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1、我国湖泊水华治理存在的问题与治理技术方案黄卫东1），夏维东2）, 冯生华3)，张鹏4），沈显生5）中国科学技术大学1）地球与空间科学系，2）热科学与能源工程系，5）生命学院，合肥市金寨路96号，2300263)天津市政工程设计研究院，天津市和平区营口道239号，3000514）江苏中天环境工程有限公司，江苏镇江，2120011）通信作者，email: 摘要：国内外经验表明，湖泊水华治理的根本措施是控制排入湖泊的营养盐总量，使湖泊营养盐浓度低于水华危险水平。本文分析我国湖泊水华治理存在的技术问题，主要包括治理指标要求低，达不到治理目的；湖泊上游河流治理要求和城市污水处理标准偏低；主要污染源城市
2、污水治理不彻底，达不到很多湖泊的水华治理要求；其他污染源治理工作迟缓，严重影响湖泊水华治理进程。本文建议制定合理的治理指标，提出了以主要污染源总磷治理为核心的治理方案，分析了方案的技术和经济可行性。分析表明，在我国对主要污染源进行彻底治理，从而完成湖泊水华治理，是一项长期任务，但在技术和经济上是完全可行的。关键词：水华，三湖，蓝藻，总磷，污染总量控制，污染物浓度控制一、引言湖泊治理的难点是水华控制。水华是天然水体藻类大量生长的现象。温暖季节，在流动缓慢的富营养化水体，藻类生长迅速，大量生长导致水资源受到威胁；腐烂分解使水体发臭，危害生态系统和人体健康。近年来，我国在湖泊水污染治理方面投入巨大，
3、仅三湖（巢湖、太湖、滇池）治理投入就超过百亿元，城市污水处理率不断增加，然而，三湖蓝藻水华却依然频繁爆发，呈现欲演欲烈，日益加重的趋势，严重影响饮用水安全，威胁人体健康。2007年五月，无锡太湖蓝藻爆发引起的危机对当地社会生活和经济发展造成了极大的影响。控制天然水体水华的主要措施是降低水体中营养盐，特别是总磷含量1, 2，使其低于产生水华危险的阈值浓度，通常需要将水中总磷浓度降低到0.01-0.02mg/L以下2, 3，才能保证水华得到控制。例如，日本的琵琶湖4，美国的五大湖1等均制定了控制湖水总磷低于0.01mg/L的治理目标。由于水体中固氮菌能够将空气中氮气转化为藻类利用的氮，单纯控制天然
4、水体的总氮含量，不控制总磷含量，不能确保水体水华得到较好控制。通常河流湖泊对污染物有一定的自净能力。对总磷的自净能力主要包括生态系统对磷的吸收利用和磷呈固体状态沉积在水底。我国的湖泊5 和河流，特别是城市河流生态系统6遭到严重破坏，目前很多河流和湖泊生态系统对磷的吸收作用已经很小了，例如，上个世纪五十年代占巢湖面积20的湖滩地生长了大量高等水生植物，它们对湖水中营养盐有很好的吸收除去作用，目前仅剩0.4%7。由于多年来污染物的沉积，很多河流湖泊底部积累了大量固体污染物，在河水冲刷和风浪作用下，容易悬浮，成为污染来源8，从而抵消了污染物沉积带来的自净作用。因此，在治理湖泊水华时，应慎重计算河流和
5、湖泊对磷的自净作用。美国很多区域进行水体治理规划时，并不考虑河流和湖泊对污染物的物理或生物净化作用9。排放到天然水体中的磷来自各种不同的途径，主要包括生活污水，工业废水，城市和农村雨水径流污染，以及天然水体底泥释放等。目前国内外已发展了针对这些污染源的各种除磷技术，能够很好地处理不同来源的污染，成功地治理了很多天然湖泊的水华问题。能否应用这些技术治理我国的天然水体水华，其关键是这些技术是否适合我国国情，特别是在经济上，我国是否能够承受。很多人担心我国国力不足，难以投入足够的资金进行治理。例如，我国城市污水处理对除磷的要求，2002年以后执行的标准反而有所降低，目的是减少城市污水处理费用。本文在
6、剖析我国当前湖泊水华治理方面存在的技术问题的基础上，提出了以主要污染源总磷治理为核心的治理方案，着重分析国内外针对主要污染源发展的除磷方法在我国应用的技术和经济可行性。二、我国水华治理存在的问题我们认为，根据九五期间制定的规划开展的我国现阶段三湖治理工作，随着经济发展和治污形势变化，存在着以下主要问题。1、 目前规划治理指标达不到治理目的。我国九五期间制定的三湖治理目标与湖泊水华治理的关键指标总磷(0.010.02mg/)相差较大。例如，滇池治理目标是TP457251总磷0.60.02-1.70.11.0-11.60.430.07-0.150.57(4)排水系统渗漏严重，污染物大量进入地下水，
