不同生物链组合对黄河下游地区引黄水库富营养化及藻类控制

李佳岷，张克峰,*，陈永峰，李 梅，任 杰，顾学林

(1.山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南 250101；2.山东胜利水务有限责任公司，山东东营 257000)

为了解决我国水资源短缺的问题，黄河下游地区建设了大量引黄平原水库，黄河水为干旱、半干旱地区提供了丰富的水资源。但人类的生产和生活使含氮含磷废水不断排入黄河，水体的自我调节和净化能力遭到严重破坏，水中藻类微生物获得大量营养物质，大量氮磷的积累和藻类的滋长导致黄河水水质富营养化严重[1]。黄河下游水库长期在富营养化状态下运行，影响了饮用水安全[2]。因此，控制和治理水库水体富营养化成为亟待解决的难题。

当前的主要治理举措有化学法、物理法、生物法[3-4]。化学法主要应用于水厂和水源地，其处理效果见效快且操作简单，但是极易引起二次污染。物理法主要有曝气、过滤和吸附等，可以为水体提供自净能力，减少藻类数量，但是无法从根本上解决水体富营养化等问题。与物理法和化学法相比，生物法具有无二次污染、处理能力大、净化效果好等优点，但是由于新安水库复杂的水环境特点，简单的生物修复技术很难达到预期的效果。因此，原位复合生物修复技术应运而生，通过投放水生植物、水生动物及底栖生物组合而形成较完善的生物链，同时，不同生物法的结合能够形成合理有效的生物操纵体系[5]，最终可形成稳定的水生态系统[6-7]，进而抑制藻类的滋长和治理水体富营养化现象。

本研究在东营市胜利油田新安水库进行，研究不同生物链组合对新安水库水体营养盐类指标的去除率和水体净化效果，以期为黄河下游地区引黄平原水库富营养化和藻类控制提供支持。

1 试验方法和材料

1.1 试验方法

本次试验共设置4个处理单元：试验组P1、P2、P3和空白组P4。通过前期预试验，植物覆盖率选择45%，以鲢鳙鱼为3∶1投放80 g/m3的鱼苗。当植物覆盖率达到60%时，由于水生植物凋亡分解产生氮、磷，水中的TN、TP含量反而升高，且过高的植物覆盖率占据水生动物的生存空间，造成鱼类死亡。检测藻类指标时发现，植物覆盖率为30%时的藻类数量和种属高于植物覆盖率为45%时。综合考虑，选择45%的植物覆盖率较合适。当投放鲢鳙鱼苗为3∶1、4∶1、5∶1及40、80、120 g/m3，均可降低和控制藻类数量，但考虑到水库1 500万m3的库存，若分别按40、80、120 g/m3投放鱼苗，投放量分别达到600、1 200、1 800 t。因此，综合考虑水质处理效果和经济性，选择植物覆盖率为45%，以鲢鳙鱼为3∶1投放80 g/m3的鱼苗(表1)。

表1 不同生物链及其组合试验方法Tab.1 Test Methods for Different Biological Chains and Combinations

1.2 试验材料

试验中的原水来自东营市新安水库出水口，于2017年9月15日开始准备工作，到11月22日完成收尾工作，共计67 d。试验选择4个300 L塑料桶，每个塑料桶中引入新安水库出水口原水250 L，分别根据P1、P2、P3、P4生物链组合加入水生生物。鲢鳙鱼苗来自当地渔场，每组塑料桶放20 g鱼苗，其中鲢鱼15 g、鳙鱼5 g；美人蕉来自花卉市场，平均株高约为31 cm，平均生物量约为76.37 g，底栖生物为2只河蚌、75 g田螺和50 g虾苗；生物填料材质采用比重相同的聚丙烯。3组试验组控制比例、密度、植物覆盖率等因素不变，通过改变生物链组合来探究不同生物链组合对水体富营养化和藻类控制的影响。P2采用鲢鳙鱼+美人蕉+底栖生物的组合，与P1相比增加了底栖生物，可以处理鲢鳙鱼摄食藻类形成的粪便，生态系统更加完善；P3采用鲢鳙鱼+美人蕉+底栖生物+生物填料的组合，与P2相比增加了生物填料，为微生物生长繁殖提供了空间，提高了水质处理能力；P4为空白组，起到与其他3组试验的对照作用。

1.3 指标选择和检测

从2019年9月17日开始，每隔7 d分析水质指标DO、TN、TP、氨氮、CODMn、叶绿素a[8]、藻类总数等指标，直到2019年11月20日进行最后一次各处理单元指标检测。水质指标检测方法如表2所示。

