-
生态环境安全是国家安全的重要组成部分。近年来，各级生态环境部门坚决贯彻落实党中央、国务院决策部署，以习近平生态文明思想为指导，不断强化生态环境应急处置能力，及时、科学、妥善处置了各类突发环境事件，有力保障了生态环境安全。但是，我国以重化工为主的产业结构、以公路货运为主的运输结构尚未改变；环境事件不确定性强、危害性大，处置要求高、难度大，对环境应急工作提出了很多新的挑战和更高的要求[1-8]。根据2005—2020年《中国环境状况公报》《中国生态环境状况公报》《中国环境统计年报》《中国生态环境统计年报》等公布的数据[9-11]，当前突发环境事件高发频发的态势还没有得到根本遏制，从生态环境部调度处置的环境事件看，水污染事件数量占事件总数约50%，其影响范围广、社会危害大、处置难度高，是环境应急的重点。2005—2020年全国突发环境事件，见图1。
为提高地方政府水污染事件应急处置能力，切实提升“十四五”时期流域突发水污染事件应急准备和响应能力，生态环境部通过总结各类成功处置的水污染事件技术和经验，印发了《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》，明确了“找空间、定方案、抓演练”具体实施步骤、方法与成果，并对水库、湿地、坑塘、闸坝、引水式电站、坝式水电站、干枯河道、江心洲型河道、桥梁、临时筑坝点和其他设施等流域11种类型的环境应急空间与设施的使用原则和方法进行了说明。
我国地形多样，气候类型复杂，河流类型众多。各地在推广“南阳实践”过程中，必须要结合地势、气象和水文等实际情况，因地制宜制定“一河一策一图”环境应急响应方案，才能确保流域环境应急空间与设施使用方案能用、管用、好用。本文在实际应急工作的基础上，梳理了突发环境事件应急处置过程中不同类型河流的处置要点，提出不同类型河流主要环境应急空间与设施的使用方案，可为各地“南阳实践”具体实操落地提供参考。
-
“南阳实践”，即通过贯彻“以空间换时间”的原则，落实“找空间、定方案、抓演练”3个关键环节，把水污染事件现场临时找“应急池”变为提前规划好污染团与清水隔离的“空间”，为事故现场处置赢得主动[12]。“南阳实践”来源于多起水污染事件的成功处置经验，主要思路是在河南省南阳市淇河污染事件处置中最先提出，并经过多起事件的成功处置经验、实践反复验证。
2018年1月17日河南省南阳市西峡县发生淇河污染事件，事件处置完成后，生态环境部启动了丹江口库区突发环境事件应急预案编制试点工作，会同河南省、湖北省和陕西省生态环境厅，联合南阳市、十堰市和商洛市等生态环境部门，总结淇河污染事件等成功处置经验，开展“南阳实践”试点，形成了《丹江口库区重点河流环境应急“一河一策一图”汇编》等工作成果。
2020年10月，生态环境部召开2020年全国环境应急管理工作暨“南阳实践”总结推进视频会，会议指出，要扎实做好“南阳实践”的推广应用工作，各地要在当前试点工作的基础上，从集中式饮用水水源地河流入手，组织开展“南阳实践”的推广，制定实施重点河流环境应急“一河一策一图”，“十四五”时期实现重点河流全覆盖。
2021年11月2日，《中共中央 国务院关于深入打好污染防治攻坚战的意见》提出，要完成重点河流突发水污染事件“一河一策一图”全覆盖。为指导各地“南阳实践”工作开展，在试点成果基础上，生态环境部印发了《丹江口库区重点河流环境应急“一河一策一图”汇编》《突发水污染事件以空间换时间的应急处置技术方法指导手册》（环办应急函〔2020〕593号）《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》（环办应急函〔2021〕179号）等文件，对“南阳实践”工作成果提出了具体要求。
-
根据《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》（环办应急函〔2021〕179号）等文件，“南阳实践”工作内容主要包括“找空间、定方案、抓演练”3个方面：“找空间”是通过资料收集、影像分析和现场踏勘等梳理河流水文水系、环境敏感目标、环境风险源、环境应急空间与设施等信息；“定方案”关键是明确环境应急空间与设施建设或使用方法、运转方式，以及如何隔离拦截污染团、如何控制清水等问题；“抓演练”即通过分阶段、分层次演练，对方案的可操作性进行检验，包括环境应急空间与设施实际存水量是否准确、污水是否能够引进去、运转方式是否有效，人员队伍、施工材料和设备机械等是否能够保障。
基于已有河流突发环境事件应急处置经验，《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》（环办应急函〔2021〕179号）中梳理水库、湿地、坑塘、闸坝、引水式电站、坝式水电站、干枯河道、江心洲型河道、桥梁、临时筑坝点和其他设施等11类常见环境应急空间与设施，并总结其可能的功能和使用方法，见表1。
-
按照生态环境部“南阳实践”工作部署，在丹江口库区试点工作基础上，2020年扩大试点范围，生态环境部选择了山东省泗河、广东省滃江和新疆维吾尔自治区巩乃斯河等河流，与有关省、自治区一起开展试点工作，重点推进跨国界、区域性水源区等极敏感河流的试点；河北省、四川省还主动与生态环境部一起分别就潮河、东风渠等开展试点。在省级层面，重点推进区域代表性河流试点，根据《2020年环境应急管理工作要点》，每个省2020年至少要完成一条河流试点。
2021年，“南阳实践”在全国范围内全面推广。根据《关于印发<流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南>的通知》（环办应急函〔2021〕179号）要求2021年各省级生态环境部门组织制定本行政区域“十四五”时期“南阳实践”工作方案，明确河流（河段）清单和实施计划，选择2～3条重点河流（河段）完成“南阳实践”实施工作，各地要用2～3年的时间，完成全部河流（河段）实施工作。
