（环境工程专业论文）遮光控藻机理研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文 - i- 遮光控藻机理研究 摘 要 由水体富营养化而导致的藻类水华直接威胁到饮用水水源地的安全， 而传统 的控源措施，如控制外源性输入、底泥疏浚等，需要的周期长、投资大、见效慢。 由此， 遮光法被提出作为原位应急控藻措施保护饮用水水源地的安全。 通过遮光， 藻类生物量经过 7- 9d 削减到约为初始生物量的 30%， 有着很好的应急控藻效果， 但是遮光控藻作用机制、技术的可行性等问题亟待进一步深入研究。考虑光在水 体中的衰减，本研究以水柱试验为主要手段，研究了不同光照度下，藻类生长迁 移特性的变化；并根据藻类在低光照度下的消亡特性、迁移特性，提出利用遮光 曝气组合方法来达到控藻目的，以期加速藻类消亡、缩短控藻周期、恢复水体溶 解氧。主要研究内容及结论如下： 1) 为探索在湖库中呈不均匀分布的光照度对藻类生长的影响，在混合深度 为 0.9m 的水柱中研究了不同入射光照度和斜生栅藻生物量动态变化之间的关 系。在稀释率为 10%的连续流条件下，当入射光照度为 10000lux 时，即实际可 获得平均光照度约 2000lux时， 斜生栅藻的增殖即被抑制， 比增值速率为- 0.09d- 1； 而在摇瓶试验中，在入射光照度为 500lux 时，斜生栅藻的比增值速率就达到了 0.15d- 1。通过对藻类稳态生物量和藻类可获得平均光照度的相关性分析，显示两 者呈显著的正相关关系（r=0.93） ，由此提出，在水柱试验中，可获得平均光照 度更有可能作为藻类光限制条件出现和消失的重要标志。 2) 光照度的变化除了对藻类增殖产生影响之外，藻类生物量的时空分布也 会受到影响。本研究，首先以摇瓶试验探索了藻细胞胞内碳水化合物含量对于光 照度变化的响应， 并在水柱中研究了光照度变化对于藻类生物量时空分布的影响 及不同深度处藻细胞胞内碳水化合物含量变化，结果表明：水柱试验中，在 0lux 的入射光照度条件下，微囊藻表现出明显的表面浮聚现象，本研究中，微囊藻表 层密度在经过 24h后，由 3.6105 cells/ml 上升到 4.85106 cells/ ml，表层0- 2cm 上海交通大学硕士学位论文 - ii- 处藻细胞数占水柱内总藻细胞数的 46.9%；而在光照度充足的条件下，底层的藻 细胞数有所增加。通过摇瓶试验发现，藻细胞的胞内碳水化合物含量会在很短的 时间内(24h)对光照度的变化做出响应；而水柱试验中，对不同光照度下，不同 深度处微囊藻胞内碳水化合物含量变化的研究表明，在各入射光照度下，微囊藻 胞内碳水化合物含量随深度增加而增加， 表明由于光照度的变化而导致的细胞内 碳水化合物含量变化，可能是藻类在短时间内出现上浮或下沉的主要原因之一。 3) 根据低光照度下藻类消亡和迁移的特性，提出遮光曝气组合方法控藻思 路。研究表明：在藻液的停留时间为 4d 的条件下，试验期间 chla 的平均去除 率在 75%以上，溶解氧维持在 4mg/l 以上。 关键词：遮光法，光照度，生长特性，迁移特性，遮光曝气组合方法 上海交通大学硕士学位论文 - iii- study on the mechanism of the light- shading method abstract the algal bloom caused by the eutrophication is at present one of the most serious calamities which influence the safety of drinking water source， so study on the control measure of algal bloom became a significant problem to be solved. and, light- shading method was advanced to be a lash- up control measure to protect drinking water source. the effect on algal control of light- shading method had been approved well. but , the mechanism of light- shading method and the feasibility of project need further study. this article focused on the effect of light intensity on the the algal growth and vertical distribution in the water column, which because the light intensity was asymmetric distributed in lake. according