1、富營(yíng)養(yǎng)化湖庫(kù)水源地原位控藻技術(shù)研究進(jìn)展陳雪初，孔海南，李春杰(上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海2(X刀40)摘要:綜述近年來(lái)出現(xiàn)的值得關(guān)注的湖庫(kù)水源地原位拉藻技術(shù)，包括生態(tài)浮島技術(shù)、改性黏土及植物浸出液拉藻技術(shù)、魚(yú)控藻技術(shù)、遮光控藻技術(shù)、揚(yáng)水筒技術(shù)以及以物理一生態(tài)工程為代表的聯(lián)合技術(shù)等，認(rèn)為將各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合以達(dá)到水質(zhì)修復(fù)和減災(zāi)防災(zāi)的雙重目的將是重要的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:水源地;富營(yíng)養(yǎng)化;原位控藻;綜述在我國(guó)，一些以湖庫(kù)為主要水源地的城市正面臨著富營(yíng)養(yǎng)化所導(dǎo)致的水華災(zāi)害的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在水華發(fā)生時(shí)每升水中多達(dá)幾億個(gè)藻細(xì)胞，COD和SS等指標(biāo)亦急劇升高，導(dǎo)致給水廠濾池堵塞、產(chǎn)水量下降、出水濁度以及

2、藻毒素含量超標(biāo)等問(wèn)題，嚴(yán)重者將導(dǎo)致水廠被迫停產(chǎn)。另一方面，在目前湖庫(kù)普遍富營(yíng)養(yǎng)化的形勢(shì)下，短期內(nèi)已難以解決內(nèi)源性營(yíng)養(yǎng)鹽過(guò)量的問(wèn)題，無(wú)法從根本上消除導(dǎo)致藻類異常繁殖的基礎(chǔ)條件，因此，在堅(jiān)持實(shí)施控源策略的同時(shí)，還有必要針對(duì)局部水域采取工程措施以達(dá)到減災(zāi)防災(zāi)的目的。針對(duì)以上問(wèn)題，最近幾年出現(xiàn)的新動(dòng)向之一是原位控藻技術(shù)研究獲得重視并逐步開(kāi)展。此類技術(shù)專以保護(hù)取水口周邊的水源水為目標(biāo)，在水源地域內(nèi)直接實(shí)施控藻除藻工程，開(kāi)展前處理。它與傳統(tǒng)給水工藝相比較最為顯著的區(qū)別在于技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)所面積極大(一般在取水口周邊水域)，同時(shí)為達(dá)到控藻效果所需的處理時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，即具有“以空間和時(shí)間贏取水質(zhì)”的特點(diǎn)。從技術(shù)

3、原理上看，此類技術(shù)多著眼于破壞利于藻類增殖的生長(zhǎng)環(huán)境，如削減營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、光照度，加強(qiáng)水體流動(dòng)性，引人生物物種調(diào)控水生生態(tài)系統(tǒng)等。本文就水源地原位控藻技術(shù)值得關(guān)注的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。1 生態(tài)浮島技術(shù)在淺水湖泊水源地的應(yīng)用生態(tài)浮島技術(shù)即在浮體材料上種植植物，通過(guò)植物自身的同化作用吸收水源水中氮、磷，依靠附著于植物根系上的微生物去除一部分氨態(tài)氮、COD;同時(shí)由于浮島的遮光效應(yīng)、接觸沉淀作用等，可在一定程度上控制有害藻類的增殖。1995年日本研究者在霞浦湖進(jìn)行一次隔離水域試驗(yàn)，結(jié)果表明:在生態(tài)浮島占有率只有25%的條件下，削減了94%的植物性浮游生物;宋祥甫等閻于1999一2000年在無(wú)錫東五里湖總面

