水源地湖庫區生物控藻技術探討

宋敏

水源地湖庫區生物控藻技術探討

宋敏

（北京市南水北調團城湖管理處，北京 100091）

近20年來，中國水體富營養化現象嚴重，而水體富營養化給人們的生產生活帶來了極大的危害。生物法具有對環境危害小等特點，更適用于水源地水體保護。著重對生物法中的生態浮床、生物操縱、微生物溶藻等技術研究進展進行歸納總結，以期給水源地湖庫區的藻類預防與控制工作提供一定幫助。

生態濾床；生物操縱；微生物溶藻；控藻技術

中國是一個多水庫湖泊國家，水庫湖泊在供水、防洪、航運、旅游景觀及維系生態平衡等方面發揮著巨大作用。近20年來，中國的水庫湖泊富營養化嚴重。《2018中國水資源公報》顯示，2018年，對124個湖泊共33 000 km2水面進行了水質評價，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類、劣Ⅴ類湖泊分別占評價湖泊總數的25.0%、58.9%和16.1%，主要污染項目是總磷、化學需氧量和高錳酸鹽指數。121個湖泊營養狀況評價結果顯示，中營養湖泊占26.5%，富營養湖泊占73.5%。對1 129座水庫進行了水質評價，Ⅰ～Ⅲ類、Ⅳ～Ⅴ類、劣Ⅴ類水庫分別占評價水庫總數的87.3%、10.1%和2.6%，主要污染項目是總磷、高錳酸鹽指數和五日生化需氧量等。 1 097座水庫營養狀況評價結果顯示，中營養水庫占69.6%，富營養水庫占30.4%。湖泊水庫水多為水源水，且流動性小、儲存時間長，一旦富營養化將會很難治理。本文對湖庫區水源地的富營養化生物防治方法研究進展進行歸納總結，以期為湖庫區的藻類預防與控制工作提供一定幫助。

1 富營養化的危害

水體富營養化主要是由于人為原因導致水體中氮、磷等營養元素遠遠超過水體的自凈能力，從而在水體中富集，水體中的藻類因為有了豐富的營養物質得以急劇增長，細菌也大量繁殖。急劇增長的藻類在水面越積越厚，一部分被壓在水面以下，由于缺乏陽光的照射而死亡。死亡的藻類為水中菌類提供營養，為菌類的繁殖創造條件，菌類的生長不斷消耗氧氣，隨著水中氧氣減少，水質不斷惡化，魚類和其他水生生物大量死亡。水體富營養化造成藻類的大量繁殖，會使得水體透明度降低，溶解氧下降，大量的藻類和菌類的死亡，若不及時處理，會產生腥臭異味。研究表明，當藍藻大量繁殖，死后其蛋白質分解釋放出的毒害作用僅次于二惡英的藻毒素羥胺、2-甲基異冰片、硫化氫等有毒有害物質，可造成水體生物大量死亡。同時，水體底層堆積的有機物質在厭氧條件下分解產生的有害氣體和一些浮游生物產生的生物毒素也會傷害到水生生物[1]。水體富營養化會嚴重破壞水體的生態平衡。因此，水體富營養化發生在水源地會帶來很大的危害，會給水源地湖庫的水質維護增加成本投入，會因管道腐蝕堵塞等問題而導致供水成本增加，嚴重的將直接影響飲用水質安全。

2 控藻技術

目前，湖庫區富營養化的防治措施有很多，概括起來主要有物理法、化學法和生物法。物理法有底泥疏浚、深層曝氣等，該類方法效果顯著、無污染，但是周期較長、工程量較大、經濟成本過高，實際應用較困難。化學法主要原理是投加化學試劑，將水中的氮、磷等營養元素形成沉淀，對于富營養化特別嚴重的水體則是投加除藻劑。化學法速度快、效果明顯，但是化學試劑用量不好控制，容易殘留造成二次污染，對于水源地水體不適宜使用。生物法則是利用生態系統食物鏈攝取原理和生物相生相克關系來控制或抑制藻類水華，從而達到控制水體富營養化的目的[2]。生物法雖然周期長、效果緩慢、不易調控，但是只需一次投入，運行管理簡單，沒有二次污染等生態風險，所以這類方法廣受關注，也更適合應用于水源地控藻。生物方法主要有生態浮島控藻、濾食性魚類控藻、微生物控藻等技術。