the characteristic of algal growth and vertical distribution under low light intensity, the measure combined by the light- shading and aeration was explore to accelerate the algal contabescence, shorten the algal control period, improve the do of water. the main content and conclusion was followed: 1) the light intensity is asymmetric distributed in lake. in order to investigate the effect of the light intensity on the algae growth, the experiment of the light intensity on the biomass of scenedesmus obliquus was conducted in the water column. in the water column, on the continuous flow which lose rate is 10%, the biomass of scenedesmus obliquus trended to decrease, when the incident light intensity was about 10000lux （the available average light intensity was ablut 2000lux） . but, scenedesmus obliquus trended to increase in the flask when the incident light intensity was 500lux. it was showed that the available average light intensity well represented the light resource acquired by alga, the steady- state biomass of scenedesmus obliquus and the available average light intensity showed the remarkable positive correlativity (r=0.93). 2) besides the growth, the algal vertical distribution was also effected by the light intensity. firstly, the experiment of the effect of the light intensity on the algal carbohydrate content was conducted in the flask. furthermore, the experiment of the effect of light intensity on algal vertical distribution and algal carbohydrate content was conducted in the water column. the result showed: microcystis trended to 上海交通大学硕士学位论文 - iv- assemble in the surface when the incident lgiht intensity was 0lux, after 24h, the algal density ascended to be 4.85106 cells/ ml when the algal density was 3.6105 cells/ml at the beginning. while, the algal density in the bottom trended to increase when the light intensity was enough. the flask experiment showed: the algal carbohydrate content had a good answer to the change of the light intensity. and, the water column experiment showed: the algal carbohydrate content in different depth under different light intensity trended to increase with the increase of the depth. 