飲用水水源區(qū)水庫水體降氮技術(shù)研究

李高杰 王彬彬 張連春 王繼業(yè) 宋旭東

（山東省龍口市王屋水庫管理所 龍口 265721）

王屋水庫位于山東省龍口市黃水河中游，始建于1958年。是一座多功能大（2）型水庫，流域面積320km2，總庫容1.21 億m3。正常蓄水位73.5m，庫容0.725 億m3。水庫擔(dān)負(fù)著龍口市供水的重任，維護(hù)水生態(tài)系統(tǒng)的安全有著十分重要的意義。

1 水庫水生態(tài)環(huán)境狀況

1.1 流域概況

水庫地處北溫帶東亞季風(fēng)型氣候區(qū)，氣候溫和，年平均氣溫11.8℃。多年平均降水量673mm，全年降水主要集中在夏秋季。7—8月降水量占全年的49%。黃水河屬季風(fēng)雨源性河流，源短流急，汛期洪水來勢兇猛，洪水過后在短時間內(nèi)即形成斷流。水庫流域范圍內(nèi)主要為棕壤土，山丘區(qū)土壤質(zhì)地較粗，土體淋溶作用較強(qiáng)，蓄水能力低，森林覆蓋率約在50%以上，土壤流失嚴(yán)重。

1.2 水庫水質(zhì)

王屋水庫屬飲用水源區(qū)，2012—2014年水質(zhì)監(jiān)測資料統(tǒng)計(jì)，氮最低含量為10.4mg/L，最高達(dá)22.3mg/L，其他各項(xiàng)符合國家地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。總氮中92%～97%為硝酸鹽氮。由于磷的制約，水體生產(chǎn)力不高，每年的魚產(chǎn)量波動在100～120t。磷的來源和氮一樣，主要來自地表徑流和工業(yè)及生活污水。一般在0.01～0.02mg/L 之間。國內(nèi)外研究表明，淡水水域中藻類和大型植物體氮磷的比例約為7～9∶1，王屋水庫N∶P 比最高達(dá)到92.83∶1，由于氮磷比失調(diào)，造成初級生產(chǎn)力低下，水庫生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)失調(diào)。

為此，進(jìn)行了魚類種群結(jié)構(gòu)的調(diào)整，通過魚類及底棲生物的活動，促進(jìn)底層磷的釋放等措施，成效不甚理想。通過研究試驗(yàn)，篩選出磷酸二氫鉀，利用其特有的活性促進(jìn)氮的轉(zhuǎn)化，取得了顯著成效。

2 材料與方法

2.1 治理試驗(yàn)水域

試驗(yàn)水域?yàn)榇髩我晕鞯膸鞛常娣e約13.3ha，平均水深約5m，蓄水量約60 萬m3。主要用于培育鰱、鳙養(yǎng)魚種，放流密度約為750 尾/ha，以白鰱為主。

2.2 材料

試驗(yàn)所用材料為磷酸二氫鉀（KH2PO4）及光合細(xì)菌和枯草桿菌復(fù)合劑。磷酸二氫鉀是一種無色方晶體或白色結(jié)晶性粉末，無嗅、無味、易溶于水。在工業(yè)及食品上廣泛應(yīng)用。含磷量為52.16%，含氯化鉀34.61%。

2.3 方法

試驗(yàn)開始前后采集水庫及庫灣水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，浮游生物定性定量分析。西庫灣總氮含量14～20mg/L，總磷0.01～0.03mg/L，淡水水域中藻類和大型植物體氮和磷的比例約為7∶1～9∶1，按8∶1 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，磷含量需達(dá)到0.43mg/L，投放磷酸二氫鉀的濃度要達(dá)到0.4mg/L。水體容積按60 萬m3計(jì)算，磷酸二氫鉀投入總量約1100kg。根據(jù)總量控制，水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，分批以水溶液潑灑。光合細(xì)菌和枯草桿菌復(fù)合劑在水體透明度低于0.5m 時，在原液中加水進(jìn)行潑灑。西庫灣試驗(yàn)從2014年5月開始，11月結(jié)束。投入量及投入時間見表1。

表1 磷酸二氫鉀及生物制劑投入時間與數(shù)量表

3 結(jié)果

3.1.總氮含量變化

從5月6日至7月29日，通過5 次投放磷酸二氫鉀，總氮由19.7mg/L，降至最低1.50mg/L，僅高于地表Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)限值0.5 倍，平均含量為2.58mg/L，與2014年大庫的平均含量17.17mg/L，下降了6.65倍，降氮顯著。氮含量變化情況見圖1。

圖1 總氮含量變化圖

3.2 總磷含量變動

試驗(yàn)期間磷波動在0.01～0.12mg/L 之間（見圖2）。大庫總磷含量在0.01～0.04mg/L 之間波動。試驗(yàn)水域高于大庫。水體總氮在2mg/L 左右時，此時氮、磷比已超出浮游植物吸收利用的合理區(qū)間，磷含量比7、8月份稍高。總體在可控范圍，水質(zhì)其他指標(biāo)無明顯變化。

圖2 總磷變化圖

為驗(yàn)證庫灣試驗(yàn)效果，2015年在壩區(qū)水域設(shè)置了兩個帆布圍隔，庫灣試驗(yàn)研究內(nèi)容重復(fù)進(jìn)行。氮、磷指標(biāo)變動趨勢與庫灣相似。

