藻類水華形成的影響因子及其預防與治理

張雨竹

（陜西省建筑科學研究院有限公司，陜西西安 710082）

0.引言

當水體受到含有氮、磷等營養物質的污染輸入后，水質逐漸達到富營養化狀態，在此狀態下，當環境條件適宜時，原本懸浮在水體表層以下的藻類細胞發生爆發性的增殖，在一定的水文條件推動下，大量的藻類細胞上浮并聚集在水體表面形成了藻類水華。漂浮在水體表層的大量藻類水華會影響水體的感官性狀，破壞原本動態平衡的水生態，降低水生生物的穩定性及多樣性，不完全降解的死亡水生生物及藻類細胞會釋放有毒氣體并產生異味，加劇了水體本身及其對周圍環境的污染，形成惡性循環。嚴重時，水體會喪失原本的使用功能，造成生態、經濟、人文等多方面損失。

1.富營養化水體的污染來源

水體富營養化是藻類水華形成的物質基礎。在沒有外加推動力的干擾下，自然水體的富營養化是一個十分緩慢的水體演化過程。隨著人口數量的增加以及工業、農業的大規模發展，大量含有氮、磷等營養物質的污水排入天然水體，從而大大加速了這一進程。進入天然水體中的氮、磷等營養物質主要來自未經過處理或者處理不夠完全的生活污水、工業廢水及廢氣、養殖污水、垃圾、農業化肥等，這些污染物通過人為排放、降水、地表徑流、養殖、水上娛樂及交通活動等途徑進入水體，構成水體富營養化[1]。另外，底泥中的沉積物及水生生物的代謝活動也會向水體中釋放氮、磷等營養物質，這些屬于污染物的內部來源。

2.藻類水華形成的影響因子

藻類水華的形成不是一瞬間的，在水體表層出現人們可以肉眼觀察到的水華之前，水體內部已經有大量的藻類細胞懸浮其中。水華“爆發”的本質是水體內部長時間積累的藻類群體在特定環境因子的促使下，發生了增殖、聚集、遷移、上浮，是一個循序漸進逐漸發展的形成過程，為了預防及控制這一過程，了解藻類水華形成的影響因素是必不可少的[2]。通常認為，影響藻類水華形成的因子包括營養條件、環境條件、生物條件、水動力及水質條件等多種方面。

2.1 營養條件

營養鹽是構成水生生態系統的最重要的化學物質基礎之一，構成水體中的藻類細胞的主要元素包括碳、氧、氮、磷、氫等，當水體中缺乏這些元素時，浮游藻類就無法生長。營養鹽的輸入除了會給水體中浮游藻類生長提供物質基礎條件，還會導致水體中原有的營養結構產生變化，從而對某種或某類浮游藻類的增殖特別有利，使得水體中的某種或某類浮游藻類群體迅速增殖，使其生物量劇增。在不同的水體中，由于水體中的營養鹽組成成分與結構等不盡相同，水體中的浮游藻類群落種類和數目都會不同。

2.2 環境條件

在眾多環境條件當中，對藻類水華的形成影響較大的主要是光照和水溫。藻類細胞進行光合作用需要充足的光照來為生物代謝提供能量，光照情況決定富營養化水體當中藻類群體的分布狀況及其生長情況。有研究表明，光照太強或太弱都不適宜藻類生長，一般認為，3000Lx～4000Lx是最適宜藻類水華生長的光照強度[3]。水體內藻類細胞細胞中各種酶的反應速率直接受環境溫度影響，且細胞的呼吸作用等各項生命活動強度都與環境溫度密切相關。一般來講，藻類水華的發生有明顯的季節性，夏季水溫非常高（＞30℃）或冬季水溫非常低（＜15℃）時都會抑制藻類細胞生長，不利于藻類水華的形成，有研究表明，25℃～30℃是最適宜藻類水華生長的環境溫度。

2.3 生物條件

水域生態系統中存在食物鏈，水體中的浮游動物可以通過捕食關系來影響水體中生長的藻類群體的數量，從而改變水體中藻類種群的組成和優勢藻的種類，相當于水體中的浮游動物對藻類群體有攝食壓力，這就對藻類群體的生長、聚集、遷移形成誘導作用。另外，水體中的微生物也是誘導水體中藻類生長的重要因素，微生物細胞分解出的有機物質會向水體中釋放大量的營養物質以及能夠促進藻類細胞生長的有機物質，當然，也有可能會釋放出對某些藻類種屬有害或者有毒的物質，使得水域當中眾多藻類中，有些能夠增長旺盛稱為優勢種群，從而促使該種群的藻類形成水華。