根据《关于印发<流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南>的通知》（环办应急函〔2021〕179号）要求，全国31个省（区、市）积极作为，总体来看，全国“南阳实践”工作开展过程具有以下共性特点。
（1）基本原则：省级统筹，属地负责；因地制宜，分步实施；动态管理，提高实效。
（2）时间计划：“启动推进（2021年）、全面实施（2022—2023年）、深化应用（2024—2025年）”3个阶段。
（3）工作任务：参照《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》（环办应急函〔2021〕179号），落实“找空间、定方案、抓演练”3个方面。
而各地“南阳实践”本地化重点体现在环境应急空间与设施使用方案制定上，在《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》（环办应急函〔2021〕179号）的基础上，结合地方特点，因地制宜制定具有可操作性的环境应急空间与设施使用方案是各地“南阳实践”推广过程中必然遇到的挑战。因此，为防止各地在“南阳实践”的落实过程中出现流于形式、浮于表面和方案不适用等情形，尤其是当前市场上第三方技术支持单位能力参差不齐，有必要基于《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》（环办应急函〔2021〕179号），针对典型河流特点，探讨环境应急空间与设施的使用方案，为各省市方案制定提供参考。
-
虽然《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》（环办应急函〔2021〕179号）总结了常见的河流环境应急空间与设施，但不同类型河流由于水文条件的不同，所需要的环境应急空间与设施不同，盲目采用筑坝或引流可能增加应急处置成本，且造成污染范围扩大，增加处置水量。因此，在环境应急空间与设施调查和使用方案制定过程中需要考虑河流类型，因地制宜地确定重点调查的环境应急空间与设施及使用方案。
我国河流众多，河流所处区域地势、水文、气象及河流规模等差异较大。根据河流的不同特点，对河流有不同分类。例如，依据河流的平面形态将河流分为游荡、分汊、弯曲和顺直四类[13]；根据补给条件的不同，划分雨水补给、地下水补给等八大类型[14]；依据年平均流量及枯水流量的大小，分为小、中、大和特大河流；依据流速的大小不同[15]，分高速流河流、中速流河流、平速流河流、低速流河流和微速流河流；依据流经的区域不同，分为山区河流和平原河流；依据河流全年是否断流，可分为常流性河流和季节性河流；依据河流受人工干扰程度，分为非天然河流和天然河流。
在突发环境事件应急处置过程中，河流的流量、流速等对应急处置有重要影响。因此，结合突发环境事件应急处置过程重点关注污染物的扩散范围、响应时间、环境应急空间与设施类型及可利用性等，综合考虑河流流量、坡降等多因素，将河流分为山区河流、平原河网、大型河流和人工河道。
-
我国是一个多山的国家，高山、高原和丘陵等山区约占陆域国土面积的2/3，山区河流是我国河流的重要组成类型，具有水源丰富、地势高、落差大、水流湍急和水面窄深等显著特点。
根据山区河流地势、水文等特点，山区河流上可供利用的环境应急空间与设施以引水式水电站、坝式水电站等为主。因此，山区河流发生突发水污染事件时，可利用多级水电站引流蓄污。此外，山区河流枯水期、平水期和丰水期流量差异大，在应急处置过程中应根据河流流量，评估污染态势，确定应急处置方案。
2018年河南省南阳市淇河污染事件为典型的山区河流突发水污染事件。2018年1月17日，南阳市淇河发生有机磷污染事件，事发点距丹江约30 km，距丹江口水库约75 km。指挥部采取关闭电站闸坝、筑坝拦蓄和分流稀释等应急处置措施。在上河电站坝下800 m河道狭窄处建设围堰，形成临时应急池。利用河道储存受污染水体，利用电站引水渠引流清水，在上河电站坝下1 000 m处实现清污配比稀释排放。2018年河南省南阳市淇河污染事件应急处置方案，见图2。
此外，山区常见的坝式水电站等水利构筑物还可在突发环境事件应急处置过程中用于药剂的投加，如2012年龙江河镉污染事件[16]。
-
平原河流坡降较缓，流速降低，水流挟沙能力减小，河床一般都有不同程度的淤积现象，河床以沙质为主，床质较松软，抗冲击能力低。因此，平原河流上工程建设多为拦河闸、拦河坝等，可利用闸坝调控拦截污染团，降低污染团推移速度。此外，平原河网地势平缓，临时筑坝点易于寻找，也可建立临时坝拦截污染团。但平原河网单纯利用闸坝只能围堵拦截污染团，无法实现清污分流，污染团拦截后，根据污染物超标倍数及污染物性质，可利用闸坝建立投药处置点进行工程削污，或转移处置。因此，平原河网在“找空间、定方案”过程中还需考虑拦截后受污染水体的处置措施及平原河网在闸坝调控时，可能会改变水流流向等问题。
2011年临沂市南涑河水污染应急演练即为典型利用拦河闸、拦河坝成功处置的案例，该演练模拟临沂市中鲁化工发生爆炸事件，造成甲苯泄漏，部分流入南涑河，处置方案如下：关闭上游郭庄闸、小石埠闸和付庄闸，切断上游来水；提升大丁庄橡胶坝，将受污染水体控制在付庄闸与大丁庄橡胶坝之间，并腾出武河湿地部分库容，开启茅湖闸、廖屯闸，进行深度净化。2011年临沂市南涑河水污染应急演练应急处置方案，见图3。
-
根据《第一次全国水利普查公报》统计结果，我国流域面积10 000 km2及以上的河流共228条，其中黑龙江36条、辽河13条、海河8条、黄河流域17条、淮河7条、长江流域45条、浙闽诸河7条、珠江12条、西南西北外流区诸河30条、内流区诸河53条[17]。由此可见，我国大江大河也占有一定比例，且大江大河多是沿江沿河群众的重要饮用水水源，同时也是水路交通的重要枢纽，环境风险显著。
