王壽兵,徐紫然,張　潔

(復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,上?！?00433)

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大型湖庫富營養(yǎng)化藍藻水華防控技術(shù)發(fā)展述評

王壽兵,徐紫然,張潔

(復(fù)旦大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系,上海200433)

摘要：針對大型湖庫的特點,系統(tǒng)分析了國內(nèi)外在藍藻水華預(yù)警、控制和應(yīng)急清除等方面的各種技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、具有的優(yōu)勢和存在的不足,提出了各相關(guān)技術(shù)未來發(fā)展的主要方向。認(rèn)為針對富營養(yǎng)化水體的特征,應(yīng)因地制宜,將多種技術(shù)優(yōu)化集成,充分發(fā)揮應(yīng)急技術(shù)和長效技術(shù)、工程技術(shù)和生態(tài)技術(shù)、預(yù)警技術(shù)和管理技術(shù)各自的優(yōu)勢,彌補各自的不足,實施“適地適策”的“一湖一策”戰(zhàn)略,將是我國未來大型湖庫藍藻控制和富營養(yǎng)化治理的主要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：富營養(yǎng)化;藍藻水華;防控技術(shù);大型湖庫

自20世紀(jì)80年代以來,富營養(yǎng)化水體中藍藻水華預(yù)防、治理和應(yīng)急清除技術(shù)等已受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注,各種控藻技術(shù)不斷涌現(xiàn),但目前仍難以滿足我國各種富營養(yǎng)化湖庫的藍藻水華控制需求。小型湖庫主要通過加強面源截污、清除水體內(nèi)過多內(nèi)源性營養(yǎng)負(fù)荷等單一方式,在短期內(nèi)能迅速控藻、改善水質(zhì),而大中型湖庫具有集水區(qū)域廣、水質(zhì)影響因素多、功能多樣、管理復(fù)雜等特點,需要因地制宜,將多種技術(shù)優(yōu)化集成,發(fā)揮多種技術(shù)協(xié)同作用,達到長期控藻與改善水質(zhì)的目的。系統(tǒng)梳理和分析現(xiàn)有藍藻水華防控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、存在的優(yōu)缺點以及未來發(fā)展趨勢,將為進一步研發(fā)大中型湖庫藍藻水華控制技術(shù)和生態(tài)修復(fù)技術(shù)提供參考。筆者擬重點從藍藻水華預(yù)警預(yù)報、藍藻水華控制技術(shù)等方面展開論述。

建立健全藍藻水華預(yù)警系統(tǒng),可為藍藻水華防控提供強有力的技術(shù)支撐。常見技術(shù)手段包括現(xiàn)場巡視、實驗室分析、在線監(jiān)測和衛(wèi)星遙感等。

現(xiàn)場巡視是最原始的監(jiān)測方式,也是最有效最直觀的監(jiān)測方法。現(xiàn)場巡視對象主要包括氣象條件、視覺特征、理化指標(biāo)、生物指標(biāo)、嗅覺特征等觀測因子。實驗室分析主要進行營養(yǎng)鹽濃度的檢測和藻類群落結(jié)構(gòu)的檢測。水質(zhì)在線監(jiān)測是一個從水樣采集系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、在線自動分析系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)到數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)的綜合性系統(tǒng),可實現(xiàn)水質(zhì)自動監(jiān)測站的在線自動運行,可利用溶解氧的日極差來進行藻類暴發(fā)的簡單預(yù)警?，F(xiàn)場巡視、實驗室分析、在線監(jiān)測這3種方法的優(yōu)點是監(jiān)測指標(biāo)值準(zhǔn)確度較高,但其不足之處是難以滿足較大規(guī)模的湖庫藍藻水華監(jiān)測需要。而衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀、動態(tài)、快速、大范圍、周期性等顯著特點,在藍藻水華監(jiān)測應(yīng)用上有著不可替代的優(yōu)勢,既可以滿足大范圍藍藻監(jiān)測的需要,也可動態(tài)跟蹤藍藻水華的發(fā)生、發(fā)展情況。

我國于2013年4月底發(fā)射的高分一號小衛(wèi)星,小衛(wèi)星攜帶的高分光學(xué)傳感器具有2 m的空間分辨率和觀測幅寬(60 km)的性能,有效提高了水體遙感監(jiān)測的能力,而且高分一號衛(wèi)星傳感器的時間分辨率為4 d,且基本都能穩(wěn)定地傳回數(shù)據(jù),不但可滿足內(nèi)陸水體水質(zhì)監(jiān)測的時間分辨率要求,還因其具有4個可見光波段,可基本滿足實際葉綠素反演的光譜波段需求。美國于2009年成功通過遙感工具和模型預(yù)測建立的有害藻華運動預(yù)報系統(tǒng)對墨西哥灣的短凱倫藻(Kareniabrevis)進行了監(jiān)測和預(yù)報[1]。

在遙感水華預(yù)測的實際運行中,基于遙感技術(shù)的預(yù)測預(yù)警,不但可預(yù)測藍藻水華會不會發(fā)生(即確定未來一段時間內(nèi)藍藻水華將會暴發(fā)的概率),還可以預(yù)測藍藻水華發(fā)生的位置或所在湖區(qū),甚至通過模式識別方法可確定當(dāng)前藍藻水華的分布邊界并進行動態(tài)監(jiān)測,預(yù)測藍藻水華在敏感湖區(qū)以及全湖的發(fā)展趨勢和分布格局等,這對科學(xué)預(yù)防和確定打撈堆積的水華藍藻的時間與地點,減輕藍藻水華堆積腐敗降解惡化水質(zhì)的危害具有切實的意義。

