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飲用水源安全直接關系人民群眾身體健康和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，保障飲用水源安全是落實科學發(fā)展觀的重要體現(xiàn)，是構(gòu)建社會主義和諧社會的內(nèi)在要求，是著力民心、民生的具體行動。隨著城市和工業(yè)的不斷發(fā)展，以及農(nóng)業(yè)化肥和含磷洗滌劑的大量使用，大量未經(jīng)處理的城市生活污水和工農(nóng)業(yè)廢水流入湖泊和江河中，使湖泊、江河中的氮、磷等營養(yǎng)鹽不斷積累，長期的面源污染造成水底厭氧層增厚，促使部分藻類以及其他水生生物異常大量繁殖，造成水體透明度下降，產(chǎn)生異味，水體功能遭到破壞，爆發(fā)水華等污染事件［1］。水體富營養(yǎng)化既是一個水環(huán)境問題，更是一個生態(tài)問題。因此，治理富營養(yǎng)化水體，提高水體自凈能力，已成為當前水生態(tài)學研究的熱點問題之一。

1 水體富營養(yǎng)化常用處理方法

1.1 工程性措施

主要方法有清掏底泥沉積物、在深層水體中曝氣、加水沖稀以及在底泥表面敷設塑料等。底泥疏浚，可減少以至消除營養(yǎng)鹽和藻類休眠體。深層曝氣，在水中布設曝氣頭，人工水體深層曝氣充氧，機械破壞水體分層，使水與底泥界面之間不出現(xiàn)厭氧層，經(jīng)常保持有氧狀態(tài)。這種方法耗能高，溶氧率低，而且極易造成底泥上翻，造成內(nèi)源二次污染。

1.2 化學方法

通過投加混凝劑凝聚沉降和用化學藥劑殺藻的方法，利用帶有正電荷的陽離子使磷有效地從水溶液中沉淀出來，其中最有價值的是價格比較便宜的鐵、鋁和鈣，它們都能與磷酸鹽生成不溶性沉淀物而沉降下來。還有一種方法是用殺藻劑殺死藻類，這種方法適合于水華嚴重的水體。殺藻劑將藻殺死后，水藻腐爛分解仍舊會釋放出磷，因此，應該將被殺死的藻類及時撈出，或者再投加適當?shù)幕瘜W藥品，將藻類腐爛分解釋放出的磷酸鹽沉降。此方法投放量控制難度大，對水生物存在潛在的影響。

1.3 微生物投加方法

投加適量的微生物，加速水中污染物的分解，起到水質(zhì)凈化的作用。微生物的繁殖速度呈幾何級增長，在繁殖的過程中分解水體中的有機物，吸收分解后的營養(yǎng)物質(zhì)作為自身的營養(yǎng)來源。生長環(huán)境對微生物活性影響很大，例如pH值、溫度、氣壓、水體中的溶解氧等。該方法弊端在于投加外來微生物會對原水生態(tài)系統(tǒng)帶來一定的隱患。

1.4 生物性措施

建立人工生態(tài)體系：人工生態(tài)系統(tǒng)利用種植水生植物、投放浮游生物、魚類等形成食物鏈。其中不僅有分解者生物、生產(chǎn)者生物、還有消費者生物，三者分工協(xié)作，對污水中的污染物進行更有效的處理與利用，由此可形成許多條食物鏈，構(gòu)成縱橫交錯的食物網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。

以上方法普遍存在能耗高、效率低、對水體產(chǎn)生二次污染、對原有生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅甚至破壞等問題。

2 分子控藻靜默生態(tài)修復技術(shù)

該技術(shù)是在湖庫型富營養(yǎng)化水體介入人為動力，使水體建立良性的流體生態(tài)，建立起從初始消費者—藻類、微生物等到頂端生物的良性生態(tài)食物鏈體系，通過管理生態(tài)食物鏈體系及定期移走頂端生物即可使富營養(yǎng)化水體逐漸修復并建立具備污染負荷自凈能力的健康水體。

