毋海燕

(上海同濟環(huán)境工程科技有限公司，上海 200092)

水庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)水環(huán)境要素的重要組成部分，在區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設中舉足輕重，但隨著城市化的進展和河道水系的污染，我國水庫的富營養(yǎng)化程度也越來越嚴重。根據(jù)《中國環(huán)境狀況公報》[1]，目前我國28個國控重點湖(庫)中，滿足II類水質(zhì)的2個，占7.1%；Ⅲ類的6個，占21.4%；IV類的4個，占14.3%；V類的5個，占17.9%；劣V類的11個，占39.3%。在監(jiān)測的26個湖(庫)中，重度富營養(yǎng)的2個，占7.7%；中度富營養(yǎng)的3個，占11.5%；輕度富營養(yǎng)的9個，占34.6%。根據(jù)水利部中國水資源公報[2]，目前TN為我國水庫主要超標項目之一。我國華東地區(qū)某市具有不同類型水庫200余個，目前水質(zhì)均呈現(xiàn)不均衡的富營養(yǎng)化狀態(tài)，氮污染問題十分突出[3]。對于湖庫型水體，防治富營養(yǎng)化是普遍面臨的突出問題[4]，尤其是對TN的控制。

研究表明，汛期降雨引起的地表徑流中的大量氮污染物會隨地表徑流向水體遷移進入水庫[5-6]，因此控制其排入水體是控制水庫TN的關鍵因素之一[7]。除了降雨給水庫帶來外源性氮污染物外，水庫水體中的微生物活動受氣溫影響也會影響氮污染物的濃度。而且，水庫中水質(zhì)在水溫變化時，會呈現(xiàn)季節(jié)性熱分層現(xiàn)象[8-10]，此時，水庫水溫、pH、溶解氧(DO)濃度等因分層會出現(xiàn)垂向差異[11-13]。盧俊平等[12]對水庫富營養(yǎng)化的研究表明，TN變化主要受溫度影響，與DO含量基本無關；TN濃度沿水深出現(xiàn)分層現(xiàn)象，表層和底層水體氮磷濃度高于中層水體，且TN在庫底沉積物表層大量富集[14-15]。

魏嵐等[15]研究發(fā)現(xiàn)，除了溫度、DO、pH以及水體擾動等因素，底泥自身性質(zhì)也影響著氮釋放。因此，了解水庫季節(jié)分層相關理化特征及沉積物本身性質(zhì)對控制水庫TN具有重要意義。另外暴雨徑流會破壞水庫水體自然分層，增加內(nèi)源污染的風險[8]，也需格外關注。

因此，本研究通過外置式生物反應器在水庫現(xiàn)場開展試驗，了解水庫水生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律的同時，考察外置式生物反應器對水庫原水中TN的去除效果，在此基礎上分析影響TN控制的關鍵因素，并闡明水庫自然分層對TN去除的重要性以及水庫水質(zhì)的季節(jié)變化規(guī)律。最后，通過底泥擾動對水庫TN去除的研究，了解底泥擾動對控制水庫TN的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗系統(tǒng)及機理

1.1.1 試驗系統(tǒng)

本試驗采用一個天然生物循環(huán)反應系統(tǒng)-外置式生物反應器系統(tǒng)，主要由反應器進出水管路系統(tǒng)(圖1)、外置式生物反應器(圖2)以及水庫Ⅰ組成。

圖1 外置式生物反應器系統(tǒng)Fig.1 System of External Bioreactor

圖2 外置式生物反應器Fig.2 Diagram of External Bioreactor

試驗水庫位于低洼地，外置式生物反應器安裝于水庫Ⅰ岸邊，其進水口從水庫表層取水，再經(jīng)過外置式生物反應器將水通過配水軟管及布水管排入水庫底層。

1.1.2 試驗裝置作用機理

本系統(tǒng)主要通過小環(huán)境內(nèi)循環(huán)生態(tài)法激活并強化水體中的本土微生物——反硝化菌群，用水體本身代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生物反應器，重組、完善和優(yōu)化水體微生物生態(tài)系統(tǒng)。同時，通過不斷循環(huán)水，增強反硝化菌的脫氮能力，從而實現(xiàn)原位控制TN的目的。本試驗過程無需接種污泥，試驗裝置作用機制如圖3所示。

圖3 外置式生物反應器作用機制Fig.3 Mechanism of External Bioreactor

1.2 試驗水庫概況及水質(zhì)

1.2.1 試驗水庫概況

試驗水庫Ⅰ滿水時占地面積為3萬m2，水面基本呈三角形分布，滿水時最大水深約10 m；平時水庫占地面積約2萬m2，水庫水深約9 m，庫容高峰時約21萬m3，平時約15萬m3。

水庫Ⅱ位于水庫Ⅰ的下游，與水庫Ⅰ為同一水系，均為具備典型水質(zhì)污染特征的水源地。

1.2.2 試驗水庫原水水質(zhì)分析

表1 試驗水庫原水水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)

