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应学美国采用控制湖水含磷量来治理水华

2009-05-13

说明：本文是应《百科知识》杂志编辑约稿所作初稿，是笔者根据多年收集的资料和撰写的专著《蓝藻水华治理与控制》内容，所做的总结，后作了较大修改，以题目《换个思路降水华》发表在2009年第6期上（3月出版）。 水处理是很成熟的技术，40年前，多个国家就能将污水处理到饮用水水质，超过天然水水质。2007年太湖蓝藻爆发以后，国内有专家在报纸上说，水华治理是世界难题，替精英们辩护（于是认为是治理难题，没有答案的该专家就成为太湖治理规划的首席专家，中国的事情就是如此荒谬）。问题的背后是精英们不愿在这方面花钱。另雨水治理是治理水华的前提。

　　1、前言

　　水资源是我国经济发展不可缺少的重要资源，最近几年，我国湖泊水华频繁发生，影响了水资源供应。如何治理水华，受到国内广泛关注。

　　什么是水华：水华是水体中发生的一种自然生态现象。通常认为水华是水体中浮游生物生产量增大，使浮游生物现存量达到较高水平，人们能够观察到的现象。在淡水水体，绝大多数的水华是由通过光合作用生长的藻类引起的，如蓝藻（严格意义上应称为蓝细菌）、绿藻、硅藻等；近年来，我国淡水水域频繁暴发蓝藻水华。淡水“水华”发生时，水一股呈蓝色或绿色。这种在自然界就有的“水华”现象，在我国古代历史上就有记载。由于浮游生物生命周期很短（几天到十几天），繁殖速度快。在适宜条件下，短时间内大量繁殖，又很快大量死亡。使天然水体有机物浓度大幅度增加。引起好氧细菌大量繁殖，消耗水中溶解氧，从而形成厌氧环境，导致厌氧细菌大量繁殖，产生硫化氢等含有恶臭的气体，同时形成很多有毒有害物质，使局部水域污染，破坏了生态系统和水资源，对人们的生活和经济活动产生了严重影响。国内外都十分关注水华治理工作。

　　水华产生机理－富营养化：藻类生长需要多种条件，包括合适的水温，光照，多种营养元素等。通常天然水体中氮磷营养盐含量较低，藻类生长速度慢，水华不常发生。但是，除氮磷营养盐外，天然水体中容易具备藻类生长所需要的其他各项条件。人类活动加强以后，特别是工业化以来，排入天然水体营养盐增加很快，导致天然水体富营养化严重，使水华在春秋等温暖季节频繁爆发。

　　水华治理原理－控制湖泊总磷浓度：从原理上分析，在天然水体如湖泊内控制任意一种藻类生长所必须的元素或物质，使其低于藻类生长所需要的浓度，或直接通过某种措施控制藻类生长速率或浓度，都能达到水华治理目的。实际应用时，由于产生水华的藻类多达数千种，它们生长条件各不相同，天然水体与自然环境存在良好的物质和能量交换，寻找一种能够控制所有藻类生长速率的经济方法是相当困难的。到目前为止，国外经过长期研究和实践认为，能够普遍有效而又经济的水华治理方法是控制水体总磷浓度。由于磷是生物细胞不可缺少的元素，将天然水体水中总磷浓度控制到0.01-0.02毫克/升，藻类生长速率就会受到抑制，藻类浓度会被控制到较低水平，不会对天然水体产生明显危害,控制水中氮是另外一种选择，但是，由于很多蓝藻能利用空气中氮气合成所必须的氨态氮，我们难以控制水体中蓝藻利用空气中氮生长，因此，单纯控制湖水中氮，难以达到永久控制蓝藻水华的目的。

　　国内长期以来，一直在争论，控制水华应采用控磷法，还是同时控磷和氮。由于控制水中氮，需要较高的投资和运行成本来处理城市污水，大大增加我国湖泊水华治理费用，同时受投入限制，控磷远远达不到要求，使水华控制努力付之流水。

　　美国和其他西方国家采用控磷法治理水华，本文主要介绍美国水华治理情况，包括政府制定的政策、标准，发布的技术报告和指南，主要湖泊治理情况，主要水污染源处理方法等。

　　2、美国政府采用控磷法治理水华

　　为治理湖泊水华，2000年4月发布美国湖泊与水库营养物基准技术指南，帮助各州建立水体的营养盐基准。该基准是政府强制执行天然水体污染控制工作的基础。根据美国湖泊与水库营养物基准技术指南，湖泊水库的水质富营养化基准指标有四项，包括引起富营养化的两项指标，氮磷营养盐和两项生物反应变量藻类叶绿素含量和塞氏透明度或藻类浊度。总氮和总磷是引起富营养化的原因变量，叶绿素和透明度是初始反应变量。反应变量可以清楚地表明问题的存在。但是有时候，水很清澈，却含有过高氮磷，对下游形成危害。天然水体富营养化的原因，在很大程度上是太多的氮或太多的磷或两者组合引起的。氮对大多数淡水湖泊来说，不是主要的影响因素，但对河口和近海水域非常重要。

　　该报告指出，根据Liebig最小因子定律，植物的生长取决于那些处于最少量状态的营养元素。氮和磷是湖泊中藻类植物生长所必须的营养盐。通常认为磷是调节湖泊藻类生长速度的营养盐，也是最易被控制的。因此，磷是涉及湖泊和水库富营养化问题的主要变量。Vollenweider（1968）和Sawyer（1947）均根据磷浓度划分湖泊营养状态。通常认为总磷浓度低于0.01毫克/升属于贫营养，难以发生水华。1982年世界经济合作与发展组织（注：该组织是西方国家政府间组织）发布的报告《水体富营养化监测、评价与防治》,明确提出治理湖泊富营养化应控制湖水磷到0.01-0.02毫克/升以下。

