第二節(jié)　物理方法治理水華

一、底泥疏浚

底泥釋放的營養(yǎng)物對藻類的增長影響很大，尤其在淺水湖泊中。夏季水溫升高，水體底部趨于厭氧狀態(tài)，氧化還原電位急劇下降，表層底泥的還原狀態(tài)，促使儲藏在底泥中的營養(yǎng)物質(zhì)以還原狀態(tài)釋放出來。因此從理論上講，采用底泥疏浚，將富含高濃度營養(yǎng)物的底泥除去，是最徹底去除內(nèi)源營養(yǎng)物的方法，可以控制藻類生長。但這種方法風(fēng)險也很大，可能會引起沉積在底泥中的污染物質(zhì)的二次污染，在對底泥采取工程措施之前，應(yīng)對底泥進行分析化驗，以減少可能引起的底泥重懸浮、污染物擴散等生態(tài)風(fēng)險。

二、向水體充氣

改善通氣可改變水體底部還原狀態(tài)為氧化狀態(tài)，鈍化底泥，減少底泥釋放的營養(yǎng)鹽。機械攪拌或向水體中劇烈通氣來人為地使水體水層混合，可消除或防止熱分層，限制藻類的光合作用，使透光區(qū)的平均溫度降低，從而使藻細胞減少，降低浮游植物的生物量，控制藻類生長。從生態(tài)學(xué)觀點來看，曝氣可提高水中溶氧濃度，加速對污染物的分解，并防止水體發(fā)黑、變臭和透明度下降，同時為消費者的生存提供氧氣，保證了食物鏈的暢通。據(jù)報道，日本的加藤善盛研究的曝氣循環(huán)法對藻類的抑制效果在平均水深20 m時效果最好，在藍藻生長旺季進行適當(dāng)?shù)娜斯ぱh(huán)，葉綠素濃度降低了20%，但在平均水深10 m以下時，循環(huán)效果急劇下降（圖 3-7）。

圖3-7 通過向水體充氧氣來控制藻類水華

氣浮工藝除藻的適用范圍：① 氣浮工藝用于處理密度小、不易沉淀的絮體、藻類、油類，效果顯著。② 原水中懸浮雜質(zhì)較少，氣浮的氣固比低，用氣量少。③ 水溫低，空氣在水中的飽和度提高了，在同樣壓力下空氣在水中的溶解度冬季要比夏季高54%。④ 原水在加壓提升的過程中溶入一定的空氣，而且當(dāng)混凝劑水解時，產(chǎn)生的CO₂微氣泡也容易與絮體接觸，黏附在一起。若是用沉淀方式，CO₂會干擾顆粒下沉，很難將其從水中分離出去。特別是原水濁度在20 NTU以下時，這種現(xiàn)象尤為顯著，就是斜板沉淀池也發(fā)揮不了多大作用。而氣浮技術(shù)就能因勢利導(dǎo)，使絮體加氣上浮，足以克服低溫低濁不利因素對絮體分離的影響（據(jù)資料介紹，絮粒成長到300~400 μm已足夠被氣泡黏附，而沉淀所需的絮粒，常常需要在1 mm以上，甚至更大）。

三、投加黏土

黏土除藻技術(shù)源于絮凝原理。在海洋赤潮暴發(fā)時，黏土曾被作為一種應(yīng)急技術(shù)來使用，取得了一定的效果，但直接將黏土應(yīng)用于淡水除藻卻并不成功。針對目前黏土技術(shù)投加量大的缺點以及淡水中離子強度低，不利于黏土絮凝藻細胞的特點，潘綱等發(fā)現(xiàn)用天然生物高分子陽離子聚電解質(zhì)——殼聚糖對黏土進行包覆改性，可大幅度提高黏土的除藻效率，降低黏土的使用量。高效黏土絮凝除藻不是通過傳統(tǒng)的靜電吸附機理，而是通過一種架橋網(wǎng)捕作用，就像蜘蛛網(wǎng)一樣，將藻細胞黏網(wǎng)后共同沉入水底。