1.3 樣品采集及檢測方法

1.3.1 水庫現(xiàn)場概況及采樣點

水庫現(xiàn)場概況如圖4所示。

圖4 水庫Ⅰ現(xiàn)場概況Fig.4 On-Site Overview of ReservoirⅠ

由圖1、圖4可知，水庫Ⅰ現(xiàn)場安裝4套外置式生物反應系統(tǒng)，通過軟管連接每套外置式生物反應器的進水和出水，每套系統(tǒng)具有1個進水口，2個出水口，4套系統(tǒng)共計4個進水口，4條纜繩，8個出水口(系統(tǒng)進出水流量均為200 mL/h)。沿纜繩軟管下方連接不銹鋼配重管，即通過不銹鋼管自重使布水繩索固定、不被風帶走，從而保證布水點位置不移動，并保證出水口在水庫底部。

樣品采集點為沿著纜繩出水垂直管水深方向不同深度取水樣，取樣深度約為0.5、2、4、6、8 m等。

1.3.2 樣品檢測及試驗方法

2 結果與討論

2.1 外置式生物反應器對水庫TN的控制

TN控制外置式生物反應器經(jīng)安裝和調(diào)試，系統(tǒng)穩(wěn)定運行后20 d，試驗水質(zhì)隨時間變化如圖5所示。

圖5 TN控制試驗中水質(zhì)隨時間變化Fig.5 Variation of Water Quality with Reaction Time in Test of TN Control

2.2 外界環(huán)境變化對水庫TN控制的影響

圖6 臺風前后水庫TN和隨時間變化趨勢圖Fig.6 Trend of TN and with Operation Time in ReservoirⅠbefore and after Typhoon

為進一步探究臺風帶來的大量降雨對水庫氮素的影響，對水庫Ⅰ水面降雨及地表徑流中氮素濃度進行了檢測，檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 水庫Ⅰ水面降雨與地表徑流氮素數(shù)據(jù)

由表2可知，相較于垂直降水，地表徑流中TN濃度較高，是水庫水體TN污染的主要來源。

綜上所述，臺風后該系統(tǒng)對TN控制效果明顯下降，主要原因為臺風引起的大量地表徑流使水庫TN濃度急劇上升；同時，水庫庫底排水可能破壞了水庫水質(zhì)的自然分層狀態(tài)；另外，溫度降低引起微生物活性降低也可能是原因之一。

2.3 水庫底部排水對水庫水質(zhì)分層狀態(tài)及TN控制的影響

為進一步確認水庫底部排水對水庫水質(zhì)分層狀態(tài)及TN控制的影響，對經(jīng)過底部排水后的水庫Ⅰ進行分層采樣，分層采樣及檢測數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 水庫底部排水后分層采樣數(shù)據(jù)變化圖Fig.7 Variation of Indexes by Stratified Sampling Collection after Drainage from the Bottom of Reservoir

為證實水庫水質(zhì)自然分層狀態(tài)破壞的主要原因是水庫庫底排水，作為對比，對水庫Ⅱ(與水庫Ⅰ有相同的水質(zhì)及外部環(huán)境，受臺風影響但未進行底部排水)進行了分層采樣數(shù)據(jù)分析，如圖8所示。

圖8 水庫Ⅱ檢測數(shù)據(jù)隨水深的變化Fig.8 Variation of Data with Water Depth in Reservoir Ⅱ

2.4 水庫庫底排水對底泥的擾動及水庫TN控制的影響

為了迅速恢復水庫中的缺氧環(huán)境，提升TN去除效果，研究底泥擾動對水庫TN控制的影響，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 泥水混合水樣檢測數(shù)據(jù)

3 結論

采用外置式生物反應器系統(tǒng)對水庫中的TN進行原位控制，并對內(nèi)外部影響因素進行了分析，主要結論如下。

(1)在水庫水質(zhì)自然分層狀態(tài)下，外置式生物反應器系統(tǒng)在水溫適宜時運行20 d后，水庫中TN去除率可達50%以上，TN從地表Ⅴ類水標準提升到Ⅲ類水標準，治理時間短、見效快、穩(wěn)定性好。

(2)系統(tǒng)TN去除效果下降的主要原因為地表徑流對水庫TN的輸入，同時水庫庫底人為排水導致水質(zhì)分層狀態(tài)消失，造成脫氮環(huán)境破環(huán)；低溫時微生物活性降低也是原因之一；底泥的擾動也不利于TN控制。

(3)我國華東等四季分明的地區(qū)，水庫屬于單季完全或不完全混合型，在春夏交接季直至秋末冬初，水庫保持分層狀態(tài)，此后分層狀態(tài)逐漸減弱甚至消失，呈現(xiàn)完全或不完全混合，水庫水質(zhì)趨于均勻。水質(zhì)完全混合期不利于TN的控制。

(4)系統(tǒng)實際運行中，為保證TN去除效果，應避免從水庫底部排水或在水體水質(zhì)分層未消失之前，使TN控制達到預期效果。