7、最终进入湖泊。美国环保局报告表明，管道渗入水量可达到污水流量的329。我国有关单位测试结果表明，流入南方某污水处理厂的污水中有2025是渗入的地下水28。我国南方地下水位高，雨水大量渗入下水道，污染物扩散进入地下水，污水浓度降低，导致污水处理厂有机物含量严重不足。北方地下水位低，污水大量漏出，污染地下水，成为地下水和土壤污染的重要来源，危害极大。进入地下水的营养盐最终进入湖泊，成为湖泊营养盐的重要来源，例如，1987年通过地下水进入巢湖的营养盐总磷达到23.3吨，总氮达到1119吨13。此外，我国分流制排水系统还存在大量雨污水管道混接现象，如上海2003年已建成67个分流制系统中有39个存在严
8、重混接现象29。(5)湖泊底泥污染释放问题严重。多年来，三湖沉积了大量污染物，一些区域沉积污染底泥深度超过1米，底泥中营养盐丰富，在厌氧状态或水力冲刷下，容易泛起和释放，成为湖泊重要污染来源。根据实测结果估算，1987年巢湖底泥释放总磷量可达到229吨13，在平水年将使巢湖总磷浓度增加0.066mg/L，该浓度将使巢湖容易发生水华；2004年太湖总磷释放量估计达到987吨8，是太湖主要营养盐来源之一。6、 湖泊生态系统衰退严重自上个世纪八十年代以来，三湖水下沉水植物等普遍消失11，不仅降低了湖泊自净能力，而且使沉积底泥在风浪作用下容易泛起，加剧营养盐释放，成为湖泊主要污染来源之一。三、治理方案
9、分析我国湖泊水华治理应以降低湖泊总磷浓度，使其低于水华危险浓度为目标。由于很多湖泊的主要入湖河流的营养盐浓度高于湖泊产生水华的危险浓度，目前已没有优质低含磷天然水来稀释城市污水处理厂处理后的污水；另一方面，流域农业面源污染治理工作才刚刚开始，工作量巨大，目前还难以预测治理投入和治理时间，主要入湖河流水质短期内难以改善。因此，对很多来水受到严重污染的湖泊，我们还应对所有排水，包括城市污水、城市雨水、农田雨水等所含关键污染物，如总磷，进行浓度控制。我们建议排入流域水体的所有排水的总磷控制目标浓度应等于湖泊发生水华的阈值浓度减去湖面蒸发，底泥释放及大气降尘和地下水等带来的污染物使湖水增加的浓度。该目
10、标浓度应低于产生湖泊富营养化危险的阈值浓度（0.01-0.02mg/L）。在污染物总量控制基础上，增加浓度控制，使所有污染排放源的污染物浓度低于湖泊控制浓度，今后即使增加新的污染源，由于其浓度低于排放水体污染物控制浓度，虽然增加了污染物排放量，但同时增加了水量，提高了纳污容量，并不增加湖泊的污染物浓度，从而能很好地控制湖泊的水质。在不改变湖泊水质标准的前提下，污染治理要求不会发生变化，即使人口增加，经济发展，废水排放量随之增加，也不需要提高已建污染治理设施的治理效果，很好地维持了建成设施的运行稳定性。这大大简化了流域污染控制的建设和管理工作，降低了湖泊水华控制和治理成本。完成上述治理要求需要针
11、对每一种污染源配套技术成熟，经济上能够承受的治理方案。下面以巢湖流域为例，针对总磷污染的主要来源，通过总结国内外的成功经验，建议和分析我国在湖泊富营养化治理方面可能采用的技术及其经济可行性：1、 城市污水和工业废水治理（详细分析见专文30）：根据以上分析，为了达到三湖水华治理目标，建议三湖流域城市污水处理出水总磷标准提高一个数量级以上，达到0.01-0.02mg/L。美国很多城市污水处理厂执行类似标准，通常在生物除磷基础上，采用絮凝沉淀沙滤工艺，美国环保局最近统计的20个采用深度处理的污水处理厂，18个采用该技术15，出水总磷浓度稳定达到了0.010.02mg/L。从技术原理上看，生物除磷工艺
12、是我国最近几年主要采用的工艺，絮凝沉淀过滤工艺在我国给水处理和中水处理中广泛使用，我们已经掌握了该项技术，其投资和处理费用仅比单纯生物脱氮除磷工艺增加20%左右30, 31，在经济上也是可以承受的。因此，在现有生物脱氮除磷污水处理厂内，增加絮凝沉淀过滤工艺，可达到本文提出的新的治理要求。对于直接排放流域天然水体的工业污水处理，现有出水标准与城市污水处理相同，在现有工业污水处理设施上增加絮凝沉淀过滤工艺，同样能够达到0.01-0.02mg/L标准。所增加费用类似城市污水处理厂，企业是完全能够承担的。2、 城市雨水径流污染治理（详细分析见专文32）：雨水径流污染物主要以悬浮固体存在，采用沉淀和渗滤
13、技术可以除去大部分污染物，包括总磷16。例如，美国环保局同意合流排水区85以上的溢流废水经一级沉淀处理，就达到国家清洁水法的要求33。由于雨水径流水质水量时空变化较大，通常需要因地制宜建设雨水储存设施。在治理技术上，主要采用各种因地制宜的雨水沉淀和渗透技术。发达国家在城市雨水径流污染治理方面，积累了丰富的治理经验和技术设备，为各项技术和设备制定了设计手册和应用范围34。为了比较由多个因地制宜建设的沉淀池和储存池为主组成的各种治理方案，通常建立雨水径流水质水量预测仿真模型和调度管理系统，利用仿真模型优化雨水径流治理规划；同时用于城市雨水径流设施的管理和调度。我国应建立城市雨水径流污染预测模型和调
