不同生物鏈組合對黃河下游地區引黃水庫富營養化及藻類控制

李佳岷，張克峰,*，陳永峰，李 梅，任 杰，顧學林

(1.山東建筑大學市政與環境工程學院，山東濟南 250101；2.山東勝利水務有限責任公司，山東東營 257000)

為了解決我國水資源短缺的問題，黃河下游地區建設了大量引黃平原水庫，黃河水為干旱、半干旱地區提供了豐富的水資源。但人類的生產和生活使含氮含磷廢水不斷排入黃河，水體的自我調節和凈化能力遭到嚴重破壞，水中藻類微生物獲得大量營養物質，大量氮磷的積累和藻類的滋長導致黃河水水質富營養化嚴重[1]。黃河下游水庫長期在富營養化狀態下運行，影響了飲用水安全[2]。因此，控制和治理水庫水體富營養化成為亟待解決的難題。

當前的主要治理舉措有化學法、物理法、生物法[3-4]。化學法主要應用于水廠和水源地，其處理效果見效快且操作簡單，但是極易引起二次污染。物理法主要有曝氣、過濾和吸附等，可以為水體提供自凈能力，減少藻類數量，但是無法從根本上解決水體富營養化等問題。與物理法和化學法相比，生物法具有無二次污染、處理能力大、凈化效果好等優點，但是由于新安水庫復雜的水環境特點，簡單的生物修復技術很難達到預期的效果。因此，原位復合生物修復技術應運而生，通過投放水生植物、水生動物及底棲生物組合而形成較完善的生物鏈，同時，不同生物法的結合能夠形成合理有效的生物操縱體系[5]，最終可形成穩定的水生態系統[6-7]，進而抑制藻類的滋長和治理水體富營養化現象。

本研究在東營市勝利油田新安水庫進行，研究不同生物鏈組合對新安水庫水體營養鹽類指標的去除率和水體凈化效果，以期為黃河下游地區引黃平原水庫富營養化和藻類控制提供支持。

1 試驗方法和材料

1.1 試驗方法

本次試驗共設置4個處理單元：試驗組P1、P2、P3和空白組P4。通過前期預試驗，植物覆蓋率選擇45%，以鰱鳙魚為3∶1投放80 g/m3的魚苗。當植物覆蓋率達到60%時，由于水生植物凋亡分解產生氮、磷，水中的TN、TP含量反而升高，且過高的植物覆蓋率占據水生動物的生存空間，造成魚類死亡。檢測藻類指標時發現，植物覆蓋率為30%時的藻類數量和種屬高于植物覆蓋率為45%時。綜合考慮，選擇45%的植物覆蓋率較合適。當投放鰱鳙魚苗為3∶1、4∶1、5∶1及40、80、120 g/m3，均可降低和控制藻類數量，但考慮到水庫1 500萬m3的庫存，若分別按40、80、120 g/m3投放魚苗，投放量分別達到600、1 200、1 800 t。因此，綜合考慮水質處理效果和經濟性，選擇植物覆蓋率為45%，以鰱鳙魚為3∶1投放80 g/m3的魚苗(表1)。

表1 不同生物鏈及其組合試驗方法Tab.1 Test Methods for Different Biological Chains and Combinations

1.2 試驗材料

試驗中的原水來自東營市新安水庫出水口，于2017年9月15日開始準備工作，到11月22日完成收尾工作，共計67 d。試驗選擇4個300 L塑料桶，每個塑料桶中引入新安水庫出水口原水250 L，分別根據P1、P2、P3、P4生物鏈組合加入水生生物。鰱鳙魚苗來自當地漁場，每組塑料桶放20 g魚苗，其中鰱魚15 g、鳙魚5 g；美人蕉來自花卉市場，平均株高約為31 cm，平均生物量約為76.37 g，底棲生物為2只河蚌、75 g田螺和50 g蝦苗；生物填料材質采用比重相同的聚丙烯。3組試驗組控制比例、密度、植物覆蓋率等因素不變，通過改變生物鏈組合來探究不同生物鏈組合對水體富營養化和藻類控制的影響。P2采用鰱鳙魚+美人蕉+底棲生物的組合，與P1相比增加了底棲生物，可以處理鰱鳙魚攝食藻類形成的糞便，生態系統更加完善；P3采用鰱鳙魚+美人蕉+底棲生物+生物填料的組合，與P2相比增加了生物填料，為微生物生長繁殖提供了空間，提高了水質處理能力；P4為空白組，起到與其他3組試驗的對照作用。

1.3 指標選擇和檢測

從2019年9月17日開始，每隔7 d分析水質指標DO、TN、TP、氨氮、CODMn、葉綠素a[8]、藻類總數等指標，直到2019年11月20日進行最后一次各處理單元指標檢測。水質指標檢測方法如表2所示。

