星云湖藻類發(fā)展趨勢(shì)及其資源化利用可行性研究

祁云寬，劉紹俊，劉 宇，李蔭璽

(玉溪市環(huán)境科學(xué)研究所，云南玉溪 653100)

浮游藻類是湖泊生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)［1－2］。星云湖近年持續(xù)暴發(fā)藍(lán)藻，藻類大量死亡后，藻體在腐敗、被分解的過程中，消耗水中大量的溶解氧，并會(huì)上升至水面而形成一層綠色的黏質(zhì)物，使水體嚴(yán)重惡臭并發(fā)酵釋放污染物，從而影響湖泊水質(zhì)，水體富營養(yǎng)化進(jìn)程加快，透明度下降，湖泊生態(tài)系失衡，多種生態(tài)服務(wù)功能散失。1989年以來玉溪市環(huán)境監(jiān)測(cè)站對(duì)星云湖浮游藻類進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，積累了比較系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)資料。2011年由南京地理與湖泊研究所設(shè)計(jì)的大型仿生式除藻船在星云湖下水運(yùn)用，并開展了相關(guān)除藻控藻效益研究。筆者在對(duì)以上資料進(jìn)行系統(tǒng)分析研究基礎(chǔ)上，揭示星云湖表層水體中浮游藻類數(shù)量的發(fā)展趨勢(shì)，調(diào)查分析湖區(qū)藻類分布狀況及資源量、大型仿生式除藻船藻類清除量，分析研究星云湖流域藻漿資源化利用可行性，為更深入研究和進(jìn)行生態(tài)管理，開展星云湖藻類處置及污染控制提供基礎(chǔ)資料。

1 研究背景與方法

1.1 研究區(qū)域介紹 星云湖位于云南省玉溪市江川縣境內(nèi)，地理坐標(biāo)為102°45'～102°48'E，24°17'～24°23'N，屬珠江流域南盤江水系的源頭湖泊。湖面呈茄形，南北長9.087 km，東西寬4.727 km，湖周長38.8 km，最大水深10.81 m，平均水深6.01 m，當(dāng)水位為1 722.5 m高程時(shí)，湖面積為34.329 km2，湖泊蓄水量為 2.098 1 億 m3［3］?，F(xiàn)行運(yùn)行水位 1 721.5～1 722.5 m，歷年最高水位 1 723.11 m，最低水位 1 720.56 m，最大變幅 2.55 m，年內(nèi)變化 0.73 ～1.68 m，補(bǔ)給系數(shù)10.9，湖水主要靠地表徑流和湖面降水補(bǔ)給。

2000年前星云湖水質(zhì)較好，處于Ⅲ類水質(zhì)狀況。2000年后，全湖水質(zhì)迅速下降為Ⅳ、Ⅴ類，2003～2013年基本已處于V 類與劣Ⅴ類，TN、TP、CODMn、BOD5、TLIc及綜合污染指數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，2012年星云湖TLIc突破70，為70.16，水體達(dá)到重度富營養(yǎng)狀態(tài)。

1.2 分析方法 研究采用了1991～2013年連續(xù)監(jiān)測(cè)資料［4］，并引用了大型仿生式除藻船研究課題監(jiān)測(cè)資料。藻類數(shù)量的年度統(tǒng)計(jì)資料采用3個(gè)采樣點(diǎn)上3次采樣分析的算術(shù)平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 星云湖藻類生物量發(fā)展趨勢(shì) 經(jīng)歷年調(diào)查資料分析，星云湖2000年開始暴發(fā)藍(lán)藻，主要出現(xiàn)在星云湖湖灣，湖面還沒有大面積出現(xiàn)，以后每年4～11月周期性暴發(fā)。2002年5月星云湖藍(lán)藻大面積暴發(fā)，全湖水面出現(xiàn)水華，特別是湖面下風(fēng)向湖灣大量藻體堆積。2002年后至今浮游植物生物量發(fā)展趨勢(shì)較快，最大值為2006年1 228.89萬個(gè)/L，湖面水華暴發(fā)頻率增大。星云湖浮游植物生物量的組成主要為藍(lán)藻門，藍(lán)藻暴發(fā)期間藍(lán)藻門類的生物量占藻類總生物量的80%～90%以上，而優(yōu)勢(shì)種銅綠微囊藻又占藍(lán)藻生物量的80% ～90%以上，星云湖浮游植物生物量總體呈上升趨勢(shì)。星云湖浮游植物總量與水體葉綠素a濃度呈顯著相關(guān)關(guān)系［5］，湖水葉綠素a濃度隨藻類數(shù)量增加而升高，水體迅速富營養(yǎng)化，透明度(SD)多年呈下降趨勢(shì)(圖1)。