近年來,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在藍藻水華預(yù)警方面得到了廣泛的應(yīng)用。Maier等[2-3]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成功地對河流湖泊中藻華暴發(fā)的時機和程度進行了預(yù)測。Yabunaka等[4-5]利用BP-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建了日本霞浦湖、北京市長河水系的水華短期預(yù)報系統(tǒng),該系統(tǒng)具有較高的預(yù)測精度。與此同時,通過對水體中的藻類進行生態(tài)數(shù)學(xué)模擬建立模型,是對藻華暴發(fā)的時機和地點進行預(yù)測并研究藻類種群動態(tài)的重要工具。Lilover等[6]利用模糊邏輯模型較好地預(yù)測了芬蘭灣中有毒藍藻暴發(fā)時的最大生物量。Reynolds等[7-8]提出可以模擬湖泊和水庫中浮游植物種群變化動態(tài)的PROTECH模型(Phytoplankton responses to environmental change),該模型目前已成功應(yīng)用于100多個藻類種屬群落中的優(yōu)勢種群預(yù)測[9],并且經(jīng)過不斷發(fā)展和改進,已在世界范圍廣泛應(yīng)用[10-12]。

利用遙感和地理信息技術(shù)在宏觀、動態(tài)、快速、大范圍、周期性監(jiān)測和識別等方面的顯著特點,同時結(jié)合現(xiàn)場巡視、實驗室分析和在線監(jiān)測結(jié)果等進行核實和最終判定,無疑是未來大中型湖泊藍藻水華預(yù)警和時空動態(tài)跟蹤技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1　藍藻水華控制技術(shù)

雖然目前控藻技術(shù)迅速發(fā)展,新興的控制藍藻的方法不斷出現(xiàn),許多物理技術(shù)、化學(xué)技術(shù)和生物技術(shù)得到廣泛研究,每種技術(shù)也都各有其優(yōu)勢,但在大水域藍藻水華控制領(lǐng)域常常存在一些不足,因此還沒有哪種方法被廣泛應(yīng)用到大型湖庫中。

1.1物理除藻法

常用的物理除藻法主要有機械除藻、氣浮除藻、過濾除藻、遮光除藻、超聲波除藻和黏土除藻等。物理除藻法可以直接去除水中的藍藻,降低水體中藍藻生物量,目前在我國湖泊藍藻治理中得到了廣泛應(yīng)用。采用物理除藻法能夠及時直接除藻以應(yīng)對短期內(nèi)藻類的暴發(fā),但這種方法處理范圍及能力受限制,需消耗大量的人力物力來快速緩解富藻水體的負(fù)荷,但無法從根本上解決水體富營養(yǎng)化及藻類周期性暴發(fā)等問題,所以只能在局部水體中應(yīng)用。

1.1.1機械除藻

由于藍藻具有垂直分布和水平漂移的特性,并受熱分層、光照強度、風(fēng)速和風(fēng)向的直接影響,藍藻水華在這些因子的共同作用下會在湖泊表面聚集或者漂移至固定區(qū)域,如風(fēng)浪小時,微囊藻會在水體表面聚集并向下風(fēng)向漂移,在湖邊沿岸處堆積,此時利用固定收藻設(shè)備和人工打撈等方式進行機械除藻。在藍藻暴發(fā)的季節(jié)采用人工和機械物理方式直接從湖內(nèi)將藍藻打撈出來,這是目前國內(nèi)湖泊治理中投入大量人力和物力的主要方法。我國機械除藻技術(shù)研究始于20世紀(jì)90年代末,中國船舶重工集團七○二所在“九五”期間研發(fā)制造了一艘從收集到分離、濃縮功能配套的“太湖一號”藍藻打撈原理樣船。2007年后,針對太湖藍藻暴發(fā),先后開發(fā)了16種不同類型的藍藻打撈船及12種配套輔助打撈設(shè)備,初步實現(xiàn)了太湖藍藻打撈由人工打撈向機械打撈的轉(zhuǎn)變。熊鴻斌等[13]針對巢湖藍藻水華通過采用浮式圍欄導(dǎo)流并結(jié)合機械打撈的方法,取得了良好的控制水華清除藍藻的效果。此外,國內(nèi)其他單位也開發(fā)了一些專用撈藻設(shè)備樣機,但不是停留在實驗室、原理樣機階段,就是設(shè)備無法滿足大規(guī)模、水源地使用等特殊要求。此外,機械除藻方法僅在藍藻暴發(fā)后發(fā)揮作用,并且必須在藍藻大量堆積的區(qū)域進行打撈才能有較高的效率,對湖泊藍藻水華的根治和生態(tài)修復(fù)作用有限。當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化或者風(fēng)速過大時,藍藻會隨著主導(dǎo)風(fēng)向漂移,而且表層聚集的藍藻也會重新下沉,此時再使用機械除藻方式,就存在效率低、能耗高、水陸轉(zhuǎn)運困難等不足[14]。國內(nèi)外水華藍藻應(yīng)急清除技術(shù)的發(fā)展趨勢是機械化打撈,而提高打撈裝備技術(shù)水平、提高打撈作業(yè)效率、降低能耗等是機械化打撈技術(shù)發(fā)展的根本要求。

1.1.2過濾除藻

在20世紀(jì)60～70年代,直接過濾除藻已經(jīng)普遍應(yīng)用于含藻水的處理。當(dāng)湖泊藻細(xì)胞密度和水濁度較低時,通?？梢灾苯邮褂眠^濾除藻的方法。當(dāng)藻密度較高時,富藻水容易穿透濾床,所以過濾前高密度的富藻水需要投加殺藻劑或者絮凝劑等來改變絮凝體的表面性能,直接過濾方法只適用于對水質(zhì)要求不高的水處理。近年來新的工藝不斷涌現(xiàn),薛罡等[15]報道了微絮凝與滌綸高彈絲纖維球相結(jié)合的過濾除藻工藝,對藻類初始濃度在6.8×106～8.0×106cell/L 的富藻水除藻率可達90%以上。通過利用獨特設(shè)計的3層濾料濾池除藻的德國Wahnback除磷廠發(fā)現(xiàn)該濾池直接過濾除藻效率可高達99.9%。

