湖泊富营养化治理与蓝藻水华控制

湖泊富营养化治理与蓝藻水华控制湖泊富营养化治理与蓝藻水华控制■孔繁翔中国科学院南京地理与湖泊研究所摘要:经济的突飞猛进伴随着生态环境的急剧恶化,使得人们的生存经受着强烈的考验.而当今污染体现严重的蓝藻水华中含有大量的微囊藻毒素,对人们构成了极大的危害.本文讨论了蓝藻水华的成因和危害等,并从外源削减与控制,内源削减与控制,湖内水生生态系统恢复与重建等方面阐述了富营养化湖泊治理的途径.关键词:湖泊;富营养化;蓝藻水华;治理;控制湖泊的结构与功能及其富营养化1.湖泊的概述及其结构湖泊是陆地表面具有一定规模的天然洼地的蓄水体系,是湖盆,湖水以及水中物质组合而成的自然综合体.我国是一个多湖泊的国家,湖泊面积在1kmz以上的有2300余个,总面积为71787km,占全国总面积的8%左右.2.湖泊的功能湖泊是重要的国土资源,具有调节河川1径流,发展灌溉,提供工业和饮用的水源,繁衍水生生物,沟通航运,改善区域生态环境以及开发矿产等多种功能,在国民经济的发展中发挥着重要作用.①湖泊能蓄积水量,调节河川1径流.②湖泊能调节气候.③湖泊蕴藏了丰富的水力资源.④湖泊的航运作用.⑤湖泊的物质资源.⑥湖泊的旅游资源.3.湖泊的富营养化湖泊的富营养化问题是由于人类活动造成的,如低水平的制造业产生的工业废水,现代化农业生产中大量流失的农药,化肥,未经处理的城镇生活污水,高密度水产养殖遗留的剩余饵料,以及航运,旅游等水上活动产生的一些污染物,都造成了富营养物质大量输入湖泊.湖泊生态系统本身是有一定的自净能力的,如水草,芦苇,沉水植物,湖畔湿地等都是天然的净化器.而现在由于人类对湖泊的围垦,湖泊沿岸的水利工程等都破坏了湖泊的自净系统.从而造成营养源的输出途径减少,营养物质大量过剩,最终形成富营养化.目前一般认为,富营养化的定义是湖泊在自然因素和(或)人类活动影响下,因氮磷等营养物质含量过多,造成水体生产力从低向高营养状态过渡的一种现象或趋势[总氮(TN)达0.2mg/L,总磷(TP)达0.02mg/L].1991年:122个湖泊中,51%富营养化,2005年: 133个湖泊中,88.6%富营养化.61%国控重点湖(库)水质为V类和劣V类.富营养化最直接的表现就是蓝藻水华的暴发.蓝藻是水中的浮游植物,当水中的氮,磷等营养盐浓度大量增加后,为其快速繁殖提供了有利的条件,加上适度的温度光照等条件,形成蓝藻暴发性生长,漂浮在水面上,从而形成水华.大量的蓝藻水华堆积死亡后,还会分解产生对人体及水体生态系统有害的藻毒素.蓝藻水华的暴发直接危害到滨湖城镇的供水,如带来异味,产生致癌物(质)等.蓝藻水华形成原因及其危害1.什么是蓝藻伴随着富营养化,蓝藻会大量生长与繁殖,形成水华.蓝藻的生命力特别旺盛,它的大小不过4—8m,约相当于一根头发丝的1/20大小.当它们在含量较少时,以个体分散在水中,对水质影响较小,若遇适宜的条件它们将会快速生长,发展到一定程度后就会产生群体效应,聚集在一起,像绿色油漆状地漂浮或覆盖于水面,给水体水质带来严重的危害,轻则影响感官(如腥臭),重则产生毒素,对湖水产生极大影响,若发生于水源,则可对居民生活构成严重威胁.