表2 检测指标及测定方法Tab.2 Test Indices and Determination Methods

2 结果与讨论

2.1 水体富营养化指标控制分析

(1)TN

根据进水和出水检测结果计算TN的去除率，并综合空白处理单元绘制不同处理单元TN浓度和去除率变化曲线，如图1所示。

图1 各处理单元TN的变化量和去除率Fig.1 Changes and Removal Rates of TN in Each Treatment Unit

由图1可知，与空白处理单元相比，其他各处理单元中TN去除率均达到60%以上。其中：P3处理单元的去除率较高，达到89.41%，从1.93 mg/L降低到0.204 mg/L；P2处理单元的去除率次之，达到88.15%，从1.76 mg/L降低到0.21 mg/L；P1处理单元的去除率较低，为80.19%，从1.85 mg/L降低到0.366 mg/L；空白处理单元去除率为18.18%，从1.87 mg/L降低到1.53 mg/L。综上，各处理单元中TN去除效果：P3处理单元效果较好，P2次之，P1较差。

分析原因：P1处理单元中水体中的氮可以通过水生生物捕食作用及其同化吸收，以及通过水生植物的收获和死亡等沉积过程脱离水体的营养循环；P2处理单元中的底栖生物能够处理鱼类粪便，减少其中的氮进入水体；P3处理单元中的水生植物和生物填料为微生物提供了附着的基质和庇护所，微生物中含有除氮的细菌，这是除氮的另一种途径[9-11]。

(2)TP

根据进水和出水检测结果计算TP的去除率，并综合空白处理单元绘制不同处理单元TP浓度和去除率变化曲线，如图2所示。

图2 各处理单元TP的变化量和去除率Fig.2 Changes and Removal Rates of TP in Each Treatment Unit

由图2可知，与空白处理单元相比，其他各处理单元中TP去除率均达到60%以上。其中：P3处理单元的去除率最高，为90.24%，从0.068 mg/L降低到0.007 mg/L；P2处理单元的去除率次之，为89.77%，从0.053 mg/L降低到0.005 mg/L；P1处理单元的去除率最低，为87.32%，从0.062 mg/L降低到0.008 mg/L；空白处理单元去除率为23.21%，从0.056 mg/L降低到0.041 mg/L。综上，各处理单元中TP去除效果：P3处理单元效果较好，P2次之，P1较差。

分析原因：P1、P2处理单元中的水生植物能够通过同化作用去除水中的磷，植物利用根系溶解性吸收水中的磷酸盐营养物质来进行植物的生长和植物组织的合成；P3处理单元可使水中不溶解的磷通过聚磷菌分解成小分子、溶于水的物质，水生植物和生物填料为这些微生物提供了附着基质[12]，水中的磷主要通过这些细菌的协同作用，将有机不溶解的磷降解为无机溶解性的磷而被植物吸收去除。

(3)氨氮

根据进水和出水检测结果计算氨氮的去除率，并综合空白处理单元绘制不同处理单元氨氮浓度和去除率变化曲线，如图3所示。

图3 各处理单元氨氮的变化量和去除率Fig.3 Changes and Removal Rates of Ammonia Nitrogen in Each Treatment Unit

由图3可知，与空白处理单元相比，其他各处理单元中氨氮去除率均达到55%以上。其中：P3处理单元的去除率最高，达到65%，从0.738 mg/L降低到0.258 mg/L；P2处理单元的去除率次之，达到59%，从0.721 mg/L降低到0.296 mg/L；P1处理单元的去除率最低，为56.5%，从0.735 mg/L降低到0.316 mg/L；空白处理单元去除率为13.22%，从0.726 mg/L降低到0.630 mg/L。综上，各处理单元中氨氮去除效果：P3处理单元效果较好，P2次之，P1较差。

分析原因：P1处理单元鱼类摄食蓝藻降低水中营养盐含量，但是其排泄物又将营养盐带入水中[13]，水生植物可吸收水生动物排泄物中的氨氮；P2处理单元中增加了底栖生物，处理水生动物排泄物中的氨氮效果更好；P3处理单元中的生物填料为水中的硝化细菌和反硝化细菌提供了基质，硝化细菌和反硝化细菌又能去除含氮有机物中的氨氮，同时，水生植物和生物填料又能为这些微生物提供很好的庇护所[14]。

(4)CODMn

根据进水和出水检测结果计算CODMn的去除率，并综合空白处理单元绘制不同处理单元CODMn浓度和去除率变化曲线，如图4所示。

图4 各处理单元CODMn的变化量和去除率Fig.4 Changes and Removal Rates of CODMn in Each Treatment Units

由图4可知，与空白处理单元相比，其他各处理单元中CODMn去除率均达到45%以上。其中：P3处理单元的CODMn去除率较高，达到66.93%，从4.84 mg/L降低到1.60 mg/L；P2处理单元的去除率次之，达到60.86%，从4.68 mg/L降低到1.83 mg/L；P1处理单元的去除率较低，为58.27%，从4.79 mg/L降低到2.00 mg/L；空白处理单元去除率为13.05%，从4.75 mg/L降低到4.13 mg/L。综上，各处理单元中CODMn去除效果：P3处理单元效果较好，P2次之，P1较差。

