藍藻暴發應急處理技術及長效防控對策研究

李 麗，汪義杰，董延軍，李 杰

(珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611)

廣東地處亞熱帶地區，常年平均氣溫為21℃～23℃，富營養化水體全年均易發藻類水華。根據《2017年廣東省水資源公報》，全省監測評價255座水庫，呈富營養化狀態的占14.5%，主要集中在粵西諸河，且小型水庫富營養化程度遠高于大、中型水庫。其中，全省開展水生態監測的150座水庫中，發生過不同程度藻華的共48座，占32%，該比例高于2016年的28%；大型水庫35座，發生藻華12座，占34.3%；中型水庫95座，發生藻華30座，占31.6%；小型水庫20座，發生藻華6座，占30%。發生過藍藻水華的水庫比例分別為：珠三角41.5%、粵東諸河41.2%、北江35.0%、粵西諸河33.3%、韓江18.2%、東江8.3%、西江7.7%。春、夏、秋、冬各季節分別有11%、15%、15%、10%的水庫發生藻華。湖庫間隔性藍藻暴發或長期藻密度過高，對城市供水及湖庫生物多樣性造成不同程度威脅。

藻類生長機理十分復雜，但總結目前諸多研究，特定優勢藻類生長繁衍所必需的主要環境條件基本是一致的，可歸納為3個方面：① 富足的氮、磷等營養物質；② 緩慢的水流流態；③ 適宜的氣候條件(包括水溫、光照條件等)[1-2]。只有3個方面條件都比較適宜的情況下，才會出現某種優勢藻類瘋長，暴發藻華。針對藻華形成關鍵過程的控制因子，國內外開展了大量防治技術研究，包括控源截污、打撈藍藻、生態調水、生態清淤、生態修復等，通過綜合治理，藻華暴發可以得到不同程度的減輕，但仍存在一些問題。

以往一般認為治理藻華(特別是藍藻暴發)即是治理富營養化，但水資源公報數據顯示，藻華發生頻率高于水體富營養化比例。如廣東省高州水庫2009—2010年的年均水質達到地表水II類水(TP為0.014 mg/L)，但仍發生藍藻(魚腥藻)嚴重暴發[3]；而武漢東湖、杭州西湖等重要湖泊，處于輕～中度富營養化狀態，但已基本消除藍藻暴發。富營養僅是形成藍藻暴發的主因之一，基于此，削減藍藻數量的必要性逐漸引起重視[4]。理論上，當藍藻削減數量持續大于藍藻自然增殖量，藍藻暴發程度將會持續減輕；若藍藻削減量未達到臨界值，適宜藻類繁殖的生境條件未發生根本改變，藍藻暴發問題將持續發生。

1 藍藻應急處理技術現狀

目前，常采用物理、生物和生化等除藻的技術集成進行藍藻應急處理，改變了以往僅打撈水面藍藻的習慣，以期全面徹底地清除水面、水中、水底的藍藻，具體包括高壓除藻、超聲波、電催化、混凝氣浮法、改性粘土除藻、鎖磷劑、高效微生物制劑等。據統計，2007—2016年太湖周邊城市共打撈藻水1 000余萬m3(含藻率為0.5%)，相當于清除藍藻干物質4.25萬t，經估算含N、P、有機質分別為2 850 t、290 t、32 600 t[5]，大大削減了藍藻數量，也有效緩解水體富營養化水平。

1.1 化學除藻劑

化學除藻劑，其原理主要是通過除藻劑抑制藻細胞活性，阻礙其生長繁殖，達到除藻的目的，具有快速、高效等優點，可短時間內控制藻類生長。

針對廣東省某湖藍藻暴發特征，生態環境部華南環境科學研究所選擇聚合氯化鋁作為應急除藻劑，實驗確定最佳投藥量為20 mg/L，以此指導工程應用，除藻劑平均用量為150 g/m2。治理后連續觀察3 d，藻類總量下降了90%，其他各項指標均達標，為藍藻水華事件應急處置提供了有益借鑒[6]。

