蓝藻暴发应急处理技术及长效防控对策研究

李 丽，汪义杰，董延军，李 杰

(珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510611)

广东地处亚热带地区，常年平均气温为21℃～23℃，富营养化水体全年均易发藻类水华。根据《2017年广东省水资源公报》，全省监测评价255座水库，呈富营养化状态的占14.5%，主要集中在粤西诸河，且小型水库富营养化程度远高于大、中型水库。其中，全省开展水生态监测的150座水库中，发生过不同程度藻华的共48座，占32%，该比例高于2016年的28%；大型水库35座，发生藻华12座，占34.3%；中型水库95座，发生藻华30座，占31.6%；小型水库20座，发生藻华6座，占30%。发生过蓝藻水华的水库比例分别为：珠三角41.5%、粤东诸河41.2%、北江35.0%、粤西诸河33.3%、韩江18.2%、东江8.3%、西江7.7%。春、夏、秋、冬各季节分别有11%、15%、15%、10%的水库发生藻华。湖库间隔性蓝藻暴发或长期藻密度过高，对城市供水及湖库生物多样性造成不同程度威胁。

藻类生长机理十分复杂，但总结目前诸多研究，特定优势藻类生长繁衍所必需的主要环境条件基本是一致的，可归纳为3个方面：① 富足的氮、磷等营养物质；② 缓慢的水流流态；③ 适宜的气候条件(包括水温、光照条件等)[1-2]。只有3个方面条件都比较适宜的情况下，才会出现某种优势藻类疯长，暴发藻华。针对藻华形成关键过程的控制因子，国内外开展了大量防治技术研究，包括控源截污、打捞蓝藻、生态调水、生态清淤、生态修复等，通过综合治理，藻华暴发可以得到不同程度的减轻，但仍存在一些问题。

以往一般认为治理藻华(特别是蓝藻暴发)即是治理富营养化，但水资源公报数据显示，藻华发生频率高于水体富营养化比例。如广东省高州水库2009—2010年的年均水质达到地表水II类水(TP为0.014 mg/L)，但仍发生蓝藻(鱼腥藻)严重暴发[3]；而武汉东湖、杭州西湖等重要湖泊，处于轻～中度富营养化状态，但已基本消除蓝藻暴发。富营养仅是形成蓝藻暴发的主因之一，基于此，削减蓝藻数量的必要性逐渐引起重视[4]。理论上，当蓝藻削减数量持续大于蓝藻自然增殖量，蓝藻暴发程度将会持续减轻；若蓝藻削减量未达到临界值，适宜藻类繁殖的生境条件未发生根本改变，蓝藻暴发问题将持续发生。

1 蓝藻应急处理技术现状

目前，常采用物理、生物和生化等除藻的技术集成进行蓝藻应急处理，改变了以往仅打捞水面蓝藻的习惯，以期全面彻底地清除水面、水中、水底的蓝藻，具体包括高压除藻、超声波、电催化、混凝气浮法、改性粘土除藻、锁磷剂、高效微生物制剂等。据统计，2007—2016年太湖周边城市共打捞藻水1 000余万m3(含藻率为0.5%)，相当于清除蓝藻干物质4.25万t，经估算含N、P、有机质分别为2 850 t、290 t、32 600 t[5]，大大削减了蓝藻数量，也有效缓解水体富营养化水平。

1.1 化学除藻剂

化学除藻剂，其原理主要是通过除藻剂抑制藻细胞活性，阻碍其生长繁殖，达到除藻的目的，具有快速、高效等优点，可短时间内控制藻类生长。

针对广东省某湖蓝藻暴发特征，生态环境部华南环境科学研究所选择聚合氯化铝作为应急除藻剂，实验确定最佳投药量为20 mg/L，以此指导工程应用，除藻剂平均用量为150 g/m2。治理后连续观察3 d，藻类总量下降了90%，其他各项指标均达标，为蓝藻水华事件应急处置提供了有益借鉴[6]。