2.4 水動力及水質條件

水體的流動形態及其循環更新的周期長短都會對藻類水華的形成產生密切的影響，流速則是表征這一影響因素最直觀且基本的水動力因子，水流速度對水體當中藻類的生長、聚集、遷移及分布都會產生非常顯著的影響。

較大的流速可以有效地阻止藻類水華的形成與發展，水流速度較快，水體更新所需的周期較短，這就使得許多藻類在其增殖尚未達到高峰時，就已經被較快的水流速度推移至水體下游，使得藻類群體無法聚集，因而不利于水華的形成。與之相反的是，水流速度緩慢，藻類則易于聚集，也就使得該水域易于形成水華。另外，水體流速較大時，會導致水體內部的剪應力和切邊速率較大，從而會使得水體內生長的藻類細胞遭到破壞，也會抑制藻類細胞對水體中營養的吸收，不利于藻類細胞的增殖和水華的形成[4]。

除了水動力條件外，水體本身的理化性狀及多種水質因子也會與藻類水華的形成密切相關。如水體的pH值能夠通過影響水體內部二氧化碳的溶解度從而影響水體內藻類及其他綠色植物的光合作用，有研究表明，水體pH值隨水體富營養化程度的升高而升高，堿性水質環境有利于水體中藻類水華的形成。水體中的溶解氧也與藻類水華的形成相關聯，白天光照充足時，藻類細胞進行光合作用向水體內釋放氧氣，而藻類細胞進行呼吸作用又會消耗水體中的溶解氧，有研究表明，水體中的溶解氧隨水體富營養化程度的升高而降低。另外，水體當中的某些微量元素會作為輔助因子參與水體中的生物化學反應，從而促進藻類細胞的增殖，還有研究表明，水體中高錳酸鹽指數也與水體富營養化程度正相關[5]。

3.藻類水華的預防與治理

藻類水華的形成受多方面因素的影響，應根據水體自身的特性，采用綜合措施以防控藻類水華的發生，對健康水體進行污染源的輸入控制，從源頭上削減容易引起水體富營養化的營養因子的輸入，以預防藻類水華的發生。對已經產生藻類水華或已經形成富營養化的水體進行治理，采取一定的修復措施以恢復水體本身功能。

3.1 藻類水華的預防措施

氮、磷等污染物是藻類水華形成的物質基礎，從營養來源上阻斷輸入水體的營養元素，能夠有效地降低水體向富營養化程度發展的可能性，可以采取的措施包括：

（1）從政策上，根據水體功能，制定相應的區域排放標準，嚴格控制排入水體的各類物質的種類、數量及濃度限值。健全相應的法律法規，要求相關部門嚴格按照排放標準執行管理，對排放超標的企業進行相關整頓，用規范化、體系化的排污管理對水體環境污染的排放進行把關防控。（2）從水處理技術上，加強對排入水體的工業廢水及生活污水的處理力度，強化水處理技術工藝中對氮、磷污染物的處理力度，提高除氮、除磷效果，減少排放源對水體的影響。（3）從農業及養殖業活動角度，革新農耕技術，改善化肥及飼料的營養結構，優化肥料及飼料中氮、磷等營養物質的比例，提高作物對肥料的吸收利用效率，控制農藥、殺蟲劑、除草劑等化學藥劑的使用量，妥善處理水生養殖動物的排泄廢物，以減少此類污染源的影響。（4）從生態調控的角度，采用合理規劃土地、大面積植樹、長期種草等措施，加強水土保持、改善水土流失、減緩土壤退化，以降低通過地表徑流對水體產生的污染負荷。（5）大力推廣循環經濟理念，從生產和消費雙方面加強落地可持續發展的要求，提高生產效率，減少廢物的產生，促進廢物進行資源化處理再利用。普及生活垃圾分類處置，限制洗滌劑中磷酸鹽的用量，都有利于從源頭上預防水體富營養化污染。