《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》（环办应急函〔2021〕179号）总结历史突发环境事件成功处置经验，建议临时筑坝点一般要求在河宽<200 m、便于施工筑坝且交通便利，因此，大江大河发生污染事件时很难通过筑坝拦截，且水量大，坑塘等环境应急空间并不适用。故大江大河应以预防及提升应急处置能力为主，一旦发生污染事件，应重点在源头阻断、汇入支流拦截处置、水厂工艺改进等方面开展应急工作，通过“十一五”以来“水专项”相关课题的研究，水厂应急处置技术体系已较为完善[18-21]。
2015年11月甘肃陇星锑污染事件则为典型的大江大河突发环境事件应急处置案例。2015年11月23日，甘肃省陇星锑业有限责任公司尾矿库发生尾砂泄漏，造成下游太石河、西汉水和嘉陵江共300 km以上河段水体锑浓度超标，通过源头断源截污、河道投药消减和水力调控把水体污染的强度和影响区域控制在有限的范围内；通过开辟应急水源、水厂应急净化处理和地下水井适度开采，确保下游人民群众的饮水安全[22]。2015年11月甘肃陇星锑污染事件应急处置方案，见图4。
此外，大型河流还可通过在取水口建设调蓄池等应急保障工程，如镇江市通过在长江征润州取水口设置应急保障工程，大大提高对长江突发污染事故的应对能力[23]。
-
地理位置、地形地貌和气象、水文等条件决定了我国降水时空分布不均、水旱灾害频发。为排洪、排涝、输水和航运等单项或综合用途，往往开展人工河道建设。为调节上游水位、控制下泄水流流量，保证对水资源合理优化配置，人工河道上设置有多级节制闸、分水闸等。因此，人工河道发生污染事件时，可通过落闸拦截污染团，降低污染物推移速度，以及利用分水闸进行分流。如2020年四川省彭州市某物流公司“3·14”柴油罐泄漏次生突发环境事件。人民渠管理处在巡河过程发现人民渠污染后，通过调度人民渠慈母山拦河闸、三岔河泄洪闸、石亭江拦河闸和射水河拦河闸，依次采取分流措施，为控制下游水源地石油类浓度发挥重要作用。“3·14”柴油罐泄漏次生突发环境事件应急处置方案，见图5。
总结不同类型河流常见的环境应急处置空间与设施的使用方法与案例，见表2。
-
“南阳实践”来自多起事件的成功处置经验，其推广应用有利于厘清水文水系关系、摸清环境风险源、环境敏感目标、环境应急空间与设施底数，提前规划突发环境事件应急处置方案，实现从被动应对到主动防控的重大转变，切实提高环境风险防控和应急处置能力。
但由于我国河流众多，不同地区地势、气候等条件造成河流类型多样，不同河流类型上存在的环境应急空间与设施类型及主要应急功能不同。“十四五”期间“南阳实践”全国推广过程中，在《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》（环办应急函〔2021〕179号）的基础上，需要考虑河流类型，根据河流的流量、坡降等因素确定重点调查的环境应急空间与设施。根据河流类型特点，山区河流宜重点利用引水式电站、坝式水电站；平原河网可通过利用已有闸坝或临时筑坝拦截和处置污染团；大型河流的处置在于第一时间切断污染源，同时在汇入支流拦截处置以及在水厂采取应急处置措施；人工河道可利用多级节制闸、分水闸拦截和分流处置污染团。因地制宜地编制流域突发水污染事件应急响应方案。
不同类型河流“南阳实践”应用要点探讨
Discussion on application of “Nanyang Practice” in different types of rivers
-
摘要: 我国河流众多，不同地区地势、气候等条件造成河流类型多样，不同河流类型上存在的环境应急空间与设施类型及主要应急功能不同，为促进各地高效、高质推广“南阳实践”，确保流域环境应急空间与设施使用方案能用、管用、好用，在《流域突发水污染事件环境应急“南阳实践”实施技术指南》的基础上，通过梳理不同类型河流在突发环境事件应急处置过程中的特点，探讨不同类型河流主要环境应急空间与设施及其使用要点，为各地“南阳实践”应用过程中找空间、定方案提供参考。Abstract: The different characteristics of topography and climate in different regions result in different types of rivers in China. Correspondingly, there are various environmental emergency spaces, facility types, and emergency functions. To promote the “Nanyang Practice” effectively, efficiently, and usefully, and to ensure the effectiveness of the basin environmental emergency space and the application plan of the facilities, the main environmental emergency space and facilities of different rivers were discussed, as well as their characteristics of different types of rivers in the process of emergency response to environmental emergencies based on “Technical Guidelines for the Implementation of ‘Nanyang Practice’ in Environmental Emergency Response to Water Pollution Accidents in Watersheds”. It aims to provide a reference for the implementation of the “Nanyang Practice” for different regions.