1.1.3氣浮除藻

氣浮除藻法是通過實現(xiàn)固液分離從而去除藻類的方法。藍藻種類一般個體較小,其絮體不易下沉。氣浮除藻就是利用藻類的這一特性使得藻類絮體上浮至水體表面,達到藻類絮體與水分離的技術(shù)。Teixeira等[16]研究發(fā)現(xiàn),壓力溶氣氣浮法更容易去除單細(xì)胞的銅綠微囊藻,去除率達到93%～98%,而且能夠確保只有很少一部分(8%～15%)的藻毒素排放進入水體。宮磊等[17]利用氣浮設(shè)備和組合絮凝劑處理滇池藻類,使藻類去除率達99%。梁恒等[18]比較預(yù)氯化沉淀工藝、預(yù)臭氧化氣浮工藝、單獨氣浮工藝和PPC預(yù)氧化氣浮工藝對富藻水的凈化效果,發(fā)現(xiàn)后3種工藝流程的除藻率均在80%以上,比預(yù)氯化沉淀工藝的除藻率分別提高了30%、27%和31%。氣浮法通過利用氣泡將絮凝顆粒托起,所以絮凝顆粒越重越不容易浮起,因此氣浮法不適用于含砂雜質(zhì)多的高濁度水。氣浮法除藻技術(shù)具有原水適應(yīng)性強,停留時間短,節(jié)約混凝劑等多方面的優(yōu)點,但經(jīng)氣浮池排出的較高有機濃度藻渣的處理卻是有待解決的問題。

1.1.4超聲波除藻

超聲波除藻是近幾年來新興的綠色環(huán)保除藻方法。超聲波除藻法是利用超聲波的機械振動、聲流和空化效應(yīng),通過破壞藻類細(xì)胞壁直接除藻和抑制藻類細(xì)胞生長兩種方式來控制污水中的藍藻生物量。Hao等[19]研究發(fā)現(xiàn)在1.7 MHz超聲5 min后藍藻去除率達到63%,且超聲波處理后,藍藻細(xì)胞內(nèi)偽空胞破裂,細(xì)胞下沉,進而影響藻類的光合速率、增大底棲動物的捕食強度,進而達到減少藍藻生物量的目的。儲昭升等[20]研究發(fā)現(xiàn)超聲波對惠氏微囊藻具有較好的抑制作用,6 d后抑制率達到68%,且超聲波不會對水體中的浮游動物、沉水植物及魚類產(chǎn)生顯著影響。超聲波除藻法在殺死藍藻的同時抑制藍藻生長,為控制藍藻水華提供了一條高效的途徑。

1.1.5遮光除藻

20世紀(jì)90年代末,Kojima[21]在日本某水源地覆蓋面積高達1 000 m2的六邊形聚乙烯遮光板，遮蓋約1/3水面, 抑制光合作用,發(fā)現(xiàn)抑制藻類增殖效果顯著,進而提出局部遮光控藻思路。但是,如何依據(jù)自然水體特點設(shè)計高性能低成本的大水面遮光結(jié)構(gòu), 并且制定相應(yīng)的施工方法成為該技術(shù)應(yīng)用推廣的關(guān)鍵。近年來美國運用的遮光產(chǎn)品(如Aquashade, Jet Black等)是通過絡(luò)合食品或藥品色素溶入水體，遮蔽藻類生長所需要的光線,抑制藻類光合作用?？梢酝ㄟ^色素的顏色美化水景,但遮光產(chǎn)品需在藻類暴發(fā)之前使用。利用調(diào)控入射光的方法來控制水體藻類生長具有明顯效果,但投入成本較高,對水體美觀造成影響,所以遮光控藻可以作為入水口或水源地控藻的一種行之有效的技術(shù)。

1.1.6黏土除藻

黏土除藻具有材料來源廣、廉價、無二次污染等優(yōu)點,在控制大面積藻華中很有前景,是近年來控藻技術(shù)的研究熱點。Pan等[22]比較了海泡石、滑石粉、陶土、凹凸棒黏土等26種黏土對銅綠微囊藻的去除效果,發(fā)現(xiàn)海泡石、滑石粉、三氧化二鐵和高嶺石這4種黏土對銅綠微囊藻的去除效果最好,8 h去除率均在90%以上。除了直接使用黏土沉降除藻外,對黏土進行改性的技術(shù)也逐漸出現(xiàn)。如Liu等[23]利用十六烷基三甲基化銨改性太湖底泥,這種改性黏土對銅綠微囊藻的抑制率達到了92%。孫佩石等[24]運用黏土除藻技術(shù)治理滇池藻華,取得較好的控藻效果。鄒華等[25]利用殼聚糖改性黏土治理太湖梅梁灣水域的藍藻水華后,水體透明度從15 cm提高到了90 cm,Chl-a的去除率達到98.6%。近年來許多研究發(fā)現(xiàn),由絡(luò)合金屬離子、有機物或殺藻化合物質(zhì)所形成的改性黏土表現(xiàn)出了較好的除藻效果,如,潘綱等[26]通過對黏土改性,使黏土的投放量從200 mg/L降到了10 mg/L,藻細(xì)胞去除率達到95%以上;吳春篤等[27]將殼聚糖改性的膨潤土和海泡石應(yīng)用于綠藻暴發(fā)的景觀水體中,使?jié)岫冉抵?NTU以下,Chl-a的去除率達到93%以上。另外實驗研究發(fā)現(xiàn),季銨鹽改性黏土對銅綠微囊藻有較好的去除效果[28]。但黏土除藻方法也會產(chǎn)生負(fù)面的影響,如投加的黏土引起底泥的不斷累積,最終導(dǎo)致底泥淤積,而且投加的底泥可能對其他有益水生生物帶來有害影響。黏土除藻技術(shù)主要以絮凝沉降的方式減少水體表面藻華,但是并不能完全殺死藻細(xì)胞和防止湖泊藻類的再次暴發(fā)。雖然改性黏土的除藻效果較好,但對于大面積水體,需要投入的施工成本較高,并且有可能污染底泥,所以實際運用中利用黏土除藻技術(shù)大面積治理淡水湖泊藻華的嘗試少有成功。

