我国湖泊富营养化治理存在的问题与治理建议

，夏维东21中国科学技术大学地球与空间科学系，合肥（230026）2中国科学技术大学热科学与能源工程系，合肥（230026）E-mail：[e-mail]，[e-mail]摘要：随着我国经济的快速发展，污染排放量成倍增加，九五期间制定的湖泊水污染控制规划已经不适应目前湖泊污染控制、特别是水华控制的要求。本文通过分析我国三湖治理存在的问题发现，单纯控制污染物总量，不能解决枯水年湖泊纳污容量大幅度降低，营养盐浓度增加带来的蓝藻大规模爆发的危险。建议在湖泊污染物排放总量控制基础上，进一步考虑各种排水的污染物浓度控制，特别是总磷浓度控制。国内外湖泊富营养化治理经验表明，其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富营养化危险水平。本文通过分析国外在湖泊富营养化治理方面的成功经验和技术，针对不同总磷污染源，提出了能够适应我国国情的治理方案。关键词：富营养化，三湖，蓝藻，总磷，污染总量控制，污染浓度控制1.引言湖泊水污染治理的难点是营养盐控制，以防止蓝藻大规模爆发。近年来，我国在湖泊水污染治理方面投入巨大，巢湖、太湖、滇池三湖治理投入超过百亿元，城市污水处理率不断增加，然而，蓝藻却依然频繁爆发，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。今年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。虽然我国的污水处理事业近年来虽然得到了极大的发展，污水处理能力和城市污水处理率有了较大的提高，但是，由于近年来，我国经济快速发展，城市人口急剧增加，城市污水随之增加，在很多流域，未经处理排入湖泊的污水总量仍然在增加，这是使我国很多湖泊所受到的污染包括营养盐仍在继续增加，导致水华加剧。我国现阶段三湖治理工作是根据九五期间制定的规划[1]开展的。由于近十年来，我国经济快速发展，治污形势发生了根本的变化，原先制定的治理规划和治理策略已经不适应目前的发展形势。国家正在进行新的三湖治理规划，探讨和回顾九五时期制定的三湖治理规划的成功和不足，对于完善新的治理规划，指导今后三湖污染治理工作是非常必要的。2.我国富营养化治理存在的问题我们分析，九五期间制定的三湖治理规划，指导现阶段的三湖水污染治理工作，存在的主要问题如下：1、流入湖泊的河流与湖泊的水质标准类别和指标不一致。国内外研究和实践表明，水体中营养盐特别是总磷浓度过高是湖泊水华的主要原因。目前河流和湖泊执行的国家地表水环境质量标准GB3838—2002中总磷浓度相差很大，如下表所示。同样水质类别，河流总磷浓度标准比湖泊大2－4倍。现阶段主要湖泊治理的目标是III类，从表中可以看出，除I类河流水质优于湖泊治理的III类目标外，其他类别的河流水质比治理目标差。目前流入三湖的河流水质普遍低于河流II级水质标准，来自这些河流的河水含磷量高于湖泊治理目标一倍以上，严重污染了需要治理的下游湖泊。国家地表水环境质量标准－总磷（以P计）≤水质类别IIIIIIIVV河流0.020.10.20.30.4湖、库0.010.0250.050.10.22、湖泊允许负荷量在不同时期变化大：湖泊污染治理的根本措施是降低排入湖泊的污染物总量，使其小于湖泊允许负荷量。然而，湖泊允许负荷量受很多因素影响，变化巨大。湖泊允许负荷量与湖泊水质标准，湖泊自净能力及水量相关，其中与水量成正比。我国的浅水湖泊水量变化较大，枯水年和丰水年往往相差数十倍，如巢湖丰水年出流量为108.1亿方（1991年），枯水年为0.79亿方（1978年）[1]。这使湖泊纳污容量在不同年份相差极大。我国很多湖泊，包括三湖的允许负荷是根据多年平均水量制定的，由于主要污染源城市废水所携带的营养盐排放量变化较小，在枯水时期，氮磷营养盐会严重超标，容易导致水华泛滥，如今年无锡蓝藻爆发。