巢湖富营养化问题分析及磷削减研究

2021-12-02李辰汪炎王本洋

安徽化工 2021年6期

李辰，汪炎，王本洋

（东华工程科技股份有限公司，安徽合肥230024）

位于长江中下游的巢湖是我国的五大淡水湖之一，巢湖湖泊面积825平方公里，流域内包含了合肥、安庆、芜湖、马鞍山、六安5市16县，流域面积13 486平方公里。受自然条件和人类活动双重影响，历史上巢湖蓝藻水华经常爆发。伴随着“十二五”“十三五”巢湖水专项的实施，政府近年来不断加大巢湖生态环境整治。从2020年合肥政府工作报告中可以看出，巢湖水质稳定在Ⅳ类以上，15个国考断面水质全部达标，几条主要河道水质稳定改善。但是湖区氮磷等污染物浓度依然处于蓝藻易发区间，每年湖区均需要启动蓝藻应急防控，水体富营养化依旧是巢湖面临的主要问题之一。

图1 2019年巢湖流域水质分布示意图

为加快推进新一轮巢湖治理，在对巢湖现状污染问题分析的基础上，亟需寻找解决水体富营养化问题的方向。

研究数据显示：虽然整体上巢湖水质有所改善，2018年巢湖平均为V类水质标准，TN=1.44 mg/L，TP=0.102 mg/L，较1995年以来，水质总体呈向好的趋势，TP削减了75.1%。但是2016～2018年总磷变化不大，分别为0.092 mg/L，0.108 mg/L和0.102 mg/L。有研究指出，对于湖泊富营养化的治理，只控磷就可使湖泊贫营养化，而脱氮会导致固氮蓝藻大量繁殖，反而有助于浮游藻类生长。初步确定只有当氨氮和总氮浓度大于5 mg/L时，水生植物生长才会受负面影响，同时促进沉积物的磷释放。

2019年《中国环境状况公报》指出：巢湖为轻度污染，主要污染指标为总磷，其中东半湖为轻度污染，西半湖为中度污染。西半湖和东半湖均为轻度富营养状态，平均全湖为轻度富营养状态。

因此，解决巢湖富营养化问题的关键可以考虑从总磷的削减入手。

1 磷循环原理

磷的循环主要包括自然循环和社会经济循环。其中自然循环是指磷的生物化学循环，即磷元素在岩石、土壤、水、大气、生物之间发生的物化与生物转移过程。磷矿石首先受物理风化作用进入土壤，然后经过雨水冲刷进入河湖，最终进入海洋，深海中的磷元素经过复杂的物化和生化过程后累积成磷矿，最终回归自然，从而形成完整的自然循环。磷的自然循环过程通常比较缓慢，但这一循环过程基本能够保持生态圈所持磷的含量基本恒定，物料平衡。

与之相对应的社会经济循环指的是由于人类活动导致磷的物质流动，磷矿石经人类开采后加工制造，生产成磷产品，供给消费者使用，其中的废弃物回收或处理。黎斯思对磷进行物质流分析表明，按照磷的存在形式，在循环过程中磷矿中的磷主要以PO形式存在。磷矿被开采后，85%～90%的磷用于制取无机磷化肥，其他作为饲料添加剂（3.3%）、生产洗涤剂（4%）、药品、工业用途等。化肥中的无机磷进入土壤后，被植物根系吸收，从而进入植物体内周转，其中植物液泡中包含90%的无机磷，细胞质中包含10%的无机磷和ATP、G-6-P等有机磷。畜禽养殖过程中饲料被摄入之后，饲料中所含的磷与动物体内的磷元素一并在肠道内发生作用，形成复合物，一部分被动物吸收，主要以羟磷灰石Ca（PO）形式存在于动物骨骼和牙齿中（85%～90%），另一部分不能被吸收的磷随着粪便排出体外。居民消费过程中磷的代谢与畜禽养殖类似，人体的肠道主要吸收无机磷，消化液中的磷酸酯可以将摄入的有机磷水解转化成无机磷，其中约85%的磷以羟磷灰石Ca（PO）形式存在于骨骼和牙齿中，剩余的磷随粪便排出体外。金属加工主要应用于钢铁表面磷化，是指在金属表面形成磷酸盐转化膜，目的是为了给金属提供保护，防止金属腐蚀。磷矿开采以及磷产品加工时均会产生废弃物，其中工业废弃物以选矿废物、磷石膏、有机磷农药为主；磷产品消费过程中产生的废弃物主要是含磷污水与生活垃圾。除上述废弃物在处理过程中将部分磷进行收集或转化，绝大多数的磷进入自然环境，尤其是地表水体，从而加快了磷循环的进程，导致磷在自然水体中含量增加。图2是磷的社会经济循环过程。