表2 檢測指標及測定方法Tab.2 Test Indices and Determination Methods

2 結果與討論

2.1 水體富營養化指標控制分析

(1)TN

根據進水和出水檢測結果計算TN的去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元TN濃度和去除率變化曲線，如圖1所示。

圖1 各處理單元TN的變化量和去除率Fig.1 Changes and Removal Rates of TN in Each Treatment Unit

由圖1可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中TN去除率均達到60%以上。其中：P3處理單元的去除率較高，達到89.41%，從1.93 mg/L降低到0.204 mg/L；P2處理單元的去除率次之，達到88.15%，從1.76 mg/L降低到0.21 mg/L；P1處理單元的去除率較低，為80.19%，從1.85 mg/L降低到0.366 mg/L；空白處理單元去除率為18.18%，從1.87 mg/L降低到1.53 mg/L。綜上，各處理單元中TN去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1處理單元中水體中的氮可以通過水生生物捕食作用及其同化吸收，以及通過水生植物的收獲和死亡等沉積過程脫離水體的營養循環；P2處理單元中的底棲生物能夠處理魚類糞便，減少其中的氮進入水體；P3處理單元中的水生植物和生物填料為微生物提供了附著的基質和庇護所，微生物中含有除氮的細菌，這是除氮的另一種途徑[9-11]。

(2)TP

根據進水和出水檢測結果計算TP的去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元TP濃度和去除率變化曲線，如圖2所示。

圖2 各處理單元TP的變化量和去除率Fig.2 Changes and Removal Rates of TP in Each Treatment Unit

由圖2可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中TP去除率均達到60%以上。其中：P3處理單元的去除率最高，為90.24%，從0.068 mg/L降低到0.007 mg/L；P2處理單元的去除率次之，為89.77%，從0.053 mg/L降低到0.005 mg/L；P1處理單元的去除率最低，為87.32%，從0.062 mg/L降低到0.008 mg/L；空白處理單元去除率為23.21%，從0.056 mg/L降低到0.041 mg/L。綜上，各處理單元中TP去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1、P2處理單元中的水生植物能夠通過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鹽營養物質來進行植物的生長和植物組織的合成；P3處理單元可使水中不溶解的磷通過聚磷菌分解成小分子、溶于水的物質，水生植物和生物填料為這些微生物提供了附著基質[12]，水中的磷主要通過這些細菌的協同作用，將有機不溶解的磷降解為無機溶解性的磷而被植物吸收去除。

(3)氨氮

根據進水和出水檢測結果計算氨氮的去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元氨氮濃度和去除率變化曲線，如圖3所示。

圖3 各處理單元氨氮的變化量和去除率Fig.3 Changes and Removal Rates of Ammonia Nitrogen in Each Treatment Unit

由圖3可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中氨氮去除率均達到55%以上。其中：P3處理單元的去除率最高，達到65%，從0.738 mg/L降低到0.258 mg/L；P2處理單元的去除率次之，達到59%，從0.721 mg/L降低到0.296 mg/L；P1處理單元的去除率最低，為56.5%，從0.735 mg/L降低到0.316 mg/L；空白處理單元去除率為13.22%，從0.726 mg/L降低到0.630 mg/L。綜上，各處理單元中氨氮去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1處理單元魚類攝食藍藻降低水中營養鹽含量，但是其排泄物又將營養鹽帶入水中[13]，水生植物可吸收水生動物排泄物中的氨氮；P2處理單元中增加了底棲生物，處理水生動物排泄物中的氨氮效果更好；P3處理單元中的生物填料為水中的硝化細菌和反硝化細菌提供了基質，硝化細菌和反硝化細菌又能去除含氮有機物中的氨氮，同時，水生植物和生物填料又能為這些微生物提供很好的庇護所[14]。

(4)CODMn

根據進水和出水檢測結果計算CODMn的去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元CODMn濃度和去除率變化曲線，如圖4所示。

圖4 各處理單元CODMn的變化量和去除率Fig.4 Changes and Removal Rates of CODMn in Each Treatment Units

由圖4可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中CODMn去除率均達到45%以上。其中：P3處理單元的CODMn去除率較高，達到66.93%，從4.84 mg/L降低到1.60 mg/L；P2處理單元的去除率次之，達到60.86%，從4.68 mg/L降低到1.83 mg/L；P1處理單元的去除率較低，為58.27%，從4.79 mg/L降低到2.00 mg/L；空白處理單元去除率為13.05%，從4.75 mg/L降低到4.13 mg/L。綜上，各處理單元中CODMn去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1處理單元中魚類吞噬水中的藻類、腐泥和懸浮性有機物，但其排泄物又會將有機物重新帶入水中；P2處理單元中的底棲生物可以處理魚類攝食藻類、腐泥形成的糞便；P3處理單元中水中的一些微生物起到分解者的作用，將有機物分解成簡單的無機物，釋放到環境中，供生產者再一次利用。

