核電站附近海域赤潮防治技術(shù)研究進(jìn)展

馬文豪　張可佳

（1中核浙能能源有限公司浙江杭州310051 2建筑工程學(xué)院浙江大學(xué)浙江杭州310058）

核電站附近海域赤潮防治技術(shù)研究進(jìn)展

馬文豪1張可佳2

（1中核浙能能源有限公司浙江杭州310051 2建筑工程學(xué)院浙江大學(xué)浙江杭州310058）

針對(duì)核電站的溫排水會(huì)造成附近海域更易發(fā)生赤潮，進(jìn)而影響核電站的正常運(yùn)行及海洋環(huán)境污染，本文分析了赤潮產(chǎn)生的影響因素，論述了目前普遍采用的控制赤潮的方法：物理法、化學(xué)法和生物法。其中化學(xué)除藻技術(shù)發(fā)展較為成熟，應(yīng)用廣泛。生物處理中的化感作用和酶處理技術(shù)具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和可操作性；以藻治藻和以菌治藻正處在發(fā)展初期，但前景看好。

核電站溫排水；赤潮；影響因素；化學(xué)處理；生物處理

1前言

濱海核電站通常設(shè)計(jì)為直流冷卻，運(yùn)行期間會(huì)產(chǎn)生大量溫排水。若所處海域流場(chǎng)封閉，不利于溫排水?dāng)U散[1]，勢(shì)必造成海水中的一些特定浮游微藻（或原生動(dòng)物）爆發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色，即為赤潮。與淡水湖泊藻爆發(fā)不同的是，赤潮具有“范圍廣、頻率高、種類(lèi)多、節(jié)奏快”的特點(diǎn)。一旦核電站附近海域出現(xiàn)赤潮，也將嚴(yán)重影響到核電站的正常運(yùn)行。因此如何科學(xué)地進(jìn)行赤潮的研究和減災(zāi)，有效地進(jìn)行赤潮防治已成為迫切需要解決的重大問(wèn)題。

2赤潮產(chǎn)生的影響因素

2.1海域中存在大量赤潮藻類(lèi)

海域中的赤潮藻類(lèi)的存在，是發(fā)生赤潮現(xiàn)象的前提。目前，世界各大洋中能形成赤潮的浮游生物共有180多種，我國(guó)記錄到的有63種，其中能形成優(yōu)勢(shì)種的有28種。一般情況下，許多藻類(lèi)在冬季形成孢囊，進(jìn)入休眠期。直到第二年春季，溫度回升，鹽度適合時(shí)，水體的赤潮藻類(lèi)大量繁殖，迅速生長(zhǎng)，引起赤潮。

2.2溫度影響

赤潮發(fā)生的時(shí)間多在4~6月。當(dāng)海水的溫度為20℃~30℃時(shí)，適宜赤潮藻類(lèi)孢囊的萌發(fā)，并大量繁殖。在全球氣候變暖的情況下，我國(guó)出現(xiàn)了自20世紀(jì)90年代以來(lái)罕見(jiàn)的冬暖高溫天氣，“三九”天氣溫度達(dá)10℃，這對(duì)赤潮發(fā)生有一定影響，爆發(fā)時(shí)間會(huì)提前，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。同時(shí)也有研究表明，海洋浮游植物的生長(zhǎng)繁殖、群落結(jié)構(gòu)、生理生化及遺傳性狀與核電站的溫排水的升溫作用有直接關(guān)系[2-4]，溫排水直接影響受納海域浮游植物的種群結(jié)構(gòu)與豐度[5]。因此，在核電站海域附近，爆發(fā)赤潮的風(fēng)險(xiǎn)性更大。

2.3風(fēng)、流等影響

赤潮生物是單細(xì)胞生物，其移動(dòng)范圍有限，它的分布、聚集和分散直接受到水體運(yùn)動(dòng)的影響，水體可以將赤潮生物帶到適合其生長(zhǎng)繁殖的水域。而陸源污染物如沿河排放的工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)污水及固體廢棄物通過(guò)河流徑流匯入大海，嚴(yán)重影響了入?？诤Ｓ虻沫h(huán)境質(zhì)量，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)大量可能影響赤潮藻進(jìn)行光合作用的懸浮物質(zhì)。有些專(zhuān)家和學(xué)者還提出地幔流體在高壓下從海底地殼裂隙中溢出后，使近海富營(yíng)養(yǎng)化的海水上升，不斷給海水表層補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)鹽，尤其能提供誘發(fā)赤潮的微量重金屬Fe和Mn，使得表層赤潮藻大量增殖[6]。

