以再生水为补水的景观水体水华爆发特征调

1、第6卷第12期环境工程学报Vol6，No122012年12月Dec 2012以再生水为补水的景观水体水华爆发特征调查和药剂应急控藻效果评价周律1李春丽1吴薇薇1刘晶晶1丘靖国1，2邢丽贞1，2（1清华大学环境学院，北京100084；2山东建筑大学环境科学与工程系，济南250101）摘要采用现场调查和实验室验证的方法，对以再生水为景观补水的水华优势藻进行了分析。2年的现场调查表明，再生水在条件适合时极易发生水华，且水华的优势藻以小球藻为主。在实验室针对小球藻和铜绿微囊藻进行了竞争生长实验研究，在再生水的氮磷浓度范围内小球藻生长快于铜绿微囊藻，这也验证了再生水作为景观水补水时小球藻是优势藻现场调查

2、结论。针对水华爆发初期和水华爆发验证时2种条件，比较研究了4种以化学成分为主的抑藻药剂对以小球藻为水华特征藻的控藻效果。结果表明，这4种药剂对水华的控制均具有一定的效果，并且水华初期实施药剂抑藻，药剂投加少，且效果好。对4种药剂进行急性毒性实验，只有S2一种药剂在安全浓度时对水华爆发初期有抑藻效果。关键词再生水景观水体水华优势藻抑藻药剂中图分类号X7031文献标识码A文章编号1673-9108（2012）12-4429-07Algal bloom investigation and control evaluation through algaecides in recreational wa

3、ter bodies supplemented by reclaimed waterZhou Lü1Li Chunli 1Wu Weiwei 1Liu Jingjing 1Qiu Jingguo 1，2Xing Lizhen 1，2（1School of Environment ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ；2Department of Environmental Science and Engineering ，Shandong Architecture University ，Jinan 250101，China ）Abs

4、tract Combined site investigation and laboratory test ，the algal bloom and its dominant alga species were analyzed in recreational or ornamental water use that the makeup water is from reclaimed waterConductingtwo year site investigation ，the results showed that the recreational or ornamental pond b

5、reak out algal bloom easi-ly when the favorable conditions are available such as light ，temperature and nutrient ，etc ，and the dominant al-ga is Chlorella vugaris For further verifying the results in site investigation ，the competitive growth test was made between Chlorella vugaris and Microcystis a

6、eruginosa through the algal growth potential under different TN and TP concentrations that coined with the scope of reclaimed water effluentThe lab test showed that the propagationspeed of Chlorella vugaris was faster than Microcystis aeruginosa s ，which is same as the results in site investiga-tion

7、To inhibit algal bloom with dominant Chlorella vugaris ，four different chemical algaecides were selected ，ieS1，S2，S3and S4The inhibiting abilities of the four algaecides were evaluated in the initial algal bloom outbreak （algal density ：107cells /Lor so ）and after algal bloom outbreak （algal density

8、 ：109cells /Lor so ）It is found that the four algaecides all had a certain inhibition on algal bloom with different dosage levelsAfter a-cute toxicity tests of four algaecides ，S2showed better inhibiting algal bloom in initial algal bloom outbreak with safe levelKey words reclaimed water ；recreation

9、al water bodies ；algal bloom ；dominant algae ；algaecides基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重点项目（2007BAC22B02）收稿日期：20111025；修订日期：20120314作者简介：周律（1963 ），男，博士，副教授，主要从事水污染控制方向的研究。E-mail ：zhoulumailtsinghuaeducn中国是极度缺水的国家1，城市污水的回用是当前城市发展重要内容。污水经深度处理回用景观水体既可以增加环境湿度，改善小气候，同时也可以缓解城市缺水，提高水资源有效利用率，有效控制水体污染2-4。再生水是经过一定深度处理的城市生