2.1 生態浮床控藻

生態浮床是利用無土栽培技術原理，以水生植物為主體，以高分子材料等為載體和基質，通過水生植物的根系對污染物質的吸收，對附著在根系周圍的生物膜和細胞外酶對水體中污染物的降解，達到進化水質的目的，同時營造景觀效果。陳建軍等[3]通過仿真人工浮床在典型水庫水環境中對4種植物進行了為期2個月的篩選研究，結果表明，皇冠草、鋪地黍、海濱雀稗3種植物能較好地解決水庫富營養化問題。皇冠草去除富營養物質效果最佳，可以使30 L水庫水總氮減少0.67 mg/L，總磷減少0.018 mg/L。鄭紅芳等[4]利用人工浮床進行小型池塘水質凈化實驗，結果表明，栽植面積為10%時，黃花鳶尾的根系能夠明顯吸收和吸附水中有機物和氮磷等，對水中藻類的爆發也有明顯的抑制作用，使得核心保護區水質始終處于富營養化水平之下。李華等[5]研究了靜態條件下及不同水力負荷下，種植黃菖蒲的生態浮床與人工濕地的凈水效果，試驗期間進水高錳酸鹽指數、TN、TP、NH4+-N平均質量濃度分別為4.74 mg/L、2.92 mg/L、 0.26 mg/L、1.77 mg/L。結果表明，在靜態條件下黃菖蒲生態浮床對污染水體具有較好的去除效果，高錳酸鹽指數、TN、TP去除率分別為37.6%、89.9%和65.5%。與3種水力負荷0.035 m3/（m2·d）、0.06 m3/（m2·d）、0.12 m3/（m2·d）相比較，0.035 m3/（m2·d）水力負荷下，生態浮床對TP、NH4+-N、TN、高錳酸鹽指數的去除率較好，分別為87.4%、66.8%、77.1%、21.16%。方媛媛等[6]認為生態浮島作為一種生態修復技術已廣泛用于治理富營養化水體。該技術不但有凈水作用，還有一定的觀賞價值。

生態浮床技術經過多年的實踐已經較為成熟，在國內外富營養化水體的防治中得到廣泛應用，且效果良好，但是應用于水源地水體依然存在問題和不足，即水源地所需處理的水量大，水力負荷很高影響處理效果；水源地有機物營養鹽含量低不利于植物生長；植物生長受溫度影響較大，低溫下處理效率低等。這些問題仍需要進一步研究解決。

2.2 生物操縱技術控藻

SHAPIRO等首先提出了“生物操縱”的概念，定義為“通過一系列湖泊中生物及其環境的操縱，促進一些對湖泊使用者有益的關系和結果，即藻類特別是藍藻類的生物量的下降”。研究者又區分為兩類，分別是經典生物操縱和非經典生物操縱。經典生物操縱是指通過改變捕食者的種類組成或多度來操縱植食性的浮游動物群落的結構，促進濾食效率高的植食性大型浮游動物，特別是枝角類種群的發展，進而降低藻類生物量。非經典生物操縱是利用濾食性魚類（主要有鰱魚、鳙魚、羅非魚等）來直接攝食藻類。

鄭君等[7]通過分析調蓄水庫魚種及其食性分析，采用非經典生物操縱技術，有針對性地選擇濾食性魚類，如投放鰱、鳙和草魚3種魚類，投放比例為2∶2∶1，鰱鳙魚投放密度為10 g/m3，魚苗1～2齡，投放時間為每年的4—5月上中旬。結果表明，該方法對夏季高溫期調蓄水庫中的優勢種屬微囊藻的控制效果明顯，藻類含量可以控制在每升2.0×107個左右，去除率可達到45%～50%，每年可節約費用16萬元。賈柏櫻等[8]在預沉池中采用放養鰱魚的生物操縱技術可高效、穩定地控制藻類數量，并對原水濁度、氨氮起到穩定作用，在高藻期還可降低原水CODMn、總磷濃度等。采用生物除藻技術，再聯合常規處理工藝除藻，可以使藻類得到較徹底的去除。特別是對于以藍藻為優勢種的夏季原水，該聯合技術的效果更為明顯。陳來生等[9]對千島湖水域實施養殖式圍隔，每年投放大規格鰱鳙魚種5.0×105kg以上，計 1 000萬尾，密度達到8.5 g/m3，同時對網圍養殖區域實施禁漁，經3年試驗，水華未再出現。