巢湖在2004年夏天，由于雨量少，水华也比较严重。此外，三湖是浅水湖泊，底部沉水植物基本消失[2]，通过植物吸收营养盐产生的自净作用很小；而且多年来污染物沉积，在浅水湖泊中，沉积物受风浪作用产生的悬浮现象，使沉降作用对总磷的除去作用已变得越来越小了，这与”九五”期间对三湖的允许负荷的计算时情况有了很大改变，三湖允许负荷量大大降低。因此，九五期间制定的实现湖水达标的治理规划需要重新审视，单纯采用污染总量控制，由于湖泊允许负荷在丰水年远大于枯水年，难以在有限投入下，制定合适的湖泊允许负荷标准，解决蓝藻爆发问题。3、目前采用的污染总量控制法，在社会经济发展后，新增工业废水和城市新增人口带来的污水处理需要新的污染负荷，必须更改流域的污染负荷分配和污水处理要求，在经济快速发展的时代，将使整个流域污水处理要求处于频繁的变动之中，不利于污水处理设施的稳定运行。4、总量控制法需要准确的污染负荷计算包括污染自净能力预测，以及污染源的了解。目前，我国经济处在高速发展阶段，污染源，水体自净能力等处于迅速变化的时期，需要不断更新污染控制规划，以适应不断变化的污染排放形势。这必然导致相应的处理设施的调整。但是，在快速发展时期，治理污染设施的调整，由于需要时间，常常赶不上经济发展的变化。5、城市污水处理厂出水标准问题：目前执行《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）》，这使很多湖泊，如巢湖，太湖和滇池，不可能达到治理目标。该标准中昀严格的要求是总磷低于0.5mg/L。对于大型浅水湖泊，如三湖，由于风浪大，底泥悬浮；而且湖底水生植物基本消失，对总磷污染物的自净能力很低。进入湖泊的污染物在不均匀时空分布时，某些局部污染物浓度会超过均匀分布。在均匀时空分布假设并忽略湖泊自净能力下，假设污水处理后平均浓度为0.5mg/L，根据湖泊年平均水量、城镇污水排水量可以估算污水排放带来的湖泊平均总磷浓度的贡献量近似为：达标排放污水对湖泊总磷浓度贡献量＝0.5×年入湖污水量/年入湖水量(mg/L)表2是三湖计算结果，从计算结果可以看出，即使三个流域的城市污水全部处理达标排放，不计其他营养盐来源，三湖总磷浓度均超过或接近治理目标。其中滇池总磷浓度超过公认富营养化水平10倍以上。由于城市人口还在持续增加，城市污水排放带来的污染在未来将更加严重。不改变目前的治理模式，将不可能完成预定的治理目标。国外发达国家在处理城市废水时，虽然制定统一的排放标准，但一个城市污水处理厂的出水标准是根据其排放的受纳水体实际情况制定的，在人口密集地区，常常比国家标准严格得多[3]。表2城市废水处理达标排放使湖水总磷浓度增加值湖泊太湖巢湖滇池年入湖平均水量亿方136.7[4]34.9[5]6.65[6]年入湖污水量亿方15.0b2.8d3.4[6]达标污水使湖水TP浓度增加量mg/L0.0550.0400.256b来自《太湖水污染防治十五计划》2000年数据d根据合肥、巢湖等市目前供水量估算6、目前很多湖泊在治理工作中忽视了大气降尘等带来的污染：美国研究表明，大气降尘带来的总磷沉积量约为0.1－4.1公斤/公顷/年[7]，近年来国内也逐渐认识到湖面大气降尘是重要污染来源。有关研究表明，云南星云湖总磷污染负荷一半以上来源于湖面大气降尘，是星云湖富营养化的主要原因之一[8]。呼伦湖大气沉降带来的总磷为86.2公斤/平方公里/年[9]，长春南湖1993年降尘量为216吨/平方公里/年，折合总磷约为100－200公斤/平方公里/年[10]；呼伦湖和长春南湖的降尘污染均对水体总磷浓度有明显影响。目前巢湖湖面降尘污染还研究得较少。