藻類水華形成的影響因子及其預(yù)防與治理

張雨竹

（陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司，陜西西安 710082）

0.引言

當(dāng)水體受到含有氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污染輸入后，水質(zhì)逐漸達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)，在此狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境條件適宜時(shí)，原本懸浮在水體表層以下的藻類細(xì)胞發(fā)生爆發(fā)性的增殖，在一定的水文條件推動(dòng)下，大量的藻類細(xì)胞上浮并聚集在水體表面形成了藻類水華。漂浮在水體表層的大量藻類水華會(huì)影響水體的感官性狀，破壞原本動(dòng)態(tài)平衡的水生態(tài)，降低水生生物的穩(wěn)定性及多樣性，不完全降解的死亡水生生物及藻類細(xì)胞會(huì)釋放有毒氣體并產(chǎn)生異味，加劇了水體本身及其對(duì)周圍環(huán)境的污染，形成惡性循環(huán)。嚴(yán)重時(shí)，水體會(huì)喪失原本的使用功能，造成生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、人文等多方面損失。

1.富營(yíng)養(yǎng)化水體的污染來源

水體富營(yíng)養(yǎng)化是藻類水華形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。在沒有外加推動(dòng)力的干擾下，自然水體的富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)十分緩慢的水體演化過程。隨著人口數(shù)量的增加以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，大量含有氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污水排入天然水體，從而大大加速了這一進(jìn)程。進(jìn)入天然水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要來自未經(jīng)過處理或者處理不夠完全的生活污水、工業(yè)廢水及廢氣、養(yǎng)殖污水、垃圾、農(nóng)業(yè)化肥等，這些污染物通過人為排放、降水、地表徑流、養(yǎng)殖、水上娛樂及交通活動(dòng)等途徑進(jìn)入水體，構(gòu)成水體富營(yíng)養(yǎng)化[1]。另外，底泥中的沉積物及水生生物的代謝活動(dòng)也會(huì)向水體中釋放氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這些屬于污染物的內(nèi)部來源。

2.藻類水華形成的影響因子

藻類水華的形成不是一瞬間的，在水體表層出現(xiàn)人們可以肉眼觀察到的水華之前，水體內(nèi)部已經(jīng)有大量的藻類細(xì)胞懸浮其中。水華“爆發(fā)”的本質(zhì)是水體內(nèi)部長(zhǎng)時(shí)間積累的藻類群體在特定環(huán)境因子的促使下，發(fā)生了增殖、聚集、遷移、上浮，是一個(gè)循序漸進(jìn)逐漸發(fā)展的形成過程，為了預(yù)防及控制這一過程，了解藻類水華形成的影響因素是必不可少的[2]。通常認(rèn)為，影響藻類水華形成的因子包括營(yíng)養(yǎng)條件、環(huán)境條件、生物條件、水動(dòng)力及水質(zhì)條件等多種方面。

2.1 營(yíng)養(yǎng)條件

營(yíng)養(yǎng)鹽是構(gòu)成水生生態(tài)系統(tǒng)的最重要的化學(xué)物質(zhì)基礎(chǔ)之一，構(gòu)成水體中的藻類細(xì)胞的主要元素包括碳、氧、氮、磷、氫等，當(dāng)水體中缺乏這些元素時(shí)，浮游藻類就無法生長(zhǎng)。營(yíng)養(yǎng)鹽的輸入除了會(huì)給水體中浮游藻類生長(zhǎng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)條件，還會(huì)導(dǎo)致水體中原有的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而對(duì)某種或某類浮游藻類的增殖特別有利，使得水體中的某種或某類浮游藻類群體迅速增殖，使其生物量劇增。在不同的水體中，由于水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽組成成分與結(jié)構(gòu)等不盡相同，水體中的浮游藻類群落種類和數(shù)目都會(huì)不同。

