林瑞峰，白文榮，程子龍，王春艷，歐偉杰

(1.北京市北運河管理處，北京 101125；2.北京聯(lián)合智業(yè)科技集團股份有限公司，北京 100012)

水體富營養(yǎng)化是水體中N、P等營養(yǎng)鹽含量過多導致浮游植物等自養(yǎng)型生物過度生長，其中最為突出的就是大量的浮游藻類滋生，嚴重破壞水體生態(tài)環(huán)境[1]。在相對清潔的富營養(yǎng)化水體中更普遍發(fā)生的是水綿爆發(fā)問題，水綿是常見的真核生物，在水中呈片狀或團狀，摸起來手感黏滑。春季，水綿在水下生活，當陽光充足、天氣溫暖時，它們便進行光合作用產(chǎn)生大量氧氣泡，出現(xiàn)在纏結(jié)的細絲間[2-3]，從而導致大面積水綿漂浮到水體表面造成黑臭的感官。然而目前針對水綿類富營養(yǎng)化的應急處置工程開展較少，對水綿治理過程中水質(zhì)演變機制尚不清楚。為提高水綿應對能力，亟需在環(huán)境應急處置實踐中開展系統(tǒng)性監(jiān)測和過程分析。

鏡河地處北京城市副中心，為副中心辦公區(qū)主要景觀帶，為周邊環(huán)境營造了水清、岸綠、人水和諧的休閑環(huán)境[4]。特別是近年來，政府對京杭大運河文化高度重視，遺跡保護、水生態(tài)環(huán)境建設(shè)成為副中心建設(shè)的一項重要工作。本研究于2019年3月1日進行現(xiàn)場踏勘，觀察到河道底部生長有綠色和黑褐色水綿，同時受溫度、光照、氣壓等影響，一部分水綿已漂浮在水面上，影響水體表觀。為全面了解水綿治理過程中水質(zhì)變化規(guī)律及污染物形態(tài)的演變機制，本研究以鏡河半封閉型水體為例，研究水綿污染事件處置過程中水環(huán)境質(zhì)量及其溶解性有機質(zhì)的變化，探明污染物遷移歸趨規(guī)律，為有效地進行水環(huán)境改善、防治水綿再次爆發(fā)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鏡河規(guī)劃設(shè)計全長3.5km，目前已建成河道長度約2.4km，河道范圍80～200m，水面寬度20～156m，水深1.5～2m，設(shè)計正常蓄水位18m，最高蓄水位20m，規(guī)劃設(shè)計調(diào)蓄庫容55萬m3，河底采用1.2m黏土防滲。鏡河走向基本為南北方向，而后沿“西北-東南”方向入北運河。排澇循環(huán)泵站位于現(xiàn)狀鏡湖末端，北運河左岸，為引水式泵站，當鏡河發(fā)生大于20年一遇雨水時，將雨水強排至北運河。

據(jù)現(xiàn)場勘察，鏡河水域內(nèi)均有分布水綿，鏡河水體主要以污水處理廠中水為水源，透明度高，偏堿性，總氮濃度高，適宜水綿繁殖。水溫約10～15℃，水綿最適宜溫度約20～30℃，隨著氣溫上升可能發(fā)生更大強度的生長，本研究于2019年3月1日進行現(xiàn)場踏勘，觀察到河道底部生長有綠色和黑褐色水綿，同時受溫度、光照、氣壓等影響，光合作用活躍，釋放氧氣充分，水綿即浮于水面。

1.2 工程實施方案

一般化學、物理方法用于抑制藻類生長時，不易控制、成本較高且易破壞生態(tài)[5]。生物控藻方法一般包括生物制劑方法、水生植物控藻[6]。針對現(xiàn)狀情況，設(shè)計采取2種手段進行處理：一方面針對河底的水綿，投灑顆粒生物制劑(水綿殺1號)，顆粒態(tài)易沉降，用于治理河底水綿，抑制水綿上?。涣硪环矫驷槍λ嫫〉乃d，投撒液體生物制劑(水綿殺2號)治理?！八d殺”的主要成分是表面活性劑、生物酶等，制劑投入水中后緩慢向水體中釋放活性劑，有效阻斷水綿細胞壁轉(zhuǎn)移蛋白對養(yǎng)分的運輸，使水綿快速衰亡，同時水綿在生物酶的作用下逐步被分解[7]，生物制劑投加方案見表1。本研究將整個治理期劃分為治理前期(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日治理期間每天采樣1次。

表1 生物制劑投加方案

1.3 樣品與方法

1.3.1樣品采集

圖1 采樣點圖

1.3.2實驗方法

DO由手持式水質(zhì)檢測儀(YSI6600v2)現(xiàn)場測定，采集的表層、底層水樣分別儲存在有冰袋的樣品箱送至實驗室在24h內(nèi)測定其它指標。

