微纳米曝气工程对东牙溪水库水质改善效果

黄 磊，张太阳女，苏玉萍，*，林 佳，曾小妹，杨燕梅，廖福萍

(1.福建师范大学环境科学与工程学院，福建 福州 350007;2.福建省湖库流域生态修复工程研究中心，福建 福州 350008)

近几十年来，我国江河湖海及局部地下水源遭受到氮、磷污染。据1996年调查，全国329个地表水的饮用水源地，有222个水源地的质量不符合《地面水环境质量标准》，占调查水源的65%以上[1]。地表水的污染比较严重，尤其是作为饮用水源地的湖泊、水库由于富营养化所产生的水华藻类，严重地威胁着城市供水安全，同时影响旅游景观、养殖业等[2-4]。

目前，国内外除藻方法主要分为物理(光控技术、打捞过滤、絮凝沉降、曝气充氧等)、化学(化学药剂钝化、灭藻等)以及生物(生物滤食、化感抑藻、浮体控藻、微生物和酶技术)等，各种方法均有其优点及局限性[5]。以生态学观点为指导，结合多学科技术的方法成为现今流域生态修复的主要指导思路[6]；通过恢复生态系统的结构、功能和协调的关系来重建受损生态系统[7]，达到有效抑制湖泊水库水体中内源污染物释放的目的，从而实现湖库生态的恢复和对水体水华藻类的有效控制[8]。目前，生态修复技术手段众多，主要有人工湿地、生态浮床[9]、生物操纵及生态控制[10]、水动力学循环、深水曝气[11]等。近年来，曝气技术因其环保高效而被广泛运用于生态修复领域。

微纳米曝气作为一种新型的人工水体曝气技术，产生的微纳米气泡与普通曝气技术相比，具有更佳的性能，且具有投资少、见效快的优点而被广泛地应用于水环境的治理与修复中[12-13]。微纳米气泡区别于普通气泡在于其体积比普通气泡小，一般将气泡尺寸在200 nm～50 μm之间的气泡称为微纳米气泡。一般情况下，气泡尺寸越小、与水体中一些分子的差异性越大，对某些粒子的分离效果就越好，从而使得水体的溶氧效率越高，当气泡达到微米级别以上时，气泡的整体理化性质也发生了质变，主要表现为气泡的比表面积大、水力停留时间长、氧传质效率高、表面电位电势高和产生羟基自由基等特性。研究发现，微纳米曝气技术可以改变水体中的溶解氧，恢复和增强水体中的微生物活性，从而达到净化水质的作用。William B等的研究认为纳米气泡具有很好的潜在应用前景[14]；其良好的吸附性能净化水质[15]；将微纳米曝气技术应用于湖水、城市景观水体的修复，可提高湖体相关区域的溶解氧溶度[16]。改善溶解氧指标[17]，去除被修复水体中的化学需氧量、总磷、氨氮和总氮[18]。微纳米曝气技术的应用目前主要见于污水治理和景观水生态修复，应用于饮用水源地及对湖库藻类控制的较少。饮用水源地水质安全关乎民生大计，微纳米曝气技术无二次污染、运行管理方便。本研究以福建省三明市东牙溪水库为对象，采用在一年的监测周期内，将位于牛岭库湾的微纳米曝气区及非曝气区进行对比，考察氮、磷营养盐等水质指标以及浮游植物等指标的变化，探讨微纳米曝气对饮用水源地水库的水质及水生态所产生的影响，旨在为微纳米曝气技术的生态修复机理研究以及在饮用水湖库的实际应用提供依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究区域概况

东牙溪水库位于福建省三明市三元区东南部的中村乡境内，距三明市区约9 km，于1995年12月建成，1996年被当地政府确定为三明市区饮用水源地，其总库容约有2.263×107m3，年平均径流量约1.36×108m3；东牙溪水库属山谷型月调节水库，最大水深为63.4 m，主河道全长30 km，全流域面积188 km2，坝址上游集雨面积156 km2；东牙溪是由大田、沙县交界的大峰、大众山、莲花顶等分水岭源汇而成，属于闽江水系沙溪河的一条支流，其主源上有三条支流，于双溪桥、半洋汇合后由东向西注入三明城关上游的沙溪[19]。东牙溪水库自建库以来，随着周边生态环境的改变和人类活动的影响，使得水库面临着水体污染的问题。水库水体TN一般在0.9 mg/L左右，TP一般在0.04 mg/L左右，属地表水质量标准Ⅲ类水。