14、度管理系统，完成流域内所有城镇雨水径流治理规划；老城区人口密集，难以使用占地面积大的各种储水沉淀池来沉淀污染物，应根据实际情况，建地下水池或扩大下水道直径，削减洪峰，沉淀污染物；或在下水道上增加漩流沉淀池；分流制初期雨水截留到污水处理厂等因地制宜的综合措施；新建城区应预留土地，采用各种因地制宜的沉淀和渗透技术处理雨水径流，并考虑就地回用。垃圾应及时清理和处置，以减小雨水径流污染。城市雨水径流污染的处理相当于城市污水一级处理，其费用支出相对较小。3、 农村污染治理（详细分析见专文35）：巢湖流域13350平方公里，农村居住区面积近2000平方公里，是城市面积5倍以上，农田面积约为6500平方公里
15、13，农村居民区和农田雨水径流污染带来的营养盐是重要来源之一。采用有机肥、缓释磷肥和枸溶性磷肥替代水溶性磷肥，不仅可以降低磷的流失，减小农田雨水径流污染；而且提高了磷肥利用率，减少化肥使用量36。将化肥通过包裹等措施制成缓释肥料，是一项成熟技术，国内外已成功应用多年。国家应制定长期规划，将目前的水溶性磷肥逐渐转化为缓释磷肥，提高磷肥吸收利用率，降低用量，从而逐渐降低农田雨水总磷浓度，最终达到低于富营养化危险浓度。在农村污染治理方面，近年来，德国农村建设高效厌氧消化设施37，集中处理多个农场生活垃圾，人畜粪便及农业废弃物秸秆等，减少雨水径流污染，生产沼气发电，同时生产有机肥料。随着化石燃料价格的
16、飚升和温室效应的加剧，各国都非常重视利用农业有机废弃物生产可再生能源。德国通过优惠电价等政策，提高农业废弃物厌氧消化沼气发电系统的经济效益，使农村有机废弃物治理成为能源投资热点。在我国农村，结合水生植物塘技术处理污水，建设集中高效厌氧消化为中心的农村有机废弃物处理中心，不仅改善农村环境，而且减少水污染，生产有机肥料和绿色能源，建议将其列入新农村建设的主要工作，通过政策引导，建立一个可持续发展的农村污染治理产业和生物质能源产业。此外，应恢复和建设良好的流域生态系统；提倡自然放养鱼类，禁止网箱养鱼废水不经处理达标进入流域水体；加强绿化，减少水土流失；定期清理流域内池塘淤积底泥等。4、 大气降尘治理
17、：逐步提高流域植被覆盖率，消灭裸露地面，减少水土流失和大气扬尘，同时改善城乡环境卫生，控制扬尘，改善空气质量，使城乡空气质量逐步达到I级标准，从而减少湖面大气降尘和地面雨水径流污染。5、 底泥疏浚或钝化处理与流域水体自净能力建设：底泥营养盐释放是湖泊主要污染来源之一，建议在污染物源头治理达到预定目标以后，清除或钝化流域内主要河流和巢湖湖内污染严重的底泥，清除后的底泥，应根据污染情况，就近还田或采用其他处置措施；恢复河流和湖泊水生植物特别是沉水植物生态系统，不仅提高天然水体自净能力，而且减少底泥释放。6、 管道渗漏控制：我国的下水道主要采用钢筋混凝土管，采用硬连接，管道连接处容易产生渗漏。国外发
18、达国家，主要采用铸铁管和柔性连接，降低了下水道污水渗漏率。国家应更改技术规范，提高下水道渗漏要求，减少污水渗漏现象38。以避免渗漏污水进入湖泊。此外，应完善下水道建设，有效控制雨污分流系统雨污管道混接问题。7、 采取临时措施控制蓝藻大规模爆发（详细介绍见专文39）：我国三湖富营养化水平高，水华治理工作是一项长期艰巨的任务，在20年内三湖水体营养盐总磷浓度难以达到低于0.01-0.02mg/L的目标，仍然存在蓝藻大面积爆发的危险。现阶段采用临时措施保证水源地免受水华污染是非常必要的。云南玉溪市早在2004年，在星云湖圈养了300亩水生漂浮植物(水葫芦)40防止水华污染下游扶仙湖；近期无锡市在太湖
19、圈养了5000亩水生漂浮植物(水葫芦)，控制蓝藻生长。云南昆明市在滇池内进行了圈养水生漂浮植物(水葫芦)和厌氧消化利用的工程示范，显示了水生漂浮植物控制蓝藻爆发的良好效果和能源利用价值41。我们正在发展高效水葫芦厌氧消化反应器，中试实验表明能量转化率达到60。在严重富营养化区域，大面积圈养水生漂浮植物，不仅可以控制水华，还削减营养盐，采用厌氧消化技术大规模处理利用水生漂浮植物，生产能源和有机肥料，有效降低了天然水体水华治理费用，是现阶段控制水华，保证水资源的良好临时措施。四、总结目前湖泊水华治理的唯一长期有效方法是控制湖泊总磷浓度，使其低于产生水华危险的阈值浓度。由于我国经济发展比较落后，人们
