荷兰水华控制技术对太湖治理的启示

贾更华

（水利部太湖流域管理局 上海 200434）

藻类水华是世界上许多水生生态系统面临的一个难题。藻类中最常见的蓝绿藻，是富营养化湖泊水体中主要的生产者。蓝藻种群数量巨大，某些种类还具有浮性，在风力作用下能快速漂浮、能生产藻毒素、有固氮作用、具有低食物同化能力、产生植物相克物质以及较大的细胞和种群等。这些特性让藻类具有比其它浮游植物更强的竞争力。

水面蓝藻层的形成对湖泊生态系统产生了重大的影响，特别是对水质、水生物和湖泊景观的影响。对水质的影响包括水体透明度下降、产生异味、溶解氧浓度下降。对生态系统健康的影响包括，死鱼、营养循环加快、对人类和动物产生毒性。高剂量的藻类毒素对人类和动物都会产生急性中毒。

太湖位于长江三角洲，是中国第三大淡水湖，水面面积2338km2，平均水深1.95m。太湖位于人口稠密、工业发达地区，是上海、湖州、苏州和无锡等大城市的饮用水源地，同时也具有养殖渔类、螃蟹等水产业以及灌溉、休闲和旅游等重要功能。

太湖的污染负荷很高，这些污染负荷主要来源于工业、生活污水、农业、水产以及非点源（见表1）。2011年，太湖流域管理局对22 条主要入太湖河流开展的监测数据表明，水质劣于V 类的河流有11 条。

2011年太湖四项主要水质指标年平均浓度分别为高锰酸盐指数 4.25mg/L（Ⅲ类），氨氮0.22mg/L(Ⅱ类)，总磷0.066mg/L(Ⅳ类)，总氮 2.04mg/L（劣于Ⅴ类），总体评价为劣于Ⅴ类。太湖各湖区水质最差的是竺山湖，其次是西部沿岸区。全年期太湖为中度富营养水平。

自2008年5月国务院批复实施《太湖流域水环境综合治理总体方案》以来，在国务院有关部门和两省一市的共同努力下，太湖流域水环境综合治理工作得以全面推进，效果明显。通过综合治理，太湖流域水环境得到了明显改善。2007～2011年间，太湖流域水质总体好转，太湖流域 103 个重点水功能区水质达标率呈改善态势。但是太湖蓝藻暴发仍存可能。2011年太湖蓝藻最大一次聚集面积为505 平方公里，未出现湖泛现象。由于长期以来太湖氮磷营养盐不断积累，湖体藻型生境已经形成，只要外部条件具备，湖内就有可能出现蓝藻大规模暴发的情况。

荷兰目前在蓝藻水华管理方面已经取得了大量成功的案例，特别是在减少或去除蓝藻、阻止蓝藻层形成或阻止蓝藻层在淡水系统中飘浮等。本文拟对这些技术进行分析讨论，以便为太湖蓝藻水华治理提供借鉴。

1 荷兰蓝藻暴发和水面蓝藻层管理

蓝藻暴发和大面积水面蓝藻层的形成在荷兰很多富营养化湖泊中是常见的，夏季尤为常见。在荷兰，常见并潜在有毒的蓝藻种类包括水华鱼腥藻、水华微囊藻和绿色微囊藻等。蓝藻暴发和水面蓝藻层管理作为一项常规应用，不仅用于改善湖泊水质和恢复降解体系，也用于达到《欧洲水框架指令》和《欧洲洗浴用水指令》的标准。

表1 2010～2011年环太湖河流入湖污染负荷量

荷兰的管理大体上致力于以下三方面：

（1）短期措施，用于转移、减少或隔离蓝藻，例如通过物理屏障、机械和物理转移等；

（2）短期至中期措施，用于防止水面蓝藻层的形成或抑制其生长，例如通过使用气泡羽流实现人工混合、化学处理以降低有效磷浓度或者生物调控以加强捕食；

（3）长期措施，用于最终减少生物量，通过彻底减少氮、磷的外源和内在负荷，或者采用生态恢复，如清淤、湿地建设、渔业管理等。

在荷兰已经试验过多种在短至中期发挥效用的方法，荷兰三角洲学院开展了大量的实验室试验研究和现场原位试验研究。试验结果不能一概而论，并不是所有试验的措施都是有效的。很多试验的技术在实验室研究中很有效，但在现场中试验效果很不明显或甚至不起作用。因此，水华治理的措施只有在实际应用后才能被认定是否可用。

