2022年醫(yī)學專題—富營養(yǎng)化湖庫水源地原位控藻技術研究進展

1、富營養(yǎng)化湖庫水源地原位控藻技術研究進展陳雪初，孔海南，李春杰(上海交通大學環(huán)境科學與工程學院，上海2(X刀40)摘要:綜述近年來出現(xiàn)的值得關注的湖庫水源地原位拉藻技術，包括生態(tài)浮島技術、改性黏土及植物浸出液拉藻技術、魚控藻技術、遮光控藻技術、揚水筒技術以及以物理一生態(tài)工程為代表的聯(lián)合技術等，認為將各項技術進行聯(lián)合以達到水質(zhì)修復和減災防災的雙重目的將是重要的發(fā)展方向。關鍵詞:水源地;富營養(yǎng)化;原位控藻;綜述在我國，一些以湖庫為主要水源地的城市正面臨著富營養(yǎng)化所導致的水華災害的嚴峻挑戰(zhàn)。在水華發(fā)生時每升水中多達幾億個藻細胞，COD和SS等指標亦急劇升高，導致給水廠濾池堵塞、產(chǎn)水量下降、出水濁度以及

2、藻毒素含量超標等問題，嚴重者將導致水廠被迫停產(chǎn)。另一方面，在目前湖庫普遍富營養(yǎng)化的形勢下，短期內(nèi)已難以解決內(nèi)源性營養(yǎng)鹽過量的問題，無法從根本上消除導致藻類異常繁殖的基礎條件，因此，在堅持實施控源策略的同時，還有必要針對局部水域采取工程措施以達到減災防災的目的。針對以上問題，最近幾年出現(xiàn)的新動向之一是原位控藻技術研究獲得重視并逐步開展。此類技術專以保護取水口周邊的水源水為目標，在水源地域內(nèi)直接實施控藻除藻工程，開展前處理。它與傳統(tǒng)給水工藝相比較最為顯著的區(qū)別在于技術的應用場所面積極大(一般在取水口周邊水域)，同時為達到控藻效果所需的處理時間也相對較長，即具有“以空間和時間贏取水質(zhì)”的特點。從技術

3、原理上看，此類技術多著眼于破壞利于藻類增殖的生長環(huán)境，如削減營養(yǎng)鹽濃度、光照度，加強水體流動性，引人生物物種調(diào)控水生生態(tài)系統(tǒng)等。本文就水源地原位控藻技術值得關注的研究進展進行綜述。1 生態(tài)浮島技術在淺水湖泊水源地的應用生態(tài)浮島技術即在浮體材料上種植植物，通過植物自身的同化作用吸收水源水中氮、磷，依靠附著于植物根系上的微生物去除一部分氨態(tài)氮、COD;同時由于浮島的遮光效應、接觸沉淀作用等，可在一定程度上控制有害藻類的增殖。1995年日本研究者在霞浦湖進行一次隔離水域試驗，結(jié)果表明:在生態(tài)浮島占有率只有25%的條件下，削減了94%的植物性浮游生物;宋祥甫等閻于1999一2000年在無錫東五里湖總面

4、積為3600m2的圍隔試驗區(qū)內(nèi)開展浮島凈水研究，試驗結(jié)束時旱傘草和美人蕉的生物量高達7.56kg/m2和5.2kg/m2，收割植物所帶走的營養(yǎng)鹽總量甚至超過了水體本底值。但實踐表明，在吹程長、風浪較大的湖庫水域，生態(tài)浮島的結(jié)構(gòu)設計是技術難點之一。國內(nèi)目前多采用剛性的塑料泡沫板結(jié)合竹料為浮材，成本很低，但抗風浪能力不足;日本近年來開發(fā)了多樣的浮島材料，如在霞浦湖建成了由40個邊長為4.5mx4.5m的正方形浮體所組成的長l00m、寬10m的大型浮島，采用不銹鋼制框架，利用填充的泡沫聚苯乙烯塑料提供浮力;還有一種所謂無框架浮島的做法，一般由柔性的椰子纖維編織而成，不怕相互間的撞擊，耐久性較好。在臺

