物理方法治理水华

第二节　物理方法治理水华

一、底泥疏浚

底泥释放的营养物对藻类的增长影响很大，尤其在浅水湖泊中。夏季水温升高，水体底部趋于厌氧状态，氧化还原电位急剧下降，表层底泥的还原状态，促使储藏在底泥中的营养物质以还原状态释放出来。因此从理论上讲，采用底泥疏浚，将富含高浓度营养物的底泥除去，是最彻底去除内源营养物的方法，可以控制藻类生长。但这种方法风险也很大，可能会引起沉积在底泥中的污染物质的二次污染，在对底泥采取工程措施之前，应对底泥进行分析化验，以减少可能引起的底泥重悬浮、污染物扩散等生态风险。

二、向水体充气

改善通气可改变水体底部还原状态为氧化状态，钝化底泥，减少底泥释放的营养盐。机械搅拌或向水体中剧烈通气来人为地使水体水层混合，可消除或防止热分层，限制藻类的光合作用，使透光区的平均温度降低，从而使藻细胞减少，降低浮游植物的生物量，控制藻类生长。从生态学观点来看，曝气可提高水中溶氧浓度，加速对污染物的分解，并防止水体发黑、变臭和透明度下降，同时为消费者的生存提供氧气，保证了食物链的畅通。据报道，日本的加藤善盛研究的曝气循环法对藻类的抑制效果在平均水深20 m时效果最好，在蓝藻生长旺季进行适当的人工循环，叶绿素浓度降低了20%，但在平均水深10 m以下时，循环效果急剧下降（图 3-7）。

图3-7 通过向水体充氧气来控制藻类水华

气浮工艺除藻的适用范围：① 气浮工艺用于处理密度小、不易沉淀的絮体、藻类、油类，效果显著。② 原水中悬浮杂质较少，气浮的气固比低，用气量少。③ 水温低，空气在水中的饱和度提高了，在同样压力下空气在水中的溶解度冬季要比夏季高54%。④ 原水在加压提升的过程中溶入一定的空气，而且当混凝剂水解时，产生的CO₂微气泡也容易与絮体接触，黏附在一起。若是用沉淀方式，CO₂会干扰颗粒下沉，很难将其从水中分离出去。特别是原水浊度在20 NTU以下时，这种现象尤为显著，就是斜板沉淀池也发挥不了多大作用。而气浮技术就能因势利导，使絮体加气上浮，足以克服低温低浊不利因素对絮体分离的影响（据资料介绍，絮粒成长到300~400 μm已足够被气泡黏附，而沉淀所需的絮粒，常常需要在1 mm以上，甚至更大）。

三、投加黏土

黏土除藻技术源于絮凝原理。在海洋赤潮暴发时，黏土曾被作为一种应急技术来使用，取得了一定的效果，但直接将黏土应用于淡水除藻却并不成功。针对目前黏土技术投加量大的缺点以及淡水中离子强度低，不利于黏土絮凝藻细胞的特点，潘纲等发现用天然生物高分子阳离子聚电解质——壳聚糖对黏土进行包覆改性，可大幅度提高黏土的除藻效率，降低黏土的使用量。高效黏土絮凝除藻不是通过传统的静电吸附机理，而是通过一种架桥网捕作用，就像蜘蛛网一样，将藻细胞黏网后共同沉入水底。

已经有学者对淡水中的26种黏土絮凝除藻的科学机理和系统分类、黏土的架桥网捕改性技术和各种影响因素及规律进行了深入的研究。目前已经有多种改性剂被开发并深入研究，例如采用黏土矿复合聚合氯化铝（PAC），与单加PAC相比，黏土矿的加入可显著增加絮体的密实度，使得沉淀后的活藻絮体在微扰动下不再漂浮上升，且能大大减少沉淀后底泥的体积，还可降低剩余浊度及出水中藻和铝的浓度。

向水中投加黏土是目前在韩国的海湾和湖泊使用的主要除藻补救措施。由于黏土来源充足，具有天然无毒、使用方便、耗资少等特点，曾一度受到欢迎。早在1997年，就有专家在国际权威科学期刊《自然》上撰文指出，使用黏土除藻可能是治理藻华的最有发展前途的方法。在相关文献报道中，也能找到这种技术在日本、美国、韩国、澳大利亚等国应用的实例。但是黏土技术本身不能防止藻类的再次泛起和底泥二次污染，这些是导致该技术在淡水湖泊中难以被广泛使用的关键因素。

四、明矾浆除藻技术

采用改性明矾浆应急除藻主要基于下列作用特点：首先，该物质颗粒细，比表面积大，范德华力作用范围广，吸附力强，扩散速度快，能覆盖整个水面并沉降；其次，明矾浆水解可电离生成Al³⁺，与水中颗粒态磷及有机颗粒物的电荷相反，易发生混凝作用，因而对水体中的磷和浮游藻类有特殊的去除效果。

