河道水华防治的研究进展何思思

环境科学与园林绿化11个签黔.河道水华防治的研究进展何思思钟志立余敏露周宇远胡如意*(浙江竟成环保科技有限公司浙江温州犯5000)摘要:水华的防治是水环境保护的一个重要部分,它对水生生物、水产养殖、景观美化以及人类健康等方面有较大的影响。水华问题也是目前乃至今后很长一段时间内国内外关注的一个主要环境问题。为探索河道水华的防治措施,分析了水华的形成与水体富营养化间的相关性,综述了目前对水华成因、影响因素及其危害的一般认识,结合国内外水华治理的研究现状,讨论了今后在实际应用中的可行性策略。关键词:水华富营养化治理中图分类号:x52文献标识码:A文章编号:1674一2060(2016)04一0028一。近年来,随着人类活动的加剧,水体富营养化在全国乃至世界范围内越来越严重,尤其是在气温较高的夏季和秋季(,一9月),表观现象表现为水华的形成l1]。通常认为,水华是水体中浮游生物大量繁殖,生物量达到较高的水平,并在水体表面大量聚集成人们能够观察到的一种现象l2]。研究发现,绝大多数的水华是由藻类引起的,如蓝藻、绿藻和硅藻等,从而使水体呈现出蓝色、绿色或红色等颜色l3],其中蓝藻水华最为受到关注,在我国乃至世界各地均有大量的研究报道[4一7]。微囊藻(Mieroeystis)、鱼腥藻(Anabaena)、束丝藻(Aphaniozm即。n)及颤藻(osc议atoria)等是常见的引起蓝藻水华的优势种群l8],它们不易被河湖中常见鱼类所消化,喜生长在温度较高、碱性较重的水中,因此气温较高时极易在富营养化的河湖中大量繁殖,并伴随着溶解氧下降、水质变黑变臭、藻毒素释放和生态多样性下降等问题,严重破坏生态系统和水体环境,对水生生物生存以及人们的生活和活动等产生严重的影响l9]。因此,水华的治理就变得至关重要。1蓝藻水华形成机制1.1蓝藻细胞的特点及其运动方式微藻是一类能进行光合作用的低等生物,其种类繁多,细胞结构简单,生长速度快,生境广,在海洋、淡水、土壤、沙漠,甚至冰雪等极端环境都可以生存110]。在淡水水体中,水华的产生主要是由浮游藻类大量生长引起的。其中蓝藻水华最为常见。大多数形成水华的藻类具有气囊、鞭毛等特殊结构,这让它们可以在垂直方向上进行游动和漂浮。如莫桑比克Cahoarbassa湖中的团藻V(。片。x印.)每天可以1.8一3.6m/h的速度向深处往返移动20m;微囊藻(Microcysist)能够通过调整自身的气囊进行垂直移动,移动速度可高达3m/hl3]。另外,蓝藻具有上浮和避光的作用,一般会在上午下沉、晚间上浮。随着光强增强和光合作用增加,蓝藻细胞渗透压上升,气囊数量减少,细胞下沉;随着下沉深度增加,光强减弱,气囊数量增加使其上浮11`]。而藻类的水平运动则主要受水流和风的影响,使藻类向下风向漂移聚集l8]。1.2影响水华形成的因素正常情况下,水体中同时存在着多种浮游藻类,但由于季节变化,水体环境也有较大的变化,在一段时间里可能会有某种藻类适宜该生长环境而成为优势种,继而在适宜条件下发展形成水华。因此针对藻类生长的限制因素采取措施,才有可能从根本上控制水华的发生。研究表明,水华的形成主要受到环境因素(如物理、化学和生物等因素)以及藻类自身生理特点两个方面的共同影响l12]。121物理因素温度和光照是影响藻类生长和各种生命活动的的关键因素。不同藻类形成了适应不同光强和温度等环境因素的生存机制。张艳晴等113]研究光照强度对太湖水华微囊藻(M.flos一aquae)群体生长的影响结果表明,低光强不利于微囊藻群体大小的增长,而改变光强和高光强条件下有利于其群体大小增长形成水华。金相灿等l1a]通过不同温度批量培养水华微囊藻(M.f拍s一aquae)和孟氏浮游蓝丝藻(P泊nkt。血r该mougeoiit)发现,水华微囊藻在温度低于13℃时几乎不能生长,温度高于16℃时缓慢生长,且随着温度升高,生长速率越快;孟氏浮游蓝丝藻在温度为10℃时就能缓慢生长。