1.1.7曝氣充氧

通過跌水或造流等方法增強水體流動,促進水體上下層的混合干擾溫度分層,并將水面藻類驅(qū)趕至深水層,限制浮游藻類生長。DO的增加能有效抑制底層氮磷的釋放,避免水體黑臭等。對于深水水體,國內(nèi)外發(fā)展了揚水筒技術(shù)。Jungo等[29]在荷蘭Nieuwe Meer水庫長達7年的揚水技術(shù)應(yīng)用研究表明,庫內(nèi)Chl-a質(zhì)量濃度和總藻類生物量顯著下降,有毒微囊藻生物量降低了95%。國內(nèi)在揚水筒技術(shù)的基礎(chǔ)上,研發(fā)出揚水曝氣技術(shù)及生物氧化組合技術(shù)等,在控藻過程中進一步改善水質(zhì),并取得較好的實踐效果。馬越等[30]對黑河金盆水庫利用楊水筒曝氣系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),藻類Chl-a質(zhì)量濃度較2008年削減53.6%。周真明等[31]發(fā)現(xiàn)揚水曝氣與生物接觸氧化組合工藝對藻類的平均去除率為41.7%。據(jù)報道[32],利用太陽能動力循環(huán)可以對水深大于200 m的水體充氧曝氣,但這些揚水筒技術(shù)往往局限于水深超過10 m的大型湖庫等深水水源地和海洋,且運行時間長,見效慢,維護成本較高。曝氣既能抑制水體藻類滋生,又可通過增氧改善水體的生態(tài)環(huán)境,但曝氣成本較高,且有可能造成底泥污染物的二次釋放,增加水體濁度,故曝氣充氧僅作為輔助處理手段。

1.1.8新型物理控藻技術(shù)

除藻新技術(shù)包括UV、超聲波、微波、光催化、電解、微電解、銀離子、高強磁和納米等技術(shù),其中有些技術(shù)已取得較好的實踐效果。Hong等[33]發(fā)現(xiàn)日光燈和紫外線相結(jié)合對藻類的生長具有長時間抑制作用,且太陽能UV-C浮動裝置已用于控制東京Kutama湖藻類暴發(fā)[34]。依據(jù)強氧化性和還原性損傷細(xì)胞的原理,光催化和納米技術(shù)在控藻方面也取得一定進展。如Petter等[35]使用汞燈和太陽光對納米二氧化鈦進行照射,發(fā)現(xiàn)能明顯抑制藻類的生長。熊勤等[36]利用納米布控制無錫五里湖藻華時,發(fā)現(xiàn)1d可使水體Chl-a質(zhì)量濃度下降76%,且該技術(shù)對斑馬魚無毒。這些新型技術(shù)雖在實驗室或圍隔內(nèi)對藻類表現(xiàn)出較好控制效果,但自然水體環(huán)境因素復(fù)雜,光線和聲波等衰減明顯, 擴大試驗及對自然水體的作用效果有待檢驗。

1.2化學(xué)除藻法

化學(xué)除藻法是直接向水體中投加化學(xué)藥劑以抑制藻類生長的方法,是當(dāng)前國內(nèi)外使用比較廣泛的一種方法。常用的化學(xué)除藻法包括化學(xué)藥劑除藻法、絮凝劑除藻法及近年來新興的在高等植物體內(nèi)提取有效成分除藻的方法等。

1.2.1化學(xué)藥劑除藻法

1.2.2絮凝劑除藻法

近年來研究高效、低成本及無二次污染的環(huán)境友好型絮凝劑得到越來越多的關(guān)注。絮凝劑除藻是指利用一些具有吸附特性的天然物質(zhì)如海泡石、膨潤土、蒙脫石、活性炭吸附和殼聚糖等進行吸附沉淀藻類,具有天然無毒、使用方便、吸附效果明顯和廉價等特點。但是包括淀粉類絮凝劑、殼聚糖類絮凝劑、纖維素類絮凝劑等在內(nèi)的有機絮凝劑,成本較高,大多還處于實驗室研究階段,在湖泊水質(zhì)凈化中的應(yīng)用十分有限。無機絮凝劑由于價格低、絮凝效果好而被廣泛應(yīng)用于水處理。無機絮凝劑主要包括了鐵鹽類和鋁鹽類,其中鐵鹽類包含聚合硫酸鐵(PFS)、硫酸鐵(FS)、氯化鐵(FC)、聚合氯化鋁鐵(PAFC)等;鋁鹽類包含聚合氯化鋁(PAC)、硫酸鋁(AS)、聚合硫酸鋁(PAS)等。Aktas等[43]比較了聚合硅酸(PSI)、PAC、AS和FC對聚球藻的去除效果,發(fā)現(xiàn)這4種絮凝劑中,PSI對聚球藻的去除效果最佳。20世紀(jì)70年代早期,美國向威斯康星州的幾個湖泊中投加鋁鹽,絮狀氫氧化鋁沉入湖底與磷離子結(jié)合形成不溶性沉淀,使磷惰化,10年后水質(zhì)出現(xiàn)了很大改善[44]。美國Wachuset水庫的試驗表明,當(dāng)水中pH=6.5時,投加鋁鹽作為混凝劑,投加量為10 mg/L時,氣浮池的除藻率高達90%以上。李鏡明等[45]試驗原水經(jīng)加礬、加聚丙烯酞胺后,然后流入旋流反應(yīng)池充分接觸反應(yīng),最后經(jīng)輻射流濾池處理,除藻率達到70.5%～89%。在美國Green湖[46]投放181t明礬和76.5t鋁酸鈉鈍化水體營養(yǎng)鹽, 使湖水透明度由1.9m升至6.1m,明顯消減水體中磷濃度,抑制了藻類生長。