3) according the characteristic of algal growth and vertical distribution under low light intensity, the measure combined by the light- shading and aeration was designed to control the algae growth. the continous flow experiement in the combined system showed that the average romove efficiency of chla was above 75%, the do of effluent was above 4mg/l when the hrt is 4 days. keywords: light- shading method, light intensity, the algal growth, the algal vertical distribution, the combination of light shading and areation 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：张海春 日期：2 0 0 9 年 2 月 2 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：张海春 指导教师签名：李春杰 日期：2 0 0 9 年 2 月 2 日 日期：2 0 0 9 年 2 月 2 日 上海交通大学硕士学位论文 - 1- 第一章 绪论 我国是一个多湖泊的国家，面积在 1km2以上的天然湖泊有 2759 个1。 湖泊是一种独特的自然资源，具有供水、防洪、航运、旅游、灌溉、水产 养殖及维系区域生态平衡功能，在人类社会发展过程中发挥着不可替代的 作用，但是近几十年来，随着我国经济的发展，对环境资源开发利用活动 日益增加，进入水体的营养物质不断增多，造成我国大部分湖泊已处于富 营养化状态，尤其是太湖、滇池、巢湖等受到了水体富营养化的严重威胁。 其中水源地富营养化更是对人民的身体健康产生了直接的威胁。 1 . 1 我国湖泊富营养化现状 水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物 质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速 繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象2。 藻类水华中常以蓝藻为优势藻种3。 蓝藻水华的形成影响了水生态系统的 健康发展。蓝藻大量生长改变了水体的理化环境，透明度降低，水体散发 腥臭味，溶解氧减少。当水体中的营养素被蓝藻耗尽时，蓝藻大量死亡， 各种有害气体及蓝藻毒素大量释放，最终导致水生态系统的迅速崩溃。蓝 藻水华也给水产养殖业、供水及旅游业带来极大的危害。 目前，引起人们更大关注的是蓝藻毒素所带来的危害，而微囊藻毒素 因其高毒性及存在范围广而最受研究者关注 4， 世界卫生组织制定的饮用水 中微囊藻毒素的控制标准为 1g/l5。水体中高浓度微囊藻毒素可影响水生 植物种群的多样性，也可使鱼卵变异，蚤类死亡，鱼类行为及生长异常6。 微囊藻毒素同样威胁着人体健康，1996 年巴西一透析中心，因透析液遭到 蓝藻毒素污染，导致 130 名病人中有 116 人出现异常症状，并有 26 人最终 死亡。我国对蓝藻毒素曾作过相关的调查，结果表明南北几个省市的各种 水体均有不同程度的污染，其中以沟塘水、河水、水库水较为严重。对我 国肝癌高发区江苏海门和启东两地进行了饮水与肝癌的病例对照和前瞻性 上海交通大学硕士学位论文 - 2- 研究，结果显示饮河沟水居民患肝癌的危险较饮井水或自来水居民高。有 学者认为蓝藻毒素是引起我国南方肝癌高发的主要危险因素之一。 近些年来，由湖泊富营养化引起的藻类水华现象，在太湖、滇池、巢湖等湖 泊都有出现。根据国家环保总局 2007 年中国环境状况公报显示7：我国 28 个国 控重点湖(库)中，满足类水质的 2 个，占 7.1%；类的 6 个，占 21.4%；类 的 4 个，占 14.3%；类的 5 个，占 17.9%；劣类的 11 个，占 39.3%。主要污 染指标为总氮和总磷。在监测的 26 个湖（库）中，重度富营养的 2 个，占 7.7%； 中度富营养的 3 个，占 11.5%；轻度富营养的 9 个，占 34.6%。 以太湖为例，太湖是我国的第三大淡水湖，位于长江三角洲南部，是典型的 浅水型湖泊。从营养状态来看，太湖在 20 世纪 60 年代处于贫中营养水平，至 80 年代达贫中至中营养水平，90 年代初上升到中富营养，至 2000 年已以富营养 化为主，监测表明，2000 年全年平均太湖 29%为中富营养水平，71%已达富营 养水平8。