水源地水质安全保障技术及在北方大型水源地的应用

谢建枝 ，张玉宝 ，邱 颖 ，林 娜 ，张跃武 ，张 山

（1.北京市官厅水库管理处，075400，怀来；2.北京市新水季环境工程有限公司，100044，北京；3.中铁六局集团北京铁路建设有限公司，100142，北京）

水源地是水资源的重要载体，其主要功能是为人类生产、生活和经济社会发展提供水资源。水源地水质安全对人民的身体健康和经济发展有着非常重要的影响。集中式供水水源主要分为河道水源、湖泊水库水源和地下水源三种，由于我国城市地下水开采状况日益严峻，河流、湖泊、水库成为重要的饮用水水源，是水源地保护的重点。

近年，水源地污染事件频繁发生，严重威胁了城市供水安全，水源地水质安全保障技术成为研究的重要领域。保障水源地水质安全，可以有效应对水污染事件，提高水体的自净能力，使水源地水质得到改善，同时也能提高水源地应急供水能力。目前，国内外专家学者对水源地的污染治理和水质安全保障技术进行了大量研究，一些重要湖泊、水库的综合治理工作也取得了显著成效，如我国的滇池、太湖、巢湖流域，日本的琵琶湖，德国和瑞士的康斯坦茨湖等。

一、水源地水质安全保障技术体系

1.系统规划统领

水源地水质安全保障规划是针对水源地未来的安全性、整体性、可持续性等问题制定的比较全面而长远的发展计划，能够有效指导水源地保护，促进水源涵养和水质安全保障工作，提升水源地水质安全保障水平。

针对水源地水质污染特征，系统性地制定水源地水质安全保障规划，明确管理措施、治理任务、应急预警方案及保障手段，明确水质安全保障工作目标和工作重点，制定切实可行的工作计划，为水源地水质安全提供有力保障。规划是水源地水质安全保障的统领性、系统性技术措施，也是保障水源地水质安全的基础措施。

2.源头污染控制

源头污染控制是流域污染治理的根本性措施，包括立法、管理、技术等多层面手段。其中，技术方面主要包括集中式污水处理技术及分散点源污水处理技术。

（1）集中式污水处理技术

对于集中排放的生活污水和工业废水，应利用截污工程，在其进入受纳水体前，通过污水收集设施及管网运输至污水处理设施进行处理。目前，我国以河湖补水为目的的污水处理工艺主要在二级处理的基础上进行深度处理，其中深度处理技术包括混凝技术、曝气生物滤池、臭氧氧化技术、膜分离技术以及活性炭吸附技术等。随着水污染加剧及人们对水质要求的提高，以生物活性炭技术为核心的深度处理工艺开始得到广泛应用。基于生物活性炭技术开发的新型生物活性炭反应器在微污染水处理方面具有较好的应用，对水中微量污染物、有毒有害有机物、色度、重金属去除效果明显，在高品质再生水厂建设、微污染水处理、河湖补水水质净化等领域得到广泛应用。

（2）分散点源污水处理技术

分散于水源地周边的天然及人工河道排污口、农村污水排放口等，由于位置分散，污水排放量相对较小，不便于通过建设集中式污水处理厂进行集中处理。分散治理可减小收集管网建设及运输过程中水量和水质的损失，在管理、占地、造价等方面都有较大的优势。污水分散处理技术主要包括分离式系统 （氧化沟、SBR生物反应器、曝气生物滤池、膜—生物反应器）和一体化系统（净化槽、沼气净化池）等。其中，一体化系统因建造方便，建设及运行费用低，占地面积小，得到较好的应用。无动力式生物净化槽是根据小规模分散点源污水排放特征研制的一体化污水净化系统，该系统在厌氧滤池的基础上进行了改进，耐冲击负荷能力强，水力停留时间短，占地小。该技术能高效、低耗、低运行费用地处理污水，出水可回用，从而节约水资源。

3.迁移转化过程削减

随着工业污染控制力度加大及生活污水处理厂的建设，源头污染逐渐得到有效控制，通过降雨径流冲刷作用从非特定地点进入河流、湖泊、水库的污染成为水源地的主要污染源。目前，国内外采取了多种治理措施，有效削减了进入水源地的污染物总量。

