半封闭水体水绵污染治理效果及其机理

林瑞峰，白文荣，程子龙，王春艳，欧伟杰

(1.北京市北运河管理处，北京 101125；2.北京联合智业科技集团股份有限公司，北京 100012)

水体富营养化是水体中N、P等营养盐含量过多导致浮游植物等自养型生物过度生长，其中最为突出的就是大量的浮游藻类滋生，严重破坏水体生态环境[1]。在相对清洁的富营养化水体中更普遍发生的是水绵爆发问题，水绵是常见的真核生物，在水中呈片状或团状，摸起来手感黏滑。春季，水绵在水下生活，当阳光充足、天气温暖时，它们便进行光合作用产生大量氧气泡，出现在缠结的细丝间[2-3]，从而导致大面积水绵漂浮到水体表面造成黑臭的感官。然而目前针对水绵类富营养化的应急处置工程开展较少，对水绵治理过程中水质演变机制尚不清楚。为提高水绵应对能力，亟需在环境应急处置实践中开展系统性监测和过程分析。

镜河地处北京城市副中心，为副中心办公区主要景观带，为周边环境营造了水清、岸绿、人水和谐的休闲环境[4]。特别是近年来，政府对京杭大运河文化高度重视，遗迹保护、水生态环境建设成为副中心建设的一项重要工作。本研究于2019年3月1日进行现场踏勘，观察到河道底部生长有绿色和黑褐色水绵，同时受温度、光照、气压等影响，一部分水绵已漂浮在水面上，影响水体表观。为全面了解水绵治理过程中水质变化规律及污染物形态的演变机制，本研究以镜河半封闭型水体为例，研究水绵污染事件处置过程中水环境质量及其溶解性有机质的变化，探明污染物迁移归趋规律，为有效地进行水环境改善、防治水绵再次爆发提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

镜河规划设计全长3.5km，目前已建成河道长度约2.4km，河道范围80～200m，水面宽度20～156m，水深1.5～2m，设计正常蓄水位18m，最高蓄水位20m，规划设计调蓄库容55万m3，河底采用1.2m黏土防渗。镜河走向基本为南北方向，而后沿“西北-东南”方向入北运河。排涝循环泵站位于现状镜湖末端，北运河左岸，为引水式泵站，当镜河发生大于20年一遇雨水时，将雨水强排至北运河。

据现场勘察，镜河水域内均有分布水绵，镜河水体主要以污水处理厂中水为水源，透明度高，偏碱性，总氮浓度高，适宜水绵繁殖。水温约10～15℃，水绵最适宜温度约20～30℃，随着气温上升可能发生更大强度的生长，本研究于2019年3月1日进行现场踏勘，观察到河道底部生长有绿色和黑褐色水绵，同时受温度、光照、气压等影响，光合作用活跃，释放氧气充分，水绵即浮于水面。

1.2 工程实施方案

一般化学、物理方法用于抑制藻类生长时，不易控制、成本较高且易破坏生态[5]。生物控藻方法一般包括生物制剂方法、水生植物控藻[6]。针对现状情况，设计采取2种手段进行处理：一方面针对河底的水绵，投洒颗粒生物制剂(水绵杀1号)，颗粒态易沉降，用于治理河底水绵，抑制水绵上浮；另一方面针对水面漂浮的水绵，投撒液体生物制剂(水绵杀2号)治理。“水绵杀”的主要成分是表面活性剂、生物酶等，制剂投入水中后缓慢向水体中释放活性剂，有效阻断水绵细胞壁转移蛋白对养分的运输，使水绵快速衰亡，同时水绵在生物酶的作用下逐步被分解[7]，生物制剂投加方案见表1。本研究将整个治理期划分为治理前期(2019年3月8—12日)、治理中期(2019年3月13—18日)和治理后期(2019年3月19—24日)。自2019年3月8—24日治理期间每天采样1次。