苯扎溴铵是畜禽、水产养殖中最常用的表面活性剂之一，也是迄今工业循环水处理常用的非氧化性杀菌灭藻剂之一，具有洁净、杀菌、消毒和灭藻作用。苯扎溴铵通过所带的正电荷与微生物细胞膜上的带负电荷的基团生成电价键，电价键在细胞膜上产生应力，导致溶菌作用和细胞的死亡，还能透过细胞膜进入微生物体内，导致微生物代谢异常，致使细胞死亡。但其使用需考虑安全用药问题，有研究[7]指出苯扎溴铵在防治固着类纤毛虫病泼洒浓度为0.35 mg/L以下时，不会对团头鲂幼鱼、草鱼幼鱼、田螺、Ⅲ期仔蟹和幼蟹产生毒性作用，但对大型溞会产生毒性杀死作用。

化学除藻剂一般没有选择性，在杀蓝藻的同时会杀掉其他有益藻类；同时易引起藻细胞的破裂，部分藻类在细胞破裂的情况下会大量释放藻毒素。此外，同等条件下，蓝藻比其他藻类具有更强的生存能力和繁殖能力，因此，投药一段时间后，再次暴发蓝藻的风险较高。

1.2 改性粘土絮凝法

20世纪70年代，日本开展了粘土法治理赤潮的现场研究，该方法成本低、无污染，引起了国际上的重视，但絮凝效率低。针对天然粘土除藻的不足，研究者陆续提出了多种改进措施，即通过化学或物理的手段改变粘土颗粒(如硅藻土、红土、膨润土、蒙脱石等)的表面状况，从而提高其吸附性能和杀藻效果。由于粘土矿物具有来源充足、天然无毒、使用方便、耗资少等优点，且粘土通过各种改性后用量大大减少、絮凝效果提高，一些化学改性剂(如聚合氯化铝、三氯化铁、聚丙烯酰胺等)在结合粘土后用量也下降到安全范围以内，使得改性粘土逐渐被应用到藻华应急治理中，具有广阔前景。

改性粘土技术是我国赤潮治理的国家标准方法(GB/T 30743—2014)，被列入联合国教科文组织-APEC联合编纂的“近岸有害赤潮监测与管理对策”一书，是目前国际上藻华应急治理的主要推荐方法之一。中国科学院海洋研究所俞志明研究员团队提出了粘土表面改性提高絮凝效率的表面改性理论[8]，根据不同的功能侧重研发了十几种不同类别的改性粘土，4～10 t/km2改性粘土就可以消除藻类生物。2005年，该团队开展粘土除藻技术的首次工程应用，对南京玄武湖蓝藻(微囊藻)水华进行了应急治理，喷洒粘土106 g/m2，1个月实现蓝藻水华消除[9]。近年该团队承担了“广西防城港核电厂一期工程取水海域赤潮生物球形棕囊藻暴发预警监测与改性粘土消杀设施建立”项目，设计出了改性粘土专用喷洒设备，具有自动化进料、可调节混拌、高效喷洒等功能，是改性粘土技术的一个重要补充和完善。2018年，该团队赴智利开展改性粘土治理有害藻华的技术服务与应用示范。

目前粘土除藻更多应用于近岸海域赤潮的应急治理，在淡水湖泊、河流的藻华治理中尚未大规模推广应用。主要是因为存在以下问题：① 当粘土投加量不够大时，藻细胞与粘土结合能力不足，尤其在剪切活动较为剧烈的水体中，形成的絮体容易散开，藻细胞在自身浮力的作用下重回水体表面。② 在形成絮凝体后，目前主要靠重力自然下降或者是用机械产气使其上浮的办法进行处理，前者受水流扰动的影响，下降效率不稳定，且水底容易变成藻种“汇”，后者因设备铺设难题通常被认为不适合在大型天然水体中使用。③ 当粘土或其它絮凝剂投加量过大时，澄清的上层水体不能促使其他藻类来占据生态位，水体自净能力及生态系统的稳定性也会下降。