（1）滨岸缓冲带

滨岸缓冲带是邻近水源地有一定宽度的植被地带，具有避免污染源和水源地贯通、涵养水源、蓄洪防旱、促淤造地、维持生物多样性和生态平衡的作用，能有效拦截净化外来污染物，截留地表径流携带的悬浮物，去除部分氮磷营养物质，降解有机污染物。根据植被类型，滨岸缓冲带可分为林地缓冲带、草地缓冲带、复合缓冲带等。对岸边植物带的建设，美国国家自然保护协会建议分为三个植物群带，第一带为主要由树木组成的宽约4.5 m的植物群带，以保持堤岸的稳定性；第二带为由速成树木组成的宽约18m的植物群带，以吸收大量的营养物质；第三带为主要由草本植物组成的6m宽的植物带，以截留地表径流。在缓冲带构建时，主要研究热点和技术难点是坡度控制、植物配比、宽度确定等。

（2）人工湿地技术

人工湿地系统是模拟自然湿地的人工生态系统，由基质、水体、动物和微生物组成。径流中不溶性有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留并被微生物利用；可溶性有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解去除。通过对湿地植物收割而将新生的有机体、N、P等从系统中去除，从而改善入库水体水质。人工湿地主要有表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地3种类型，主要种植的湿地植物有芦苇、香蒲、水葱、千屈菜、美人蕉等。人工湿地技术由于其成本较低、运行简单、耐受负荷大等优势得到了广泛的应用。

（3）前置库技术

前置库技术利用水库从上游到下游存在水质浓度变化梯度的特点，将水库分为一个或者若干个子库与主库相连，通过延长水力停留时间，促进水中污染物质的沉降；同时利用子库中的水生植物、藻类进一步吸收拦截营养盐及有机物，降低进入下一级子库或主库水中的污染物量，抑制主库中藻类过度繁殖，改善水体水质。前置库技术的净化机理可分为沉降、自然降解、微生物降解、水生植物吸收，即进入前置库的水体首先进入由挡板、溢流板隔出的沉淀区进行物理沉降，之后在导流系统的作用下进入主反应区，通过水生植物的截留、吸收作用完成营养盐含量的削减。前置库技术对减少水源地外源有机污染负荷，特别是去除入库地表径流中的N、P元素有效且安全，具有广泛的应用前景。

4.水源地末端污染治理

（1）水力调控技术

水力调控技术通过改变水体的流态和水中分层的氧气含量，促进水体循环，从而改善水质。基于水力调控技术原理开发的水面推流器利用人工水循环技术，纵向搅动水体，降低水体表面温度，破坏水华发生的自然条件。同时可以影响区域水体处于安全流速和紊流，甚至通过在静止水体中大范围循环流动，抑制藻细胞生长，避免藻细胞聚集，对于水源地原位水质改善具有明显的效果。

（2）生态浮床技术

生态浮床技术通过在浮床上种植美人蕉、旱伞草、菖蒲等水生或陆生植物，利用植物根系富集微生物形成生物膜，膜中的微生物吸附、吸收水体中氮、磷等有机污染，同时释放出大量能降解有机物的分泌物，减少氮、磷等有机物在水体中的含量。同时，浮床还可以遮挡部分阳光，降低藻类进行光合作用的光照强度，有效地抑制浮游植物过量繁殖，使水体透明度大幅度提高，水质得到改善。近年，在传统生态浮床的基础上，把人工填料、水生动物等引入生态浮床中，开发了组合型生态浮床技术，对富营养化水源 TN、TP、TOC、叶绿素、总藻毒素和胞外藻毒素均有较好的去除效果。

（3）生物调控技术

生物调控基于生物的生理生化作用及食物链原理，在水生态调查评估的基础上，通过有计划的人为作用，调整水生植物、滤食性鱼类、底栖动物及微生物等的种类、数量及分布，力求构建生产者—消费者—分解者之间的良性动态循环关系，增强生态系统稳定性及耐冲击负荷能力，提高水体自净能力。在实际工作中，往往根据水环境特点及需求仅对其中一个环节进行调控。如为了达到控制水华的目的，有计划地投放滤食性鱼类及滤食性浮游动物，通过捕食作用控制水中浮游植物生物量，抑制藻类生长；有计划地收割过量生长的沉水植物如菹草等，通过植物体的移除达到改善水质的目的。生物调控技术具有较长的时间尺度和环境效益，在水源地水质净化及富营养化防治方面发挥着重要作用，具有广阔的应用前景。