图2 磷的社会经济循环过程

2 磷污染分析

2.1 点源磷污染

点源污染是指由固定或集中排放口排出的污染，与非点源污染源相对应，主要包括污水处理厂排口、污水收集装置排口、污水管网直排口等。从点源污染的特性可以看出，污染物类型相对固定，排放浓度、频次可追溯，受外界环境影响较小，可人为控制或干预的程度较高。

《巢湖综合治理绿色发展总体规划》（2018～2035）指出近年的入湖污染物结构中，城镇生活污染贡献占50%以上，并呈上升趋势；工业生产贡献15%左右，已呈下降迹象；流域面源（含城区雨水、农业农村排放等）贡献35%左右，并随降水呈现波动。

依据国家城镇污水处理厂污染物排放标准，目前国内大多数污水处理厂出水TP均执行一级A标准，即不大于0.5 mg/L。为了提高水环境质量，各地相继出台了更严格的水质标准。安徽省要求巢湖流域TP排放指标不大于0.3 mg/L。目前环巢湖流域并未出台更严格的规定。而为了推进滇池流域的治理，昆明市要求TP排放指标执行地表Ⅲ类标准（湖库），即0.05 mg/L。

资料显示，截至2018年，合肥市污水处理总规模为197万m/d，其中91.45%的城市生活污水得到集中处理，70%的省级及以上工业园区污水得到集中处理。因此削减点源总磷污染是治理巢湖富营养化的重要手段。

2.2 面源磷污染

面源污染是指固态或溶解态的污染物，随机性地被降雨（融雪）冲刷，经地表或地下径流作用后进入河道、水库、湖泊等自然水体造成的污染。巢湖流域的面源污染主要是雨水或冲洗导致的地表径流通过河道汇入或直接流入巢湖的污染物，主要包含：①城市面源污染；②农村面源污染；③矿山面源污染；④大气沉降面源污染。该类污染物通常受气候、环境、空间变化等因素影响，随机性和变化性较大，不易进行人工控制或干预。

城市面源污染主要包括雨水径流、交通运输、道路冲刷、生活垃圾堆放等过程进入雨水管网的污染物，因此污染物浓度及种类受不同地区下垫面的类型影响很大。徐微等人调查合肥市城区初期雨水地表径流污染显著，COD平均值高达609 mg/L，且以难降解成分为主；SS平均值为545 mg/L；氨氮、TN、TP均超过城镇污水厂排放一级A标准。窦月芹等对合肥不同下垫面的降雨径流进行分析，结果表明，生活区的径流营养盐污染最严重，其次是道路，草地污染最轻。

农业面源污染主要包括农田里的农药、重金属、氮磷、土壤、生活垃圾以及牲畜粪便等无机或有机物，通过径流进入受纳水体导致的污染。对巢湖流域种植最多的麦稻轮作农田进行研究发现，径流的总磷流失量为0.302～0.612 kg/hm，稻季会流失89%以上的总磷，其中约37%的总磷以可溶性磷形式流失，磷肥的利用率在30%～40%。

矿山面源污染主要包括矿区的泥沙、矿渣、副产物、添加剂等无机或有机物，受地理或气候作用影响，随降雨或地表径流冲刷进入临近受纳水体。调查显示：由于古老的含磷变质岩系在巢湖北岸广泛分布，巢湖北岸的磷本底值偏高。富磷岩层长期裸露，经阳光和雨水侵蚀，同时流域内水系众多，其中有店埠河、炯炀河、柘皋河等均起源于磷矿和含磷地层，都为磷的迁移提供了便利，每天大量的磷通过物理、化学和生物作用后进入巢湖。特别是近几十年来磷矿大量开采，导致入湖磷素的量也不断累积。首先入湖口会沉积大量的磷素，所以通常北岸入湖口的总磷含量要高于南岸入湖口。孙喆通过对巢湖周边龟山-马鞍山一代富磷区进行研究发现，富磷地区河流中颗粒态磷是TP的主要存在形式，占60%以上，如此高的百分比反映岩源磷风化随水体迁移进入河流。此外，磷化工企业排放的污染物以及磷石膏堆场防渗不到位，均有可能造成污染。

2.3 内源磷污染

内源污染主要指的是沉积或悬浮在湖泊中的沉积物造成的污染。该沉积物中携带的污染物在本体与水体中不断释放与吸附，在一系列物化和生化作用下，处于动态平衡。在某些环境下，沉积物可作为“源”，向水体释放磷，造成二次污染；在另一些环境下，未饱和的沉积物又可以吸附水体中的磷，降低水体中污染物的浓度。