10、活污水，其污染物本底值相对较高，营养盐含量丰富，与地表水的水质有着明显的不同5，6。再生水回用景观水体中，出现水华是其中的最大应用障碍7。景观水体通常属于非连续流动水环境工程学报第6卷体，流速缓慢，为藻类的生长提供了稳定的水环境，同时人工景观水体的水深一般1 2m ，已有的研究表明，浅水比深水更易发生富营养化问题，在外界适宜条件下，极易爆发水华，严重影响水体的景观效果8-10。因此，在再生水回用于景观水体的过程中，由于水中污染物组成结构与地表水的污染物组成结构不同11，这就可能导致发生水华的特点不同，因此需要结合水质恶化的特点，采取有针对性的措施来保障再生水的景观功能。本研究对再生水在景观水体

11、中水华暴发的特征进行了研究，在此基础上对药剂的控制水华进行了对比研究。1材料与方法研究采用现场调查和实验室研究结合的方法进行。现场研究主要调查以再生水为补水的景观水体水华爆发的特征。实验室研究主要进行水华爆发的特征机理分析和考察有针对性的药剂抑藻效果。实验在北京某污水处理厂内的露天水池进行，该水池面积约450m 2，底质是泥底，四周壁面为水泥。水池的结构不规则，大致为长方形。补水为北京某污水处理厂二级出水经过处理后的再生水，实验期间主要水质为：BOD 5（916 075）mg /L，COD （4531 308）mg /L，SS （1227 171）mg /L，TN （1526 214）mg /

12、L，NH 3-N （128 100）mg /L，TP （03 02）mg /L。实验期间根据气象等情况每日向水池补充一定量的水，保持水深在14m 左右。现场水样用取样器在距水面下05m 处采集。按照文献规定相关方法，进行样品处理，并对藻类密度进行计数12。实验室研究在人工气候箱中进行。具体培养条件如下。（1）白天：温度（30 2） ；晚上：温度（25 2） ；（2）光照：白色日光灯（3000 300）lx ；（3）湿度66%；（4）光暗比14 10。实验所用铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa ）和小球藻（Chlorella vugaris ）购自中国科学研究院武汉水生生物

13、研究所。实验用Oryzias latipes 购自中国科学研究院生态环境研究中心。根据文献13，14等，分别选择4种抑藻药剂S1、S2、S3和S4。其中，S1主要由十二烷基二氨基乙基甘氨酸（Dodecyl-di （aminoethyl ）glycine ）、大麦杆浸取液、粘土、控藻菌、渗透混溶剂等复配而成，由北京和濡水尚科技有限公司提供。S2为安全性很高的氧化剂、酶制剂复配而成，其主要成分经卫生部批准可作为添加剂使用在化妆品、牙膏中，由北京和濡水尚科技有限公司提供。S3主要成分为二溴海因，它是一种广谱、安全的杀菌消毒剂，其杀菌作用不受水质肥瘦、酸碱度等因素影响，且残留物短期内可生物降解完全，无

14、环境污染，药剂购自江苏盐城百瑞特精化有限公司。S4主要成分为二氧化氯，二氧化氯是目前国际上公认的新一代安全、高效、光谱的杀菌剂和优质的保鲜、除臭、漂白剂，具有杀菌效果好、速度快、安全环保等优点，实验用药剂由北京绿先锋环保科技有限责任公司提供。总磷（TP ）、溶解性磷酸盐（TSP ）、总氮（TN ）、悬浮物（SS ）、COD 、叶绿素a 、水温的分析采用文献15的相关方法，藻密度测定采用文献12的方法。参照水质物质对淡水鱼（斑马鱼）急性毒性测定方法（GB /T13267-1991）进行抑藻药剂急性毒性实验。2结果与讨论21现场水华浮游藻类种类组成及水华特征露天景观水池实验从4月份进行到10月份，

15、跨度了3个季节，共连续观察2年。本调查中共检出浮游植物10属，分别属于绿藻门和硅藻门。其中绿藻门较多，8属；硅藻门为2属，详见表1。各藻门在各季节的分布比例不同：在初夏季节绿藻门占80%，硅藻门占20%；进入夏、秋两季后，绿藻门的比例上升，绿藻门占90%，硅藻门占10%。在整个实验阶段，爆发水华时优势藻种一直是绿藻门中的小球藻属，而且出现的其他藻种也都属于绿藻门。水华（algal bloom ）是水体富营养化的典型特征之一，它是水体中一些浮游生物的爆发性繁殖引起的水质恶化异常现象。水华是水体中出现富营养状况并具备适宜的温度、光照、气候及合适的水文条件等有利于藻类生长或聚集的环境条件时，水体藻类