国内外不少研究者发现,面对季节性的变化,藻类存在“休眠一复苏”现象。孔繁祥等l1s]对蓝藻水华形成提出了“休眠、复苏、生长、上浮聚集”四阶段理论,阐明了为什么蓝藻水华会在冬季消失、春季出现以及夏季和秋季暴发。122化母因素随着工业废水和生活污水大量排人,水体营养盐氮磷浓度受到化学物质及其相互作用的影响。蓝藻水华在富营养化水体中频繁暴发,而富营养化水体中氮磷浓度普遍偏高。通常情况下,藻类能够利用氮气合成氨,但只能吸收和利用溶解性磷酸盐l3]。因此,相对于氮元素来说,磷元素可能是影响藻类生长的一个限制因子。在早期的富营养化湖泊中,磷含量的增加使藻类大量生长116]。研究发现,当水体中总氮总磷比小于29时,蓝藻水华占优势117]。然而近年来Xi沙8]等研究表明,较低的TN:TP不是蓝藻水华形成的条件,是水华产生的结果。孔繁翔119]认为,当TN浓度超过。.,mg/L,TP浓度超过。.02mg/L时就有可能暴发蓝藻水华。Xul20]等研究发现,太湖蓝藻最适宜生长的无机氮浓度为0.3一o.smg/L,当总氮浓度超过o.smg/L时,蓝藻的生长不再受氮浓度的限制,而TP浓度范围在0.014一o.Zmg/L,当磷浓度大于o.Zmg/L时,磷基金项目:“科技型中小企业创新基金(14c26213301431)、温州市科技计划项目(520120012)、龙湾区科技发展计划项目(2014KY10)、浙江省环保科研计划项目(2013B010)作者简介:何思思(1990一),女,汉族,硕士研究生,研究方向:藻类生物技术及应用。通讯作者:胡如意(1982一),中组部“千人计划”国家特聘专家、浙江竟成环保科技有限公司董事长,研究方向:污泥污水治理技术。28生物技市世界日旧T任〔Hw日日L口毕签黔.环境科学与园林绿化浓度对蓝藻的生长也不再有限制作用。123生物因素目前水华生物因素的研究主要关注于藻类本身的生理生态特征,比如,蓝藻通过形成气囊结构漂浮在水体表层,获得适宜的光条件囚,通过垂直迁移能力与其它藻类竞争营养盐圈。另外有研究报道,生物种群间相互作用的因素对水华的形成也有重要影响。研究表明,浮游动物的存在会诱导蓝藻形成群体,而水生植物却能有效的抑制蓝藻的生长l23]。Bukrert等l2a]在透析隔膜实验中发现,当有鞭毛虫(F泊g即ate印p.)存在时铜绿微囊藻(M.aeurginosa)会聚合形成几十乃至几百个细胞的群体。水生植物则通过释放一种化感物质,来降低蓝藻叶绿素a含量,破坏光合系统n,最终抑制藻细胞的分裂甚至杀死藻细胞。国内外研究者们利用大麦秸秆化感控藻就是在这一方面的应用l2s]。2水华的防治措施2.1物理技术(l)拦截、打捞的方法。利用风向和流向将蓝藻聚集在某一区域内,或者通过直接打捞的方法除掉水华蓝藻。该方法适用于短期的应急措施,较为快速有效,但需要耗费大量的人力和物力。(2)曝气或人工循环的方法。通过曝气方式机械混合水体,从而增加溶氧促进浮游动物和水生植物的生长,这又可以进一步巩固底泥环境,抑制底泥沉积物释放出氮和磷,最终降低蓝藻水华形成的机率。该方法对曝气设备要求较高,能耗也较大,同时只适用于小水体。(3)调水稀释或冲刷的方法。此方法主要是通过将氮磷含量低的水源引进富营养化水体中,从而减少和稀释富营养化水体。这也是一种短期的应急措施。(4)疏浚底泥的方法。该方法主要是通过阶段性的在样点挖掘底泥,降低了营养盐的释放,同时去除了沉淀的蓝藻,增加了水深。但该方法投资巨大,且有可能破坏原有的生态系统。(,)其它物理方法还包括豁土絮凝、人工降雨、超声波、过滤膜及活性炭吸附等,但它们具有成本高、耗时长,有的还有二次污染等缺点,不易被普及和应用到实际河道中。2.2化学技术化学方法主要是利用除草剂、杀藻剂或金属盐等,通过氧化杀藻或金属离子絮凝作用来抑制藻类的正常代谢和繁殖,从而起到除藻的目的。常见的有硫酸铜、络合铜、明矾、漂白粉以及石灰等,但它们对水体有一定的污染,在严重水华地区可以应急使用,但用量也不宜过多。