（市政工程专业论文）北京市南护城河富营养化及AGP试验研究.pdf

摘要 摘要 水体富营养化是目前国内外面临的水环境问题之一。北京市水资源短缺，正在迅速扩大再 生水补充景观水体的应用范围与使用量，结果造成水体富营养化现象日趋严重。 北京南护城河是以再生水作为补水水源的水体，本课题以其为研究对象，监测分析了河道 内水质的变化规律，对其进行了富营养状态的评价。同时采集其中一个监测点西便门闸下 河道内水样，进行再生水补水水体中藻类增长潜力( a l g a lg r o w t hp o t e n t i a l ，a g p ) 试验，测试 分析各项理化指标，分析了再生水中影响藻类生长的营养限制因子及水流流态限制因素，得出 适合藻类生长的n 、p 、n p 比值及水流流态。 通过一系列的试验研究及数据分析得知，适宜的光照、温度和p h 值条件是再生水补水水体 中藻类生长的基本条件；适宜的总磷、总氮等营养盐浓度及氮磷比也是藻类生长的必要条件； 基本稳定或缓漫的水流流态也是引起藻类大量繁殖的重要条件。 本文为北京市再生水补水河湖富营养化及水华的防治工作提供了参考数据。 关键词：富营养化；再生水；a g p 试验；营养因子；水流流态 a b s t r a c t a b s t r a c t w a t e re u t r o p h i c a t i o nl so n eo fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si nd o m e s t i ca n d f o r e i g n c o u n t r i e s t h ew a t e rr e s o u r c e so f b e i j i n ga l es h o r t ，a n dt h ec i t yi se x p a n d i n gt ob s e r e c l a i m e dw a t e rf o rs u p p l e m e n to fl a n d s c a p ew a t e r b o d y f i n a l l yt h ee u t r o p h i c a t i o n p h e n o m e n o n i sg e t t i n gs e r i o u s l yd a yb yd a y b e i j i n gs o u t hm o a tm a k e su pt h ew a t e rb yt h er e c l a i m e dw a t e r i ti st a k e na st h e o b j e c to f t h es t u d y , t h ew a t e rq u a l i t yc h a n g er u l ei nt h er i v e rw a sm o n i t o r e da n da n a l y z e d o n e m o n i t o r i n gp o i n t t l l er i v e ru n d e r t h ex i b i a n m e ns t r o b ew a sc h o s e nt om a k e a l g a e g r o w t hp o t e n t i a lt e s t ( a l g a eg r o w t hp o t e n t i a l ，a g p ) i nt h ew a t e rb o d ys u p p l e m e n t e db y r e c l a i m e dw a t e r ，t oa n a l y s i st h ec h a n g eo fp h y s i c sa n dc h e m i s t r yi nw a t e r , t og e tn u t r i t i o n l i m i t i n ga n d w a t e rf l u i ds t a t ef a c t o r s ，t of i n dt h es u i t a b l ec o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e na n d p h o s p h o n l sa n d n pr a t i of o ra l g a eg r o w t h a c c o r d i n gt oa s e r i e so fe x p e r i m e n t a ls t u d ya n dd a t aa n a l y s i s ，s o m ei m p o r t a n t c o n c l u s i o n sw e r ed r a w e d ：f i r s t l y , s u i t a b l ei l l u m i n a t i o nt e m p e r a t u r ea n dp hi st h e f u n d a m e n t a lc o n d i t i o no fa l g a eg r o w t h s e c o n d l y , o