具體實施技術(shù)采取如下工藝：“水生態(tài)基因納米調(diào)控+微納米底部充氧+環(huán)境友好微生物及酶”相結(jié)合，構(gòu)建良性生態(tài)食物鏈。該技術(shù)可有效控制有害藍藻，改善水生態(tài)環(huán)境，構(gòu)建生物多樣性的良性水體生態(tài)系統(tǒng)，建立可持續(xù)的、低成本的、良性運營管理的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能，提升水體的自凈能力。

2.1 生態(tài)納米基因調(diào)控技術(shù)

生態(tài)因子及基因表達納米調(diào)控設備根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)反饋的水體各項參數(shù)，直接調(diào)節(jié)高能納米活性氧環(huán)境、pH值、濁度、水體流態(tài)、流速、溶解氧環(huán)境及氧化還原電位等環(huán)境因子的同時，對于環(huán)境友好型微生物及酶的投加量、投加濃度及投加配比等運行參數(shù)進行調(diào)整，從而調(diào)節(jié)至最適環(huán)境友好型微生物菌群結(jié)構(gòu)及酶活性。

基于分子生物信號學及生物分子動態(tài)學原理，調(diào)控水體環(huán)境因子及酶催化協(xié)同下調(diào)控有害微生物基因表達，如：端粒酶合成基因、營養(yǎng)鹽吸收基因、胞外酶合成基因、藻類鐘控基因、藻類氣囊基因、藻毒素合成調(diào)控基因等，見圖1。

生態(tài)基因調(diào)控單元根據(jù)系統(tǒng)反饋的水環(huán)境狀況，通過生態(tài)因子調(diào)控，改變水生生物有害基因表達，從而改善水體生態(tài)環(huán)境，見圖2。

2.2 微納米靜態(tài)充氧技術(shù)

以微納米充氧裝置及微納米氣泡發(fā)生裝置作為氧氣、高能活性氧發(fā)生裝置，結(jié)合微納米氣泡擴散裝置進行底部充氧，可引發(fā)氣泡粒徑可控的高能活性氧微納米氣泡。通過高能活性氧微納米氣泡的平面流和縱向流擴散，高能活性氧以分子態(tài)溶解于水中成為溶解氧，從而改變水體溶氧量，輔以酶和環(huán)境友好型微生物，使微生物及水體動植物生存的環(huán)境、水體條件發(fā)生變化。倒八字型微納米充氧技術(shù)使水體流態(tài)發(fā)生變化，破壞藻類晝夜垂直遷移的規(guī)律，迫使藻類于日間向下運動，隨水深增加抑制其光合作用，藻類無法由光照汲取能量，最終衰亡，見圖3。

納米充氧技術(shù)增加水體中下層溶解氧，使水體底部處于好氧狀態(tài)，抑制厭氧菌、厭氧生物的生長、繁殖及有害代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生；反之，促進好氧型環(huán)境友好微生物及原低溶氧水體中受抑制的其他好氧水生生物的繁殖與生長。傳統(tǒng)曝氣技術(shù)，容易擾動河道底泥，使底泥中營養(yǎng)鹽釋放到水體中加快水質(zhì)惡化，而微納米氣泡可長時間存在于液體中，溶氧效率高，見圖4。

2.3 構(gòu)建良性生態(tài)食物鏈

采用食物鏈控制，使污染能源物質(zhì)由底泥一步步的轉(zhuǎn)移到頂端生物魚體內(nèi)，通過控制生態(tài)鏈中各種群生物量，使水體的藻類得到控制，底泥得到降解。通過好氧菌群、原后生動物、魚類、兩棲類動物這條生物鏈將污染物質(zhì) （有機等富營養(yǎng)物質(zhì)、底泥）從水體中徹底除去，使生態(tài)系統(tǒng)實現(xiàn)良性循環(huán)，污染物總量控制達到國家標準。

磷是藻類的限制性元素，水體中的N：P比值遠高于藻類原生質(zhì)中的N：P比值。當比值大于7的時候，磷是主要的限制因子；比值在25時，藍藻容易成為優(yōu)勢種群。通過構(gòu)建良性生態(tài)食物鏈，將磷傳遞到水體生態(tài)食物鏈頂端，再通過漁業(yè)捕撈將磷從水體及沉積物中去除［2］，見圖5。