而 2007 年 5 月 2 日全太湖调查结果显示，全湖平均氮、磷含量分别 高达 4.0mg/l 和 0.13mg/l9。在 2007 年，国控监测点位中，类、类和劣 类水质的点位比例分别为 23.8%、19.0%和 57.2%。 三湖中的另两个湖泊滇池和巢湖的情况为：滇池总体为劣类，草海处于 重度富营养状态，外海处于中度富营养状态，主要污染指标为总氮、总磷和高锰 酸盐指数；巢湖总体为类，西半湖处于中度富营养状态，东半湖处于轻度富营 养状态。主要污染指标为总磷、总氮和五日生化需氧量。 其他重点湖库的富营养化状态见表 1 - 1 。 表 1 - 1 2 0 0 7 年重点湖库营养状态 水质 湖库名称 营养状态指 数 营养状态 2007 年 2006 年 主要污染指标 白洋淀 83 重度富营养 劣 劣 氨氮、总磷、总氮 达赉湖 64 中度富营养 劣 劣 ph、高锰酸钾指数 镜泊湖 59 轻度富营养 挥发酚、总磷 博斯腾湖 57 轻度富营养 - 上海交通大学硕士学位论文 - 3- 洪泽湖 56 轻度富营养 劣 劣 总氮 南四湖 53 轻度富营养 劣 总磷、总氮、石油 类 洞庭湖 45 中营养 总磷、总氮 鄱阳湖 45 中营养 总磷、总氮 洱海 40 中营养 - 兴凯湖 - - 挥发酚 东湖 65 中度富营养 劣 劣 总磷、总氮 大明湖 56 轻度富营养 劣 劣 总氮、生化需氧量 玄武湖 55 轻度富营养 劣 劣 总磷、总氮 西湖 55 轻度富营养 劣 劣 总磷、总氮 昆明湖 47 中营养 - 大伙房水库 54 轻度富营养 劣 总氮 于桥水库 48 中营养 总氮 丹江口水库 47 中营养 - 崂山水库 47 中营养 劣 劣 总氮 董铺水库 43 中营养 - 门楼水库 42 中营养 劣 劣 总氮 密云水库 32 中营养 - 千岛湖 32 中营养 - 石门水库 - - - 如表 1 - 1所示，我国大部分重点湖库已经处于富营养化、或受到富营 养化的威胁，饮用水的水源地也频繁发生水华现象，影响到了饮用水水源 地的安全。2 0 0 7年的太湖蓝藻事件严重威胁无锡的饮用水安全，直接威胁 当地居民的饮用水安全。由此，国家把水源地的保护工作提供到战略高度。 国务院审议通过全国城市饮用水源安全保障规划（ 2 0 0 6 - 2 0 2 0 年） ，指导 开展饮用水源保护工作。环保部门组织编制了全国城市饮用水水源地环 境保护规划 、 全国地下水污染防治规划 。把饮用水源地保护作为“整治 上海交通大学硕士学位论文 - 4- 违法排污企业保障群众健康环保专项行动”的重要内容，取缔关闭饮用水 源一级保护区内排污口，依法严厉打击二级保护区内的违法排污行为。组 织专项调查，摸清县级以上城市集中式饮用水源地保护情况，发布饮用水 源保护区划分技术规范。由此，开发有效的水源地保护技术成了当务之急。 1 . 2 原位控藻技术研究进展 由于泊富营养化和藻类水华的巨大危害， 国内外在湖泊富营养化和藻类水华 的控制方面进行了大量的研究。通过削减湖泊营养盐、是一种从根本上解决水体 污染问题的策略。从流域面污染源控制着手，做好流域面水土保持，优化农业生 产方式，减少农药化肥的施放，减少面源污染；加大城市污水处理率，严格执行 排放标准，减少城市污水排放，减少点源污染；清除湖泊水库沉积物，消除内源 污染10。但工程涉及面广，需要的周期长，难度大，投资大，见效慢。另一方 面，我国湖泊水库普遍处于富营养化状态，受到藻类水华的威胁，同时湖泊水库 的水量大，由此应急的原位控藻技术逐渐受到重视。应急的原位控藻技术以保护 水源地的安全为目标，通过破坏利于藻类增殖的生长环境来限制藻类的增殖，即 通过削减湖泊营养盐浓度、光照度、水体流动性、食物链结构等方法来抑制藻类 的增殖，目前，生物操纵、人工浮岛、扬水筒、遮光等技术被认为在应急控藻方 面有应用前景。 1.2.1 生物操纵 生物操纵又称食物“网、链”操纵，是利用生态系统食物“网、链”原理和 生物的相生相克关系，通过改变水体的生物群落结构来达到改善水质、恢复生态 平衡的目的 ，即通过去除食浮游生物食性鱼类（planktivore）或添加肉食性鱼类 （piscivores）来降低浮游生物食性鱼的数量，调控浮游动物的群落结构，促进滤 食效率高的植食性大型浮游动物，特别是枝角类的发展，从而提高浮游动物对浮 游植物的摄食效率，最终减少浮游植物生物量，如图 1- 1 所示。 用大型浮游动物控制藻类水华具有一定的优点11：1) 浮游动物普遍存在于 水体中，且春末的“清水期”表现出了自然的生物操纵作用；2) 浮游动物在湖 泊中的存在时间较长，且与浮游植物具有同步性；3) 浮游动物种群变化迅速， 上海交通大学硕士学位论文 - 5- 对藻类水华的突然暴发有针对性；4) 控制种群的方式主要依赖鱼类，也较为简 便。 但是经典生物操纵方法往往受制于水体的规模、 深浅、 以及控制的时间长短、 以及季节变化12。 