Chl-a測定：依據(jù)HJ 897—2017《水質(zhì) 葉綠素a的測定 分光光度法》標準進行測定。

TN測定：由堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定。

TP測定：由鉬酸銨分光光度計法測定。

CODCr測定：采用重鉻酸鉀法測定。

BOD5測定：依據(jù)HJ 505—2009《水質(zhì)五日生化需氧量(BOD5)的測定稀釋與接種法》標準的方法測定。

三維熒光光譜測定熒光溶解有機物(FDOM)組分百分比：利用熒光光譜儀(HitachiF-7000，Tokyo，Japan)。測定參數(shù)如下：Ex和Em波長的狹縫寬度分別為5、10nm；Ex波長范圍為200～550nm且Ex和Em間波長間隔恒定為30nm；掃描速度為240nm·min-1，石英比色皿池長為1cm，熒光峰強度的單位定義為a.u.。

總有機碳(TOC)測定：將沉積物樣品取適量放入燒杯中，加入適量濃度為1mol/L的稀鹽酸反應24h，除去碳酸鹽。然后反復用蒸餾水沖洗樣品至pH值為中性，而后將樣品烘干、研磨、100目過篩，取1g左右，用元素分析儀測定總有機碳含量[8]。

1.3.3分析方法

(1)單因子水質(zhì)標識指數(shù)

水質(zhì)指數(shù)法能給出對河流水質(zhì)最直觀的反映，前人的研究開創(chuàng)和發(fā)展了許多針對其研究區(qū)的水質(zhì)指數(shù)，且取得了良好的效果。單因子水質(zhì)標識指數(shù)法是國內(nèi)常用地表水水環(huán)境評價方法[9]。單因子水質(zhì)標識指數(shù)Pi由整數(shù)位和2位小數(shù)組成，表達形式為：

Pi=X1.X2X3

(1)

式中，X1—水質(zhì)類別(按照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》劃定)；X2—監(jiān)測數(shù)據(jù)在X1類水標準上限值與下限值變化區(qū)間中所處的位置；X3—水質(zhì)類別與功能區(qū)區(qū)劃設(shè)定類別的比較結(jié)果[10]。

本研究中將鏡湖水質(zhì)標準設(shè)為Ⅲ類水標準。

(2)三維熒光光譜

三維熒光光譜結(jié)合熒光區(qū)域積分法(EEM-FRI)是一種用于整合EEM區(qū)域的定量分析技術(shù)，可對多組分體系中熒光光譜的重疊對象進行光譜識別和表征。EEM-FRI技術(shù)可為水生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境熒光溶解有機質(zhì)(FDOM)動態(tài)提供詳細信息[11]?；贓EM-FRI原理，將所有采集水樣的EEM劃分為5個區(qū)域(標記為區(qū)域Ⅰ—Ⅴ)。區(qū)域Ⅰ和Ⅱ為類酪氨酸物質(zhì)，區(qū)域Ⅲ為類富里酸物質(zhì)，區(qū)域Ⅳ為類色氨酸物質(zhì)以及區(qū)域Ⅴ為類腐殖酸物質(zhì)[12]，且每個區(qū)域的熒光響應百分比(Pi，n)可以表示為：

i=I-V

(2)

式中，φi，n、φt，n—EEM中區(qū)域i和總區(qū)域t的區(qū)域體積；MFi—每個區(qū)域的倍增系數(shù)；I(λExλEm)—每個Ex/Em波長處的熒光強度；ΔλEx、ΔλEm—Ex和Em之間間隔。利用MATLAB 2009和Origin 8.5軟件進行FRI分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 治理過程中水質(zhì)變化

圖2 治理期間各單因子水質(zhì)標識指數(shù)的變化

經(jīng)過投加生物制劑治理后，鏡河綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)逐漸降低，說明生物治理對于鏡河水體富營養(yǎng)化狀態(tài)有一定改善的效果。

