杨敏在科普讲座中的演讲: 让百姓喝上放心水
吴丰昌院士在央视关于QCS水库气味控制的特别报道
来源: 央视财经频道
苏命: 地表源水中的水质问题及其解决方案
来源: 中国科学院
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。