针对经典生物操纵的缺陷，研究者从多方面提出了补救措施，指出要克服生 物控制中的不足，应主要从以下几个方面着手13：利用湖泊中存在的生物进行 操纵；湖泊实验的目的是为操纵积累经验和解释操纵中问题；捕食作用是操纵的 最有效方式；生物操纵是设计内陆水体生态研究的重要领域，因此要结合水体生 态学的其它领域进行配合；湖泊群落结构非常复杂，营养级之间互相影响。 图 1 - 1 控制藻类水华的经典生物操纵理论的示意图 fig 1- 1 conceptual diagram of traditional biomanipulation for the control of algal blooms 1.2.2 人工浮岛技术 人工浮岛是一种可为多种野生生物提供生境的飘浮结构，由植被基（人工浮 岛平台）、植物和固定系统组成。其在改善水质方面的作用表现为：1) 氮、磷 等元素通过植物根系的吸收作用、吸附作用，在湖泊水体中的浓度被削减；2) 上海交通大学硕士学位论文 - 6- 人工浮岛对水体起到了遮蔽效应，在遮光区域，由于藻类得不到生长所必需的能 量，生长得到抑制，成为有效的抑制藻类水华的手段。马立珊14等人研究表明， 浮床香根草作为浮岛植物时对供试河湖水体秦淮河、金川河及玄武湖tn的去除 率分别达到77.9%， 79.1%和82.1%， tp的清除率分别达到83.3%， 84.4%和82. 1%。 刘淑媛15等人研究表明，在富营养化水体中，利用人工基质无土栽培水生经济 植物净化水质的静态试验结果表明在510月间空心菜对tn、tp的去除率分别为 81.32%和71.34%。 人工浮岛技术在试剂运用中存在这 “较高的水力负荷与较低的氮磷去除率之 间的矛盾”，即在水源地一方面所需处理的水量极大，水力负荷很高；另一方面 相对于植物需求而言，营养盐浓度却过低,植物生长困难，对氮、磷的吸收能力 极为有限，吸收速率较慢16。且受影响因素多。无论是去除水体中的营养盐还 是它对藻类的克制作用， 生态浮岛对水体的治理效果主要依赖于植物本身对污染 物的去除能力和其生长状况，而植物的生长受到很多因素的影响，例如光照、温 度、溶解氧、水体本身的污染程度的轻重等。 1.2.3 扬水筒技术 扬水筒是一种利用压缩空气间歇性混合上下水层、促进水体循环的装置，扬 水筒混合的水质改善效果表现为：1) 将上层水中的藻类循环到下层，使藻类的 生长受到抑制甚至死亡；2)增加分层水体中底层水体溶解氧，并改善由厌氧引起 的沉积物氮、磷、有机物、铁、锰释放，ph 值降低，色度和嗅味增大等水质问 题。 jungo 等17在荷兰阿姆斯特丹的 nieuwe meer 水库中开展了为期 7 年的扬水 技术应用研究(19932000)，实施结果表明，库内 chla 浓度和总藻类生物量显著 下降，有毒微囊藻得到极为有效的控制，其生物量降低为未处理前 1/20，藻类种 群结构也由原先的以蓝藻为主转变为硅藻、绿藻为主。英国 hanningfield 水库， 总库容 2.72 亿 m3，平均水深 7m，最大水深 17m，tp0.3mg/l，tn3.4mg/l， 藻类大量繁殖，采用上下混合搅拌破坏分层，使浮游微生物下降了 66% 18。日 本、美国、欧洲、南美所应用的空气扬水筒，对于富营养化湖泊水源水的水质改 善都有很明显的效果，使得水厂的水处理难度显著减小。 利用混合技术抑制藻类生长必须具备两个条件，一是混合强度足够大，能抵 上海交通大学硕士学位论文 - 7- 抗藻类的上浮速度，二是水深足够大，不适用于浅水湖泊，藻类在深水区有足够 的停留时间，否则未失活的藻类又会很快循环到表层，不但不能控制藻类，还会 将下层营养带到表层，促进藻类繁殖。 1.2.4 遮光控藻技术 在直接影响蓝绿藻增殖的诸多环境因素中，相对于温度、营养盐、ph 等而 言，光照度无疑是最为容易实施人为干预的因素。遮光控藻技术利用控制水体的 入射光照度，使藻类可获得光照度不能满足其光合作用的需要，从而达到抑制藻 类生长的目的。小岛贞男19针对日本九州某城镇的水库(水面面积为 20000m2)开 展了示范研究，采用塑料制浮板遮光，覆盖面积为水面的 50%60%，如图 1- 2 所示，其基本原理是在遮光区域藻类的生长由于得不到足够的光强支持，生长得 到抑制，同时利用风的吹送流和水体的密度流在湖泊中形成一个水的循环，使藻 类不断地进入遮光区域，而逐渐消亡。遮光一个月左右微胞藻属消失，湖水明澈 透底，cod 下降 50%，ph 值及溶解氧也显著减少。通过降低水下光照度来抑制 藻类的光合作用，达到降低水体中藻细胞密度，增加水体透明度的效果。该工程 中采用由聚乙烯中空板材拼接而成的单块面积高达上千平方米六边形工程结构， 虽然较为稳定，遮光控藻效果颇佳，但成本过高。未来该技术在国内应用推广的 关键点在于如何针对水源地的特点设计低成本的大水面遮光结构以及相应的工 程实施方法。 图 1 - 2 半遮光控藻技术 fig 1- 2 in- situ algal control by half light- shading 上海交通大学硕士学位论文 - 8- 上海交通大学河湖环境工程技术研究中心根据日本小岛贞男教授的遮光控 藻研究，提出遮光控藻技术新思路，即为保护水厂日常取用的水源水，在取水口 附近水域建设遮光工程区， 使水源水在该区域内停留一定时间从而促使有害藻类 消亡，达到应急控藻的目的，如图 1- 3 所示。 