基于近自然的水源水库中MIB有害藻控制-NBA4MPC


背景

干净的饮用水是首要需求。在中国,超过6.6亿人依赖水库和湖泊作为饮用水来源。然而,水库源水的使用导致了广泛出现的藻类气味问题,主要由2-甲基异莰醇 (MIB) 引起。

全球范围内的气味事件对水质产生严重影响

全国水质调查显示,超过40%的源水存在由MIB引起的土霉味问题,而MIB的气味阈值极低 (10 ng/L)。在适宜条件下,MIB浓度会随着某些特定蓝藻的指数级增长迅速增加至数百甚至数千ng/L。常规水处理工艺难以去除这一化合物,甚至高级处理技术如臭氧和粉末活性炭 (PAC) 也无法应对高浓度MIB(如>400 ng/L)的问题。气味问题是中国饮用水投诉的主要问题。因此,控制水库/湖泊中产生MIB的蓝藻(MPC)的生长至关重要。

MIB是水行业面临的最大挑战

目标与路线图

目标是开发一种无化学品、基于自然的策略来控制源水水库中产生MIB的蓝藻的生长。

目标

路线图

时间表

策略

挑战 策略
传统方法识别MPC耗时 开发创新的高通量单细胞技术以识别MPC
控制MIB产生者在大型水体中的生长的手段非常有限,尤其是在禁止使用化学品的情况下 揭示MPC的生态位特征,并通过改变水下光线和水动力条件,开发基于生态位的方法来干扰MPC的生长
水库的规模、地形、水质等差异巨大 水位调节策略:通过减少浅水区(<5.5m)的比例来缩小MPC的栖息地;浊度策略:通过增加进出流量引入高浊度水,降低水下光照强度;HRT策略:通过减少水库的滞留时间 (HRT),特别是针对小型水库,稀释MPC;沉积物再悬浮策略:通过使用船载抽泥泵进行原位沉积物再悬浮,降低水下光照并捕获藻类细胞

实施与结果

传统识别MPC的方法依赖于通过显微操作分离菌株,耗时且结果往往不理想。我们开发了一种无培养的高通量单细胞技术,能够在一次运行中精确识别所有MPC。

高通量单细胞 epic PCR 技术揭示了中国范围内的主要MPC

研究发现,主要的MPC包括假鱼腥藻、栅藻等,区别于表层水华形成的微囊藻,它们倾向于在次表层或较深层生长,更容易受到水下光线的影响。通过实验室培养实验和现场验证,确定了这些MPC的生长光阈值。

MPC的主要生态位特征

这种生态位特征使我们能够开发专门针对MIB产生者的策略。例如,通过提高水位、增加水体消光系数等方法减少水下光线可用性。对于小型水库,可以通过缩短滞留时间来稀释MPC。

通过调节水位/浊度(左图)或HRT(右图)限制MPC的生长

密云水库作为北京的主要供水水源,最大蓄水量为43.75亿立方米,为1000万人供水。自2005年以来,该水库一直存在MIB引起的气味问题。长期调查表明,MIB产生的普兰克托藻主要生长在北部浅水区,水深小于5.5米。模型模拟表明,将水位提高至146米(海拔)可以最小化浅水区,从而防止普兰克托藻的生长。通过南水北调工程向密云水库输水,水位升至建议值,MIB于2018年消失。

密云水库的水位调节策略:终止了长期存在的气味问题,惠及北京1000万人

QCS水库是世界上最大的河口水库,为1300万上海市民提供供水,自2010年投运以来一直存在MIB问题。调查发现,MIB产生的假鱼腥藻倾向于在低浊度的北区生长。通过从长江引入50%更多的高浊度水,该区域的浊度显著增加,从而成功解决了自2020年以来的MIB问题。值得注意的是,由于入流水依靠重力输送,因此不需要额外的能量。这一措施每年节省了1000万元人民币(128万欧元)的PAC化学药剂费用。

QCS水库的浊度调节策略:减少了80% 的水库面积,解决了影响1300万人的气味问题

对于小型水库,生态位控制策略不适用。为了应对MPC的问题,可以通过减少水库的滞留时间 (HRT) 来稀释藻类,从而降低MIB的浓度。2021年,黄土岗水库的HRT缩短了20天,结果MIB浓度降低了85%。这种措施仅需要打开进出水阀门,不需要额外费用,且通过优化水资源利用,使库区得到了进一步的开发和利用。

黄土岗水库的HRT策略

通过使用我们开发的NBA策略,我们在全国范围内成功解决了多个水库的MIB问题,节约了大量的化学药剂费用并提高了水资源的可持续利用性。

成果获得中国科学院青年促进科学基金会等项目资助,在此感谢!

Ming Su
Ming Su
Associate Professor of Environmental Engneering

My research interest is water quality problems in drinking water bodies, with a focus on harmful algal blooms and associated taste & odor problems.

Min Yang
Min Yang
Professor of Environmental Engneering