已經(jīng)有學(xué)者對淡水中的26種黏土絮凝除藻的科學(xué)機理和系統(tǒng)分類、黏土的架橋網(wǎng)捕改性技術(shù)和各種影響因素及規(guī)律進行了深入的研究。目前已經(jīng)有多種改性劑被開發(fā)并深入研究，例如采用黏土礦復(fù)合聚合氯化鋁（PAC），與單加PAC相比，黏土礦的加入可顯著增加絮體的密實度，使得沉淀后的活藻絮體在微擾動下不再漂浮上升，且能大大減少沉淀后底泥的體積，還可降低剩余濁度及出水中藻和鋁的濃度。

向水中投加黏土是目前在韓國的海灣和湖泊使用的主要除藻補救措施。由于黏土來源充足，具有天然無毒、使用方便、耗資少等特點，曾一度受到歡迎。早在1997年，就有專家在國際權(quán)威科學(xué)期刊《自然》上撰文指出，使用黏土除藻可能是治理藻華的最有發(fā)展前途的方法。在相關(guān)文獻報道中，也能找到這種技術(shù)在日本、美國、韓國、澳大利亞等國應(yīng)用的實例。但是黏土技術(shù)本身不能防止藻類的再次泛起和底泥二次污染，這些是導(dǎo)致該技術(shù)在淡水湖泊中難以被廣泛使用的關(guān)鍵因素。

四、明礬漿除藻技術(shù)

采用改性明礬漿應(yīng)急除藻主要基于下列作用特點：首先，該物質(zhì)顆粒細，比表面積大，范德華力作用范圍廣，吸附力強，擴散速度快，能覆蓋整個水面并沉降；其次，明礬漿水解可電離生成Al³⁺，與水中顆粒態(tài)磷及有機顆粒物的電荷相反，易發(fā)生混凝作用，因而對水體中的磷和浮游藻類有特殊的去除效果。

以寧波月湖為例，在實驗室和小水體多次模擬試驗的基礎(chǔ)上，研究者利用改性明礬漿機械噴灑應(yīng)急除藻。2000年8月28日至9月2日，在15 m³定制攪拌罐內(nèi)分批分次將改性明礬漿加水?dāng)嚢韬?，用消防泵在全湖范圍?nèi)均勻噴灑改性明礬漿，共計用量15000 kg，平均每立方米水體計55.6 g。試驗表明，各類水體中改性明礬漿對浮游藻類的去除率一般均能達到90%以上，特別在較深的水體中，藍藻一經(jīng)吸附沉降，由于得不到光合作用所必需的足夠光照，細胞難以生長繁殖，數(shù)量能在短期內(nèi)得以控制。月湖自2000年8月利用明礬漿應(yīng)急除藻后，藻類細胞總量和藍藻細胞數(shù)在短期內(nèi)分別下降達90.7%和93.6%，形成水華的優(yōu)勢種顫藻下降99.8%，并且這種大型的絲狀群體在以后的1年時間里基本沒有監(jiān)測到，說明改性明礬漿不僅適合于在月湖這樣的城市淺水湖泊應(yīng)急除藻，而且對一些較大型的絲狀藍藻，如顫藻、螺旋藻、束絲藻和魚腥藻等可能具有更明顯的沉降效果。此外，明礬漿pH低（約3~4），噴灑后能迅速有效地降低因“水華”藍藻光合作用而超常增高的水體pH值，使更多的近中性和偏酸性物種得以生存；另一方面，水體營養(yǎng)鹽濃度和pH的下降，也更有利于綠藻與藍藻的競爭中成為優(yōu)勢種；而明礬漿成分中高比例的硅元素有利于硅藻的生長與繁殖。