2.4 N、P及微量元素的影響

海水中營(yíng)養(yǎng)鹽濃度的增加，尤其是N和P的增加導(dǎo)致海水富營(yíng)養(yǎng)化，是發(fā)生赤潮的最主要的因素。海水中N/P一般為15。當(dāng)海洋中N/P>22時(shí)，藻類(lèi)的生長(zhǎng)受P限制，而N/P<10時(shí)受N限制。江艷等[7]研究了N、P營(yíng)養(yǎng)濃度對(duì)赤潮中常見(jiàn)的有害藻種異彎藻的生長(zhǎng)影響。結(jié)果表明赤潮異彎藻最適合在N37.5mg/L~225.0mg/L，P5.0mg/L~50.0mg/L，N/P=25條件下生長(zhǎng)。

3赤潮的防治技術(shù)研究

由于赤潮的波及面很廣，含藻量多，難于打撈和收集處理。目前對(duì)赤潮的防治主要采取殺滅赤潮生物的方法。治理赤潮的難點(diǎn)在于海浪運(yùn)動(dòng)會(huì)改變藥劑濃度分布，如何解決在極短時(shí)間內(nèi)，保持藥劑濃度在能殺滅赤潮生物的閾值內(nèi)，又不對(duì)非赤潮生物有任何傷害，也不存在藥劑本身的二次污染，只是要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

3.1物理法

3.1.1粘土法

目前國(guó)際上公認(rèn)的一種物理方法是撒播粘土法。利用粘土微粒對(duì)赤潮生物的絮凝作用進(jìn)行去除。撒播粘土濃度達(dá)到1000mg/L時(shí)，赤潮藻去除率可達(dá)到65%左右[8]。由于粘土溶膠性差，用粘土作絮凝劑存在用量大和海水懸浮顆粒過(guò)多的問(wèn)題，可以通過(guò)對(duì)粘土的改型來(lái)減少投加量。

3.1.2碎稻草法

大連市近岸海域曾采用碎稻草吸附除藻[10]，效果顯著。赤潮12km2范圍海水呈紅色，由海洋原甲藻和長(zhǎng)菱形藻為優(yōu)勢(shì)種，采用了碎稻草進(jìn)行吸附，去除率為81.8%~94.2%，相比采用常用的物理吸附劑爐渣、蒙脫土吸附，具有投加量少、去除率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

3.2化學(xué)法

3.2.1硫酸銅法

硫酸銅至今被認(rèn)為是可獲得的最有效的除藻劑[11]，因?yàn)殂~離子會(huì)影響藻類(lèi)的生長(zhǎng)代謝，抑制光合作用，影響原生質(zhì)膜的滲透性，同時(shí)銅離子對(duì)藻類(lèi)還具有很強(qiáng)的吸附能力。但直接投加硫酸銅會(huì)造成局部水域銅離子濃度過(guò)高而傷害魚(yú)類(lèi)等非赤潮生物，同時(shí)藥效持續(xù)時(shí)間短。

另外，可以利用生物載體，如海帶、殼聚糖等去吸附工業(yè)廢水中的Cu2+，再投入到海水中，載體緩慢釋放出銅離子而殺滅赤潮藻，2d后除藻率達(dá)75%，這種方法可利用廢水的Cu2+，變廢為寶，節(jié)約成本。

3.2.2二氧化氯法

ClO2是一種廣譜、高效、安全、貯存和使用方便的新型殺菌、消毒劑，具有適用pH范圍廣（在6~10的范圍內(nèi)均可有效使用），不產(chǎn)生有機(jī)氯化物、氯酚及三氯甲烷等具有臭味和致癌的物質(zhì)，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染。研究表明[14]，一定濃度的ClO2對(duì)赤潮藻有明顯的抑制和殺滅作用。藻細(xì)胞在108cells/L數(shù)量級(jí)時(shí)，0.59×10-2mmol/L的ClO2就能有效地控制和殺滅。