分析原因：P1处理单元中鱼类吞噬水中的藻类、腐泥和悬浮性有机物，但其排泄物又会将有机物重新带入水中；P2处理单元中的底栖生物可以处理鱼类摄食藻类、腐泥形成的粪便；P3处理单元中水中的一些微生物起到分解者的作用，将有机物分解成简单的无机物，释放到环境中，供生产者再一次利用。

由试验数据分析结果可知，不同生物链组合对水体中的TN、TP、氨氮、CODMn、叶绿素a和藻类总数等水质指标有不同程度的去除效果，使水质得到不同程度的改善。生物链组合越完善，在水处理系统中起到缓解或控制水体富营养化的作用越好，P3生物链组合比P1、P2更完善，因此，其效果优于P1、P2。

2.2 水体生物指标分析

(1)藻类总数

根据试验水体中藻类总数检测结果计算其去除率，并综合空白处理单元绘制不同处理单元藻类总数和去除率变化曲线，如图5所示。

图5 各处理单元藻类总数的变化量和去除率Fig.5 Changes and Removal Rates of Total Algae in Each Treatment Unit

由图5可知，与空白处理单元相比，其他各处理单元中藻类总数去除率均达到40%以上。其中：P3处理单元的去除效果较好，去除率达到85.94%，从7 653.5万个/L降低到1 076.0万个/L；P2处理单元的去除效果次之，去除率达到82.59%，从7 689.0万个/L降低到1 338.5万个/L；P1处理单元的去除效果较低，去除率为78.35%，从7 535.0万个/L降低到1 631.0万个/L；空白处理单元去除率为35.11%，从7 518.5万个/L降低到4 879.0万个/L。试验结束时，P1～P3处理单元的藻类总数较P4(空白)处理单元均有不同程度的降低，分别下降了43.24%、47.48%、50.83%。综上，各处理单元中藻类总数去除效果：P3处理单元效果较好，P2次之，P1较差。

分析原因：P1、P2处理单元中，滤食性鱼类通过对藻类的摄食作用降低水中藻类整体含量，同时，水生植物通过植物化感作用和竞争作用抑制水中藻类的生长；P3处理单元中水中的微生物可以把藻类当成宿主细胞使其裂解死亡，且部分细菌胞外溶藻物质可快速作用于藻细胞[15]；P4处理单元中藻类总数减少原因可能是多方面的，如水库内水温随天气变化迅速，削弱了藻类的生存能力。

(2)叶绿素a

根据进水和定期检测结果计算叶绿素a的去除率，并综合空白处理单元绘制不同处理单元叶绿素a浓度和去除率变化曲线，如图6所示。

图6 各处理单元叶绿素a的变化量和去除率Fig.6 Changes and Removal Rates of Chlorophyll a in Each Treatment Unit

由图6可知，与空白处理单元相比，其他各处理单元中叶绿素a去除率均达到35%以上。其中：P3处理单元叶绿素a的去除率较高，达到89.52%，从33.6 mg/m3降低到3.5 mg/m3；P2处理单元的去除率次之，达到85.59%，从32.9 mg/m3降低到4.7 mg/m3；P1处理单元的去除率较低，为82.47%，从33.1 mg/m3降低到5.8 mg/m3；空白处理单元去除率为47.10%，从32.8 mg/m3降低到17.4 mg/m3。P1～P3处理单元的叶绿素a浓度较P4(空白)处理单元也均有不同程度的降低，表明了藻类数量的减少。综上，各处理单元中叶绿素a去除效果：P3处理单元效果较好，P2次之，P1较差。

分析原因：P1处理单元中，滤食性鱼类可以通过滤食直接去除水体中的大型藻类，另外水生植物和藻类同属于初级生产者，两者对水中所需的因素起到竞争作用，抑制藻类生长；P2处理单元中，底栖生物能够处理粪便中的营养盐，抑制了藻类的生长；P3处理单元中，生物填料具有较高的比表面积，为叶绿素a在生物填料孔隙内的扩散和吸附提供了活性位[16]。

3 结论

(1)3种生物链组合和空白对照组相比，对富营养化水体的修复都有良好的效果，P3(鲢鳙鱼+美人蕉+底栖生物+生物填料)的小型生态系统对富营养化水体中的TN、TP、氨氮、CODMn、叶绿素a和藻类总数等水质指标的去除效果，优于P1(鲢鳙鱼+美人蕉)和P2(鲢鳙鱼+美人蕉+底栖生物)。根据目标水环境状况，生物链组合越完善，对水体理化指标的调节和藻类的控制效果越好。

(2)简单的生物链组合对水体的处理效果往往很难达到预期的效果，所以需要结合其他水生生物对受污染的水源进行修复。根据目标水环境状况，通过投加沉水植物使水体达到清水稳态状；放养一定的滤食性鱼类和适量食草性鱼类，限制浮游植物和藻类的生长；投加一定的底栖生物处理鱼类产生的粪便，从而减少水体中的营养盐含量，抑制藻类的再次生长；添加生物填料，为溶藻微生物提供栖息场所。