蓝藻又称蓝绿藻,或称蓝细菌,属于原核生物,目前,人们对多数蓝藻种作者简介:孔繁翔,中国科学院南京地理与湖泊研究所研究员;湖泊与环境国家重点实验室主任:湖泊生物与生态研究室主任.September2007镬1蠹耘枯静糌参粤每'孽备^每每每§粤舟格耘类还缺乏基本的研究,对有害有毒蓝藻的研究相对较多.蓝藻是原核生物中最原始,最古老的藻类植物,出现在距今35亿年～33亿年前.作为原核生物,蓝藻没有细胞核,具有真核生物中进行光合作用的主要色素叶绿素a,并在光合作用中释放出氧气.现在已知有1500 多种,分布遍及世界各地,能够适应不同的环境,特别是对高温,高盐有很强的适应性.蓝藻偏好中性和碱性水体, 部分种类具有气囊,总气囊的体积占整个细胞的2%～20%,可自主调节在水体中的垂直位置,这就是它们能够在湖泊产生趋表聚集的最主要的原因.蓝藻形态各异,但是以球形单细胞和丝状藻体为主,多数蓝藻种类以多个细胞被无色透明的胶鞘包裹聚集,形成形态各异的不定形群体.蓝藻的细胞繁殖是简单的无性分裂.微囊藻是我国湖泊最常发生的水华蓝藻种类.其群体常由几十个,数百个甚至上千个单个细胞组成.2.蓝藻水华的危害(1)严重影响水质和生态系统结构与功能.大量蓝藻水华的发生,将会严重影响水质和生态系统结构与功能.局部湖区蓝藻水华堆积就会影响人的生活环境, 水源地蓝藻水华堆积与食物链传递就会危及人的健康与生存.在水体中形成的蓝藻会因人们对发生地点的水体使用功能不同,以及对水体生态系统的影响不同而表现出不同的危害程度.主要有遮光效应,导致沉水植物难以生长; 大量生长,死亡腐败届气味难闻,破坏景观;死亡分解耗氧过多,导致其他生物缺氧死亡;局部湖区大量堆积死亡, 破坏水源地水质;分泌毒素,直接危害生物生存与人类健康.(2)对水生生物及其人类健康的危害.{在发生蓝藻水华的区域,家畜及野September2007生动物饮用了含藻毒素的水后,会出现腹泻,乏力,呕吐,嗜睡等状,甚至死亡, 水体生物多样性急剧降低.鱼类误食蓝藻届,因利用率低,难以消化.有人发现在水华盛期,鲢,鳙,鲤和草鱼的肠道里混有大量藻体,对其前,中,后肠的内含物进行镜检时看到一个个藻团完好无损,显然不易消化.人们在沐浴,游泳及其他水上运动时,接触含藻毒素水体可引起眼睛和皮肤过敏,少量喝水可引起急性肠胃炎, 长期饮用则可能引发肝癌.此外,大量出现的藻体在死亡时会散发恶臭,消耗了大量溶解氧,并严重破坏景观. (3)生物中毒机理.微囊藻毒素是一类主要由铜绿微囊藻产生的单环七肽肝毒素,是蓝藻引起鱼类中毒的主要物质.藻类中毒一般可分为肝毒素中毒和神经毒素中毒两类.①肝毒素中毒.多数藻类肝中毒是由一组结构相似的环状肝毒化合物一微囊藻毒素引起,微囊藻毒素作用的靶器官为肝脏,导致肝脏肿大,充血以至坏死.②神经毒素中毒.目前报道的神经毒素主要分成三类:念珠藻毒素,胆碱脂酶抑制剂和钠离子通道阻塞物和其他神经毒素.3.蓝藻水华的一般成因蓝藻水华多发生在夏季,有明显的季节性,温度,光照,营养物质,气候条件等都有可能成为制约因素.适宜的水温(20℃以上),水体富营养化,较高的pH值,适宜的光照强度和光照时间,以及蓝藻形成气囊使其上浮到水体表面和群体的迅速繁殖,都有利于蓝藻水华的形成.(1)营养盐.在水华形成中,氮,磷等营养盐在水体中含量过高是引起富营养化乃至藻类形成水华的主要因素.