4、積為3600m2的圍隔試驗(yàn)區(qū)內(nèi)開(kāi)展浮島凈水研究，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)旱傘草和美人蕉的生物量高達(dá)7.56kg/m2和5.2kg/m2，收割植物所帶走的營(yíng)養(yǎng)鹽總量甚至超過(guò)了水體本底值。但實(shí)踐表明，在吹程長(zhǎng)、風(fēng)浪較大的湖庫(kù)水域，生態(tài)浮島的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是技術(shù)難點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)目前多采用剛性的塑料泡沫板結(jié)合竹料為浮材，成本很低，但抗風(fēng)浪能力不足;日本近年來(lái)開(kāi)發(fā)了多樣的浮島材料，如在霞浦湖建成了由40個(gè)邊長(zhǎng)為4.5mx4.5m的正方形浮體所組成的長(zhǎng)l00m、寬10m的大型浮島，采用不銹鋼制框架，利用填充的泡沫聚苯乙烯塑料提供浮力;還有一種所謂無(wú)框架浮島的做法，一般由柔性的椰子纖維編織而成，不怕相互間的撞擊，耐久性較好。在臺(tái)

5、灣地區(qū)則出現(xiàn)了用聚乙烯直接注塑而成的“福田板”，雖然抗風(fēng)浪性能較好，但制作成本很高，目前多用于湖庫(kù)及風(fēng)景點(diǎn)的局部?jī)艋途G化。生態(tài)浮島技術(shù)的難點(diǎn)是“較高的水力負(fù)荷與低的氮磷去除率之間的矛盾”，即在水源地一方面所需處理的水量極大，水力負(fù)荷很高;另一方面相對(duì)于植物需求而言，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度卻過(guò)低，植物生長(zhǎng)困難，對(duì)氮、磷的吸收能力極為有限，吸收速率較慢。因此在現(xiàn)有的較為成型的生態(tài)浮島技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究并引人一些能夠補(bǔ)償其自身不足的脫氮除磷材料以及這些材料所構(gòu)成的單元和結(jié)構(gòu)，在富集營(yíng)養(yǎng)鹽的同時(shí)支持浮床植物生長(zhǎng)，將有可能形成較有前景的實(shí)用關(guān)鍵技術(shù)。2 新型控藻藥劑的開(kāi)發(fā)在一些小城鎮(zhèn)水源地，由于庫(kù)區(qū)面積及水量相對(duì)

6、不大，針對(duì)高含藻水源水，在實(shí)際應(yīng)用中多考慮采取原位應(yīng)急處理的方法，如在水華爆發(fā)時(shí)投加化學(xué)絮凝劑、黏土甚至硫酸銅進(jìn)行殺藻除藻，最近則出現(xiàn)了對(duì)各種藥劑進(jìn)行改性或者復(fù)配以減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、提升效果的新研究，引起廣泛關(guān)注的則為改性黏土控藻技術(shù)。黏土來(lái)源充足，天然無(wú)毒，播撒工序簡(jiǎn)單，早期采取直接投加黏土的方法，雖然效果顯著但投加量較大(>0.2g/L)，鄒華等采用殼聚糖對(duì)除藻能力相差甚遠(yuǎn)的各種黏土進(jìn)行改性處理，在投加量?jī)H為11mg/L時(shí)，經(jīng)2h沉降后，藻類去除率均可達(dá)90%以上，并認(rèn)為黏土表面殼聚糖的架橋網(wǎng)捕作用和電中和作用是主要的凝聚除藻機(jī)理，這一發(fā)現(xiàn)雖然解決了由于黏土投加量過(guò)高而造成的工程應(yīng)用難題

7、，但由于改性所用的殼聚糖價(jià)格昂貴，單位處理成本亦不低，因此該技術(shù)在應(yīng)用上仍受到一定程度的限制，今后進(jìn)一步開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉的改性材料可能是該技術(shù)得以推廣的關(guān)鍵點(diǎn)。近來(lái)，部分研究者關(guān)注某些植物浸出液對(duì)藻類的化感作用，但多處于試驗(yàn)室研究階段;在歐美國(guó)家，利用廢棄的大麥稈控藻被認(rèn)為是一項(xiàng)極為實(shí)用的技術(shù)，一般在早春時(shí)節(jié)，將大麥稈收集成垛，用塑料網(wǎng)包裹后投放，大約半個(gè)月之后開(kāi)始發(fā)揮控藻效應(yīng)，使用期為30一90天。Barrot等自1993一1998年在蘇格蘭某水庫(kù)中進(jìn)行了麥稈控藻的工程研究。他們根據(jù)藻類的數(shù)量情況，在每年的1一3月或者9一11月投加麥稈，最高投量為28g/m3，最低為6g/m3，實(shí)施后2周左右開(kāi)

