湖库水华发生机理研究进展及防治关键技术

林莉 湛若 李青云 金海洋 孙婷婷

摘要：水华频繁发生引发环境污染与水质安全等诸多问题，掌握湖库水华发生机理并研究高效经济的水华防治技术尤为急迫。本文在梳理湖库水华发生机理及已有水华治理技术的基础上，提出了营养盐削减和藻类生长控制的水华防治技术体系及其关键技术。针对藻类问题，研发了移动式微电流电解抑藻技术，通过曝气、电解等单元的有机组合抑制藻类生长，原型产品在武汉市小型湖泊进行了应用，水体叶绿素a浓度由18.5 ug/L降至9.9 ug/L，该湖泊当年无水华发生。针对富营养化限制性因子磷难以处理的问题，将废弃的选铜尾砂和生物炭进行资源化利用，转化为除磷剂新材料。选铜尾砂除磷剂可将浓度为10.2 mg/L的含磷水体处理至满足一级A排放标准（≤0.5mg/L）。改性生物炭除磷剂可将浓度为0.5 mg/L的含磷水体处理至满足地表水III类水质标准（≤0.05mg/L）。

关键词：藻类;湖库;水华机理;治理技术

中图法分类号：X52

文献标志码：A

DOI：10.19679/j.cnki.c，jj sjj.2019.0214

我国湖泊水库众多。长江中下游地区是我国浅水湖泊最集中的区域，也是目前世界上水华问题最严重的地区之一。国家重点湖泊“三湖”（太湖、巢湖和滇池）均爆发过严重的水华现象[1]《Science》杂志曾两次报道太湖蓝藻水华事件[2，3]，在国际上引发高度关注。我国是世界上拥有水库最多的国家，一些重要的大型供水水库，如北京市密云水库、温州市桥墩水库、广东省鹤地水库等，先后爆发了严重的蓝藻水华[4，5]，举世瞩目的三峡水库部分支流库湾也发生过水华事件[6，7]。

水华发生对水生态系统破坏极大，也会引发环境污染和水质安全等诸多问题。在当前全力践行生态文明建设、努力建设美丽中国、实现长江大保护战略的新形势下，掌握湖库水华形成机制和发生机理，并研究高效经济的水华防治技术显得尤为急迫。本文对湖库水华发生机理进行了分析，并对已有的水华治理技术进行了梳理，研究并提出了营养盐削减和藻类生长控制的水华防治体系及其关键技术。

1湖库水华发生机理研究进展

湖泊与水库发生水华的藻类有所不同，浅水湖泊发生水华的有害藻类多是蓝藻门，而在水库中硅藻是更常见的水华藻类。湖泊水库中的水华优势种也会随着条件的变化而发生演替。如三峡水库白2003年蓄水以来，支流水华逐渐由甲藻、硅藻占优势的河流型水华，演替为以蓝藻、绿藻为优势的湖泊型水华[7]目前对于水华发生的诱因和机理尚不完全清楚，学者普遍认为水华爆发受营养盐、温度、光照、水文和气象条件等环境因子的影响[8，9]。水华的形成是充足的营养盐、适宜的光照和水温，以及缓慢的水动力条件共同作用的结果。

1.1营养盐

当总氮和总磷分别超过0.5 mg/L和0.02 mg/L时，就有水华爆发的隐患[10]。学者认为N：P为16时对藻类的生长是适宜的，较高的氮磷比会形成蓝藻水华，而较低的氮磷比并不是蓝藻水华形成的条件，而是水华发生后产生的结果[11]。

1.2温度和光照

蓝藻生长的最适温度范围通常为25～ 35℃，其对高温的耐受能力比绿藻、硅藻等其他水华藻类要强，较高的水温有利于蓝藻成为优势种群和水华爆发。硅藻通常在春季较低温度时产生水华[12]，如汉江硅藻水华生长最适宜的温度为15～ 20℃[13]。光照条件对藻类的生长也有着重要影响。蓝藻的最大光合效率出现在26.5℃，而绿藻和硅藻的最大光合效率出现在230C条件下[8]。与水华蓝藻相比，水华硅藻适宜的光照强度范围相对较广[13]。