藻类生长需要多种营养元素,如氮,磷,碳,硅,铁等,其中碳,硅,铁等在自然水体中一般大量存在,因此,湖泊水体中氮和磷的含量以及它们的存在形态在一定程度上制约着藻类的生长.国际上一般认为湖水中总氮(1'N)达0.2mg/L,总磷(11P)达0.02mg/L是富营养化发生的浓度,因此,人们特别关注湖泊中氮磷的来源.由于磷是大多数水体控制藻类生长的主要元素,因此,通常将磷作为优先考虑的控制因子.只有及时有效的阻断外源营养盐的连续输入才能控制水华的形成.磷和氮的外部途径主要来自于点源和面源,如农田施肥,城乡生活污水,工业废水,畜禽和渔业养殖等, 其入湖的氮磷量一般占湖泊总负荷量的50%～90%;内源则主要是指来自湖体内部的污染来源,如底泥释放,湖内围养,生物死亡残体等,约占湖泊总负荷量的10%～50%.(2)水文与气象等环境因子.影响藻类增殖的主要物理因子有光照,温度,pH值,光辐射等.光照的影响主要表现在藻类光合作用的速率随着光强变化而变化,以及不同种类的藻对不同波长,不同强度的光敏感性不同.温度对藻类生长的影响比较突出.水体增温对浮游藻类的影响与环境温度和增温幅度有关,当环境温度较低时水体增温会促进藻的生长,环境温度较高时则起抑制作用.水体的物化性状包括溶解氧,氧化还原电位,有机质含量,金属螯合作用,颗粒物沉降与再悬浮,吸附与解吸, 沉淀与溶解等,这些因素不仅直接作用于藻体本身,影响藻的各生理阶段,从而对藻类生长起间接作用.其次,湖泊本身的自然地理条件也对水华的形成起着至关重要的作用.若水深浅,换水周期长,水位低等水文因素也有利于水华的发生.另外,湖泊水文过程和气象因子对水华的形成也会有驱动作用.在浅水湖泊中,风浪的搅动间接地导致了营养盐从底泥中释放, 增加了更多的可为蓝藻所利用的营养物质,同时也可使蓝藻细胞从底泥中上浮.直接的作用则是在特定方向的风力作用下,使得已上浮于湖水表面的藻华在封闭性湾区,尤其是在下风带湖滨区聚集,形成厚度可观的蓝藻水华,这一现象往往也被人们误认为是该区域发生"暴发".理解了这点,就可知道在上述区域形成的蓝藻水华,既有来自该湖区原有蓝藻的生长,又有可能是其他湖区的水华蓝藻随风浪作用漂移到该湖区堆积而成.同时由于湖区的特殊地形地貌决定了其他湖区的水华易向该区聚集,因此会加剧这样～些区域的水华发生程度.显然在这样的湖区,水文与气象要素对蓝藻水华的形成作用尤其显着.(3)生物与生态因子.在正常的湖泊中,湖泊初级生产力包括浮游植物,底栖或固着藻类,沉水植物与挺水植物.它们是相互作用和相互制约的,形成一个良性的湖泊初级生产力平衡系统.若湖泊接纳的营养盐主要供给了浮游植物,则蓝藻的生态位在生态系统具有较高的适合度,因而能够占据优势进而形成水华,从而会破坏了这一系统平衡.许多生态学家提出了种群竞争的理论,即在特定环境条件下, 富营养化湖泊中蓝藻在与其他藻类的竞争中获得生长优势.蓝藻成为优势种的机理研究主要集中在蓝藻与其他相近物种对生态空间和营养盐的竞争方面.另外,原生动物的摄食作用也是影响蓝藻细胞消长的主要因素.那么,为什么在同样富营养盐条件下,仅蓝藻在竞争中获得了生长优势呢?蓝藻成为优势种的可能原因可概括为:蓝藻对低温的适应;对低光强和紫外线的适应;蓝藻可以过量摄取无机碳和其他营养物质的能力;蓝藻细胞可以形成气囊,具有调节自身浮力的功能, 通过浮游或下沉来选择其最佳的生长和生存空间;蓝藻可以形成群体胶鞘, 以降低被浮游动物摄食的机率;蓝藻可以分泌他感物质对其他物种产生抑制作用.