不過由于明礬漿使用量大，不適合在大水面和流動性大的水體中實施；水底中新產(chǎn)生的大量沉積物對底棲生物及其環(huán)境也可能造成一定的影響。由于有機碎屑、細菌、藻類和明礬漿等細顆粒組成的膠黏狀云團比重略大于水的比重，在風(fēng)力或上下水層的對流中很容易再懸浮，并在細菌的作用下很快分解，重新參與水體的物質(zhì)循環(huán)，因而使用明礬漿除藻只能作為臨時的應(yīng)急措施或作為調(diào)整藻類結(jié)構(gòu)以利于生物調(diào)控的過度性措施。

五、超聲波法

超聲除藻的原理是以藻細胞內(nèi)的偽空胞結(jié)構(gòu)作為空化核，外加超聲使之發(fā)生空化效應(yīng)，從而破壞藻細胞結(jié)構(gòu)。超聲的空化效應(yīng)所產(chǎn)生的瞬時高溫高壓足以破壞藻細胞偽空胞結(jié)構(gòu)。Hao等研究表明，超聲作用可導(dǎo)致藻細胞的氣泡破裂，使藻細胞下沉，進而降低藻細胞的光合作用能力，增強底棲動物的捕食，從而達到控藻效果。另有研究表明：經(jīng)超聲處理后，具有偽空胞結(jié)構(gòu)的鈍頂螺旋藻和銅綠微囊藻的沉降效果優(yōu)于沒有偽空胞結(jié)構(gòu)的斜生柵藻的沉降效果，說明偽空胞結(jié)構(gòu)被超聲空化效應(yīng)破壞是致使藻細胞沉降的重要原因。此外，Ahn等研究發(fā)現(xiàn)微囊藻在超聲作用下細胞體積及細胞內(nèi)葉綠素a含量增大，說明超聲能抑制藻細胞分裂增殖。超聲除藻技術(shù)的控制參數(shù)主要為超聲頻率、功率及作用時間。

1. 超聲波頻率

超聲頻率越低，空化效應(yīng)越容易實現(xiàn)，而高頻條件下必須提高聲強才可產(chǎn)生空化效應(yīng)，相對而言，采用高頻超聲除藻的耗能較高，經(jīng)濟性較差。Lee等指出28kHz超聲比100 kHz超聲抑制藻細胞更加明顯；類似地，Hao等認為200 kHz的作用效果比1.7 MHz好。高頻耗能較大且處理效果與低頻相仿，從實際應(yīng)用及推廣的角度出發(fā)，考慮超聲除藻的經(jīng)濟性和去除效果，高頻超聲并不具有優(yōu)勢，采用低頻超聲除藻較為適合。

2. 超聲波功率

功率是超聲處理藻細胞時的重要參數(shù)，直接關(guān)系到作用效果強弱。張光明等認為超聲輻照越強，對藻類的抑制效果越好，但超過一定范圍時，超聲功率對藻類的抑制作用呈飽和的趨勢。另有研究結(jié)果顯示，低頻低功率的超聲作用可誘導(dǎo)藻細胞內(nèi)的氣泡發(fā)生空化破裂，內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生紊亂和均質(zhì)化，但同時保持細胞膜相對完整，避免藻細胞內(nèi)的毒素釋放進入水體，提高了超聲抑藻安全性。高功率的超聲作用可通過力學(xué)效應(yīng)和熱效應(yīng)直接破壞藻細胞的生理結(jié)構(gòu)從而使得藻細胞死亡，但其耗能過大，經(jīng)濟性較差。另有相關(guān)文獻表明：當(dāng)超聲聲強大于1 W·cm^-2、超聲作用時間大于l min時可導(dǎo)致作用范圍內(nèi)的水生動物死亡，所以在含藻水域內(nèi)采用超聲處理時，需要考慮其生物安全性，不宜采用過高的功率。