2015年夏季，水库的牛岭库湾爆发了蓝藻水华事件，总氮和总磷浓度分别达到1.41 mg/L和0.087 mg/L，氮磷比达到17∶1，磷为富营养化限制因素且浓度较高，其藻类丰度高达108cells/L以上，夏季藻类以绿藻门、蓝藻门为主，严重影响了水质，且对当地居民的饮水用水安全造成一定的威胁。政府高度重视此次蓝藻水华事件，采取了一系列的措施对爆发的蓝藻水华进行控制，微纳米曝气工程就是其中的一项措施。

1.2 微纳米曝气工程概况

1.2.1 工程装置

本研究所用的微纳米曝气装置采用福建省华川技术有限公司专利生产的湖库流域生态基因纳米调控装置(专利号：ZL201410013804.5)。微纳米曝气装置所用的曝气头为福建省华川技术有限公司与澳大利亚公司合作设计生产的陶瓷微纳米气泡扩散曝气头(专利号：ZL201110180368.7)，曝气方式为高压切割。

微纳米曝气工程的微纳米曝气发生装置安置于牛岭库湾岸边的工程项目建设机房内，阵列可控溶氧盘则安置在水库牛岭库湾区域的河道底部，牛岭库湾区域安装深度约为20～25 m，由机房内的曝气装置产生的气体通过管道输送到阵列可控溶氧盘上，再由阵列可控溶氧盘上的微纳米气泡扩散曝气头将微纳米气泡扩散至水体中。该微纳米曝气工程具体如图1所示。

1.2.2 工程参数

东牙溪水库作为一个山谷型水库，沿岸两边环山，河道蜿蜒曲折，且其库湾众多，因库湾内的水体流动较为缓慢，外源营养物质的输入由于长时间的累积而逐渐增加，加之湖库沉积物自身的内源营养盐的释放，使得此类库湾易爆发富营养化水华风险。本研究选择在曾爆发过水华的牛岭库湾开展微纳米曝气修复研究。牛岭库湾(N 26°10′、E 117°38′)位于水库中游偏上地区，由于该库湾面积较大，上游往大坝的水流流经此处流速变缓；牛岭库湾区域微纳米曝气工程运行时间为2016年7月至今，布设了40个阵列可控溶氧盘，曝气区域面积约为6 hm2，非曝气区域面积约为94 hm2。具体工程参数如表1所示。

表1 东牙溪水库微纳米曝气工程相关参数

1.3 采样方法

本研究按照《湖泊富营养化调查规范》进行采样调查，采样时间为2017年5月、8月、10月及12月，采样地点是三明市东牙溪库区，采集水库上游S1(N 26°11′11″、E 117°39′2″)、非曝气区S2(N 26°11′9″、E 117°38′42′)、牛岭库湾曝气区S3(N 26°11′1″、E 117°38′29″)和大坝S4(N 26°12′6″、E 117°38′14″)四个断面的水样，重点采样监测区域为曝气区域(设2～4个采样点)与非曝气区域(设2～4个采样点)，上游(设2个采样点)和大坝断面(设2个采样点位)则作为本研究的对照或者参照对象。

采样时按照国家颁布的《水质 湖泊和水库采样技术指导》(GB/T 14581—1993)进行，使用2.5 L有机玻璃深水取水器在水面下0.5 m采集水样。进行理化指标分析的水样使用500 mL聚乙烯采样瓶存放；进行浮游植物分析的水样使用1 000 mL聚乙烯采样瓶存放，加入10～15 mL鲁哥试剂进行浮游植物固定。所有样品均在低温(0～4℃)避光处保存。采样现场记录天气、水温、pH值、透明度和溶解氧等指标。

1.4 监测方法

1.4.1 水质指标的测定

水样中总氮(TN)采用碱性过硫酸钾消解分光光度法测定(GB/T 11894—1989)；总磷(TP)采用钼酸铵分光光度法测定(GB/T 11893—1989)；叶绿素a(Chl-a)采用丙酮提取分光光度法测定(SL 88—2012)；溶解氧(DO)和水温使用德国WTW公司的Oxi 3310 IDS便携式溶解氧分析仪测定；pH使用pH计测定；水深使用声纳仪测定；透明度采用赛氏盘法测定。

1.4.2 浮游植物的丰度的测定

将采集回来由鲁哥试剂固定的样品静置48 h之后，利用离心机离心的方法将固定样品浓缩至30 mL，再将浓缩后的样品置于0.1 mL的浮游植物计数框(20 mm×20 mm)中，在生物显微镜400倍数下进行样品的观察与计数后计算，计算公式为：