3.3 微生物制劑與高錳酸鉀指數(shù)變化

試驗(yàn)水域5—7月份高錳酸鉀指數(shù)符合地表水Ⅲ類環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。8月份高錳酸鉀指數(shù)高達(dá)30.1mg/L，而大庫為4.8mg/L，高出大庫6.2 倍。化學(xué)需氧量高達(dá)117mg/L，超出標(biāo)準(zhǔn)限值5.85 倍，水體透明度降至45～50cm。其原因是前期氮、磷比相對平衡，被水生生物大量吸收，浮游生物生物量大增，未能被魚類及其他水生生物完全利用，死亡個體增多。7月上旬2 次投放枯草芽孢桿菌及光合細(xì)菌，水體中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可被水生生物吸收的營養(yǎng)物質(zhì)，加快了物質(zhì)循環(huán)。9月份高錳酸鉀指數(shù)降到5.4mg/L，低于地表Ⅲ類水指標(biāo)。化學(xué)需氧量降至22mg/L。光合細(xì)菌和枯草芽孢桿菌復(fù)合劑具有明顯效果。

3.4 浮游生物數(shù)量變動情況

水體中氮、磷等生物營養(yǎng)元素的含量及構(gòu)成的比例，直接影響浮游植物、浮游動物及微生物，進(jìn)而影響魚類及底棲生物，對水域生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生重要影響。

3.4.1 浮游植物

共鑒定到浮游植物50 余種，分屬于6 門25 屬。浮游植物以小于8um 的小型藻類為主，綠藻門的種類占優(yōu)勢，大于15um 的大型硅藻則較少。浮游植物數(shù)量由初始的51.3 萬個/L，提高至最高峰342.6 萬個/L。而總磷由試驗(yàn)濃度0.43 mg/L 降至0.01mg/L，總氮下降浮游植物數(shù)量也呈現(xiàn)下降趨勢（見表2）。

表2 浮游植物數(shù)量變化表

3.4.2 浮游動物

浮游動物總體數(shù)量不多，種類較為貧乏。主要為輪蟲和枝角類，小個體的數(shù)量多。撓足類主要為劍水蚤、哲水蚤。原生動物僅見沙殼蟲等少數(shù)種類（見表3）。

表3 浮游動物數(shù)量表

3.5 魚類及其組成

水庫共有魚類25 種，放流的主要是鰱、鳙魚，其產(chǎn)量較低。西庫灣主要用來培育魚種，試驗(yàn)期內(nèi)放養(yǎng)密度低，群體數(shù)量少，總體攝食量不高，浮游生物出現(xiàn)過剩現(xiàn)象。

3.6 底棲生物

底棲生物主要有搖蚊幼蟲、水絲蚓、軟體動物蚌及貝類。蝦類有秀麗白蝦等。這些種類生活在底層，其活動和攝食過程擾動了水體，對底層淤泥中磷的釋放有一定作用。

4 討論與小結(jié)

4.1 磷酸二氫鉀的驅(qū)動效應(yīng)

氮、磷是水體藻類生長的主要限制因子。大多數(shù)水庫正磷酸鹽（PO4-P）含量不高，水生藻類和大型植物體內(nèi)氮和磷的比例約為7N∶1P，王屋水庫的氮負(fù)荷高，磷是限制性的因子，利用磷酸二氫鉀作為驅(qū)動劑，實(shí)現(xiàn)了快速降氮。而氮、磷的動態(tài)平衡，為藻類生長、繁殖提供良好條件。帶動水體中物質(zhì)循環(huán)，最終以水生生物為終極產(chǎn)品，將氮磷移出水體，同時帶動了水體生產(chǎn)力的提高。

4.2 磷沉積問題

是否會引起磷沉積倍受關(guān)注，如氮已超標(biāo)，又造成磷沉積，引發(fā)水庫富營養(yǎng)化的加劇。淡水中可溶性無機(jī)磷占總磷的很小比例，且處于快速循環(huán)利用之中。國內(nèi)外研究表明：溶解性無機(jī)磷和浮游植物及細(xì)菌的交換速度非常之快，周轉(zhuǎn)時間僅5min。在藻類中的周轉(zhuǎn)時間為0.75～5.0 天。在磷源充足時，藻類能吸收超過本身需要的磷量，一部分用于生長，大部分（95%以上）積累于細(xì)胞內(nèi)供磷源不足時使用。受水域環(huán)境和生物因素的雙重影響，對磷的沉積不可能產(chǎn)生大的影響，可以通過調(diào)控磷濃度解決。

4.3 水庫魚類保有量問題

水庫占主導(dǎo)的鰱、鳙、青魚、草魚、是江河產(chǎn)卵類型，在水庫不具備產(chǎn)卵繁殖條件，種類雖不多，卻是水庫魚類的主體，是影響水庫生態(tài)系統(tǒng)的重要因子，直接影響水質(zhì)。西庫灣每立方水體鰱、鳙保有量僅有8.3g。這樣的密度顯然過低，至少要維持在25g 以上。

4.4 小結(jié)

在高氮水體使用磷酸二氫鉀，配合微生物復(fù)合劑，降氮速度快、效果明顯，與大庫總氮平均含量相比，降低了6.65 倍。總磷在0.06～0.14mg/L 之間波動，在可控范圍之內(nèi)。除氮、磷外，水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)并無大的變化。通過魚類種群結(jié)構(gòu)的調(diào)整，合理確定保有量，以及其他生態(tài)措施的配合，水庫的生態(tài)學(xué)管理將進(jìn)入一個新的階段■