16、大量生长繁殖或聚集并达到一定浓度的现象。水华一旦发生就会使表征水体水质的某些参数发生变化，造成水体藻密度上升，叶绿素a 含量增加；水体透明度降低；溶解氧、pH 发生变化，甚至会发出异味等。对于景观水体，当藻密度升高到107cells /L以上，叶绿素a 含量增加到40mg /m3，透明度降低到05m 以下，就可以认为水华发生16。344第12期周律等：以再生水为补水的景观水体水华爆发特征调查和药剂应急控藻效果评价表1调查中出现的主要藻种Table 1Appearance of main alga species in site investigation项目45月69月中旬9月下旬10月最高水

17、温（ ）242926优势藻种小球藻（chlorella ）小球藻（chlorella ）小球藻（chlorella ）出现的其他藻种栅藻（Scenedesmus ）羊角月牙藻（Selenastrum capricornutum ）新月藻（Closterium ）脆杆藻（Fragilaria ）小环藻（Cyclotella stelligera ）衣藻属（Chlamydomonas ）栅藻（Scenedesmus ）小环藻（Cyclotella stelligera ）羊角月牙藻（Selenastrum capricornutum ）新月藻（Closterium ）衣藻属（Chlamydomon

18、as ）栅藻（Scenedesmus ）丝藻（Ulothrix ）盘星藻属（Pediastrum ）微星藻属（Micrasterias ）藻密度（cells /L）108109109最大溶解氧（05m ）（mg/L）152118叶绿素a （mg /m3）120240220最大pH （05m ）95105102本研究中观察到，水体中的藻类随季节是以硅藻、绿藻为主转变为以绿藻为主。初夏季节出现的硅藻门中脆杆藻属、小环藻属，2种藻均属于中富营养化的常见藻类；进入夏秋季后水体出现了衣藻属、栅藻属等绿藻，均为重富营养型湖泊、水库中常见的优势藻类。可见水体在进行气温较高的夏、秋季节，处于富营养化或重富营养

19、化状态。根据水体富营养化的分类17，本实验中春季是中-富营养绿藻-硅藻型等，夏秋季是富营养化绿藻性。水体在爆发水华时呈现微绿色或者深绿色，表现出绿藻水华的特征。各门类藻种适应生存于不同的营养型配比水体中，藻类群落结构也会随之发生变化，有研究表明，在总氮相对丰富的水体中，绿藻比例较大；在总磷含量相对高的水体中，蓝藻比例上升。可见绿藻水华多繁殖需含氮量相对丰富的富营养化水体中，而蓝藻水华多爆发在磷含量相对丰富的富营养化水体中。低的氮磷比更有利于具有固氮作用的蓝藻生长，氮磷比低于29 1时，有形成蓝藻水华的可能；高于29 1时，蓝藻将很少出现18。从本实验观察的情况，氮磷比高于15 1时，均出现绿藻

20、水华的情况。这是因为蓝藻有固氮作用，当水体中氮含量低时，蓝藻表现出固氮作用，通过固定空气N 2的蓝藻大量生长繁殖，因此在缺氮富含磷的水体中，蓝藻占绝对优势。一般湖泊富营养化爆发的规律是硅藻-绿藻-蓝藻的过程19，这是由于藻类数量的急剧增加，大量消耗水中碳、氮、磷等营养物，尤其是碳、氮利用量较高，水中氨氮含量大大降低，并利用CO 2进行光合作用，此时对氮要求较低并能固定空气N 2的蓝藻大量生长繁殖，使具有较强竞争力的蓝藻占绝对优势，因此由硅藻或者绿藻转变为蓝藻占优势。而本研究中的水体不断有再生水的输入，营养盐氮磷比维持在一个相对高的范围内，具有固氮作用的蓝藻没有占到优势，因此，本实验水池的水华爆

