北方城市供水水源藻類高發(fā)特征及其影響因素探討

/北方城市供水水源藻類高發(fā)特征及其影響因素探討黃廷林1陳霄1王恩福２王秀麗2(１.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，2。天津自來水集團(tuán)有限公司）摘要：天津市城市供水水源含藻量變化的季節(jié)特征較為明顯，高值多出現(xiàn)在水溫較高的夏秋季（一般為7—９月);高藻期原水含藻量呈逐年增加趨勢(shì),高藻期持續(xù)時(shí)問逐年延長(zhǎng)；檢測(cè)分析結(jié)果表明:藻類高發(fā)期主要以藍(lán)藻為主,占藻類重量的7０—9ｌ％,優(yōu)勢(shì)種為微囊藻屬的銅綠微囊藻和水華微囊藻；其藻類高發(fā)的影響因素主要為氮、磷、水溫和光照.對(duì)4種殺藻劑殺藻效果的實(shí)驗(yàn)研究和對(duì)比結(jié)果表明,高錳酸鉀更為適宜。關(guān)鍵詞：藻類高發(fā)，富營(yíng)養(yǎng)化，微污染水源水天津市城市供水水源主要來自于橋水庫(kù),早在上世紀(jì)80年代環(huán)保等部門曾對(duì)于橋水庫(kù)的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行了多方面的調(diào)查，判定其水質(zhì)呈中富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),隨著工農(nóng)業(yè)發(fā)展特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的日益增多，于橋水庫(kù)的污染日趨加重。近幾年夏季藻類過度繁殖，最高時(shí)達(dá)11７25。7萬個(gè)／L（20０0年）。盡管各水廠的出水水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到或超過國(guó)家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GＢ5749．８５)的要求：但大量藻類的繁殖使水廠的處理負(fù)荷和處理難度增大，生產(chǎn)成本提高。本文對(duì)2０0３年西河水源地高藻期藻類進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合近5年的水源水質(zhì)資料,對(duì)源水藻類高發(fā)特征和影響因素進(jìn)行了分析探討,對(duì)化學(xué)殺藻劑的殺藻效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以期為源水藻類的控制和水處理過程高效去除藻類提供依據(jù)和指導(dǎo)。l水源水藻類高發(fā)基本特征1。1藻類高發(fā)時(shí)間及含藻量湖泊、水庫(kù)等水域中藻類繁殖后，其數(shù)量達(dá)到或超過某一限值時(shí)，便會(huì)對(duì)水源水質(zhì)和凈水工藝帶來影響，這類源水可簡(jiǎn)稱為高藻水。一般資料認(rèn)為水中含藻量大于1000萬個(gè)/升的原水，就可以稱為高藻水。而目前相當(dāng)部分的水源水在藻類高發(fā)期藻類的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過該限值，往往大于1000萬個(gè)／Ｌ.199８-2001年天津市芥園水廠水源地宜興阜泵站的水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)（圖1)表明:原水含藻量變化的季節(jié)特征較為明顯，高值多出現(xiàn)在水溫較高的夏秋季。1９98年集中于8"－’9月，這兩個(gè)月的平均水溫為２6．6。Ｃ；1999年集中于7—9月,此時(shí)的平均水溫為27．5＂C;2000年集中于６~１０月，平均水溫為26。3。C;２0０1年集中于７～11月，平均水溫為２２.8”C。藻類高發(fā)持續(xù)時(shí)間呈逐年延長(zhǎng)趨勢(shì)，1998年與１9９9年藻類高發(fā)持續(xù)時(shí)間分別為２個(gè)月和3個(gè)月,而２00０年與2001年都增加到5個(gè)月。。從圖１可以看出,高藻期水源水含藻量也呈逐年上升趨勢(shì)，1９9８年8—-－9月份原水含藻量平均值分別為.１２4６。35萬個(gè)/L和102８.1萬個(gè)／L；１９99年這兩個(gè)月份含藻量略有增加，分別為1９5２.7萬個(gè)/L和114９．７萬個(gè)/L;２0０0年和200１年同期含藻量猛增至50０0萬個(gè)/L左右，是19９8年的4—－5倍,并且２00０年出現(xiàn)了１172５.7萬個(gè)／L的含藻量最大值(圖l未標(biāo)出).原水高藻期持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)及含藻量的提高,反映出近年水源水質(zhì)污染在不斷加劇,這無疑成為影響水廠處理工藝和供水安全性的主要因素之一.1.2藻類高發(fā)時(shí)的群落組成及優(yōu)勢(shì)種群筆者于2003年對(duì)西河水源地表層原水進(jìn)行了藻類種屬鑒別與統(tǒng)計(jì)。