1.3水文条件

水华的发生受水文条件（流量、流速和水位等）的影响。目前已有较多研究关注流速对藻类生长的影响。研究发现，流速对铜绿微囊藻生长有明显的影响，表现为低流速促进生长，高流速抑制生长[14]。低流速时动水环境改善藻体分布，促进光合作用，加强营养盐在水体中的掺混和藻体内的吸收利用;而当流速超出一定程度后，可能通过流动剪切改变藻体分布并干扰机体正常代谢，从而表现一定程度的生长抑制效应[14]。对三峡水庫支流香溪河的研究表明，仅利用三峡水库小幅度水位变动（0.6～1.0 m/d）对香溪河流速的改善效果有限，而利用干支流水库对香溪河库湾流速的联合调控效果明显，可适度控制三峡库区支流库湾水华的爆发[15]。

1.4气象条件

影响水华发生的气象条件主要包括降雨和刮风等。研究发现，降雨对三峡水库支流香溪河库湾水华的爆发具有阶段性抑制作用，降雨过程总是伴随着水华的消退[16]。降雨导致上游来流量增加，加快了藻类的迁移;混合层深度增加破坏了藻类的生长环境，是水华消退的主要原因。降雨结束后，在2～ 3d适宜光照、温度条件下库湾水体水温分层恢复，藻类快速生长繁殖，导致库湾表层叶绿素a浓度回升。

1.5生理生态特性

藻类在与其它浮游植物进行竞争时，由于其具有独特的生理生态特性而导致水华的发生。特别是在富营养化水体这类适宜的环境中，这种优势将更充分地表现出来。藻类的生理生态特性是水华形成的内因。现有的研究多集中于蓝藻生理生态特性的探索，已知的蓝藻生理生态特性包括伪空泡（气囊）、胶质鞘等[8]。蓝藻通常通过调节伪空泡的浮力在水体中上下移动，以便占据利于吸收光能的位置，蓝藻通过伪空泡调节浮力，在冬季通过伪空泡的坍塌失去浮力沉人湖底越冬，来年重新形成伪空泡上浮到水体表层[17]。胶质鞘是包裹蓝藻细胞或蓝藻细胞群体的一种物质，可对藻细胞起到防御和保护的作用，使蓝藻在与其他浮游植物的竞争中占据优势而形成水华[8]。

总体而言，水华是在各种环境因子（外因）的耦合驱动下，由于藻类所具有的独特生理生态特性（内因），产生巨大的生物量而在浮游植物群落中占绝对优势，在适宜的水文气象条件下在水体表面聚集形成的。

2湖库藻类治理技术研究进展

目前较为成熟的湖库藻类治理措施包括物理、化学和生物等技术。物理法主要包括人工（机械）打捞、扬水曝气、遮光技术、水力调度等方法。化学法主要采用投加可杀灭藻类的化学药剂的方式。生物法是借助自然界生物间相生相克的关系，有目的性的培养能有效控制藻类生长的生物，如生物操纵、生态修复工程等。

2.1人工（机械）打捞

通过人工（或机械）打捞的方式，对已经爆发水华的水体进行藻类打捞处理。此种方法可及时应对短期内藻类的爆发，快速缓解高藻水体的污染。不足之处是处理范围及能力受限制，要投入大量人力物力，且不能从根本上治理水体富营养化及藻类周期性爆发的问题，打捞上来的大量藻类还需进一步后续处理[18]。

2.2扬水曝气

扬水曝气技术通过混合上下水层，破坏水体分层，将表层藻类向下层迁移，藻类到达下部无光区后，生长受到抑制[19，20];该技术还可有效改善水库缺氧的状况，提升水体溶解氧含量，改善水质。已有研究表明该技术可有效应用于大水深水库的水质原位修复改善中，还可有效抑制藻类繁殖。

2.3遮光技术

遮光技术通过阻止阳光穿透水面，抑制藻类光合产氧速率，进而抑制藻类的生长[21]，常用的可采用塑料浮板等材料来遮光。美国洛杉矶市将2万个黑球倾倒至洛杉矶水库，这些塑料黑球阻挡阳光穿透水库表面，防止藻类大量繁殖，同时避免其他可导致水质恶化的化学反应的发生，使水库水质满足要求。遮光法控藻可产生较好的抑藻效果，理论上可行，但此方法在实际应用中困难较大。

