复合生物修复技术治理山西汾河水华污染水体的研究

2014-07-25李京辉梁文艳施怀荣

中国水利 2014年17期

李京辉，周彤，梁文艳，施怀荣

（1.北京市水务局，100038，北京；2.江苏省无锡市滨湖区水利局，214071，无锡；3.北京林业大学环境科学与工程学院，100083，北京；4.北京邦源环保科技有限公司，100124，北京）

汾河是山西省境内第一大河，黄河的第二大支流，汾河干流分为上、中、下三段，太原市位于中游段，上游段建有汾河水库和汾河二库。汾河由北向南纵贯太原市城区，为改善城区曾经杂草丛生、污水浸漫、垃圾遍布的环境条件，市政府于2000年起对太原市城区段的汾河进行治理美化，使市中心拥有了一座大型生态景观公园（以下简称汾河公园），但是受来水水质影响，景观公园内水体经常暴发蓝藻水华。

生物修复技术是指利用微生物、水生藻类、水生动物及陆生植物等的代谢活性，改变水体污染物的化学物理特性，从而影响它们在环境中的迁移、转化和降解速率，使水体得到净化的技术。往水体中投加微生物促生剂或直接投加经事先培养筛选的一种或者多种微生物菌种，可以进行受污染地表水体的原位生物修复。李雪梅等研究发现有效微生物菌群剂对于提高富营养化湖泊水体的透明度、降低叶绿素含量有明显效果，可以有效抑制藻类生长，防止水华发生，改善景观。本文研究中所使用的Bacto-Zyme 1011生物复合酶是一种结合多种酶类、非离子型表面活化剂、蛋白质和无机营养物的生物激活剂，在北京市城市河流的水体生态修复工程中，污水净化效果明显，黑臭现象得到彻底消除，水华暴发得到有效控制。

本工程为了最大限度减轻汾河公园景区水体的污染负荷，防止水华蓝藻的发生，采用Bacto-Zyme 1011生物复合酶、Bpa-1017微生物净水剂和Eama-11生物抑藻剂对汾河公园景区水体进行了治理与修复。本文着重研究了技术运用过程中藻类的生长和种属变化情况，以及水体透明度的改善情况，进而分析了水生生态系统的恢复状况。

一、材料与方法

1.工程所在地概况

位于太原市中心的汾河公园（汾河市区段）东西向宽度450～500 m，南北向总长6 km。为合理解决汾河河道行洪与蓄水间的矛盾，汾河公园蓄水工程共设置了7道橡胶坝，形成了6个蓄水池，分别是胜利桥南#1池、迎泽桥#2池、南内环桥#3池、长风桥#4池、跻汾桥#5池和南中环桥南#6池。

汾河公园景区水体的主要污染源有大气沉降、沿岸生活生产污废水的汇入以及内源污染。2012年5—10月水质监测数据显示，汾河景区水体受到了无机物和有机物的污染，以氮和磷污染为主，其中氮污染负荷最高，占该水体污染权重最大，污染已达超富营养化，磷污染达中度富营养化。从往年夏季情况来看，汾河景区蓄水池均呈现重度富营养化状态，蓝藻大量聚集水面，形成水华。工程实施区段为#1池、#2池、#4池和#6池。

2.工程实施

2013年5月底开始，晴天时每天投加Bpa-1017改善水质；6月初至9月底，水温逐渐升高，根据水体水质数据实际检测情况，晴天时每天投加Eama-11抑藻。利用Bpa-1017和Bcato-Zyme 1011提高水体透明度。生物制剂投加量如表1所示。

日常施工以投加Bpa-1017防治藻类繁殖为主，出现部分区域藻类繁殖量大时即采用Eama-11迅速抑藻，在雨后出现黑臭现象时采用Bacto-Zyme 1011应急消除黑臭。其中，主汛期间（7—9月）的投加量较日常投加量要大，因为该阶段气温高，水体内的藻类容易大规模繁殖。工程治理过程中平均每3～4天采一次样，测定不同藻类的细胞密度以及观测优势藻种。

3.分析测试

（1）藻细胞计数方法

采用0.1 mL浮游生物计数板进行计数，计算藻细胞密度（N）。

式中，N为每升水样中藻细胞的个数，A为计数框面积（mm2），B为1个视野的面积（mm2），C为计数时的视野数（个），D为 1 升水浓缩后体积（mL），E为计数框的容积（mL），F为每片所测藻细胞数。

表1 工程治理期间生物制剂月投加剂量

（2）水质指标测定方法

COD的测定采用重铬酸盐法（GB 11914-89）；NH3-N 的测定采用纳氏试剂比色法（GB 7479-87）；TN的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB 11894-89）；TP的测定采用钼酸铵分光光度法（GB 11893-89）；DO的测定采用碘量法（GB 7489-87）。

