荷蘭水華控制技術對太湖治理的啟示

賈更華

（水利部太湖流域管理局 上海 200434）

藻類水華是世界上許多水生生態系統面臨的一個難題。藻類中最常見的藍綠藻，是富營養化湖泊水體中主要的生產者。藍藻種群數量巨大，某些種類還具有浮性，在風力作用下能快速漂浮、能生產藻毒素、有固氮作用、具有低食物同化能力、產生植物相克物質以及較大的細胞和種群等。這些特性讓藻類具有比其它浮游植物更強的競爭力。

水面藍藻層的形成對湖泊生態系統產生了重大的影響，特別是對水質、水生物和湖泊景觀的影響。對水質的影響包括水體透明度下降、產生異味、溶解氧濃度下降。對生態系統健康的影響包括，死魚、營養循環加快、對人類和動物產生毒性。高劑量的藻類毒素對人類和動物都會產生急性中毒。

太湖位于長江三角洲，是中國第三大淡水湖，水面面積2338km2，平均水深1.95m。太湖位于人口稠密、工業發達地區，是上海、湖州、蘇州和無錫等大城市的飲用水源地，同時也具有養殖漁類、螃蟹等水產業以及灌溉、休閑和旅游等重要功能。

太湖的污染負荷很高，這些污染負荷主要來源于工業、生活污水、農業、水產以及非點源（見表1）。2011年，太湖流域管理局對22 條主要入太湖河流開展的監測數據表明，水質劣于V 類的河流有11 條。

2011年太湖四項主要水質指標年平均濃度分別為高錳酸鹽指數 4.25mg/L（Ⅲ類），氨氮0.22mg/L(Ⅱ類)，總磷0.066mg/L(Ⅳ類)，總氮 2.04mg/L（劣于Ⅴ類），總體評價為劣于Ⅴ類。太湖各湖區水質最差的是竺山湖，其次是西部沿岸區。全年期太湖為中度富營養水平。

自2008年5月國務院批復實施《太湖流域水環境綜合治理總體方案》以來，在國務院有關部門和兩省一市的共同努力下，太湖流域水環境綜合治理工作得以全面推進，效果明顯。通過綜合治理，太湖流域水環境得到了明顯改善。2007～2011年間，太湖流域水質總體好轉，太湖流域 103 個重點水功能區水質達標率呈改善態勢。但是太湖藍藻暴發仍存可能。2011年太湖藍藻最大一次聚集面積為505 平方公里，未出現湖泛現象。由于長期以來太湖氮磷營養鹽不斷積累，湖體藻型生境已經形成，只要外部條件具備，湖內就有可能出現藍藻大規模暴發的情況。

荷蘭目前在藍藻水華管理方面已經取得了大量成功的案例，特別是在減少或去除藍藻、阻止藍藻層形成或阻止藍藻層在淡水系統中飄浮等。本文擬對這些技術進行分析討論，以便為太湖藍藻水華治理提供借鑒。

1 荷蘭藍藻暴發和水面藍藻層管理

藍藻暴發和大面積水面藍藻層的形成在荷蘭很多富營養化湖泊中是常見的，夏季尤為常見。在荷蘭，常見并潛在有毒的藍藻種類包括水華魚腥藻、水華微囊藻和綠色微囊藻等。藍藻暴發和水面藍藻層管理作為一項常規應用，不僅用于改善湖泊水質和恢復降解體系，也用于達到《歐洲水框架指令》和《歐洲洗浴用水指令》的標準。

表1 2010～2011年環太湖河流入湖污染負荷量

荷蘭的管理大體上致力于以下三方面：

（1）短期措施，用于轉移、減少或隔離藍藻，例如通過物理屏障、機械和物理轉移等；

（2）短期至中期措施，用于防止水面藍藻層的形成或抑制其生長，例如通過使用氣泡羽流實現人工混合、化學處理以降低有效磷濃度或者生物調控以加強捕食；

（3）長期措施，用于最終減少生物量，通過徹底減少氮、磷的外源和內在負荷，或者采用生態恢復，如清淤、濕地建設、漁業管理等。

在荷蘭已經試驗過多種在短至中期發揮效用的方法，荷蘭三角洲學院開展了大量的實驗室試驗研究和現場原位試驗研究。試驗結果不能一概而論，并不是所有試驗的措施都是有效的。很多試驗的技術在實驗室研究中很有效，但在現場中試驗效果很不明顯或甚至不起作用。因此，水華治理的措施只有在實際應用后才能被認定是否可用。