以宁波月湖为例，在实验室和小水体多次模拟试验的基础上，研究者利用改性明矾浆机械喷洒应急除藻。2000年8月28日至9月2日，在15 m³定制搅拌罐内分批分次将改性明矾浆加水搅拌后，用消防泵在全湖范围内均匀喷洒改性明矾浆，共计用量15000 kg，平均每立方米水体计55.6 g。试验表明，各类水体中改性明矾浆对浮游藻类的去除率一般均能达到90%以上，特别在较深的水体中，蓝藻一经吸附沉降，由于得不到光合作用所必需的足够光照，细胞难以生长繁殖，数量能在短期内得以控制。月湖自2000年8月利用明矾浆应急除藻后，藻类细胞总量和蓝藻细胞数在短期内分别下降达90.7%和93.6%，形成水华的优势种颤藻下降99.8%，并且这种大型的丝状群体在以后的1年时间里基本没有监测到，说明改性明矾浆不仅适合于在月湖这样的城市浅水湖泊应急除藻，而且对一些较大型的丝状蓝藻，如颤藻、螺旋藻、束丝藻和鱼腥藻等可能具有更明显的沉降效果。此外，明矾浆pH低（约3~4），喷洒后能迅速有效地降低因“水华”蓝藻光合作用而超常增高的水体pH值，使更多的近中性和偏酸性物种得以生存；另一方面，水体营养盐浓度和pH的下降，也更有利于绿藻与蓝藻的竞争中成为优势种；而明矾浆成分中高比例的硅元素有利于硅藻的生长与繁殖。

不过由于明矾浆使用量大，不适合在大水面和流动性大的水体中实施；水底中新产生的大量沉积物对底栖生物及其环境也可能造成一定的影响。由于有机碎屑、细菌、藻类和明矾浆等细颗粒组成的胶黏状云团比重略大于水的比重，在风力或上下水层的对流中很容易再悬浮，并在细菌的作用下很快分解，重新参与水体的物质循环，因而使用明矾浆除藻只能作为临时的应急措施或作为调整藻类结构以利于生物调控的过度性措施。

五、超声波法

超声除藻的原理是以藻细胞内的伪空胞结构作为空化核，外加超声使之发生空化效应，从而破坏藻细胞结构。超声的空化效应所产生的瞬时高温高压足以破坏藻细胞伪空胞结构。Hao等研究表明，超声作用可导致藻细胞的气泡破裂，使藻细胞下沉，进而降低藻细胞的光合作用能力，增强底栖动物的捕食，从而达到控藻效果。另有研究表明：经超声处理后，具有伪空胞结构的钝顶螺旋藻和铜绿微囊藻的沉降效果优于没有伪空胞结构的斜生栅藻的沉降效果，说明伪空胞结构被超声空化效应破坏是致使藻细胞沉降的重要原因。此外，Ahn等研究发现微囊藻在超声作用下细胞体积及细胞内叶绿素a含量增大，说明超声能抑制藻细胞分裂增殖。超声除藻技术的控制参数主要为超声频率、功率及作用时间。

1. 超声波频率

超声频率越低，空化效应越容易实现，而高频条件下必须提高声强才可产生空化效应，相对而言，采用高频超声除藻的耗能较高，经济性较差。Lee等指出28kHz超声比100 kHz超声抑制藻细胞更加明显；类似地，Hao等认为200 kHz的作用效果比1.7 MHz好。高频耗能较大且处理效果与低频相仿，从实际应用及推广的角度出发，考虑超声除藻的经济性和去除效果，高频超声并不具有优势，采用低频超声除藻较为适合。

2. 超声波功率

功率是超声处理藻细胞时的重要参数，直接关系到作用效果强弱。张光明等认为超声辐照越强，对藻类的抑制效果越好，但超过一定范围时，超声功率对藻类的抑制作用呈饱和的趋势。另有研究结果显示，低频低功率的超声作用可诱导藻细胞内的气泡发生空化破裂，内部结构发生紊乱和均质化，但同时保持细胞膜相对完整，避免藻细胞内的毒素释放进入水体，提高了超声抑藻安全性。高功率的超声作用可通过力学效应和热效应直接破坏藻细胞的生理结构从而使得藻细胞死亡，但其耗能过大，经济性较差。另有相关文献表明：当超声声强大于1 W·cm^-2、超声作用时间大于l min时可导致作用范围内的水生动物死亡，所以在含藻水域内采用超声处理时，需要考虑其生物安全性，不宜采用过高的功率。