21、发规律是硅藻、绿藻-绿藻的过程。此外，在调查中还发现，以再生水回用的景观水体爆发水华时多为绿藻中的小球藻属；而大多数不是用再生水补给的公园里的景观水体中，爆发水华时，大多出现的是蓝藻的微囊藻属、束丝藻属等。22实验室不同藻的竞争实验以无氮和磷的BG11作培养基，用NaNO 3和K 2HPO 4·3H 2O 调整氮磷浓度及比例。在磷初始浓度为03mg /L不变的条件下，取氮浓度分别为45、90、150和450mg /L，对小球藻和铜绿微囊藻进行了竞争培养研究，其中小球藻的初始接种密度为37 107cells /L，铜绿微囊藻的初始接种密度为33 107cells /L。图1为竞争实验中

22、为小球藻和铜绿微囊藻的生长数量结果，对比可以发现：除了初始阶段外，无论氮浓度为多少，在培养时间内，同一时间点处，小球藻的藻细胞数量均大于藻细胞数量，小球藻均表现为优势藻。这与现场的实验观察结果一致，即在再生水通常的氮磷比范围内，小球藻将是水华爆发的优势藻。23几种抑藻药剂的抑藻实验实验分为2个阶段，分别研究选择药剂的抑藻效果。其中第1阶段，考察药剂在水华爆发开始时，1344环境工程学报第6卷 图1小球藻和铜绿微囊藻生长竞争实验Fig1Algal competitive growth test in lab betweenChlorella vugaris and Microcystis aer

23、uginosa投加药剂的抑藻效果，根据已有成果，景观水体藻密度小于15 107cells /L是比较安全10，因此这一阶段，小球藻藻密度按照121 107cells /L配置。第2阶段研究水华发生后，药剂的抑藻效果，这一阶段小球藻藻密度配置为105 109cells /L。这2个阶段中，S1的投加量分别为：0、05、1、2和4mg /L。S2的投加量分别为：0、001、002、004和008mg /L。S3的投加量分别为：0、1、2、4和8mg /L。S4的投加量分别为：0、4、6、8和10mg /LS1的抑藻效果见图2，从图2（a ）可以看出：在水华刚爆发开始，即小球藻藻密度为121 107

24、cells /L时，加入S1能很好的抑制小球藻的生长，到第8天05mg /L浓度组小球藻恢复生长，藻密度为30 107cells /L，到实验结束时05mg /L浓度小球藻密度为110 107cells /L，抑制率达81%。抑藻率=（实验结束时未加药组藻密度实验结束时加药组藻密度）实验结束时未加药组藻密度100%1、2和4mg /L浓度组对小球藻的抑制效果稳定，在实验期间这3组的平均藻密度分别为106 107、111 107和106 107cells /L，在这5组浓度中，S1完全控制小球藻生长的最低浓度为1mg /L。在水华爆发后（见图2（b ），即初始藻密度为105 109cells /

25、L时，05mg /L和1mg /L浓度组小球藻生长部分受到影响，实验后期藻密度分别达到8 109cells /L和36 109cells /L，即抑制率为27%和67%。2mg /L和4mg /L浓度组对小球藻的抑制效果稳定，在实验后期，这2组的藻密度分别为130 107cells /L和110 107cells /L。因此，在这5组浓度中，S1完全控制小球藻生长的最低浓度为2mg /L。图2水华爆发开始时和研究水华发生后S1抑藻效果Fig2Algal inhibitory effect of algaecide S1with differentdosages at beginning and

26、 serious stage of bloom outbreakS2的抑藻效果见图3，从图3（a ）可以看出：在2344第12期周律等：以再生水为补水的景观水体水华爆发特征调查和药剂应急控藻效果评价水华刚爆发开始，即小球藻藻密度为121 107cells /L时，加入S2的004mg /L和008mg /L浓度组能很好地杀灭小球藻，实验结束时，藻密度未检出。而001mg /L和002mg /L浓度组对小球藻生长有部分抑制作用，实验结束时，藻密度分别为420 107cells /L和330 107cells /L，即抑制率分别为28%和44%。在这5组浓度中，S2有效控制小球藻生长的最低浓度为0