潘成荣等对于巢湖东西半湖取样研究表明：无机磷是巢湖底泥中磷的主要存在形式；在东西半湖中，各种赋存形态的磷含量不同，但都以铁结合态为主；其中易溶性磷在西半湖中明显高于东半湖，可推测西半湖水生生物更容易获取营养物；陆地是巢湖有机质的主要来源，其占湖泊中总有机质含量的80%。李运奔等对东巢湖近城市湖湾沉积物的研究表明，东巢湖近城市湖湾沉积物中氮、磷污染物蓄积量较高，内源沉积物明显释放磷酸盐、氨氮，平均释放速率分别为1.25 mg/(m·d)和32.44 mg/(m·d)。陈航通过采集西半湖区的沉积物进行模拟动力学实验表明：上覆水中磷的初始浓度为0.05 mg/L时，沉积物表现为“源”；上覆水磷初始浓度为0.5 mg/L时，沉积物表现为“汇”。

3 措施建议

针对巢湖流域不同的污染物类型，建议措施如下：

3.1 针对点源磷污染

当前巢湖流域的市政污水除磷工艺均采用生物除磷+辅助化学除磷的方式来控制出水TP达标。其中生物法是通过排放剩余污泥来降低磷含量，通常二沉池出水TP还保持在2～3 mg/L；而化学除磷通常采用混凝沉淀的技术，一般出水TP＜0.5 mg/L，进一步去除TP难度较大。

崔朋等利用昆明某大型污水厂出水进行中试试验表明：投加PAC和PAM，采用溶气气浮的方式，可将出水总磷从0.47 m/L降至0.08 mg/L，砂滤后可进一步处理至0.03 mg/L，其中正磷酸盐几乎全部去除。除气浮技术以外，夹砂沉淀或磁混凝技术均可以使出水TP稳定在0.3 mg/L以下。

3.2 针对面源磷污染

针对面源污染应当采用非工程手段与工程手段相结合。对巢湖地区农业面源污染，从治理思路上，通常考虑源头控制。改变施肥方式，分批次施肥或施加缓释肥，不同类型农田分区施肥，改变植物种植方式。根据合肥市政府工作报告，合肥市将很快实现环湖一公里农药化肥零增长。

采用工程手段处理面源污染的方式有很多，针对面源污染大多分散的特点，可因地制宜地采用各种生态处理技术，如人工湿地。该技术具有投资低、污染物去除效果好、运行费用低、耐污染能力强、维护简单和生态景观性能好等一系列优点。卢少勇等发现人工湿地对磷去除机理主要是物理化学作用，即通过沉淀去除。植物对于磷的去除作用与收割频率、进水负荷、植物物种以及气候条件有关。其余诸多实验表明，人工湿地中TP的去除基本都是靠地下部分，植物吸收量非常少。但张迎颖在滇池的气候条件下使用凤眼莲进行实验发现，水体总磷初始浓度较低，80%的TP均由凤眼莲吸收作用去除；6%～8%由根系吸附去除。

除此以外，还可以考虑从沉水植物的种植入手，降低湖泊中的总磷含量。沉水植物通过光合作用可以提高水体的透明度和溶解氧，有利于水体中的磷与底基中的金属沉淀。任艳芹等在2010年对巢湖中的沉水植物进行调查时发现：巢湖沉水植物总计观测到4科5属6种，分布面积仅占全湖面积的1.54%，总生物量约为8 077.8 t，其中马来眼子菜在巢湖沉水植物种属中占绝对优势，其分布面积占沉水植物分布总面积的90.7%；轮叶黑藻、穗花狐尾藻和金鱼藻等沉水植物稀少，已濒临消失。试验检测表明：沉水植物群落分布与巢湖的水深、透明度、化学需氧量、正磷酸盐、总磷等相关性极为显著，而与水体中的总氮并没有达到显著水平，说明巢湖流域沉水植物的群落分布受氮的限制要小于磷。

3.3 针对内源磷污染

治理内源污染主要有异位和原位修复两种。异位修复主要是通过清淤或抽吸的方式去除污染严重的底泥。该方法可显著减少底泥中氮磷的释放，清淤土回填可修复巢湖湿地底基。该方法在修复芦苇湿地的同时，也减少外运淤泥量，一举两得，近几年在南淝河左湖岸已有一些清淤工程实施。

原位修复技术有：钝化法，即投加化学药剂固定总磷，通常是铝、铁和钙的化合物，铝剂钝化法在欧美得到长期广泛的应用；覆盖法，即通过将碎石、泥沙、吸附剂等投入污染水体，使得原本底泥中的磷固化，释放速率降低，但该方法可能引起水体容积减少，当前在海洋中应用较多；氧化法，即投加氧化剂，但因为涉及到生态问题，国内应用较少。