1.2.3從高等植物內(nèi)提取有效成分的方法(生物化學(xué)方法)

目前,基于天然產(chǎn)物或植物源的化學(xué)殺藻劑,由于選擇性較強,殘留期短,在藍藻水華防治方面的應(yīng)用已日益受到關(guān)注。其中,中藥植物在我國分布廣泛,價格低廉,綠色環(huán)保,可以作為藥材直接被人類攝入,近幾年來中草藥對藍藻及其他藻類的去除作用研究得到一些學(xué)者的關(guān)注。Zhou等[47]發(fā)現(xiàn)黃連、苦參、檳榔、板藍根和魚腥草對引起赤潮的塔瑪亞歷山大藻(Alexandriumtamarense)有很好的抑制和去除作用。Yi等[48]比較了40種中草藥的甲醇提取物對銅綠微囊藻的抑制作用,發(fā)現(xiàn)在800 mg/L的添加量下，丹參、石菖蒲、虎杖、黃柏和山楂的抑制作用強于其他種類。Ye等[49]研究得出結(jié)論:黃柏和黃苓對銅綠微囊藻的去除作用好于青蒿、寬葉柑橘,并且中草藥對銅綠微囊藻的去除作用好于蛋白核小球藻。Zhou等[50]評價了11種中草藥對水體中斑節(jié)對蝦的生理毒性,最后得出秦皮、黃連、魚腥草和檳榔是較好的除藻劑備選。這些研究表明中草藥作為制備殺藻劑的備選原料之一,具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

除中草藥外,一些具有殺菌消毒作用的健康食物的提取物質(zhì)也成為研究熱點,如大蒜、小麥麥麩等。Zhou等[51]研究發(fā)現(xiàn)大蒜水提取物對亞歷山大藻有很強抑制作用,當(dāng)大蒜素質(zhì)量濃度在3.2～10.0 mg/L時,對亞歷山大藻的抑制率可以達到93%。李藩等[52]研究發(fā)現(xiàn)小麥麥麩水提取液對銅綠微囊藻有較強的抑制作用,提取液使得藻細(xì)胞內(nèi)Chl-a和類胡蘿卜素降低,并能抑制光合系統(tǒng)電子傳遞。作物秸稈具有來源廣泛、成本低廉、抑藻效果好、對水體影響較小等優(yōu)點而備受關(guān)注?？梢灶A(yù)見的是,源于生物、可降解、具有藍藻專一性的化學(xué)殺藻劑,將是未來化學(xué)滅藻研發(fā)的一個重要方向。

化學(xué)除藻方法具有低(無)毒、一次性使用、成本相對較低、適用范圍廣、操作簡便、效果顯著等優(yōu)點,但是大部分化學(xué)除藻劑的生物富集對整個水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)會產(chǎn)生一定的負(fù)面影響,如果長期投用一種除藻劑,可能使部分藻類產(chǎn)生一定的抗藥性,還會有導(dǎo)致重金屬富集等弊端。同時,化學(xué)制劑可能會限制水體的運用、食用和灌溉等,且藥效可能受到天氣和水流的影響,還有可能殺死魚類等生物,造成有毒物質(zhì)富集而危害人類健康,并且藻類死亡后藻體如不及時清理會腐爛分解釋放出氮磷及其他有機物而引起二次污染,故化學(xué)除藻方法往往僅用作應(yīng)急處理措施,大多用于一些特殊水域(如小型景觀水體)或特殊用途(如快速滅藻)。因此,開發(fā)影響藻類繁殖生長理化因子的新型安全無毒的化學(xué)試劑,可能在抑藻除藻方面具有較好的發(fā)展前景。

1.3生物控藻法

鑒于化學(xué)除藻法存在的不足，以及生態(tài)學(xué)的興起,人們對藻類生物控制法產(chǎn)生了濃厚興趣。生物控藻法利用種間競爭和捕食關(guān)系,對水體中有害藻類進行攝食、轉(zhuǎn)化、降解以及轉(zhuǎn)移,從而達到控制有害藻華的目的,使水生生態(tài)系統(tǒng)逐漸得到恢復(fù)。一般而言,生物控藻法的作用效果主要體現(xiàn)在藍藻水華暴發(fā)前。藍藻水華暴發(fā)后,由于藻密度基數(shù)太高,增殖量太大,僅僅依靠生物控藻是不夠的。生物控藻法中,研究和應(yīng)用較多的是生物操縱技術(shù)(Biomanipulation)和水生植物控藻技術(shù),而微生物控藻技術(shù)用得相對較少。

1.3.1生物操縱技術(shù)

生物操縱技術(shù)是通過浮游動物、魚類、底棲動物等水生動物對有害藻類的攝食行為來控制有害藻華的一種技術(shù),包括經(jīng)典生物操縱(traditional biomanipulation)技術(shù)和非經(jīng)典生物操縱(non-traditional biomanipulation)技術(shù)。