更新的研究发现蓝藻所产生的藻毒素可以抑制其他物种生长甚至杀死其他生物.总的来说,湖泊富营养化的实质是由于营养物质输入输出的失衡,造成湖泊生态系统中各物种的种间平衡被打破,导致某单一物种的过度生长(如蓝藻的恶性繁殖),从而进一步破坏了系统的物质循环和能量流动,最终致使整个生态系统逐步走向消亡.4.控制蓝藻水华的技术迄今为止,国内外采用的控制蓝藻水华的技术主要可以分为以下几种: (1)化学法.主要是采用在水体中添加杀藻剂(如次氯酸钠,硫酸铜等),絮凝剂(如黏土等),抑藻剂等,来控制水体中的蓝藻,这种方法通常应用在较小的水体中,还是有一定效果的.但是,由于在使用化学药剂除藻时,需要向水中引入新的化学成分,这些化学成分不仅对藻类有抑制性,对其他生物也存在毒性.如治理微囊藻水华时,多用硫酸铜等,但在实践中发现有时并不理想,往往在处理之后,微囊藻水华照样大量出现.此外,现阶段所使用的杀藻剂对藻类并无选择性,在去除微囊藻水华的同时,也杀死了其他藻类其他生物,污染了水体.除用化学药剂除藻外,还可以用臭氧来除藻.臭氧的氧化性极强,能很快杀死藻类.但臭氧极不稳定,极易分解, 在水中停留时间短,且臭氧发生装置庞大,复杂,耗能高.臭氧只能作用于很小范围水体,不能作用于大范围水体. (2)机械清除法.采用动力机械装置(如藻类收集船等)将水体中的蓝藻富集,收获,并使之移出湖泊水体,这种方法一般作为简易的辅助手段,主要用于突发事件的应急处理,对大型湖泊而言,捞藻的速度远远比不上藻类本身的生长速度,耗费大量人力物力,效果甚微.(3)曝气混合法.通过机械混合或曝气破坏湖泊中的垂直分层,增加底层水体的溶解氧, 这种方法也多应用于深水湖泊.实践显示,平均水深超过10m的,使用曝气法控制藻类繁殖和嗅味有良好的效果;平均水深为5～lOm的,蓝藻繁殖及嗅味得到控制,但不能控制绿藻及硅藻,特别硅藻明显繁殖;平均水深<5m的没有控制效果.大约每10万m设置一个装置,投资及成本相当低,但是该法曝气增氧设备要求动力大,耗能高,只对小水体比较有效.(4)水动力学控制法.通过引入干净的水源,一方面通过增加湖水流量,改变湖流等,来改善湖泊水体的流动性,减少滞留时间,另一方面能在短时间内使水体中污染物浓度降低,从而控制蓝藻的生长.但这种做法只是暂时缓解了水体的污染,且浪费了大量的水资源,及转嫁了污染. (5)生物控制法.包括经典,非经典生物操纵法及微生物控藻等,但报道采用这些方法取得成功的大都属于小型水体,而在大型水体中应用时不成功的比例较高.除以上这些方法外,还有一些新的技术正在研究中,如:超声波抑藻杀藻技术,激光辐照杀藻技术等.20世纪90 年代,日本开始进行超声波抑藻杀藻技术的研究,初步结果表明,由于超声波可以破坏细胞壁,气胞,活性酶等,因此,适当频率和强度的超声波处理5 min就可以严重抑制藻类生长(减少50%).由于具有高效,迅速,简单,无二次污染等显着优点,使得超声波抑藻, 杀藻具有很大的吸引力.但超声波除藻也存在一定的缺憾,主要是其作用范围小,作用半径≤300m,作用时间长,有时长达几个月,对于暴发性藻类污染,除September2007藻效果不明显.