3.2.3有機(jī)藥劑法

目前，有許多研究者從事有機(jī)除藻藥劑的研究。1990年，木尾原等[15]研究出C5-C24的烷基香芹酮酸或其衍生物的有機(jī)物除藻劑，在1m2水面上投撒100g~1kg藥劑即可消除赤潮，但存在投加量大的問(wèn)題。也有報(bào)道采用碘類(lèi)消毒劑進(jìn)行赤潮治理，其中除藻效果明顯的是四烷銨絡(luò)合碘[16]。當(dāng)起始藻細(xì)胞密度為1.5× 106cell/mL時(shí)，低于15mg/L的四烷銨絡(luò)合碘溶液對(duì)球形棕囊藻生長(zhǎng)有一定的抑制作用。當(dāng)四烷銨絡(luò)合碘高于25mg/L時(shí)，第5天除藻率達(dá)到80.3%，7天后達(dá)到95%，且連續(xù)15d藻細(xì)胞沒(méi)有再增殖，藥效期較長(zhǎng)。一些表面活性劑治理赤潮也有較好的效果。

3.2.4羥基自由基治理

羥基自由基（OH·）氧化性很強(qiáng)，其氧化還原電位為2.80V，比Cl2、O3高出70%和39%。它能使赤潮微藻的細(xì)胞膜脂質(zhì)過(guò)氧化，氨基酸氧化分解，DNA結(jié)構(gòu)的堿基置換、丟失和DNA鏈斷裂，從而徹底破壞藻細(xì)胞。在2mg/L的低濃度下，在6s~45s極短時(shí)間內(nèi)能100%殺滅赤潮生物。同時(shí)在此濃度下不會(huì)對(duì)海中的魚(yú)、蝦、貝類(lèi)等經(jīng)濟(jì)生物構(gòu)成任何威脅。在藥劑投放20min后或離海面1 m以下海水中的羥基藥劑濃度更是低于0.1mg/L。羥基自由基是由H2O和O2在外加物理化學(xué)等因素作用下產(chǎn)生的，經(jīng)過(guò)氧化分解后又還原成H2O和O2，不存在任何殘留物。實(shí)際操作中先利用海水和空氣電離制備羥基溶液，通過(guò)噴頭均勻噴灑在水面上，治理1km2海面的赤潮生物，藥劑費(fèi)用不超過(guò)10元。

3.3生物法

3.3.1栽培大型經(jīng)濟(jì)海藻

大型海藻不僅能與赤潮微藻進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)，防止赤潮生物的爆發(fā)性繁殖和增長(zhǎng)；還能向環(huán)境中分泌相生相克化合物即化感物質(zhì)，抑制赤潮藻的生長(zhǎng)。從大型藻類(lèi)提取出的起主要滅藻作用的化感物質(zhì)有香草醛、沒(méi)食子酸、兒茶素、N-苯基-2-萘胺和壬酸等，它們從大型海藻中分泌出來(lái)，通過(guò)自氧化產(chǎn)生自由基，引起藻細(xì)胞脂膜過(guò)氧化程度加劇，損傷膜結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到除藻的目的。

我國(guó)曾采用鳳眼蓮（水葫蘆）、水花生、浮萍等進(jìn)行湖泊營(yíng)養(yǎng)化治理，盡管上述植物能吸收大量營(yíng)養(yǎng)鹽，且能分泌化感物質(zhì)，但由于利用價(jià)值不高，未能從水體中及時(shí)收獲，其死亡腐爛反而導(dǎo)致更嚴(yán)重的富營(yíng)養(yǎng)化。因此所選大型海藻應(yīng)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，產(chǎn)品具有一定的市場(chǎng)。當(dāng)然還要根據(jù)不同的海域和氣候，選擇合適的大型經(jīng)濟(jì)海藻。

3.3.2酶處理技術(shù)