3.2 藻類水華的治理措施

對于已經形成藻類水華或產生富營養化的污染水體，通常采取物理、化學、理化結合、生物方法進行治理，常用的措施有：

（1）物理法。采用人工打撈的方式，將水體中的藻類水華直接撈出；向水體中引入水質達標的“凈水”，以稀釋原有水體的污染物濃度；利用活性炭、粉煤灰等比表面積較高的優質吸附材料，來吸附水體中的浮游藻類，以轉移污染物并達到凈化水體的目的；采用膜處理法，利用膜的滲透及過濾作用來實現污染物與水體的分離，有研究表明，超濾膜對富營養化水中藻類物質的去除效率很高，但其在應用中的缺點是容易被水體中的污染物堵塞，所以耗材成本很高，但凈化水體的效果十分出色[6]。（2）化學法。向水體中通入氯化消毒劑、高錳酸鉀、過氧化氫、臭氧等強氧化劑，通過氧化作用破壞水體中藻類細胞結構，干擾其正常的生命代謝活動，最終導致藻類細胞死亡[7]，從而降低藻類水華生成的可能性，此方法的原理類似于水處理工藝中的消毒過程，是一種常見的利用氧化反應來抑制水體富營養化的途徑。也可以利用某些金屬離子對藻類細胞的毒性，通過向水體通入金屬鹽類物質，來干擾藻類細胞的正常生化代謝活動，從而破壞藻類細胞，但此方法的缺點是，金屬離子本身及其與藻類細胞中的基團絡合反應的生成物又會對水體造成二次污染，常用的金屬鹽除藻劑有硫酸銅、硫酸鐵等[8]。（3）理化結合法。利用混凝固定法，向水體中投入混凝劑，混凝劑電離水解后與水體中的藻類細胞及其他污染雜質混凝、聚集并生成沉淀，沉淀物在重力的作用下下沉，再通過打撈等方式，去除水體中的混凝沉淀物，常用的混凝劑有鐵、鋁、鈣混凝劑及黏土等。還可以通過向水體中加氣的方式，利用分散度很強的小氣泡，吸附并分散水體中藻類及其他污染物質，以達到抑制藻類細胞聚集的目的，此類氣浮工藝對渾濁程度較低的富營養化水體的處理凈化效果較好，不適用于渾濁程度高的受污染水體[9]。（4）生物法。利用水生植物、水生動物、水生微生物來調節水體的水生生態環境，也可以改善水質。水生植物的類別包括沉水植物、挺水植物、浮水植物等[10]，它們能夠吸收利用水體中的營養鹽，還可以為水體中的微生物提供附著及棲息場所，不同植物的生長特點及其生物特性不同，對水體中營養鹽等污染物的吸收轉換效率不同。在水體中養殖魚類、蚌類及某些浮游動物等慮食性生物，可以通過食物鏈的捕食作用來消耗水體中的浮游藻類，但是利用此方法凈化水體的成效緩慢，不適用于爆發藻類水華時的短期處理。另外，向水體中引入某些特定培養的微生物，也可以吸收轉化水體中的營養鹽，達到降低水體富營養化程度的目的。有研究表明，某些菌類可以寄生在藻類細胞中，可以吸收有機碳源，與藻類細胞產生營養競爭關系，從而抑制水體中藻類的生長[11]。

4.結語

藻類水華既是水體受污染的表現，又會加重水體的受污染程度，如果沒有恰當有效的防治措施，將形成惡性循環，污染環境。應對此類污染問題，應以預防為主、治理結合。預防藻類水華的發生，需嚴格控制排入水體的污染物，從源頭上減少氮、磷等營養物質的輸入。在易于形成水華的時節，利用水泵等機械動力方式來調節水體的動力特性，提高水體更新速率，可以有效地減緩甚至阻止藻類的增殖與聚集。另外，密切監控水體pH值、溶解氧含量、高錳酸鹽指數等與藻類水華形成相關聯的水質因子，對預防藻類水華的發生也有重要的指導意義。目前，常用的治理藻類水華的方法包括打撈、稀釋、吸附、膜處理等物理方法，氧化、混凝沉淀、氣浮等化學及理化結合方法，以及利用水生動物、水生植物水生微生物進行治理的生化手段。防控藻類水華污染不是一朝一夕的工程，需要根據不同水體的具體特性，結合當地的環境、經濟、人文狀況，綜合采取恰當的預防及治理措施，持續維護水體環境健康，實現對水體富營養化的控制。