（4）人工介质生物强化净化技术

人工介质生物强化净化技术是一种提高水体污染物降解能力的方法，其原理是通过投加一种可以供微生物附着和生长的载体，自然富集有降解作用的土著微生物，以达到改善水质的目的。人工介质可以提高水源地水体微生物富集效果，经人工介质处理后，部分水质指标可以提高1～2个等级，使水体富营养化水平得到降低，对于提高微生物的富集效果、改善水质净化有重要的意义。人工净水草是一种优良的新型人工介质，采用空间网状结构的高分子材料增大比表面积，同时通过分子设计，引入大量活性和强极性基因，将大量的有益菌和酶制剂牢牢固定在介质上，实现微生物的固定化，可实现快速脱氮、提高水体透明度并抑制藻类生长。该人工净水草化学及生物学稳定性强，长期浸泡不会溶出有毒有害物质，不产生二次污染，可广泛应用于湖泊、水库、河道等水源地水质净化工程中。

5.水质安全监测预警系统

水质预警主要运用计算机技术、环境科学和系统科学等理论，将水环境质量、水污染状况及地理信息等集合在一起，用先进的技术手段进行分析、计算、评价，使水质信息以图像方式呈现出来，为水质预警提供可操作的环境管理和决策支持。

目前国内外发展的在线生物检测技术包括在线发光/荧光监测系统、微生物传感器水质监视支援系统、在线摄像系统、水质安全在线生物预警系统等多种生物在线监测仪器。其中水质在线监测及生物毒性安全预警系统（BEWs）结合了国内外水质在线监测及生物毒性安全预警测试，利用水生生物回避行为与水体典型污染物毒性总量之间存在的较好剂量反应关系，通过低压电信号技术在线监测生物运动行为变化，结合生物环境胁迫阈值模型对水质变化进行智能预警，迅速判断污染爆发时间和污染物综合毒性，可实现定点、多向、实时、远程控制。该系统在技术方面处于国际领先水平，目前已在我国多处水源地进行了示范应用，运行效果良好。

二、水质安全保障技术在北方大型水源地的应用

官厅水库位于北京市西北的永定河上游，是新中国成立后修建的第一座大型水库，流域面积为4.34万km2，设计总库容为41.6亿m3。水库在建成初期曾是北京市的重要供水水源，在流域周边人口不断增长及生产方式粗放的影响下，水库水质逐渐恶化，部分水域达到劣Ⅴ类水体，被迫于1997年退出了供水系统。为改善官厅水库水质，上级政府和管理部门制定了《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》，在水库重点地段实行封闭管理；开展了一系列水质安全保障措施：在源头控制方面进行产业结构调整、生态搬迁，并在水库周边及上游河道建设污水处理厂和分散点源污水处理站，有效控制了源头污染；通过前置库建设、滨岸缓冲带建设及人工湿地建设等措施，在污染物迁移转化途径上削减了进入该水库的污染物总量；在水库库区范围内通过曝气增氧、水草收割、生态浮床建设及人工净水草布设等措施，降低了内源污染；同时，为了降低突发污染事故对水质安全的影响，在库区关键区域建设水质在线监测系统，有效保障了供水安全。通过以上措施的逐步推进，官厅水库水质逐渐改善为Ⅲ～Ⅳ类并恢复了水源地功能。

三、结 语

水源地水质安全保障技术体系对水源地水环境安全保护工作具有重要的指导意义，通过以上水源地水质安全保障措施的实施，可有效降低饮用水水源地水质污染风险，提高水体自净能力，改善水源地水质，为我国水源地安全保障提供重要参考。然而由于受政策、法规、资金、技术以及水源地自身条件的限制，水源地安全保障技术在实际运行中也存在一些问题：①生态保障措施对水环境的改善多数只是定性研究，且大都为单一技术研究，缺少系统集成和综合考虑，相关参数率定缺乏统一规范、标准，缺乏定量依据；②水源地水质安全保障措施往往缺乏长期运行机制，工程措施往往虎头蛇尾。因此，在制定水源地水质安全保障规划时，需因地制宜，集成运用各种水质改善技术，并尽可能优先选用成熟可靠的生态措施，以规避参数率定不确定性可能带来的风险。同时，需制定切实可行的保障措施，为规划措施长期执行保驾护航。

[1]水利部.全国城市饮用水水源地安全保障规划[R].北京：水利部水利水电规划设计总院，2006.

[2]朱向宏，刘学存.无动力式生物处理技术及其在分散点源污水治理中的应用[J].中国水利，2010（13）.