富营养化是指水体氮、磷营养盐大量增加,超过水体自净程度,造成藻类异常繁殖、水质恶化,进而丧失水体生态功能的现象.水体富营养化受到外源输入和内源释放的影响,也受水体流速、置换周期等水动力特征的影响.天然湖泊在正常的自然进程中也会出现富营养化现象,但浅层滞缓流水体的水力特征使其富营养化进程大大加快^[5].

浅层滞缓流水体流速低,入流携带的污染物进入水体后易沉积,加之水体更新慢,进入的污染物无法排出,在水体内不断蓄积,导致水体营养盐含量升高^[6].水深较浅是浅层滞缓流水体的另一重要特征,较浅的水深导致底泥易受到风力扰动等的影响,水 - 沉积物之间物质交换较为充分,上覆水中营养盐含量较高,为藻类的繁殖提供了营养条件^[7].光照是藻类繁殖的必要条件,水深较浅还使得整个水体光照较强,藻类在各深度均能生长,不存在光限制的情况.水动力条件不仅通过影响营养盐和光照间接影响藻类生长条件,还对水华藻类的生长有着直接的作用,滞缓流水体缓慢的水流流态和较长的更新周期为藻类的生长和聚集提供了适宜的条件^[8-9].

浅层滞缓流水体中营养盐按照来源可分为外源输入和内源释放.外源输入是随入流水体和地表径流汇入,既有城镇污水处理厂尾水、工业企业排水等点源污染,也包括雨水径流、农田排水等面源污染; 内源污染指水体内部污染物迁移转化产生的营养盐,主要是水体底部沉积物释放产生,也包括藻类、水生植物等死亡后分解产生的.浅层滞缓流水体氮磷营养盐来源及迁移转化过程如图1所示.

近年来,随着环境保护和水污染治理工作力度的增大,城镇生活污水和工业废水的污染负荷得到有效削减,点源污染已得到较好的控制^[10],但非点源污染问题日益凸显.降水淋洗使大气污染物进入水环境,特别是氮的沉降已成为水体营养盐的重要来源^[11-12].牛勇^[13]等对环太湖区域营养盐沉降的研究表明,2017年8月—2018年7月大气降水中总氮和总磷的浓度范围分别为1.51～5.13和0.02～0.09 mg/L,总氮和总磷的沉降通量分别为7 641 t和131 t,对水体富营养化的贡献不可忽视.雨水径流对地表的冲刷作用会使大量颗粒态和溶解态营养盐进入水体,营养盐浓度与下垫面性质、降雨特征等密切相关.侯培强等^[14]对我国主要城市现有面源污染研究数据的分析表明,城市道路和屋面径流中总氮的平均浓度分别为7.84 mg/L和6.20 mg/L,总磷平均浓度分别为0.78 mg/L和0.38 mg/L,显著高于天然雨水.在面积更为广阔的农村地区,面源污染问题更为突出,有研究认为农村面源污染可占河流和湖泊营养盐负荷的60%～80%^[15].

图1 浅层滞缓水体营养盐来源与迁移转化过程示意图
Fig.1 Source and migration of nitrogen and phosphorus in shallow stagnant water

因此,浅层滞缓流水体自身较弱的自净能力和适宜藻类生长的水动力条件、外源污染物的输入与内源污染的释放共同导致了其富营养化加剧、水质不断恶化.

近年来,随着点源污染逐步得到控制,面源污染已成为外源污染控制的重点和难点.浅层滞缓流水体富营养化风险更高,应在其汇水区域内通过海绵城市建设、初期雨水和合流制溢流污水处理等措施控制城市径流污染^[21-22],通过农村人居环境整治、农业种植结构调整、合理控制化肥使用量等削减农村面源污染负荷^[23].需要指出的是,面源污染控制是一项长期系统工程,短期内往往难以见效.

此外,作为景观水体的湖泊、池塘等由于缺乏补给水源,大多以再生水为水源.再生水中营养盐水平通常较高,这是景观水体富营养化的重要原因^[24-25].为进一步降低营养盐水平,就须对污水厂尾水进行深度处理,例如采用膜生物反应器+反渗透技术等可将水中的营养盐降至较低水平,但这些系统通常投资较大,且运行费用较高^[26],在很多地区难以大规模推广应用.