5、灣地區(qū)則出現(xiàn)了用聚乙烯直接注塑而成的“福田板”，雖然抗風浪性能較好，但制作成本很高，目前多用于湖庫及風景點的局部凈化和綠化。生態(tài)浮島技術的難點是“較高的水力負荷與低的氮磷去除率之間的矛盾”，即在水源地一方面所需處理的水量極大，水力負荷很高;另一方面相對于植物需求而言，營養(yǎng)鹽濃度卻過低，植物生長困難，對氮、磷的吸收能力極為有限，吸收速率較慢。因此在現(xiàn)有的較為成型的生態(tài)浮島技術的基礎上，研究并引人一些能夠補償其自身不足的脫氮除磷材料以及這些材料所構(gòu)成的單元和結(jié)構(gòu)，在富集營養(yǎng)鹽的同時支持浮床植物生長，將有可能形成較有前景的實用關鍵技術。2 新型控藻藥劑的開發(fā)在一些小城鎮(zhèn)水源地，由于庫區(qū)面積及水量相對

6、不大，針對高含藻水源水，在實際應用中多考慮采取原位應急處理的方法，如在水華爆發(fā)時投加化學絮凝劑、黏土甚至硫酸銅進行殺藻除藻，最近則出現(xiàn)了對各種藥劑進行改性或者復配以減少環(huán)境風險、提升效果的新研究，引起廣泛關注的則為改性黏土控藻技術。黏土來源充足，天然無毒，播撒工序簡單，早期采取直接投加黏土的方法，雖然效果顯著但投加量較大(>0.2g/L)，鄒華等采用殼聚糖對除藻能力相差甚遠的各種黏土進行改性處理，在投加量僅為11mg/L時，經(jīng)2h沉降后，藻類去除率均可達90%以上，并認為黏土表面殼聚糖的架橋網(wǎng)捕作用和電中和作用是主要的凝聚除藻機理，這一發(fā)現(xiàn)雖然解決了由于黏土投加量過高而造成的工程應用難題

7、，但由于改性所用的殼聚糖價格昂貴，單位處理成本亦不低，因此該技術在應用上仍受到一定程度的限制，今后進一步開發(fā)價格低廉的改性材料可能是該技術得以推廣的關鍵點。近來，部分研究者關注某些植物浸出液對藻類的化感作用，但多處于試驗室研究階段;在歐美國家，利用廢棄的大麥稈控藻被認為是一項極為實用的技術，一般在早春時節(jié)，將大麥稈收集成垛，用塑料網(wǎng)包裹后投放，大約半個月之后開始發(fā)揮控藻效應，使用期為30一90天。Barrot等自1993一1998年在蘇格蘭某水庫中進行了麥稈控藻的工程研究。他們根據(jù)藻類的數(shù)量情況，在每年的1一3月或者9一11月投加麥稈，最高投量為28g/m3，最低為6g/m3，實施后2周左右開

8、始發(fā)揮效用，水體藻細胞數(shù)可降至未處理前的1/4，監(jiān)測表明，藍藻和硅藻數(shù)量下降的同時，并沒有出現(xiàn)新的具有特殊抗性的藻類，源水水質(zhì)得到改善，水廠濾池反沖洗次數(shù)減少。這一技術可能適用國內(nèi)規(guī)模較小的水源地，但必須評價是否有毒副作用產(chǎn)生。3 魚控藻技術在中小水源地的實踐自02世紀90年代初在武漢東湖圍隔中證實鰱、鳙能成功控制微囊藻水華之后，魚控藻技術在國內(nèi)中小水源地有所實踐。劉建康等的研究表明，鰱、鳙遏制水華的有效放養(yǎng)密度(亦即有效生物量)為46一50g/m3。在水源地治理中較為典型的是陸開宏等在溫州橋墩水庫采取的方法，他們于1998年9月水華爆發(fā)期噴灑38.8g/m2改性明礬漿應急除藻，之后于當年底放