流域生活污水、農(nóng)村生活垃圾和農(nóng)田徑流等總氮含量較高的污染源的進入，若無良好生態(tài)食物鏈建立，會同時引發(fā)固氮藍藻的繁殖，使水中總氮含量的進一步增加，超過水生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)硝化反硝化作用、氨異化及同化作用的能力。通過建立良好的水體環(huán)境，以及相應的微生物生存空間，良性生態(tài)食物鏈得以建立，氮循環(huán)中各種生物的作用能力增強，最終總氮含量得以削減，見圖6。

在提供了良好水體環(huán)境后，良性食物鏈逐步建立，好氧水體中食物鏈能量傳遞、物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率高，不易沉積底泥，且不會因為水體及底泥厭氧，導致有害厭氧微生物大量繁殖并產(chǎn)生有害氣體。

2.4 環(huán)境友好型微生物及酶

分離提取待治理水庫中水體和泥樣中有益的原位土著菌，如酸化菌、芽孢桿菌、光合細菌，硝化反硝化菌等，自主馴化、培養(yǎng)，在其自身產(chǎn)生的生物酶的催化作用下，吸收、降解水體中的富營養(yǎng)物質(zhì)、糞便渣、藻類殘體等。這些好氧菌具有比水體底部自有厭氧菌更高的活性，不引進外來微生物，利用生物固定自養(yǎng)床的原位生長模式形成優(yōu)勢菌群，有效改善水體底部的微生態(tài)環(huán)境。

3 應用案例

東牙溪水庫是三明市區(qū)重要飲用水源地，位于三明市東南部三元區(qū)中村鄉(xiāng)境內(nèi)，總庫容2263萬m3，最大水深為63.4 m，平均供水量10萬t/d。東牙溪主河道全長超30 km，全流域面積188 km2，壩址上游集雨面積156 km2。

東牙溪水庫已使用近20年，由于水庫泥沙常年淤積，水庫有效容積日益減少，再加上庫區(qū)周邊生活污染源和農(nóng)業(yè)面源污染排放的營養(yǎng)物質(zhì)在水庫中長期積蓄，以致每年的6月至8月份，伴隨長時間高溫少雨氣候，水庫表層水質(zhì)溶解氧過飽和，pH值和總氮增高，局部水域表層藻類大量繁殖，水體富營養(yǎng)化特征趨于明顯。

3.1 項目布點

根據(jù)前期調(diào)研數(shù)據(jù)繪制水庫底泥位形圖，根據(jù)流態(tài)、流速、溶解氧、優(yōu)勢菌群等相關數(shù)據(jù)找出富營養(yǎng)化重災區(qū)，將設備分布于選定的點，見圖7。

3.2 設備清單

生態(tài)修復設備清單見表1。

表1 設備清單

3.3 實施成效

根據(jù)工程實施方實測數(shù)據(jù)，從2014年6月底生態(tài)修復設備投入運行以來，底泥性質(zhì)改變，逐步進入降解階段。實踐表明該技術(shù)不會使底泥上揚，控藻效果明顯，微生物絮凝效果明顯。在9月突發(fā)特大暴雨的沖刷下，設備仍穩(wěn)定運行。福建省三明市區(qū)飲用水源地水體生態(tài)修復第一期工程的成效開始顯現(xiàn)，東牙溪水庫各項指標均符合地表水Ⅲ類標準，水質(zhì)達標率均保持100%。

4 工藝優(yōu)勢特點

本項目技術(shù)具有以下優(yōu)點：

（1）可以對藻類水華暴發(fā)進行有效地預警，可以遠程在線監(jiān)控，即時觀察到水體指標變化；發(fā)出報警信號后啟動應急臭氧源高溶氧發(fā)生裝置，對藻類進行有效抑制。

（2）提高供氧系統(tǒng)的溶氧效率，降低能耗，避免供氧對沉積物進行擾動。

（3）不投加外來物種及物質(zhì)，避免外來物種入侵及二次污染。

（4）可以去除水體土腥味，降解底泥。

5 結(jié)語

該技術(shù)具有能耗低、效率高、運行穩(wěn)的特點，從不同的角度實現(xiàn)消除污染、保護水源、美化環(huán)境、促進發(fā)展的目標，其設計合理、實用性強，尤其是對供水水質(zhì)安全要求較高的庫區(qū)型飲用水源地的生態(tài)修復具有推廣應用價值。