1.1 短期管理措施

藍藻短期管理措施的目的通常是在水面藍藻層形成后轉移或隔離高濃度藍藻。比如使用屏障以保護某一特定區域遠離藍藻，或使用撇沫器、真空吸塵器進行物理或機械轉移，或使用人工方法。盡管這些措施可以快速執行，從而立即生效，但是它們必須在夏季藍藻水華爆發季節連續的使用，需要投入大量的人力。因此，這些技術只能作為臨時性措施。此外，荷蘭試驗過的多種藍藻管理方法中，沒有哪一種能獨自起到百分百的效果。

1.1.1 水面藍藻層的物理和機械轉移

荷蘭進行過大量的漂浮屏障實驗，目的是要把水面藍藻層隔離在休閑沙灘或港灣之外。實驗的結果表明，屏障法有時候并非高效。因為，實驗大部分時候是在港灣的入口處進行的，因此在特定的風向時水面藍藻層也能通過船只的入口進入港灣。此外，由于荷蘭經常性的大風，水面藍藻層有時會越過或鉆過屏障。水面藍藻層一旦進入更加避風的隔離帶，就不容易再回到開放的水體，也不容易在大風的作用下通過水柱混合。因此，屏障后面的水面藍藻層有可能比湖泊主體水域的持續更久。

在一些港灣，荷蘭人試驗過用網和便攜式真空泵來轉移大面積的水面藍藻層。但是這個方法勞動密集性很高，在極大的水華事件時不太有效。而且積累的廢棄物運輸和處理也是一個問題。

在不能使用屏障的港灣，荷蘭人試驗了用線型擴散器引入氣泡羽流的方法以物理隔離浮沫。結果表明，該方法僅在波動很小、很平靜的條件下有效。由于擴散器在每個試驗中都是和很多其它方法聯合使用的，因此它們的效果沒有得到科學的測定。

1.1.2 超聲法

有大量的文獻研究提及用超聲波減少藍藻生物量。其原理是，利用浸沒式定向水聲換能器產生超聲頻率、產生空化現象以及形成壓縮、稀薄階段和氣泡在水中的爆裂等過程。這項技術在荷蘭的至少在埃塞湖等四個現場進行了中試研究，使用的是不同類型的市售換能器。通過整個夏季的觀察，各個系統中的藍藻生物量都沒有明顯的減少。

2008年，荷蘭研究人員，在實驗室研究了幾種市售超聲設備對三種藍藻（魚腥藻、擬柱胞藻、微囊藻）以及綠藻（柵藻）和浮游動物（水蚤）的影響。在所有實驗中，浮游植物通常能在超聲輻射下存活。

1.1.3 黏土絮凝法

水華的傳統去除方法是用無機絮凝劑，如硫酸鋁、鐵鹽等。由于其對其它生物的潛在毒性，該法在天然水體處理中已不被接受。絮凝以及后續的藍藻細胞隨天然黏土顆粒的沉降被認為是減少海水和淡水系統中水華（赤潮）的供替代的、潛在有效的和低成本的方法。在荷蘭的研究表明，盡管微囊藻的不同菌株間的絮凝存在差異，但是微囊藻的聚集率和投加的黏土顆粒濃度成正比，而且皂土的效果比高嶺土好。但，至今荷蘭還沒有使用該項技術進行現場中試。

1.2 中期控制措施（1～5年）

荷蘭已經引入了一系列中間的管理措施，這些措施包括利用人工曝氣或混合等物理手段來防止水面藍藻層的形成，通過加強光照限制、其它浮游植物的競爭（混合）、養分限制（化學去除）或者攝食作用（生物操縱）來抑制藍藻量的提高。

1.2.1 人工混合和曝氣

在荷蘭，利用人工混合裝置來抑制浮游植物生物量和水面藍藻層形成的實驗已經在大且深的(水深＞15m)湖泊系統中取得了成功。這種技術在阿姆斯特丹市Nieuwe 湖的水體改善中也獲得了很大的成功。該湖是一個富營養化的小型深湖（面積1.3km2，平均水深18m）。1993年在該湖湖底安裝了氣泡羽流曝氣系統，這個最優方案是通過大范圍的野外實驗以及監控和動力學模擬來確定的。由于表面混合層深度的增加，光照受到限制，其它種類浮游植物競爭力提高，這使得該湖中微囊藻生物量顯著減少。此外，增強表面混合層的紊亂度，水體垂直移動速率超過了細胞上浮速度，這也使得微囊藻表面漂浮層難以形成。