图 1 - 3 遮光控藻技术的提出 fig1- 3. the roadmap of in- situ algal control by light- shading 遮光控藻技术具有“以空间和时间赢取水质”的特点，由此在评价遮光控藻 技术的效果时必须考虑到“遮光的面积” 、 “单位时间单位面积的处理效率” 、 “水 质净化效果”之间的动态关系。 上海交大河湖环境工程技术研究中心在探索遮光控藻技术的可行性和控藻 作用机制方面做了一系列的研究： 1）陈雪初等20进行的遮光法控制富营养化水池中藻类增殖的中试研究表 明：对池长 25m、宽 15m、水深 1.21.8m的水池进行全遮光(如图 1- 4 所示)，经 过9d后， 水池内chla浓度、 cod、 浊度、 do 分别由遮光前的130.5g/l、 30.9mg/l、 20.0ntu、12.0mg/l 下降至处理后的 24.8g/l、1.7mg/l、5.4ntu、3.1mg/l， tp、tn 浓度则变化不明显。表明遮光处理能够在营养盐浓度变化不大的状况下 上海交通大学硕士学位论文 - 9- 大幅度削减藻类生物量。 图 1 - 4 遮光控藻中试试验 fig 1- 4. pilot- scale algal control by light- shading 2)通过摇瓶试验、围隔试验、水池中试试验表明进行遮光后，经过 7- 9d 的 时间，藻类的去除率将达到 70%以上20- 22。 3)黄莹莹等23等关于低光照度下藻类消亡的研究中指出， 光照度低于光补偿 点时，光合作用受到抑制，呼吸耗氧大于光合产氧，水体处于耗氧状态，水体 do 将不断下降。而在遮光条件下通过辅助曝气措施能有效的起到复氧作用，并 加速藻类的消亡。 4)梁瑜等24对微囊藻的时空分布特征研究中指出， 遮光后微囊藻群体存在逐 渐上浮聚集的趋势。 1 . 3 影响藻类生长的主要因素 湖泊富营养化和藻类水华的控制主要是通过破坏利于藻类增殖的环境来达 到控藻目的，营养盐、光照、温度、ph、水动力等因素的控制和调节通常是藻 类水华控制的主要途径。 1.3.1 营养盐 国际上一般认为湖水总氮达 0.2mg/l、总磷达 0.02mg/l 就属于富营养 上海交通大学硕士学位论文 - 10- 化范围，即此氮磷浓度已经能满足藻类生长的营养盐需求。同时，水体中总 氮总磷比(tntp)也会显著影响着浮游植物的种群组成25，通常当 tntp0.01mg/l 时，磷浓度的降低不会导致藻类生物量的减少。而在太湖的梅梁湾，水体中平均 溶解性磷已经达到 0.030.07mg/l28。因此，在湖泊富营养化过程的早期，磷作 为藻类的生长限制性因子，其含量的增加，导致了藻类的大量生长。但是一旦磷 进入湖泊的量大大增加，湖泊底泥中也逐步积累了大量的磷元素，在合适的环境 动力作用下，有可能再次释放到水体中29。在这些湖泊中，磷可能已经不再是 藻类生长的限制因子，根据美国生态学家 odum关于“限制因子规律只有在严格 的稳定条件下才能应用”的观点，由于湖泊并不是一个封闭的生态系统，因此， 也许引起水华暴发的限制性因子已经发生了转换， 有可能其他环境因素成为了藻 类生长与水华暴发的限制因子， 而营养元素的浓度只是人们可以控制的诱导因素 之一，这有待人们进一步研究加以认识。 另外，铁、钼等微量元素是蓝藻光合作用和固氮过程中的必须元素， 可以单独，或是与氮或磷共同限制藻类的增长，尤其是在以蓝藻为主导的 湖泊水体 30。当铁浓度在0.1- 1.0mg/l时，藻类群落开始从绿藻向蓝藻演替 31。 钼元素是固氮酶的重要辅因子， 是藻类固氮必不可少的营养元素。 gold- man首次发现钼在一年内的某些时段限制藻类的增长，从而开创了微量元素 对藻类增长限制影响的研究和应用。 营养盐来源按进入途径可分为外源和内源。 外源污染又可分为两大类： 点源， 来自流域的城镇生活污水和工业污染源排放；面源，来自流域的农田径流、畜禽 养殖、水产养殖及其他面源。随着点源污染排放的不断达标，面源污染日益成为 水体富营养化的主要来源。 内源污染是由于湖底沉积物中液态营养盐向上覆水中 释放，在动力作用下营养盐再悬浮造成的，在这种因素影响下，即使大幅度削减 外源污染负荷，在特定条件下，仍可能引起藻类暴发。 上海交通大学硕士学位论文 - 11- 1.3.2 光照度 藻类依靠光合作用维持其生存和繁衍，光是藻类生长必不可缺的因素。藻类 的生成和分解就是在水体中进行光合作用(p)和呼吸作用(r)的一个典型过程，可 以用简单的化学计量关系来表征32： 2 2342106263110162 1061612218138 p r conohpoh ohchonpo + + 痕量元素和能量 (1- 1) 藻类的光合作用速率对光照度的响应符合 p- i 曲线33：在低光照度下，光合 作用速率与光照度正比关系。随着光照度的继续增加，光合作用速率逐渐达到最 大值，这时的光照度称为饱和光照度。