河湖蓝藻水华的成因、危害与治理

随着夏季的到来，温度逐渐升高，不少河湖的藻类爆发问题越来越严重，甚至发生“水华”。绿如油漆般的水面不但观感糟糕，气味难闻，还严重影响了人们的生产生活。大家不禁要问：“水华”究竟是什么（WHAT）？它为什么会发生（WHY）？该如何去治理（HOW）？

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图1 蓝藻水华照片

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一、“水华”究竟是什么（WHAT）？

蓝藻又称“蓝细菌”，是一种广泛分布于全世界水体中的光能自养型原核生物，也是地球上最早出现的光合自养生物。蓝藻是一类进行产氧光合作用的原核生物。蓝藻属于蓝藻门，蓝藻门分为4个目：色球藻目（Chroococcales）、颤藻目（Oscillatoriales）、念珠藻目（Nostocales））和真枝藻目（Stig onematales）。

大规模的蓝藻爆发被称为“水华”，在我国大多数淡水水体中发生的水华为蓝藻水华。蓝藻水华常见藻种主要有色球藻目的微囊藻属（Microcystis）和颤藻目中的鱼腥藻属（Anabaena）等。

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图2 中国水体中常见的水华蓝藻

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蓝藻水华的危害主要表现在以下三个方面

（1）藻类爆发式的繁殖大量消耗水体中的溶解氧，造成水生群落中鱼、虾、贝类等其他物种死亡，物种趋向单一，水体功能发生退化，导致整个生态系统失衡。

（2）藻类大量生长使水体透明度下降，沉水植物大量死亡，并且藻类死亡后会散发有毒物质及腥臭味，不但影响水体景观还会影响周边的空气质量。

（3）形成水华的藻类可产生大量藻毒素造成水源污染，藻毒素主要包括肝毒素、神经毒素和内毒素，可通过消化道途径进入人体，引起腹泻、神经麻痹和肝损伤，严重者甚至死亡。

二、为什么会发生（WHY）？

水体富营养化是蓝藻水华发生的主要原因，因此研究分析水体富营养化的成因，对预防和治理蓝藻水华具有重要的指导意义。根据国内外的相关研究成果，蓝藻水华极易发生的五个条件为：①适宜的氮磷比；②铁、硅等微量元素适量；③适宜的温度、光照和溶解氧条件；④适宜的水动力条件；⑤缺少物种间的竞争。

2.1 适宜的氮磷比（N/P）

氮、磷是藻类生长繁殖和再生所需的重要营养元素，目前研究发现，氮磷这两种营养盐的比例（N/P）对浮游藻类种群组成的影响比氮、磷单因子浓度的升高对藻类种群组成的影响大。藻类细胞组成的原子比率C∶N∶P=106∶16∶1，研究表明，当氮磷比在10:1~25:1范围时，藻类生长与氮、磷浓度存在直线相关关系；氮磷比在12:1~13:1时最适宜藻类生长。此外，如果氮磷比超过16∶1，磷被认为是限制性因素；反之，当氮磷比小于10∶1时，氮通常被考虑为限制性因素；而当氮磷比在10~20之间时，限制性因素则变得不确定。

2.2 铁、硅等微量元素适量

铁、硅是水体中的微量元素，由于铁是水体氮循环过程发生所需的各种酶的重要组成成分，因此铁是氮营养盐循环过程中的决定性因素。当水体中铁的含量较高时，合成的硝酸盐、亚硝酸盐还原酶的活性增强，更多亚硝态氮被还原，从而降低水体氮含量，使得氮成为藻类生长的限制因素，水体富营养化发生的几率得到降低。根据相关实验，当水体中氮磷比为40：1，铁离子浓度为1.2 mg/L时，蓝藻的生长速率达到最大值；当铁离子浓度为0时，藻类基本不生长；当氮磷比为80：1或铁离子浓度为4.8 mg/L，藻类生长受到抑制。因此，在控制蓝藻生长时，不仅要控制水中氮磷比，同时需要控制铁离子浓度。

当水体中磷硅比升高时，水体中的浮游生物以鞭毛虫为主，鞭毛虫占主体时，水体更容易发生富营养化；当氮硅比降低时，水体中硅藻属为优势浮游生物，水体富营养化发生的机率小。

2.3 适宜的光照、温度和溶解氧条件

光照强度的大小是影响藻类生长的重要因子，光合作用的速率因光照强度的变化而发生变化。温度则主要通过影响水生植物生命活动所需酶的活性，从而引起酶促反应的反应速率不同来影响藻类的生长，通常10℃～20℃的温度范围下，温度每升高10℃，浮游植物将提高一倍多生长率。