(1)

式中：N为每升水样所有浮游植物的数量(cells/L)；A为计数框面积(mm2)；A0为视野的面积(mm2)；VS为原水样浓缩后的计数样品体积(mL)；V为计数框的体积(mL)；n为计数结果所得的浮游植物细胞个数。

1.5 数据分析

样品采集时，所有断面均采集多组平行样，通过测定多组平行样，采用狄克逊(Dixon)检验法检验数据，剔除离散值，从中选取较为精确的平均值进行分析。使用Origin 9.0和Excel软件完成数据制图工作。

2 结果与分析

2.1 现场实测情况

以分子形式存在的氧溶解于水中便为溶解氧(DO)，水体中的溶解氧含量和空气中氧的分压、水的温度、水深、水中不同种的盐类和藻类的含量以及光照强度等多种条件有关[12，20]。春夏季水体溶解氧较高，可达到10.0 mg/L，在秋冬季水体溶解氧则较低，在10月份和12月份，对水体底层的溶解氧的监测可以发现，在水体底层，因曝气区存在微纳米曝气，使得其溶解氧比非曝气区域的溶解氧要高0.3～1.1 mg/L。一般来说，微纳米曝气可以提升水体中的溶解氧，对溶解氧本底值低的水体进行一定的曝气，可使得水体中的溶解氧逐渐升高，而水体溶解氧的提升率随着溶解氧浓度的逐渐上升而不断下降，这是因为在正常大气压条件下，氧气在水体中的溶解度是一定的，当水体中的溶解氧浓度本底值较高或接近饱和时，其溶解氧的提升率则变化不明显[20]，因此大部分时候微纳米曝气区的溶解氧比非曝气区的溶解氧略微高些，特别是曝气区水体底层。

表2 监测时段各断面的现场情况

2.2 水体中总磷浓度变化

各季节总磷浓度变化情况如图3所示。由SPSS 22.0显著性分析可得，曝气区域总磷浓度与非曝气区域总磷浓度存在显著性差异(P<0.05)。5月份，水体总磷浓度分布在0.039～0.068 mg/L之间；8月份，水体总磷浓度分布在0.035～0.057 mg/L之间；10月份，水体总磷浓度分布在0.020～0.061 mg/L之间；12月份，水体总磷浓度分布在0.030～0.094 mg/L之间；不同季节大小分布均为上游>非曝气区>曝气区>大坝。上游断面的总磷浓度总是高于其他断面，是因为上游作为水库原水汇入点，周边村落人类活动释放的营养盐随着支流汇入水库，使得其总磷浓度相比其他断面表现为较高；在12月份，上游断面的总磷平均浓度高达0.094 mg/L，比其他断面的总磷浓度高一倍以上，原因可能是水库上游岸边及离库区较近的竹林、树林区有不少农田果园，施用了大量的氮磷化肥和农药，使土壤的总氮、总磷含量偏高，而其容易随着雨水进入河流。岸边的公路扩建，不少弃土倒入溪河，也使水库上游流域水体污染加重。而曝气区与非曝气区相比，曝气区的总磷浓度均比非曝气区的总磷浓度低，表明了水流经过了曝气区域后，总磷浓度有了一定的削减，以曝气区和非曝气区的差值与非曝气区的比值作为曝气断面的削减率，得到实施微纳米曝气技术区域水体在不同季节的总磷平均削减率为14.0%～29.1%。

2.3 水体中总氮浓度变化

各时段总氮浓度含量情况如图4所示。由SPSS 22.0显著性分析可得，曝气区域总氮浓度与非曝气区域总氮浓度不存在显著性差异(P>0.05)。5月份，水体总氮浓度分布在0.97～1.11 mg/L之间；8月份，水体总氮浓度分布在0.84～1.60 mg/L之间；10月份，水体总氮浓度分布在0.94～1.23 mg/L之间；12月份，水体总氮浓度分布在0.96～1.43 mg/L之间；不同季节总氮浓度大小分布均为上游>非曝气区>曝气区>大坝。在不同季节，水体的总氮浓度变化不大，上游、非曝气区、曝气区和大坝总氮浓度平均值分别为1.34、1.09、1.02和1.00 mg/L，曝气区与非曝气区之间相差不大。上游的水质总氮浓度情况与总磷浓度情况一致，由于营养盐的入库，致其上游的氮磷浓度较高。通过削减率计算，可得不同季节的总氮平均削减率为1.1%～11.0%，整体的削减率较低，表明纯粹地对水体进行曝气，并不能有效降低水体中的总氮浓度。