2.2 環(huán)境條件

在眾多環(huán)境條件當(dāng)中，對(duì)藻類水華的形成影響較大的主要是光照和水溫。藻類細(xì)胞進(jìn)行光合作用需要充足的光照來為生物代謝提供能量，光照情況決定富營(yíng)養(yǎng)化水體當(dāng)中藻類群體的分布狀況及其生長(zhǎng)情況。有研究表明，光照太強(qiáng)或太弱都不適宜藻類生長(zhǎng)，一般認(rèn)為，3000Lx～4000Lx是最適宜藻類水華生長(zhǎng)的光照強(qiáng)度[3]。水體內(nèi)藻類細(xì)胞細(xì)胞中各種酶的反應(yīng)速率直接受環(huán)境溫度影響，且細(xì)胞的呼吸作用等各項(xiàng)生命活動(dòng)強(qiáng)度都與環(huán)境溫度密切相關(guān)。一般來講，藻類水華的發(fā)生有明顯的季節(jié)性，夏季水溫非常高（＞30℃）或冬季水溫非常低（＜15℃）時(shí)都會(huì)抑制藻類細(xì)胞生長(zhǎng)，不利于藻類水華的形成，有研究表明，25℃～30℃是最適宜藻類水華生長(zhǎng)的環(huán)境溫度。

2.3 生物條件

水域生態(tài)系統(tǒng)中存在食物鏈，水體中的浮游動(dòng)物可以通過捕食關(guān)系來影響水體中生長(zhǎng)的藻類群體的數(shù)量，從而改變水體中藻類種群的組成和優(yōu)勢(shì)藻的種類，相當(dāng)于水體中的浮游動(dòng)物對(duì)藻類群體有攝食壓力，這就對(duì)藻類群體的生長(zhǎng)、聚集、遷移形成誘導(dǎo)作用。另外，水體中的微生物也是誘導(dǎo)水體中藻類生長(zhǎng)的重要因素，微生物細(xì)胞分解出的有機(jī)物質(zhì)會(huì)向水體中釋放大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及能夠促進(jìn)藻類細(xì)胞生長(zhǎng)的有機(jī)物質(zhì)，當(dāng)然，也有可能會(huì)釋放出對(duì)某些藻類種屬有害或者有毒的物質(zhì)，使得水域當(dāng)中眾多藻類中，有些能夠增長(zhǎng)旺盛稱為優(yōu)勢(shì)種群，從而促使該種群的藻類形成水華。

2.4 水動(dòng)力及水質(zhì)條件

水體的流動(dòng)形態(tài)及其循環(huán)更新的周期長(zhǎng)短都會(huì)對(duì)藻類水華的形成產(chǎn)生密切的影響，流速則是表征這一影響因素最直觀且基本的水動(dòng)力因子，水流速度對(duì)水體當(dāng)中藻類的生長(zhǎng)、聚集、遷移及分布都會(huì)產(chǎn)生非常顯著的影響。

較大的流速可以有效地阻止藻類水華的形成與發(fā)展，水流速度較快，水體更新所需的周期較短，這就使得許多藻類在其增殖尚未達(dá)到高峰時(shí)，就已經(jīng)被較快的水流速度推移至水體下游，使得藻類群體無法聚集，因而不利于水華的形成。與之相反的是，水流速度緩慢，藻類則易于聚集，也就使得該水域易于形成水華。另外，水體流速較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水體內(nèi)部的剪應(yīng)力和切邊速率較大，從而會(huì)使得水體內(nèi)生長(zhǎng)的藻類細(xì)胞遭到破壞，也會(huì)抑制藻類細(xì)胞對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)的吸收，不利于藻類細(xì)胞的增殖和水華的形成[4]。

除了水動(dòng)力條件外，水體本身的理化性狀及多種水質(zhì)因子也會(huì)與藻類水華的形成密切相關(guān)。如水體的pH值能夠通過影響水體內(nèi)部二氧化碳的溶解度從而影響水體內(nèi)藻類及其他綠色植物的光合作用，有研究表明，水體pH值隨水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的升高而升高，堿性水質(zhì)環(huán)境有利于水體中藻類水華的形成。水體中的溶解氧也與藻類水華的形成相關(guān)聯(lián)，白天光照充足時(shí)，藻類細(xì)胞進(jìn)行光合作用向水體內(nèi)釋放氧氣，而藻類細(xì)胞進(jìn)行呼吸作用又會(huì)消耗水體中的溶解氧，有研究表明，水體中的溶解氧隨水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的升高而降低。另外，水體當(dāng)中的某些微量元素會(huì)作為輔助因子參與水體中的生物化學(xué)反應(yīng)，從而促進(jìn)藻類細(xì)胞的增殖，還有研究表明，水體中高錳酸鹽指數(shù)也與水體富營(yíng)養(yǎng)化程度正相關(guān)[5]。

