水體富營養(yǎng)化和水華的控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

高雅

摘 要：針對我國日益嚴(yán)重的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，從物理化學(xué)、生物和水力學(xué)三個方面對國內(nèi)外富營養(yǎng)化和水華控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。結(jié)果表明，基于理性的氮磷營養(yǎng)物控制策略仍是水體富營養(yǎng)化控制的優(yōu)先策略，科學(xué)合理的水力調(diào)度對庫灣水體、城市河道抑制富營養(yǎng)化和控制藻類生長具有重要作用，傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法及生物技術(shù)在小范圍水華應(yīng)急和水質(zhì)維持較為有效，但一些方法的生態(tài)安全性及理論依據(jù)仍需加強(qiáng)研究。實際水體修復(fù)過程中仍需要不斷調(diào)整方法以適用不同水體需求。

關(guān)鍵詞：富營養(yǎng)化 ?水華 ?控制技術(shù) ?浮游植物，調(diào)水

中圖分類號：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0001-04

Review of Water Eutrophication and Control Technology of Alage Blooming

Gao Ya

Architectural Design & Research Institute of Tongji University （Group） Co.，Ltd，Shanghai，200092，China）

Abstract：Aiming at one of the serious water pollution problems of eutrophication in China， the current studies are reviewed concerning on water eutrophication and control technology of alage blooming from three aspects of physics and chemistry， biological and hydrodynamics， respectively. It is found that rational controling of nutrients （including N and P） is still a priority strategy and scientifical water division will be one of the best measures for suppressing harmful algae in reservoirs， gulfs and urban rivers. Several traditional strategies may be useful for local algae blooming and water quality improvement through physics， chemistry and biological measures， although their ecological safety and theoretical foundation should be further studied. It was included that each measure should be continuously adjusted for different water bodies in natural water remediation.

Key words：eutrophication ?algae bloom ?control technology ?phytoplankton ?water division

水體富營養(yǎng)化本是自然條件下江河湖泊演變過程中的一個階段，然而，隨著人為作用的不斷加強(qiáng)，大量營養(yǎng)物質(zhì)通過各種途徑進(jìn)入水體，引起浮游植物和水生植物生產(chǎn)力增加、水質(zhì)下降等一系列變化，進(jìn)而對水環(huán)境功能構(gòu)成威脅，即人為富營養(yǎng)化[1]。 ? 目前，人為富營養(yǎng)化已經(jīng)成為全球淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)中所面臨主要的環(huán)境問題之一[2]，也是當(dāng)今許多國家和地區(qū)面臨的十分嚴(yán)峻的水污染挑戰(zhàn)。與水體富營養(yǎng)化相伴而生的一個最主要的后果就是藻類水華，通常是指個別浮游植物大量繁殖，生物量顯著高于一般水體的平均值，并在水體表面大量聚集，形成肉眼可見的藻類聚集體[3]。有害藻類水華不僅影響水體景觀，而且作為飲用水水源地時藻類產(chǎn)生的毒素及異味物質(zhì)將會給自來水處理及飲用水安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，藻類水華的成因、機(jī)理及控制措施一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的重要科學(xué)問題之一[4-5]。

面對日益嚴(yán)峻的水體富營養(yǎng)化趨勢，我國各級政府投入大量的人力、物力和財力用于水體富營養(yǎng)化治理，并提出了“讓不堪重負(fù)的江河湖海休養(yǎng)生息”的戰(zhàn)略舉措，取得了一定的成效。但是，由于水體富營養(yǎng)化問題的復(fù)雜性，我國對湖泊、水庫和河流等水體富營養(yǎng)化及水華的機(jī)理研究和治理工作與國際上先進(jìn)水平總體上差距較大，面臨著許多亟待解決的關(guān)鍵問題。湖泊富營養(yǎng)化防治走過了從營養(yǎng)鹽控制、直接除藻，到生物調(diào)控、生態(tài)工程修復(fù)等艱難歷程，但是由于對富營養(yǎng)化問題的認(rèn)識不深，這些措施在淺水湖泊的實踐，效果并不如意，水華問題則愈演愈烈。該文在筆者多年研究的基礎(chǔ)上，從物化、生物及水力三個角度對富營養(yǎng)化和水華的控制技術(shù)進(jìn)行了綜述，以期為后續(xù)研究及應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 物理和化學(xué)控制技術(shù)