2.2 星云湖藻資源量調(diào)查分析

2.2.1 湖區(qū)藻類分布及資源量。星云湖地處北回歸線低緯度、高海拔地帶，屬亞熱帶西南季風(fēng)氣候，湖區(qū)常年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，風(fēng)頻11%，其次是西南風(fēng)，年平均風(fēng)速1.8 m/s，靜風(fēng)率36%。受常年主導(dǎo)風(fēng)向、湖區(qū)局地風(fēng)及湖岸帶形狀影響，湖面漂浮藻類主要集中分布于北半湖區(qū)，即漁村河河咀與螺螄鋪河河咀連線以北湖區(qū)，且呈向西北湖灣區(qū)聚集之態(tài)(圖2)。

圖1 星云湖浮游植物及優(yōu)勢(shì)門類數(shù)量的發(fā)展趨勢(shì)

圖2 星云湖漂浮藻類分布示意圖

西北部湖灣湖面面積3.25 km2，漂浮藻類平均厚度約5 mm，共16 250 m3;北半湖西北湖區(qū)湖面面積9.28 km2，漂浮藻類平均厚度約2 mm，共18 560 m3;北半湖東南湖區(qū)湖面面積4.64 km2，漂浮藻類平均厚度約1 mm，共4 640 m3;除西北部湖灣外，其余湖岸線至湖面100 m區(qū)域，岸線29 km，面積2.9 km2，漂浮藻類平均厚度約3 mm，共8 700 m3。湖面漂浮藻漿共計(jì)48 150 m3，折合藻鮮重(無自由水狀態(tài))為7 704 t，干重 404.46 t。

2.2.2 大型仿生式除藻船藍(lán)藻清除資源量。分別對(duì)大型仿生式水面藍(lán)藻清除設(shè)備進(jìn)出水及藻漿進(jìn)行采樣分析，結(jié)果表明，除藻船進(jìn)、出水口水體平均藻體含量(鮮重，無自由水狀態(tài))分別為26.04、9.29 g/L，即平均除藻率為16.75 g/L;藻漿自然風(fēng)干試驗(yàn)得出其含水率為99.16%，藻漿樣品經(jīng)沉淀、藻水自然分離后，上層藻體所占體積比約為40%，上層藻體約含60%自由水，藻體鮮重(無自由水狀態(tài))平均約為160 g/L。大型仿生式除藻船2011年在星云湖下水運(yùn)行，主要在藍(lán)藻暴發(fā)的夏秋季節(jié)進(jìn)行作業(yè)，年平均清除量為1 684 m3，折合藻量(鮮重，無自由水狀態(tài))為 269.44 t，干重 14.15 t。

2.3 星云湖藻漿資源化利用可行性分析

2.3.1 藻漿營養(yǎng)成分豐富。經(jīng)藻漿自然風(fēng)干后藻體營養(yǎng)物質(zhì)含量分析，各營養(yǎng)物含量有機(jī)質(zhì)67.88%、全N 5.494%、全P 0.690%、全K 0.805%。相比較常規(guī)濕地植物及農(nóng)作物秸稈，藻體營養(yǎng)物質(zhì)含量較高，其中全N含量高出近5倍，全P含量高出近2倍，可見藻漿營養(yǎng)成分明顯(表1)。試驗(yàn)分析平均每升藻漿中含有干藻體8.409 g，按除藻船年平均清除1 684 m3藻漿計(jì)算，每年清除湖泊內(nèi)源污染負(fù)荷有機(jī)質(zhì)9.62 t、TN 0.77 t、TP 0.101 t。藻漿發(fā)酵過程發(fā)生硝化與反硝化作用，發(fā)酵完全后，發(fā)酵液水體變?yōu)橹行?，浮游藻類全部死亡，N、P及有機(jī)污染物濃度較高，其中NH3-N 599.66 mg/L、TN 694.38 mg/L、TP 51.95 mg/L、BOD52 573.5 mg/L、CODCr5 725.0 mg/L，可集中利用率大，生物降解及化學(xué)降解的有機(jī)物隨著時(shí)間的推移被逐步分解并釋放能量，而N、P等指標(biāo)濃度值則變化不大。藻漿發(fā)酵產(chǎn)生的這些營養(yǎng)物濃度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了湖水濃度值，不打撈利用，將對(duì)湖水形成較大污染(表2)。經(jīng)藻漿發(fā)酵后過濾藻渣樣分析，各營養(yǎng)物含量有機(jī)碳37.1%、全 N 0.471%、全 P 0.639%、全 K 0.591%?？梢娫鍧{發(fā)酵后，藻體中以有機(jī)物、氮為主的營養(yǎng)物大部分已被轉(zhuǎn)化分解至發(fā)酵液中。

表1 大型仿生式除藻船藻漿營養(yǎng)成分分析(采樣日期2012年11月8日)

表2 發(fā)酵藻漿過濾液營養(yǎng)成分分析(制樣日期2014年8月5日)