-
高氮磷废水的过量排放会导致水体富营养化和生态破坏[1]。微藻是一种光合微生物，能够吸收氮、磷和有机物等，被用处理各种废水[2]。另一方面，微藻细胞脂类含量高是生物柴油生产的主要原料[3-9]，因此，将废水处理与微藻生物量生产相结合可以降低二者生产成本。由于微藻对废水中氮/磷的去除是藻细胞生长代谢的结果即平均去除速率和去除率与藻细胞生长速率和生物量呈正相关，而部分细菌和真菌能够促进微藻的生长(如地衣中的细菌和真菌促进其共生绿藻的生长)，因此，将微藻与细菌[10-16]或者真菌[17-26]混合培养，利用微藻和细菌或者真菌之间的协同效应促进微藻生长进而提高氮/磷的去除率成为研究热点。
雨生红球藻能够在适宜的条件下快速吸收氮和磷进行自养/混合营养生长，而在不利条件下大量合成脂类和高附加值的虾青素(一种红色类胡萝卜素)[27-28]，目前已被用于处理不同的废水，并取得了良好的效果[29-33]。然而，与其他藻类相比，雨生红球藻对有害细菌更敏感，这些细菌严重抑制藻细胞生长，限制了其在废水处理中的应用。实际上，有害细菌对所有微藻的生长均构成严重威胁[34]。为了控制微藻培养过程中的有害细菌，通常采用的方法为添加抗生素、高温处理、强光照射[35-36]，以及使用次氯酸钠对废水进行预处理[37]。因此，有效控制有害细菌是利用微藻尤其是雨生红球藻处理废水的关键问题。
在此前的研究[37-38]中我们分离到一种蓝藻共生真菌Simplicillium lanosoniveum(DT06)。DT06能够合成一种新抗生素[39]并且能促进衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)生长和脂类合成[40]。因此，本研究将雨生红球藻与真菌DT06在高含氮磷废水中混合培养，以期提高雨生红球藻类生长速率和产量以及废水氮/磷的去除速率和去除率。
1. 材料与方法
1.1 实验材料
1)废水样本。废水来自天津市的某污水处理厂。废水通过0.45 µm滤膜去除不溶性大分子物质，并在4 ℃保存。废水主要性质如下：pH为6.5±0.4；总氮(TN)质量浓度为(553.8±17) mg·L–1；总磷(TP)质量浓度为(90.7±8) mg·L–1，化学需氧量(COD)为(750±22) mg·L–1。
2)微生物菌株。雨生红球藻购自中国武汉水生生物研究所；真菌Simplicillium lanosoniveum DT06由河北工业大学代谢工程与生物合成实验室分离获得，并保藏于中国科学院微生物学研究所菌物标本馆(编号HMAS 242045)。
1.2 微藻接种液以及真菌孢子的制备
1)微藻接种液：5 mL雨生红球藻培养液接种到装有60 mL BBM培养基[27]的100 mL锥形瓶中，置于光照摇床中培养7 d(115 r·min–1、25 °C恒温、60 μmoL·(m2·s)–1持续光照)。雨生红球藻接种液最终的细胞浓度为1.5×105 细胞·mL–1。
2)真菌孢子悬浮液：将真菌DT06划线于PDA培养基平板上，于培养箱(28 ℃)中恒温培养7 d后，从菌落表面轻轻刮取收集DT06孢子，并悬浮于50 mL无菌水中。真菌孢子悬浮液最终细胞浓度为5×106 细胞·mL–1。雨生红球藻细胞和真菌DT06孢子的数量均通显微镜进行计数。
1.3 培养体系的构建
雨生红球藻与真菌DT06混合培养(简称M组)：按10%接种量将雨生红球藻接种到含有200 mL废水的500 mL锥形瓶中，并分别接种对应体积的DT06孢子悬浮液，以达到5∶1、10∶1、30∶1、50∶1的细胞数量接种比例(雨生红球藻：DT06)。以雨生红球藻单独培养(1∶0，雨生红球藻：DT06)作为对照(CK)。
雨生红球藻-DT06混合添加NaHCO3培养(简称MC组)：在每组含有200 mL废水的500 mL锥形瓶中分别添加不同体积的NaHCO3母液(10 g·L–1)，使NaHCO3质量浓度达到0(对照，MCK)、0.2、0.4、0.6和0.8 g·L–1，以最佳细胞接种比例分别接种雨生红球藻和DT06孢子悬浮液。
所有实验均置于光照培养箱中培养12 d(25 °C恒温、60 μmoL·(m2·s)–1持续光照)，每天手摇2次，每组实验设置3个重复。
1.4 参数测定方法
1)雨生红球藻生物量。雨生红球藻生物量以细胞干重表示，每隔2 d取培养液并采用显微镜计数法计数，根据式(1)计算雨生红球藻生物量，根据式(2)计算雨生红球藻比生长速率。
X=4.64×10−8N+0.0035 (1) μ=(lnXn−lnX0)/(tn−t0) (2) 式中：X为细胞干质量，g·L–1；N为细胞浓度, 细胞·mL–1；μ为比生长速率，d−1；X0和Xn分别为第t0天和第tn天的雨生红球藻生物量，g·L–1。
2)细菌总数。根据实验室之前的方法[40-42]对废水中细菌总数做了部分修改。灭菌的LB琼脂板接种1 mL稀释105倍的废水样品，并在培养实验相同的条件下培养3 d。总细菌数表示为每毫升菌落形成单位(CFU·mL−1)。
3)废水水质。每隔两天取废水样本进行分析。总氮使用过硫酸钾氧化紫外分光光度法；总磷使用钼锑抗分光光度法；COD 使用重铬酸盐法测定；氮、磷的去除率和去除速率根据式(3)和式(4)进行计算。
N=(N0−Nt)/N0×100% (3) R=(N0−Nt)/(tn−t0) (4) 式中：N为COD和氮、磷的去除率，%；R为COD和氮、磷的去除速率，mg·(L·d)–1；N0和Nt分别为第t0天和第tn天的COD和氮、磷质量浓度，mg·L–1。
4)脂类和虾青素含量。 雨生红球藻脂类和虾青素含量参照我们此前的方法[43]测定。
2. 结果与讨论
2.1 雨生红球藻-真菌DT06混合培养
1)混合培养对微藻生长的影响。如图1(a)所示，CK中雨生红球藻的生物量在前8 d内缓慢上升，第10天后趋于平稳，最终达到0.27 g·L–1；而雨生红球藻与DT06混合培养过程中雨生红球藻的生物量在前4 d缓慢上升(适应期)，在第6天(10:1、30:1)和第8天(5:1、50:1)快速上升，第8天后趋于平稳。最终，雨生红球藻的生物量在5:1、10:1、30:1和50:1下分别为0.64、1.08、 1.39 和 0.74 g·L–1。
