国内外水体富营养化治理和控制方法的研究.doc

1 国内外水体富营养化治理和控制方法的研究国内外水体富营养化治理和控制方法的研究 姜小东 太谷县环境监测站太谷县环境监测站, 山西山西 太谷太谷 030800) 摘要摘要 ： 本文对国内外水体富营养化的治理和控制方法进行了总结和分析，并提出了水体富营养 化治理的研究内容和方向。 关键词关键词 富营养化 控制方法 THE RESEARCH ON THE WATER EUTROPHICATION GOVERNMENT AND CONTROL METHOD DOMESTIC AND FOREIGN Jiang Xiao-dong (Shanxi Taigu Environmental Monitoring Station, Shanxi Taigu 030800) Abstract: This paper has summarized and analyzed the control methods of water eutrophication . Based on the above analyses, the research trend for the restoration of eutrophicated water was discussed. Keywords: Eutrophication Control method 水体富营养化就是天然水体中由于过量营养物质（主要是指氮、磷等）的排入，引 起各种水生生物、植物异常繁殖和生长 。 我国湖泊、水库和江河富营养化的发展趋势非常迅速。19781980 年大多数湖泊处 于中营养状态，占调查面积的 91.8%，贫营养状态湖泊占 3.2%，富营养状态湖泊占 5.0%。短短 10 年间，贫营养状态湖泊大多向中营养状态湖泊过渡，贫营养状态湖泊所占 评价面积比例从 3.2%迅速降低到 0.53%，中营养状态湖泊向富营养状态过渡，富营养化 湖泊所占评价面积比例从 5.0%剧增到 55.01%1。据调查表明，亚太地区 54%的湖泊富营 养化，欧洲、非洲、北美洲和南美洲的比例分别是 53%、28%、48%和 41%2。 。我国的水 环境正面临严峻的挑战。 1 1水体富营养化的成因和危害水体富营养化的成因和危害 1.1 成 因 赤潮和水华是水体中藻类爆发的两种主要形式。赤潮是海洋中某些微小（220 m）的浮游藻类、原生动物或更小的细菌，在满足一定的条件下爆发性繁殖或密集性聚 集，引起水体变色的一种自然生态现象。水华是一种在淡水中的自然生态现象，其只是 由藻类引起，如蓝藻（应为蓝藻细菌） 、绿藻、硅藻等，水华发生时，水一般呈蓝色或绿 色。随着经济的发展，淡水、海水的富营养化日益加剧，给水中的微生物的爆发性生长 2 提供了十分有利的条件，导致了水域因藻类过渡增殖而变色。在含有大量营养盐类的富 营养化的水体中，这些藻类在足够的光照和适宜的水温、风、水流等条件下即可泛滥3, 4； 水体中有机质、维生素类和微有机成分以及锰和铁等微量元素也可能诱导藻类爆发5, 6。 1.2 危 害 （1）藻类在水体中占据的空间越来越大，使鱼类活动的空间越来越小；衰死藻类将沉 积塘底。 (2）藻类种类逐渐减少，并由以硅藻和绿藻为主转为以蓝藻为主，而蓝藻有不少种有 胶质膜，不适于作鱼饵料，而其中有一些种属是有毒的。 （3）藻类过度生长繁殖，将造成水中溶解氧的急剧变化，藻类的呼吸作用和死亡的藻 类的分解作用消耗大量的氧，有可能在一定时间内使水体处于严重缺氧状态，严重影响 鱼类的生存。 2 2治理方法治理方法 如何清除并控制有害藻类的过量繁殖、消除藻毒素的污染、恢复水体中健康的生态 系统是解决水体富营养化过程中所面临的关键问题。国内外大量研究人员在治理藻类爆 发方面开发了多种方法，基本上可归纳为物理法、化学法和生物法 3 种。 