此后，浮游植物光合作用不会再随光照度 增加而增加；相反，甚至会下降或停止，表现出光抑制。浮游藻类光合作用的最 适光强一般不超过 10000lux- 20000lux，光强过高或过低都会对藻类的生长有抑 制作用，致害的光强往往随温度上升而升高。 陈雪初等21通过在不同光照度下培养微囊藻的试验发现，在 bg- 11 培养基 中， 在入射光照度为4300lux下最适宜铜绿微囊藻的生长， 比增殖速率达到0.4d- 1， 而在入射光照度小于 120lux 下，铜绿微囊藻的比增值速率为负值，即出现消亡 的趋势；而在源水培养基中的，在入射光照度小于 500lux 时，铜绿微囊藻即出 现消亡的趋势。孙扬才等22在夏季暴发微囊藻水华的围隔内，通过水面遮光， 使水下 0.1m处的光照度从遮光前的 70000lux下降到遮光后的 800lux，围隔内的 叶绿素 a 浓度由这光前的 176.9g/l 在 2d 后下降到 45.5 g/l，在 7d 后下降到 21.4 g/l，表明能够通过物理遮光的方法来改变水体入射光照度，从而控制藻类 水华。 光照度随着水深的增加呈现衰减的趋势，当水深按算术级增加时，光照强度 呈指数递减，变化规律符合比尔定律： kz z iae= (1- 2) 其中 z为水深(m)、iz为深度 z处的光照度(lux)、k 为光衰减系数，光衰减系数与 水体自身性质有关。陈雪初等20在进行遮光控藻中试试验时发现，在遮光前光 照度的衰减方程为 2.10 52211 x z ie=，而在遮光后光照度的衰减方程变为 2.05 1525 x z ie=。由此可见，无论入射光照度的高低，在水体中光照度的强烈衰 减， 因此考虑湖泊水体中光照度对藻类生长的影响就需要考虑到光衰减作用的影 上海交通大学硕士学位论文 - 12- 响。jef huisman34研究表明浮游植物的增长速率决定于生产力和消失速度之间 的平衡，即： 1 ( ) a d p i sdsd dtz = （1- 3） 式中： ? 浮游植物的种群密度 p(i) 是由光强增减引起的生产力特征变化速率； i(s) 是由深度 s 变化引起的光强变； ， z 水柱的总深 d 由稀释引起的衰减速率。 上述平衡式表示，深度 z处的藻类密度与该处的光照度有着密切关系，也就 是表明光衰减现象对湖泊水体的藻类密度有着重要影响。 光照度的变化除了对藻类的增殖产生影响外， 还会对藻类在水中的垂直迁移 能力产生影响。蓝藻因其具有伪空胞，故光照度对蓝藻垂直迁移的影响不同于其 他种群的藻类。由于伪空胞的存在，蓝藻可以调节其到水体中有利于自己生长 的位置，以适应生长需要的能力，这种调节能力有利于打破热分层湖泊中 光和营养的隔离，孔繁翔等35研究表明伪空胞在微囊藻的浮聚过程中起着 重要作用，如表 1- 2 所示。 表 1 - 2 微囊藻水华形成四阶段理论 时间 生理阶段 有关生命特征 主导因子 10 月2 月 死亡或休眠 代谢基本停止 低温、黑暗 3 月4 月 复苏 生理生化活性缓慢恢复 氧、营养盐、低光等 4 月6 月 生物量增加 光合作用，细胞增殖 光合作用需要的能 量与物质 7 月9 月 上浮、积聚 气囊和群体 气象与水文 蓝藻的浮力调节机制包括三部分：伪空胞的合成，伪空胞的破裂和细胞镇重 上海交通大学硕士学位论文 - 13- 物的合成与消耗，其中细胞镇重物主要是指细胞内碳水化合物(也称作糖)和蛋白 质。蓝藻浮力调节能力是依靠细胞密度的变化来达到的。细胞密度的变化决定于 细胞内伪空胞和镇重物的含量，两者分别为细胞提供上浮和下沉的动力。 蓝藻浮力调节对光的响应首先在鱼腥藻的培养中被证实， 鱼腥藻在低光下获 得浮力，而在高光下丧失浮力36。很多蓝藻在高光下丧失浮力都被证实了，包 括微囊藻，鱼腥藻，束丝藻，蓝纤维藻，胶刺藻属，束毛藻属。在光照充分的情 况下，3 种因素都可以使细胞密度增大，促使细胞下沉。首先，当碳水化合物的 合成速度超过细胞增殖速度时， 碳水化合物在细胞内积累， 增加了镇重物的比例。 其次，碳水化合物的积累以及细胞对 k+离子吸收增强，使细胞内电介质浓度升 高而使细胞膨压增大，从而导致伪空胞的不可逆性破灭；再者伪空胞的合成受到 光的抑制，随着蓝藻的生长，细胞内伪空胞的浓度被稀释。相反，在低光照条件 下，碳水化合物的消耗，伪空胞的合成速度加快都促使细胞密度减小37。 1.3.3 温度 一般认为，在夏季和初秋高温季节微囊藻之所以容易形成水华，与温度有着 密切的关系。微囊藻作为常见的水华藻种，比较适合其生长的水温为1635。 多年的监测结果显示太湖中微囊藻水华出现在水温18.232.5，处于5月至10月 之间38。在温度较低的冬季，微囊藻会以单个细胞或数个细胞的小群体存在于 表层底泥39。春季回暖时微囊藻得以复苏和生长，已有研究表明底泥蓝藻的最 佳复苏温度在1821高于非蓝藻的复苏温度141840。金相灿41等研究表明， 当温度降低至13以下时，水华微囊藻和孟氏浮游藻浮力明显下降，其中水华微 囊藻的生长受到抑制，细胞内碳水化合物积累，趋于休眠。 