8、始發(fā)揮效用，水體藻細(xì)胞數(shù)可降至未處理前的1/4，監(jiān)測(cè)表明，藍(lán)藻和硅藻數(shù)量下降的同時(shí)，并沒(méi)有出現(xiàn)新的具有特殊抗性的藻類，源水水質(zhì)得到改善，水廠濾池反沖洗次數(shù)減少。這一技術(shù)可能適用國(guó)內(nèi)規(guī)模較小的水源地，但必須評(píng)價(jià)是否有毒副作用產(chǎn)生。3 魚(yú)控藻技術(shù)在中小水源地的實(shí)踐自02世紀(jì)90年代初在武漢東湖圍隔中證實(shí)鰱、鳙能成功控制微囊藻水華之后，魚(yú)控藻技術(shù)在國(guó)內(nèi)中小水源地有所實(shí)踐。劉建康等的研究表明，鰱、鳙遏制水華的有效放養(yǎng)密度(亦即有效生物量)為46一50g/m3。在水源地治理中較為典型的是陸開(kāi)宏等在溫州橋墩水庫(kù)采取的方法，他們于1998年9月水華爆發(fā)期噴灑38.8g/m2改性明礬漿應(yīng)急除藻，之后于當(dāng)年底放

9、養(yǎng)尾重鰱、鳙魚(yú)種1200尾/hm2，浮游藍(lán)藻總量由1.04億celI/L下降至0.0143億cell/L，藍(lán)藻個(gè)體數(shù)量比例從99.2%下降至31.5%。魚(yú)控藻技術(shù)存在的問(wèn)題在于其不確定性，如食藻魚(yú)類并不專門攝食藍(lán)綠藻，還包括其他微小浮游動(dòng)物，從而導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)的巨變;另外食藻魚(yú)類可能導(dǎo)致形態(tài)較大的藻類將為形態(tài)微小者所逐漸替代，而總的藻類生物量幾乎不變;較早在國(guó)內(nèi)開(kāi)展魚(yú)控藻研究的謝平亦指出，藻毒素將會(huì)在魚(yú)類體內(nèi)積累，并通過(guò)食物鏈危害人類健康，這提醒著工程人員在實(shí)施該技術(shù)時(shí)應(yīng)慎之又慎。4 揚(yáng)水筒技術(shù)的引進(jìn)并在深水水庫(kù)應(yīng)用揚(yáng)水筒技術(shù)在歐美及日本等國(guó)已有30余年的應(yīng)用歷史，早期用于深水港口防凍，在水

10、庫(kù)應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)具有極好控藻效果，并能顯著降低水庫(kù)底層鐵、錳濃度。其工作原理在于通過(guò)高能空壓機(jī)在揚(yáng)水筒底部生成“氣彈".，帶動(dòng)水流循環(huán)，造成庫(kù)區(qū)表層水體與底層水體的劇烈交換，破壞夏季水華高發(fā)期在水庫(kù)表層形成的溫度躍層，使得積聚于該層的藻類被驅(qū)趕至水庫(kù)底層，由于光照極低以及溫度驟降等原因，藻類失去活性而逐漸消亡;同時(shí)因?yàn)樗w交換而帶來(lái)的“均一效應(yīng)”，可使得原本在底層濃度較高的鐵、錳得到稀釋，沿水深方向上濃度逐漸趨于一致，并由于造流揚(yáng)水所帶來(lái)的復(fù)氧效應(yīng)使污染物濃度得到進(jìn)一步降低。Jungn等在荷蘭阿姆斯特丹的NieuweMer 水庫(kù)中開(kāi)展了為期7年的揚(yáng)水技術(shù)應(yīng)用研究(1993一2000)年)