通過對(duì)水樣的顯微觀察鑒定，共觀察到浮游藻類6門８綱14目２５科４6屬(見表１），其中藍(lán)藻門12屬，綠藻門21屬,硅藻門13屬,裸藻門、金藻門和甲藻門出現(xiàn)幾率較小且種屬較少,均為l屬.原水中出現(xiàn)頻率較高的藍(lán)藻主要有微囊藻、楔形藻、膠球藻、顫藻、魚腥藻、平裂藻等,出現(xiàn)頻率較高的硅藻有直鏈藻、小環(huán)藻、菱形藻、脆桿藻、橋彎藻、舟形藻等,出現(xiàn)頻率較高的綠藻有柵列藻、盤星藻、小球藻、鼓藻等。表２列舉了原水中的藻類種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量，明顯可見,高藻期原水中的藻類以藍(lán)藻為主，所占藻類總數(shù)最高和最低比例分別為91%和70％，其中的優(yōu)勢(shì)種屬為微囊藻屬，尤其是在1０月6日，原水中的藍(lán)藻幾乎全部為微囊藻，所占藍(lán)藻比例高達(dá)97％。另外，據(jù)顯微觀察鑒別,優(yōu)勢(shì)種屬微囊藻屬主要為銅綠微囊藻與水華微囊藻，它們皆有偽空泡，能調(diào)節(jié)藻體的升降,因此能適應(yīng)藻量大、透明度差的水體而大量繁殖.表l原水藻類種屬鑒定統(tǒng)計(jì)結(jié)果(2003年9－－１0月份）測(cè)定分析結(jié)果表明，于橋水庫(kù)藻類的優(yōu)勢(shì)種屬藍(lán)藻、硅藻型，高藻期為藍(lán)藻，主要的優(yōu)勢(shì)種為微囊藻。這與上世紀(jì)80年代的調(diào)查結(jié)果基本一致。研究表明，水體中藍(lán)藻門的微囊藻屬等大部分種屬能產(chǎn)生藻毒素。藻毒素是有毒藻類的代謝產(chǎn)物,飲用水中藻毒素對(duì)人體健康的危害性已成為近期關(guān)注的熱點(diǎn)。目前天津市尚缺乏水源水中藻毒素含量的監(jiān)測(cè)資料，但考慮到藻類高發(fā)期均有微囊藻、魚腥藻、楔形藻和顫藻等有毒藻類出現(xiàn)，有時(shí)微囊藻高達(dá)70％，因此不排除在個(gè)別情況下水中存在藻毒素的可能性。當(dāng)然，這方面有待進(jìn)一步的分析測(cè)定和實(shí)驗(yàn)研究。１。3藻類高發(fā)時(shí)ｐH值、濁度等水質(zhì)指標(biāo)的變化藻類高發(fā)期間，源水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果與同年其他月份相比，濁度、pH、藻類數(shù)量等水質(zhì)指標(biāo)隨著藍(lán)藻數(shù)量的劇增有較大變化。藻類通過光合作用大量繁殖和生長(zhǎng)，消耗了水中的C02，影響了水中的碳酸平衡，導(dǎo)致水體酸度降低,引起pH值上升.以1９9９年為例，原水pＨ值在３月份和12月份(低藻期）分別為8.22和８.16，而9月份(高藻期)平均值達(dá)到８。93。根據(jù)1998-２00１年源水水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料，濁度隨藻類數(shù)量變化較大,低藻期濁度一般低于20NTU，而藻類高發(fā)期水質(zhì)渾濁,一般為50NTＵ左右，有時(shí)甚至高達(dá)１00NTU以上。對(duì)１９98–２0０1年每月的藻類數(shù)量(y,萬個(gè)/Ｌ)與月平均濁度(x，NTＵ）作相關(guān)和回歸分析,得出它們間的相關(guān)系數(shù)r=0。73２0,回歸方程為y=１38。86x一３67．06，經(jīng)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)p<０。０0５。說明源水藻類數(shù)量與濁度具有較強(qiáng)的相關(guān)性.另外，藻類的急劇增殖，對(duì)水中有機(jī)物等指標(biāo)的變化也會(huì)產(chǎn)生一定影響。2環(huán)境因素對(duì)藻類繁殖的影響藻類的生長(zhǎng)受水中氮、磷、光照強(qiáng)度、溫度、水體pH值、渾濁度、溶解氧等多種環(huán)境因素的影響，這些因素的共同作用，導(dǎo)致了水體中藻類數(shù)量和優(yōu)勢(shì)藻中的季節(jié)性變化。研究發(fā)現(xiàn),天津市城市供水水源水中高濃度的N、P及較低的N、P比值(N／P=9：1)，28-—3２℃的水溫條件,５０0—１00０l(fā)ｘ的光照條件以及8~9。5的ｐH條件，有利于微囊藻的繁殖，是造成藻類高發(fā)期以藍(lán)藻（微囊藻）為優(yōu)勢(shì)藻種的主要原因。2．1氮、磷的影響微囊藻無固氮能力,水體中高濃度的Ｎ和P對(duì)藻類高發(fā)起著關(guān)鍵作用.一般認(rèn)為水體中N、P類的濃度分別達(dá)到0。2和0．02mg／L時(shí),藻類就會(huì)大量滋生.監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，天津市源水中總磷、無機(jī)氮的濃度一直居高不下，且呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，夏季總磷可達(dá)０.06-0．