随着我国对城市地下水开采的限制,水库成为城市的主要供水水源。但到目前为止,几乎所有水库都存在一定程度的水质污染或富营养化问题,严重的已经丧失作为供水水源的功能。

　　 近年来,全国众多城市的水源水库相继发生了严重的水质污染和藻类爆发,如长春新立城水库、江苏赣榆县塔山水库、陕西铜川柳湾水库、延安红庄水库、石家庄岗南水库和黄壁庄水库、珠海凤凰山水库、山东枣庄周村水库、浙江苍南水库与金林水库等发生的蓝藻爆发、氨氮、总磷、铁锰、硫化物、臭味等污染加剧,水质恶化。严重的水源水质污染与富营养化导致水厂处理难度加大、制水成本与水质超标风险大幅提高,严重威胁城市的饮用水安全。

　　 水库作为城镇供水水源,其水质污染具有以下几方面的共性特征:

　　 (1)绝大部分的水库水质总体上呈现逐渐恶化的趋势。这种趋势取决于水库所处地域、流域条件、径流过程及水库运行调度等因素,水质演变速度和恶化程度会有所差异。

　　 (2)水库富营养化导致的表层水体的藻类高发,水中有机污染和臭味污染加剧,在时间上表现为以年为周期的季节性藻类污染。由于该过程是将水中N、P、CO₂等无机物经光合作用转化为有机污染物的自然过程,因此也可定义为水库上层水体的内源污染过程。受地域不同、富营养化程度差异、气象条件变化等因素的影响,水库上层水体藻类高发导致的该种内源污染在污染程度上会呈现出年际变化的差异性。

　　 (3)水库底层水体厌氧引发的氨氮、铁、锰、硫化物、臭味、色度等高负荷污染周期性水质污染。由于该过程是在厌氧条件下将沉积物中有机态和化合态污染物转化为无机态和离子态污染物的自然过程,因此也可定义为水库底层水体的内源污染过程。

　　 (4)汛期的暴雨径流入库引发的水库周期性与阶段性水质恶化。即使作为供水水源的水库,一般也兼有蓄洪调洪的功能,由于水库流域面源污染不可避免,导致暴雨径流必将携带大量污染物进入水库,从而造成水库汛期水质的阶段性恶化。

　　 基于上述水库水质的污染特征,一个随之而来的问题就是,为什么大部分水库修建前的河流水质能保持良好状态,而在水库建成后水质污染会加剧,而且呈现出逐年恶化的趋势呢?对于这个问题,笔者认为原因有以下几方面:

　　 (1)水库的修建改变了河流原有的自然状态,尤其是水动力条件的改变,使河流的输水功能为主转变为水库的蓄水和调节功能为主,这是造成同一流域河流与水库水质显著差异性的首要前提。

　　 (2)水库流域上表层物质随暴雨冲刷以及大气中污染物的降水淋洗后的径流入库成为水库中污染物外源持续输入的主要来源。污染物主要包括流域表层富含Fe/Mn/P等的无机矿物、富含C/N/P的有机物等。入库径流携带的这些污染物在水库中不断积蓄,大部分以沉积态形式蓄积库底,成为潜在的污染源。

　　 (3)大部分水库水深较大,水体分层明显,阻碍了氧的传质,在水体和沉积物耗氧的双重作用下,水库底层呈现厌氧状态,促进了沉积物中无机物的还原和有机物的厌氧分解,导致Fe、Mn、P、氨氮、硫化物等污染物的大量释放,pH降低,色度、臭味升高,底层水质的内源污染加剧。

　　 (4)水库水动力条件的改变,大大削弱了水流的紊动强度,水体更新速度慢、滞留时间长,加之充足的N、P营养盐的输入和光照条件,水库表层藻类的爆发就不可避免。由于光合作用生成藻类的过程主要是水中无机的C/N/P的有机化过程,从而藻类的大量繁殖成为造成水库有机污染的重要来源。而且该过程会周而复始,形成恶性循环。

　　 (5)水库底层污染沉积物的蓄积和表层藻类的繁殖是一个持续不断的自然过程,对大部分水库而言,这一过程成为污染物不断积累的过程。除非水库的径流污染完全消除(基本不可能)、水动力条件得以改变,否则水库水质污染逐年加剧的趋势就不可避免。

　　 水质的周期性污染是水源水库的另一个重要特征。水库水质污染的周期性变化主要是由于季节变化导致的必然结果,而水库污染物来源与污染负荷的不同,以及气候条件年际变化的差异性,会造成水库周期性水质污染的程度有所差异。水库水质污染的周期性主要体现在以下几方面:

　　 (1)每年汛期径流污染引发的水库水质的周期性污染。水库流域上无论是农田、牧场、草地还是森林,降雨径流尤其是汛期的暴雨径流均会冲刷携带流域表层大量的营养盐、腐殖质、矿物质等随径流输入水库,造成水库水质的污染。

　　 (2)季节变化造成水库水体温度分层状态的循环演替,水体分层阻碍了氧的传质,同时污染沉积物和上覆水体的耗氧导致水库底层水体呈厌氧和无氧状态。而厌氧环境将造成沉积物中氨氮、磷、Fe、Mn、硫化物等污染物的大量释放,有机物的厌氧分解导致水体色度升高、臭味异常、pH降低。这种随水库季节分层产生的底层水体的内源污染具有周期性特征。

　　 (3)每年水库的翻转混合导致水库全层水质的周期性污染。分层时期水库底层厌氧条件下释放积蓄的大量污染物在水库翻转混合时将造成整个水层的水质污染。水库翻转混合造成的这种周期性水质污染,对非冰封水库,每年发生1次,时间一般在秋末冬初;而对冰封水库,每年发生2次,时间一般在春季冰融和秋末冬初。

　　 (4)水库藻类高发显著的季节性和年际周期性。水库弱化的水动力条件(水体滞留时间长、紊动强度低)和充足的营养盐条件(径流输入和内源释放)为藻类的繁殖创造了有利条件,而光照的增强和水温的升高促进了藻类的大量繁殖,并随季节呈周期性变化。

　　 如上所述,水库的内源污染和藻类繁殖会导致水中氨氮、Fe、Mn、硫化物、有机物等的大量释放,色度升高、臭味异常、pH降低。对于目前大多数以常规处理工艺为主体的水厂而言,很难有效削减和去除这些污染物,饮用水的安全性难以保证。即使对于建有深度处理工艺或应急处理工艺的部分水厂,往往也难以满足同时去除上述污染物的要求。

　　 另外,水厂要去除水中的上述污染物,无论是应急处理还是深度处理,都会额外提高制水成本,例如要去除水中的氨氮、锰、硫化物、臭味等增加的处理成本在0.2~0.4元/m³。而且对于有些污染物,水处理过程中只是将其形态转化,并未完全去除,有的毒性还会增强,如有机污染物经消毒处理后会转化有毒有害的副产物,水质风险反而增大。

　　 综上可见,在源头削减污染负荷、有效抑制或消除内源污染,是保证水厂稳定运行、保障饮用水水质安全、降低水厂运行成本最为有效的途径。可用图1简要说明。

　　 根据前述分析,要解决水源水库水质污染对饮用水带来的水质风险问题,最有效的途径是在源头消除或削减污染。那么要在源头消除或削减污染的有效技术方法是什么?如前所述,既然水库水质污染的根本原因和条件是由于水库水流紊动强度的削弱、水体的分层和底层厌氧的季节性变化所致,那么只要能够增大水流紊动强度、削弱或破坏水体分层、提高底层溶氧浓度,就应该可以实现水库水质污染的有效控制,而混合充氧技术则能满足这些条件要求,从根本上解决这一问题。

　　 对水库水体的混合作用能破坏水体分层,并将藻类输送到下层,破坏藻类的光合作用条件,抑制藻类繁殖,造成藻类消亡;而充氧作用可去除水中挥发性污染物,如臭味、VOCs、硫化物等污染物,增强水库中生物的水质净化能力,抑制底层的内源污染。因此,混合充氧技术是一种节能、清洁、无副作用,能有效改善水库水质的技术方法。

　　 目前,水源水库水质改善的混合充氧技术主要包括深层曝气技术、空气管混合技术、机械混合技术、扬水筒混合技术和扬水曝气技术等。简化起见,将这些混合充氧技术的功能特点和适用条件的比较列入表1。

　　 根据表1中几种混合充氧技术的特点和适用条件可以看出,与深层曝气技术、空气管混合技术、机械混合技术、扬水筒混合技术相比,扬水曝气技术兼备了上述多种技术的功能和优势,进一步加强了其对水库水质污染控制与水质改善的效能,在混合、充氧、抑制藻类、去除水中挥发性污染物、运行管理等多个方面具有明显优势。而且,我国拥有该技术的自主知识产权,有系统的理论研究、技术研发、产品研制和成功的工程应用经验,因此,是一种适宜于分层型水源水库水质污染原位控制与改善的有效技术。