事实上,上述的各种处理藻类的方法均各有所长,也均具有一些局限性, 因此,靠单一的方法治理一个极其复杂的水生生态系统,往往达不到理想的效果.要解决蓝藻水华的问题,必须首先解决水体的污染治理问题,包括三个方面:一是控制污染源的排人,包括截断污水,去除水中的污染物质和营养物, 降低水体中的营养物质负荷,从而逐步控制藻类的异常繁殖,提高水环境的质量;二是改善湖泊的生态系统结构,包括进行各种类型的生态恢复,生态重建,修复和改善受损的生态系统;三是要有局部应急的除藻措施,以应对突发的蓝藻水华问题.富营养化湖泊治理的途径控制蓝藻水华,从根本上来说,最重要的就是湖泊富营养化的治理.从国内外的成功案例和失败教训看,湖泊水环境综合治理措施主要包括三个主要方面,即外源削减与控制,内源削减与控制,湖内水生生态系统恢复与重建.1.外源削减与控制由于湖泊水环境的恶化通常由外源污染物的过量输入引起,因此,外源污染负荷的削减与控制是解决湖泊富营养化问题的关键问题.而外源控制的问题也是制约我国大多数湖泊水环境成功改善的决定因素.大量国外成功的湖泊治理案例都是建立在外源污染源充分控制与削减的基础上进行的.外源污染包括农业面源污染,工业点源污染和生活污染.从太湖的情况看,这三种污染来源均占据了比较大的份额.因此,从外源控制的层面看,可以通过加强城镇生活污水集中排放设施及兴建污水处理厂控制生活污水的排放;改变湖泊流域内的产业结构,加强工业污水处理厂的兴建来改善工业点源污染;通过改变粗放的农业耕作和施肥灌溉方式,提高生态农业比例,加强集中和分散式面源污染处理设施等方式改善农业面源污染.2.内源削减与控制内源污染的贡献在外源污染得到控制后成为湖泊水环境改善的决定因素,国外研究表明,内源污染的份额在外源污染得到控制后可能占湖泊污染负荷的90%以上.由于湖泊底泥是湖泊流域上污染物的最终汇集场所,因此, 底泥污染记录并反映了流域内污染物的输入.内源的控制一般通过底泥疏浚,底泥覆盖及抑制底泥再悬浮等措施实现.这其中湖泊污染底泥疏浚是应用最多,也是相对见效最快的手段之一, 因此,在国内外都受到了广泛应用.约20世纪60年代末起,由于工业化和城市化发展过快,发生了以湖泊富营养化为代表的水污染问题.受水污染的影响,湖泊底泥也逐渐出现污染物(营养物,重金属和有机物等)累积问题,如日本中部有些流域在1975年前后,就出现了水体和沉积物中}Ig和cd等重金属含量明显偏高等问题,造成了所谓水俣病和痛痛病等地方性疾病.为了改变这种底泥污染现象,美日和西欧等国家就相继在日本的诹访湖,手贺沼和霞浦湖(1969,1975,1991～1995),美国的伊利湖和安大略湖南部,瑞典的Trum—men湖,荷兰的凯特梅尔湖和Geerplas 湖,匈牙利的巴拉顿湖等湖泊开展了以改善湖泊水环境质量为目的的局部或大规模的湖泊底泥疏浚工程.而这其中,日本是将疏浚工程用于湖泊环境改善投入最早和次数最多的国家之一,因此,往往被人们作为研究的对象.因此, 应该说将湖泊疏浚用于环境目的是起自于国外,虽然在近几十年才得到应用,但推行的速度较快.目前不仅在发达国家,而且在发展中国家,如中国,印度,委内瑞拉等国,也纷纷实施了用于环境目的的湖泊疏浚计划.3.湖内水生生态系统恢复与重建在富营养化湖泊中恢复水生植物,可以降低底泥的再悬浮,吸收水体中的营养盐,固定和改善底泥的污染物释放.