11、，實(shí)施結(jié)果表明，庫(kù)內(nèi)葉綠素a濃度和總藻類生物量顯著下降，有毒微囊藻得到極為有效的控制，其生物量降低為未處理前的1/20，藻類種群結(jié)構(gòu)也由原先的以藍(lán)藻為主轉(zhuǎn)變?yōu)楣柙?、綠藻為主;此外整個(gè)水體中的溶解氧質(zhì)量濃度還能夠一直維持在5mg/L左右，從而擴(kuò)充了魚(yú)類的生存空間。1999一2000)年，上海交通大學(xué)聯(lián)合日本國(guó)立環(huán)境研究所等單位引進(jìn)日本設(shè)備，在貴陽(yáng)市小關(guān)水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用性研究，結(jié)果表明，運(yùn)行l(wèi)d后表層葉綠素。質(zhì)量濃度即由22.8ug/L下降至3ug/L，底層鐵、錳質(zhì)量濃度則分別由0.6mg/L和2.4mg/L下降至0.Img/L和0.05mg/L，效果頗為顯著。揚(yáng)水筒技術(shù)的局限性在于僅僅針對(duì)水深

12、10m以上的深水水庫(kù)效果較好，而不適用于淺水湖泊。今后，揚(yáng)水筒設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)將有可能成為極具吸引力的熱點(diǎn)之一。水域建設(shè)遮光工程區(qū)，使水源水在該區(qū)域內(nèi)停留一定時(shí)間從而促使有害藻類消亡。在日本，實(shí)際工程中采用由聚乙烯中空板材拼接而成的單塊面積高達(dá)上千平方米六邊形工程結(jié)構(gòu)，雖然較為穩(wěn)定，遮光控藻效果頗佳，但成本過(guò)高。未來(lái)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用推廣的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何針對(duì)水源地的特點(diǎn)設(shè)計(jì)低成本的大水面遮光結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的工程實(shí)施方法。5 遮光控藻技術(shù)的出現(xiàn)在直接影響藍(lán)綠藻增殖的諸多環(huán)境因素中，相對(duì)于溫度、營(yíng)養(yǎng)鹽、pH值等而言，光照度是較為容易實(shí)施人為干預(yù)的因素，尹澄清等于20世紀(jì)90年代初在巢湖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到

13、在有風(fēng)天氣時(shí)湖水透明度降至10一16cm，lm深處光照度僅有70lux，這導(dǎo)致整個(gè)水層的凈生產(chǎn)量為負(fù)值，由此提出巢湖是光限制型水體的觀點(diǎn);20世紀(jì)90年代末接觸氧化法的發(fā)明人小島貞男博士提出局部遮光法控藻的思路，即通過(guò)遮蓋水源地的約1/3左右的水面，可以抑制藻類增殖，他們針對(duì)日本九州某城鎮(zhèn)的水庫(kù)(水面面積為20000m2)開(kāi)展了示范研究，結(jié)果表明:實(shí)施之后水源水中藻類的數(shù)量大為減少，給水廠的混凝藥劑投量降低1/2，濾池反沖洗次數(shù)亦明顯減少。在此觀點(diǎn)啟發(fā)下，上海交通大學(xué)河湖環(huán)境工程技術(shù)研究中心開(kāi)展了有關(guān)遮光控藻技術(shù)的人工氣候室內(nèi)搖瓶研究、自然水域人工圍隔研究以及人工水池中試研究，結(jié)果表明:在富營(yíng)

14、養(yǎng)化水體藻類異常增殖，葉綠素a質(zhì)量濃度高達(dá)100ug/L以上時(shí)，實(shí)施遮光處理7一9d，葉綠素a濃度可下降至30ug/L以下。根據(jù)這一系列研究結(jié)果提出遮光控藻技術(shù)新思路，即為保護(hù)水廠日常取用的水源水，在取水口附近水域建設(shè)遮光工程區(qū)，使水源水在該區(qū)域內(nèi)停留一定時(shí)間從而促使有害藻類消亡。在日本，實(shí)際工程中采用由聚乙烯中空板材拼接而成的單塊面積高達(dá)上千平方米六邊形工程結(jié)構(gòu)，雖然較為穩(wěn)定，遮光控藻效果頗佳，但成本過(guò)高。未來(lái)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用推廣的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何針對(duì)水源地的特點(diǎn)設(shè)計(jì)低成本的大水面遮光結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的工程實(shí)施方法。6 針對(duì)實(shí)際水源地的聯(lián)合技術(shù)隨著工程實(shí)踐的不斷深人，許多研究者逐漸認(rèn)識(shí)到，必須針對(duì)