2.4 水体中叶绿素a浓度变化

叶绿素a作为水体富营养化评判的重要指标之一，能够相应地反映水体中浮游植物含量情况[21]。图5所示为各个时段所测的叶绿素a含量变化情况。由SPSS 22.0显著性分析可得，春夏季曝气区域叶绿素a浓度与非曝气区域叶绿素a浓度存在显著性差异(P<0.05)，秋冬季则不存在显著性差异(P>0.05)。5月份，水体叶绿素a含量分布在6.8～21.3 μg/L之间；8月份，水体叶绿素a含量分布在10.8～26.4 μg/L之间；10月份，水体叶绿素a含量分布在1.9～4.3 μg/L之间；12月份，水体叶绿素a含量分布在1.1～4.7 μg/L之间；不同季节水体中叶绿素a浓度大小分布基本为上游>非曝气区>大坝>曝气区。春夏季节水库整体的叶绿素a浓度较高，是因为春夏季温度较高，适宜浮游植物生长繁殖；而10月份和12月份整体的叶绿素a浓度较低，是因为气温低，浮游植物在秋冬季生长繁殖较慢。在5月份和8月份，曝气区的叶绿素a浓度明显比非曝气区域更低，表明在微纳米曝气区的浮游植物得到了一定量的削减，5月份和8月份平均削减率分别为51.0%和49.2%；在10月份和12月份，其平均削减率则为33.0%和25.1%，因为10月份和12月份水体叶绿素a浓度整体较低，使得微纳米曝气的削减效果并不明显。

2.5 水体中藻类含量变化

水体中藻类含量情况如图7所示。由SPSS 22.0相关性分析可得，藻类细胞丰度与叶绿素a呈极显著相关(P<0.01)，相关系数为0.850。不同季节水体中的藻类主要包含蓝藻、绿藻、硅藻、隐藻、裸藻和甲藻，且主要以为蓝藻、绿藻和硅藻为主，隐藻、裸藻和甲藻则占比较少，在秋冬季的时候更为明显。藻类各季节曝气区与非曝气区的规律与叶绿素a规律呈现一致。春夏季节，水体中藻类含量较多，8月份达到107cells/L，而10月份和12月份，水体藻类较少，密度在105～106cells/L之间。其原因是春夏季气温较高，藻类生长较为旺盛，而秋冬季温度逐渐下降，水温分层现象逐渐减弱，上下层水体做垂直交换，P分散于水体上下层，部分被底泥吸附，使水体上层总磷浓度降低，从而使得藻类含量降低。曝气区域的藻类含量低于非曝气区域，削减率分布在16.9%～37.9%之间，表明曝气的作用对藻类有一定量的削减，且5月和8月削减率高，说明在藻类生物量高的时候，微纳米曝气对于藻类生长控制效果较为明显。在不同季节，藻类含量与叶绿素a含量的变化规律一致，从8月份可以看出，曝气区域的藻类含量明显低于非曝气区域，这与8月份曝气区叶绿素a含量呈现一致的规律，表明曝气作用能够抑制浮游植物的生长，8月份藻类密度根据曝气区相比非曝气区，其削减率为37.9%。在不同月份或季节之间，藻类结构存在着一定的差异，曝气区与非曝气区的藻中类占比均有一定的差异。

东牙溪2016—2017年水体藻类含量情况表明，水库内水体中的藻类群落存在一定的季节性演替。从空间上来看，相同季节下曝气区域与非曝气区域水体中藻类结构相近，水体中藻类主要由甲藻、硅藻、绿藻、蓝藻、隐藻和裸藻组成，其中夏季以蓝藻和绿藻占比居多为主，蓝藻约占30%～50%，丰度分布在4.0×105cells/L～4.5×106cells/L之间，绿藻约占30%～40%，丰度分布在3.0×105cells/L～4.0×106cells/L之间；而秋冬季则以蓝藻、绿藻、硅藻占比居多为主，蓝藻约占约15%～30%，绿藻约占20%～35%，硅藻约占20%～35%，其丰度则因秋季与冬季藻类总丰度不同而分布得较为广泛。夏季时蓝藻门又以平裂藻和微囊藻为主，秋冬季时蓝藻门则以微囊藻为主。绿藻门主要以衣藻为主，硅藻门主要以直链藻为主。实施微纳米曝气工程以来，曝气区与非曝气区相比较，藻类细胞丰度的削减率为16.9%～37.9%，蓝藻的削减率为14%～26%，绿藻的削减率为19%～51%，硅藻削减率为20%～36%。大坝区域水体藻类丰度比曝气区也有所减少，是四个点位最低，可能是曝气区下游溶解氧提高、总磷浓度降低带来的效应。综上所述，微纳米曝气能在一定程度上抑制浮游植物的生长。