因此,培植清水型草型生态系统,曾经被认为是治理富营养化湖泊的有效途径.但是,迄今为止,实施湖泊生态修复达到改善水质的成功的事例并不多. 即使有湖泊通过重建水生生态系统得到了成功改善,也是建立在外部和内部污染源得到充分控制的基础上进行的, 或者是在局部受控的水域内,通过围隔隔离和其他水生植物的种植等技术,使得水质得到一定的改善,但是,这样的生态恢复在污染持续输入,水体营养水平维持在很高水平的条件下,从理论和实践上,都难以支持一个健康水生生态系统的持续运行.一般来说,要维持一个清水型的草型湖泊,其水体11P应低于0,1mg/L,TN应低于2.0mg/L,氨氮应低于1.0mg/L.否则,即使一个湖泊通过人工干预暂时恢复了水生植被,其生态系统的稳定性也是非稳态的,随时可能在外部物理条件(如风浪的作用)的干预下崩溃蜕化为藻型湖泊.因此,水生生态系统的稳定重建必须建立在前两个层面的基础上.4.湖泊富营养化治理成功的案例由于湖泊富营养化仍是目前国际上的难题,而我国一些湖泊的富营养化又非常严重,因此,可供借鉴的成功实例并不多.国内外的经验表明,若要对一个湖泊富营养化及水华灾害进行控制与治理,应当采取控源与生态修复相结合的综合技术,这其中内源污染控制与生态修复是十分关键的的内容,是我国浅水湖泊污染控制的急需技术.因此,针对湖泊污染防治所迫切需要解决的底泥环境疏浚与生态重建的技术问题,开展高技术重大专项研究,对全国的类似湖泊具有重要指导意义.近几十年来,由于经济快速增长和人类干扰活动的加剧等导致了世界范围内日趋严重的湖泊污染和富营养化现象,在城市湖泊,大型浅水湖泊的局部区域甚至出现了以"有机污染十分突出,重富营养化,生态系统严重退化"为表征的重污染水域.目前,世界各国十分重视对湖泊污染尤其是重污染水体防治技术的研究.经过多年的研究探索,人们逐渐认识到:对于浅水湖泊的污染防治,必须采取"控源与生态修复(或生态重建)相结合"的治理模式. "控源"就是针对湖泊污染外源(包括点源和面源)和内源(污染底泥,湖内养殖,湖面旅游等),采用治理工程及管理措施削减或清除污染负荷以满足湖泊环境容量的要求;而"生态修复(或生态重建)"是指当湖泊内,外污染源得到有效控制时,应采取生物调控措施重建湖泊优化生态系统.因此,对于大型浅水湖泊的重污染水体而言,当湖泊污染外源(包括点源和面源)得到有效控制后,采取工程措施清除内源污染负荷,并重建疏浚区的优化生态系统,是目前国内外浅水湖泊污染治理的基本模式.湖泊(或水库)的污染与环境退化早在20世纪50和60年代就已经开始出现.联合国经济合作与发展组织(OECD) 对湖泊水体富营养化的成因及污染物来源作了较为全面的总结.经过多年研究,通过外污染负荷的阻断,利用湖泊的自净能力,在深水湖泊富营养化治理方面取得了较好的效果.奥地利的月亮湖(Mondsee),德国的康斯坦士湖(LakeKonstanz)等成功地将富营养湖整治为贫营养湖,富营养化的发展趋势得到有效控制.但是,就目前所知,国际上对仅有的几个浅水湖泊富营养化治理(如美国的Okechobee湖,日本的霞浦湖,匈亚利的Balaton湖)结果看,由于富营养化形成机理缺乏深入研究,因此,尽管上述几个湖泊外源负荷治理已经达到或接近历史最低点,但是,蓝藻。