3. 超声波作用时间

相关研究表明，采用30 min的超声处理可有效降低藻细胞浓度并抑制藻细胞的生长，而张光明等推荐超声作用时间为5 min。另有研究结果显示：低频低功率超声条件下，经过5 min的超声处理即可使藻细胞浓度急剧降低，有效抑制藻细胞的生长，5 min为发生质变的超声作用时间。在采用超声时，需从整体考虑频率、功率及作用时间三个工作参数的优化选择，特别是超声功率与作用时间之间的关联。丁暘等在太湖的现场研究结果表明：当超声工作参数为频率20 kHz，功率40 W，作用时间15 s时，除藻效果较好，水体表层的藻细胞浓度由10⁷cell·L^-1下降到10⁵cell·L^-1，水体透明度由0 cm上升为35cm，水质得到明显的改善。

除了对藻细胞的去除效果外，超声处理是否会引起细胞内的藻毒素释放是值得关注的问题。有研究采用28 kHz、1 200 W的超声处理铜绿微囊藻，发现超声作用0.5 min、2 min和5min后，在抑制藻类生长的同时并没有导致水体中藻毒素的浓度上升。与此同时有研究表明：采用80 W、80 kHz的超声作用5 min，胞外藻毒素浓度从0.87 μg·L^-1升至3.11 μg·L^-1；类似地，董敏殷等研究发现低频超声可引起藻毒素严重释放，20 kHz、20 W、5 min的超声作用使胞外藻毒素浓度上升140%，且超声对藻毒素不具备降解作用。一般认为较高功率和较长时间的超声处理会导致细胞外微囊藻毒素浓度的增加，所以应用超声技术处理水体中的藻类时，应慎重选择工作参数。超声的空化效应过程中能产生自由基，理论上可降解水体中的藻毒素。有研究认为超声对藻毒素有良好的降解效果，频率150 kHz、功率为30 W的超声作用20 min后，藻毒素去除率高达70%；Song等研究发现640 kHz超声去除纯MC-LR和胞外MC-LR的效率较高，初始浓度越高的藻毒素降解效率越低；Zhang等发现采用25kHz超声处理蓝藻5 min，在14 d后藻毒素浓度仅为初始时的16%。藻毒素的分子结构相对比较稳定，一般来说采用大剂量的超声处理才可能对其产生降解效果。

世界上第一台超声波除藻器于1999年开始应用于开放性水域中，到目前为止，已经发展成为一种具有极强杀藻功能的成熟产品，目前，国内外将超声应用于富营养化天然水体藻类控制的研究十分广泛。市面已有诸多可应用于小范围景观水体抑藻的超声除藻设备成品，如LG Sound Sonic除藻仪、Water & Soil Management Associates出品的Waterman除藻仪等。近年来，有学者采用船载超声装置进行水华现场超声除藻的应用研究，已有十几个国家推广使用，已被证明是一种最简单、最有效的环保除藻技术，无论是发泡式藻类、漂浮式藻类或有根的藻类都能有效消除。微囊藻细胞的特殊构造是一个占细胞体积50%的伪空胞，伪空胞控制浮力和垂直运动。超声波在水中产生机械效应、空化效应和自由基效应，运用震荡波来破坏伪空胞和细胞结构，导致细胞壁和细胞质分离，细胞受损，叶绿体减少，生长抑制，失去控制浮动的能力，藻细胞灭活。实验证明20 kHz、15 W的超声波对螺旋藻作用30 s，即可发现藻丝体的断裂。超声波还可以通过空化效应降解其他有机物污染物和藻毒素。研究表明，低强度的超声抑藻过程中破坏了藻胆体的结构功能，干扰了叶绿素的合成途径。广州雕塑公园云液湖使用超声波除藻器，12天后显效，湖面藻类漂浮层逐渐消失，两个月后水体颜色由深绿色恢复到浅绿色，水的透明度从10 cm增加到40 cm。原有38种藻类减少到18种，藻细胞密度降低了90%。在尚未采取其他治理措施的情况下，蓝藻水和淤泥上涌现象没有再出现。广州顺意花园居住区500 m²的景观湖使用超声波除藻器后，蓝绿藻受到抑制，水体逐渐变清，透明度从原来只有10 cm变为清澈见底（43 cm）。2008年3月广州流花湖公园西苑湖水华暴发，之前试用了多种方法都不能消除，7月24日开始使用超声波除藻器，不到一个月时间，湖面水华全部消失，透明度增加40cm，感观大为改善。

超声波除藻具有操作简便，不引入化学物质，条件温和，速度快等。但是现阶段对超声除藻的研究仍存在不足之处，尤其是对超声强化混凝除藻研究尚不够深入，主要表现为以下几方面：① 现今对超声除藻的研究多采用纯培养藻液，与天然含藻水体存在一定差异，天然水体中的颗粒物对超声效果及混凝沉淀过程也有影响，且国内外鲜见超声强化混凝除藻相关的中试研究，采用天然含藻水体进行现场研究更加具有指导意义；② 藻类暴发是季节性问题，而一年内水质情况变化较大，适用超声处理的水质时期需要通过现场研究加以确定；③ 现有研究对藻细胞结构破坏后胞内物质的释放情况关注较少，虽然低功率、短时间的超声处理不会导致胞内物质如藻毒素、嗅味物质等大量释放，但考虑到水质安全等因素，仍需考察胞内物质释放情况，分析超声预处理可能给出水水质带来的问题。