水体中溶解氧含量降低会引起水生浮游动物缺氧死亡，浮游动物的死亡将减少对水体中氮磷营养盐的消耗，并且浮游动物死亡后尸体的分解会释放出大量的氮磷，造成水质的恶化和水体生态环境的失衡。

2.4 适宜的水动力条件

蓝藻存在一个最适合其生长的临界流速，而当流速增加到一定程度时则会限制藻类生长，不同的藻类、不同环境条件下流速值不完全相同。根据相关研究，对于河道而言，最利于铜绿微囊藻生长的临界流速为0.30 m/s，当流速大于0.50 m/s时微囊藻几乎不再生长；对于湖泊而言，一定强度的风浪有削弱藻类水华的作用，但是微风则有利于藻类的聚集。对太湖蓝藻水华的研究表明，风速在1~2 m/s和0~1 m/s时，微囊藻容易上浮聚集但只发生缓慢的水平漂移，易形成大面积薄层的水华；风速在2~3 m/s和3~4 m/s时，微囊藻容易上浮聚集并能够快速水平漂移，易形成面积偏小的厚层水华；在风速>4 m/s时，微囊藻受强烈的紊流作用而难以上浮、已经上浮的受到扰动混合而在垂向较为均匀分布，可导致水华现象消失。

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图3 藻类聚集上浮过程图

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2.5 缺少物种间的竞争

某些水生高等植物不仅在其生长过程中吸收水体中的氮磷营养盐，而且还能分泌一些化感物质，化感物质能够通过破坏藻细胞结构，抑制藻细胞光合作用活性，损害藻细胞内蛋白质活性，影响关键酶活性等途径抑制藻细胞生长。例如20世纪70年代太湖有超过600 km2植被覆盖率，由于人类活动的加剧，现在太湖植被覆盖率已经大幅度降低，水生植物的种类也减少了几十种，导致太湖从草型湖泊向藻型湖泊转变，水华发生的风险加大。

三、该如何去治理（HOW）？蓝藻水华发生的根本原因是由于水体富营养化导致的水生态系统失衡，营造稳定平衡的健康水生态系统是关键。水生态系统的修复不可能一朝一夕完成，因此在坚持进行系统治理的同时，我们需要重视各类治理手段的综合运用，采取必要措施以应对蓝藻水华，最终达到标本兼治的目的。现阶段采用的治理措施主要分为：工程方法、物理方法、化学方法和生物方法。

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图4 蓝藻水华防控与治理示意图

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3.1 工程方法

工程方法主要包括底泥疏浚、人工复氧和生态调水等。

3.1.1 底泥疏浚

蓝藻水华的形成分为越冬休眠、春季复苏、夏季生长和聚集上浮四个阶段，藻类生命过程中最薄弱的环节是在冬季休眠和春季复苏时期，此时采取针对性措施对其进行消减，可起到预防效果，也是最为经济合理。藻类在冬季不适宜生长时下沉到河湖底泥表面越冬。根据相关研究，水华优势藻种——微囊藻属的藻细胞以休眠的方式存于底泥表层（深度≤4cm），而鱼腥藻属产生休眠孢子沉降到底泥表面。底泥中的藻细胞或孢子数量决定来年蓝藻的复苏量，根据相关研究，藻类复苏对夏季水华贡献能够达到50%；因此，在冬季或者初春通过生态疏浚的方式，将河湖厚度为10~20cm的表层底泥清除，能够有效预防蓝藻水华。

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图5 蓝藻水华四阶段理论

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3.1.2 人工复氧

曝气复氧通过水气掺混，提高水体中溶解氧浓度，并改变蓝藻的时空分布格局以缓解藻类在水面堆积。我国多数富营养化湖泊属于内源污染严重的浅水湖泊，若采用深层搅动，反而使沉积物中的营养盐重新回归水柱，从而增加藻类的初级生产力，成功运用基本是在深水水库。国内曝气法更多是表层水曝气，以缓解藻华时溶解氧急剧减少对水生生物产生的生存威胁（DO < 3 mg/L），防止湖泛黑臭。