v e rh i g hc o n c e n t r a t i o no ft o t a l n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s 、s u i t a b l en pr a t i oa l ep r i n c i p a lf o rt h ep h e n o m e n o no f e u t r o p h i c a t i o n t h i r d l y , s l o ww a t e rv e l o c i t ya l s oi st h ei m p o r t a n tf a c t o ro fa l g a eb l o o m t h ep a p e rp r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rt h ec o n t r o lo fe u t r o p h i c a t i o na n da l g a eb l o o mo f w a t e rb o d ys u p p l e m e n t e db yr e c l a i m e dw a t e ri nb e i j i n g k e y w o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n ；r e c l a i m e dw a t e r ；, a l g a eg r o w t hp o t e n t i a lt e s t ；n u t r i t i o nl i m i t i n g f a c t o r ；, w a t e rf l u i ds t a t e n 北京建筑工程学院 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：参糨 日期：研年彩月，7 l e t 北京建筑工程学院硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 再生水补水河湖富营养化概况 1 1 1 富营养化概念 富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是湖泊分类和演化的一种概念，是湖泊老化的自然现象。含义是 指湖泊、水库、缓慢流动的河流以及某些近海水体中营养物质( 一般指氮和磷的化合物) 过量 从而引起水体植物( 如藻类及大型植物) 的大量生长，使大面积的水域被藻类所覆盖，导致水 中透明度和溶解氧的降低，而藻类的代谢死亡、微生物分解藻体及其它有机物也要耗去水中大 量的溶解氧。其结果是引起水质恶化、味觉和嗅觉变坏、溶解氧耗竭、透明度降低、渔业减产、 死鱼阻塞航道，对人和动物产生毒性【1 1 。 1 1 2 富营养化与水华 富营养化是指水体中氮、磷等营养物质浓度过高的现象，水华是指水体中某些优势藻类的 过度繁殖，两者是一种因果关系，水华是水体富营养化最显著的特征，水体富营养化是爆发水 华最根本的原因。富营养化越严重，藻类的生长潜力就越大，达到的生物量也高，结果就导致 水华现象的发生，要遏制水华现象，即是要遏制水体的富营养化，所以需从根本原因着手，减 少营养物向水体的输入，减轻水体的富营养化，因此研究营养物水平与富营养化之间的关系是 预防水华现象的前提。 富营养是一个状态，而富营养化指的是一个过程。富营养化是人类生产、生活活动对水体 影响导致的水体自然演变过程的浓缩。而水华爆发即是生态系统对富营养化的响应。富营养化 过程实质上是自养型生物( 主要是浮游藻类) 在水中建立优势的过程。它包含着一系列物理、化学 和生物变化的复杂过程，与水体的化学和物理性状、浮游藻类种群和产量、湖泊形态和底质等 许多因子相关。水华的发生，不仅需要有充足的营养和适宜的理化条件，同时还受到水体中微 生物等因素的综合影响，只要其中一个临界因素不满足，水华就不能发生。水华的发生是一个 复杂的，渐进的过程，牵扯到的因素是多方面的。但就某一水体而言，在水华发生、发展和消 亡过程中，生物种群的组成变化均有一定的规律性。最显著的规律性表现在两方面，一是水华 具有明显的时空分布；二是构成水华的生物种群特别是浮游藻类的生物量差异很大，其中一种 或少数几种特定的种群占据优势地位。这种规律性应是水生生物与水体环境相适应的结果。少 数藻类能在水华中取得优势地位，其原因可以归结为两方面，一是这些藻类能更好的适应和更 充分的利用所处的外界条件，进行生长繁殖；二是它们能在逆境中具备良好的抵御外界不良环 境( 如高温、低温、营养缺乏、捕食、强光、弱光、缺氧等) 的能力1 2 】。 造成富营养化的原因是氮、磷等营养物的过剩，而氮磷是浮游藻类生长的主要的营养元素， 而且氮、磷营养盐对浮游藻类的限制也是环境生态学研究的一个主要方面，在淡水中，因浮游 植物的过度繁殖而导致爆发水华，通常要求n ：p 原子比 1 5 ：l ；而在再生水补水水体中爆发水 华时，通常可得的氮磷原子比小于1 6 ：l ，而在这两个比值下，改变磷起着关键的作用，这表明 磷是限制藻类增长的主要营养因子【3 】，关于氮磷营养限制对藻类生长的影响已经有许多研究。