　　 扬水曝气技术水质改善原理及功效可概括为:

　　 (1)造成水体垂向循环,将下层水体提升到表层,而表层水体循环到下层,使藻类到达下层无光区,无法进行光合作用而死亡。

　　 (2)将下层低温水提升到表层,降低表层水的温度,使藻类生长受到抑制。

　　 (3)直接向下层水体充氧,并通过水体循环将表层高溶解氧水体输送到下层,增加下层水体的溶解氧,抑制底泥氨氮、磷、有机物、硫化物、铁、锰等污染物的释放,控制内源污染。

　　 (4)提高水中微生物的代谢活性,强化水体的生物自净功能;有效去除水中臭味、VOCs、硫化物等挥发性污染物;氧化去除水中铁锰等还原性污染物。

　　 (5)增加下层水体溶解氧,改善水生生态环境,实现水体环境质量的全面提高和水质的综合改善。

　　 扬水曝气技术的工程应用始于2005年,先后在太原汾河水库、西安黑河水库、枣庄周村水库等多座水库的水质污染应急控制与水质原位改善工程应用中取得显著的环境效益和巨大的经济效益。

　　 (1)混合效果:对水深在15~85m的分层型水库,扬水曝气系统运行20~35天,分层状态破坏,水库上下水层实现完全混合。

　　 (2)充氧效果:扬水曝气系统运行20~30天,其底层的持续循环充氧作用可将底部DO由0mg/L提升至5mg/L以上,充氧效果显著。

　　 (3)藻类抑制与削减效果:系统运行过程中,使水库上下水层不断循环混合,表层藻类被携带至下层无光区,藻类无法进行光合作用而衰亡,从而有效抑制了藻类的生长繁殖,藻类较运行前削减85%以上。

　　 (4)挥发性污染物去除与控制效果:扬水曝气系统运行对水库挥发性有机物VOCs和挥发性硫化物削减效果明显,控制区域挥发性有机物削减98%,水中硫化物由1.413mg/L降至0.02mg/L,削减98.6%。

　　 (5)底泥中氨氮、铁锰、磷等污染物内源释放抑制:系统运行25天,水库中下层水体氨氮由2.72 mg/L降至0.24mg/L,削减91%;总磷由0.381mg/L降至0.086mg/L,削减77.5%;Fe垂向平均削减率80%以上;中下层水体锰含量由1.945mg/L,降至0.010mg/L,削减99%以上。

　　 (6)水中总氮与有机物削减效果:由于系统运行提高了中下层水体温度、溶解氧和水体的生物自净能力,强化了好氧反硝化细菌的代谢活性。运行25天,水中总氮削减20%~60%,有机物削减20%左右。

　　 对于目前以去除水中悬浮物为主体的水处理厂而言,往往难以有效应对水库水质的周期性高负荷污染。要保证饮用水水质,水厂就必须附加化学与生物预处理、粉末活性炭吸附、强化混凝、臭氧生物活性炭、沸石吸附等应急或深度处理工艺系统,以去除水中氨氮、铁锰、臭味、硫化物、有机物等污染物。

　　 由此需要额外增加的水处理成本一般在0.2~0.4元/m³,而扬水曝气水质原位改善系统的运行成本在0.01~0.03元/m³,与水厂处理成本相比削减90%以上。而且,还大幅降低或消除了水厂处理生成的消毒副产物等带来的二次污染风险。

　　 (1)大部分作为城镇供水水源的水库水质污染和富营养化问题突出,且呈现逐年加剧的变化趋势。水库水流紊动强度的削弱、水体的分层和底层厌氧的季节性演替是造成水库水质污染的根本原因和条件。

　　 (2)暴雨径流入库带来的外源污染和水库表层藻类高发与底层污染物厌氧释放造成的内源污染具有污染负荷高和季节性与周期性变化的特征。

　　 (3)对于水源水库水质的周期性高负荷污染与藻类爆发,以源头控制最为有效,一是可有效削减水库中的污染负荷和避免污染物的生成,大幅降低或消除水厂处理过程中的二次污染风险;二是大幅降低水处理成本,水库源头水质污染控制系统的运行成本与水厂末端处理相比,可降低90%以上。

　　 (4)扬水曝气及其强化生物净化技术可实现污染物的有效削减和控制,运行结果表明,该技术对水库中藻类、挥发性有机物VOCs、臭味、硫化物、氨氮、铁锰、磷等污染物可削减80%以上,对水中总氮、溶解性有机物可削减20%以上。