經(jīng)典生物操縱技術(shù)是Shapito等[53]1975年提出來的,即通過放養(yǎng)肉食性魚類等方法去除以浮游動物為食的魚類,保護和發(fā)展大型牧食性浮游動物,使其生物量增加和體型增大,提高其對浮游植物的攝食效率,從而降低浮游植物數(shù)量,控制其過量繁殖[54]。近幾十年來,許多研究和應(yīng)用實踐表明,經(jīng)典的生物操縱技術(shù)在控制湖泊水體浮游植物總量方面具有一定效果,但其許多的不足也逐漸為人們所認(rèn)識，如，浮游動物只能控制小型藻類,本身難以直接利用微囊藻、顫藻和束絲藻等大型藍藻群體[55]。同時,伴隨著大量大型肉食性浮游動物的出現(xiàn),水中植食性浮游動物如輪蟲、小型枝角類等會遭受到高強度攻擊,數(shù)量顯著下降,反而會減小對浮游植物的捕食能力,浮游植物可能出現(xiàn)反彈性大量增長的現(xiàn)象[55]。另外,對我國大型淺水湖泊而言,浮游動物對浮游植物攝食能力一般不大,因此,還難以見到單獨應(yīng)用經(jīng)典生物操縱成功的例子。

隨著人們對經(jīng)典生物操縱技術(shù)在藍藻水華控制方面的不足和對鰱鳙等濾食性魚類在控藻效率上的認(rèn)識逐步深入,目前以投放鰱鳙等濾食性魚類來控制藍藻的非經(jīng)典生物操縱技術(shù)已受到廣泛研究和應(yīng)用[55-59]。早在1975年,Kajak等[60]在波蘭Warniak 湖中就開展了放養(yǎng)鰱的控藻實驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)可大大減少浮游植物總生物量和藍藻比例。在國內(nèi),非經(jīng)典生物操縱技術(shù)的研究和應(yīng)用則是1980年代中后期從探索武漢東湖水華消失之謎開始逐漸發(fā)展起來的[54,61]。許多實驗結(jié)果表明,在特定實驗條件下,當(dāng)鰱鳙等濾食性魚類達到閾值密度時,對藍藻等大型藻類或群體確有較好的控制作用。但同時也有許多實驗發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)在其他浮游藻類的控制和水體營養(yǎng)鹽循環(huán)方面存在一些不足。由于鰱魚鰓耙間距為20～25 μm,一般濾食30 μm以上的大型浮游植物、小型浮游植物群體以及一部分浮游動物;而鳙魚則主要濾食大型輪蟲、枝角類、橈足類等浮游動物,因此,鰱鳙對非群體的微小浮游植物不但無法濾食,反而會因為減少了大型藻類的競爭和浮游動物的攝食而促進小型藻類的發(fā)展,致使水體浮游植物總生物量難以減少,有的甚至還會增加,不利于水質(zhì)改善[62-66]。另外,盡管鰱、鳙能夠通過攝食方式有效攝食藍藻水華,但由于多數(shù)組成水華的藍藻細(xì)胞具有較厚的公共或個體衣鞘,鰱、鳙對水華藍藻(微囊藻)的消化利用率很低,一般只有25%～30%。浮性的鰱、鳙糞便中往往還存在著大量未消化的具有生命力的藍藻[67],這些藍藻細(xì)胞回到水體后還能繼續(xù)繁殖,甚至由于超補償生長,其光合及生長活性在短期恢復(fù)并顯著增強,有潛在加速水體富營養(yǎng)化的可能。除此之外,濾食性魚類還可能存在“魚類富營養(yǎng)化(ichthyoeutrophication)”現(xiàn)象,加速系統(tǒng)中營養(yǎng)物的再生,加之小型藻類較大型藻類更易吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)而加劇了其生物量的激增。除魚類控藻外,近年來底棲動物控藻也得到關(guān)注。屈銘志等[68]利用銅銹環(huán)棱螺(Bellamyaaeruginosa)控制藍藻水華,發(fā)現(xiàn)環(huán)棱螺通過呼吸過程攝食水中的微囊藻顆粒,使得水華短時間得到控制,改變水體中泥沙含量可以影響微囊藻團和糞便的結(jié)構(gòu),使抑制微囊藻水華的效果得到提升。

由于經(jīng)典生物操縱技術(shù)和非經(jīng)典生物操縱技術(shù)在單獨使用時都有其各自的不足,因此,如何將經(jīng)典生物操縱技術(shù)和非經(jīng)典生物操縱技術(shù)進行有機整合,取長補短,從而研發(fā)出效率更高、副作用更少的藍藻控制技術(shù),將是未來發(fā)展的重要方向。在這方面,復(fù)旦大學(xué)研究團隊已在理論和實踐中進行了許多有益的嘗試,并取得了成功[14]。他們采用的技術(shù)是利用風(fēng)場、水體流場和藍藻自身水平遷移規(guī)律,在藍藻水華暴發(fā)早期,識別出大面積水體藍藻控制的關(guān)鍵區(qū)域,或利用風(fēng)力風(fēng)向、水流方向并配合水閘等的調(diào)度制造出可設(shè)置生態(tài)陷阱的區(qū)域(該區(qū)域是藍藻早期暴發(fā)重點區(qū)域,相對整個水域而言,面積較小,易于實行低成本人工控制),并在這些關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)利用水流流量調(diào)控,結(jié)合食物鏈控藻方法,建立藍藻、濾食魚類、底棲動物三者的全新動態(tài)關(guān)系模式;同時發(fā)展出水體濁度調(diào)控技術(shù),充分發(fā)揮濾食魚類形成泥質(zhì)含藻糞便的作用,使大量藍藻隨之沉至庫底而不致再度隨機擴散,并被底棲動物消化、分解,最終達到有效、完全地控制藍藻水華災(zāi)害的目的。