　　氮也是藻类生长的基本营养成分。但是，该指南明确指出，与磷相比，控制氮的来源更加困难，因为氮能被湖泊内几种类型的生物直接从空气中吸收，这些生物包括蓝藻门中的某些物种，此外，氮常常不是限制植物生长的限制因素。因此，世界上大多数湖泊富营养化治理的重点是控制磷。

　　然而，影响湖泊藻类生长因素复杂而多变，常常随季节等而改变，随上游流域土地利用状况而改变，随地理位置变化。少数湖泊受氮控制，主要包括位于亚热带、高纬度或高海拔地区，含有较多污水处理厂排放的废水。其原因还不清楚，研究数据暗示，磷能比氮有效循环，在没有外来营养盐输入时，夏末氮可能成为限制性因素。这些结果并不意味着在湖泊富营养化治理上，持续控制磷是不能保证治理效果的。但是，我们需要更好地了解氮限制的频率和范围，以辨别湖泊的功能。因此，需要制定氮的基准。

　　贫营养水体中同样生长一些藻类，如绿藻和硅藻，但是藻类浓度相对较低，对水体功能影响小，将淡水湖泊治理到贫营养或接近贫营养，就达到水华治理目的。由于藻类主要生长在浅水区域，它们易在风力作用下，聚集在局部形成较高数量的水华，即使在贫营养水体，有时在局部区域也会聚集大量水华，使局部水质在短期内恶化。这是很多大型贫营养湖泊在局部区域观察到较高浓度水华的主要原因。

　　美国环保局还发布了湖泊治理指南，2001年更新出版了第三版，该指南采用控制湖水磷浓度来制定湖泊水华治理规划和管理方案。

　　3、美国污水处理厂主要除去总磷和氨氮，不要求总氮

　　通常人类活动是天然水体中营养盐增加的主要原因，其中城市污水是营养盐的主要来源。因此，在城市污水处理厂削减污水中营养盐是减小天然水体富营养化的关键工作之一。美国污水处理厂通常主要除去总磷和氨氮，不要求总氮。除去氨氮的目的是防止氨氮过多，影响鱼类生长。

　　美国环保局于2007年4月发布了污水处理厂高级处理获得出水低浓度磷的运行状况报告，披露了二十一个污水处理厂运行情况，这些厂进行了高级除磷工艺改造，大部分于2003年投产，稳定运行3年左右。报告中给出了每个污水处理厂出水要求，主要除去总磷和氨氮，不要求总氮。这些污水处理厂出水总磷浓度大都低于0.1毫克/升，还有几个厂出水总磷浓度低于0.01毫克/升。

　　在雨水径流污染处理方面，美国同样除去雨水中磷来防治水华。美国佛罗里达州Okeechobee湖流域使用了约100平方公里土地用于雨水径流沉降处理，每年除去了2500吨磷，使进入流域的雨水含磷量降低到0.012毫克/升。

　　4、美国湖泊治理采用控磷法

　　美加两国之间分布的五大湖，是世界上最大的湖泊群。上个世纪六十年代五大湖部分湖区污染严重，水华泛滥，1972年两国签署协议，通过减少磷排入五大湖流域来治理水华，到上个世纪八十年代，通过污水除磷，湖水总磷下降到0.005-0.015毫克/升，水华得到控制。然而，最近10年，由于流域雨水携带的磷增加，总磷又在伊利湖局部湖区严重超标，水华重新泛滥。最近两国管理者通过广泛研究，一致认为，控制营养盐磷仍然是五大湖水华治理的目标。

　　美国Onondaga湖处于人口密集的城市下游，与我国很多湖泊类似，曾经污染严重，被称为”美国富营养化最严重的湖泊”，人们一度认为治理前景黯淡。1998年启动的污染治理行动，以提升污水处理厂除磷水平，要求出水总磷浓度从平均0.6毫克/升降低到0.02毫克/升以下；提高合流制下水道溢流处理能力为主要手段，Onondaga湖水质和富营养化水平有了明显改善，目前出水总磷浓度已下降到0.035毫克/升以下，湖水接近中营养状态，明显减少了水华。

　　5、我国采用控磷法治理水华估算

　　我国有很多湖泊富营养化严重，采用控磷法治理，应进一步削减排入湖泊的磷，使湖水含磷量低于0.01-0.02毫克/升。这需要进一步处理城市污水和工业废水，城乡雨水径流，降低含磷量，清理湖底淤泥，减少大气沉降携带的磷等。这些方面的治理技术已成熟可靠，但需要较大的投入和较长的时间。初步匡算我国湖泊水华治理总投资约1.5万亿，每年处理成本约1500亿元，目前已投资建设了部分工程，根据2007年国家环境公报，当前城市污水处理率为60％，考虑它们需要升级改造，实际需要投资约10000亿元。未来城市人口增加到90％以上，需再增加约1.5万亿投资和1500亿运行费用。我国应加强相关研究和工程实践，尽快应用。国家有近2万亿美元外汇储备，并不缺少治理经费。治理污染需要的是人力和物力，而不是所谓经费，用人民币代表的经费是银行印制出来的。我们有2万亿美元所对应的物资，有大量失业人员，说明我们不缺少人力和物力。美元不用，等着美元不断贬值，就等于将物资免费送给美国了。