水体富营养化和水华的控制技术研究现状

高雅

摘 要：针对我国日益严重的水体富营养化现象，从物理化学、生物和水力学三个方面对国内外富营养化和水华控制技术的研究现状进行了综述。结果表明，基于理性的氮磷营养物控制策略仍是水体富营养化控制的优先策略，科学合理的水力调度对库湾水体、城市河道抑制富营养化和控制藻类生长具有重要作用，传统的物理和化学方法及生物技术在小范围水华应急和水质维持较为有效，但一些方法的生态安全性及理论依据仍需加强研究。实际水体修复过程中仍需要不断调整方法以适用不同水体需求。

关键词：富营养化  水华  控制技术  浮游植物，调水

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0001-04

Review of Water Eutrophication and Control Technology of Alage Blooming

Gao Ya

Architectural Design & Research Institute of Tongji University （Group） Co.，Ltd，Shanghai，200092，China）

Abstract：Aiming at one of the serious water pollution problems of eutrophication in China， the current studies are reviewed concerning on water eutrophication and control technology of alage blooming from three aspects of physics and chemistry， biological and hydrodynamics， respectively. It is found that rational controling of nutrients （including N and P） is still a priority strategy and scientifical water division will be one of the best measures for suppressing harmful algae in reservoirs， gulfs and urban rivers. Several traditional strategies may be useful for local algae blooming and water quality improvement through physics， chemistry and biological measures， although their ecological safety and theoretical foundation should be further studied. It was included that each measure should be continuously adjusted for different water bodies in natural water remediation.

Key words：eutrophication  algae bloom  control technology  phytoplankton  water division

水体富营养化本是自然条件下江河湖泊演变过程中的一个阶段，然而，随着人为作用的不断加强，大量营养物质通过各种途径进入水体，引起浮游植物和水生植物生产力增加、水质下降等一系列变化，进而对水环境功能构成威胁，即人为富营养化[1]。   目前，人为富营养化已经成为全球淡水和海洋生态系统中所面临主要的环境问题之一[2]，也是当今许多国家和地区面临的十分严峻的水污染挑战。与水体富营养化相伴而生的一个最主要的后果就是藻类水华，通常是指个别浮游植物大量繁殖，生物量显著高于一般水体的平均值，并在水体表面大量聚集，形成肉眼可见的藻类聚集体[3]。有害藻类水华不仅影响水体景观，而且作为饮用水水源地时藻类产生的毒素及异味物质将会给自来水处理及饮用水安全构成严重威胁。因此，藻类水华的成因、机理及控制措施一直是学术界关注的重要科学问题之一[4-5]。

面对日益严峻的水体富营养化趋势，我国各级政府投入大量的人力、物力和财力用于水体富营养化治理，并提出了“让不堪重负的江河湖海休养生息”的战略举措，取得了一定的成效。但是，由于水体富营养化问题的复杂性，我国对湖泊、水库和河流等水体富营养化及水华的机理研究和治理工作与国际上先进水平总体上差距较大，面临着许多亟待解决的关键问题。湖泊富营养化防治走过了从营养盐控制、直接除藻，到生物调控、生态工程修复等艰难历程，但是由于对富营养化问题的认识不深，这些措施在浅水湖泊的实践，效果并不如意，水华问题则愈演愈烈。该文在笔者多年研究的基础上，从物化、生物及水力三个角度对富营养化和水华的控制技术进行了综述，以期为后续研究及应用提供借鉴和参考。

1 物理和化学控制技术

控制水体中营养盐的浓度是缓解富营养化问题的重要措施，这在全球已经普遍形成共识。在早期的控制措施中，以截污为代表的外源性营养盐及其污染控制成为湖泊和河流管理的主要措施[6]。然而，对于大多数水体，尤其是浅水湖泊，希望通过控制外源性营养盐来控制富营养化和水华暴发的努力都难以奏效。如我国的太湖、巢湖，尽管采取截污、污水改道、除磷等大量措施改善了水质，但水华问题依旧有增无减[7]。越来越多的研究发现，浅水湖泊底泥动力悬浮引起水体中氮磷浓度成倍增加，这些富含营养盐的沉积物，将源源不断地向水体输送营养盐[8]，尽管以底泥疏浚为主导的内源控制策略疏浚后产生的环境效益可能偏离人们的期望[9]，内源负荷依旧不容忽视。然而，同时控制内源和外源的氮和磷，需要花费巨大的代价，采取恰当的营养盐控制策略显得极为重要。2009年，Conley等[10]在《Science》杂志政策论坛上提出了一个极具争议性的问题，提出采用双重营养物削减战略控制湖泊、河口和海洋的富营养化，引发了学术界对这个“老问题”的再次热议。