表1 生物制剂投加方案

1.3 样品与方法

1.3.1样品采集

图1 采样点图

1.3.2实验方法

DO由手持式水质检测仪(YSI6600v2)现场测定，采集的表层、底层水样分别储存在有冰袋的样品箱送至实验室在24h内测定其它指标。

Chl-a测定：依据HJ 897—2017《水质 叶绿素a的测定 分光光度法》标准进行测定。

TN测定：由碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定。

TP测定：由钼酸铵分光光度计法测定。

CODCr测定：采用重铬酸钾法测定。

BOD5测定：依据HJ 505—2009《水质五日生化需氧量(BOD5)的测定稀释与接种法》标准的方法测定。

三维荧光光谱测定荧光溶解有机物(FDOM)组分百分比：利用荧光光谱仪(HitachiF-7000，Tokyo，Japan)。测定参数如下：Ex和Em波长的狭缝宽度分别为5、10nm；Ex波长范围为200～550nm且Ex和Em间波长间隔恒定为30nm；扫描速度为240nm·min-1，石英比色皿池长为1cm，荧光峰强度的单位定义为a.u.。

总有机碳(TOC)测定：将沉积物样品取适量放入烧杯中，加入适量浓度为1mol/L的稀盐酸反应24h，除去碳酸盐。然后反复用蒸馏水冲洗样品至pH值为中性，而后将样品烘干、研磨、100目过筛，取1g左右，用元素分析仪测定总有机碳含量[8]。

1.3.3分析方法

(1)单因子水质标识指数

水质指数法能给出对河流水质最直观的反映，前人的研究开创和发展了许多针对其研究区的水质指数，且取得了良好的效果。单因子水质标识指数法是国内常用地表水水环境评价方法[9]。单因子水质标识指数Pi由整数位和2位小数组成，表达形式为：

Pi=X1.X2X3

(1)

式中，X1—水质类别(按照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》划定)；X2—监测数据在X1类水标准上限值与下限值变化区间中所处的位置；X3—水质类别与功能区区划设定类别的比较结果[10]。

本研究中将镜湖水质标准设为Ⅲ类水标准。

(2)三维荧光光谱

三维荧光光谱结合荧光区域积分法(EEM-FRI)是一种用于整合EEM区域的定量分析技术，可对多组分体系中荧光光谱的重叠对象进行光谱识别和表征。EEM-FRI技术可为水生态系统环境荧光溶解有机质(FDOM)动态提供详细信息[11]。基于EEM-FRI原理，将所有采集水样的EEM划分为5个区域(标记为区域Ⅰ—Ⅴ)。区域Ⅰ和Ⅱ为类酪氨酸物质，区域Ⅲ为类富里酸物质，区域Ⅳ为类色氨酸物质以及区域Ⅴ为类腐殖酸物质[12]，且每个区域的荧光响应百分比(Pi，n)可以表示为：

i=I-V

(2)

式中，φi，n、φt，n—EEM中区域i和总区域t的区域体积；MFi—每个区域的倍增系数；I(λExλEm)—每个Ex/Em波长处的荧光强度；ΔλEx、ΔλEm—Ex和Em之间间隔。利用MATLAB 2009和Origin 8.5软件进行FRI分析。

2 结果与讨论

2.1 治理过程中水质变化

图2 治理期间各单因子水质标识指数的变化

经过投加生物制剂治理后，镜河综合营养状态指数逐渐降低，说明生物治理对于镜河水体富营养化状态有一定改善的效果。

2.2 溶解性有机质结构演变与归趋

根据各采样点的5个区域的Pi，n值，湖口和湖心水样中各物质含量次序均为类腐殖酸>类色氨酸>类酪氨酸>类富里酸物质，镜河水体中溶解性有机质以类腐殖酸物质为主，如图3所示。治理中期湖口底层水体类蛋白物质含量较低，表层水体类蛋白物质含量较高；治理后期湖口水样类蛋白物质含量均较高。镜河湖口表层水样与底层水样相比，具有更多的类酪氨酸物质和相对较少的类色氨酸和类腐殖酸物质。而湖心表层与底层水样相比，具有较少的类酪氨酸和类富里酸物质和较多的类腐殖酸物质。湖心岛表层和底层水样治理中期类蛋白物质显著升高，但在治理后期逐渐下降。区域Ⅱ的类酪氨酸组分镜湖水体中含量最高的类蛋白组分，治理过程中在湖心岛底层水体中大量的富集，富集程度远远超过表层水体，表明水绵内源的污染物正在伴随沉降过程归趋到沉积物中。