1.1 短期管理措施

蓝藻短期管理措施的目的通常是在水面蓝藻层形成后转移或隔离高浓度蓝藻。比如使用屏障以保护某一特定区域远离蓝藻，或使用撇沫器、真空吸尘器进行物理或机械转移，或使用人工方法。尽管这些措施可以快速执行，从而立即生效，但是它们必须在夏季蓝藻水华爆发季节连续的使用，需要投入大量的人力。因此，这些技术只能作为临时性措施。此外，荷兰试验过的多种蓝藻管理方法中，没有哪一种能独自起到百分百的效果。

1.1.1 水面蓝藻层的物理和机械转移

荷兰进行过大量的漂浮屏障实验，目的是要把水面蓝藻层隔离在休闲沙滩或港湾之外。实验的结果表明，屏障法有时候并非高效。因为，实验大部分时候是在港湾的入口处进行的，因此在特定的风向时水面蓝藻层也能通过船只的入口进入港湾。此外，由于荷兰经常性的大风，水面蓝藻层有时会越过或钻过屏障。水面蓝藻层一旦进入更加避风的隔离带，就不容易再回到开放的水体，也不容易在大风的作用下通过水柱混合。因此，屏障后面的水面蓝藻层有可能比湖泊主体水域的持续更久。

在一些港湾，荷兰人试验过用网和便携式真空泵来转移大面积的水面蓝藻层。但是这个方法劳动密集性很高，在极大的水华事件时不太有效。而且积累的废弃物运输和处理也是一个问题。

在不能使用屏障的港湾，荷兰人试验了用线型扩散器引入气泡羽流的方法以物理隔离浮沫。结果表明，该方法仅在波动很小、很平静的条件下有效。由于扩散器在每个试验中都是和很多其它方法联合使用的，因此它们的效果没有得到科学的测定。

1.1.2 超声法

有大量的文献研究提及用超声波减少蓝藻生物量。其原理是，利用浸没式定向水声换能器产生超声频率、产生空化现象以及形成压缩、稀薄阶段和气泡在水中的爆裂等过程。这项技术在荷兰的至少在埃塞湖等四个现场进行了中试研究，使用的是不同类型的市售换能器。通过整个夏季的观察，各个系统中的蓝藻生物量都没有明显的减少。

2008年，荷兰研究人员，在实验室研究了几种市售超声设备对三种蓝藻（鱼腥藻、拟柱胞藻、微囊藻）以及绿藻（栅藻）和浮游动物（水蚤）的影响。在所有实验中，浮游植物通常能在超声辐射下存活。

1.1.3 黏土絮凝法

水华的传统去除方法是用无机絮凝剂，如硫酸铝、铁盐等。由于其对其它生物的潜在毒性，该法在天然水体处理中已不被接受。絮凝以及后续的蓝藻细胞随天然黏土颗粒的沉降被认为是减少海水和淡水系统中水华（赤潮）的供替代的、潜在有效的和低成本的方法。在荷兰的研究表明，尽管微囊藻的不同菌株间的絮凝存在差异，但是微囊藻的聚集率和投加的黏土颗粒浓度成正比，而且皂土的效果比高岭土好。但，至今荷兰还没有使用该项技术进行现场中试。

1.2 中期控制措施（1～5年）

荷兰已经引入了一系列中间的管理措施，这些措施包括利用人工曝气或混合等物理手段来防止水面蓝藻层的形成，通过加强光照限制、其它浮游植物的竞争（混合）、养分限制（化学去除）或者摄食作用（生物操纵）来抑制蓝藻量的提高。

1.2.1 人工混合和曝气

在荷兰，利用人工混合装置来抑制浮游植物生物量和水面蓝藻层形成的实验已经在大且深的(水深＞15m)湖泊系统中取得了成功。这种技术在阿姆斯特丹市Nieuwe 湖的水体改善中也获得了很大的成功。该湖是一个富营养化的小型深湖（面积1.3km2，平均水深18m）。1993年在该湖湖底安装了气泡羽流曝气系统，这个最优方案是通过大范围的野外实验以及监控和动力学模拟来确定的。由于表面混合层深度的增加，光照受到限制，其它种类浮游植物竞争力提高，这使得该湖中微囊藻生物量显著减少。此外，增强表面混合层的紊乱度，水体垂直移动速率超过了细胞上浮速度，这也使得微囊藻表面漂浮层难以形成。

在荷兰布拉班特省，也有两个水源地靠人工混合来控制蓝藻生物量和防止水面蓝藻层的形成，分别是Andijk 水库和Biesbosch水库。在这两个水池中都使用了人工曝气，但这种单独的方法在整个夏天并不能够充分抑制水面蓝藻层的形成。