20、过于担心水华治理的投入，导致我国治理工作存在很大问题，集中体现在治理指标偏低，达不到水华治理目的；湖泊上游河流治理要求和城市污水处理标准偏低；主要污染源城市污水治理不彻底，达不到很多湖泊的水华治理要求；其他污染源治理工作迟缓，严重影响湖泊水华治理进程。本文建议制定合理的治理指标，提出了以主要污染源总磷治理为核心的治理方案，分析了方案的技术和经济可行性。分析表明，在我国对主要污染源进行彻底治理，在技术上是完全可行的。从经济上看，即使是治理费用最大的城市污水，除去微量磷，使污水处理后达到贫营养化水平，与现有设施相比，投入仅增加1520，在我国，通过长期努力，也是有能力做到的。具体到一个湖泊，是否值
21、得投资治理，是和这个湖泊的功能和作用有关。通过治理，如果能够获得比治理投入更大的环境和社会效益，则应当尽早进行治理。因此，为推进我国的湖泊污染治理和水华控制工作，建议国家湖泊治理方面的科研活动应当围绕三个方面来开展，第一，从治理效益和治理投入方面分析，确定每一个湖泊的治理目标；第二，完成湖泊治理目标的技术方案和经济性分析；第三，改进和发展与湖泊污染治理相关的技术。然而，当前我国水环境治理基础设施建设，特别是城市下水道建设还很落后，历史欠帐较多。从发达国家历史来看，城市下水道建设是一个长期过程，例如，美国芝加哥市1975年开始的合流制下水道改造建设，直到2003年，一期建设计划24亿美元投资还没
22、有完工，二期约七亿美元投资计划还未动工42。此外，治理湖泊还需要控制很多其他污染物。因此，我国的湖泊治理工作是一项长期而艰巨的任务，不可能在短期内达到湖泊水华完全控制的目的。但是，借鉴国外成功经验，遵循科学原理和方法，通过长期努力，不断削减排放到湖泊中营养盐，改善和实现我国湖泊水华控制是一定能够实现的。致谢：本文由安徽省科技厅（课题编号07010302166）和安徽省发改委 资助，特此致谢。参考文献1Laws, E.A., Aquatic pollution: an introductory text -3rd ed., John Wiley & Sons, Inc., (2000).2国家环
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35、of Science and Technology of China, Hefei, 230026, PRCTianjing municipal engineering design & research Institute, Tianjing, 30051,PRCJiangsu Zhongtian environmental engineering Co. Ltd, Zhenjiang, Jiangsu, PRC, 2120011*corresponding author, email: Abstracts: the pollution discharged to lake increase
36、d rapidly in the past ten years in China as the rapid development of economy. It is not suitable to implement the past layout of the lake for controlling eutrophication. The problem for lake eutrophication treatment in China is analyzed including low index for nutrient in lake and river, low standar
37、d for municipal wastewater treatment effluent, less work to control nutrient from other source. We suggest that concentration of TP in effluent of wastewater treatment plant should be also controlled to less than the goal concentration of lake as well as other source of discharge in some aera. Suggestions to control concentration of TP for various pollution sources in China are proposed and analyzed technically and economically according to the successful stories in developed country.Keywords: eutrophicatio