27、04mg /L。在水华爆发后（见图3（b ）， 即初始藻密度为105 109cells /L时，001mg /L和002mg /L浓度组小球藻生长受到影响小，001mg /L组结束时，藻密度与不加药剂的相同，002mg /L浓度组在结束时，藻密度为93 109cells /L，抑藻率为15%。004mg /L和008mg /L浓度组对小球藻的抑制效果稳定，在实验结束时，这两组的藻密度分别为13 109cells /L和12 109cells /L，抑藻率分别为88%和89%。 图3水华爆发开始时和研究水华发生后S2抑藻效果Fig3Algal inhibitory effect of algae

28、cide S2with differentdosages at beginning and serious stage of bloom outbreakS3的抑藻效果见图4，从图4（a ）可以看出：在水华刚爆发开始，即小球藻藻密度为121 107cells /L时，加入S3的2mg /L、4mg /L和8mg /L浓度组能很好的杀灭小球藻的作用，实验结束时，2mg /L浓度组藻密度为3 106cells /L，4mg /L和8mg /L浓度组藻密度未检出。而1mg /L浓度组对小球藻生长有部分抑制作用，实验结束时，藻密度为360 107cells /L，即抑制率为39%。在这5组浓度中，S3

29、完全控制小球藻生长的最低浓度为4mg /L。在水华爆发后（见图4（b ），即初始藻密度为105 109cells /L时，1mg /L和2mg /L浓度组小球藻生长受到影响小。实验结束时，与不加药剂组的藻密度相比，1mg /L和2mg /L浓度组抑制率分别为11%和31%。4mg /L和8mg /L浓度组抑藻效果稳定，在实验结束时，抑藻率分别为86%和88%。图4水华爆发开始时和研究水华发生后S3抑藻效果Fig4Algal inhibitory effect of algaecide S3with differentdosage at beginning and serious stage o

30、f bloom outbreakS4的抑藻效果见图5，从图5（a ）可以看出：在水华刚爆发开始，即小球藻藻密度为121 107cells /L时，加入S4的6、8和10mg /L浓度组能很好的杀灭小球藻的作用，实验结束时，6mg /L浓度组藻密度为2 106cells /L，8mg /L和10mg /L浓度组藻密度未检出。而4mg /L浓度组对小球藻生长有部分抑制作用，培养过程的后期，藻密度升高，实验结束时，藻密度为41 109cells /L，抑制率仅为30%。在这5组浓度中，S4完全控制小球藻生长的最低浓度为6mg /L。水华爆发后（见图5（b ），即初始藻密度为105 109cells

31、/L时，4mg /L和6mg /L浓度组小球藻生长受到一定程度的影响。实验结束时，与不加药剂组的藻密度相比，4mg /L和633444434 环 境 工 程 学 报 第6卷 mg / L 浓度组抑 制 率 分 别 为 22% 和 63% 。8 mg / L 和 10 mg / L 浓度组抑藻效果稳定， 在实验结束时， 抑 藻率分别为 86% 和 89% 。 3 结 论 经过 2 个夏季的调查， 观察到以再生水为补水 的景观水体易出现水华， 爆发水华的优势藻主要为 小球藻。在实验室进行了进一步的验证， 在再生水 所在的氮磷浓度下， 小球藻仍然是水华爆发的优势 藻。这与一般城市水体中出现以微囊藻为

32、水华爆发 优势藻的情况不同， 以小球藻为优势藻可能与再生 水的水质特点， 尤其是氮磷比有关。 结合水华爆发优势藻的特点， 选择了 4 种以化 学成分为主的药剂进行控藻比较研究， 针对水华爆 发初期和水华严重时两种分别进行了实验， 结果表 明这 4 种药剂对水华的控制均具有一定的效果， 并 且水华初期实施药剂抑藻， 药剂投加少， 且效果好 。 对 4 种药剂进行急性毒性实验， 只有 S2 在安全浓度 时对水华爆发初期有一定的抑藻效果 。 参考文献 1 Jiang Y China s water scarcity Journal of Environmental 2009 ， 90 （ 11 ）