尽管当光照限制不起主要作用时，机械混合抑制蓝藻总生物量很可能受限，但在不深的系统比如海港和水处理塘中，机械混合能够维持良好的混合条件和抑制水面蓝藻层形成。用螺旋浆进行机械混合已经在荷兰至少两个小而浅的海港（深度＜3m）进行了实验。虽然螺旋浆的使用被认为可有效地防止了水面蓝藻层在港岸边的聚集，但是混合对水面蓝藻层形成和生物量的确切影响仍没有被科学的评估。曝气增强了沉积物的扰动，导致水体中有机质和营养物质浓度的增加，不过，没有证据表明曝气对水体中叶绿素a的影响。

1.2.2 营养物质削减措施

在科学文献中大量提到了如何减少水中营养物质的技术方法，包括通过投入铁、铝、钙以及明矾等化学处理方法来减少湖中磷的浓度；通过去除沉积物、疏浚、化学投加以及充氧等方法使底泥失活；通过机械或物理处置，诸如抽走下层滞水带、曝气充氧、稀释、冲刷以及降低水位等。许多措施仅仅在深水系统中是最有效的，这是因为，深湖中的沉积物比表面积低，且存在着规律性的分层。

锁磷剂是一种用膨润土材料，在大多数环境条件下，锁磷剂可以固定磷元素，并形成化合物。锁磷剂最初是由澳大利亚国家科学与研究组织会同水体与河流委员会一起研发出来的，这个产品现在已经进入商品化阶段。在荷兰也做了试验，与投加明矾一样，锁磷剂有效地抑制蓝藻生物量或者是使表面漂浮层沉降。

1.2.3 生物法

近些年，荷兰开始关注用淡水河蚌作为生物方法来降低浮游植物的高生物量。虽然是一个外来的物种，但是通过实验，河蚌种群一般是在水质良好、坚硬底质、沉淀速率低的湖泊中才能成功建立，通常与淡水鱼群数量情况相一致。

在荷兰最大的湖泊埃塞湖的南部地区，存在一个很大的河蚌自然种群，但是它们对蓝藻生物量的影响还是未知的。

水产业经营方式的生物操纵法还可以通过提高浮游动物的捕食作用来减少海藻生物量。这种方法与减少营养物质负荷及斑纹蚌定植相联合，已在荷兰的Veluwe 湖中取得了很大的效果。如果大型植物随着水体透明度的改善而得以复生，这种生物操纵的方式就会更容易成功。

1.3 长期管理措施

荷兰很多研究表明外源营养负荷的长期削减能最终减少水体的营养物质浓度和浮游植物量。外源营养负荷的削减正在通过以下方式实现：污水处理厂和工业污染源的废水排放量减少、废水处理效率提高以及特定土地使用活动如农业的最优管理。研究表明由于湖泊的内源高负荷率，湖泊水体质量的改善需要很长的时间，甚至长达几十年。

大量的应用管理方法也已经被用于减少外源和内源营养负荷，包括底泥疏浚、长期鱼类资源管理、湿地建设、湖泊水位控制和入流分散等。然而这些方法只有在同时削减外源负荷且长期使用时才可行。

2 太湖蓝藻水华回顾分析

太湖自20 世纪50年代出现蓝藻水华以来，蓝藻发生面积呈现蔓延的趋势。蓝藻水华于20世纪70年代初首先在无锡五里湖出现以来，其暴发的规模和频率不断增加。20 世纪80年代中后期，每年暴发2～3 次，分布范围扩大至太湖的梅梁湾。20 世纪90年代中后期，每年暴发4～5 次，并逐渐向大太湖扩展。2000年监测结果显示，太湖湖心区域出现严重的蓝藻水华，在外力（如风、水流等）的作用下，水华暴发后的蓝藻会大面积聚集。

根据获得的卫星影像资料，太湖蓝藻水华大面积暴发始于1987年6月，覆盖面积约62km。太湖蓝藻水华最初在夏季出现，随着时间（年份）的推移，暴发时间（月份）逐渐提前，蓝藻水华持续时间增加。2003～2004年，蓝藻暴发始于7月份；2005年4月太湖出现大面积蓝藻水华；2007年3月28日在太湖发现较大面积的水华；2008年1月、12月均出现大面积蓝藻水华；2009年4月10日在太湖西部沿岸发现大面积蓝藻水华，2009年11月梅梁湾、竺山湾和西部沿岸带暴发蓝藻水华。

由于卫星遥感影像数据应用较晚，20 世纪80年代初，五里湖和梅梁湾约有五分之二湖区每年夏季均出现蓝藻水华，但没能获得影像数据显示太湖蓝藻水华首次大面积暴发的时间。

太湖蓝藻水华的聚集面积自2004年以来急剧增加，空间分布格局为从梅梁湾和竺山湾逐渐向湖心区，最终布满整个非水生植被区的空间演化过程。蓝藻水华的空间格局具有短期快速暴发和消失的特征。例如2009年5月6日竺山湾暴发与消失的蓝藻水华。蓝藻水华的水平和垂直移动可能是这种快速变化的主要原因。