在荷蘭布拉班特省，也有兩個水源地靠人工混合來控制藍藻生物量和防止水面藍藻層的形成，分別是Andijk 水庫和Biesbosch水庫。在這兩個水池中都使用了人工曝氣，但這種單獨的方法在整個夏天并不能夠充分抑制水面藍藻層的形成。

盡管當光照限制不起主要作用時，機械混合抑制藍藻總生物量很可能受限，但在不深的系統比如海港和水處理塘中，機械混合能夠維持良好的混合條件和抑制水面藍藻層形成。用螺旋漿進行機械混合已經在荷蘭至少兩個小而淺的海港（深度＜3m）進行了實驗。雖然螺旋漿的使用被認為可有效地防止了水面藍藻層在港岸邊的聚集，但是混合對水面藍藻層形成和生物量的確切影響仍沒有被科學的評估。曝氣增強了沉積物的擾動，導致水體中有機質和營養物質濃度的增加，不過，沒有證據表明曝氣對水體中葉綠素a的影響。

1.2.2 營養物質削減措施

在科學文獻中大量提到了如何減少水中營養物質的技術方法，包括通過投入鐵、鋁、鈣以及明礬等化學處理方法來減少湖中磷的濃度；通過去除沉積物、疏浚、化學投加以及充氧等方法使底泥失活；通過機械或物理處置，諸如抽走下層滯水帶、曝氣充氧、稀釋、沖刷以及降低水位等。許多措施僅僅在深水系統中是最有效的，這是因為，深湖中的沉積物比表面積低，且存在著規律性的分層。

鎖磷劑是一種用膨潤土材料，在大多數環境條件下，鎖磷劑可以固定磷元素，并形成化合物。鎖磷劑最初是由澳大利亞國家科學與研究組織會同水體與河流委員會一起研發出來的，這個產品現在已經進入商品化階段。在荷蘭也做了試驗，與投加明礬一樣，鎖磷劑有效地抑制藍藻生物量或者是使表面漂浮層沉降。

1.2.3 生物法

近些年，荷蘭開始關注用淡水河蚌作為生物方法來降低浮游植物的高生物量。雖然是一個外來的物種，但是通過實驗，河蚌種群一般是在水質良好、堅硬底質、沉淀速率低的湖泊中才能成功建立，通常與淡水魚群數量情況相一致。

在荷蘭最大的湖泊埃塞湖的南部地區，存在一個很大的河蚌自然種群，但是它們對藍藻生物量的影響還是未知的。

水產業經營方式的生物操縱法還可以通過提高浮游動物的捕食作用來減少海藻生物量。這種方法與減少營養物質負荷及斑紋蚌定植相聯合，已在荷蘭的Veluwe 湖中取得了很大的效果。如果大型植物隨著水體透明度的改善而得以復生，這種生物操縱的方式就會更容易成功。

1.3 長期管理措施

荷蘭很多研究表明外源營養負荷的長期削減能最終減少水體的營養物質濃度和浮游植物量。外源營養負荷的削減正在通過以下方式實現：污水處理廠和工業污染源的廢水排放量減少、廢水處理效率提高以及特定土地使用活動如農業的最優管理。研究表明由于湖泊的內源高負荷率，湖泊水體質量的改善需要很長的時間，甚至長達幾十年。

大量的應用管理方法也已經被用于減少外源和內源營養負荷，包括底泥疏浚、長期魚類資源管理、濕地建設、湖泊水位控制和入流分散等。然而這些方法只有在同時削減外源負荷且長期使用時才可行。

2 太湖藍藻水華回顧分析

太湖自20 世紀50年代出現藍藻水華以來，藍藻發生面積呈現蔓延的趨勢。藍藻水華于20世紀70年代初首先在無錫五里湖出現以來，其暴發的規模和頻率不斷增加。20 世紀80年代中后期，每年暴發2～3 次，分布范圍擴大至太湖的梅梁灣。20 世紀90年代中后期，每年暴發4～5 次，并逐漸向大太湖擴展。2000年監測結果顯示，太湖湖心區域出現嚴重的藍藻水華，在外力（如風、水流等）的作用下，水華暴發后的藍藻會大面積聚集。

