湖泊蓝藻水华治理技术研究进展_叶晶.pdf

年 月 第 卷第 期收稿日期：作者简介：叶晶（），男，博士，工程师，研究方向为水生态治理及修复。湖泊蓝藻水华治理技术研究进展湖泊蓝藻水华治理技术研究进展叶 晶，赵 剑，周 林，彭香玉，肖 磊（武汉中科水生生态环境股份有限公司，湖北 武汉 ）摘要：我国水体富营养化形势严峻，蓝藻水华频发，如何控制蓝藻水华一直是我国水治理的重难点之一。蓝藻水华治理目前主要分为物理控藻方法、化学控藻方法和生物控藻方法三大类：物理控藻法清洁无污染，能消减水体污染物但设备要求高，作业时间长费用高；传统化学控藻法见效快，但可能会引起二次污染；生物控藻法持续时间长，但见效慢或不易控制。对三类方法的作用原理、优缺点等进行了归纳总结，并展望了多方法组合、污染源削减和抑藻除藻并举的藻类治理技术新方向。关键词：蓝藻水华；物理控藻技术；化学控藻技术；生物控藻技术中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：，；，；，：；引言近年来，部分水域呈现出明显的快速富营养化趋势，水体的污染导致藻类爆发日益频繁且危害严重。因此，从“九五”开始，控制蓝藻水华就作为我国湖泊水库治理及防控的重点之一。经过多年来的努力，我国蓝藻水华现象得到了极大的遏制，但蓝藻问题的治理形势依然严峻。虽然大面积水华爆发较少，但小区域蓝藻水华事件依然时有发生。蓝藻水华危害很大，不仅会污染水体，产生腥臭味，大量消耗水中氧气造成鱼类死亡，同时藻类会分泌藻毒素，尤其是微囊藻毒素更是会威胁到人类及湖泊生态系统安全；同时藻类大量繁殖导致水厂滤池堵塞，也增加了混凝剂和消毒剂的用量，抬高了水厂的运营成本。虽然一些湖泊取得一定的控藻成果，但距离消除蓝藻的目标还较远。如何对藻类进行有效消减去除一直是蓝藻水华治理的重点问题。目前，蓝藻调控去除方法很多，主要包括物理控藻方法、化学控藻方法、生物控藻方法等，本文对类方法的作用原理、优缺点等进行归纳总结，展望藻类治理技术新方向，以期为未来藻类水华治理技术改进及创新提供相关参考。DOI:10.16663/ki.lskj.2022.24.042叶晶，等：湖泊蓝藻水华治理技术研究进展环境与安全 物理控藻技术物理控藻技术是指采用人工或者机械装置将藻类聚集或浓缩后移出水体来减少水中藻类数量的方法，以及通过物理手段将藻类直接杀死或者改变藻类主要生长因子来抑制藻类生长，从而达到控藻的目的；主要包括打捞除藻法、电磁场法、超声波法、遮光法等。打捞除藻打捞除藻是在实际工程中常用的应急手段，可以在短期内大量消减藻类的生物量，并将藻类及其所含、和有机物快速移出水体，减少水中的污染物；但其只能减缓藻类爆发的趋势，无法根本上消除藻类爆发，还需结合其他措施才能有效达到控藻效果。打捞除藻需选择合适的时机进行打捞。在藻类生长的对数期进行打捞除藻，不仅效果欠佳，而且随着打捞强度的增加，藻类的指数生长期的持续时间还会延长，反而导致藻类种群数量呈现增长的趋向；若选择在生长稳定期打捞藻类，其将迅速进去该期间，从而抑制藻类数量增长。陈丙法等研究表明打捞的最佳时期是蓝藻聚集 内，也称为“窗口期”，在此期间打捞效果最佳，窗口期后内为打捞的“有效期”，需增加打捞频率及强度确保对藻类的控制效果，同时中强度打捞是控制水体藻源的必要强度。打捞设备研究也是打捞除藻的重点研究方向，打捞设备及装置经过多年的发展，已经有了巨大的进步，已从人工手动打捞方式过渡到机械打捞方式，目前更是在机械打捞的基础上开发了人工智能打捞技术，在减少人力投入的同时可以极大地提高打捞除藻的效率和速度。电磁场除藻电磁场除藻主要通过高频磁场能量传递到含藻的水体中，导致藻类细胞内的各种酶被分解，细胞膜被挤压和贯穿，使藻类的生物活性被抑制，到达除藻的效果，同时磁场与水体可以产生共振，导致系列反应从而提高水自身的活性，有利于水体修复。