图3 水体有机质荧光组分分布

水绵通过细胞内叶绿体进行光合作用，从而维持其生存和繁衍。生物制剂与水绵细胞直接接触，透过细胞壁和细胞膜进入细胞内破坏其细胞质和细胞核，导致细胞变异和破损，干扰叶绿素的合成途径，抑制其光合作用和呼吸作用，因此叶绿素a的含量可一定程度上代表水绵生物量。治理工程中期叶绿素a含量显著下降，表明生物制剂可以限制水绵的生长，同时镜河氨氮浓度均有明显的升高趋势，如图4所示，伴随着三维荧光光谱揭示了水中溶解性蛋白组分显著提升，这说明治理措施促使水绵大量死亡，残体分解过程释放出大量的蛋白质，同时短时间内缺少利用氮、磷元素的生物，导致使总磷和氨氮浓度升高。治理工程后期，水绵生物量进一步下降，说明水绵繁殖受到了有效控制；且镜河氨氮浓度和类蛋白组分恢复到初期阶段，说明治理措施引发的氨氮上升是治理过程的阶段性问题，会自然恢复。

图4 湖心水样荧光光谱图

沉积物中的总有机碳在治理全过程中逐渐增加，如图5所示，阐明了水体污染物的归宿在沉积物中。上述结果表明，水绵治理措施有效地杀灭了水绵生物体，释放出植物蛋白组分。不过较多的类蛋白物质含量可能会导致次生危害，治理过程中应减少对底泥的扰动，采取适当稳定化措施，消除再次爆发的风险。

图5 治理过程中水和底泥环境质量变化

2.3 工程实施效果分析讨论

本文针对镜河随着季节变化、温度提升、水绵大面积爆发、严重影响正常水生态环境和景观需求的问题，依据镜河水环境现状，制定了水绵治理方案，通过比选当前国内外典型、成熟的水绵防治技术，设计投撒生物制剂治理措施，对镜河水绵和水环境进行了治理。制剂投入水中后缓慢向水体中释放活性剂，有效阻断水绵细胞壁转移蛋白对养分的运输，使水绵快速衰亡，同时水绵在生物酶的作用下逐步被分解。实验结果表明，生物治理方法效果比较显著，镜河水生态环境质量不断改善。

不同配比生物制剂可以有针对性地去除不同污染物[15]，采用生物制剂处理水绵问题时，可根据实际情况进行药剂浓度选择，尽量避免其他植物，均匀抛撒。施药后光照强度对防效有影响，因此要选择晴天施药。“水绵杀”主要成分为表面活性剂、生物酶等，不会对镜河水体造成二次污染。

3 结论

(1)生物治理对于镜河的水质和水体富营养化状态均有改善的效果，其中镜河水体的综合水质标识指数平均值在治理前期为Ⅳ类水，在治理后期达到Ⅲ类水标准；经过投加生物制剂治理后，镜河综合营养状态指数逐渐降低，水体为中营养湖泊。

(2)生物治理技术对水绵爆发的处置过程会导致阶段性氨氮和总磷的升高，这是由集中灭杀水绵引起的生物残体释放引起的，在进一步处置过程中可以恢复，不会造成持续环境危害。

(3)水质改善的同时沉积物中的有机质含量有显著的提高，水体污染物的最终归宿在水体沉积物，为了避免水绵再次爆发风险需要采取更精准的生态控制措施。