9、養(yǎng)尾重鰱、鳙魚種1200尾/hm2，浮游藍藻總量由1.04億celI/L下降至0.0143億cell/L，藍藻個體數(shù)量比例從99.2%下降至31.5%。魚控藻技術存在的問題在于其不確定性，如食藻魚類并不專門攝食藍綠藻，還包括其他微小浮游動物，從而導致水生生態(tài)系統(tǒng)的巨變;另外食藻魚類可能導致形態(tài)較大的藻類將為形態(tài)微小者所逐漸替代，而總的藻類生物量幾乎不變;較早在國內(nèi)開展魚控藻研究的謝平亦指出，藻毒素將會在魚類體內(nèi)積累，并通過食物鏈危害人類健康，這提醒著工程人員在實施該技術時應慎之又慎。4 揚水筒技術的引進并在深水水庫應用揚水筒技術在歐美及日本等國已有30余年的應用歷史，早期用于深水港口防凍，在水

10、庫應用后發(fā)現(xiàn)具有極好控藻效果，并能顯著降低水庫底層鐵、錳濃度。其工作原理在于通過高能空壓機在揚水筒底部生成“氣彈".，帶動水流循環(huán)，造成庫區(qū)表層水體與底層水體的劇烈交換，破壞夏季水華高發(fā)期在水庫表層形成的溫度躍層，使得積聚于該層的藻類被驅(qū)趕至水庫底層，由于光照極低以及溫度驟降等原因，藻類失去活性而逐漸消亡;同時因為水體交換而帶來的“均一效應”，可使得原本在底層濃度較高的鐵、錳得到稀釋，沿水深方向上濃度逐漸趨于一致，并由于造流揚水所帶來的復氧效應使污染物濃度得到進一步降低。Jungn等在荷蘭阿姆斯特丹的NieuweMer 水庫中開展了為期7年的揚水技術應用研究(1993一2000)年)

11、，實施結(jié)果表明，庫內(nèi)葉綠素a濃度和總藻類生物量顯著下降，有毒微囊藻得到極為有效的控制，其生物量降低為未處理前的1/20，藻類種群結(jié)構(gòu)也由原先的以藍藻為主轉(zhuǎn)變?yōu)楣柙?、綠藻為主;此外整個水體中的溶解氧質(zhì)量濃度還能夠一直維持在5mg/L左右，從而擴充了魚類的生存空間。1999一2000)年，上海交通大學聯(lián)合日本國立環(huán)境研究所等單位引進日本設備，在貴陽市小關水庫現(xiàn)場進行了應用性研究，結(jié)果表明，運行l(wèi)d后表層葉綠素。質(zhì)量濃度即由22.8ug/L下降至3ug/L，底層鐵、錳質(zhì)量濃度則分別由0.6mg/L和2.4mg/L下降至0.Img/L和0.05mg/L，效果頗為顯著。揚水筒技術的局限性在于僅僅針對水深

12、10m以上的深水水庫效果較好，而不適用于淺水湖泊。今后，揚水筒設備的國產(chǎn)化開發(fā)將有可能成為極具吸引力的熱點之一。水域建設遮光工程區(qū)，使水源水在該區(qū)域內(nèi)停留一定時間從而促使有害藻類消亡。在日本，實際工程中采用由聚乙烯中空板材拼接而成的單塊面積高達上千平方米六邊形工程結(jié)構(gòu)，雖然較為穩(wěn)定，遮光控藻效果頗佳，但成本過高。未來該技術在國內(nèi)應用推廣的關鍵點在于如何針對水源地的特點設計低成本的大水面遮光結(jié)構(gòu)以及相應的工程實施方法。5 遮光控藻技術的出現(xiàn)在直接影響藍綠藻增殖的諸多環(huán)境因素中，相對于溫度、營養(yǎng)鹽、pH值等而言，光照度是較為容易實施人為干預的因素，尹澄清等于20世紀90年代初在巢湖現(xiàn)場實驗中觀測到

13、在有風天氣時湖水透明度降至10一16cm，lm深處光照度僅有70lux，這導致整個水層的凈生產(chǎn)量為負值，由此提出巢湖是光限制型水體的觀點;20世紀90年代末接觸氧化法的發(fā)明人小島貞男博士提出局部遮光法控藻的思路，即通過遮蓋水源地的約1/3左右的水面，可以抑制藻類增殖，他們針對日本九州某城鎮(zhèn)的水庫(水面面積為20000m2)開展了示范研究，結(jié)果表明:實施之后水源水中藻類的數(shù)量大為減少，給水廠的混凝藥劑投量降低1/2，濾池反沖洗次數(shù)亦明顯減少。在此觀點啟發(fā)下，上海交通大學河湖環(huán)境工程技術研究中心開展了有關遮光控藻技術的人工氣候室內(nèi)搖瓶研究、自然水域人工圍隔研究以及人工水池中試研究，結(jié)果表明:在富營