控制水體中營養(yǎng)鹽的濃度是緩解富營養(yǎng)化問題的重要措施，這在全球已經(jīng)普遍形成共識。在早期的控制措施中，以截污為代表的外源性營養(yǎng)鹽及其污染控制成為湖泊和河流管理的主要措施[6]。然而，對于大多數(shù)水體，尤其是淺水湖泊，希望通過控制外源性營養(yǎng)鹽來控制富營養(yǎng)化和水華暴發(fā)的努力都難以奏效。如我國的太湖、巢湖，盡管采取截污、污水改道、除磷等大量措施改善了水質(zhì)，但水華問題依舊有增無減[7]。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，淺水湖泊底泥動力懸浮引起水體中氮磷濃度成倍增加，這些富含營養(yǎng)鹽的沉積物，將源源不斷地向水體輸送營養(yǎng)鹽[8]，盡管以底泥疏浚為主導(dǎo)的內(nèi)源控制策略疏浚后產(chǎn)生的環(huán)境效益可能偏離人們的期望[9]，內(nèi)源負(fù)荷依舊不容忽視。然而，同時控制內(nèi)源和外源的氮和磷，需要花費(fèi)巨大的代價，采取恰當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)鹽控制策略顯得極為重要。2009年，Conley等[10]在《Science》雜志政策論壇上提出了一個極具爭議性的問題，提出采用雙重營養(yǎng)物削減戰(zhàn)略控制湖泊、河口和海洋的富營養(yǎng)化，引發(fā)了學(xué)術(shù)界對這個“老問題”的再次熱議。

盡管對于磷控制、氮控制還是同時控制的爭論依然繼續(xù)[11-13]，但是面對水體富營養(yǎng)化問題，首先第一步仍是要基于理性的氮磷營養(yǎng)物控制策略[14]，對這兩種營養(yǎng)鹽進(jìn)行有效的控制，并在實際的修復(fù)過程中不斷調(diào)整方法。Brookers和Carey[15]認(rèn)為，富營養(yǎng)化水體控制措施中，營養(yǎng)鹽的削減將是一種長期的投資，且大水體中營養(yǎng)鹽削減對藍(lán)藻水華的抑制效果會受到沉積物營養(yǎng)鹽再循環(huán)和長的HRT的妨礙。同時，在富營養(yǎng)化的淺水湖泊中成為優(yōu)勢種的藍(lán)藻對外源性營養(yǎng)鹽的控制反應(yīng)遲緩[16]，再加上目前非點源污染問題的凸顯[17]，使得多數(shù)依靠外源性營養(yǎng)鹽控制富營養(yǎng)化和水華暴發(fā)的努力成為泡影。

除了營養(yǎng)鹽控制策略外，傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法還包括機(jī)械撈藻、超聲波-粉碎藍(lán)藻細(xì)胞、放射線-殺滅藍(lán)藻細(xì)胞、電磁電場-影響細(xì)胞活性、投加殺藻劑和絮凝劑等。陳雪初等[18]提出了以降低水下光照度為核心的遮光控制藻類技術(shù)，認(rèn)為可以作為一種應(yīng)急控制藻類的手段，防治藻類爆發(fā)性增殖。人工曝氣技術(shù)在黑臭河道修復(fù)和富營養(yǎng)化水體水質(zhì)改善方面的研究和應(yīng)用也開始出現(xiàn)[19]。鄒銳等[20]通過數(shù)值實驗研究評估了垂向水動力擾動機(jī)對藍(lán)藻的控制效應(yīng)。但是這些方法多數(shù)適于小范圍的臨時應(yīng)急措施，面對數(shù)千平方米的藍(lán)藻水華也只能是滄海一粟。

2 生物控藻和生物操縱技術(shù)