07mｇ／Ｌ,最高可達(dá)O．1０8mg／L，無機(jī)氮可達(dá)2．5mg/L，超過藻類大量繁殖的N、Ｐ類濃度限值,為藻類的大量繁殖提供了充足的營(yíng)養(yǎng)。另外，有研究指出，飲用水中藻毒素主要是由于水源水中含N、P尤其是P引起的。就銅綠微囊藻而言,其毒株的生長(zhǎng)較為緩慢，但隨氮、磷濃度的增加而加快?？梢?，控制水體中的氮、磷含量至關(guān)重要。2．２溫度的影響溫度是引起藻類高發(fā)及決定藻類高發(fā)種類的一個(gè)重要因素。Kruger和Eｌottf研究了溫度對(duì)微囊藻生長(zhǎng)的作用，指出銅綠微囊藻生長(zhǎng)的最適溫度為2８．8一30．5℃，最低為１0℃，最高為４0℃。中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院利用滇池湖水所作的溫度對(duì)微囊藻生長(zhǎng)影響的室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示,微囊藻的比增長(zhǎng)率在2５～30℃時(shí)最大，超過35℃比增長(zhǎng)率急劇下降,表現(xiàn)出較強(qiáng)的高溫阻礙。也就是說，中等溫度比較適宜微囊藻的生長(zhǎng)。天津市的高溫期出現(xiàn)在6--9月，水溫大都在22一28℃左右,是適合微囊藻生長(zhǎng)和大量繁殖的溫度。事實(shí)上，該季節(jié)也正是天津市城市供水藻類高發(fā)季節(jié).2.3光照的影響合田健對(duì)微囊藻比增長(zhǎng)率與照度關(guān)系研究結(jié)果表明,微囊藻在光照強(qiáng)度為5０0—1０00ｌx時(shí)比增長(zhǎng)率能達(dá)到最大值ｏ天津市屬溫帶大陸性季風(fēng)型半濕潤(rùn)氣候，光照充足，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T資料，天津市年日照時(shí)數(shù)為２８13h，較高的光照強(qiáng)度主要集中在5~１0月份,多年月均日照強(qiáng)度7月份為最高，充足的光照為該季節(jié)的藻類高發(fā)提供了有利條件。藻類的繁殖跟多種因素有關(guān)，除自然因素外，和水體受污染的情況有密切關(guān)系,近幾年來，天津市城市供水水源藻類高發(fā)嚴(yán)重程度逐年加重,其原因和控制方法有待迸一步研究。3高藻期化學(xué)殺藻試驗(yàn)研究與分析比較針對(duì)天津市城市供水水源的藻類高發(fā)問題，我們于２００3年對(duì)高藻期水源表層水進(jìn)行了四種殺藻劑。硫酸銅、高錳酸鉀、次氯酸鈉和過氧化氫的化學(xué)殺藻現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)期間,原水中的藻類數(shù)量為1000——-4000萬個(gè)/L。實(shí)驗(yàn)是在5個(gè)容積為18Ｌ的聚氯乙烯方形無蓋實(shí)驗(yàn)槽(有效尺寸2０0ｍm×２００mｍx450mm）進(jìn)行的。在4個(gè)實(shí)驗(yàn)槽中的15L源水中分別加入不同濃度的殺藻劑(其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)不加殺藻劑作為對(duì)照),置于室外陽(yáng)光照射處，作用時(shí)間24h,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示.由于原水水質(zhì)和藻類數(shù)量變化的隨機(jī)性,對(duì)不同水源的化學(xué)殺藻效果相差較大。在該實(shí)驗(yàn)條件下，通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn),四種殺藻劑對(duì)藻類的平均去除率依次是：高錳酸鉀(適宜投量Ｏ．８ｍg/Ｌ，平均去除率88．8％)>硫酸銅（1．５mg／l，71。６%）〉次氯酸鈉（3．0ｍg/Ｌ,５1.7％)>過氧化氫(4．Omg／L，35.3%）.對(duì)四種藥劑進(jìn)行藥表3殺藻劑殺藻效果劑費(fèi)用比較，得出費(fèi)用從低到高依次為：高錳酸鉀(O.068元/m3）＞硫酸銅（０．078元/m3）>過氧化氫(0．0２0元／m３）>次氯酸鈉(0．３０0元/m3).另外,’已有研究結(jié)果表明,使用硫酸銅去除微囊藻水華會(huì)引起胞外．MCLＲ濃度的提高，高錳酸鉀處理藍(lán)藻釋放的MCLR相對(duì)較少，而且高錳酸鉀對(duì)細(xì)胞外毒素消除效果較好，lmg／Ｌ高錳酸鉀接觸３0min對(duì)ＭC的去除率可達(dá)９５％。因此，對(duì)于處理藻類高發(fā)期間以有毒藍(lán)藻為優(yōu)勢(shì)藻的天津市城市水源水而言，高錳酸鉀是較為適宜的殺藻劑.當(dāng)然，對(duì)于該水源水不通殺藻劑對(duì)藻毒素釋放的影響還應(yīng)作進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究.４結(jié)論（1)天津市城市供水水源含藻量的季節(jié)特征較為