2.2 溶解性有機質(zhì)結(jié)構(gòu)演變與歸趨

根據(jù)各采樣點的5個區(qū)域的Pi，n值，湖口和湖心水樣中各物質(zhì)含量次序均為類腐殖酸>類色氨酸>類酪氨酸>類富里酸物質(zhì)，鏡河水體中溶解性有機質(zhì)以類腐殖酸物質(zhì)為主，如圖3所示。治理中期湖口底層水體類蛋白物質(zhì)含量較低，表層水體類蛋白物質(zhì)含量較高；治理后期湖口水樣類蛋白物質(zhì)含量均較高。鏡河湖口表層水樣與底層水樣相比，具有更多的類酪氨酸物質(zhì)和相對較少的類色氨酸和類腐殖酸物質(zhì)。而湖心表層與底層水樣相比，具有較少的類酪氨酸和類富里酸物質(zhì)和較多的類腐殖酸物質(zhì)。湖心島表層和底層水樣治理中期類蛋白物質(zhì)顯著升高，但在治理后期逐漸下降。區(qū)域Ⅱ的類酪氨酸組分鏡湖水體中含量最高的類蛋白組分，治理過程中在湖心島底層水體中大量的富集，富集程度遠遠超過表層水體，表明水綿內(nèi)源的污染物正在伴隨沉降過程歸趨到沉積物中。

圖3 水體有機質(zhì)熒光組分分布

水綿通過細胞內(nèi)葉綠體進行光合作用，從而維持其生存和繁衍。生物制劑與水綿細胞直接接觸，透過細胞壁和細胞膜進入細胞內(nèi)破壞其細胞質(zhì)和細胞核，導致細胞變異和破損，干擾葉綠素的合成途徑，抑制其光合作用和呼吸作用，因此葉綠素a的含量可一定程度上代表水綿生物量。治理工程中期葉綠素a含量顯著下降，表明生物制劑可以限制水綿的生長，同時鏡河氨氮濃度均有明顯的升高趨勢，如圖4所示，伴隨著三維熒光光譜揭示了水中溶解性蛋白組分顯著提升，這說明治理措施促使水綿大量死亡，殘體分解過程釋放出大量的蛋白質(zhì)，同時短時間內(nèi)缺少利用氮、磷元素的生物，導致使總磷和氨氮濃度升高。治理工程后期，水綿生物量進一步下降，說明水綿繁殖受到了有效控制；且鏡河氨氮濃度和類蛋白組分恢復到初期階段，說明治理措施引發(fā)的氨氮上升是治理過程的階段性問題，會自然恢復。

圖4 湖心水樣熒光光譜圖

沉積物中的總有機碳在治理全過程中逐漸增加，如圖5所示，闡明了水體污染物的歸宿在沉積物中。上述結(jié)果表明，水綿治理措施有效地殺滅了水綿生物體，釋放出植物蛋白組分。不過較多的類蛋白物質(zhì)含量可能會導致次生危害，治理過程中應減少對底泥的擾動，采取適當穩(wěn)定化措施，消除再次爆發(fā)的風險。

圖5 治理過程中水和底泥環(huán)境質(zhì)量變化

2.3 工程實施效果分析討論

本文針對鏡河隨著季節(jié)變化、溫度提升、水綿大面積爆發(fā)、嚴重影響正常水生態(tài)環(huán)境和景觀需求的問題，依據(jù)鏡河水環(huán)境現(xiàn)狀，制定了水綿治理方案，通過比選當前國內(nèi)外典型、成熟的水綿防治技術(shù)，設(shè)計投撒生物制劑治理措施，對鏡河水綿和水環(huán)境進行了治理。制劑投入水中后緩慢向水體中釋放活性劑，有效阻斷水綿細胞壁轉(zhuǎn)移蛋白對養(yǎng)分的運輸，使水綿快速衰亡，同時水綿在生物酶的作用下逐步被分解。實驗結(jié)果表明，生物治理方法效果比較顯著，鏡河水生態(tài)環(huán)境質(zhì)量不斷改善。

不同配比生物制劑可以有針對性地去除不同污染物[15]，采用生物制劑處理水綿問題時，可根據(jù)實際情況進行藥劑濃度選擇，盡量避免其他植物，均勻拋撒。施藥后光照強度對防效有影響，因此要選擇晴天施藥?！八d殺”主要成分為表面活性劑、生物酶等，不會對鏡河水體造成二次污染。

3 結(jié)論

(1)生物治理對于鏡河的水質(zhì)和水體富營養(yǎng)化狀態(tài)均有改善的效果，其中鏡河水體的綜合水質(zhì)標識指數(shù)平均值在治理前期為Ⅳ類水，在治理后期達到Ⅲ類水標準；經(jīng)過投加生物制劑治理后，鏡河綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)逐漸降低，水體為中營養(yǎng)湖泊。

(2)生物治理技術(shù)對水綿爆發(fā)的處置過程會導致階段性氨氮和總磷的升高，這是由集中滅殺水綿引起的生物殘體釋放引起的，在進一步處置過程中可以恢復，不會造成持續(xù)環(huán)境危害。

(3)水質(zhì)改善的同時沉積物中的有機質(zhì)含量有顯著的提高，水體污染物的最終歸宿在水體沉積物，為了避免水綿再次爆發(fā)風險需要采取更精準的生態(tài)控制措施。