如 北京建筑工程学院硕士学位论文第一章绪论 m i c h a e ln e i l l 研究表明，盐度低的水体中，磷对浮游藻类的生长起限制作用，盐度较高( 3 5 左 右) 时，氮磷同时成为浮游藻类生长的限制性营养元素，当盐度更高时，氮对浮游植物生长起 限制作用4 1 。 1 1 3 富营养化带来的危害 ( 1 ) 影响水体的感观性 在富营养状态的水体中生长着很多藻类， 其中有一些藻类能够散发出腥臭异味，向湖泊四 周的空气扩散，直接影响、烦扰人们的正常生活，给人以不舒适感觉。另外，由于以蓝藻、绿 藻为优势种类的大量水藻的生长，浮于湖水表面，形成一层“绿色浮渣”，使水质变得浑浊，透 明度明显降低，湖水感观性大大下降【5 1 。 ( 2 ) 影响水质并增加制水成本 由于水源表层水中藻类密集，阳光难于透入湖泊深层，使其中藻类的光合作用明显受抑制， 溶解氧的来源减少。藻类死亡后不断沉积，腐烂分解，消耗深层水体的大量溶解氧，甚至使水 体出现厌氧状态，触发或加速底泥中积累的营养物质释放，造成水体营养物质的高负荷，形成 富营养水体的恶性循环。过量的藻类用常规净水工艺很难去除，增加了水处理的技术难度，既 影响制水厂的出水率，同时也加大了制水成本费用。藻类在常规处理工艺中有可能因为投加混 凝剂而引起细胞破坏，使胞内的藻毒素进入水中，而藻毒素不易被常规混凝、过滤工艺去除， 造成出水水质下降。另外，藻类细胞本身也可能是形成消毒副产物的一种物质。 ( 3 ) 藻毒素有害 某些水藻中的蓝藻还能分泌藻毒素，不仅毒害水生生物，甚至危害人畜。富营养化水体中 常含有硝酸盐、亚硝酸盐，经加氯消毒后会形成多种致癌物质，影响人体健康。水藻中有一种 叫微囊藻的，其产生的微囊藻毒素，毒力较大。微囊藻毒素的一般结构为环( d 丙氨酸山x 赤1 3 甲基- d 异天冬氨酸l z a d d a d 异谷氨酸- n 甲基脱氢丙氨酸) ，其中a d d a ( 3 氨基9 甲氨基2 ， 6 ，8 三甲基1 0 苯基- 4 ，6 z 烯酸) 是微囊藻毒素生物活性表达所必须的。已证实微囊藻毒素是 一种肝毒素，能抑制蛋白质磷酸酯酶，从而帮助解除对细胞增殖的正常的制动作用，促进肿瘤 的发育。微囊藻毒素虽然主要存在于藻细胞中但研究表明藻细胞死亡解体后，不断有藻毒素 释放到水体，对人类的饮用水源造成危害，已证明某些地区的肝癌高发率与饮用水源中的水华 大量发生有关【6 】。 1 1 4 再生水体补水河湖富营养化现状 ( 1 ) 再生水利用现状 国外对再生水的利用较早，1 9 3 2 年美国在加利福尼亚州的旧金山建立了世界上最早的将出 水再利用为公园湖泊观赏用水的污水处理厂，至1 9 4 7 年末公园湖泊和景观灌溉供水已达3 8 万 m 3 d ，占公园需水量的1 4 【_ 7 1 。日本早在2 0 世纪6 0 年代开始尝试污水回用，7 0 年代初具规模。 回用水主要用于补充河道、浇灌绿地、冲厕、工业循环及消防等。其中用于景观水体的约占总 再生量的1 0 。日本曾在1 9 8 5 年到1 9 9 6 年用再生水复活了1 5 0 多条河道的景观功能【8 l 。国外 实施再生水回用于景观水体的城市以美国、日本居多还有其他的一些国家，如澳大利亚、以色 列、南非等国也进行过大量的研究，有着许多成功的实例【9 】。 2 北京建筑工程学院硕士学位论文第一章绪论 在中国，建设部、科技部日前联合发出通知，要求各地建设和科技行政主管部门密切合作， 加大投入，加强再生水利用技术研究开发和推广转化工作。共同制定的城市污水再生利用技 术政策中表明，我国城市污水再生利用的总体目标是充分利用城市水资源、消减水污染负荷、 节约用水、促进水的循环利用、提高水的利用效率。到2 0 1 0 年，北方缺水城市的再生水直接利 用率要达到城市污水排放量的1 0 一1 5 ，南方沿海缺水城市达到5 一1 0 ；到2 0 1 5 年北方城 市要达到2 0 之5 ，南方沿海城市要达到1 0 v 1 5 ，其他地区城市也应开展此项工作，并逐 年提高利用率l j 0 l 。 ( 2 ) 再生水补水存在的问题 再生水同用于景观水体易出现水华，藻类的过度生长是将再生水用于城市景观水体时面临 的难题之一。目前我国北方许多城市，如北京市正在迅速扩大再生水补充景观水体的应用范围 与再生水的使用量。奥运会的召开，加速了北京再生水的利用，再生水已经成为北京的新水源【1 1 1 。 再生水的利用将会给这些城市带来新的生机，但是也潜在着一定的风险，如再生水的水质达标 问题，对人体健康的影响问题，水体富营养化等卫生学和美学问题。 景观水体是人们休闲娱乐的理想场所，一旦发生富营养化，透明度下降，水体浑浊，臭味 弥漫，极大地降低了景观水体的观赏性，所以对于再生水回用于景观水体，首先应考虑水华爆 发的可能性，而考虑水华问题就应考虑再生水补水景观水体的水质问题，我国先后颁布了若干 与景观水体有关的水质标准，如地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) 中的i i i 、v 类 水体考虑了景观娱乐水体的水质要求。从该标准中可以看到，天然景观水体的水质标准中对 c o d e r 、b o d 5 、d o 以及氮、磷指标要求较严格。