1.3 机械除藻

气浮法通常与絮凝剂联合使用。主要利用微气泡发生器产生的微气泡作用，水体在微气泡的作用下不断上升，由于气水混合物和液体之间的不平衡，产生了一个垂直向上的浮力，上浮过程中，微气泡会附着在藻类悬浮物上，将大量藻颗粒和悬浮物颗粒带到水面，并依靠这些气泡支撑维持，有利于通过人工或设备进行表面打捞清除。

超声波除藻技术，被认为是一种相对安全的除藻技术。在超声波除藻过程中，超声波的频率、声强度和辐射时间(频次)等因素都会直接影响到除藻效果。相关研究指出，20～50 kHz和100～150 kHz组的抑制效果明显优于60～100 kHz频段，培养7 d后20～50 kHz组藻密度增长值更是降低了31.3%[10]。水中常见的微囊藻、鱼腥藻的最佳抑制工况在20～80 kHz间[11]。在实际处理时，低频低强度、多频次间歇性的超声处理被认为是控藻和抑制藻类生长的一个有效的方法，但其使藻类细胞丧失活性的同时，也可能释放大量藻毒素。太湖曾试运行“常州1号”超声波除藻船，但控藻能力有限，且可能对底泥产生一定扰动。

机械除藻设备使用的有效性主要取决于藻水分离效率以及设备综合运行效率。因设备铺设难题通常被认为不适合在大型天然水体中使用，如快速过滤设备，可移动性差且需定期反冲洗，只能在局部区域间断运行。此外，部分丝状蓝藻不易聚集成团，不适宜采用机械除藻的方法去除。因此，可移动式藻华打捞设备或快速藻水分离/干化设备成为近期研发热点。如中国科学院合肥物质科学研究院研究开发的藻水在线分离磁捕船，在藻/水混凝阶段添加“磁种”，絮凝阶段通过磁场实现藻/水原位分离。该技术不经过通常的絮体沉淀或气浮分离过程，在同等尺度处理设备情况下，藻/水分离效率提高3～4倍，具有机动快速、量大高效，改善水质、可移动性强、运行费用省等优点。该设备应用于巢湖蓝藻水华应急磁捕项目，每年可从巢湖打捞蓝藻等浮游生物量为7 969.5 t(鲜重，但不包含泥沙等任何其他颗粒物)，相当于从巢湖移出总氮111.0 t、总磷15.43 t，有效减少了巢湖蓝藻水华暴发频次和强度。

1.4 生物制剂除藻

蓝藻分解素(酶)，是从蓝藻、生化合成的蓝藻酶。蓝藻酶和蓝藻接触后迅速相吸并包裹，经酶化分解、断裂，沉入水底转化为有益微生物。蓝藻在分解过程中不吸氧离子、不分解其他藻类微生物及水藻。分解素的组成部分：不溶物，维生素E、维生素B等；溶水物，蓝藻素基因分解粒子等。分解素分解过程中蓝藻是被包裹的，在包裹层内解毒剂发挥其作用，将藻毒素分解转化成有益微生物。

该类制剂种类繁多，不同的环保公司各有合成配方，有效成分、具体剂量以及效果和时效性难以确定。

2 藻华长效防控对策

根据藻类的生长特性，蓝藻水华不可能是瞬时的“暴发”，其本质也是一个逐渐发展的过程，是藻类数量持续增长至一定临界值后的集群表现，是可预测的过程[12]。因此，蓝藻应急防控不仅是对蓝藻聚集体的紧急处理，也应该根据其生长特性及生长周期，在不同阶段采取针对性的防控措施，始终保持藻类削减量大于其自然增长量。重点明确不同技术的有效性范围，即在不同蓝藻数量范围或蓝藻暴发程度下选择最有效、最经济的治理措施。