33、： 31853196 Management， 图5 Fig 5 水华爆发开始时和研究水华发生后 S4 抑藻效果 Algal inhibitory effect of algaecide S4 with different 2 张昱， 刘超， 杨敏 日本城市污水再生利用方面的经验 分析 环境工程学报， 2011 ， 5 （ 6 ） ： 12211225 Zhang Y Liu C Yang M Experience analysis of wastewater reclamation and reuse in Japan Chinese Journal dosage at beginning a

34、nd serious stage of bloom outbreak 采用 Oryzias latipes 对所选药剂进行急性毒性 实验 20 2011 ， 5 （ 6 ） ： 12211225 （ in of Environmental Engineering， Chinese） 3 陈卫平 美国加州再生水利用经验剖析及对我国的启 示 环境工程学报， 2011 ， 5 （ 5 ） ： 961965 Chen W P Reclaimed water reuse experiences in California and hints to China Chinese Journal of Env

35、ironmental Engineering， 2011 ， 5 （ 5 ） ： 961965 （ in Chinese） ， 以评价杀藻剂的生态安全性能。 所得到的 结果如下： S1 的 48 h 半致死浓度 LC50 = 3 62 mg / L； 96 h 半致 死 浓 度 LC50 = 3 34 mg / L； 安 全 浓 度 （ SC ） = 0 36 mg / L。 S2 的 48 h 半致死浓度 LC50 = 0 245 mg / L； 96 h 4 Ohgaki S ， Sato K Use of reclaimed wastewater for orna半致死浓 度 LC50

36、= 0 237 mg / L， 安 全 浓 度 （ SC ） = mental and recreational purposes Water Science and Tech0 0245 mg / L。 半致死浓 度 LC50 = 0 379 mg / L， 安 全 浓 度 （ SC ） = 0 0245 mg / L。 S4 的 48 h 半致死浓度 LC50 = 2 16 mg / L； 96 h 半致 死 浓 度 LC50 = 2 16 mg / L， 安 全 浓 度 （ SC ） = 0 216 mg / L。 1991 ， 23 （ 1012 ） ： 21092117 nology

37、， 2010 ， 43 （ 8 ） ： 水体 营 养 状 态 分 析 天 津 大 学 学 报， 727731 Feng C M ， Li Y ， Zhang Y J ， et al Eutrophication of enclosed landscape water supplemented by reclaimed water Journal of Tianjin University Science and Technology， 2010 ， 43 （ 8 ） ： 727731 （ in Chinese） 5 冯萃敏， 李莹， 张雅君， 等 以再生水为水源的封闭景观 S3 的 48 h

38、半致死浓度 LC50 = 0 379 mg / L； 96 h 根据急性毒性实验的结果， 可以看出在 4 种所 6 Inc Metcalf Eddy，Tchobanoglous G ，Burton F L ， 选的药剂中， 只有 S2 在安全浓度条件下针对水华爆 et al Wastewater Engineering： Treatment and Reuse Bos发初期具有较好的抑藻效果， 其他 3 种在安全浓度 时抑藻效果不好。 Hill， 2003 ton： McGraw 7 钱靖华， 田宁宁 再生水回用于景观水体存在的问题及 第 12 期 周 律等： 以再生水为补水的景观水体水华爆发

39、特征调查和药剂应急控藻效果评价 4435 防治对策 给水排水， 2006 ， 32 （ 5 ） ： 7174 Tian N N The major problems and counterQian J H ， measures for reclaimed water used for urban landscape waterbody Water Wastewater Engineering， 2006 ， 32 （ 5 ） ： 7174 （ in Chinese） 8 Ruley J E ， Rusch K A Development of a simplified phosphorus m

40、anagement model for a shallow，subtropical， 22 （ 2 ） ： 7798 sis of nutrients，chlorophyll and transparency in two large shallow lakes （ Lake Taihu， P R China and Lake Okeechobee，USA） Hydrobiologia， 2009， 627（ 1） ： 211231 10 Erik J ， Martin S ， Mariana M Shallow lake restoration by nutrient loading reduction： Some recent findings and challands： Proceedings of the 5th International Symposium on Shallow Lakes，Dalfsen， 2005 11 Carey R O ， Migliaccio K W Contribution of wastewater treatment plant effluents to nutrient dynamics in aquatic systems Environmental Management， 2009