3. 超聲波作用時間

相關(guān)研究表明，采用30 min的超聲處理可有效降低藻細胞濃度并抑制藻細胞的生長，而張光明等推薦超聲作用時間為5 min。另有研究結(jié)果顯示：低頻低功率超聲條件下，經(jīng)過5 min的超聲處理即可使藻細胞濃度急劇降低，有效抑制藻細胞的生長，5 min為發(fā)生質(zhì)變的超聲作用時間。在采用超聲時，需從整體考慮頻率、功率及作用時間三個工作參數(shù)的優(yōu)化選擇，特別是超聲功率與作用時間之間的關(guān)聯(lián)。丁暘等在太湖的現(xiàn)場研究結(jié)果表明：當(dāng)超聲工作參數(shù)為頻率20 kHz，功率40 W，作用時間15 s時，除藻效果較好，水體表層的藻細胞濃度由10⁷cell·L^-1下降到10⁵cell·L^-1，水體透明度由0 cm上升為35cm，水質(zhì)得到明顯的改善。

除了對藻細胞的去除效果外，超聲處理是否會引起細胞內(nèi)的藻毒素釋放是值得關(guān)注的問題。有研究采用28 kHz、1 200 W的超聲處理銅綠微囊藻，發(fā)現(xiàn)超聲作用0.5 min、2 min和5min后，在抑制藻類生長的同時并沒有導(dǎo)致水體中藻毒素的濃度上升。與此同時有研究表明：采用80 W、80 kHz的超聲作用5 min，胞外藻毒素濃度從0.87 μg·L^-1升至3.11 μg·L^-1；類似地，董敏殷等研究發(fā)現(xiàn)低頻超聲可引起藻毒素嚴重釋放，20 kHz、20 W、5 min的超聲作用使胞外藻毒素濃度上升140%，且超聲對藻毒素不具備降解作用。一般認為較高功率和較長時間的超聲處理會導(dǎo)致細胞外微囊藻毒素濃度的增加，所以應(yīng)用超聲技術(shù)處理水體中的藻類時，應(yīng)慎重選擇工作參數(shù)。超聲的空化效應(yīng)過程中能產(chǎn)生自由基，理論上可降解水體中的藻毒素。有研究認為超聲對藻毒素有良好的降解效果，頻率150 kHz、功率為30 W的超聲作用20 min后，藻毒素去除率高達70%；Song等研究發(fā)現(xiàn)640 kHz超聲去除純MC-LR和胞外MC-LR的效率較高，初始濃度越高的藻毒素降解效率越低；Zhang等發(fā)現(xiàn)采用25kHz超聲處理藍藻5 min，在14 d后藻毒素濃度僅為初始時的16%。藻毒素的分子結(jié)構(gòu)相對比較穩(wěn)定，一般來說采用大劑量的超聲處理才可能對其產(chǎn)生降解效果。

世界上第一臺超聲波除藻器于1999年開始應(yīng)用于開放性水域中，到目前為止，已經(jīng)發(fā)展成為一種具有極強殺藻功能的成熟產(chǎn)品，目前，國內(nèi)外將超聲應(yīng)用于富營養(yǎng)化天然水體藻類控制的研究十分廣泛。市面已有諸多可應(yīng)用于小范圍景觀水體抑藻的超聲除藻設(shè)備成品，如LG Sound Sonic除藻儀、Water & Soil Management Associates出品的Waterman除藻儀等。近年來，有學(xué)者采用船載超聲裝置進行水華現(xiàn)場超聲除藻的應(yīng)用研究，已有十幾個國家推廣使用，已被證明是一種最簡單、最有效的環(huán)保除藻技術(shù)，無論是發(fā)泡式藻類、漂浮式藻類或有根的藻類都能有效消除。微囊藻細胞的特殊構(gòu)造是一個占細胞體積50%的偽空胞，偽空胞控制浮力和垂直運動。超聲波在水中產(chǎn)生機械效應(yīng)、空化效應(yīng)和自由基效應(yīng)，運用震蕩波來破壞偽空胞和細胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細胞壁和細胞質(zhì)分離，細胞受損，葉綠體減少，生長抑制，失去控制浮動的能力，藻細胞滅活。實驗證明20 kHz、15 W的超聲波對螺旋藻作用30 s，即可發(fā)現(xiàn)藻絲體的斷裂。超聲波還可以通過空化效應(yīng)降解其他有機物污染物和藻毒素。研究表明，低強度的超聲抑藻過程中破壞了藻膽體的結(jié)構(gòu)功能，干擾了葉綠素的合成途徑。廣州雕塑公園云液湖使用超聲波除藻器，12天后顯效，湖面藻類漂浮層逐漸消失，兩個月后水體顏色由深綠色恢復(fù)到淺綠色，水的透明度從10 cm增加到40 cm。原有38種藻類減少到18種，藻細胞密度降低了90%。在尚未采取其他治理措施的情況下，藍藻水和淤泥上涌現(xiàn)象沒有再出現(xiàn)。廣州順意花園居住區(qū)500 m²的景觀湖使用超聲波除藻器后，藍綠藻受到抑制，水體逐漸變清，透明度從原來只有10 cm變?yōu)榍宄阂姷祝?3 cm）。2008年3月廣州流花湖公園西苑湖水華暴發(fā)，之前試用了多種方法都不能消除，7月24日開始使用超聲波除藻器，不到一個月時間，湖面水華全部消失，透明度增加40cm，感觀大為改善。