2.1 藻华暴发前期

冬春季节交替，随着气温回升，富营养化水体尤其是有机质丰富水体蓝藻生长速率逐渐提升，水体开始出现混浊。这个时期蓝藻主要通过缺氧、抢夺碳源等间接手段影响藻类多样性或影响大型水生生物的消化系统。这个时期以预防为主，重点防控措施包括两个方面：

1) 微生物制剂+循环造流，促进水中有益藻类/微生物生长、抑制蓝藻生长，将逐渐产生的有机质分解，减少水体有机质的积累。需重点探讨微生物制剂的有效成分、最小和最大剂量、时效性和持久性等问题，以及循环造流系统的运行参数等。

2) 超声波控藻，超声波对于藻类聚集具有一定的抑制效果，可选择性地去除一些蓝藻，并能降解蓝藻毒素，但降低整体藻类水平的能力有限。需重点探讨超声波运行参数(功率和频率)，以及对其安全性进行评价。

2.2 藻华暴发期

这个阶段藻类生命力旺盛，蓝藻大量出现，水面会呈鲜亮的绿色，尤其下风口逐渐聚集油漆状膜，水的透明度极低。一般的微生物制剂在此时没有任何效果。这个时期以快速打捞清除为主，重点防控措施包括两个方面：

1) 化学絮凝剂、改性粘土，包括单独使用化学试剂(聚合氯化铝、苯扎溴铵等)，或利用化学试剂改性粘土(中科院海洋研究所)，重点探讨使用剂量、使用频率等参数。此外，需重点探讨安全性问题，尤其对于改性粘土絮凝，需分析絮凝体沉淀后，表层底泥重新成为藻类种源的风险。

2) 气浮+打捞、磁性絮凝+打捞、移动式过滤(生物过滤)等，在目前市场上已有设备的基础上，根据不同水体大小、不同藻华程度等，研制或定制不同型号(参数)设备，从经济性、可操作性、运行效果、维护费用、可推广程度等方面评价设备的综合效益。同时，重点研究打捞、过滤后藻体干化技术。

2.3 藻华暴发后期

藻华后期包括两种情况，一是在藻华暴发期间未能及时处理，随着藻体大量死亡和耗氧降解，水体将逐渐发黑发臭，此时仅通过藻华应急处理措施难以实现水体恢复；第二种，在藻华暴发期间采取相应措施进行处理后，需采取必要措施防止二次污染或藻华再次暴发。重点针对第二种情况，这个时期以维护为主，重点防控措施包括两个方面：

1) 生态清淤技术或抑制种源藻类复苏生长的污染底泥生态覆盖技术，防止死亡的藻类在底部厌氧反应而产生有害物质。

2) 蓝藻暴发后，随着蓝藻细胞的破裂或衰老，水体可能出现藻毒素浓度的峰值，如何高效去除藻毒素及其代谢产物是当前热点问题之一。虽然物理法和化学法能够去除藻毒素，但生物降解法效率更高，而微生物种类的差别造成其生物降解原理或效率存在差异性，因此，仍需加深研究。

3 结语

蓝藻防控有多种方式，打捞清除蓝藻是大幅度削减蓝藻数量、清除蓝藻暴发的主要措施之一。打捞清除蓝藻指的是一系列工作，包括：① 蓝藻控制，在蓝藻发生聚集时，对蓝藻进行有效的控制；② 蓝藻打捞，对集聚浓稠的蓝藻不间断地实施物理、化学等措施，减少蓝藻数量；③ 蓝藻处置，藻水分离和无害化、资源化利用等，防止蓝藻二次污染。以大规模打捞为主的清除蓝藻措施，可以直接削减蓝藻数量、减轻蓝藻暴发程度和削减内源，可调整藻类结构和降低蓝藻在藻类中的比重。