图 1 混合培养不同接种比例下雨生红球藻生物量和比生长速率的变化Figure 1. Changes of biomass and specific growth rate of H. pluvialis in mixed cultures under different cells ratios生长动力学分析结果(图1(b))显示， CK中雨生红球藻的比生长速率在第4天达到最大值(0.18 d–1)，第6天后逐渐降低至0。雨生红球藻与DT06混合培养过程中雨生红球藻的比生长速率均高于CK。比生长速率在10∶1和30∶1时在第6天达到最大值，分别为0.45 d−1和0.54 d−1；在5∶1和50∶1时在第8天达到最大值，分别为0.34 d−1和0.36 d−1。比生长速率此后逐渐降低至0。雨生红球藻与DT06混合培养过程中30∶1表现出最高的生长速率和最高平均比生长速率(0.25 d−1)，因此，后续实验以最佳藻菌细胞比30∶1进行实验。
混合培养中藻类生物量的增加是由于比生长速率的提高，这可归因于2个方面：1)藻类(雨生红球藻)和真菌DT06的共生作用。DT06释放CO2促进雨生红球藻光合作用，并吸收雨生红球藻释放的O2进行有氧代谢，从而解除O2对藻类生长的抑制作用，这与其他菌藻混合培养类似[27,44-47]；2)抑制有害细菌的生长。与混合培养相比，对照的生物量异常低，比生长速率过早地下降，表明废水中有害细菌对藻类的生长有显著的抑制作用，混合培养中的生物量持续增加表明DT06释放的抗生素表现出对有害细菌显著的抑制作用。
2)总细菌数。如图2所示，实验结束时5∶1、10∶1、30∶1和50∶1中细菌总数分别为1.3、1.5、1.6、1.9×106 CFU。雨生红球藻与DT06混合培养过程中的细菌总数与CK(2.8×106 CFU)相比分别下降了54.8%、46.4%、42.9%和30.4%。这表明DT06能够抑制废水中细菌的增长。
图 2 混合培养不同接种比例细菌总数Figure 2. The total number of bacteria in mixed cultures under different cells ratios3)如图3所示，CK中pH持续上升，在实验结束时达到8.65。雨生红球藻与DT06混合培养过程中pH在前4 d持续升高，之后保持相对稳定且显著低于CK。实验结束时5: 1、10: 1、30: 1和50: 1的pH分别稳定在7.83、7.65、7.36和7.92。pH快速升高主要原因是雨生红球藻吸收了生理碱性盐(如硝酸盐)。混合培养中pH保持相对稳定，原因是真菌DT06释放的CO2中和培养液的碱性以及雨生红球藻吸收废水中的NH4+降低了培养液的pH。
4)混合培养对COD去除的影响。如图4(a)所示，CK中COD下降缓慢，最终的去除率仅为28.5%，平均去除速率为18.4 mg·(L·d)–1(图4(b))。这表明雨生红球藻和原有的微生物对耗氧有机物(以COD计)的降解能力有限。而在30∶1、10∶1、5∶1和50∶1中，COD分别在第4、6和8天内降至0(去除率100 %)(图4(a))，平均去除率分为183.9、127. 4、96. 8、93.1 mg·(L·d)–1 (图4(b))。结果表明，废水中的难降解耗氧有机化合物(以COD计)可被DT06完全降解为小分子物质和CO2，这些小分子物质被雨生红球藻利用进行混合营养生长。因此，在难降解有机化合物完全降解前后，雨生红球藻的比生长速率快速上升，之后迅速下降(图1(b))。
图 4 混合培养不同接种比例下COD的变化、去除率和平均去除速率Figure 4. Changes, removal rate and average removal rate of COD in mixed cultures under different cells ratios5)混合培养对氮磷去除的影响。如图5(a)所示，CK中TN质量浓度在前2 d迅速下降，之后缓慢下降，最终达到340 mg·L–1，去除率为37.9 %，平均去速除率为17.3 mg·(L·d)–1 (图5(b))。相比之下，雨生红球藻与DT006混合培养过程中TN质量浓度持续下降，下降速度均高于CK(图5(a))。其中， 30∶1中TN去除率最高为83.33%，平均去除速率为39.8 mg·(L·d)–1。而5∶1、10∶1、50∶1中TN的平均去除速率分别为24.8、33.0、27.0 mg·(L·d)–1；去除率分别为53.1%、69.1 %、57.9 % (图5(b))。
图 5 混合培养不同接种比例下TN和TP的变化及其去除率和平均去除速率的变化Figure 5. Changes of removal rate and average removal rate of TN and TP in mixed cultures under different cells ratiosTP变化与TN变化规律相似(图5(c))，TP在CK中下降最慢，最终为56.6 mg·L–1；在 30:1中下降最快，最终为10.6 mg·L–1。最低和最高的TP去除率分别为37.1%和88.2%，平均TP去除率分别为2.8 mg·(L·d)–1和6.6 mg·(L·d)–1 (图5(d))。
混合培养氮、磷去除率的提高归因于藻类生长速率的提高。如图6所示，在第6天和第8天之前，所有混合培养中的TN和TP去除速率持续增加，随后骤然下降，这与雨生红球藻比生长速率在初始升高和随后下降一致(图1(b))。而如上所述，雨生红球藻比生长速率的骤然下降主要是由于雨生红球藻进行快速异养生长对作为碳源的COD的快速消耗。也就是说，混合培养中有机碳源(如COD)的存在促进了雨生红球藻的生长，进而提高氮、磷的去除率。然而，在实验结束时，雨生红球藻与DT06混合培养组中残余的氮、磷含量仍然很高(图5(a)和5(c))。因此，在混合培养中需要添加额外的碳源来进一步提高氮、磷的去除率。