超聲波除藻具有操作簡便，不引入化學(xué)物質(zhì)，條件溫和，速度快等。但是現(xiàn)階段對超聲除藻的研究仍存在不足之處，尤其是對超聲強化混凝除藻研究尚不夠深入，主要表現(xiàn)為以下幾方面：① 現(xiàn)今對超聲除藻的研究多采用純培養(yǎng)藻液，與天然含藻水體存在一定差異，天然水體中的顆粒物對超聲效果及混凝沉淀過程也有影響，且國內(nèi)外鮮見超聲強化混凝除藻相關(guān)的中試研究，采用天然含藻水體進行現(xiàn)場研究更加具有指導(dǎo)意義；② 藻類暴發(fā)是季節(jié)性問題，而一年內(nèi)水質(zhì)情況變化較大，適用超聲處理的水質(zhì)時期需要通過現(xiàn)場研究加以確定；③ 現(xiàn)有研究對藻細胞結(jié)構(gòu)破壞后胞內(nèi)物質(zhì)的釋放情況關(guān)注較少，雖然低功率、短時間的超聲處理不會導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)如藻毒素、嗅味物質(zhì)等大量釋放，但考慮到水質(zhì)安全等因素，仍需考察胞內(nèi)物質(zhì)釋放情況，分析超聲預(yù)處理可能給出水水質(zhì)帶來的問題。

六、打撈藍藻

采用人工或機械裝置（如藻類收集船）將水體中藍藻富集、收集，并移出水體進行處置，該方法可應(yīng)用于突發(fā)事件或特定敏感水域應(yīng)急處理，可以見到瞬時效果，有時在大規(guī)模除藻行動的開始階段或除藻前的準備階段，適當(dāng)撈藻清理水面也是必要的（圖 3-8）。

圖3-8 人工打撈與機械打撈

目前在日本琵琶湖建有專門除藻的船舶，其原理首先是絮凝，將大量水華絮凝，然后撈藻，隨后進行脫水干燥，這樣可以十分有效地去除藻類。我國使用人工打撈與機械打撈相結(jié)合的辦法，在2007年從太湖打撈藍藻19.1萬t，2008年打撈50.1萬t，2009年打撈70.9萬t（含藻水分離站自吸處理藍藻16.9萬t），相當(dāng)于從水體中清除了374.7t的氮和93.7t的磷，為綜合治太提供了有力保障。

七、水利工程控藻

即通過水利工程建設(shè)和調(diào)度，改變湖泊水文水動力狀況，采用換水和調(diào)水、稀釋和沖刷等方法消除藍藻水華暴發(fā)適宜的水文條件，控制水華暴發(fā)。