（3）透明度、叶绿素测定方法

采用塞氏盘测量水体透明度。叶绿素的测定方法见陈永川等人的《滇池叶绿素时空变化及水体磷对藻类生长的影响》一文。

二、结果与讨论

1.水华治理效果

从往年汾河景区夏季水质情况来看，蓄水池均呈现重度富营养化状态，蓝藻大量聚集水面，形成较严重的蓝藻水华。工程治理期间，藻类的总细胞密度以及蓝藻、绿藻、硅藻分担率的变化如图1所示。可以看出，在施加生物制剂后，6月的总细胞密度出现明显下降，各池的数值约在（5.79×107～7.77×107个）/L 之间，叶绿素值在31.3～58.8mg/m3之间。由于气候的影响，总细胞密度在7月和8月略有上升，各池的数值上升至（8×107～15.94×107个）/L之间，叶绿素值升至41.8～119 mg/m3。但是从工程治理期间（6—9月）的监测数据可以看出，藻细胞密度总体控制在（6.83×107～7.96×107个）/L 之间，明显低于治理前，水体没有暴发水华，也没有在局部出现藻细胞团聚、漂浮的现象，藻类过度生长的控制效果显著。

从图1还可以看出，水体中的藻类以蓝藻、绿藻和硅藻为主，在投加生物制剂后的6月，各池的蓝藻、绿藻和硅藻分担率分别在34.2%～46.5%、39.5%～53.9%和 10.6%～16.6%之间，蓝藻数量与绿藻数量相当。进入7、8月后，光照加强，环境气温和水体气温升高，蓝藻的分担率出现明显上升，升至53.1%～64.6%之间，而绿藻的分担率下降，降至22.6%～29.0%之间，硅藻分担率变化不大，在12.8%～20.3%之间，说明气温和光照对水体中藻类的生长影响较大，7、8月的气候条件更有利于蓝藻的生长，这也是往年在此季节暴发蓝藻水华的重要原因。由于本工程所投加的生物类制剂能够有效控制藻细胞生长，因此蓝藻的生长受到明显抑制，而未出现蓝藻大面积聚集的现象。

2.不同藻种的生长与变化

除进行藻细胞密度的测定外，本研究还对治理期间优势藻种的生长与变化进行了研究。研究结果表明，蓝藻以点形平裂藻、微小平裂藻、两栖颤藻、小席藻、鱼害微囊藻、假鱼腥藻为主，其中的两栖颤藻、假鱼腥藻和鱼害微囊藻为有害藻种，出现在7—8月份，但出现频次较低，并未形成有害藻华。绿藻以小球藻和栅藻为优势藻种，6—9月都有出现。硅藻是以尖针杆藻、颗粒直链藻、钝脆杆藻和梅尼小环藻为主，也是在6—9月都有生长。除了以上3大门类藻种外，偶尔会观测到隐藻门的啮噬隐藻，以及裸藻门中的绿色裸藻和甲藻门中的坎宁顿拟多甲藻。在投加复合生物制剂后，水体的藻种种类丰富，共观测到6大门类19种的优势藻种。

水华暴发，往往是由于某一藻种在种群竞争上占优势，在抑制其他藻种生长的同时获得较大的生物量。不同藻种之间的相互竞争与制约作用，可以在一定程度上抑制水华的发生，这也是充分利用藻类的化感作用而实现藻华控制的主要动因。本文的研究结果充分说明，当水体中藻类生长丰富时，尤其是硅藻的出现，表明水体的藻类之间处于相互平衡与相互制约的状态，使水体的藻类生长数量得到有效控制。在我国，水华的暴发藻种大多以蓝藻为主，常形成有害的蓝藻水华，而在本工程治理期间，有害蓝藻虽然出现，但频率较低，无法形成水华。上述的结果表明，投加3种复合生物制剂后，蓄水池的藻种组成形成多样化趋势，使水体生态环境得到了明显改善，藻种的丰富性为水体生态系统多样性提供了很好的条件。

3.水体水质和透明度的改善

工程治理期间，4个蓄水池的水质都有所改善，监测结果显示，COD在7.11～48.6 mg/L之间，主要属于地表水Ⅲ～Ⅳ类；NH3-N在 0.124～1.75 mg/L之间，主要属于Ⅱ～Ⅲ类；TP在0.024～4.72 mg/L之间，主要属于Ⅱ～Ⅲ类。但是TN的去除效果不是很明显，在0.85～4.72 mg/L之间，主要属于Ⅳ～劣Ⅴ类，其原因在于进水的TN浓度较高（在 1.40～4.85 mg/L之间），而蓄水池水深较浅，水体处于较好的好氧状态，DO浓度一般都在3.27～8.77 mg/L之间，所以反硝化菌的生长较弱，总氮去除效果也就不明显。由于水质的好转，以及藻类生物量的控制，水体的透明度明显得到改善。4个蓄水池的透明度在0.35～0.9 m之间，水体清澈，景观效果良好。