3.藻類水華的預(yù)防與治理

藻類水華的形成受多方面因素的影響，應(yīng)根據(jù)水體自身的特性，采用綜合措施以防控藻類水華的發(fā)生，對(duì)健康水體進(jìn)行污染源的輸入控制，從源頭上削減容易引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的營(yíng)養(yǎng)因子的輸入，以預(yù)防藻類水華的發(fā)生。對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生藻類水華或已經(jīng)形成富營(yíng)養(yǎng)化的水體進(jìn)行治理，采取一定的修復(fù)措施以恢復(fù)水體本身功能。

3.1 藻類水華的預(yù)防措施

氮、磷等污染物是藻類水華形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，從營(yíng)養(yǎng)來源上阻斷輸入水體的營(yíng)養(yǎng)元素，能夠有效地降低水體向富營(yíng)養(yǎng)化程度發(fā)展的可能性，可以采取的措施包括：

（1）從政策上，根據(jù)水體功能，制定相應(yīng)的區(qū)域排放標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制排入水體的各類物質(zhì)的種類、數(shù)量及濃度限值。健全相應(yīng)的法律法規(guī)，要求相關(guān)部門嚴(yán)格按照排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行管理，對(duì)排放超標(biāo)的企業(yè)進(jìn)行相關(guān)整頓，用規(guī)范化、體系化的排污管理對(duì)水體環(huán)境污染的排放進(jìn)行把關(guān)防控。（2）從水處理技術(shù)上，加強(qiáng)對(duì)排入水體的工業(yè)廢水及生活污水的處理力度，強(qiáng)化水處理技術(shù)工藝中對(duì)氮、磷污染物的處理力度，提高除氮、除磷效果，減少排放源對(duì)水體的影響。（3）從農(nóng)業(yè)及養(yǎng)殖業(yè)活動(dòng)角度，革新農(nóng)耕技術(shù)，改善化肥及飼料的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化肥料及飼料中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的比例，提高作物對(duì)肥料的吸收利用效率，控制農(nóng)藥、殺蟲劑、除草劑等化學(xué)藥劑的使用量，妥善處理水生養(yǎng)殖動(dòng)物的排泄廢物，以減少此類污染源的影響。（4）從生態(tài)調(diào)控的角度，采用合理規(guī)劃土地、大面積植樹、長(zhǎng)期種草等措施，加強(qiáng)水土保持、改善水土流失、減緩?fù)寥劳嘶?，以降低通過地表徑流對(duì)水體產(chǎn)生的污染負(fù)荷。（5）大力推廣循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，從生產(chǎn)和消費(fèi)雙方面加強(qiáng)落地可持續(xù)發(fā)展的要求，提高生產(chǎn)效率，減少?gòu)U物的產(chǎn)生，促進(jìn)廢物進(jìn)行資源化處理再利用。普及生活垃圾分類處置，限制洗滌劑中磷酸鹽的用量，都有利于從源頭上預(yù)防水體富營(yíng)養(yǎng)化污染。

3.2 藻類水華的治理措施

對(duì)于已經(jīng)形成藻類水華或產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化的污染水體，通常采取物理、化學(xué)、理化結(jié)合、生物方法進(jìn)行治理，常用的措施有：