根据这些研究结果估算，巢湖湖面降尘带来的总磷污染将使平水年湖水总磷浓度增加0.03-0.06mg/L以上，这已经超过了公认的富营养化危险水平，是治理巢湖富营养化需要削减的主要营养盐来源之一。7、农村污染治理工作，没有得到重视。目前我国农业上速效磷肥使用量和比重过大，枸溶性磷肥钙镁磷肥生产量和使用量逐年下降，2002年仅生产66万吨[11]，占总量不足8％，而磷氨等速效水溶性磷肥产量逐年增加，已占据绝大多数，它们容易淋溶，进入天然水体，成为营养盐的重要来源之一；而且有效利用率低。由于大量使用化肥，农田雨水径流中营养盐总磷含量常常大于0.1mg/l，远远超过富营养化危险水平，引起农村饮用水水源污染和水体水华，成为巢湖水体营养盐的重要来源和富营养化的重要原因之一。此外，农村垃圾、人畜粪便和农业废弃物等没有得到处理，它们随雨水进入河流。导致三湖流域绝大部分河流水质超过湖泊治理目标或富营养化水平，成为湖泊的主要污染源之一。8、城市面源污染治理重视不够，根据美国研究，城市雨水径流中总磷浓度平均达0.6mg/L[7],是湖泊主要营养盐来源之一，我国在北京上海等城市的研究结果相近如表3。目前国内城市才刚刚启动城市面源污染治理工作。由于我国老城区主要采用合流制，其污染物浓度更高，接近城市生活污水水质，是必须处理的主要污染源之一。表3雨水径流污染情况：单位毫克/升污染物美国城市[7]美国农村[12]美城市降雨[13]美合流溢流[14]北京屋面[15]上海菜地[16]上海城市[17]悬浮固体63068-1100457251总磷0.60.02-1.70.11.0-11.60.430.07-0.150.579、雨水收集系统渗漏严重，污染物大量进入地下水，昀终进入湖泊。美国环保局报告表明，管道渗入水量可达到污水流量的32％[18]。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20－25％是渗入的地下水[19]。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。10、自上个世纪八十年代以来，三湖水下沉水植物普遍消失[2]，不仅降低了湖泊自净能力，而且使沉降底泥在风浪作用下容易泛起，成为湖泊主要污染来源之一。湖泊水生植物生态系统建设近年来逐渐受到重视，十五期间，科技部通过863计划开展了大量研究，但在工程应用方面还不如人意。11、底泥污染释放问题严重，目前清淤工作已经开展，但是，还有大量污染底泥沉积在三湖，是未来水华治理的关键工作之一，今后，应将湖泊底泥清理工作列为长期工作，根据底泥沉积情况，及时进行清理。3.治理建议从以上分析可以看出，目前我国湖泊水华发生的主要原因是排入湖泊的污染物包括营养盐超过了湖泊容量，试湖泊营养盐浓度超过富营养化危险水平。国内外的成功经验表明，治理湖泊水华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富营养化危险水平。我国在制定湖泊污染治理规划时，对排入湖泊的污染物包括营养盐进行总量控制。上述分析还表明，对很多湖泊，我们还应对关键污染物进行浓度控制，如制定排入流域天然水体的营养盐，特别是总磷的控制目标浓度。对三湖来说，由于主要河流的水质均劣于湖泊富营养化危险浓度，目前已没有低含磷水来稀释城市废水，而流域面源污染治理工作才刚刚开始，工作量巨大，治理效果目前还难以预测。因此，我们建议排入流域所有水体的污染物浓度，特别使总磷控制目标浓度应等于湖泊治理近期的治理目标浓度减去湖面蒸发，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，以防止蓝藻大规模爆发；湖泊治理的远期目标浓度应是湖泊富营养化危险浓度。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。