1. 引言
目前，抚仙湖是我国最大的淡水1类深水湖。它的储水量占云南九个高原湖泊总储水量的68.3%，占全国淡水湖泊的9.2%，占全国第一类以上淡水湖的90%。在抚仙湖径流中，部分水体受到不同程度的污染，但主要水质指标均优于城市污水处理厂的污染物排放标准，不能排入污水处理厂进行处理，然而对于湖泊水体仍然是一种污染源。抚仙湖是低水位湖泊的典型代表；低污染水进入湖泊的危害更加明显，处理低污染水进入湖泊尤为重要。这部分湖水中的氮(ρ(TN))，总磷浓度(ρ(TP))和COD Cr浓度(ρ(COD Cr))相对较低，被称为“低水污染”[1]。
因此，本研究对抚仙湖流域低污染水污染负荷进行调查，来分析抚仙湖流域低污染水处理技术现状以及应用前景。
2. 抚仙湖流域低污染水污染负荷调查
2.1. 抚仙湖流域低污染水类型及调查流程
低污染水包括经过废水处理设施处理过的尾水，但仍然是湖泊，径流，污染物浓度低的农田排水以及雨季村庄径流污染水体的源头。污染水调查研究表明，抚仙湖流域的低污染水主要包括污水处理厂尾水，城市径流和农田径流排水三种类型。低污染水调查：流域低污染水源调查它主要包括数据收集，抽样分析和现场调查。调查的内容包括：① 正在运营或在建的城市污水处理厂的数量，分布，处理规模和实际处理能力；② 采集区，种类和种植习性，主要农作物，施肥方法等；③ 流域农村地区的人口，人均用水量，现状和排水特征以及农村污水处理的现状；④ 城市流域面积，人口密度，降雨数据等[2]。基于以上根据对污水处理厂，农田排水，城市径流等的水质研究以及GB3838-2002，GB18918-2002，检查数据并计算抚仙湖流域不同类型的低污染水的产量。和其他标准限值通过arcgis10.2程序将抚仙湖流域的低污染水污染负荷划分为多个区域，低污染水调查过程如图1所示。
2.2. 抚仙湖流域污水处理厂处理尾水
较为《城镇污水处理站空气污染物环保标准》(GB18918-2002)与《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)，能够发觉，GB18918-2002中一级A规范的ρ (TN)、ρ (TP)分别是GB3838-2002中Ⅴ类水质检测标准(湖、库)的7.5和2.5倍。GB18918-2002各级出水与GB3838-2002中Ⅴ类水质标准ρ (TP)、ρ (NH4+-N)的比较如图2所示。由图2可见，城镇污水处理厂达标排放的处理水中的氮磷物质，对湖泊来说仍然是污染源，即便流域中的点源已经得到全面控制，但由于污水处理厂达标排放处理水还是属于低污染水，湖库、河流地表水水质达标率仅为42%~65% [3]。
Figure 1. Investigation process of low-pollution water entering Fuxian Lake
图1. 抚仙湖流域入湖低污染水调查流程
Figure 2. Comparison of wastewater treatment plant tailwater discharge standards and surface water environmental quality standards (note: the value of ρ (TP) is the standard value × 10)
图2. 污水处理厂尾水排放标准与地表水环境质量标准比较(注：ρ (TP)数值为标准值 × 10)
根据《抚仙湖保护和科学利用专项规划(2018~2035年)规划报告》中数据资料，抚仙湖集中式城镇污水处理厂(城镇污水处理分布情况见表1)整体情况如下。
抚仙湖北岸澄江市有相对完善的污水收集管网，包括澄江市中心城区和北岸湖滨带截污管网，澄江污水处理厂处理能力15,000 m3/d；东、西湖岸的部分村落也都设有相应的污水收集装置，南岸污水处理设施尚不完善。海口镇：集镇没有完善的排水系统，排水体制为合流制，部分污水渠道已堵塞，海口河下游现有污水处理厂，日污水处理能力为1000 m3，承担着镇区的污水处理；路居镇：为保护抚仙湖，有效控制村庄的面源污染，配套大鲫鱼河流域环境综合整治的项目建设规模为1000 m3/d的污水处理站，位于中坝社区甸尾村环湖路处；九村镇：现状沿主要道路布置有污水管，为D400-D500的钢筋混凝土圆管，但没有污水处理设施，污水收集后直排入农田。目前规划范围内已建成污水处理厂4座，污水处理能力1000 m3/d；禄充风景区污水处理厂处理能力5000 m3/d。