图 6 混合培养不同接种比例下TN和TP去除速率的变化Figure 6. Changes of TN and TP removal rates in mixed cultures under different cells ratios有研究表明，添加有机碳源会造成不可避免的二次污染[47]，并提高废水处理成本。廉价的无机碳源，例如碳酸氢盐(NaHCO3)，是产生HCO3−促进雨生红球藻光合营养生长的最佳替代物。因此，为了进一步提高氮磷去除率，本研究在最佳细胞接种比例30∶1的基础上添加NaHCO3进行后续的实验。
2.2 雨生红球藻-真菌DT06混合添加NaHCO3培养
1)添加NaHCO3混合培养对微藻生长的影响。如图7(a)所示，MCK中雨生红球藻生物量在第4天后快速上升，第6天后缓慢上升，最终达到1.36 g·L–1。而添加NaHCO3混合培养过程中雨生红球藻的生物量在第2天后快速上升，第8天后达到稳定期，最终添加0.2、0.4、0.6、0.8 g·L–1 NaHCO3中雨生红球藻的生物量分别为1.58、1.71、1.95、1.44 g·L–1。生长动力学分析结果表明(图7(b))，添加NaHCO3混合培养组中雨生红球藻的比生长速率在第2天上升，并在第4天达到最大值，随后快速下降。添加0.6 g·L–1 NaHCO3中雨生红球藻的比生长速率最高，为0.85 d–1，比MCK(0.51 d–1)高1.66倍。以上结果表明混合培养中添加0.6 g·L–1 的NaHCO3最适合雨生红球藻的生长。
图 7 添加不同质量浓度NaHCO3的混合培养中雨生红球藻生物量和比生长速率的变化Figure 7. Changes of biomass and specific growth rate of H. pluvialis in mixed cultures supplemented with different concentrations of NaHCO3与MCK相比，添加NaHCO3混合培养过程中雨生红球藻的适应期缩短，比生长速率有所升高。这表明NaHCO3产生的HCO3−被雨生红球藻同化为光合底物，从而促进微藻的光合作用。而延长的指数期和比生长速率的下降是由于以下2点：HCO3−的吸收导致pH升高限制了雨生红球藻细胞的生长, 这也是添加0.8 g·L–1 NaHCO3中雨生红球藻的生物量低于添加0.6 g·L–1 NaHCO3的原因(图8)；废水中氮、磷质量浓度的下降(图9)导致雨生红球藻细胞生长停止以及孢子的形成(图7)。
图 8 添加不同质量浓度NaHCO3的混合培养中pHFigure 8. pH in mixed cultures supplemented with different concentrations of NaHCO3
图 9 添加不同质量浓度NaHCO3的混合培养中TN和TP的变化及其去除率和平均去除速率Figure 9. Changes, removal rate and average removal rate of TN and TP in mixed cultures supplemented with different concentrations of NaHCO32)如图8所示，MCK 中pH在前4 d持续升高，之后稳定在7.3~7.5直到实验结束。由于添加了NaHCO3，添加NaHCO3混合培养过程中初始pH均高于MCK。添加0.2、0.4和0.6 g·L–1 NaHCO3的pH在前4 d逐渐升高，之后保持相对稳定，实验结束时pH分别7.71、8.12和8.55。而添加0.8 g·L–1 NaHCO3的pH持续升高，最终达到10.11。
3)添加NaHCO3混合培养过程中混合培养对氮磷去除的影响。如图9(a)所示，添加NaHCO3混合培养过程中TN质量浓度急剧下降。其中添加0.6 g·L–1 NaHCO3中TN质量浓度下降最快，在第10天达到检出限，达到最高去除率(100%)，平均去除速率为55.5 mg·(L·d)–1 (图9(b))。相比之下，添加0.2、0.4、0.8 g·L–1 NaHCO3和MCK中TN质量浓度下降缓慢，最终分别为30.8、10.9、71.5和95.7 mg·L–1。添加0.2、0.4、0.8 g·L–1 NaHCO3和MCK中TN平均去除速率分别为 43.6、45.4、40.4、38.1 mg·(L·d)–1，去除率分别为94.4%、98%、87.1%、82.7%。
TP变化与TN变化规律相似，TP质量浓度在添加0.6 g·L–1 NaHCO3中的第8天便达到检出限，达到最高去除率100%，平均去除速率为8.9 mg·(L·d)–1。而添加0.2、0.4、0.8 g·L–1 NaHCO3和MCK中TP质量浓度在实验结束时分别为3.2、1.9、7.9和11.6 mg·L–1(图9(c))。添加0.2、0.4、0.8 g·L–1 NaHCO3和MCK中TP平均去除速率分别为7.2、7.2、6.9、6.6 mg·(L·d)–1；去除率分别为96.4%、97.9%、91.2%、87.9% (图9(d))。
添加NaHCO3混合培养过程和MCK中TN/TP的变化表明，混合培养中添加NaHCO3促进藻类生长，可提高氮、磷去除率。添加NaHCO3混合培养过程中的TN/TP去除率和平均去除速率(图9(b)和图9(d))与细胞比生长速率和生物量(图7)变化同步，在MC0.6中达到最大值。
2.3 不同培养体系对脂类和虾青素积累的影响
为了评估不同培养体系对雨生红球藻脂类和虾青素合成的影响，分析比较了雨生红球藻添加0.6 g·L–1 NaHCO3、 30:1(MCK)和CK中的脂类和虾青素含量。如图10所示，添加0.6 g·L–1 NaHCO3中脂类含量最高(392.2 mg·g–1)，分别比MCK(259.6 mg·g–1)和CK(194.7 mg·g–1)提高了51.1%和101.4%。添加0.6 g·L–1 NaHCO3中雨生红球藻的虾青素含量达到最高(27.9 mg·g–1)，分别是MCK(19.0 mg·g–1)和CK(5.9 mg·g–1)的1.5倍和4.7倍。脂类和虾青素的变化规律相似，主要是由于呈脂溶性虾青素分散在藻类细胞的脂滴中[48]，因此，与脂类的合成呈相同的变化趋势(图10)。