另外也有城市颁布了一些地方性标准，如2 0 0 5 年北京市环境保护局与质量技术监督局共同颁布了水污染物排放标准( d b l l 3 0 7 2 0 0 5 ) ， 规定排入i i i 类、类水体及其汇水范围的污水执行二级限值，对水体中t n 及d o 无要求，此 标准的要求远远低于g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 中的水质标准。 表l l 不同标准中景观水体( 人体非直接接触) 的水质指标比较 标准 c o d e r ( r a g l )b o d s ( m g l )d o ( r a g l )t n ( m g l )t p ( m g l ) g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 3 0631 5o 3 g b l 2 9 4 1 9 1 830 0 5 c j 仃兮5 2 0 0 06 02 02 0 d b l1 3 0 7 2 0 0 56 02 0 o 5 天然河道比降大、流速快，藻类无法生长繁殖，所以一般不会发生水华现象。焦世瑶等人【1 2 】 在对三峡河流富营养化的研究中得出，长江中上游的各种营养光照条件已经达到了水体发生富 营养化的条件，但是没有发生，分析与原因可能是长江水流流速较快，水体更新周期短，某些 藻类在其他条件较适宜情况下，生长尚未达到高峰时就被流速较急的水流带到下游去，藻类生 长的条件遭到破坏；而与此相反，滇池流域内水体流动速度及其他动力学条件都适合藻类的大 量生长繁殖，使水体产生水华。 由于气候的关系，在北京地区，同样的水温对水体的影响是随季节变化而明显不同的。在 冬季，较低的气温可以抑制富营养型藻类的大量繁殖，而在夏季，温暖的气温可以促使富营养 3 北京建筑工程学院硕士学位论文第一章绪论 型藻类的大量繁殖，因此，北京地区考虑再生水补充湖泊时对湖泊富营养化影响时，需要考虑 最不利的夏季因素。 1 2 富营养化与水华发生机理的探讨 引起水体富营养化的因素很多，主要与水域中的营养盐含量、浮游藻类的生产力和水文气 象条件有关。氮和磷是及其化合物是产生富营养化的主要营养物质，特别是磷，水体中增加l k g 磷可增长1 0 0 k g 藻类；水中的微生物及蓝藻、绿藻等水生植物对大多数形态的氮都有一定的吸 收作用，并可在缺氮的环境中通过呼吸作用直接从大气中固氮，判断水体的富营养化程度除表 观指标( 颜色、透明度等) 外，主要是根据水体中磷负荷及与之相关的浮游藻类生产力来确定。 国际上一般认为t p 浓度为0 0 2 m g l ，t n 浓度为0 2 m g l ，是水体富营养化的发生浓度，大量 的研究表明，水体的氮磷比( n p ) 在l 睢1 5 时，最有利于藻类繁殖【1 3 1 。 富营养化发生、发展是由于水体整个环境系统出现失衡，导致某种优势藻类大量繁殖生长 的过程，因此，了解富营养化机理和发生条件，需要了解的是藻类生长繁衍的条件和过程。尽 管对于不同水域，由于区域地理特性、自然气候条件、水生生态系统和污染特性等有诸多差异， 会出现不同的优势藻类种群，并发生各种不同类型的水生生物种类的失衡。但是，富营养化发 生所需的必要条件基本上是一样的，其中最主要的影响因素有光照、温度、p h 值、氮磷等营养 盐的浓度、水流动力等。 1 2 1 光照、温度、p h 值 ( 1 ) 光照 光是决定植物进行光合作用的主要条件，水体中的光照条件对其中生长的藻类产生主要的 影响。事实上，光照对于藻类的出现并不是一个限制的因素，因为只要有太阳光照的一小部分， 就足够藻类进行适度的光合作用。然而，光照过度对许多藻类是有害的，如小球藻在过强的光 线下培养，细胞颜色淡绿，生长缓慢，最后会失绿死亡。但有些藻类，比如微囊藻，可以通过 增加细胞内类胡萝卜素的含量而保护细胞免受光的抑制，对强光有较大的忍受性。 在水体中，光照强度决定了生态系统中优势藻种群【1 4 】。而藻类接收到的光照强度的大小取 决于水的透明度。按照光亮的垂直分布，可以把湖水分为富光带、光补偿面和深水带。光补偿 面的光照强度大约为全光照强度的1 ，光合作用产生的氧和呼吸作用消耗的氧基本相等。因此， 水体中的光照强弱、水生植物光合作用的强弱直接影响水体的富营养化及水华的发生。 在再生水补水的水体中，一般水深比较浅，比如，北京的龙潭西湖，平均水深为1 5 m 左右， 后海的平均水深约为1 1 m 【1 5 ，高碑店水厂南侧的高碑店人工湖水深仅为l m 左右【1 6 1 ，而北京外 护城河内除去l m 多深的淤泥之外，水深只有半米左右【1 刀。阳光通过清澈透明的水层可以直射 底层，使整个湖的上下层能进行光合作用和保持高浓度的溶解氧。但是在营养物质过多，藻类 异常茂盛的富营养水体，下层水得不到光照，溶解氧较少，甚至导致氧的耗尽。 ( 2 ) 温度 每一种藻类都生活在一定的温度范围内，都有其能忍受的最高温度和最低温度，在能生存 的温度范围内还有最适的范围。许多硅藻和金藻类在早春和晚秋出现，如鱼鳞藻属能在早春几 天内大量出现，很快又消失。有些蓝藻在夏天水温高时才出现，如微囊藻。随温度的改变，水 4 北京建筑工程学院硕士学位论文 第一章绪论 域中藻类优势种有演替的变化。