底泥疏浚或覆盖是沉积物内源污染控制的常用技术.底泥疏浚是通过挖除营养盐、有机物等含量较高的受污染底泥来减少污染物向上覆水体的释放.科学合理的底泥疏浚能够移除水体内部污染源,有效减少底泥污染物的释放,降低水体营养盐水平^[27].但若疏挖措施不当,会导致间隙水中污染物大量释放; 或疏挖深度不当,可能使营养盐含量更高的深层底泥暴露于上覆水体,反而使水体中营养盐含量升高,加剧富营养化^[28].此外,底泥疏浚工程量大,特别是疏浚过程中产生大量污染物含量很高的淤泥,须设置专门区域和处理工艺进行处置,整体费用较高^[29].底泥覆盖是通过投加改性沸石、黏土、红泥等材料在底泥表面形成覆盖层,阻止底泥中污染物向水体释放,对于底泥污染严重、淤积速度缓慢的水体,底泥覆盖技术可在短期内有效地控制污染物的释放^[30].但由于污染物依然存在于底泥中,随着时间推移,有再次从底泥释放的风险.

生物修复技术利用水生植物或微生物的新陈代谢作用削减水中的营养盐.水生植物在生长过程中从水体和底泥中吸收营养物质,通过定期收割可达到从根本上去除营养盐的目的,同时水生植物还能起到稳定沉积物、削弱风浪对底泥的再悬浮作用^[31].但无论是滨岸带的人工湿地还是生态浮床,其影响范围有限,不适用于大面积水域,且植物的生长受季节影响较大.微生物作为生态系统的分解者,在水体生物修复中有广泛的应用,但大多数微生物仅能实现有机物的分解,传统的脱氮微生物为严格厌氧菌,无法实现天然水体中好氧条件下氮的去除^[32].好氧反硝化菌的发现为天然水体中营养盐的原位去除提供了可能,能在脱氮的同时实现有机物的削减,在浅层滞缓流水体原位修复与水质改善方面有广阔的应用前景^[33-34].

藻类爆发是富营养化水体最突出的问题,如果能在高藻期快速降低水中藻密度,将极大的改善水体感官质量,营造良好的水体景观.

控藻方法可分为物理、化学和生物控藻三种.物理法控藻以人工或机械捞除、超声波控藻、遮光控藻等为主.陈雪初^[35]等开展的原位围隔实验表明,在叶绿素a高达100 μg/L时,实施遮光处理7～9 d,叶绿素a浓度可以下降到30 μg/L.Rodriguez-Molares等^[36]的研究表明超声波能够破坏蓝藻细胞的气囊,促进藻细胞的沉降从而抑制有害藻类的繁殖.但上述技术存在着费用较高、实施难度大、不适合大面积水域的问题.深井增压控藻技术(图2)利用深水压力使蓝藻细胞的气囊破裂,浮力调节功能丧失,从而抑制藻类繁殖,该技术运行能耗和费用极低,在浅层滞缓流水体藻类控制方面具有较好的应用前景^[37-38].化学法是使用杀藻剂使藻细胞衰亡裂解,但杀藻剂在快速降低藻密度的同时也影响其他水生动植物的生长,其在食物链中的富集成为潜在的生态安全隐患,因此在实际工程中使用较少.生物法控藻包括滤食性鱼类的滤食作用和溶藻细菌对藻类的分解作用等^[39],这类方法具有成本低、无二次污染的特点,但仅能在一定程度上减缓藻类的爆发,并不能从根本上控制藻类的繁殖.

图2 深井增压控藻技术原理示意图[37-38]
Fig.2 Schematic diagram of the principle of algae control through deep well circulation

在浅层滞缓流水体富营养化控制中,改善水动力条件是前提,削减营养盐是根本,控制藻类繁殖是关键.在陕西省重点研发计划重点产业创新链项目的支持下,西安建筑科技大学联合陕西西咸新区水务集团有限公司正在开展浅层滞缓流水体营养盐削减与藻类控制技术研发,基于好氧反硝化脱氮^[33-34]、深井增压控藻^[37]、循环造粒流化床高效固液分离^[40]等关键技术开发浅层滞缓流水体富营养化综合控制技术.

该集成技术针对浅层滞缓流水体的污染特征,将原位控制与异位削减相结合,根据水质污染程度采取针对性的控制技术,具体来说,在水体内设置生物填料单元,利用微生物负载技术将好氧反硝化细菌负载在填料上,保持微生物的活性、脱氮特性、抗水力冲击性等,实现在好氧、贫营养条件下原位高效持续脱氮除碳; 中低污染负荷时,在利用好氧反硝化生物膜削减浅层水体的营养盐的同时,通过原位低能耗深井循环降低藻类活性的同时,增加湖湾、库湾等滞流区水体流动,改变水体流场,以极低的能耗增强水体流动、实现物理控藻; 外源补水水质差或水体内局部藻类高发时,通过原位好氧反硝化、深井增压控藻、循环造粒流化床高效固液分离等单元协同工作,在削减水中的氮磷营养盐的同时高效分离藻类、有机物,避免污染物在水体内的蓄积,保障水质安全.