目前多数电磁除藻装置所采用的是正弦波的波形，但正弦波的频谱比较单一，可能仅有一种藻类对此波频作出响应，而在水体中是多种藻类并存的，所以在实际使用时要想取得较好的效果，要求磁场具有一定的带宽，因此可以选择采用正负对称高频三角波的方法来提高除藻效果。一般情况下，电磁场除藻都与絮凝剂耦合使用，通过磁场作用可提升絮凝效果，还可以通过交流变频电磁感应降低絮凝剂的使用量。如在磁场作用下聚二甲基二烯丙基氯化铵（）、聚合氯化铝铁（）和磁粉复配去除淡水藻类，在 、磁粉的用量分别为 、时，在 的外磁场作用下富集 效果最好，浊度、叶绿素、总 氮、总 磷、磷 酸 酶 活 性 分 别 降 低 、。超声波除藻超声波控藻主要是利用超声波产生的机械效应和热效应、空化效应、伪空胞破裂、自由基效应来损伤藻细胞，使其生物活性降低直到消失，致其死亡，达到去除藻类的目的。超声波控藻效率会受到超声频率、功率、作用时间、处理模式、蓝藻种类等多种因素的影响。在太湖现场实验中，载有超声除藻装置的实验船在 实验区域作用后，水表层的藻细胞由 个 降低到 个，透明度由 上升为 ，叶绿素含量降低为初始浓度的 。当超声频率为 ，超声功率为 时，藻类的去除效果最好，超声 后，除藻率可达到，而且通过二次超声可进一步抑制残余藻类的生长，稳定除藻效果。超声波对不同种类的藻类处理效果不同，低频超声波可能比 去除效果更好，。超声波技术具有设备简单、无二次污染等优点，具有很好的发展及应用前景，并且与其他技术结合更能提高其效能，因此低强度超声波与其他技术联用将是今后超声波控藻技术发展的方向。遮光除藻光照是影响藻类生长主要限制因子，遮光除藻是对富营养湖泊中，通过消减光照，来影响藻类光合作用，从而抑制藻类的异常增殖。遮光除藻不仅可以有效降低叶绿素、浊度、藻类生物量，还可以对藻类群体直径造成影响。遮光除藻效果与遮光强度密切相关，如在滇池（草海）开展了基于围隔试验的水华早期遮光控藻效果的研究，发现在滇池春季选用 的遮光率不仅无控藻效果，反而因削除光胁迫而促使藻类生物量升高，当遮光率达 时则可明显削减藻类生物量且在一定程度上影响水质参数与藻类群落结构。遮光除藻效果也与遮光时间呈正相关，即使是在短期遮光后，也发现在 处的叶绿素浓度、浊度都较水面表层浓度高，藻类出现了沉降的现象；遮光后，水深 以下的净生产量都为负值，说明遮光可以显著抑制了藻类的光合产氧速率，并促使藻类消亡。化学除藻技术化学抑藻技术主要指向水体中投加化学药剂，通过氧化或者絮凝作用来直接杀死藻细胞或是藻细胞絮凝沉淀，达到控制藻类数量的目的。化学方法是目 年 月绿 色 科 技（）第 期前我国在抑藻方面被使用较多、范围较广的一种方法，因为其具有见效快、范围广、操作简单、易控制等优点，但化学除藻需向水体中投放化学药剂，会产生二次污染，同时化学药剂不单会杀死藻类，同时也会对其他水生动植物造成不利影响。化学方法分为通过化学絮凝沉淀抑藻和化学氧化作用除藻两大类，同时化学氧化除藻又分为传统化学药剂氧化除藻和新型光催化电催化等氧化除藻技术，光催化和电催化氧化除藻技术是新型绿色环保的氧化除藻技术，不会对水体造成二次污染。化学絮凝除藻絮凝除藻是通过电层吸附、电中和、网捕卷扫和吸附絮凝架桥等作用絮凝沉淀藻细胞，也是工程实践中用来应急除藻，提升水体透明度最常见的手段之一。絮凝除藻所用的絮凝材料种类较多，铁盐、铝盐是水处理领域中常用的絮凝剂，目前更多使用复合材料来提升其絮凝效果。通过材料改性可有效提升絮凝剂除藻絮凝效果，如通过 对天然红土进行改性后，发现可以提高藻类的去除率；还可以通过融合铁系与铝系絮凝剂的各自优点，制备出不同 含量的铁铝 复 合 改 性 粘 土，相 比 单 一 元 素 最 高 可 提 升 除藻效率，且絮体粒径减小、絮体强度及絮体稳定性增强。常规天然絮凝剂与高分子材料进行复合使用，不仅可以提升除藻效果，还可以提升絮体的稳定性。比如伊利石与聚二甲基二烯丙基氯化铵（）通过一定的复合比投入水华水体时，浊度、藻密度、叶绿素的去除率分别达到 ，效果均优于两者单独使用，且形成的絮状体体积更大且不易松散，抗扰动能力更强。