2.1 物理法 2.1.1 机械捞藻法 在藻类恶性泛滥的水体中采用船只等捞藻机械把藻类从水面中清除掉。此法能捞取 的藻量很少，其捞藻的速度远远比不上藻类的生长速度，而且还需花费大量的人力和物 力。该法只能作为一种次要的前期辅助手段。 2.1.2 清淤法 对于一个拥有多种生物的较为复杂的水生生态系统，采取简单的挖泥办法，把湖底 的水生生物一并清走，来改善水环境。韩伟明等8研究了清淤挖泥对杭州西湖水质的影 响。目前每年疏浚(36)104 m3底泥，对改善西湖水质效果不明显，湖水叶绿素 a(Chla)依 然呈上升趋势。可见，单纯的清淤挖泥对控制藻类水华效果并不明显，不但耗资巨大， 且有可能加剧水体的富营养化。 2.1.3 换水法 把污水引走，换取新的洁净水源，引水冲污就是其中的一种方法。这种方法不但是 对污染的转嫁，而且其稀释能力受引水方式、引水量、引水水质等因素影响，同时由于 稀释作用也减缓了藻类生长的密度制约压力，引水冲污后藻类生长往往呈现加剧趋势8。 3 2.1.4 截污法 对于湖泊、河流等淡水水体的藻类水华，外污染源是水体中营养盐的重要来源，截 污是控制营养化营养盐的首要步骤，这对改善水质是有益的。但是，对于水体营养盐浓 度较高的富营养化水体，外源污染的影响已不明显，并且对于众多的面源污染，截污也 是不可能完全做到的，因此，仅靠截污难以取得预期的效果8。此外，还有超声波破碎 法、电磁波法。其本质是利用超声波和电磁波将藻类杀死，但成本太大，同时杀死的藻 细胞可能向水体释放对人体有害的藻毒素，造成二次污染。 2.2 化学法 同物理法相比，化学法具有很高的杀藻、除藻效率，但仍存在较大缺陷。按其作用 机理可分为杀藻法和沉降法。 2.2.1 杀藻法 该法旨在用化学药品直接杀死水华生物。根据化学药品性质又可分为无机杀藻剂和 有机杀藻剂。目前已发现的能杀死水华（或赤潮）生物的化学药品主要有硫酸铜、高锰 酸钾、次氯酸钠、氯气、过氧化氢、臭氧、过碳酸钠等。其中，含铜类药剂是研究和应 用较早和较多的杀藻药品。硫酸铜及其后来改进的各种含铜化合物在治理淡水水华时非 常成功。硫酸铜还具有以下特点：在杀除有害藻类的同时也大量杀死了非水华藻类，进 而破坏近岸生态系统；控制水华是暂时的而且成本高。因而其使用受到了很大的限制。 鉴于铜类试剂上述缺点，人们着眼于一些在水体中易分解、残留量少的除藻化合物，如 过氧化氢、过碳酸钠、臭氧等9。 目前研究较多的是有机杀藻剂，有人工化学物质和生物分泌物质两类。前者往往会 带来污染，后者是目前研究的主要对象，主要包括有机羧酸和有机胺9。近年来发展的 一种生化综合除藻剂具有杀藻、抑藻功能，能絮凝沉降藻细胞，并且在滇池应急治理中 取得了比较明显的效果10。 总之，直接杀藻法是目前较常用的方法之一。具有操作简单、用量少等优点，但在 对生态环境、非水华生物的影响以及成本等方面也存在诸多问题。 2.2.2 絮凝沉淀法 利用物质的胶体化学性质，应用絮凝原理，使水华生物凝聚沉淀到水体底部或加以 回收是该法的主要目的。现在国际上使用的絮凝剂主要是：铝铁系无机絮凝剂、表面活 性剂和各种高分子有机絮凝剂。此外，PAC、聚丙烯酰胺等高分子凝聚剂也在市场上占有 很重要的地位9。 絮凝剂沉淀法是利用化学手段消除水华，该方法在水华生物密集时极为有效，作用 时间短，对非水华生物的影响也较直接杀藻法小，同时还可消除水体中其他悬浮物质， 净化水质。但也存在很大缺陷，聚铁本身显色，投药后水体变为浅棕色，而且铁盐又是 4 水华生物繁殖的促进物质5,11。铝盐则被证实存在一定的生物毒性12。 在严格的环境 法制约下，西方科学家尚无这种尝试。