图 10 不同培养体系下脂类和虾青素的含量Figure 10. Contents of lipid and astaxanthin in different culture modes与CK和MCK相比，添加0.6 g·L–1 NaHCO3中雨生红球藻的脂类和虾青素含量逐渐增加。主要原因是氮、磷质量浓度的快速下降，尤其是氮(图7(a))。添加0.6 g·L–1 NaHCO3对总氮的快速去除导致早期氮的含量相对不足/缺乏(氮饥饿)，使得藻细胞将碳通量引导至脂类合成路径，从而促进脂类和虾青素的合成[48-49]。
3. 结论
1)与雨生红球藻的单独培养(CK)相比，雨生红球藻与DT06混合培养促进了雨生红球藻生长。雨生红球藻与DT06混合培养过程的COD先后均被完全去除，氮、磷的去除效果也得到显著提升。
2)添加NaHCO3的混合培养可进一步促进藻类生长和对氮、磷的去除。在NaHCO3质量浓度为0.6 g·L–1时，雨生红球藻比生长速率达到最高，氮和磷几乎被完全去除，其平均去除速率分别达到55.5 mg·(L·d)–1和8.9 mg·(L·d)–1。
3)在CK、M和MC体系中，MC中雨生红球藻的脂类和虾青素含量最高，分别达到259.6 mg·L–1和27.9 mg·L–1。
-
图 2 2018年河南省南阳市淇河污染事件应急处置方案
Figure 2. Diagrammatic sketch of emergency programmes for the pollution incident of Qihe River in Nanyang City, Henan Province in 2018
图 3 2011年临沂市南涑河水污染应急演练应急处置方案
Figure 3. Diagrammatic sketch of emergency programmes for the Emergency drill of Nansu River pollution in Linyi City, Shandong Province in 2011
图 4 2015年11月甘肃陇星锑污染事件应急处置方案
Figure 4. Diagrammatic sketch of emergency programmes for Antimony Pollution Event in Gansu Longxing Company in November 2015
图 5 “3·14”柴油罐泄漏次生突发环境事件应急处置方案
Figure 5. Diagrammatic sketch of emergency programmes for "3·14" diesel tank leakage secondary pollution event
表 1 环境应急空间与设施使用方法简介
Table 1. Usage schemes of environmental emergency space and facilities
类型 主要功能 主要方法 水库 调蓄、拦截、处置 1.调度清水，稀释污染团2.事故点下游落闸拦截污染团，降低污染团推移速度，争取应急处置时间3.事故点上游水库落闸拦截清水，减轻下游截污压力4.依托水库拦河坝，建立应急投药处置点，进行工程削污 湿地 截留、处置 1.利用湿地的空间储存污水2.利用湿地的自净能力或建立投药点等，削减污染物 坑塘 截留、处置 1.通过泵抽或者沟渠自流的方式将河道中污染团截留在坑塘内，减轻河道污染负荷2.作为处置点，削减污染物 闸坝 拦截、引流、处置 1.落闸拦截污染团，降低污染团推移速度2.利用闸坝连通的灌渠等引流污水3.利用闸坝建立投药处置点，进行工程削污 引水式电站 分流、引流 1.通过电站引水渠引流蓄污并通过河道分流清水2.在电站坝下筑坝蓄污并通过电站引水渠分流清水 坝式水电站 拦截、处置 1.落闸拦截污染团，降低污染团推移速度2.利用闸坝建立投药处置点，进行工程削污 干枯河道 分流、处置 1.利用干枯河道分流清水，实现清污分离2.利用干枯河道引流污水，并适时在河道交汇处筑坝，临时储存、处置污水 江心洲型河道 分流、处置 1.事故点位置的江心洲型河道，可在江心洲上下两端建坝，构建堰塞湖，隔离污水，分流清水2.在堰塞湖进行处置，削减污染物浓度 桥梁 处置 1.利用跨河桥梁建立处置点，削减污染物 临时筑坝点 拦截、处置 1.拦截污染团，降低污染团推移速度2.建立投药处置点，进行工程削污 其他设施 处置 1.环境应急物资库保障物资、装备供应 
下载: 导出CSV
表 2 不同类型河流典型环境应急空间与设施及使用方法
Table 2. Typical environmental emergency space and facilities and usage schemes for different types of rivers
河流类型 典型环境应急空间与设施 主要功能 应用技术要点 应用案例 山区河流 引水式水电站 分流、引流 1.利用引水渠引流蓄污并通过河道分流清水2.在电站坝下筑坝蓄污并通过电站引水渠分流清水 2018年河南省南阳市淇河污染事件2019年丹江口水库安全保障区跨市联动环境应急演练 坝式水电站 拦截、处置 1.落闸拦截污染团，降低污染团推移速度2.利用闸坝建立投药处置点，进行工程削污 2012年龙江镉污染事件 平原河网 闸坝 拦截、引流、处置 1.落闸拦截污染团，降低污染团推移速度2.利用闸坝连通的灌渠等引流污水3.利用闸坝建立投药处置点，进行工程削污 2011年临沂市南涑河水污染应急演练 大型河流 闸坝 拦截、引流、处置 1.落闸拦截污染团，降低污染团推移速度2.利用闸坝建立投药处置点，进行工程削污 2021年嘉陵江“1·20”甘陕川交界断面铊浓度异常事件 水源应急保障工程 拦截、分流、引流、处置 1.拦截污染团，阻止污染团污染取水口2.建立投药处置点，削减污染物浓度 镇江长江征润州取水口应急保障工程 人工河道 闸坝 拦截、分流、处置 1.落闸拦截污染团，降低污染物推移速度2.通过分水闸分流污染物 2020年四川省彭州市旺驰物流有限公司“3•14”柴油罐泄漏次生突发环境事件
下载: 导出CSV
-