在具有正常混合藻类种群的河流中，可以观察到在2 0 时，硅 藻占优势；在3 0 时，绿藻占优势；在3 5 4 0 时，蓝藻占优势，高于绿藻和硅藻等浮游藻 类0 8 ，因此在温度较高的夏秋季节，比其它藻生长得更好，容易形成水华。 ( 3 ) p h 值 藻类是湖泊、海洋等水体中的初级生产力，即利用太阳光进行光合作用，将空气中的无机 碳( c 0 2 ) 固定、转化为有机碳( 如葡萄糖、淀粉等) 这一过程的能力。所以p h 值对水体中的 初级生产力藻类的生长有相当显著的影响，有的藻类，像蓝藻在高p h 值( 8 o 9 o ) 条件 下，可以很好地生长，这一点对防止湖泊富营养化是十分不利的。 1 2 2 营养元素 营养盐是构成水域生态系统的重要化学物质基础，由于其分布与浓度和生物过程紧密相关， 因此在生态系统诸多因子中，着重研究营养物质与浮游藻类生产力的相互作用，是揭示湖泊富 营养化形成机理的方法之一。浮游藻类主要由c 、o 、h 、n 、p 等元素组成，缺乏这些元素则 藻类就不会生长，这就形成了营养限制的概念。不同水体中，由于营养盐组成不同，浮游植物 群落不同，地球化学循环不同，对浮游植物生长产生限制的营养盐也不完全相同。 ( 1 ) 氮、磷与氮磷比( n p ) 水中的磷元素存在形态有正磷酸盐、偏磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷，其中正磷酸盐占绝大 多数。对于藻类等初级生产者，最为重要被利用的磷形态是正磷酸盐。由于磷在水域中的循环 过程十分迅速，其它形态的磷也有可能转化为磷酸盐。 水中氮分为有机氮和无机氮两类。前者是含氮化合物，如蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等： 后者则指氨盐、硝酸盐、亚硝酸盐、氮气和固态氮。初级生产者利用这些物质的过程并不相同， 利用最多的是氨态氮和硝态氮。 氮和磷在水体中呈一种复杂的动态平衡状态。在研究湖外源n 、p 时，同时研究水体中n 、 p 平衡、分布和循环、生物吸收和回归、沉淀，底泥中n 、p 形态及有机物分解和释放等规律， 对研究富营养化过程是很重要的。 ( 2 ) 其他营养元素限制 虽然氮磷是限制藻类增长的两个主要元素，但是一些比较重要的微量元素，比如f e 、m n 、 c u 、m g 、m o 、c o 等金属元素也作为辅助因子参与生物生化反应，促进藻类增殖。 1 2 3 水流动力 水流的流速过大时，由于水流的冲刷作用，藻类的生长、繁殖环境受到破坏，藻类难以聚 集生长形成水华。但适宜缓和的流速有利于改变藻类胶质群体的大小和微生态系，例如，藻一 一菌关系等，从而增强藻细胞吸收水体中营养物质的能力。而且适宜的水动力条件有利于藻类 对光能的吸收，以及溶解氧的增加和氧化还原电位的改变。过小的流速( 接近o ) 不利于藻类的 漂浮、聚集，也不易发生“水华”现象【1 9 】。 1 3 国内、外富营养化防治研究现状 5 北京建筑工程学院硕士学位论文第一章绪论 l - 3 1 富营养化防治研究现状 ( 1 ) 北美洲 污水排放控制是美国控制富营养化的最重要的策略，其目的是同时保护人体健康和水环境， 对于点污染源，规定要通过国家污染物排放消减( n p d e s ) 计划获得排放许可。 华盛顿湖是一个成功进行分流的著名例子。通过在湖周铺设污水管道防止污水排入湖中， 消除了富营养现象。 在美国明尼阿波利斯城市，2 0 0 7 年7 月3 0 日，通过超声波技术控制池塘的藻类生长，这种 控制不需要昂贵的化学处理，也不耗时耗力，这种设备对于鱼类，植物或者其他的水生动物都 没有负作用，取代了化学除藻而被典型用在池塘、水库、鱼塘、湖、湿地等地方，这种除藻方 法不同于化学除藻方法，不会给环境带来负面影响【2 0 】。 在美国莫洛凯岛夏威夷，对水的运动和海藻培养的作用做了大量的研究【2 1 1 ，表明水的运动 对于构成藻细胞结构的叶状体和孢子的生长起着实质性的作用，虽然营养物质在藻类的前期萌 芽时起着重要的作用，但是水流的运动对于孢子的存活时间长短还是有一定的关系，在孢子达 到一定的密度的时候，其生长就会受抑制。 最早建立湖水修复系统是在2 0 0 0 年，在北美洲，s o l a rb e e 太阳能水池循环器在1 0 0 多个水 体中一直都在有效地控制和阻止青绿藻的繁殖，通过对淡水水体的循环，青绿藻失去了它们适 宜的生长环境( 停滞的湖水) ，因此失去了竞争性。 最近研究表明，对水的搅拌能改变浮游植物和沉水植物之间在某个特定的方式下保持的平 衡，多次试验证实了s o l a rb e e s 循环系统在水池，湖泊以及水库中对青绿藻的水华的抑制作用和 在没有氮磷输入的情况下修复湖水生态系统。 在淡水湖泊和水库中，s o l a rb e e s 解决了青绿藻的气味等问题，而且降低了沉淀物中铁、锰、 硫化氢的含量，在暴雨塘和娱乐水体中，s o l a r b e e s 能很好地控制藻类，提高了总的水质，加强 了生态循环，美学以及娱乐的价值【2 2 】。 ( 2 ) 日本 日本研发了一种内部填充了大量有益微生物的生物过滤器。当原水流经该过滤器时有益微 生物能捕食和分解丝状蓝绿藻，这样，减小了湖水的c o d 值及浊度，提高了絮凝效果，从而可 达到净化水质的目的。由于这一系统的成本及能耗都较低，故较适用于发展中国家。 ( 3 ) j j i 拿大 在加拿大的安大略省，通过在春天和夏天对湖中的磷浓度及叶绿素的监测，发现，两者之 间存在一定的关系，得出回归方程，可以从春季磷浓度的变化循环来预测出夏季时叶绿素的平 均浓度。 l o g l o = 1 5 8 3 1 0 9 ：l o 【p 】_ 1 1 3 4( 式1 - 1 ) = 若用叶绿素a 来换算 l o g l o 凸刎= 1 4 4 9 1 0 9 l o ，1 1 1 3 6 其中磷的变化范围为0 0 0 4 - - 4 ) 0 1 5 3 m g l 2 3 1( 式l - 2 ) 其中：【c i i l 力水体中叶绿素的含量 6 一母 一 1 0 北京建筑j ：栏学院硕b 学何论文第二章再生水补水水体的水质及浮游植物特征 2 l2 监测点的布置 圈2 - i 雎一坷臣与苴捌点分布位置 衰2 - 2 苴l i 项目及蓝舅方皓 序q犄目项目鼠值! 目方浊 p h 执镕月杖 d 0 快速测定仅 目酸指数往 稀释接种泣 过醯瞌氰化法 过硫酸槌化法 水畅陂升光光度诘 透明崖( s d )枭盘浩 山刚苹h 离心法 浮游生物密度显微镜计数框汁数沾 2 2 再生水扑水水体的水质变化特征 2 2l 常规指标变化特征 北京市水利科学研究所水环境中心以护城河河道为研究对象，从2 0 0 7 年3 爿4 月对河水进 行丁连续监删，河道川水主要米自j 高i 坫污水处理厂深度处理的再生水，选取 河【】、硝便 门闸r ( 山水nl 瞄) 用分洪道闸( 水1 7r 游) 3 个点米采样分析评价，咀时问为序将再监测 、 北京建筑工程学院硕士学位论文第二章再生水补水水体的水质及浮游植物特征 数据点绘图，并分析各项指标值随时间和空间动态变化情况。 ( 1 ) c o d m 。 c o d m 变化趋势如图2 - 2 ，入河1 3 的再生水c o d m 。为4 3 m g 1 ，西便门闸下约为4 6m g l ， 分洪道闸下约为6 2 5m 酊。从时间上来看，随月份的变化，入河口和两便门闸下的c o d m 。浓度 在4 o m 鲋左右浮动，但浮动幅度不是很大，说明补水的再生水中有机物含量稳定，无较大的波 动，达到了i 类水质标准，符合城市河湖水体功能要求。 从监测点所在的地理位置来分析，入河口c o d m 。最低，分洪道闸下最高，呈现入河1 3 西 便门闸下 分洪道闸的规律，而水流方向是入河口+ 西便门闸下_ 分洪道闸，即沿着水流的方向， c o d m 。的浓度是不断增大的，这说明再生水在进入南护城河后有机物不断累积。从河道内水体 的状态来分析，西便门闸下受到补水的影响，水体流动相对其他地方较快，不利于有机物的沉 积，而距离补水口越远的地方，水流的速度逐渐减小，缓冲和自净能力也越弱。分洪道闸下的 c o d m 。浓度在乱7 月份时较高( 均大于8 r a g 1 ) ，表明水体中能被氧化的有机物质处于较高水平。 图2 - 2 南护城河监测点c o d m 。动态变化 ( 2 ) b o d 5 b o d 5 的变化趋势如图2 3 ，从时间上看，随月份的变化，b o d 5 的变化幅度不大，三个监 测点处的浓度变化不具有明显的规律性。水体可生化性同c o d m 。的变化规律是一样的，也是入 河1 3 西便门闸下 5 r a g 1 ) ，而到8 、9 月份又处于下降趋势，可生化降解 的有机物在此期间大量分解，从而消耗水中大量的溶解氧，溶解氧的减少造成鱼类及其他水生 生物的死亡，带来的直接结果是水质恶臭难闻，不但大大减弱了河道的景观功能，而且也影响 到附近的居民。 1 2 北京建筑工程学院硕士学位论文第二章再生水补水水体的水质及浮游植物特征 图2 - 3 南护城河监测点b o d 5 动态变化 ( 2 ) t n t n 的变化趋势如图2 4 ，再生水入河处t n 约为1 6 3 m g l ， 远大于v 类水质标准。3 个监 测点变化趋势基本保持一致，可能再生水进入河道后，河道自净能力很小，而且底质中有氮、 磷等营养物质释放到水体。其中6 曲月份，t n 的浓度也是逐渐降低的，因为氮是藻类生长的主 要营养因子，7 月和8 月是水华引发的高峰期，也即是藻类大量繁殖的季节，需要消耗水体中大 量的氮元素，所以t n 的浓度呈下降的趋势。 将3 月份三个监测点的t n 浓度进行比较发现，入河口和西便门闸下的t n 浓度近似一致 ( 1 0 m # ) ，而分洪道闸下的总氮浓度相对较高( 2 2 5 m g 1 ) ，原因可能是，经过漫长的冬季，前 一年由于水华爆发繁殖的大量藻类死亡后沉积在河底，入河口处和西便门闸下由于再生水的补 充，缓冲了水体的营养物质浓度，而分洪道闸距离补水口比较远，水体近似处于静止状态，水 底已经沉积了大量高营养的淤泥，加上上游累积下来的营养物质，造成此处的 i n 含量远高于 上游两点。 图2 4 南护城河监测点t n 动态变化 ( 3 ) t p t p 的变化趋势如图2 5 ，三个监测点的变化趋势也基本上一致的，从时间的顺序来看，水 体中的t p 的浓度呈逐渐下降的趋势，都是在3 月份的时候浓度最高，这是水华不易爆发的季节， 而在水华高发的7 月和8 月，水中的浮游藻类利用水中的磷元素大量繁殖，所以仰的浓度呈下 1 3 北京建筑工程学院硕士学位论文第二章再生水补水水体的水质及浮游植物特征 降的趋势。 