經典的生物操縱方法主要是利用浮游動物控制藻類，所以多運用于小型的、封閉的淺水水體。非經典生物操縱核心是利用魚類控藻，對于藍藻水華控制效果較好，但是很難控制所有的藻類，且對于魚類的種類和密度也難以控制。

2.3 微生物控藻

微生物控藻技術是通過微生物直接或間接殺死藻類，溶解藻細胞，從而改善水質。呂樂等[10]在北京市延慶縣媯水現場圍隔水體中，通過投加由芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌、放線菌和沼澤紅假單胞菌組成的環境有效微生物菌劑（EM菌劑）治理藍藻水華污染的效果進行了研究。實驗結果表明，EM菌劑可以快速降低藍藻數量，使藍藻生物量減少55%以上，還可以降低氮磷營養元素含量，從而控制藍藻水華的發展。孔赟等[11]利用前期分離獲得的溶藻菌Streptomyces sp.HJC-D1研究固定化微生物技術強化污染水源水除藻以及脫氮性能。結果表明，對照組和試驗組的水體葉綠素a平均去除率分別為（71.66±5.35）%和（80.94±4.36）%，NH4+-N的平均去除率為（77.76±2.83）%和（72.36±3.18）%。國內外對微生物溶藻的研究已取得一定成果，并且逐步向溶藻活性物質分離、提純和結構鑒定等研究方向發展[2]。

微生物溶藻技術目前多停留在實驗室階段，缺乏實際大規模應用實例。新的微生物物種的引進對原有水體生態平衡的安全影響不可控的因素導致該種方法有一定限制。

3 結論與建議

相比物理法、化學法，生物法控制藻類具有投資少、二次污染小、對環境危害小等優點，更加適用于水源地水體的富營養化防治。但是上述各種生物方法各有利弊，要依水體實際情況選擇使用，或者幾種方法結合。對于富營養化較重的水體可以結合物理、化學方法聯合治理。

［1］胡芳，許杰.水源地原位控藻技術的比較與研究［J］.環境科學與管理，2010，35（5）：56-58.

［2］談偉強，孔赟，潘國強，等.湖庫富營養化生物控藻技術的研究進展［J］.安全與環境工程，2017，24（4）：59-63.

［3］陳建軍，劉振乾.典型水庫的人工生態浮床植物篩選研究［J］.綠色科技，2011（8）：134-136.

［4］鄭紅芳，趙瑜佳，周浩宇，等.人工浮床栽植黃花鳶尾對水體富營養化的抑制作用［J］.長春師范大學學報，2017（2）：188-191.

［5］李華，周揚，張秋卓，等.生態浮床與人工濕地凈水效果比較小試研究［J］.環境科學與技術，2011，34（3）：58-61，89.

［6］方媛媛，劉聚濤，戴國飛，等.生態浮島技術及其在富營養化水體修復中的應用研究［J］.環境科學與管理，2019（10）：71-75.

［7］鄭君，龔淑艷，王曉紅，等.生物操縱法對調蓄水庫藻類的控制［J］.供水技術，2014，8（5）：5-7.

［8］賈柏櫻，馬華.生物操縱技術控制原水藻類的應用研究［J］.中國給水排水，2017（5）：11-15.

［9］陳來生，洪榮華，何光喜，等.運用非經典生物操縱技術治理水華［J］.漁業現代化，2006（6）：45-46.

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［11］孔赟，朱亮，戚姣琴，等.溶藻菌對受污染水源水除藻及脫氮特性研究［J］.生態環境學學報，2012（8）：1440-1446.

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.040

2095－6835（2020）14－0101－02

〔編輯：王霞〕