[1] 黄大伟, 贾滨洋, 谢红玉, 等. 流域突发性水环境风险的评估方法[J]. 环境工程学报, 2021, 15(9): 2868 − 2873. doi: 10.12030/j.cjee.202102029 [2] 曹国志. 加强“十四五”环境应急管理体系和能力建设[N]. 中国环境报, 2021-04-22(3). [3] 王金南, 曹国志, 曹东, 等. 国家环境风险防控与管理体系框架构建[J]. 中国环境科学, 2013, 33(1): 186 − 191. doi: 10.3969/j.issn.1000-6923.2013.01.027 [4] 於方, 曹国志, 齐霁, 等. 生态环境风险管理与损害赔偿制度现状与展望[J]. 中国环境管理, 2021(5): 143 − 150. doi: 10.16868/j.cnki.1674-6252.2021.05.143 [5] 黄相国, 王小娜, 赵美超, 等. 防范化解区域生态环境风险的技术支撑及研究展望[J]. 环境保护科学, 2022, 48(1): 1 − 4. [6] CAO G, YANG L, LIU L, et al. Environmental incidents in China: Lessons from 2006 to 2015[J]. Science of the Total Environment, 2018, 633: 1165 − 1172. doi: 10.1016/j.scitotenv.2018.03.271 [7] CHAN E, WANG Z, MARK C K M, et al. Industrial accidents in China: Risk reduction and response[J]. The Lancet, 2015, 386(10002): 1421 − 1422. doi: 10.1016/S0140-6736(15)00424-9 [8] 虢清伟, 邴永鑫, 陈思莉, 等. 我国突发环境事件演变态势、应对经验及防控建议[J]. 环境工程学报, 2021, 15(7): 2223 − 2232. doi: 10.12030/j.cjee.202009193 [9] 中华人民共和国生态环境部. 《中国环境状况公报》(2005-2012)[EB/OL]. [2022-04-13]. https://www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/zghjzkgb/. [10] 中华人民共和国生态环境部. 《中国环境统计年报》(2005-2015) [EB/OL]. [2022-04-13]. https://www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/sthjtjnb/. [11] 中华人民共和国生态环境部. 《中国生态环境统计年报》(2016-2020) [EB/OL]. [2022-04-13]. https://www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/sthjtjnb/. [12] 李华东. “南阳实践”在跨境河流水污染应对中的应用[J]. 山东化工, 2021, 50(12): 235 − 237. doi: 10.3969/j.issn.1008-021X.2021.12.090 [13] 钱宁. 关于河流分类及成因问题的讨论[J]. 地理学报, 1985, 40(1): 1 − 10. doi: 10.3321/j.issn:0375-5444.1985.01.001 [14] 黄锡荃, 苏法崇, 梅安新. 中国的河流[M]. 北京: 商务印书馆, 1995: 14-18. [15] 肖先达. 河流、河段分类问题探讨[J]. 长沙交通学院学报, 1990, 6(2): 19 − 31. [16] 张晓健, 陈超, 米子龙, 等. 饮用水应急除镉净水技术与广西龙江河突发环境事件应急处置[J]. 给水排水, 2013, 39(1): 24 − 32. doi: 10.3969/j.issn.1002-8471.2013.01.005 [17] 中华人民共和国水利部, 中华人民共和国国家统计局. 第一次全国水利普查公报[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2013. [18] 张晓健. 水源突发污染的饮水健康影响与应急管理对策[J]. 给水排水, 2018, 44(9): 1 − 3. doi: 10.3969/j.issn.1002-8471.2018.09.001 [19] 张悦, 张晓健, 陈超, 等. 城市供水系统应急净水技术指导手册(试行)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2009. [20] 张悦, 张晓健, 陈超, 等. 城市供水系统应急净水技术指导手册[M]. 2版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2017. [21] CHEN C, ZHANG X, HE W, et al. Comparison of seven kinds of drinking water treatment processes to enhance organic material removal: A pilot test[J]. Science of the Total Environment, 2007, 382(1): 93 − 102. doi: 10.1016/j.scitotenv.2007.04.012 [22] 张晓健. 甘肃陇星锑污染事件和四川广元应急供水[J]. 给水排水, 2016, 42(10): 9 − 20. doi: 10.3969/j.issn.1002-8471.2016.10.002 [23] 张晓健, 陈超, 谢继步, 等. 自来水厂原水的调蓄与水质控制[J]. 中国给水排水, 2016, 32(22): 14 − 19. doi: 10.19853/j.zgjsps.1000-4602.2016.22.003 -
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 1712
- HTML全文浏览数: 1712
- PDF下载数: 23
- 施引文献: 0