三个监测点的t p 平均值约为0 4 1m g l ，大于地表水v 类水质标准( 见表1 1 ) ，而入河口 和西便门闸下依然呈现出相同的变化规律，因为磷在水体中大部分处于颗粒或胶体形态，再生 水的补入造成水体的流动，导致颗粒态或胶体状态的磷悬浮在水体中，所以测得值较大，并且 西便门闸下比入河口的t p 浓度还要大，而距离补水口较远处的分洪道闸，随着水流的减缓，磷 颗粒又逐渐沉降，所以测得的t p 浓度较小与图2 3 综合起来分析，在t n 和t p 浓度都较高的 情况下，磷对水体中的浮游藻类的增长起着积极的促进作用。 图2 - 5 南护城河监测点t p 动态变化 国内外许多研究显示，氮磷是造成水体富营养化的主要元素。s a k a m o t o 3 5 1 通过调查日本的 调和型湖泊与河流的主要化学成分，并在综合各国研究成果的基础上，提出了以t n 、t p 为标 准的湖泊营养状态分级标准。据表2 3 ，可知南护城河河道内的水质达到较严重的富营养程度。 表2 - 3 南护城河的氮磷营养状态 营养程度 t p ( “g l )t n ( p g l ) 贫营养2 2 02 m 乏0 0 中营养 1 0 3 01 0 0 - 匍i o 富营养 2 0 - - - 9 05 0 0 1 3 0 0 南护城河 4 l o 11 7 8 7 0 0 ( 4 ) n h 3 - n n h 3 - n 是水体中浮游藻类可以直接利用的氮源，所以氨氮浓度的大小对于藻类的增长也起 着一定的促进作用。 n h 3 - n 变化趋势如图2 - 6 ，从图中可以看出，3 个监测点变化趋势基本保持一致，且监测结 果都好于类水质标准。图中显示，三个监测点的的氨氮浓度都在6 月份达到最大值，综合图 2 - 2 和图2 3 分析，n h 3 - n 浓度的升高与水中大量有机物的降解有关，这与夏季的来临，水温的 逐渐回升也有一定的关系。6 月、7 月、8 月，虽然有机物在降解，但是氨氮的浓度下降得更快， 这说明藻类生长能很好的利用水体中氨氮。9 月，气温下降，藻类生长减慢，死亡的藻类又释放 出有机质，所以曲线又呈一定的回升趋势。 1 4 北京建筑工程学院硕士学位论文第二章再生水补水水体的水质及浮游植物特征 图2 - 6 南护城河n h 3 - n 动态变化 ( 5 ) 叶绿素a 因为色素是自养浮游生物的特定标记，受死亡细胞率的影响很大，所以叶绿素a 是一个稳 定的指示藻类的生物量指标，能够提供较好的细胞生存百分比。 南护城河叶绿素变化趋势如图2 7 。此图晟显著的特征是，在监测点分洪道闸处，7 月份的 叶绿素a 的值高达1 8 0 m g m 3 ，叶绿素a 的含量反映了水中藻类密度的大小，说明水体已经达到 超级富营养化状态。入河口叶绿素很低，平均约为8 2 m g l ，沿河道往下游，叶绿素不断增大， 而且随着气温的升高，离补水口远的地方叶绿素含量也增大较快。 图2 7 南护城河叶绿素a 动态变化 ( 6 ) d o d o 的变化趋势如图2 8 ，d o 平均值3 点分别为6 7 m g l 、6 7 m g l 、9 0m g l ，都已经达到饱 和状态，从监测点所在的地理位置分析，入河口和西便门闸下溶解氧的变化趋势近似，并且都 小于7 0m g 1 ，而分洪道闸处的变化趋势与之相反，除了9 月份以外，其它几个月份均大于7 0 m g l ，且7 月份分洪道闸处的d o 达到7 4 2 m g l ，从图2 - 7 中能看出，这个时候叶绿素a 含量较 大，一些浮游植物进行光合作用释放出氧，使得水体处于过饱和状态。 1 5 北京建筑工程学院硕士学位论文第二章再生水补水水体的水质及浮游植物特征 图2 8 南护城河监测点d o 动态变化 ( 7 ) p h p h 值变化如图2 - 9 所示，比较平缓，基本一直为弱碱性，由藻细胞光合作用原理可知，每 合成l m o l 的藻类细胞伴随着1 4 m o l 的一的产生，水体的碱性有利于消耗h + ，促进藻类细胞的 合成，是水华暴发的一个重要冈素。另外综合图2 - 6 分析，氨氮的下降与水体中的p h 值也存在 一定的关系，因为水中p h 值的增大有利于氨氮的释放。 图2 - 9 南护城河监测点p h 动态变化 2 2 2 再生水补水水体中浮游植物特征 北京首都示范大学生命科学院杜桂森教授等人在2 0 0 7 年6 月- - 8 月对研究区入河口、入河 口下、西便门桥下和分洪道闸4 个点进行了3 次采样，且发现的浮游藻类的种类数如表2 _ 4 所 示。其中共发现蓝藻门、隐藻门、硅藻门、裸藻门、绿藻门5 个门1 8 种浮游植物。6 月由隐藻 门、硅藻门、绿藻门3 个门组成，7 月和8 月依次增加了裸藻门和蓝藻门。这些门类都是富营养 水体的基本特征。 研究区浮游藻类的种类特征主要是富营养化水体中的代表种类，共发现有1 8 种，如颤藻、 菱形藻、栅藻等，但各采样点均没有发现清洁水体中的指示种类。上述浮游藻类的种类组成的 特点表明：南护城河入河口处也表现为富营养的水体特征。 1 6 北京建筑工程学院硕士学位论文第二章再生水补水水体的水质及浮游植物特征 总的来说，6 - 8 月南护城河各断面浮游植物种类数呈增多的趋势，但入河口处藻种类则在 8 月未增加。 