根据现状统计，抚仙湖径流区现有集中式污水处理厂处理能力为23,000 m3/d，按最大处理量、排水满足GB18918-2002中一级A标准计算，抚仙湖径流区主要污染物排放量分别为：COD419.75 t/a、TN125.93 t/a、NH3-N41.98 t/a、TP4.20 t/a。
Table 1. Distribution of centralized sewage treatment plants in the Fuxian Lake runoff area
表1. 抚仙湖径流区集中式污水处理厂分布情况
| 抚仙湖径流区污水工程现状说明 |
| 序号 |
厂站名称 |
处理能力 |
处理范围 |
| 1 |
澄江污水处理厂 |
15000 m3/日 |
澄江城区、龙街集镇、右所集镇、抚仙湖北岸、湖畔
圣水5个片区 |
| 2 |
九村污水处理厂 |
100 m3/日 |
九村集镇 |
| 3 |
禄充污水处理厂 |
5000 m3/日(扩建中) |
禄充、立昌片区 |
| 4 |
海口污水处理厂 |
1000 m3/日 |
抚仙湖东岸太阳山度假区污水处理厂回用富余尾水、
沿岸村镇污水及远期北岸县城污水处理厂出水 |
2.3. 抚仙湖流域城镇地表径流
Figure 3. Monthly precipitation in the Fuxian Lake Basin from 2015 to 2019 (unit: mm)
图3. 抚仙湖流域2015~2019年各月降水量(单位：mm)
抚仙湖流域多年平均降雨量为1027.04 mm (见图3)，属于湿润地区。但由于受季节影响，降雨量随季节的变化而悬殊极大，降雨量随季节的变化造成地表径流不稳定和局部分配不均匀。根据公式：城镇地表径流量(万m3) = 年降雨量(mm) × 年径流系数 × 集水面积(km2)/10，城镇径流系数取0.30 (参照《室外排水设计规范(2016年版)》GB50014-2006表3.2.2-2综合径流系数中“城镇建筑稀疏区”0.20~0.45，选取中间值0.3)，集水面积按照抚仙湖流域城镇面积(本研究以S. H. Li et al. [4]给出2015年抚仙湖流域不透水面积作为城镇面积来计算，其研究表明不透水表面在城镇区域大多是高反照度组分和低反照度组分的线性组合，把高、低反照度组分相加获取总的不透水表面)，2015年的抚仙湖流域城镇面积为35.14 km2，可估算出全年抚仙湖流域城镇地表径流产生量为1082.7万m3。参照孔燕等[4] 2016年澄江市凤麓镇降雨径流污染特征及排放负荷研究，估算抚仙湖流域城镇降雨径流污染负荷总量见表2，其中降雨径流中各污染物年均浓度分别为：COD105.60 mg/L、TN13.68 mg/L、NH3-N0.46 mg/L、TP1.00 mg/L。
Table 2. Total pollution load of urban rainfall runoff in the Fuxian Lake Basin
表2. 抚仙湖流域城镇降雨径流污染负荷总量
| 年径流总量(万m3/a) |
污染物排放量/(t/a) |
| COD |
TN |
NH3-N |
TP |
| 1082.7 |
1142.89 |
39.85 |
5.02 |
10.86 |
2.4. 抚仙湖流域农田径流排水
抚仙湖流域耕地面积23.36万亩，坝区耕地7.96万亩，山区耕地15.4万亩，涉及路居镇、澄江市海口镇、右所镇、龙街街道、凤麓街道、九村镇7个镇(街道)，坝区蔬菜集中种植的7.23万亩(北岸坝区5.47万亩、南岸坝区1.15万亩、东西两岸新环湖路两侧0.61万亩)及径流区其它水田0.73万亩。近年来，为保护抚仙湖，政府虽然加大了种植业结构调整力度，但受市场及利益驱动，蔬菜种植面积依然高居不下。