微生物作用產(chǎn)生的細(xì)胞外聚合物與微生物細(xì)胞一起形成一層生物膜——微生物粘泥，它起到一種屏蔽作用，使殺生劑難以向細(xì)胞內(nèi)滲透。早在70年代,就有人提出利用酶處理生物粘泥的全新概念和方法。US4684469開(kāi)發(fā)了一種方法，是利用殺生劑和多糖分解酶二種組分來(lái)控制粘泥的生成，但殺生劑本身所具有的毒性是其應(yīng)用受到限制的致命缺點(diǎn)。鑒于此，NalcoChemical公司著手研究用多種酶的混合物處理工業(yè)粘泥的方法,并于1990年取得了專(zhuān)利。他們利用纖微素酶或葡萄糖酶與α-淀粉酶、蛋白酶的混合酶,投加劑量2mg/L~10mg/L即能有效去除粘泥。機(jī)理為α-淀粉酶首先破壞葡萄糖分子的α鍵，使粘泥外部產(chǎn)生裂紋，從而使葡萄糖酶進(jìn)入其中破壞其中所含的碳水化合物，蛋白酶則破壞細(xì)胞外的蛋白質(zhì)分子[19]。

3.3.3以藻治藻和以菌治藻

王悠等發(fā)現(xiàn)不僅大型海藻會(huì)對(duì)赤潮微藻起到抑制和殺滅作用，赤潮微藻之間也會(huì)存在相互影響。在原甲藻-塔瑪亞歷山大藻的雙藻培養(yǎng)體系中，原甲藻的生長(zhǎng)受到明顯的抑制作用，最終被完全滅殺。結(jié)果表明，塔瑪亞歷山大藻能分泌出化感物質(zhì)抑制共培養(yǎng)的原甲藻；但原甲藻或者不能分泌，或者分泌化感物質(zhì)較少，以致對(duì)塔瑪亞歷山大藻的影響不大。

利用海洋微生物滅活赤潮藻及對(duì)藻類(lèi)毒素的有效降解，從而使海洋環(huán)境長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的生態(tài)平衡，因而是一種理想的防治方式。Ishio等從海洋污水中分離的一株弧菌Vibrio algoinfestus，可以分泌一種“甲藻生長(zhǎng)抑制劑”來(lái)殺死Chattonella antique，該抑制劑穩(wěn)定性高，且對(duì)魚(yú)類(lèi)無(wú)害。他們還從水華銅綠微囊藻中分離出類(lèi)似蛭弧菌的細(xì)菌，該菌能進(jìn)入銅綠微囊藻的細(xì)胞，并使宿主細(xì)胞溶解。宿主在溶解過(guò)程中，細(xì)菌立刻以多價(jià)裂殖方式在其周?chē)臻g繁殖大量的后代細(xì)菌，并釋放出來(lái)，迅速感染其他健康藻細(xì)胞。鄭天凌等從赤潮多發(fā)區(qū)西海域采集分離篩選到三株細(xì)菌，分別屬于芽孢桿菌屬、巨大芽孢桿菌屬和鞘氨醇單胞菌屬，將它們與塔瑪亞歷山大藻共同培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)3種海洋細(xì)菌的過(guò)濾液對(duì)塔瑪亞歷山大藻均有明顯的抑制作用。

4結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)際上治理赤潮的主要方法是物理法和化學(xué)法，其研究方向是通過(guò)對(duì)除藻劑的改進(jìn)或選擇高效、易操作的材料來(lái)提高去除率，改善處理環(huán)境。而利用海洋微生物治理赤潮的研究剛剛興起，由于其具有去除率高、對(duì)其他海洋生物無(wú)危害等優(yōu)勢(shì)，使得這一嶄新的方法在赤潮治理中具有巨大的應(yīng)用前景。但同時(shí)由于本身的種群多樣性、生態(tài)功能多樣性、遺傳多樣性等特點(diǎn)使得利用生物治理變得錯(cuò)綜復(fù)雜。如何加強(qiáng)對(duì)起降解作用的海洋微生物的篩選、培育和控制是將來(lái)研究的重點(diǎn)。另外，在目前的研究中較少涉及到對(duì)赤潮藻毒素的研究，赤潮微藻在自身的新陳代謝和被去除的過(guò)程中都可能釋放出藻毒素，其對(duì)海洋生物及人類(lèi)的危害不容忽視。因此在以后的治理研究中，如何處理赤潮藻毒素也應(yīng)作為一個(gè)必要的方向。

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