六、打捞蓝藻

采用人工或机械装置（如藻类收集船）将水体中蓝藻富集、收集，并移出水体进行处置，该方法可应用于突发事件或特定敏感水域应急处理，可以见到瞬时效果，有时在大规模除藻行动的开始阶段或除藻前的准备阶段，适当捞藻清理水面也是必要的（图 3-8）。

图3-8 人工打捞与机械打捞

目前在日本琵琶湖建有专门除藻的船舶，其原理首先是絮凝，将大量水华絮凝，然后捞藻，随后进行脱水干燥，这样可以十分有效地去除藻类。我国使用人工打捞与机械打捞相结合的办法，在2007年从太湖打捞蓝藻19.1万t，2008年打捞50.1万t，2009年打捞70.9万t（含藻水分离站自吸处理蓝藻16.9万t），相当于从水体中清除了374.7t的氮和93.7t的磷，为综合治太提供了有力保障。

七、水利工程控藻

即通过水利工程建设和调度，改变湖泊水文水动力状况，采用换水和调水、稀释和冲刷等方法消除蓝藻水华暴发适宜的水文条件，控制水华暴发。

太湖流域濒临长江和钱塘江，在流域水源主要补给地长江河口段，常年过境水资源量达9000多亿m³，水质优良，水量充沛。太湖综合治理的“引江济太”工程就是通过引来一定量的好水改善太湖水质并让多年来在非汛期平静的太湖水流动起来，进而带动整个流域河网水体流动，提高水体自净能力，改善太湖流域河网水环境。作为流域骨干引水通道的望虞河与大运河通过望亭水利枢纽实现立交，避免长江水受大运河污染，为实施调引长江优质水进太湖提供了保证。望虞河（全长60.8 km）是与长江直接相通的重要河道，是治太工程中具有流域排洪引水功能的重点骨干工程，分别建有常熟水利枢纽和望亭水利枢纽两座控制性工程。这些工程原来主要担负着防洪排涝的功能，职能单一，不能被充分使用。实施“引江济太”后，这些工程发挥了调水引水的调控功能，开始从单一的防洪工程转变为兼具防洪和水资源调度综合效益的现代水利工程。成熟的流域水利工程体系，为实施“引江济太”调水创造了条件。而“引江济太”又带动了流域内其他水利工程的优化调度。“引江济太”的意义体现在通过水资源的优化调度而实现流域水环境改善，激活水利工程的生态意义。

太湖流域地形周边高，中间低，湖泊河网密布，水流运动复杂，洪涝压力大。在这样的流域内实施“引江济太”将涉及各地区、各部门的利益，这是一项复杂的系统工程。20世纪90年代以来，太湖流域管理局和各省市在做好流域防洪调度工作的同时，为努力实现水利工程综合效益，开展了流域水资源调度的积极探索。1997年，调引长江水2.97亿m³，改善了望虞河水质，缓解了沿岸地区用水紧张状况。2000年，调引长江水4.6亿m³，入太湖2.22亿m³，使太湖贡湖湾水体水质从引水前的劣V类水改善为引水后的III类，并向黄浦江上游增加供水0.73亿m³。在此基础上编制完成的《引江济太调水试验工程实施方案》于2001年12月14日得到水利部正式批复，在国家计委支持下得以实施。2001年全年通过水利工程调度引长江水14.8亿m³进入太湖流域，使太湖水位长年保持在3.2m左右，有效地保持了水环境容量，2001年太湖水质明显好于往年。2001年9月，温家宝副总理在视察太湖流域水利工作时，对此做出了充分肯定，指出“太湖流域要通过实施生态调水工程，以动治静、以清释污、以丰补枯、改善水质”。

八、激光除藻初探

激光是一种新型光源，具有普通光源所没有的高单色性、高亮度、大能量、极短的发光时间等特性。现在，由于有机染料激光器等技术的发明，制造从短的真空紫外到长的远红外光谱区域的辐射频率可调的激光器都不成问题，目前在生物体的光谱学中所采用的主要波段为200~1000 nm。选择上述的光谱区域，主要是根据包含在生物有机大分子的最大吸收光谱，实现破坏细胞结构和分子活性达到杀藻的目的。在汉江水华激光杀藻的研究中得出以下结论：激光杀藻的最佳波长为532 nm，照射时间越长，除藻率越高，但需要提高激光辐射能量的利用率，提高杀藻率。