农田面源污染由于其分布广泛、较分散的特性，一旦产生难以进行有效截留和降解。2014年，抚仙湖流域第一产业总产值180,381万元，占比为21.73%。流域内主要种植农作物为蔬菜、水稻、小麦、玉米、烤烟和水果，一年多季。根据资料显示抚仙湖流域TN年污染物排放量为2267.74 t/a，TP为414.81 t/a；农田面源TN排放量为1000.03 t/a，占流域总量的44.1%；农田面源TP排放量为239.77 t/a，占流域总量的57.8%；农田污染是抚仙湖流域一个必须要控制的污染源。
2.5. 小结
(1) 经过分析调查抚仙湖流域低污染水主要来源于污水处理厂处理尾水、城镇面源、农田径流排水这三种类型，其中农田径流排水污染负荷所占比重最大(见表3，图4)。
(2) 抚仙湖流域低污染水中TN负荷量为2267.74 t/a，TP负荷量为414.81 t/a。仅农田径流排水中TN和TP就占到流域低污染水的44.1%和57.80%；这个结论值说明了对于抚仙湖流域农田污染必须得到重视，虽然另外两类所占比重较小，但同时也要对城镇污水处理厂处理尾水、城镇地表径流对湖泊水质的影响加以关注。
(3) 在这次调查研究中，对于农田径流排水浓度和城镇地表径流浓度的取值分析还不够准确，只能作为简单的估算，如何准确取值计算，值得进一步讨论研究与分析。
Table 3. Pollution load of low-pollution water in Fuxian Lake Basin
表3. 抚仙湖流域低污染水污染负荷量
| 类别 |
污染物排放量/(t/a) |
TN占总量百分比(%) |
TP占总量百分比(%) |
| TN |
TP |
| 污水处理厂处理尾水 |
125.93 |
4.2 |
5.55% |
1.01% |
| 城镇地表径流 |
39.85 |
10.86 |
1.76% |
2.62% |
| 农田径流排水 |
1000.03 |
239.77 |
44.10% |
57.80% |
| 抚仙湖流域年污染排放量 |
2267.74 |
414.81 |
/ |
/ |
Figure 4. Percentage of low-pollution water pollution load in the Fuxian Lake Basin
图4. 抚仙湖流域低污染水污染负荷量所占百分比
3. 抚仙湖流域低污染水生态净化集成技术探究
3.1. 低污染水处理技术现状分析
人们对低污染水处理的认识始于1920年代。与我国国情不同的是，首先发展低污染水处理的初衷是缺乏淡水资源和各国解决水资源短缺的战略对策[5]。在日本，先进的尾水预处理技术始于1960年代，并在1970年代初开始应用，经过20多年的发展，日本在1990年代明确将先进的尾水处理作为资助和开发技术的主要研究内容，包括：各种尾水的先进处理工艺，例如脱氮除磷技术，超临界水氧化技术，膜生物反应和技术隔离等多种处理工艺[6]。由于缺乏水资源，以色列已成为公认的处理低污染水的国家，低污染水处理的方法有活性炭技术，空气生物滤池，臭氧氧化技术等[7]。
通过以上文献的查阅，分析了我国和国外情况不同的是，我国低污染水深度处理主要目的是为了使其地表水质相衔接，所以水质要求比国外要低；另一个方面，由于低污染水属于污水处理厂、城镇地表径流、农田径流排水三类主体的达标排放，所以要求深度处理的运行费用必须很低，才能保证运行方的持续运行。在这样的背景条件下，生态净化技术(生态净化技术是指通过人工植物或填料产生的废水，利用植物根系和周围土壤中的微生物的共同作用，以及填料表面上动植物形态独特的环境，从而使有机和无机污染物可以被基质过滤，吸收和吸收，沉积物，微生物活性或水生植物的直接吸附将通过技术去除[8]慢慢地进入了人们的视野。大量研究表明[9]-[11]，环境净化技术用于废水处理的内部机制主要是通过基质与系统中水生植物和微生物之间的三种物理，化学和生物相互作用来完成的[12]。
