質(zhì)。不同藻類產(chǎn)生的嗅味不同，常見的硅藻可產(chǎn)生魚腥味，藍綠藻能產(chǎn)生土霉味［10］。不僅如此，藍藻類在生長過程及死亡、腐爛及分解后，均會向水中釋放藻毒素。曾有報道證實，含有藻毒素的自來水被人飲用后會引起消化道疾病。此外，藻類在生長過程中向水體中分泌有機代謝物，它們具有較高的消毒副產(chǎn)物生成勢(DBPsFPS)，可在氯化/消毒過程中生成消毒副產(chǎn)物，由此提高出水中消毒副產(chǎn)物生成的風險。對供水單元及供水構(gòu)筑物的影響：首先，藻類及其分泌的有機物會影響混凝沉淀過程，藻細胞自身帶負電荷且電穩(wěn)定性較高，不易被沉降，因而為了達到較理想的效果，需要加大混凝劑的投加量；藻類的大量存在，會導致水體的pH值有所升高，這將給混凝劑的選型帶來局限性。另外，相當數(shù)量的藻類存在于濾池中時，會致使濾料層被堵塞，過濾周期相應(yīng)縮短，濾頭損失相應(yīng)增加，產(chǎn)水量隨之降低。以硅藻為例，硅藻自身具有堅硬的硅質(zhì)外殼，具有該種結(jié)構(gòu)不易被氧化劑和消毒劑破環(huán)，硅藻表面附著粘性的物質(zhì)，在制水過程中聚集成團形成片狀的粘結(jié)物質(zhì)，導致濾池堵塞，濾池的過濾周期縮短，產(chǎn)水能力嚴重下降［11］。尺寸相對較小的藻類還能穿透濾池，進入清水池甚至管網(wǎng)，為細菌的生長提供有利的棲息場所，并加快配水系統(tǒng)的老化速度。此外，藻類細胞可附著于混凝土材質(zhì)的供水構(gòu)筑物表面形成潤滑層，水垢、青苔等可在上面附著生長，長期腐蝕致使池壁老化。由此看出供水過程中藻類的存在帶來諸多不利的影響，所以，研究經(jīng)濟可行的除藻工藝已經(jīng)成為給水工程中亟待解決的問題。2.1常用除藻方法目前，國內(nèi)外常用的除藻方法主要包括物理除藻（微濾機法、直接過濾法及氣浮法）、化學除藻（化學藥劑法和強化混凝法）、生物處理法和組合工藝法等。2.1.1微濾機法、直接過濾法和氣浮法微濾機法是通過固定在設(shè)備轉(zhuǎn)鼓上的微孔篩網(wǎng)去除水中直徑大于或等于濾網(wǎng)孔徑的藻類和浮游動物。直接過濾法是指向原水中加入混凝劑后不需經(jīng)過沉淀池沉淀而直接進行過濾的工藝。氣浮法（DAF）是通過氣泡附著于混凝劑絮體顆粒上，強制絮體顆粒上浮而達到固液分離去除藻類，采用此種方法的藻類去除率高達99.8%［13］。對比以上三種除藻方法特點如下表所示：2.1.2化學藥劑法化學藥劑法是通過添加除藻劑，在不添加任何水處理設(shè)備及構(gòu)筑物，不需改變現(xiàn)有水廠工藝簡單有效的除藻方法。常用的除藻劑主要有氯、二氧化氯、臭氧和高錳酸鉀等。對比不同除藻劑的除藻優(yōu)缺點如下表所示，近年來，我國也研究了高錳酸鹽和高鐵酸鹽復合藥劑進行除藻，研究結(jié)果表明除藻效果可以得到顯著提高，而且無殘留毒性［16］。2.1.3強化混凝法強化混凝法是通過將原水的PH值控制在一定范圍內(nèi)，向其中投加過量的混凝劑和一定量的助凝劑，實現(xiàn)水處理過程中的藻類去除。常用的混凝劑包括鋁鹽類（聚合硫酸鋁、聚合氯化鋁、硫酸鋁等）和鐵鹽類（聚硅硫酸鐵、聚硅氯化鐵等）。該方法不僅能將除藻率提高到90%以上，也可以去除水中存在的有機物。強化混凝法在國外研究中被指出只能有效提高藻類在濾池中的去除率，并不能有效提高其在沉淀池中的去除率［17］。2.1.4生物處理法生物處理法主要指生物膜法去除藻類，其原理是利用附著在生物膜上的微生物對藻類進行絮凝、吸附作用，使其沉降、氧化或被原生動物吞噬。生物膜處理效果及運成本高低主要取決于生物填料。生物處理法對藻類的去除效果依藻類的作用而差異很大，對藍藻類去除率可達到90%，對硅藻類的去除率為45%~75%，對綠藻類去除效果最低，僅為40%左右［13］。2.1.5組合工藝法目前，國內(nèi)常用的組合工藝法主要有臭氧-活性炭深度處理法、臭氧-氣浮聯(lián)用工藝和預臭氧-生物膜-活性炭法。其中，臭氧-活性炭深度處理法對去除藻毒素效果很好，有實驗證實該組合工藝對藻毒素的去除率能達到100%［18］。臭氧-氣浮聯(lián)用工藝是將臭氧化的化學現(xiàn)象和氣浮凈水技術(shù)的物理現(xiàn)象有機地結(jié)合在一起處理低濁、低色、低有機質(zhì)的含藻原水［19］。預臭氧-生物膜-活性炭法進行除藻，不僅對藻類總數(shù)有很好的去除效果，對葉綠素A也可達到很高的去除率。另外，對色度、濁度、氨氮、有機物的去除率也均優(yōu)于前兩種組合工藝。2.2除藻效果比較上述的各種除藻方法的適用范圍不同，應(yīng)結(jié)合實際情況進行選擇。筆者以目前北京的水質(zhì)情況為例，對以上的不同除藻方法進行效果比對。2014年汛后，南水北調(diào)中線通水后，北京城區(qū)的供水水源主要以密云水庫和丹江口水庫為主，根據(jù)2013年的《中國環(huán)境狀況公報》中提到的中國重點湖庫營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)，密云水庫和丹江口水庫均已處于中營養(yǎng)狀態(tài)，這個現(xiàn)狀令人擔憂。