苯扎溴銨是畜禽、水產養殖中最常用的表面活性劑之一，也是迄今工業循環水處理常用的非氧化性殺菌滅藻劑之一，具有潔凈、殺菌、消毒和滅藻作用。苯扎溴銨通過所帶的正電荷與微生物細胞膜上的帶負電荷的基團生成電價鍵，電價鍵在細胞膜上產生應力，導致溶菌作用和細胞的死亡，還能透過細胞膜進入微生物體內，導致微生物代謝異常，致使細胞死亡。但其使用需考慮安全用藥問題，有研究[7]指出苯扎溴銨在防治固著類纖毛蟲病潑灑濃度為0.35 mg/L以下時，不會對團頭魴幼魚、草魚幼魚、田螺、Ⅲ期仔蟹和幼蟹產生毒性作用，但對大型溞會產生毒性殺死作用。

化學除藻劑一般沒有選擇性，在殺藍藻的同時會殺掉其他有益藻類；同時易引起藻細胞的破裂，部分藻類在細胞破裂的情況下會大量釋放藻毒素。此外，同等條件下，藍藻比其他藻類具有更強的生存能力和繁殖能力，因此，投藥一段時間后，再次暴發藍藻的風險較高。

1.2 改性粘土絮凝法

20世紀70年代，日本開展了粘土法治理赤潮的現場研究，該方法成本低、無污染，引起了國際上的重視，但絮凝效率低。針對天然粘土除藻的不足，研究者陸續提出了多種改進措施，即通過化學或物理的手段改變粘土顆粒(如硅藻土、紅土、膨潤土、蒙脫石等)的表面狀況，從而提高其吸附性能和殺藻效果。由于粘土礦物具有來源充足、天然無毒、使用方便、耗資少等優點，且粘土通過各種改性后用量大大減少、絮凝效果提高，一些化學改性劑(如聚合氯化鋁、三氯化鐵、聚丙烯酰胺等)在結合粘土后用量也下降到安全范圍以內，使得改性粘土逐漸被應用到藻華應急治理中，具有廣闊前景。

改性粘土技術是我國赤潮治理的國家標準方法(GB/T 30743—2014)，被列入聯合國教科文組織-APEC聯合編纂的“近岸有害赤潮監測與管理對策”一書，是目前國際上藻華應急治理的主要推薦方法之一。中國科學院海洋研究所俞志明研究員團隊提出了粘土表面改性提高絮凝效率的表面改性理論[8]，根據不同的功能側重研發了十幾種不同類別的改性粘土，4～10 t/km2改性粘土就可以消除藻類生物。2005年，該團隊開展粘土除藻技術的首次工程應用，對南京玄武湖藍藻(微囊藻)水華進行了應急治理，噴灑粘土106 g/m2，1個月實現藍藻水華消除[9]。近年該團隊承擔了“廣西防城港核電廠一期工程取水海域赤潮生物球形棕囊藻暴發預警監測與改性粘土消殺設施建立”項目，設計出了改性粘土專用噴灑設備，具有自動化進料、可調節混拌、高效噴灑等功能，是改性粘土技術的一個重要補充和完善。2018年，該團隊赴智利開展改性粘土治理有害藻華的技術服務與應用示范。

目前粘土除藻更多應用于近岸海域赤潮的應急治理，在淡水湖泊、河流的藻華治理中尚未大規模推廣應用。主要是因為存在以下問題：① 當粘土投加量不夠大時，藻細胞與粘土結合能力不足，尤其在剪切活動較為劇烈的水體中，形成的絮體容易散開，藻細胞在自身浮力的作用下重回水體表面。② 在形成絮凝體后，目前主要靠重力自然下降或者是用機械產氣使其上浮的辦法進行處理，前者受水流擾動的影響，下降效率不穩定，且水底容易變成藻種“匯”，后者因設備鋪設難題通常被認為不適合在大型天然水體中使用。③ 當粘土或其它絮凝劑投加量過大時，澄清的上層水體不能促使其他藻類來占據生態位，水體自凈能力及生態系統的穩定性也會下降。