尽管对于磷控制、氮控制还是同时控制的争论依然继续[11-13]，但是面对水体富营养化问题，首先第一步仍是要基于理性的氮磷营养物控制策略[14]，对这两种营养盐进行有效的控制，并在实际的修复过程中不断调整方法。Brookers和Carey[15]认为，富营养化水体控制措施中，营养盐的削减将是一种长期的投资，且大水体中营养盐削减对蓝藻水华的抑制效果会受到沉积物营养盐再循环和长的HRT的妨碍。同时，在富营养化的浅水湖泊中成为优势种的蓝藻对外源性营养盐的控制反应迟缓[16]，再加上目前非点源污染问题的凸显[17]，使得多数依靠外源性营养盐控制富营养化和水华暴发的努力成为泡影。

除了营养盐控制策略外，传统的物理和化学方法还包括机械捞藻、超声波-粉碎蓝藻细胞、放射线-杀灭蓝藻细胞、电磁电场-影响细胞活性、投加杀藻剂和絮凝剂等。陈雪初等[18]提出了以降低水下光照度为核心的遮光控制藻类技术，认为可以作为一种应急控制藻类的手段，防治藻类爆发性增殖。人工曝气技术在黑臭河道修复和富营养化水体水质改善方面的研究和应用也开始出现[19]。邹锐等[20]通过数值实验研究评估了垂向水动力扰动机对蓝藻的控制效应。但是这些方法多数适于小范围的临时应急措施，面对数千平方米的蓝藻水华也只能是沧海一粟。

2 生物控藻和生物操纵技术

生物控藻技术是利用生态平衡的原理，通过微生物和水生植物等来抑制有害浮游藻类的生长和繁殖，达到控制藻类数量的目的。目前生物控藻技术主要利用藻类病原菌（细菌、真菌）、病毒、植物释放化感活性物质等抑制藻类生长。如许多研究者发现溶藻细菌（Algicidal bacteria）能够通过释放特异性或非特异性的胞外物质，或直接攻击藻细胞，抑制藻类生长或杀死藻细胞，有效缓解蓝藻、硅藻等水华暴发[21-23];Redhead等[24]研究了70株非弧菌真菌对蓝藻的拮抗作用，发现62株能够溶解蓝藻细胞，它们分别属于支顶孢属（Acremonium）、翅孢壳属（Emericellopsis）和轮枝孢属（Verticillium）;蓝藻病毒（又称蓝细菌噬菌体）具有代时短和能够迅速出现抗宿主突变体的优点[25]，可作为控制蓝藻的一种潜在微生物。利用微生物控制有害藻类的研究目前还停留在实验室阶段，大规模应用于实际水体控藻还未能实现。利用大麦秸秆直接投放水中抑制藻类是目前为止最为成功的植物化感作用控制藻类的应用实例[26]，美国、英格兰、澳大利亚、加拿大、南非、瑞典等，也都有用大麦秆成功抑制丝状藻、蓝藻和硅藻水华的报道[27-29]，Ball等[30]证明了是化感活性物质存在于麦秆中而不是麦秆腐败产生的新物质抑制了浮游藻的生长繁殖。我国研究者亦有发现水稻秸秆等能够有效抑制藻类的生长[31]。目前国外已有商业性的大麦秆出售，即把切碎的大麦秆蓬松地装在网兜里，根据适当情况置于水体即可。然而，有关方面的研究相对比较零散，系统性较差，且实际水体中化感活性物质的生态安全性尚待评估。

生物操纵技术应用较为广泛，经典的生物操纵理论认为可以通过添加食鱼性鱼类或人为捕杀食浮游动物鱼类来实现抑制浮游植物生长[32]，这些方法多用于营养盐削减后对湖库水质的改善。由于水生生态系统的复杂性，多营养级的食物链很难促使水体保持稳定的鱼类和浮游动物种群，而浮游动物本身又很难直接利用微囊藻、束丝藻等水华藻类，因此这种理论的应用还存在很大的争议。我国学者提出了通过控制食鱼性鱼类并放养滤食性鱼类（如鲢鱼、鳙鱼等）来控制蓝藻水华的非经典生物操纵理论和技术[33]，尽管对一些水体蓝藻水华的抑制作用证据明确，但鲢、鳙对一定时期内水体营养盐变化的影响存在很大的不确定性，实施效果与水文条件和集水区状况等也有密切关联[34]。