15、水源地的水環(huán)境特點(diǎn)將某幾項(xiàng)單一技術(shù)進(jìn)行組合形成聯(lián)合技術(shù)才有可能實(shí)現(xiàn)水源水保護(hù)的目標(biāo)。較為典型的聯(lián)合技術(shù)是蹼培民等提出的物理一生態(tài)工程，其核心在于依靠物理工程，應(yīng)用人工圍隔技術(shù)在取水口周邊建立軟隔離帶，阻隔藻類、其他懸浮物質(zhì)及高濃度水團(tuán)進(jìn)人取水口，在軟隔離帶內(nèi)恢復(fù)包括沉水植物、浮水植物、著生細(xì)菌及藻類在內(nèi)的穩(wěn)定健康的水生態(tài)系統(tǒng)，吸收水中營(yíng)養(yǎng)鹽，降低取水口藻類現(xiàn)存量?！笆濉逼陂g，秦伯強(qiáng)等采用與之類似的設(shè)計(jì)思路，在取水量為30-40萬(wàn)/d的太湖梅梁灣牽龍口水廠周邊建成了總面積近10km2的水源地水生態(tài)修復(fù)示范區(qū)。示范區(qū)采用了PVC圍隔擋藻，圍隔圍繞牽龍口水廠取水口組成2道隔離，分別形成生態(tài)凈化區(qū)和

16、強(qiáng)化凈化區(qū)。內(nèi)圈圍隔所圍區(qū)域即強(qiáng)化凈化區(qū)，主要通過(guò)恢復(fù)水生植物發(fā)揮生態(tài)效應(yīng)而控藻除藻，凈化水質(zhì)，其面積為2.1km2，可計(jì)算得停留時(shí)間約為10d左右。該示范工程運(yùn)行后，水源水水質(zhì)得到了一定程度的改善，但是就藻類污染而言，情況沒(méi)有顯著好轉(zhuǎn)，有關(guān)研究者分析認(rèn)為可能是盛行風(fēng)向的作用，導(dǎo)致夏季藍(lán)藻水華富集堆積于示范區(qū)，造成控藻效果不佳;另外王洪君等的觀察也證實(shí)，水華暴發(fā)期太湖植被型岸邊區(qū)的葉綠素a質(zhì)量濃度可高達(dá)3.2xl05ug/L，是開(kāi)闊水體的3000一4500倍，這為未來(lái)的湖庫(kù)水源地原位控藻及生態(tài)修復(fù)工程的設(shè)計(jì)和實(shí)踐提供了重要借鑒。7 結(jié)語(yǔ)在湖庫(kù)水源地，由于水華發(fā)生的空間上的大范圍性和時(shí)間上的不確定性，以及藻類數(shù)量和增殖速度極高的特點(diǎn)，今后所研究開(kāi)發(fā)的原位控藻技術(shù)，必須有針對(duì)性地解決以下兩大難題:如何提升藻類的去除速率而使之高于藻類增殖速率。如何在極低成本的條件下維持控藻效果。鑒于單一技術(shù)往往難以解決具體問(wèn)題，特征不同、互有優(yōu)劣的各類技術(shù)的聯(lián)合和交叉將越來(lái)越受到重視，如生態(tài)浮島技術(shù)、魚(yú)控藻技術(shù)等生物生態(tài)技術(shù)在水源地水質(zhì)保持與恢復(fù)方面具有優(yōu)勢(shì)，而揚(yáng)水筒技術(shù)、遮光技術(shù)等物理