由試驗數據分析結果可知，不同生物鏈組合對水體中的TN、TP、氨氮、CODMn、葉綠素a和藻類總數等水質指標有不同程度的去除效果，使水質得到不同程度的改善。生物鏈組合越完善，在水處理系統中起到緩解或控制水體富營養化的作用越好，P3生物鏈組合比P1、P2更完善，因此，其效果優于P1、P2。

2.2 水體生物指標分析

(1)藻類總數

根據試驗水體中藻類總數檢測結果計算其去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元藻類總數和去除率變化曲線，如圖5所示。

圖5 各處理單元藻類總數的變化量和去除率Fig.5 Changes and Removal Rates of Total Algae in Each Treatment Unit

由圖5可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中藻類總數去除率均達到40%以上。其中：P3處理單元的去除效果較好，去除率達到85.94%，從7 653.5萬個/L降低到1 076.0萬個/L；P2處理單元的去除效果次之，去除率達到82.59%，從7 689.0萬個/L降低到1 338.5萬個/L；P1處理單元的去除效果較低，去除率為78.35%，從7 535.0萬個/L降低到1 631.0萬個/L；空白處理單元去除率為35.11%，從7 518.5萬個/L降低到4 879.0萬個/L。試驗結束時，P1～P3處理單元的藻類總數較P4(空白)處理單元均有不同程度的降低，分別下降了43.24%、47.48%、50.83%。綜上，各處理單元中藻類總數去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1、P2處理單元中，濾食性魚類通過對藻類的攝食作用降低水中藻類整體含量，同時，水生植物通過植物化感作用和競爭作用抑制水中藻類的生長；P3處理單元中水中的微生物可以把藻類當成宿主細胞使其裂解死亡，且部分細菌胞外溶藻物質可快速作用于藻細胞[15]；P4處理單元中藻類總數減少原因可能是多方面的，如水庫內水溫隨天氣變化迅速，削弱了藻類的生存能力。

(2)葉綠素a

根據進水和定期檢測結果計算葉綠素a的去除率，并綜合空白處理單元繪制不同處理單元葉綠素a濃度和去除率變化曲線，如圖6所示。

圖6 各處理單元葉綠素a的變化量和去除率Fig.6 Changes and Removal Rates of Chlorophyll a in Each Treatment Unit

由圖6可知，與空白處理單元相比，其他各處理單元中葉綠素a去除率均達到35%以上。其中：P3處理單元葉綠素a的去除率較高，達到89.52%，從33.6 mg/m3降低到3.5 mg/m3；P2處理單元的去除率次之，達到85.59%，從32.9 mg/m3降低到4.7 mg/m3；P1處理單元的去除率較低，為82.47%，從33.1 mg/m3降低到5.8 mg/m3；空白處理單元去除率為47.10%，從32.8 mg/m3降低到17.4 mg/m3。P1～P3處理單元的葉綠素a濃度較P4(空白)處理單元也均有不同程度的降低，表明了藻類數量的減少。綜上，各處理單元中葉綠素a去除效果：P3處理單元效果較好，P2次之，P1較差。

分析原因：P1處理單元中，濾食性魚類可以通過濾食直接去除水體中的大型藻類，另外水生植物和藻類同屬于初級生產者，兩者對水中所需的因素起到競爭作用，抑制藻類生長；P2處理單元中，底棲生物能夠處理糞便中的營養鹽，抑制了藻類的生長；P3處理單元中，生物填料具有較高的比表面積，為葉綠素a在生物填料孔隙內的擴散和吸附提供了活性位[16]。

3 結論

(1)3種生物鏈組合和空白對照組相比，對富營養化水體的修復都有良好的效果，P3(鰱鳙魚+美人蕉+底棲生物+生物填料)的小型生態系統對富營養化水體中的TN、TP、氨氮、CODMn、葉綠素a和藻類總數等水質指標的去除效果，優于P1(鰱鳙魚+美人蕉)和P2(鰱鳙魚+美人蕉+底棲生物)。根據目標水環境狀況，生物鏈組合越完善，對水體理化指標的調節和藻類的控制效果越好。

(2)簡單的生物鏈組合對水體的處理效果往往很難達到預期的效果，所以需要結合其他水生生物對受污染的水源進行修復。根據目標水環境狀況，通過投加沉水植物使水體達到清水穩態狀；放養一定的濾食性魚類和適量食草性魚類，限制浮游植物和藻類的生長；投加一定的底棲生物處理魚類產生的糞便，從而減少水體中的營養鹽含量，抑制藻類的再次生長；添加生物填料，為溶藻微生物提供棲息場所。