生物控藻技術(shù)是利用生態(tài)平衡的原理，通過微生物和水生植物等來抑制有害浮游藻類的生長和繁殖，達(dá)到控制藻類數(shù)量的目的。目前生物控藻技術(shù)主要利用藻類病原菌（細(xì)菌、真菌）、病毒、植物釋放化感活性物質(zhì)等抑制藻類生長。如許多研究者發(fā)現(xiàn)溶藻細(xì)菌（Algicidal bacteria）能夠通過釋放特異性或非特異性的胞外物質(zhì)，或直接攻擊藻細(xì)胞，抑制藻類生長或殺死藻細(xì)胞，有效緩解藍(lán)藻、硅藻等水華暴發(fā)[21-23];Redhead等[24]研究了70株非弧菌真菌對藍(lán)藻的拮抗作用，發(fā)現(xiàn)62株能夠溶解藍(lán)藻細(xì)胞，它們分別屬于支頂孢屬（Acremonium）、翅孢殼屬（Emericellopsis）和輪枝孢屬（Verticillium）;藍(lán)藻病毒（又稱藍(lán)細(xì)菌噬菌體）具有代時短和能夠迅速出現(xiàn)抗宿主突變體的優(yōu)點[25]，可作為控制藍(lán)藻的一種潛在微生物。利用微生物控制有害藻類的研究目前還停留在實驗室階段，大規(guī)模應(yīng)用于實際水體控藻還未能實現(xiàn)。利用大麥秸稈直接投放水中抑制藻類是目前為止最為成功的植物化感作用控制藻類的應(yīng)用實例[26]，美國、英格蘭、澳大利亞、加拿大、南非、瑞典等，也都有用大麥稈成功抑制絲狀藻、藍(lán)藻和硅藻水華的報道[27-29]，Ball等[30]證明了是化感活性物質(zhì)存在于麥稈中而不是麥稈腐敗產(chǎn)生的新物質(zhì)抑制了浮游藻的生長繁殖。我國研究者亦有發(fā)現(xiàn)水稻秸稈等能夠有效抑制藻類的生長[31]。目前國外已有商業(yè)性的大麥稈出售，即把切碎的大麥稈蓬松地裝在網(wǎng)兜里，根據(jù)適當(dāng)情況置于水體即可。然而，有關(guān)方面的研究相對比較零散，系統(tǒng)性較差，且實際水體中化感活性物質(zhì)的生態(tài)安全性尚待評估。

生物操縱技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，經(jīng)典的生物操縱理論認(rèn)為可以通過添加食魚性魚類或人為捕殺食浮游動物魚類來實現(xiàn)抑制浮游植物生長[32]，這些方法多用于營養(yǎng)鹽削減后對湖庫水質(zhì)的改善。由于水生生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，多營養(yǎng)級的食物鏈很難促使水體保持穩(wěn)定的魚類和浮游動物種群，而浮游動物本身又很難直接利用微囊藻、束絲藻等水華藻類，因此這種理論的應(yīng)用還存在很大的爭議。我國學(xué)者提出了通過控制食魚性魚類并放養(yǎng)濾食性魚類（如鰱魚、鳙魚等）來控制藍(lán)藻水華的非經(jīng)典生物操縱理論和技術(shù)[33]，盡管對一些水體藍(lán)藻水華的抑制作用證據(jù)明確，但鰱、鳙對一定時期內(nèi)水體營養(yǎng)鹽變化的影響存在很大的不確定性，實施效果與水文條件和集水區(qū)狀況等也有密切關(guān)聯(lián)[34]。

3 調(diào)水改善水環(huán)境及藻類流場控制技術(shù)

調(diào)水引流是河流水系水質(zhì)調(diào)控的重要手段，是指充分利用外部清水資源，通過閘壩等工程設(shè)施的合理調(diào)度，改善水體水動力條件，提高水體自凈能力，增加水體環(huán)境容量，從而改善水體質(zhì)量的一種水資源利用方式。最早通過水資源調(diào)度改善水質(zhì)的工作始于日本，1964年，東京為改善隅田川的水質(zhì)，從利根川和荒川引入16.6 m3/s（相當(dāng)于隅田川原流量的3倍之多）的清潔水進(jìn)行沖污，水質(zhì)大有改善[35]，隨后，日本繼續(xù)開展河流間的調(diào)度工程，先后凈化了中川、新町川、和歌川等10余條河流。此后，通過調(diào)水引流改善水環(huán)境的方法在許多國家也開始廣泛應(yīng)用，如美國EPA利用Columbia河水每天置換Moses湖10%～20%的水量，湖水水質(zhì)得到明顯改善;美國引Mississippi河入Pontchartrain湖的引水工程[36]、荷蘭Veluwemeetr湖的引水工程[37]等，都出現(xiàn)了一定的效果。自20世紀(jì)80年代中期以來，我國利用水利工程進(jìn)行引清調(diào)度的實踐逐步開展。自2009年至今，我國水利部一直在深入探討河湖水系連通的戰(zhàn)略思想，意在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下，構(gòu)建引得進(jìn)、蓄得住、排的出、可調(diào)控的河湖水網(wǎng)體系。在我國南方地區(qū)，采用水資源調(diào)度改善水質(zhì)的實踐越來越多，在河湖水環(huán)境模型、水量水質(zhì)聯(lián)合調(diào)度、水資源優(yōu)化配置、調(diào)水效果評估等方面取得了一定的成果。如上海蘇州河水質(zhì)改善工程[38]、引江濟(jì)太工程[39]、西湖引水工程[40]、平原河網(wǎng)的水力調(diào)度工程[41]等，由于大量的基礎(chǔ)研究工作未跟上，以往的工作大多是從實踐的角度出發(fā)，缺乏系統(tǒng)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究，科學(xué)依據(jù)不充分，導(dǎo)致很多問題無法解決和大量實際工作無法正常開展。