太湖流域瀕臨長江和錢塘江，在流域水源主要補給地長江河口段，常年過境水資源量達9000多億m³，水質(zhì)優(yōu)良，水量充沛。太湖綜合治理的“引江濟太”工程就是通過引來一定量的好水改善太湖水質(zhì)并讓多年來在非汛期平靜的太湖水流動起來，進而帶動整個流域河網(wǎng)水體流動，提高水體自凈能力，改善太湖流域河網(wǎng)水環(huán)境。作為流域骨干引水通道的望虞河與大運河通過望亭水利樞紐實現(xiàn)立交，避免長江水受大運河污染，為實施調(diào)引長江優(yōu)質(zhì)水進太湖提供了保證。望虞河（全長60.8 km）是與長江直接相通的重要河道，是治太工程中具有流域排洪引水功能的重點骨干工程，分別建有常熟水利樞紐和望亭水利樞紐兩座控制性工程。這些工程原來主要擔(dān)負著防洪排澇的功能，職能單一，不能被充分使用。實施“引江濟太”后，這些工程發(fā)揮了調(diào)水引水的調(diào)控功能，開始從單一的防洪工程轉(zhuǎn)變?yōu)榧婢叻篮楹退Y源調(diào)度綜合效益的現(xiàn)代水利工程。成熟的流域水利工程體系，為實施“引江濟太”調(diào)水創(chuàng)造了條件。而“引江濟太”又帶動了流域內(nèi)其他水利工程的優(yōu)化調(diào)度?！耙瓭钡囊饬x體現(xiàn)在通過水資源的優(yōu)化調(diào)度而實現(xiàn)流域水環(huán)境改善，激活水利工程的生態(tài)意義。

太湖流域地形周邊高，中間低，湖泊河網(wǎng)密布，水流運動復(fù)雜，洪澇壓力大。在這樣的流域內(nèi)實施“引江濟太”將涉及各地區(qū)、各部門的利益，這是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。20世紀90年代以來，太湖流域管理局和各省市在做好流域防洪調(diào)度工作的同時，為努力實現(xiàn)水利工程綜合效益，開展了流域水資源調(diào)度的積極探索。1997年，調(diào)引長江水2.97億m³，改善了望虞河水質(zhì)，緩解了沿岸地區(qū)用水緊張狀況。2000年，調(diào)引長江水4.6億m³，入太湖2.22億m³，使太湖貢湖灣水體水質(zhì)從引水前的劣V類水改善為引水后的III類，并向黃浦江上游增加供水0.73億m³。在此基礎(chǔ)上編制完成的《引江濟太調(diào)水試驗工程實施方案》于2001年12月14日得到水利部正式批復(fù)，在國家計委支持下得以實施。2001年全年通過水利工程調(diào)度引長江水14.8億m³進入太湖流域，使太湖水位長年保持在3.2m左右，有效地保持了水環(huán)境容量，2001年太湖水質(zhì)明顯好于往年。2001年9月，溫家寶副總理在視察太湖流域水利工作時，對此做出了充分肯定，指出“太湖流域要通過實施生態(tài)調(diào)水工程，以動治靜、以清釋污、以豐補枯、改善水質(zhì)”。

八、激光除藻初探

激光是一種新型光源，具有普通光源所沒有的高單色性、高亮度、大能量、極短的發(fā)光時間等特性?，F(xiàn)在，由于有機染料激光器等技術(shù)的發(fā)明，制造從短的真空紫外到長的遠紅外光譜區(qū)域的輻射頻率可調(diào)的激光器都不成問題，目前在生物體的光譜學(xué)中所采用的主要波段為200~1000 nm。選擇上述的光譜區(qū)域，主要是根據(jù)包含在生物有機大分子的最大吸收光譜，實現(xiàn)破壞細胞結(jié)構(gòu)和分子活性達到殺藻的目的。在漢江水華激光殺藻的研究中得出以下結(jié)論：激光殺藻的最佳波長為532 nm，照射時間越長，除藻率越高，但需要提高激光輻射能量的利用率，提高殺藻率。