在我国，从目前已在云南滇池所试用的聚合铁和 聚合铝两种絮凝剂的实验情况来看，虽然起效时间快并在一定程度上对水质有改善作用， 但维持时间短(2 d)，造价高(0.20 元/m3左右)，且形成的絮体细小质轻不易发生沉降13。 2.2.3 天然矿物絮凝法 利用天然矿物治理藻类水华污染成为目前发展的另一方向。主要是利用粘土矿物治 理赤潮。对其去除机理主要有两种观点9：一种立足于粘土粒子和生物的表面性质，认 为以吸附作用为主；另一种则认为是由于粘土中溶出的铝离子杀死生物细胞所致。 俞志明等14通过对粘土表面电荷性质进行化学改性，提高了粘土絮凝藻的能力。同 时，他们研究了藻絮凝的基础理论，并提出了絮凝藻的机制和理论模型23，考察的粘土 主要有高岭石、蒙脱石两种1318。 Anderson9认为粘土沉降法是最有希望解决这一环境污染问题的研究方向。近几年 来，有关这方面的研究也取得了一定的进展19, 20。但粘土法无法分解藻毒素，有毒藻只 是从表层水转移到水底但并未消除，不仅对水底生物产生污染，而且可能泛回水体造成 二次污染。 藻毒素主要是通过微生物而得以消除21, 22，同时，微生物除营养争夺外，通过分泌 化学物质抑制藻类生长23。 因此，运用微生物粘土法将有助水体富营养化尤其是有 毒藻污染的治理和控制。 2.3 生物法 生物法是利用生态系统食物链摄取原理和生物的相生相克关系来控制或抑制藻类水 华，从而达到控制水华的目的。主要有大型水生藻类法、微生物群、高等水生动物法以 及以高等水生植物（水生维束管植物）和陆生植物为主的生态工程法等。 2.3.1 大型水生藻类法 利用大型水生藻类通过与富营养化藻类竞争水体中的氮和磷，或通过分泌他感化学 物质可以在一定程度上减缓藻类爆发的发生。藻类的生长往往要求水体中各种营养元素 含量之间有一个平衡比例（藻干重中氮、磷和钾的含量分别为 1.4%11.0%、1.0%1.5% 和 0.4%1.4% 24） ，当某一生长必需元素的含量很低时，即可限制藻类的生长。世界上 大多数淡水湖泊中，磷是水生初级生产力的限制因素。因此在防止淡水富营养化方面， 如何有效控制天然水体中磷的浓度被看作是解决这一污染问题的最有效途径。利用水网 藻繁殖能力强、在生长过程中能吸收大量的氨氮、硝氮及无机磷等特点，可以降低富营 养化水体中的氮磷水平，从而使蓝绿藻由于失去赖以生存的高营养条件而无法在水体中 大量繁殖，以达到以藻治藻的目的25。尽管控制含有磷和氮污染物的排放，利用水生 5 植物通过与藻类竞争水体中的氮和磷或通过分泌他感化学物质可以在一定程度上减缓水 华的发生，但这些方法并不能有选择性地专一降低磷含量。而且过量的浮水植物本身腐 败后，既造成水质污染又严重阻碍大型湖泊在生态平衡和工农业生产中的作用 (如船舶 运输、水产养殖及观赏景观等)。另外，因为单细胞藻类的光合作用效率是一般植物的 5 倍左右23，所以一般水生植物在与单细胞藻类对水中氮和磷的营养竞争中并不占据优 势。 2.3.2 微生物群与高等水生动物法 Dawson 等27利用浮游动物如纤毛虫可捕食甲藻生物来控制水体中藻类的爆发。但 是这一方法对大面积藻类爆发难以奏效，因为养殖这些纤毛虫需要巨大的池塘和很长的 时间，在经济上不可行。而且，这些捕食者将会累积毒素，作为更高营养级的毒素载体 而危害环境。如果用该方法来处理养殖场水体的无害甲藻赤潮藻类水华，可能具有一定 的应用前景，尚待进一步研究。 此外，有人利用某些寄生物种控制水华，但是其专一性尚有待研究9。利用某些特 殊细菌强而专一的杀藻能力控制水华，如在治理北京动物园水禽湖严重富营养化水体中， 光合细菌对于富营养化水体中浮游植物的数量和形成水华的铜绿微囊藻有一定的调控作 用36，但是其实际应用还尚不清楚。 利用藻类病毒对藻类进行控制，是某些特定区域环境控制中值得关注的研究领域29， 但很难达到广泛性和实用性。