3 讨论

2017年5月—12月，对面积为6 hm2的牛岭库湾微纳米曝气工程生态修复效果监测表明，微纳米曝气能够使得水体的总磷浓度有一定的削减，在不同季节的微纳米曝气技术对总磷平均削减率为14.0%～29.1%，而对水体总氮的削减效率则表现为不显著。曝气对总磷去除过程较为复杂，可能是通过微纳米气泡吸附、粘附、沉淀等作用对水体颗粒物质的去除产生影响，且磷易被富含Fe、Al及Ca等的矿物质吸附[21]。微纳米曝气对总氮的去除效果不明显，可能因为不同曝气条件影响铵态氮和硝态氮的去除效果。陆晖等[18]将微纳米曝气技术用于城市景观水体修复，微纳米曝气对校园景观水体中总磷的化学需氧量、总磷、氨氮和总磷的去除率分别为67.59%、17.30%、70.20%和66.75%；而本研究中微纳米曝气对总磷的削减比较显著，表明在不同污染状况下的水体中总磷去除效果存在差异，这与原污染水体中的磷的本底值有一定的关系。

微纳米曝气能够使水体中的浮游植物有一定量的削减，5月份和8月份叶绿素a平均削减率分别为51%和49%，10月份和12月份，其平均削减率则为33%和25%。8月份，曝气区域的藻类含量明显低于非曝气区域，藻类总密度的削减率为37.9%。王云中等研究发现微纳米曝气对藻类的生长抑制作用可能是因为底泥微生物对磷的释放有抑制作用从而导致藻类急剧消亡[22]。微纳米曝气技术不仅增强了底泥好氧聚磷微生物的活性，而且还可以通过气泡粘附沉淀作用使得吸附磷的矿物质得到去除，从而使水体的总磷浓度降低。微纳米曝气的增氧作用和气泡吸附作用都对藻类的生长有明显的抑制效果。

监测结果表明，春夏季节相较于秋冬季节在微纳米曝气工程实施后对叶绿素a和藻类的生长抑制效果较好，曝气区域的藻类含量明显低于非曝气区域，水体富营养化易于在春夏季节爆发，当气温开始逐渐上升的时候，微纳米曝气工程可在春夏季节运行，以达到抑制藻类生长的目的，而在秋冬季节则可适当减少曝气，以达到效益最优化。

微纳米曝气生态修复技术的运行费用方面，由于设备质量稳定，经济分析只计算设备运行的能耗，运行能耗主要是电能的消耗，设备运行总功率20 kW，电费按单价0.6元/(kW/h)计算，东牙溪水库供水2.8×104m3/d，则吨水处理费用为(20×0.6×24)/(2.8×104)=0.01元/m3。

4 结论

在东牙溪水库实施微纳米曝气工程后，2017年的四个季节对其进行了采样监测，发现工程对库区水体的物理、化学和生物指标均有明显的影响，对水质有一定的改善。

1)微纳米曝气区域的透明度比非曝气区域高。春夏季节，水体溶解氧较高，可达到10 mg/L；秋冬季节，水温分层现象逐渐减弱，上下层水体混合均匀。在水体底层，曝气区的溶解氧比非曝气区域高，并通过上下层水体垂直交换将底层溶解氧较高的水体带到表层。

2)不同季节，东牙溪水库水体总磷浓度分布在0.020～0.094 mg/L之间，水体总氮浓度分布在0.84～1.60 mg/L之间。微纳米曝气技术对总磷平均削减率为14.0%～29.1%，对水体总氮的削减效率则表现为不显著。

3)水体中的叶绿素a和藻类的削减呈一致性，从8月份可以看出，曝气区域的藻类含量明显低于非曝气区域，藻类总密度的削减率为37.9%，与8月份曝气区叶绿素a含量明显低于非曝气区呈现一致的规律，表明曝气可在一定程度上削减控制浮游植物的生长，尤其是在春夏季节。考虑到吨水处理成本的因素，微纳米曝气工程可在春夏季节全部运行，达到抑制藻类生长的目的，而在秋冬季节可适当减少曝气，以降低运营成本，达到效益最优化。