（1）物理法。采用人工打撈的方式，將水體中的藻類水華直接撈出；向水體中引入水質(zhì)達(dá)標(biāo)的“凈水”，以稀釋原有水體的污染物濃度；利用活性炭、粉煤灰等比表面積較高的優(yōu)質(zhì)吸附材料，來吸附水體中的浮游藻類，以轉(zhuǎn)移污染物并達(dá)到凈化水體的目的；采用膜處理法，利用膜的滲透及過濾作用來實(shí)現(xiàn)污染物與水體的分離，有研究表明，超濾膜對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水中藻類物質(zhì)的去除效率很高，但其在應(yīng)用中的缺點(diǎn)是容易被水體中的污染物堵塞，所以耗材成本很高，但凈化水體的效果十分出色[6]。（2）化學(xué)法。向水體中通入氯化消毒劑、高錳酸鉀、過氧化氫、臭氧等強(qiáng)氧化劑，通過氧化作用破壞水體中藻類細(xì)胞結(jié)構(gòu)，干擾其正常的生命代謝活動(dòng)，最終導(dǎo)致藻類細(xì)胞死亡[7]，從而降低藻類水華生成的可能性，此方法的原理類似于水處理工藝中的消毒過程，是一種常見的利用氧化反應(yīng)來抑制水體富營(yíng)養(yǎng)化的途徑。也可以利用某些金屬離子對(duì)藻類細(xì)胞的毒性，通過向水體通入金屬鹽類物質(zhì)，來干擾藻類細(xì)胞的正常生化代謝活動(dòng)，從而破壞藻類細(xì)胞，但此方法的缺點(diǎn)是，金屬離子本身及其與藻類細(xì)胞中的基團(tuán)絡(luò)合反應(yīng)的生成物又會(huì)對(duì)水體造成二次污染，常用的金屬鹽除藻劑有硫酸銅、硫酸鐵等[8]。（3）理化結(jié)合法。利用混凝固定法，向水體中投入混凝劑，混凝劑電離水解后與水體中的藻類細(xì)胞及其他污染雜質(zhì)混凝、聚集并生成沉淀，沉淀物在重力的作用下下沉，再通過打撈等方式，去除水體中的混凝沉淀物，常用的混凝劑有鐵、鋁、鈣混凝劑及黏土等。還可以通過向水體中加氣的方式，利用分散度很強(qiáng)的小氣泡，吸附并分散水體中藻類及其他污染物質(zhì)，以達(dá)到抑制藻類細(xì)胞聚集的目的，此類氣浮工藝對(duì)渾濁程度較低的富營(yíng)養(yǎng)化水體的處理凈化效果較好，不適用于渾濁程度高的受污染水體[9]。（4）生物法。利用水生植物、水生動(dòng)物、水生微生物來調(diào)節(jié)水體的水生生態(tài)環(huán)境，也可以改善水質(zhì)。水生植物的類別包括沉水植物、挺水植物、浮水植物等[10]，它們能夠吸收利用水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，還可以為水體中的微生物提供附著及棲息場(chǎng)所，不同植物的生長(zhǎng)特點(diǎn)及其生物特性不同，對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽等污染物的吸收轉(zhuǎn)換效率不同。在水體中養(yǎng)殖魚類、蚌類及某些浮游動(dòng)物等慮食性生物，可以通過食物鏈的捕食作用來消耗水體中的浮游藻類，但是利用此方法凈化水體的成效緩慢，不適用于爆發(fā)藻類水華時(shí)的短期處理。另外，向水體中引入某些特定培養(yǎng)的微生物，也可以吸收轉(zhuǎn)化水體中的營(yíng)養(yǎng)鹽，達(dá)到降低水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的目的。有研究表明，某些菌類可以寄生在藻類細(xì)胞中，可以吸收有機(jī)碳源，與藻類細(xì)胞產(chǎn)生營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，從而抑制水體中藻類的生長(zhǎng)[11]。

4.結(jié)語

藻類水華既是水體受污染的表現(xiàn)，又會(huì)加重水體的受污染程度，如果沒有恰當(dāng)有效的防治措施，將形成惡性循環(huán)，污染環(huán)境。應(yīng)對(duì)此類污染問題，應(yīng)以預(yù)防為主、治理結(jié)合。預(yù)防藻類水華的發(fā)生，需嚴(yán)格控制排入水體的污染物，從源頭上減少氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸入。在易于形成水華的時(shí)節(jié)，利用水泵等機(jī)械動(dòng)力方式來調(diào)節(jié)水體的動(dòng)力特性，提高水體更新速率，可以有效地減緩甚至阻止藻類的增殖與聚集。另外，密切監(jiān)控水體pH值、溶解氧含量、高錳酸鹽指數(shù)等與藻類水華形成相關(guān)聯(lián)的水質(zhì)因子，對(duì)預(yù)防藻類水華的發(fā)生也有重要的指導(dǎo)意義。目前，常用的治理藻類水華的方法包括打撈、稀釋、吸附、膜處理等物理方法，氧化、混凝沉淀、氣浮等化學(xué)及理化結(jié)合方法，以及利用水生動(dòng)物、水生植物水生微生物進(jìn)行治理的生化手段。防控藻類水華污染不是一朝一夕的工程，需要根據(jù)不同水體的具體特性，結(jié)合當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境、經(jīng)濟(jì)、人文狀況，綜合采取恰當(dāng)?shù)念A(yù)防及治理措施，持續(xù)維護(hù)水體環(huán)境健康，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的控制。