2005年以前，只有贡湖湾湾口受外源蓝藻水华污染和沿岸水生植物生长区发生小面积蓝藻水华。但自2005年以后，每年均发生程度不等的蓝藻水华，2005年、2006年8月、10月、2007年（4月28日、8月30日、10月11日、10月18日）、2008年7月13日、11月18日、2009年7月16日均监测到大面积蓝藻水华暴发。2007年贡湖湾蓝藻水华发生的频率最大，2007年5月27日、29日过境的大面积蓝藻污水团以及原地暴发的蓝藻水华造成南泉水厂供水危机。2009年7月4日渔民观测到贡湖蓝藻水华的暴发，持续到8月中下旬，整个贡湖湾均发生蓝藻水华。7月16日卫星遥感影像监测到贡湖湾内的水华藻团。

太湖蓝藻水华最初在夏季出现，随着时间的推移，暴发时间逐渐提前。近年来，3～4月逐渐成为蓝藻水华的初始暴发期。蓝藻水华集聚面积逐年扩大，水华持续时间越来越长。2008年1月和12月太湖梅梁湾和竺山湾均出现大面积蓝藻水华。2005年以后，以前很少有蓝藻水华发生的贡湖湾，每年开始有大面积蓝藻水华覆盖，2007年以后发生水华的频率明显增加。2009年蓝藻暴发时期贡湖湾和湖心区大面积水华。

3 建议

在荷兰开展的大量处理蓝藻的试验显示，没有一种单一的处理技术是有效的。因此，应该采用这种以水面蓝藻层过滤、移除、减少生物量增长以及阻止水面蓝藻层聚集为目的的组合处理的方法。

3.1 短期保障饮用水安全的蓝藻处理技术

尽管太湖具有复杂的自然特性，例如面积大、水深浅、外来污染负荷高、蓝藻生物量大，为直接提高饮用水水质，短期可采用以先进的水处理技术为基础的工程途经减少藻类生物量。但单一的处理方法难以奏效，必须采用组合的工程技术。

基于荷兰的实践经验，建议组合技术方案。

（1）建造储水水库。建议开展对建造水深大于20 米，大体积但独立的储水水库的可行性研究，地点可以选择通过挖掘底泥在太湖中建立，也可以建在陆地，与长江或者望虞河相通。

在水库中采用气泡羽升流发生器进行曝气以减少水面蓝藻层聚集，同时减少光照抑制藻类生物量。在水库周围设置隔栅隔离蓝藻。水库形状应该有利于水体天然混合，例如形状方向建为与主导风向一致。水体在水库有足够长的驻留时间以保证生物量的去除率。通过水动力学模型模拟可以确定水库的规模、形状、以及人工混合的程度，通过调查可以确定移动的水样采集点。

（2）设置物理隔栅是阻止蓝藻浮渣转移到取水口的有效措施，隔栅应设计为有足够的强度，可以抵挡大风，位置可根据主导风向的变化而改变。建议进行在取水口附近设置大型格栅的试验，同时采用改装的船只对蓝藻进行打捞。

（3）由于藻毒素的存在，应在现有的水处理工艺的基础上，增加深度处理技术，以进一步降低饮用水中有害物质的浓度。荷兰的水库中，即使采用人工混合的方法，藻类水华仍不时出现，令人困扰。如果存贮饮用水的水库一旦建立，由于人工混合技术不能完全抑制水面蓝藻层在水面聚集，深度水处理技术就显得尤为重要。深度水处理技术包括紫外线-过氧化物杀菌、活性炭处理等技术。

由于太湖面积大，外源污染负荷较重，短期对湖体水体实施磷化学处理、生物处理等技术手段对抑制藻类水华不一定立竿见影。

3.2 长远战略──湖泊修复

尽管目前在短期内减少水域营养物质浓度、浮游植物生物量有各种各样的技术手段，但荷兰开展的研究与在世界其他地区开展的研究表明，只有长期而显著的减少湖泊的外源污染负荷，才能使湖体水质全面彻底改善。

也应认识到，当外源污染负荷较好的控制以后，由于湖区底泥会释放污染物质，水体中营养物质浓度将会经过较长时间后才会下降，高浓度的营养物质也会在地下水中存在。为修复太湖、提高水质、减少蓝藻生物量，建议：严格执行废水排放水质标准。为减少湖泊的外源污染物，降低水体浓度，应详尽计算进入湖泊系统的外源营养物与内源营养物的数量，包括不同类型的土地利用引入的污染物。推行优化的管理机制，采用可行的工程、生物措施以及管理手段，例如转移或者处理污染物浓度较高的入湖河流，引流稀释河道，提高湖泊的环境保护程度，发展湿地生态系统。