14、養(yǎng)化水體藻類異常增殖，葉綠素a質(zhì)量濃度高達100ug/L以上時，實施遮光處理7一9d，葉綠素a濃度可下降至30ug/L以下。根據(jù)這一系列研究結(jié)果提出遮光控藻技術新思路，即為保護水廠日常取用的水源水，在取水口附近水域建設遮光工程區(qū)，使水源水在該區(qū)域內(nèi)停留一定時間從而促使有害藻類消亡。在日本，實際工程中采用由聚乙烯中空板材拼接而成的單塊面積高達上千平方米六邊形工程結(jié)構(gòu)，雖然較為穩(wěn)定，遮光控藻效果頗佳，但成本過高。未來該技術在國內(nèi)應用推廣的關鍵點在于如何針對水源地的特點設計低成本的大水面遮光結(jié)構(gòu)以及相應的工程實施方法。6 針對實際水源地的聯(lián)合技術隨著工程實踐的不斷深人，許多研究者逐漸認識到，必須針對

15、水源地的水環(huán)境特點將某幾項單一技術進行組合形成聯(lián)合技術才有可能實現(xiàn)水源水保護的目標。較為典型的聯(lián)合技術是蹼培民等提出的物理一生態(tài)工程，其核心在于依靠物理工程，應用人工圍隔技術在取水口周邊建立軟隔離帶，阻隔藻類、其他懸浮物質(zhì)及高濃度水團進人取水口，在軟隔離帶內(nèi)恢復包括沉水植物、浮水植物、著生細菌及藻類在內(nèi)的穩(wěn)定健康的水生態(tài)系統(tǒng)，吸收水中營養(yǎng)鹽，降低取水口藻類現(xiàn)存量?！笆濉逼陂g，秦伯強等采用與之類似的設計思路，在取水量為30-40萬/d的太湖梅梁灣牽龍口水廠周邊建成了總面積近10km2的水源地水生態(tài)修復示范區(qū)。示范區(qū)采用了PVC圍隔擋藻，圍隔圍繞牽龍口水廠取水口組成2道隔離，分別形成生態(tài)凈化區(qū)和

16、強化凈化區(qū)。內(nèi)圈圍隔所圍區(qū)域即強化凈化區(qū)，主要通過恢復水生植物發(fā)揮生態(tài)效應而控藻除藻，凈化水質(zhì)，其面積為2.1km2，可計算得停留時間約為10d左右。該示范工程運行后，水源水水質(zhì)得到了一定程度的改善，但是就藻類污染而言，情況沒有顯著好轉(zhuǎn)，有關研究者分析認為可能是盛行風向的作用，導致夏季藍藻水華富集堆積于示范區(qū)，造成控藻效果不佳;另外王洪君等的觀察也證實，水華暴發(fā)期太湖植被型岸邊區(qū)的葉綠素a質(zhì)量濃度可高達3.2xl05ug/L，是開闊水體的3000一4500倍，這為未來的湖庫水源地原位控藻及生態(tài)修復工程的設計和實踐提供了重要借鑒。7 結(jié)語在湖庫水源地，由于水華發(fā)生的空間上的大范圍性和時間上的不確定性，以及藻類數(shù)量和增殖速度極高的特點，今后所研究開發(fā)的原位控藻技術，必須有針對性地解決以下兩大難題:如何提升藻類的去除速率而使之高于藻類增殖速率。如何在極低成本的條件下維持控藻效果。鑒于單一技術往往難以解決具體問題，特征不同、互有優(yōu)劣的各類技術的聯(lián)合和交叉將越來越受到重視，如生態(tài)浮島技術、魚控藻技術等生物生態(tài)技術在水源地水質(zhì)保持與恢復方面具有優(yōu)勢，而揚水筒技術、遮光技術等物理