1.3 機械除藻

氣浮法通常與絮凝劑聯合使用。主要利用微氣泡發生器產生的微氣泡作用，水體在微氣泡的作用下不斷上升，由于氣水混合物和液體之間的不平衡，產生了一個垂直向上的浮力，上浮過程中，微氣泡會附著在藻類懸浮物上，將大量藻顆粒和懸浮物顆粒帶到水面，并依靠這些氣泡支撐維持，有利于通過人工或設備進行表面打撈清除。

超聲波除藻技術，被認為是一種相對安全的除藻技術。在超聲波除藻過程中，超聲波的頻率、聲強度和輻射時間(頻次)等因素都會直接影響到除藻效果。相關研究指出，20～50 kHz和100～150 kHz組的抑制效果明顯優于60～100 kHz頻段，培養7 d后20～50 kHz組藻密度增長值更是降低了31.3%[10]。水中常見的微囊藻、魚腥藻的最佳抑制工況在20～80 kHz間[11]。在實際處理時，低頻低強度、多頻次間歇性的超聲處理被認為是控藻和抑制藻類生長的一個有效的方法，但其使藻類細胞喪失活性的同時，也可能釋放大量藻毒素。太湖曾試運行“常州1號”超聲波除藻船，但控藻能力有限，且可能對底泥產生一定擾動。

機械除藻設備使用的有效性主要取決于藻水分離效率以及設備綜合運行效率。因設備鋪設難題通常被認為不適合在大型天然水體中使用，如快速過濾設備，可移動性差且需定期反沖洗，只能在局部區域間斷運行。此外，部分絲狀藍藻不易聚集成團，不適宜采用機械除藻的方法去除。因此，可移動式藻華打撈設備或快速藻水分離/干化設備成為近期研發熱點。如中國科學院合肥物質科學研究院研究開發的藻水在線分離磁捕船，在藻/水混凝階段添加“磁種”，絮凝階段通過磁場實現藻/水原位分離。該技術不經過通常的絮體沉淀或氣浮分離過程，在同等尺度處理設備情況下，藻/水分離效率提高3～4倍，具有機動快速、量大高效，改善水質、可移動性強、運行費用省等優點。該設備應用于巢湖藍藻水華應急磁捕項目，每年可從巢湖打撈藍藻等浮游生物量為7 969.5 t(鮮重，但不包含泥沙等任何其他顆粒物)，相當于從巢湖移出總氮111.0 t、總磷15.43 t，有效減少了巢湖藍藻水華暴發頻次和強度。

1.4 生物制劑除藻

藍藻分解素(酶)，是從藍藻、生化合成的藍藻酶。藍藻酶和藍藻接觸后迅速相吸并包裹，經酶化分解、斷裂，沉入水底轉化為有益微生物。藍藻在分解過程中不吸氧離子、不分解其他藻類微生物及水藻。分解素的組成部分：不溶物，維生素E、維生素B等；溶水物，藍藻素基因分解粒子等。分解素分解過程中藍藻是被包裹的，在包裹層內解毒劑發揮其作用，將藻毒素分解轉化成有益微生物。

該類制劑種類繁多，不同的環保公司各有合成配方，有效成分、具體劑量以及效果和時效性難以確定。

2 藻華長效防控對策

根據藻類的生長特性，藍藻水華不可能是瞬時的“暴發”，其本質也是一個逐漸發展的過程，是藻類數量持續增長至一定臨界值后的集群表現，是可預測的過程[12]。因此，藍藻應急防控不僅是對藍藻聚集體的緊急處理，也應該根據其生長特性及生長周期，在不同階段采取針對性的防控措施，始終保持藻類削減量大于其自然增長量。重點明確不同技術的有效性范圍，即在不同藍藻數量范圍或藍藻暴發程度下選擇最有效、最經濟的治理措施。