2.3.2 藻漿資源化利用無顯著生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)藻漿自然風(fēng)干重金屬成分分析，對(duì)照《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618－1995)表1Ⅱ類土壤環(huán)境質(zhì)量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值，主要評(píng)價(jià)指標(biāo)汞、鎘、鉛、銅、鋅、鎳、砷均達(dá)標(biāo);參照《中國土壤元素背景值》研究報(bào)告，除硒(人體所需微量元素)外，其各種元素均低于云南省及全國土壤元素算術(shù)平均值(表3)。總體來看，藻漿資源化利用無明顯重金屬污染方面的生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)。

表3 星云湖藻漿風(fēng)干樣重金屬成分分析 mg/kg

2.3.3 湖區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式有利于消化利用藻漿。星云湖藻漿打撈供應(yīng)量充足，作為有機(jī)肥利用可緩解藻漿后續(xù)存放處置問題。星云湖沿湖主要為水田，土地集約化利用程度高，農(nóng)業(yè)配套設(shè)施漚肥池建設(shè)逐漸普及，農(nóng)民對(duì)藻漿的使用有一定的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為藻漿有一定的肥效，可利用漚肥池進(jìn)行儲(chǔ)存，混與農(nóng)作物秸稈及畜禽糞便進(jìn)行發(fā)酵后用于農(nóng)作物澆灌或用作農(nóng)田基肥，施用方便，肥效較好。

2.3.4 藻漿在星云湖區(qū)具有很好的資源化利用前景。相關(guān)研究表明，藻漿發(fā)酵后沼液中含有豐富尿素、過磷酸鈣及氯化鉀，含有豐富的游離態(tài)氨基酸，是發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)的優(yōu)質(zhì)肥料。目前星云湖人工圈養(yǎng)及散養(yǎng)水葫蘆共有182.7 hm2，每年打撈2/3，可打撈水葫蘆鮮重4.1萬t;星云湖退田還湖建設(shè)湖濱帶預(yù)計(jì)每年收割濕地植物殘?bào)w鮮重1.93萬t;星云湖大平地山地每年種植的農(nóng)作物秸稈鮮重0.35萬t;星云湖通過“大型仿生式除藻船”每年6～10月打撈藍(lán)藻0.18萬t。通過進(jìn)一步開展資源化利用研究，將以上資源按不同比例組合發(fā)酵每年可生成有機(jī)肥近2萬t，形成星云湖區(qū)廢棄物資源化循環(huán)利用模式，對(duì)改善星云湖生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)湖盆區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)及觀光農(nóng)業(yè)具有很好的促進(jìn)作用。

3 結(jié)論

星云湖2000年開始暴發(fā)藍(lán)藻，以后每年4～11月周期性暴發(fā)，對(duì)星云湖水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響。星云湖藻類生物量多年呈增長趨勢(shì)，湖水葉綠素a濃度隨藻類數(shù)量增加而升高，水體迅速富營養(yǎng)化，透明度多年呈下降趨勢(shì)。湖區(qū)藻類主要分布于西北湖灣，藻漿量共48 150 m3，鮮重7 704 t，干重404.46 t;除藻船年平均打撈藻量共 1 684 m3，鮮重 269.44 t，干重14.15 t;藻漿藻體鮮重約為160 g/L;藻漿含水率約為99.16%。星云湖流域藻漿資源化利用具有一定可行性，主要體現(xiàn)為藻漿營養(yǎng)成分明顯，營養(yǎng)物含量有機(jī)質(zhì)67.88%、全N 5.494%、全 P 0.690%、全 K 0.805%，發(fā)酵液 N、P 及有機(jī)污染物濃度較高，其中 NH3－N 599.66 mg/L、TN 694.38 mg/L、TP 51.95 mg/L、BOD52 573.5 mg/L、CODCr5 725.0 mg/L，可集中利用率大;藻漿無顯著重金屬污染風(fēng)險(xiǎn);星云湖湖區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式有利于消化利用藻漿;藻漿在星云湖區(qū)具有很好的資源化利用前景。

［1］李蔭璽，陸婭，劉紅，等.撫仙湖浮游植物發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.湖泊科學(xué)，2007，19(2):223 －226.

［2］楊紹聰，呂艷玲，沐嬋，等.漂浮植物對(duì)入星云湖河水的凈化效應(yīng)分析［J］.西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014(6):2580 －2585.

［3］海軍南海工程設(shè)計(jì)院勘測(cè)隊(duì).2002年星云湖地形勘測(cè)結(jié)果［R］.2002.

［4］玉溪市環(huán)境保護(hù)局.玉溪市環(huán)境質(zhì)量報(bào)告書(1991－2010年度)［R］.1991－2010.

［5］秦潔，吳獻(xiàn)花，吳斌，等.星云湖浮游植物和水環(huán)境特征研究及相關(guān)性分析［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012，35(6):46 －50.