湖泊中的水温分层也促进微囊藻的生长， berger 等42的研究表明微囊藻在不 分层的水体只占很小一部分， 而在昼夜分层或长期分层的水体中很快就能成为优 势种。王晓东等对泽雅水库的研究也表明，泽雅水库中热成层形成之后，藻类密 度开始波动上升，而热成层受到破坏后，在水温变化较小的情况下，藻类密度却 显著下降43。 上海交通大学硕士学位论文 - 14- 1.3.4 ph 蓝藻生长需要充足的氮磷营养和适宜的环境条件，但水体ph值对其生命活 动、物质代谢等影响不容忽视。由于藻类体表通常带负电荷，非离子态化合物比 离子态化合物更容易渗入藻类细胞，ph 值过高或过低会影响水体中有机质的离 子化作用，从而间接影响藻类生长44。黄钰铃等45的研究表明当营养物质及其 他条件适宜时， ph 值为8 左右可促进水华发生。 王志红等46通过研究指出， ph 的变化，可以通过相关性指示藻类处于生长周期的某个阶段，从而可以对藻类的 生长潜力和持续期进行预测。野外观察发现，当ph升高时，蓝藻易于出现优势。 在大多数富营养化湖泊中，由于藻类的光合作用消耗水体中的的co2，使得水体 的ph值上升，在ph值较高的时间里，蓝藻往往大量繁殖，成为优势藻种47。 1.3.5 水动力 在适宜藻类生长的季节， 太湖藻类水华的爆发一般出现在稳定大风作用过后 的小风或静风、天气晴朗时段，这表明水华与水动力过程有着某种联系。产生湖 泊水华现象的藻类在种群演替和数量变化方面都有极明显的周期性。 这个周期性 变化, 除受浮游生物本身生长的生理生态状态影响以及湖泊环境温度、光照的周 期性变化外，同时还受到水体的水动力作用影响48。 另外，水体的对流搅动也会对藻类种群密度产生重要影响。水体对流运动能 将富含溶解氧的表层水输送到水体底部、同时可以补给表层水中的营养盐49。 同时研究表明稳定水体适合蓝藻形成竞争优势， 硅藻在稳定水体中具有较高的沉 降损失，不易形成积累，通过水体混合的方法能降低蓝藻优势度，从而改变浮游 植物群落的种类组成。并且不稳定的水体环境异质性较高，一般难以形成单一优 势种群，生物多样性较好50。有研究提出适宜的扰动既能使铜绿微囊藻有较高 的生长速率又能防止其沉降，从而使水体中铜绿微囊藻的数量保持高浓度51； 一定强度的风浪搅动可以有效抑制藻类的增长和聚集，有效削弱水华的功效52。 1 . 4 遮光控藻技术研究进展及本研究的内容与目的 本研究以上海交通大学河湖环境工程技术研究中心关于遮光控藻技术已有 上海交通大学硕士学位论文 - 15- 研究成果为基础， 继续在水柱中深入研究不同光照度下， 藻类生长迁移特性变化， 探索遮光条件下控藻作用机制。根据藻类在低光照度下的消亡特性、迁移特性， 提出利用遮光曝气组合方法来达到控藻目的，以期缩短控藻周期，恢复水体溶解 氧。主要研究内容包括以下几个方面： 1) 光照度对水柱中斜生栅藻生长特性的影响研究。以斜生栅藻为例在水柱 研究了光照度对藻类生长特性的影响，主要包括藻的细胞数、od650值、水体 ph 值、磷酸盐浓度等在不同入射光照度下的变化情况；同时进行了摇瓶试验研究， 对比了水柱试验与摇瓶试验的结果差异。 2) 光照度对水柱中蓝藻垂直迁移特性的研究。通过摇瓶试验，在 bg- 11 培 养基内研究铜绿微囊藻和水华鱼腥藻的比增值速率和胞内碳水化合物浓度在不 同光照度下的变化规律， 提出碳水化合物含量是导致蓝藻出现昼夜垂直迁移的主 要因素；野外围隔内诱发微囊藻水华，作为实验室内水柱试验的藻种来源，研究 入射光照度、微囊藻的垂直迁移速度、不同深处水层中微囊藻碳水化合物含量三 者之间的动态关系。 3) 遮光曝气组合方法控制微囊藻研究。首先研究了遮光条件下曝气量、水 体停留时间两因素对藻类消亡的影响、及水体 do、cod、浊度、tp、tn 等水 质指标的变化。结合低光照度下垂直迁移特性、曝气对藻类消亡的影响，进行了 遮光曝气组合方法控制微囊藻研究，以期能进一步提高遮光控藻法的除藻效果、 缩短控藻周期。 上海交通大学硕士学位论文 - 16- 第二章 材料和方法 2.1 实验仪器 实验所用仪器如表 2- 1 所示： 表 2 - 1 实验仪器 仪器名称 仪器型号 生产厂家 台式离心计 tdl- 5 上海安亭科学仪器厂 立式压力蒸汽灭菌器 yxq- ls- 50s1 井内盛荣堂株式会社 紫外可见分光光度计 uv- 2102 pcs 尤尼柯（上海）仪器有限公司 电子天平 shangping 2104s 上海精科天平 人工气候室 rsz- 2 宁波科技园区新江南仪器公司 数位式照度计 tes- 1330a 泰仕电子工业股份有限公司 光学显微镜 olympus bx51 奥林巴斯大学工业株式会社 便携式溶解氧测定仪 sension6 美国 hach 公司 磁力搅拌仪 79- 1 江苏省金坛市荣华仪器制造公司 便携式 ph 计 hach sension1 美国 hach 公司 石英自动双重纯水蒸馏器 1810- b 江苏省金坛市荣华仪器公司 超声波仪 kq- 250b 上海绿宇生物科技有限公司 调速多用振荡器 hy- 2 国华电器有限公司