1.3.2水生植物控藻法

除了利用水生動物控藻的生物操縱技術(shù)外,水生植物控藻法也是目前得到廣泛研究并有重要應(yīng)用前景的一種生物控藻法。其主要是利用水生植物與有害藻類之間對光照、營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣等的種間競爭關(guān)系和向水環(huán)境中釋放化感物質(zhì)來抑制有害藻類生長。一些水生植物不但能吸收水體中氮、磷等造成富營養(yǎng)化的物質(zhì);還能夠分泌、釋放抑制浮游藻類生長的化感物質(zhì)。水生植物控藻法具有效果好、費用低、材料天然易得、不易造成二次污染等優(yōu)點。目前,國內(nèi)外已有關(guān)于鳳眼蓮、蘆葦、蘆竹、穗花狐尾藻、馬來眼子菜、葉狀眼子菜、黃絲草、輪藻、石菖蒲、金魚藻、狐尾藻、粉綠狐尾藻、寬葉香蒲、微齒眼子菜、石龍尾、苦草、韭菜、兩棲蓼、燈芯草、水浮蓮、滿江紅、浮萍、紫萍等大量水生植物抑制有害藻類生長的研究報道[69-71]。從目前的報道來看,大多數(shù)植物釋放的化感物質(zhì)抑制藻類生長可能的途徑主要有影響光合活性(藻類光合系統(tǒng)Ⅱ)、破壞細(xì)胞膜、影響細(xì)胞內(nèi)某酶的活性等。

利用水生植物的化感作用控制水體中藻類生長的方式主要有3種:①將水生植物栽培至待處理水體,利用活體植物釋放的化感物質(zhì)抑制藻類,但水生植物的生長要具備相應(yīng)的生境條件,同時注重不同水生植物的配置結(jié)構(gòu),種植技術(shù)要求較高,構(gòu)建初期其穩(wěn)定性脆弱,維護復(fù)雜。因此,目前越來越多的新型浮床逐漸被設(shè)計并實際運用到水體中,浮體不僅能美化水景且占地面積小。利用生態(tài)浮島覆蓋日本霞浦湖25%水面后,發(fā)現(xiàn)能削減94%的浮游植物[72]。但植物的吸收率和生物量成為限制浮島凈化效果的主要原因。生態(tài)浮體特別是能為微生物生長提供更多附著面以增強浮體的控藻去污能力的浮體的結(jié)構(gòu)設(shè)計是技術(shù)難點之一,浮體不適合風(fēng)浪較大、水流較強等水域。采用塑料、泡沫板、竹料等浮材,雖成本低,但抗風(fēng)浪能力較差。還應(yīng)注意浮體植物構(gòu)建和收割,浮體材料發(fā)生腐爛等二次污染的問題。水生植物控藻不足之處在于,當(dāng)水體富營養(yǎng)化程度過高時,植物難以生長存活。另外,植物生長具有季節(jié)性限制,且受植物生長周期的影響。②將植物干燥后放入待處理水體,利用其腐敗釋放的化感物質(zhì)抑制藻類。如將大麥秸稈直接施入水體來抑制藻類，在美國等地已經(jīng)有應(yīng)用實例。在蘇格蘭一個經(jīng)常暴發(fā)硅藻和藍藻的25 000 m2水域投放大麥秸稈，發(fā)現(xiàn)藻體生物量減少50%,富營養(yǎng)化現(xiàn)象得到了有效控制[73]。該方式操作簡單,效果顯著,但不足之處是難以在大型水體中使用,大規(guī)模使用時還可能影響水質(zhì)和景觀。③將從植物中提取的化感物質(zhì)施入水體抑制藻類。不足之處是提取化感物質(zhì)往往成本較高,活性持續(xù)時間不長,難以大規(guī)模使用和持續(xù)發(fā)揮作用,且高濃度化感物質(zhì)的留存及其生態(tài)毒性尚需要深入研究。

由于水生植物在氮磷吸收以及為浮游動物和微生物提供棲息環(huán)境方面具有重要作用,可以起到間接抑藻的功效,所以,可以預(yù)見的是,無論是現(xiàn)在還是將來,恢復(fù)水生植物群落將仍然是我國湖泊富營養(yǎng)化治理和生態(tài)修復(fù)的重要手段和內(nèi)容。