2.4水动力调节

水动力调节措施主要适用于水库的藻类治理。针对三峡水库支流水华频发的问题，有研究者提出了基于“潮汐式”生态调度的方法，采用以水力调控的方式，通过开展水库生态调度进而达到防控支流水华暴发的目的[22]。汉江流域通过增加枯水期下泄流量和加大调水流量，降低丹江口水库下游淤积与富营养化，减小下游水华发生的概率，取得一定的成效[23]。

2.5化学药剂

化学药剂法利用化学药剂直接快速杀死藻类。该方法操作简便，效果明显，一次性使用成本低，但对整个水环境生态系统产生一定的负面作用，长期投用除藻剂部分藻类会产生一定的抗药性，化学药剂灭藻可能造成二次污染的问题也制约了其推广应用[24]，且投加化学药剂对水质要求较高的湖库水源地不适用。

2.6生物操纵

生物操纵包括经典生物操纵和非经典生物操纵法。国外流行的生物操纵理论提倡在富营养化水体中放养食鱼性鱼类，以控制食浮游生物的鱼类，藉此壮大浮游动物种群，然后借助浮游动物遏制藻[25]。而刘建康等[26]认为我国湖泊中危害性最大的是微囊藻水华，可直接利用鲢鱼和鳙鱼等滤食性鱼类进行控制，提出了非经典生物操纵法。2000-2003年，中科院水生所在滇池进行了养殖鲢鱼和鳙鱼治理蓝藻的示范试验，经3年治理，示范区水体蓝藻降低了三分之二，效果良好[27]。但该技术适用于富营养化浅水湖泊蓝藻水华治理，对于中营养水体和硅藻水华治理存在较大争议，应用不好反而会引起更大的灾害[8]。

2.7生态修复工程

生态修复工程通过种植水生植物等方式，通过水生植物吸收水体和沉积物中的营养盐，来削减湖库营养盐含量;水生植物还可能存在遮光作用，以及释放化感物质对藻类生长产生化感作用，来抑制藻类的生长[28]。珠江流域九曲湾水库蓝藻生态修复治理工程实施后，水库水质提升明显，对蓝藻爆发的控制效果明显[5]。

总体而言，现有的藻类治理技术以末端治理为主，每种方法各有其适用范围和不足，已有治理技术不能完全解决水华治理问题，对于藻类治理还需开拓新思路和新办法。针对新形势下水华治理科技需求，根据湖库水华形成机理，需从营养盐削减和藻类生长控制两方面构建湖库水华防治体系，研发治理关键技术。

3营养盐削减和藻类生长腔制的水华防治关键技术

面对新形势下湖库水华治理的科技需求，必须从营养盐削减和藻类生长控制两个方面共同着手构建湖库水华防治技术体系，以实现水华防控标本兼治的目的。根据湖库水华形成机理，在对已有藻类治理技术进行分析的基础上，研发了以预防藻类生长为目的的移动式微电流电解抑藻关键技术;针对富营养化限制性因子磷难以处理的难题，研发了削减营养盐磷的选铜尾砂除磷剂和生物炭除磷剂水华防治關键技术。

3.1移动式微电流电解抑藻关键技术

相比已有的水华末端治理手段，采用以预防为主的思路进行水华防控，是更为经济有效、生态友好的水华治理措施。研发了移动式微电流电解抑藻关键技术，通过曝气、电解等技术的有机组合控制藻类的生长繁殖，实现防止水华发生的目的。

笔者前期已开发了微电流电解抑藻设备，在武汉市典型富营养化湖泊开展了围隔试验，通过设备上搭载的曝气、微电流电解和吸附等水处理单元的作用，可使藻类失活率达到80%以上[29，30]。为提升设备的处理能力，新开发了2套浮标式微电流电解抑藻设备。每套浮标式微电流电解设备由4组电极板组成，其中阳极为钌钛网状电极板，阴极为不锈钢板状电极板，电极板尺寸为l.Omx0.5m，阳极与阴极间距为2cm。浮标式微电流电解设备由太阳能电池板和蓄电池供电，通过太阳能电池将太阳能转化为电能，存储于蓄电池中，蓄电池也可以单独充电使用。根据前期研究结果，在水体中添加少量氯化钠，可提升电解时体系的电流强度和氯离子含量，最终增加微电流电解抑藻的性[31，32]。浮标式微电流电解设备配有加氯装置和流量控制装置，以控制水体中氯离子浓度达到30mg/L以上，提升抑藻性能。