2.1 藻華暴發前期

冬春季節交替，隨著氣溫回升，富營養化水體尤其是有機質豐富水體藍藻生長速率逐漸提升，水體開始出現混濁。這個時期藍藻主要通過缺氧、搶奪碳源等間接手段影響藻類多樣性或影響大型水生生物的消化系統。這個時期以預防為主，重點防控措施包括兩個方面：

1) 微生物制劑+循環造流，促進水中有益藻類/微生物生長、抑制藍藻生長，將逐漸產生的有機質分解，減少水體有機質的積累。需重點探討微生物制劑的有效成分、最小和最大劑量、時效性和持久性等問題，以及循環造流系統的運行參數等。

2) 超聲波控藻，超聲波對于藻類聚集具有一定的抑制效果，可選擇性地去除一些藍藻，并能降解藍藻毒素，但降低整體藻類水平的能力有限。需重點探討超聲波運行參數(功率和頻率)，以及對其安全性進行評價。

2.2 藻華暴發期

這個階段藻類生命力旺盛，藍藻大量出現，水面會呈鮮亮的綠色，尤其下風口逐漸聚集油漆狀膜，水的透明度極低。一般的微生物制劑在此時沒有任何效果。這個時期以快速打撈清除為主，重點防控措施包括兩個方面：

1) 化學絮凝劑、改性粘土，包括單獨使用化學試劑(聚合氯化鋁、苯扎溴銨等)，或利用化學試劑改性粘土(中科院海洋研究所)，重點探討使用劑量、使用頻率等參數。此外，需重點探討安全性問題，尤其對于改性粘土絮凝，需分析絮凝體沉淀后，表層底泥重新成為藻類種源的風險。

2) 氣浮+打撈、磁性絮凝+打撈、移動式過濾(生物過濾)等，在目前市場上已有設備的基礎上，根據不同水體大小、不同藻華程度等，研制或定制不同型號(參數)設備，從經濟性、可操作性、運行效果、維護費用、可推廣程度等方面評價設備的綜合效益。同時，重點研究打撈、過濾后藻體干化技術。

2.3 藻華暴發后期

藻華后期包括兩種情況，一是在藻華暴發期間未能及時處理，隨著藻體大量死亡和耗氧降解，水體將逐漸發黑發臭，此時僅通過藻華應急處理措施難以實現水體恢復；第二種，在藻華暴發期間采取相應措施進行處理后，需采取必要措施防止二次污染或藻華再次暴發。重點針對第二種情況，這個時期以維護為主，重點防控措施包括兩個方面：

1) 生態清淤技術或抑制種源藻類復蘇生長的污染底泥生態覆蓋技術，防止死亡的藻類在底部厭氧反應而產生有害物質。

2) 藍藻暴發后，隨著藍藻細胞的破裂或衰老，水體可能出現藻毒素濃度的峰值，如何高效去除藻毒素及其代謝產物是當前熱點問題之一。雖然物理法和化學法能夠去除藻毒素，但生物降解法效率更高，而微生物種類的差別造成其生物降解原理或效率存在差異性，因此，仍需加深研究。

3 結語

藍藻防控有多種方式，打撈清除藍藻是大幅度削減藍藻數量、清除藍藻暴發的主要措施之一。打撈清除藍藻指的是一系列工作，包括：① 藍藻控制，在藍藻發生聚集時，對藍藻進行有效的控制；② 藍藻打撈，對集聚濃稠的藍藻不間斷地實施物理、化學等措施，減少藍藻數量；③ 藍藻處置，藻水分離和無害化、資源化利用等，防止藍藻二次污染。以大規模打撈為主的清除藍藻措施，可以直接削減藍藻數量、減輕藍藻暴發程度和削減內源，可調整藻類結構和降低藍藻在藻類中的比重。