3 调水改善水环境及藻类流场控制技术

调水引流是河流水系水质调控的重要手段，是指充分利用外部清水资源，通过闸坝等工程设施的合理调度，改善水体水动力条件，提高水体自净能力，增加水体环境容量，从而改善水体质量的一种水资源利用方式。最早通过水资源调度改善水质的工作始于日本，1964年，东京为改善隅田川的水质，从利根川和荒川引入16.6 m3/s（相当于隅田川原流量的3倍之多）的清洁水进行冲污，水质大有改善[35]，随后，日本继续开展河流间的调度工程，先后净化了中川、新町川、和歌川等10余条河流。此后，通过调水引流改善水环境的方法在许多国家也开始广泛应用，如美国EPA利用Columbia河水每天置换Moses湖10%～20%的水量，湖水水质得到明显改善;美国引Mississippi河入Pontchartrain湖的引水工程[36]、荷兰Veluwemeetr湖的引水工程[37]等，都出现了一定的效果。自20世纪80年代中期以来，我国利用水利工程进行引清调度的实践逐步开展。自2009年至今，我国水利部一直在深入探讨河湖水系连通的战略思想，意在保护生态环境的前提下，构建引得进、蓄得住、排的出、可调控的河湖水网体系。在我国南方地区，采用水资源调度改善水质的实践越来越多，在河湖水环境模型、水量水质联合调度、水资源优化配置、调水效果评估等方面取得了一定的成果。如上海苏州河水质改善工程[38]、引江济太工程[39]、西湖引水工程[40]、平原河网的水力调度工程[41]等，由于大量的基础研究工作未跟上，以往的工作大多是从实践的角度出发，缺乏系统理论和关键技术的研究，科学依据不充分，导致很多问题无法解决和大量实际工作无法正常开展。

稀释和冲刷作为引清调水改善水环境的理论已经成为共识[42]，然而引清调水的作用是以水治水，不止是增大水量和稀释脏水，更重要的则体现在其动力作用上。有研究认为，调水引流增加了水体流动，大大提高了水体的富氧能力，增加了水体的自净能力，从而使水质得到改善[37]。调水的动力作用还体现在针对防治水体水华暴发的生态水力调度技术[43]，即以限制水华暴发的临界水动力条件（流量、流速、水位等）为依据，提出限制河流和湖泊水华暴发的生态水力调度方案。目前国内外的相关研究相对较少。国际上以澳大利亚河流水华的综合整治技术最有代表性[44-45]，该技术通过对影响水华的临界流速、流量等的观测和模拟研究，利用水力调度等综合技术控藻，取得了良好的效果。水库的水力停留时间过长，容易滋生藻类诱发水体富营养化和水华[46]。我国学者针对三峡水库蓄水以来库区支流香溪河出现的水华问题，发现利用上游水利水电工程调节上游来流量比利用三峡水库小幅度水位波动（10～20 cm/d）进行生态调度效果明显，可望起到更好的抑制库湾水体富营养化和控制藻类生长的作用[47]。许可等[48]研究并建立了基于日调节的三峡水库支流非汛期生态调度模型，分析结果表明，增大水位波动和加快水体流速可以显著改善水体水质，并能够缓解库区和支流的富营养化现状。笔者在巢湖市封闭河道基于数学模型计算了最优的调水周期，提出了合理的涵闸工程改造与科学的引排结合的措施，结果表明，调水能够使河道的水动力条件得到显著提高，平均流速均大于0.10 m/s，高于浮游植物生长临界流速，科学合理的调水能达到抑制有害蓝藻水华在夏季暴发的目的[49]。

当前相关研究的难点主要在于临界水动力条件的选择上，由于临界水动力条件受多种因素影响，如溶解氧、水力条件、温度、微生物、河岸带均可在河道水质改善中起决定性的作用[50]。因此针对某一优势种藻类，综合考虑时空地域特点，在考虑营养盐、光照、水温等因子的基础上，建立一套综合反映富营养化发生、发展的临界判别体系尤为必要[51]。

4 结语

水体富营养化问题可谓冰冻三尺非一日之寒，富营养化控制将是一项长期的系统工程，需要在实践中不断深入研究。针对范围水体的富营养化控制，首先仍是要基于理性的氮磷营养物控制策略，在点源污染得到较为有效控制的前提下，面源污染的控制措施将是未来水体富营养化管理的重点问题。尽管不同的物理化学方法在一些水体水华应急和水质维持方面得到了较好的应用，但仍具有较大的局限性，尤其是一些生物方法的生态安全评估和生物操纵的理论依据仍需进一步加强。实践证明，科学的水力调度在库湾和城市河道富营养化控制中成效显著，但由于水体生态系统的复杂性，水动力对浮游藻类的抑制机理尚未完全揭示，基于流量管理的水华控制措施在实践过程中仍遇到了较多问题，这也是当前富营养化研究的热点问题之一。由于不同水体具有不同的水动力、化学、物理形态及生物特征，富营养化的控制措施亦应在实践中不断调整完善，探索适应于不同水体的富营养化和水华控制策略。

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