选择武汉市江夏区易发生水华的小型湖泊为示范水域（水域面积约为1 1 000m2，平均水深1.7m，水体无明显流速，已属于富营养化水体），将已有的微电流电解抑藻设备与新开发的浮标式微电流电解抑藻设备进行组合使用，开展技术应用示范（见图1）。示范结果显示：经过16天的示范应用，水体中叶绿素a浓度值由初始值18.5ug/L降低至9.9ug/L，降低了46.8%;当年该湖泊水体无水华发生，抑藻的长效性得到体现。微电流电解抑藻技术显示出良好的效果和较好的生态环境效益和社会效益，同时具有环境友好的特点。

3.2选铜尾砂除磷剂新材料研发关键技术

磷被认为是限制水华的关键因子[33]，控制排入富营养化水体中磷的含量可有效控制水华的发生。我国铜矿业发达，选矿后产生大量选铜尾砂。选铜尾砂中的主要化学成分为二氧化硅、氧化钙、氧化镁、氧化铝和氧化铁，同时含有氧化铝和氧化钙等可以吸附水体中磷的有效成分，因此选铜尾砂对磷具有一定的吸附能力[34]。目前国内尚未有以选铜尾砂为原料制备吸附剂的先例，选铜尾砂大多采用堆放处置，给当地的生态环境带来了严重威胁[35]。本文对选铜尾砂进行一定的改性，将选铜尾砂制备成除磷吸附剂实现资源化利用，也为富营养化水体的防治提供新的技术参考。

对选矿后得到的选铜尾砂进行水力旋流分级，去除粗粒级尾砂。对旋流分级处理后的细粒级选铜尾砂进行碱处理，将选铜尾砂中对磷没有吸附作用的二氧化硅（S102）溶出，增大了尾砂的比表面积和孔隙率，同时活化了选铜尾砂使其表面具有更多的活性基团，提高选铜尾砂对磷的吸附能力[36]。

开展吸附动力学和吸附热力学试验，研究选铜尾砂除磷剂对磷的吸附性能。根据试验结果绘制吸附动力学和吸附热力学曲线（见图2），采用Langmuir吸附等温模型计算磷饱和吸附容量（见表1）。结果显示：原始选铜尾砂的吸附平衡时间约为th，磷饱和吸附容量为737.0mg/kg;选铜尾砂除磷剂的吸附平衡时间约为2h，磷饱和吸附容量为1 422.4 mg/kg。该试验结果表明选铜尾砂除磷剂相比原始选铜尾砂具有更大的磷饱和吸附容量。相比于市场上的吸附材料，选铜尾砂除磷剂的除磷性能与陶粒和锰砂相近;活性氧化铝比选铜尾砂除磷剂除磷效果好，但其成本也远高得多。选铜尾砂除磷剂原料廉价易得，制备工艺简单，成本仅为其他商业吸附材料的1/10～1/5。

选取昆明市东川生活污水处理厂入口污水为实验对象，研究选铜尾砂除磷剂对污水中磷的吸附去除性能。实验结果表明，采用选铜尾砂除磷剂处理入口污水样品，污水中磷的浓度由10.2 m/L降至0.48 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准（≤0.5mg/L），磷去除率高达95%。

综上可知，选铜尾砂除磷剂对水体中磷具有良好的吸附性能，而且原材料廉价易得，除磷剂的生产成本远低于市场上常用的商业吸附剂，将选铜尾砂制成除磷剂用于污水除磷和水体富营养化防治具有较大的发展应用前景。

3.3生物炭除磷剂新材料研发关键技术

研究表明，水中总磷浓度降低到0.02mg/L以下可以有效预防水华的发生[10]。因此一些发达国家制定更严格的废水磷排放标准，如美国EPA规定磷的排放限值为O.lmg/L。我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）-级A排放标准为0.5m/L，由于经济成本和技术等多方面因素，很难将总磷控制在O.lmg/L以下”[37]，将磷控制在低于0.02 mg/L水华阈值范围更加困难。