但化学物质容易被稀释,只能起到短期效果。近年来,大麦秸秆作为化学物质的“缓释剂”引起了国内外研究者们的关注。它可以在水中分解释放出抑制藻类生长的化感物质,同时对高等植物没有影响,解决了化学物质存在的问题。利用大麦秸秆除藻的应用在全球多个国家的试用中已有较多的成功案例。2.3生物技术(l)高等植物抑藻。高等植物一方面可以与藻类竞争光照和氮、磷营养盐,控制藻类的生物量,有的还可以释放出化感物质,抑制藻类的生长。比如,水葫芦在长江流域和太湖等区域的成功应用。这种方法也需要定期的转移高等植物,避免其大量繁殖导致死亡。常见的用于控藻的高等植物除水葫芦外,还有浮萍、苦草、芦苇、五刺金鱼藻黑藻等等。Ridge等127]研究报道,落叶对藻类有抑制作用,但效果比大麦秸秆要差,而叭泊ng等l28]发现稻草具有与大麦秸秆类似抑藻效果。(2)微生物抑制除藻。这类微生物主要包括噬菌体、溶藻细菌、溶藻真菌、原生动物和放线菌。它们可以在短期内溶解吞噬蓝藻,控制藻类的生物量,且不易造成二次污染。(3)食物链的方法。该方法是增加浮游动物或底栖动物、鱼类等的量,通过食物链捕食的关系,利用它们的牧食能力来控制藻类的生物量。欧洲的0】昭匕Ince湖、比利时的Me眠三湖以及德国的S山们胎℃湖等地区应用该方法后,浮游植物的生物量明显减少了。雌鱼、墉鱼、罗非鱼以及蟹、蚌等都是很好可以利用的浮游动物。3讨论藻类水华的控制与水体富营养化的治理是一个需要长期投人管理和治理的问题。在基本上了解水华发生的原因、影响因素等之后,我们应该从源头上控制污染物进人水体,降低富营养化发生频率,这是治理水华的关键之处。目前很多国家采取的措施主要是控制营养盐的含量,特别是总磷浓度一般要求低于。.01一。.02mg/L。日本的琵琶湖成功控制了富营养化,但其治理周期超过了三十年。我国在河道水华治理规划和实践中也存在着很多问题,仅太湖、巢湖和滇池三大湖就已投人超过百亿元,但仍没达到彻底治理水华的目的。各种水华治理方法各有优缺点,不能仅靠其中一种起作用。物理技术需要投人大量的人力、物力,而且耗费时间较多、费用较大,除藻效率往往并不高,很容易再次暴发藻华。如人工捕捞的方法,是一种非常有效的应急措施,也被政府和居民所接受,但它并不能从根本上解决问题,且后续对打捞上来的藻的处理费用较高。投加硫酸铜等杀藻剂虽然可以暂时缓和藻类的生长,但它对水生动植物危害较大,破坏水生态系统的平衡,加剧环境污染。投放雌鱼、墉鱼等鱼类的生物控制方法可以直接或间接的抑制藻类的生长,且没有二次污染,但这需要的周期更长,且对水生态系统要进行详细的调查和研究。综上,对于水华治理,首先要有政府大力的配合,从法律的高度上加强管理。其次,我们要加强预测、预警和预防治理,清楚认识水华形成的机制和规律,有针对性的选择应急措施、短期治理方法或者长期治理方案,综合运用物理、化学和生物技术治理水华。对废弃的藻类还可以采取有效的资源化手段加以利用,变“废”为“宝”,放大经济效益。参考文献[1jH以H,Ho门9Y.Algal一匕loomeo门trol匕yallelopat日yofa日以atiemaerop日ytes一Areview[口j.Fro门tiersof「门viro门me门talSeie门ee乙「门91门eeri门91门C日i门a,2008,2(4):421一438.[Zj01iverRL,已a门f已已.Fres日water匕looms[冈j.T日eeeologyofCya门0匕aCteria.Spri门gerNet日erla门ds,2002:149一194.3[」黄卫东.湖泊水华治理原理与方法〔刚.合肥:中国科学技术大学出版社,2014.4[」商兆堂,任健,秦铭荣,等.气候变化与太湖蓝藻暴发的关系口j.生态学杂志,2010,29(1):55一61.〔别谢国清,李蒙,鲁韦坤,等.滇池蓝藻水华光谱特征,遥感识别及暴发气象条件〔司.湖泊科学,2010,22(3):327一336.[6jPaer1H以F以lto门RS,冈ois