近幾個月對兩庫的藻類情況進行檢測發(fā)現(xiàn)，密云水庫水體中綠藻數(shù)量高于硅藻，南水北調(diào)中線來水（丹江口水庫）以硅藻為主，藻類數(shù)量均已達到每升水中百萬個。根據(jù)這一檢測結(jié)果對各種除藻方法進行比較如下表所示：單獨采用微濾機法和直接過濾法均不滿足現(xiàn)行水質(zhì)情況下的除藻要求因此不宜采用。另外，北京各供水廠在建廠時均沒有構(gòu)建氣浮池，所以氣浮法目前也不適用。生物處理法盡管對藻類的去除效果較明顯，但到目前為止并沒有被廣泛使用，還處于試驗階段因此也不適用。針對北京城區(qū)的水質(zhì)特點及藻類現(xiàn)狀，可采用強化混凝法、化學藥劑法和組合工藝法。強化混凝法可根據(jù)水質(zhì)變化對混凝劑投加量、水的PH值進行調(diào)整，同時加入助凝劑以達到更好的除藻效果，但此方法只能是減輕藻類存在給水處理帶來的問題，不能從根本上解決藻類存在帶來的問題?；瘜W藥劑法因?qū)嶋H情況不同，選取的化學藥劑也存在差異，但除藻效果都較明顯，是一種較經(jīng)濟且普遍應(yīng)用的除藻方法。近年來，為了降低化學試劑法帶來的副產(chǎn)物等影響，組合工藝法逐漸被普遍應(yīng)用。該方法既能提高藻類的去除率，也提高對色度、濁度、氨氮、有機物等的去除率。目前，環(huán)境污染帶來的負面效應(yīng)越來越明顯，水環(huán)境方面最凸顯的就是湖庫水源水富營養(yǎng)化引發(fā)的藻污染。藻污染給水廠的運行管理和供水的水質(zhì)安全帶來了不利影響，引起了水行業(yè)人士的廣泛關(guān)注。針對藻污染控制和去除的方法多種多樣，但都存在一定的缺陷，在今后的藻污染去除及控制的研究方面，筆者針對北京的水源現(xiàn)狀考慮應(yīng)從以下三方面進行工作：（1）密切關(guān)注及定期監(jiān)測南水北調(diào)源頭及輸配過程中的藻類情況，南水北調(diào)辦公室應(yīng)協(xié)調(diào)南水北調(diào)中線局做到中線管理機構(gòu)和沿線各供水單位檢測信息共享，建立全面有效的水源區(qū)及流經(jīng)區(qū)域的水環(huán)境預警預報系統(tǒng)，做到盡可能在進廠前有效控制藻類數(shù)量。（2）探究在預處理中引入一種高效、不產(chǎn)生二次污染的可替代預氧化的除藻方法，在降低藻類對混凝干擾的前提下，有效控制藻類數(shù)量，盡量將藻類殺滅在工藝鏈的最前端。在供水廠內(nèi)的各處理工藝單元，根據(jù)藻類種類及數(shù)量的變化，適時調(diào)整各工藝段的藥劑投加量，控制各工藝單元出水中的藻類數(shù)量，最終保證產(chǎn)水量及水質(zhì)。【相關(guān)文獻】賈東民，王景仕，薛新娟，綦中躍.密云水庫浮游藻類特征研究.北京水務(wù)，2013(1):12~15申恒倫，徐耀陽，王嵐，張敏，孔令惠，蔡慶華.丹江口水庫浮游植物時空動態(tài)及影響因素.植物科學學報，2011,29(6):683-690SommerU.Nutrientcompetitionbetweenphytoplanktonspeciesinmultispecieschemostatexperiments.ArchHydrobiol,1983,96:399-416SmithVH.Lownitrogentophosphorusratiosfavordominancebyblue-greenalgaeinlakephytoplankton.Science,1983,221:669-671TilmanD,KieslingRL,StetnerR,etal.Green,bluegreenanddiatomalgae:taxonomicdifferencesincompetitiveabilityforphosphorus,silicon,andnitrogen.Arch.Hydrogiol.,1986,106:473-485何文杰.安全飲用水保障技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006劉建康.高級水生生物學[M].北京：科學出版社，1999李宗來.北方典型水庫水源藻類種群動態(tài)和有害代謝物產(chǎn)生規(guī)律[D].中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，2009劉春光，金相燦，孫凌，鐘遠，戴樹桂，莊源益.pH值對淡水藻類生長和種類變化的影響.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報.2005,24(2):294-98PerssonP.E..Sensorypropertie