3.2. 抚仙湖流域低污染水生态净化集成技术筛选
抚仙湖属于大型深水淡水湖泊，对于抚仙湖流域低污染水的治理一般是将污染水体在入湖之前进行拦截。这里主要筛选了两种常见的生态拦截措施，有人工湿地和缓冲袋[13]。人工湿地是处理低污染水的有效方法[14]。复合湿地对低污染水体中氨氮和总氮的去除效果良好，平均去除率分别为53.24%和48.21%，表明复合湿地对河水低污染的净化效果比较明显[15]。湖泊缓冲区指在保护湖泊的孤立栖息地，该栖息地是通过流域内减少各种人类活动或削减自然过程对湖泊水生态系统的破坏、干扰和污染的空间[16]。我国已经对太湖，洱海，抚仙湖等流域的缓冲区生态修复与管理进行了研究[17]。在水生植物缓冲带试验期间，进水总氮浓度为5.504 mg/L，睡莲带的平均总氮去除率为74.2%，高于芦苇带的72.3%和空白带的67.3%。水生植物缓冲区对洱海流域的低污染水处理具有一定的作用[18]。通过比较洱海流域低污染水处理的水生植物缓冲研究，可以在抚仙湖采取同样的处理措施。二者筛选见表4。
Table 4. Screening of integrated technologies for low-pollution water ecological purification in the Fuxian Lake Basin
表4. 抚仙湖流域低污染水生态净化集成技术筛选
| 筛选项 |
效果分析 |
结论 |
| 复合人工湿地 |
对总氮的去除率在50%以下 |
可以明显看出水生植物缓冲带对
总氮的去除效果更佳 |
| 水生植物缓冲带 |
在实验周期内总氮的去除率在60%以上 |
3.3. 抚仙湖流域低污染水生态净化环境效益分析
人工湿地的投资成本低，操作简易，净水效果好，产水量稳定等特点。虽然人工湿地应用于处理低污染水有诸多的优点，但因其无明显经济收益、净化能力差、处理水量小、容易堵塞等缺点，使其在日后的继续发展上受到了一定的限制[19]。而缓冲带在防止水体遭受污染、保持水土以防流失、保护动物、植物和农用地等方面发挥了显著的作用，缓冲带主要包括了阻滞水流，使水质净化；固堤护岸，稳定水势；给生物提供栖息场所，保护生物多样性；提供屏障和廊道，提高连通性；提供休闲场所，提高美学价值等功能[20]。两者的比较见表5。
Table 5. Environmental benefit analysis of low-pollution water ecological purification in the Fuxian Lake Basin
表5. 抚仙湖流域低污染水生态净化环境效益分析
| 类别 |
优点 |
缺点 |
| 人工湿地 |
投资成本低，操作简易，净化效果好，产水稳定 |
净化能力差，处理水量小，容易堵塞 |
| 缓冲带 |
阻滞水流，使水质得到净化；固堤护岸，稳定水势 |
投资费用高，较难管理，建设难度大 |
通过利用生态净化技术来处理抚仙湖流域的低污染水，可以极大的节约成本，同时在周边建设人工湿地也可作为湿地公园美化环境。生态净化是在以保护环境的基础之下实施的一种环境友好型策略。
4. 建议
(1) 分析了上述几类生态净化技术的特点，对于本研究中探讨的抚仙湖流域低污染水的调查发现：由于抚仙湖流域受农田径流排水TN污染和TP污染较为严重，为了有效去除这两类物质适合采用人工湿地对低污染水进行净化处理。
(2) 目前，我国的生态净化技术还不够成熟，在处理方法上的形式还比较落后，还需要进一步学习与研究。并且，从全国范围来看，采用生态净化技术处理湖泊低污染水的研究还比较少，有很大的研究空间。
5. 结论
(1) 综上所述抚仙湖流域的低污染水污染负荷主要来自于污水厂的处理尾水、城镇地表径流、农田径流排水。其中污水厂的处理尾水中TN占5.55%、TP占1.01%，城镇地表径流中TN占1.76%、TP占2.62%，农田径流排水中TN占44.1%、TP占57.8%且以农田径流排水为主要污染来源。
(2) 抚仙湖流域处理低污染水适合采用的生态方法有人工湿地技术以及建设湖泊缓冲带，这两种处理是可行的。
NOTES
*通讯作者。