一般情况下，一种藻类病毒往往只对一个藻种具有专一杀 灭活性，因此它只能对某一种藻而不是所有藻类起作用。一方面，引起天然水中发生淡 水水华的藻种繁多，即使在同一区域，不同时间引起的水华藻种及毒素也不一定相同。 另一方面，水华的爆发具有突发性，这样很难在短期内鉴定出藻种并有针对性地培养出 大量有专一杀灭这种藻活性的病毒9。此外，由于藻类对病毒的侵染可逐步产生抗性及 免疫性30，这样同一种藻类病毒也难以对同一种藻持续发挥杀灭作用，更不能分解藻 类毒素和藻类残体及对水质进行修复。 利用某些鱼类（如鲢鱼、鳙鱼）能食用某些有毒藻的特点，用养鱼方法来治理这类 污染31。在某些局部地区，该方法可能是一个一举两得的办法。但是水体中的藻毒素 可以富集在鱼类中并通过食物链对人体健康产生危害。对内陆淡水来说，水华所引起的 水体贫氧也是长期困扰养鱼的困难之一。 根据水体中生物之间的食物网关系，开发出了生物操纵法。该法通过对生物群及其 生物境进行调节，增加其中某些相互作用，从而达到恢复水体的目的。从富营养化水体 中筛选出适当的菌体，将其投放到水体中，细菌转化吸收分散的氮、磷及有机物使其进 入食物链，浮游动物捕食细菌，从而大量繁殖；而水体中像鱼类等高等水生动物又大量 捕食浮游动物，这样通过捕捞鱼类就可将水体的氮、磷去除，从而恢复水体的功能32。 6 2.3.3 生态工程法 近年来，根据系统论和生态系统理论的原理，在湖泊富营养华治理方面出现了以物 理和生物为主的生态工程方法，并且在富营养化水体的治理工程中取得了一定的进展33。 孙刚等34对长春南湖的富营养化实施了生态治理工程。通过收获水生高等植物和鱼产， 带出湖体的磷量以及蚌体生长固定部分磷量，使湖体中年磷输入和输出量大致平衡，因 而水质明显好转。湖水中的总 P 浓度逐年下降，浮游植物个体密度减小，种类数增加。 在浙江桥墩水库蓝藻水华治理中35，先采用明矾浆等理化方法应急除藻，在快速恢复 水体景观的同时，改变水生生物群落组成，再在冬季或早春于蓝藻大量繁殖之前投放鲢 鳙等滤食性鱼类，用生物操纵技术提高水生生态系统的自我调节能力，从而使水体功能 得以恢复。在生态工程治理中，水生植物去除氮磷的效果受到温度、pH 等因素的影响。 水生植物死亡后可能造成水体的二次污染。而且，在富营养化严重的水体，高等水生植 物根本无法生长，因此，必须进行前期的生态系统恢复措施。 3 3结结 论论 随着水体富营养化程度的加剧，藻类爆发的频率和强度日趋严重。如何消除并控制 水体富营养化尤其是控制水体有毒藻类，是环境科学的前沿问题。目前治理藻类爆发的 方法主要有物理法、生物法、化学法，这几种方法在应用上各有优缺点，目前尚无普遍 被接受的方法。然而，运用微生物天然粘土矿物有可能有效控制藻类的大量爆发，尤 其是有毒藻的大量爆发；在水体生态景观恢复到一定程度后，根据生态学原理，通过建 立合适的生态治理工程，同时加强流域管理（如面源污染控制）将有助于从根本上解决 水体富营养化问题。 参考文献参考文献 1.金相灿, 刘鸿亮主编. 中国湖泊富营养化. 北京:中国环境科学出版社, 1990,8:118120. 2.Ingrid C,Jamie B.Toxic Cyanobacteria in water.London and New York E & FN Spon Publisher,1999. 416 3.倪纯治.赤潮与海洋微生物.海洋环境科学,1988,7（2）：4043 4.Song L,Sano T.Microcystin production of microcystins viridis (cyanobacteria) under different conditions. 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