3.1.3 生态调水

合理利用水利设施引入优质水体，稀释氮磷等营养盐浓度，暂时减缓藻类的生长速度，同时带走更多的蓝藻数量，但如果水环境不能得到根本改善，后期藻类会有加剧增殖的趋势。

3.2 物理方法

物理法除藻是利用某些设备、器材直接去除水体中的藻类，同时不会产生二次污染的方法，但其去除成本相对较高，主要方法有：过滤除藻法、气浮除藻法、机械除藻法、黏土矿物除藻法和超声波控藻法等。

3.2.1 气浮除藻

气浮法除藻是由溶气系统供应溶气水，通过水中气泡粘附水中藻类，使其浮于池面，用刮渣机刮除。气浮除藻是通过物理方法将藻从水中上浮分离，非常适合藻类去除，除藻效果良好，并且不会产生不利影响，感官指标也有较大改观。气浮工艺需增加回流压力水和溶气系统，投资及运行费用有所增加，操作管理难度也有所提高。气浮工艺除藻效果良好，但不彻底，如藻类高达1亿以上时，必须结合其他工艺来保证出水水质。

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图6 气浮除藻照片

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3.2.2 人工机械除藻法

人工机械除藻是目前最为普遍、成熟的应急方法，通过打捞堆积在近岸带的蓝藻，以解决“表观藻华”，削减次生灾害。值得肯定的是，这种方法几乎不会产生生态风险。本文介绍一种“大型仿生式水面蓝藻清除设备”，它采用了仿生式的技术原理，模仿鲢鱼滤食藻类的方式，适用于蓝藻中微囊藻、鱼腥藻等常见种类的去除，主要具备以下四项优点：

（1）利用可连续调节的藻水分离铲解决了富含蓝藻表水层高效分离汲取问题；

（2）采用鳃式过滤器解决了蓝藻与水的大流量高效分离问题，能够在总面积72 m2的载体平台上要实现流量达1000 m3/h的藻水分离能力；

（3）采用叠层式摇振浓缩筛进行藻液二次浓缩，不需要投加任何化学药剂；

（4）特制多个蓝藻储存囊袋对大量的高浓度蓝藻藻浆进行储运，能够保证除藻设备实现7×24小时现场连续作业。

“大型仿生式水面蓝藻清除设备”以纯物理方式过滤蓝藻，不添加任何药剂，整个工艺流程经济环保，对肉眼可见蓝藻去除率达到99%以上，藻类总体去除率可达70%以上。该设备已在国内多个蓝藻重污染湖泊及水库得到了应用。

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图7 大型仿生式水面蓝藻清除设备

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图8 大型仿生式水面蓝藻清除设备照片

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3.2.3 粘土矿物除藻法

考虑到磷常常是影响蓝藻生长的关键性限制因子，控制水体磷含量可以有效抑制蓝藻生长。工程中常采用镧铝复合锁磷材料降低水体中磷含量。锁磷材料的改性基础材料取自天然的多孔粘土材料，经过物理化学以及水热合成的一种含钙、铝等多孔粘土多功能材料，主要功能是能够有效抑制底泥界面磷释放并迅速固定水体中溶解性磷酸盐，材料质地坚硬，为不规则棒状（0.2~4mm），对磷的固定容量在8-12mgP/g左右，能针对不同浓度的磷进行去除，在极低（0.5 mg/L及其以下去除率大于99%以上）以及高浓度（200mg/L去除率接近80%）均有较好的去除率。

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图9 镧铝复合锁磷材料

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3.2.4 超声波控藻法

超声波控藻是近年来国内外关注较多的一种物理控藻方法，主要通过空化泡共振、高温裂解、自由基氧化和微射流剪切等物理化学效应对藻类生理活性和细胞结构产生影响。超声控藻适合在有藻华聚集的小水体使用，主要依靠超声波的“空化效应”，破坏伪空泡，使蓝藻细胞失去浮力而下沉，同时伴随着强剪切力作用和羟基自由基的产生，能够损伤或氧化藻细胞。虽然较高强度的超声波能够有效去除蓝藻，但同时也加速了细胞破裂导致藻毒素释放，因此低强度超声运用的更多，间歇多次35 kHz、强度为35.3 W/L的较低频低强度超声处理，会使得80%藻细胞沉降，并且不会造成细胞破碎。不过该方法并不能杀灭蓝藻，只能抑制其悬浮和生长。

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图10 超声波控藻设备

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3.3 化学方法

化学方法是运用化学药剂将藻类直接杀灭或者运用混凝剂进行混凝沉淀的方法。化学方法是通过投加除藻剂来达到抑制藻类生长的目的，它具有操作简便，一次性使用成本低、见效快、效果明显等优点。除藻剂一般分为氧化型和非氧化型两大类，常用的有：过硫酸盐、高锰酸盐、双氧水、臭氧和聚合氯化铝（PAC）等。