1.3.3微生物控藻法

微生物控藻法主要是溶藻微生物通過一定方式抑制藻類生長,甚至溶解藻細(xì)胞、殺死藻類。溶藻微生物是水生生態(tài)系統(tǒng)中生物種群構(gòu)成的重要部分,主要包括:細(xì)菌(如假單胞菌、交替假單胞菌、黏細(xì)菌、弧菌、桿菌、鏈霉菌、纖維弧菌、歐文氏菌、鞘氨醇單胞菌等)、放線菌、噬菌體、原生動物和真菌等。已有大量研究表明,某些微生物在特定生長期能夠分泌具有溶藻活性的蛋白酶、肽類化合物、氨基酸、小分子有機酸、抗生素及一些化合物等。如楊麗麗等[74]發(fā)現(xiàn)蠟狀芽孢桿菌(Bacilluscereus)可以釋放出一種破壞水華魚腥藻細(xì)胞壁的活性物質(zhì)。還有一些細(xì)菌是通過寄生在藻細(xì)胞上,最終導(dǎo)致藻細(xì)胞裂解。如蛭弧菌(Bdellovibriobacterious)通過外鞘表毛攻擊席藻(Phormidium)致使其破裂死亡[75]。另在包括藍藻在內(nèi)的許多藻類中,發(fā)現(xiàn)它們產(chǎn)生的部分化合物有溶藻活性[76-77]。除此之外,還發(fā)現(xiàn)了專門以藍藻為寄主的浮游病毒類群噬藻體(Cyanophage),因其能特異性地感染藍藻而具有重要的生態(tài)地位,是藍藻“水華”潛在的控制因子[78]。同時研究發(fā)現(xiàn)一些細(xì)菌可通過與藻類直接接觸溶藻,如Yan等[79]分離出一株細(xì)菌,該細(xì)菌可以通過內(nèi)吞作用捕食銅綠微囊藻。在澳大利亞Moreton灣發(fā)現(xiàn)一種噬藻體可導(dǎo)致鞘絲藻水華崩潰[80]?；谶@些現(xiàn)象與理論,人們致力于微生物控制藻類水華的研究,如美國推出Spectrum,Devour,Precise Pond等微生物菌劑、酶制劑及酶菌混合劑等產(chǎn)品。呂樂等[81]向圍隔水體投加環(huán)境有效微生物菌劑使藍藻生物量減少55%以上,并降低水體氨氮、亞硝酸氮、總氮和磷酸鹽濃度等。另外還有復(fù)合酶激活劑,用來激活水體底棲微生物,加速對水體污染物的吸收和代謝,達到去除營養(yǎng)鹽和控制藻類大量增殖的目的。雖然許多溶藻微生物具有溶藻效果好、易于繁殖和寄主特異性強等優(yōu)點,但由于自然環(huán)境中微生物和酶制劑效果的發(fā)揮常受到地域、溫度、pH值、鹽度、水壓、菌藻數(shù)量比、水體流動性、開放性等眾多環(huán)境因素影響,并且微生物的投放還可能帶來投放區(qū)生物入侵、微生物群落失調(diào)、藻類病毒擴散或生態(tài)結(jié)構(gòu)破壞等危險,此外，對應(yīng)于大水面等開放性流動水體,其長期效果還有待深入研究。故目前大多停留在實驗室基礎(chǔ)研究和圍隔實驗層面。利用微生物溶藻特性開展工程應(yīng)用,尤其是在大中型湖泊中的工程應(yīng)用尚未見到成功的案例。

生物法控藻很好地利用了自然界生態(tài)規(guī)律,合理開展生態(tài)工程,能夠有效控制藻類的繁衍,調(diào)整新的水生態(tài)平衡。然而,能夠有效控制藻類的水生動植物都受到自身生長條件的限制,生物技術(shù)存在著地域差異,且受氣候等自然條件的影響,因此,根據(jù)不同的氣候環(huán)境,合理開發(fā)因地制宜的生物技術(shù)和生態(tài)工程是今后研究方向之一。

2　小結(jié)與展望

a. 在藍藻大規(guī)模暴發(fā)前,利用經(jīng)典生物操縱和非經(jīng)典生物操縱技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合生態(tài)控制技術(shù),將是未來藍藻預(yù)防和富營養(yǎng)化治理的主要方向;而藍藻暴發(fā)之后,則需采用高效率的機械打撈除藻,為后續(xù)的生物控藻創(chuàng)造條件。

b. 單一的控藻技術(shù)盡管都能在一定程度上發(fā)揮作用,但都各有其不足,從而限制了其工程應(yīng)用范圍和效果。

c. 針對小水域、低污染和短期控藻目標(biāo)的成功案例相對較多,而針對大中型富營養(yǎng)化水域和長期目標(biāo)的成功案例還十分少見。

d. 不同的水體因其水質(zhì)、水文、生物群落本底和所在區(qū)域氣候條件不同,即使采用類似的技術(shù),在具體操作上也需要不同的手段,沒有一種技術(shù)可以“包打天下”。

由此可見,針對富營養(yǎng)化水體的特征,因地制宜,將多種技術(shù)優(yōu)化集成,發(fā)揮協(xié)同作用是較好的長期控藻與改善水質(zhì)的途徑。以清除水體過多內(nèi)源營養(yǎng)鹽為主,充分發(fā)揮控藻集成技術(shù)和長效技術(shù)、工程技術(shù)和生態(tài)技術(shù)、預(yù)警技術(shù)和管理技術(shù)各自的優(yōu)勢,加強外源截污,面源有效控制,采取環(huán)境質(zhì)量管理的綜合措施,實施“適地適策”的“一湖一策”戰(zhàn)略,將是我國未來湖泊藍藻治理控制的主要發(fā)展方向。

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DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.04.015

基金項目:國家水體污染控制與治理科技重大專項 (2012ZX07102-004);留學(xué)基金 (201606105012)

作者簡介:王壽兵(1970—)男,教授,博士,主要從事藍藻水華控制和生態(tài)修復(fù)研究。E-mail:sbwang@fudan.edu.cn

中圖分類號：X524

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)04-0088-12

(收稿日期：2016-04-11編輯：彭桃英)

A review of technologies for prevention and control of cyanobacteria blooms in large-scale eutrophicated lakes and reservoirs

WANG Shoubing, XU Ziran, ZHANG Jie

(Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China)

Abstract：Based on the features of large-scale lakes and reservoirs, we systematically analyze the status, strengths, and shortages of different technologies for cyanobacteria bloom warning, control, and elimination in emergencies in China and abroad, and point out directions for related technologies in the future. We also propose the following suggestions: according to the characteristics of eutrophicated water bodies and local conditions, we should integrate and optimize various technologies, take advantage of technologies such as emergency strategies and long-term technologies, engineering and ecological technologies, and warning and management technologies, and make up for their weaknesses. The “one lake, one scheme” strategy will be a direction of development in regard to cyanobacteria blooms and eutrophication control in large-scale lakes and reservoirs of China in the future.

Key words：eutrophication; cyanobacteria bloom; prevention and control technology; large-scale lakes and reservoirs