表2 - 46 8 月南护城河各点藻种类数的变化趋势 藻种类数 采样点 6 月7 月8 月 入河口71 21 2 南 护 入河口下1 01 21 8 城 西便门甲j 下91 51 7 河 分洪道闸1 21 8缺 南护城河河水中浮游植物的优势种类在6 月为绿藻门的栅藻和小球藻；7 月是监藻门的颤 藻、螺旋藻及绿藻门的栅藻、衣藻、小球藻、空星藻；8 月的优势种类为蓝藻门的裂面藻、微囊 藻，裸藻门的裸藻，绿藻门的衣藻、栅藻以及硅藻门的菱形藻等。这些种类都是富营养化的代 表种类。由此表明南护城河的基本特征为富营养化。 南护城河水体的补水主要是高碑店污水处理厂深度处理的再生水，因此入河口水体中浮游 植物的细胞密度较低，平均只有约4 0 x1 0 4 个l 。但入河以后，沿河道往下游其他各点和各月的 浮游植物细胞密度均不断增大，至下游分洪道闸处平均达到2 9 7 6 万个l ( 如表2 5 ，图2 1 0 ) ， 表现出富营养的水体特征。 表2 5 南护城河河水中浮游植物的细胞密度( x 1 0 4 c e l l l ) 采样点6 月7 月8 月平均 入河口1 3 4 01 0 5 1 60 8 l3 9 7 9 南 护 入河口下3 0 3 2 49 8 4 2 05 6 5 0 0 92 3 1 2 5 l 城 西便门桥 5 5 2 7 8 7 5 。1 42 5 4 1 2 71 3 2 3 。0 4 河 分洪道闸2 2 3 6 7 93 7 1 5 1 9 2 9 7 5 9 9 圈2 - 1 0 南护城河浮游植物细胞密度6 8 月变化趋势 1 7 北京建筑t 程学院硕士学位论文第二章再生水补水水体的水质及浮游植物特征 2 3 西便门闸下河水水环境状况 2 3 1 河水中氮磷营养分析 水体中的含氮化合物可分为有机氮和无机氮两大类。有机氮包括蛋白质、氨基酸、尿素等 等，主要来自于河道两旁的雨水排放及城市生活污水中的含氮有机物。而无机氮包括氨氮、亚 硝态氮、硝态氮，主要来自于河道所采用的补充水再生水，另外是通过水中微生物对有机 氮的降解作用转化而来的。 水体中的磷是以多种形态存在的，所有的无机磷几乎完全以磷酸盐的形态存在，也就是磷 的完全氧化态。此河道内的磷主要还是来自于补水所采用的再生水，还有来源于矿石风化、侵 蚀、淋溶、细菌作用、农业肥料、污水和洗涤剂的排入。其中可溶性磷化合物包括正磷酸盐( p 0 4 3 。、 h p 0 4 玉、h 2 p 0 4 等) ，聚合磷酸物( p 2 0 7 4 。、h p 0 4 2 - 等) ，有机磷酸物( 葡萄糖6 磷酸、磷肌酸等形 态存在) ，此外还有呈胶体和颗粒态的有机磷化合物存在。一般藻类择先摄取的是可溶性正磷酸 盐。 营养物质的大量输入是导致西便门闸下河道内发生富营养化的根本原因。尤其当河水中的 营养物质只进不出，常年在河道中累积，尤其是以氮、磷为主的营养物质是造成河道内富营养 化的主要原因，而水体中氮、磷的来源很多，主要包括外源性负荷和内源性负荷两个方面： ( 1 ) 外源性负荷 西便门闸下河道采用高碑店污水处理厂的再生水源补给河水以来，再生水给水体带来了较 多的营养盐，加上护城河是一个循环水系，营养盐只进不出，造成氮磷营养盐多年累积，这是 影响河水富营养化的主要冈素之一；另外，还有一些点源和面源污染，其中点源污染主要来自 生活污水和工业废水的随意排放，面源污染来自河道两旁道路的雨水径流。 ( 2 ) 内源性负荷 西便门闸下河道的内源性负荷主要是沉积物中氮和磷的释放，水生动植物新陈代谢分解等。 据有关报道，护城河道中真正的水深只有0 5 m ，而底泥却有1 m 深【3 6 1 。陈华林3 刀等认为在点源 污染得到有效控制以后，底泥就成为河湖水体污染物的主要来源之一。底泥与上覆水之间不停 地进行着物质交换，当底泥未被扰动时，底泥中的污染物主要从表层沉积物向上覆水扩散与分 解，对水质的影响较小：而一旦底泥被搅动( 补水的时候) ，底泥中的污染物将会大量向水体释 放，消耗上覆水中的溶解氧，造成水质恶化。 2 3 2 浮游生物分析 试验原水取自于距南护城河入河口1 0 0 m 处西便门闸下，取1 0 0 0 m l 河道原水置于浓缩 器中放置2 4 小时，虹吸式抽掉上清液，剩下2 0 m l 体积左右，倒入量筒，用原液洗两次，洗液 放入量筒内，定容到3 0 m l ，用o 1 m l 计数框在显微镜下镜检，分类别进行藻类计数。 对西便门闸下的浮游藻类作定量分析，结果如表2 6 所示，检测到蓝藻、绿藻、硅藻、隐 藻、裸藻五个门的藻类。引起西便门闸下水华的主要原因是蓝藻及绿藻的过度繁殖造成，从图 2 1 1 中可以看出，蓝藻门细胞密度为5 0 1 7 x1 0 5 ，百分比为4 0 ，绿藻门细胞密度为7 3 9 6 1 0 5 ， 百分比为5 9 ，这说明在西便门闸下河道中，绿藻占优势，其次是蓝藻。 1 8 北京建筑丁程学院硕士学位论文第二章再生水补水水体的水质及浮游植物特征 表2 - 6 西便门闸下浮祷蕞类分布情况( l 矿十c d 忆) 涮定 蓝藻 绿藻 硅藻甲菝金藻隐蘸褫蓬 监谢断面 * 时间 c y a c h lb mc h r c r y e u g 目便门m 下 日分肯量( ) 茸2 圈2 4 1 1 西