化学方法除藻被视为一种短视行为或权宜之计，死亡藻类会释放藻毒产生二次污染，并且化学药品的生物富集和生物放大对整个生态系统也会产生负面影响。越来越多的人致力于研究环保高效的化学除藻技术，例如通过电化学、光化学等辅助手段提高化学除藻剂的除藻效果，减少化学药剂的投加量。

3.4 生物方法

生物方法是利用生态系统内部的调节机制，如某些高等水生植物的化感作用抑藻，或者某些浮游动物、水生动物的捕食原理，来抑制藻类繁殖生长，从而达到控藻的目的。相较于物理和化学方法，生物方法对环境更加友好，能够做到标本兼治，但处理周期较长。目前，生物方法可分为水生高等植物抑藻法、水生动物控藻法和微生物控藻法。

3.4.1 水生高等植物抑藻法

某些水生高等植物不仅在其生长过程中吸收水体中的氮磷营养盐，而且还能分泌一些化感物质，化感物质能够通过破坏藻细胞结构，抑制藻细胞光合作用活性，损害藻细胞内蛋白质活性，影响关键酶活性等途径抑制藻细胞生长。该方法主要包括水生植被恢复技术、人工湿地技术及浮床技术等。例如在太湖蓝藻治理中，大力恢复芦苇湿地，分区恢复沉水植物，种植紫根水葫芦都是运用了水生高等植物抑藻法。

“水下森林”技术也是抑制藻类的有效方法。沉水植物整体位于水下，通过捕获悬浮物、促进颗粒态磷沉淀、根叶吸收底泥和水体中氮磷等营养物质、根际微生物加速反硝化作用、释放化感物质抑制藻类生长、提高水体溶解氧和透明度、为浮游动物提供庇护、优化鱼类种群结构等途径，推动湖泊生态系统向着健康状态转变，是具有最佳水质改善效果的水生植物类群。

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图11 湖泊滨岸带水下森林构建

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对于河湖中水深较大、缺少光照的区域，如果直接在河底栽种沉水植物，将难以成活，此种情况下可以考虑采用沉水植物悬床技术，人为调节沉水植物在水下的深度，确保其正常健康生长，发挥其抑藻作用。

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图12 可升降的沉水植物悬床技术

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3.4.2 水生动物控藻法

通过对湖泊生态系统内的食物网进行有效调控，以经典（增加浮游动物牧食压力）或非经典（滤食性鱼类牧食）生物操纵手段，有助于蓝藻削减。

经典生物操纵通过增加肉食性鱼类、减少杂食性鱼类（如食草、浮游动物食性鱼类），通过营养级联效应，调控食物网功能，以保护浮游动物的生长，增加其丰度，对藻类形成摄食压力从而抑制蓝藻水华。

非经典操纵则是通过增加滤食性鱼类，直接滤食蓝藻。相对于经典操纵通过食物网逐级传递的不确定性，可更为直接地削减水华蓝藻，密度约为46~50 g鲢鳙/m3。但是，非经典生物操纵仍存有较多争议，如鱼类排泄物促进了水体营养循环，鲢鳙单次滤食无法消化微囊藻、甚至增强其活性等。

3.4.3 微生物控藻法

微生物对于藻类的作用可分为直接作用和间接作用；直接作用主要表现为捕食，间接作用表现为通过影响营养物质循环，产生胞外分泌干扰物，促进或抑制藻类的生长繁殖。微生物控藻法主要有微生物制剂、酶处理技术等。微生物制剂常用的有芽孢杆菌、乳酸菌、光合细菌、EM复合菌等。酶处理技术即通过某种固定技术，将微生物作用产生的细胞外聚合物或者酶固定在一种载体上，能有效破坏藻体中某些物质，从来直接降解藻类。

四、结语

蓝藻水华的治理应该遵循系统性综合治理的原则，但必要时也不得不采取应急处理措施。蓝藻水华的预防永远是最重要的，一旦大规模爆发，处理难度和成本都将非常大，因此治理工作不仅仅限于夏季，更应该从冬季就开始。需要指出的是，蓝藻普遍存在于自然界，夏季藻类活跃是一种正常的自然现象，应理性看待，将其控制在一定范围内是需要的，但如果采取过度的治理措施对环境也是有害的。

作者：谈祥 陈向超