生物炭作为一种经济、高效、环境友好的新型吸附材料，借助于其独特的表面和空隙结构，高效地去除废水中的磷，处理效果显著，且操作简单，原料廉价易得[38]。复合金属改性生物炭可克服生物炭表面负电性缺点，大大提高对磷㈣、氨氮[40]或重金属[41]吸附性能。但目前对改性生物炭的研究仅仅停留在高浓度工业废水中磷的去除，且处理工艺复杂，能耗高，制备适用于低浓度天然水体的经济高效的生物炭除磷剂未见报道。本文采用浸渍法负载Fe/Mn盐对果壳生物炭进行改性，探索改性生物炭对低浓度磷的吸附性能，设置溶液中P043-的初始浓度为0.5mg/L，研究了不同固液比和pH条件下，改性生物炭对磷的吸附效果。

图3a展示了不同固液比条件下改性生物炭对P043-的去除率。可以看出随着固液比的增加，改性生物炭对P043-的去除率有所降低，但均可达70%以上。当固液比小于250 mg/L时，去除率约为70%，出水磷浓度可满足《地表水环境質量标准》（GB3838-2002）中湖库V类水标准（≤0.2 mg/L）;当固液比在250—500 mg/L，去除率在85%左右，出水浓度可满足Ⅳ类水标准（≤0.1 mg/L）;当固液比大于500 mg/L时，去除率均在90%以上，出水浓度可满足III类水标准（≤0.05 mg/L）。

考虑到复杂的水体环境，将改性后的果壳生物炭应用于不同pH的水环境水体中（见图3h）。发现当pH在4～10范围内时，改性生物炭对P043-的去除率均在80%以上，出水浓度均可满足地表水II类水标准（≤0.10 mg/L）。当pH达到8时，改性生物炭对P043-的去除率开始逐渐降低，这是因为水体中OH-浓度增加，导致静电排斥力增强，与磷竞争吸附位点，不利于吸附反应的进行。pH值从4增加到10时，对磷的去除率均在80%以上;在pH为4～10时，对磷的去除率都可保持在较高水平。但是当pH上升至12时，改性生物炭对磷的去除率显著下降，可能是因为碱陛环境下破坏了改性生物炭表面负载的铁氧化物和锰氧化物，降低了磷吸附效果。天然水体pH通常为6～9，此范围内改性生物炭对磷具有良好的吸附效果。

果壳生物炭廉价易得，吸附后的生物炭负载水中的营养元素磷和植物生长所必须的铁、锰元素等，将之应用于贫瘠土壤，保证作物产量的同时可减少化学肥料的使用，且不会对原始土壤带来二次污染，还可使得营养元素在土壤中缓慢释放。改性生物炭除磷剂不仅可以从源头解决了水华的根本问题，同时可以实现废弃物的回收利用，实现变废为宝的绿色可持续发展。

4结论

本文在梳理湖库水华的发生机理，以及已有水华治理技术的基础上，提出了营养盐削减和藻类生长控制的水华防治技术体系及其关键技术。主要结论包括：

（1）蓝藻水华发生主要受环境因子（营养盐、温度、光照、水文气象条件等）和生理生态特性（伪空泡、胶质鞘等）两方面的影响。水华是在各种环境因子（外因）的耦合驱动下，由于其独特的生理生态特性（内因），产生巨大的生物量而在浮游植物群落中占绝对优势，在适宜的水文气象条件下集聚于水体表面而形成的。

（2）现有藻类治理措施以末端治理为主，各有其适用范围和不足。针对新形势下水华治理科技需求，根据湖库水华形成机理，需从营养盐削减和藻类生长控制两方面构建湖库水华防治体系，研发治理关键技术。

（3）针对湖库藻类生长问题，研发了移动式微电流电解抑藻设备，通过曝气、电解等技术的有机组合抑制藻类生长，治理过程无二次污染。开发的原型产品在武汉市江夏区小型湖泊进行了应用，水体中叶绿素a浓度由18.5 g/L降低至9.9 g/L;该湖泊当年无水华发生，抑藻长效性得到体现。

（4）针对水华水体富营养化限制性因子磷难以处理的难题，研发了除磷剂新材料，将废弃的选铜尾砂和生物炭进行资源化利用，转化为可有效吸附磷的除磷剂，同时实现了废弃物的资源化利用。选铜尾砂除磷剂可将浓度为10.2 mg/L的含磷水体，处理至满足一级A排放标准（≤0.5mg/L）。改性生物炭除磷剂可将浓度为0.5mg/L的含磷水体，处理至满足地表水ni类水质标准（<0.2 0.05 mg/L）。参考文献：

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