稀釋和沖刷作為引清調(diào)水改善水環(huán)境的理論已經(jīng)成為共識[42]，然而引清調(diào)水的作用是以水治水，不止是增大水量和稀釋臟水，更重要的則體現(xiàn)在其動力作用上。有研究認(rèn)為，調(diào)水引流增加了水體流動，大大提高了水體的富氧能力，增加了水體的自凈能力，從而使水質(zhì)得到改善[37]。調(diào)水的動力作用還體現(xiàn)在針對防治水體水華暴發(fā)的生態(tài)水力調(diào)度技術(shù)[43]，即以限制水華暴發(fā)的臨界水動力條件（流量、流速、水位等）為依據(jù)，提出限制河流和湖泊水華暴發(fā)的生態(tài)水力調(diào)度方案。目前國內(nèi)外的相關(guān)研究相對較少。國際上以澳大利亞河流水華的綜合整治技術(shù)最有代表性[44-45]，該技術(shù)通過對影響水華的臨界流速、流量等的觀測和模擬研究，利用水力調(diào)度等綜合技術(shù)控藻，取得了良好的效果。水庫的水力停留時間過長，容易滋生藻類誘發(fā)水體富營養(yǎng)化和水華[46]。我國學(xué)者針對三峽水庫蓄水以來庫區(qū)支流香溪河出現(xiàn)的水華問題，發(fā)現(xiàn)利用上游水利水電工程調(diào)節(jié)上游來流量比利用三峽水庫小幅度水位波動（10～20 cm/d）進(jìn)行生態(tài)調(diào)度效果明顯，可望起到更好的抑制庫灣水體富營養(yǎng)化和控制藻類生長的作用[47]。許可等[48]研究并建立了基于日調(diào)節(jié)的三峽水庫支流非汛期生態(tài)調(diào)度模型，分析結(jié)果表明，增大水位波動和加快水體流速可以顯著改善水體水質(zhì)，并能夠緩解庫區(qū)和支流的富營養(yǎng)化現(xiàn)狀。筆者在巢湖市封閉河道基于數(shù)學(xué)模型計算了最優(yōu)的調(diào)水周期，提出了合理的涵閘工程改造與科學(xué)的引排結(jié)合的措施，結(jié)果表明，調(diào)水能夠使河道的水動力條件得到顯著提高，平均流速均大于0.10 m/s，高于浮游植物生長臨界流速，科學(xué)合理的調(diào)水能達(dá)到抑制有害藍(lán)藻水華在夏季暴發(fā)的目的[49]。

當(dāng)前相關(guān)研究的難點主要在于臨界水動力條件的選擇上，由于臨界水動力條件受多種因素影響，如溶解氧、水力條件、溫度、微生物、河岸帶均可在河道水質(zhì)改善中起決定性的作用[50]。因此針對某一優(yōu)勢種藻類，綜合考慮時空地域特點，在考慮營養(yǎng)鹽、光照、水溫等因子的基礎(chǔ)上，建立一套綜合反映富營養(yǎng)化發(fā)生、發(fā)展的臨界判別體系尤為必要[51]。

4 結(jié)語

水體富營養(yǎng)化問題可謂冰凍三尺非一日之寒，富營養(yǎng)化控制將是一項長期的系統(tǒng)工程，需要在實踐中不斷深入研究。針對范圍水體的富營養(yǎng)化控制，首先仍是要基于理性的氮磷營養(yǎng)物控制策略，在點源污染得到較為有效控制的前提下，面源污染的控制措施將是未來水體富營養(yǎng)化管理的重點問題。盡管不同的物理化學(xué)方法在一些水體水華應(yīng)急和水質(zhì)維持方面得到了較好的應(yīng)用，但仍具有較大的局限性，尤其是一些生物方法的生態(tài)安全評估和生物操縱的理論依據(jù)仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。實踐證明，科學(xué)的水力調(diào)度在庫灣和城市河道富營養(yǎng)化控制中成效顯著，但由于水體生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，水動力對浮游藻類的抑制機(jī)理尚未完全揭示，基于流量管理的水華控制措施在實踐過程中仍遇到了較多問題，這也是當(dāng)前富營養(yǎng)化研究的熱點問題之一。由于不同水體具有不同的水動力、化學(xué)、物理形態(tài)及生物特征，富營養(yǎng)化的控制措施亦應(yīng)在實踐中不斷調(diào)整完善，探索適應(yīng)于不同水體的富營養(yǎng)化和水華控制策略。

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