传统的絮凝剂只能将藻细胞沉淀到水底，使其无法接收光照，从而抑制其繁殖生长，并不能直接将藻类杀死，存在藻类二次暴发的风险，一些新型改性复合絮凝剂可以将藻类絮凝成大体积絮状体，再结合打捞技术可以快速有效的移出藻细胞，控制其暴发，同时将水中污染物带出。化学药剂氧化除藻化学药剂氧化除藻一般是通过化学金属离子的亲和性或氧化性，通过结合或者氧化作用使藻类的某一重要生理部位受损，抑制其生理代谢过程促使其死亡，从而达到杀藻效果。硫酸铜是目前用于抑藻应用最为广泛的化学药剂之一，通过对浮游藻类的含硫基团的强烈亲和力，使藻类的各种生理生化过程受到不利影响，造成其叶绿体损伤，从而抑制藻类生长。二氧化氯也是一种常用的除藻剂，其常温状态下为红黄色气体，具有较强的氧化性，可以将藻类细胞中叶绿素骨架的吡咯环氧化，从而抑制其代谢过程，阻止其光合作用并无法合成蛋白质，使藻类死亡；二氧化氯除藻见效快，还能一定程度上减小藻类水华引起的 臭 味，但 其 价 格 略 高，多 用 于 饮 用 水 净 化处理。过氧化氢也具有强氧化性，俗称双氧水，在氧化反应中只产生水和氧气，不会产生二次污染，是绿色杀藻剂；过氧化氢可以通过使藻类基因表达紊乱、抑制其光合作用、破坏藻细胞膜等多种途径抑制藻类正常生长或致其死亡；过氧化氢的反应时间短，能快速取得明显效果，但其维持的时间也相对较短，需要多次投加才能达到稳定效果。戊二醛、二氯异氰尿酸钠和四烷胺络合碘作为氧化杀毒剂，也能应用于水体藻类灭杀。戊二醛是一种较高效的消毒剂，具有稳定低毒的特点，由于其可以交联细胞壁和细胞膜的氨基的特性，也常作为杀藻剂被研究，其与新洁尔灭组合使用时，协同作用明显，除藻效果较好；二氯异氰尿酸钠是一种应用广泛的氧化性杀菌剂，也常用于鱼塘细菌和藻类的灭杀，有学者研究表明，二氯异氰尿酸钠随着浓度加大，抑制效果也会加强；四烷胺络合碘高效无毒，具有强劲、高效、安全光谱等优点。新型光催化除藻技术光催化剂除藻技术主要是利用催化剂在吸收光能时，会产生光生电子空穴，对吸附于表面的污染物直接进行氧化还原，或通过氧化表面吸附的氢氧根，生成强氧化性的羟基自由基 来氧化污染物。光催化技术是一种在环境领域有着重要应用前景的高级氧化技术，可以在无外源添加、无能量输入的前提下实现对有害藻细胞的灭活和对藻毒素的降解矿化。目前主要的光催化剂包括 、等。具有光催化能力强、持续稳定性高、无污染无毒性、经济等优点，在光催化领域受到很多学者的关注，并被广泛地研究和利用。部分学者通过对光催化剂的改性不断提升其催化效率，周丽等成功制备了新型的改性二氧化钛磷酸银可见光响应的复合光催化材料，研究发现改性二氧化钛中形成的中间能带可以有利于复合材料中异质结的生成，有效提高光生电子空穴的分离，光催化效率得到进一步提升。光催化剂不仅可以通过改性来提升自身性能，也可以与其他环境友好型技术耦合来增加抑藻的功效。仇健等学者利用光催化功能材料与土著生物耦合技术对云南省大理州西湖及浙江省舟山市嵊泗县的长弄塘水库进行了为期 的野外原位围隔试叶晶，等：湖泊蓝藻水华治理技术研究进展环境与安全验表明，该技术对水体中污染物降解具有较好的效果，氨氮、总磷浓度和 下降了 ，同时与对照组相比，藻类总生物量下降了 。光催化技术不但可以杀死藻类，同时可将藻细胞死亡后释放的藻毒素进行降解，最终分解为无毒的酸和醛类氧化物，不会对水体造成二次污染，是一种能源节约型和环境友好型的新型技术。生物抑藻技术生物法是通过水生动植物及微生物对藻类的竞争、化感、摄食等作用来控制藻类生物量，达到控藻的目的，具有环境友好、效率高、持续性、成本低等特点；目前生物控藻方法主要分为水生植物法、水生动物法、微生物法。水生植物法水生植物法主要通过竞争和化感作用来控制藻类数量；竞争作用是指利用水生植物与藻类争夺生长所需的无机盐、阳光、氧气等因子，达到限制藻类的繁殖的效果；化感作用是指通过植物生长代谢分泌的化感物质来抑制藻细胞生长或杀死藻细胞。竞争作用水生植物与藻类在水生态系统中均是初级生产者，彼此间对营养盐、光照等生存条件存在竞争关系。水生植物可以通过对营养盐的汲取，净化