根據獲得的衛星影像資料，太湖藍藻水華大面積暴發始于1987年6月，覆蓋面積約62km。太湖藍藻水華最初在夏季出現，隨著時間（年份）的推移，暴發時間（月份）逐漸提前，藍藻水華持續時間增加。2003～2004年，藍藻暴發始于7月份；2005年4月太湖出現大面積藍藻水華；2007年3月28日在太湖發現較大面積的水華；2008年1月、12月均出現大面積藍藻水華；2009年4月10日在太湖西部沿岸發現大面積藍藻水華，2009年11月梅梁灣、竺山灣和西部沿岸帶暴發藍藻水華。

由于衛星遙感影像數據應用較晚，20 世紀80年代初，五里湖和梅梁灣約有五分之二湖區每年夏季均出現藍藻水華，但沒能獲得影像數據顯示太湖藍藻水華首次大面積暴發的時間。

太湖藍藻水華的聚集面積自2004年以來急劇增加，空間分布格局為從梅梁灣和竺山灣逐漸向湖心區，最終布滿整個非水生植被區的空間演化過程。藍藻水華的空間格局具有短期快速暴發和消失的特征。例如2009年5月6日竺山灣暴發與消失的藍藻水華。藍藻水華的水平和垂直移動可能是這種快速變化的主要原因。

2005年以前，只有貢湖灣灣口受外源藍藻水華污染和沿岸水生植物生長區發生小面積藍藻水華。但自2005年以后，每年均發生程度不等的藍藻水華，2005年、2006年8月、10月、2007年（4月28日、8月30日、10月11日、10月18日）、2008年7月13日、11月18日、2009年7月16日均監測到大面積藍藻水華暴發。2007年貢湖灣藍藻水華發生的頻率最大，2007年5月27日、29日過境的大面積藍藻污水團以及原地暴發的藍藻水華造成南泉水廠供水危機。2009年7月4日漁民觀測到貢湖藍藻水華的暴發，持續到8月中下旬，整個貢湖灣均發生藍藻水華。7月16日衛星遙感影像監測到貢湖灣內的水華藻團。

太湖藍藻水華最初在夏季出現，隨著時間的推移，暴發時間逐漸提前。近年來，3～4月逐漸成為藍藻水華的初始暴發期。藍藻水華集聚面積逐年擴大，水華持續時間越來越長。2008年1月和12月太湖梅梁灣和竺山灣均出現大面積藍藻水華。2005年以后，以前很少有藍藻水華發生的貢湖灣，每年開始有大面積藍藻水華覆蓋，2007年以后發生水華的頻率明顯增加。2009年藍藻暴發時期貢湖灣和湖心區大面積水華。

3 建議

在荷蘭開展的大量處理藍藻的試驗顯示，沒有一種單一的處理技術是有效的。因此，應該采用這種以水面藍藻層過濾、移除、減少生物量增長以及阻止水面藍藻層聚集為目的的組合處理的方法。

3.1 短期保障飲用水安全的藍藻處理技術

盡管太湖具有復雜的自然特性，例如面積大、水深淺、外來污染負荷高、藍藻生物量大，為直接提高飲用水水質，短期可采用以先進的水處理技術為基礎的工程途經減少藻類生物量。但單一的處理方法難以奏效，必須采用組合的工程技術。

基于荷蘭的實踐經驗，建議組合技術方案。

（1）建造儲水水庫。建議開展對建造水深大于20 米，大體積但獨立的儲水水庫的可行性研究，地點可以選擇通過挖掘底泥在太湖中建立，也可以建在陸地，與長江或者望虞河相通。

在水庫中采用氣泡羽升流發生器進行曝氣以減少水面藍藻層聚集，同時減少光照抑制藻類生物量。在水庫周圍設置隔柵隔離藍藻。水庫形狀應該有利于水體天然混合，例如形狀方向建為與主導風向一致。水體在水庫有足夠長的駐留時間以保證生物量的去除率。通過水動力學模型模擬可以確定水庫的規模、形狀、以及人工混合的程度，通過調查可以確定移動的水樣采集點。

（2）設置物理隔柵是阻止藍藻浮渣轉移到取水口的有效措施，隔柵應設計為有足夠的強度，可以抵擋大風，位置可根據主導風向的變化而改變。建議進行在取水口附近設置大型格柵的試驗，同時采用改裝的船只對藍藻進行打撈。

（3）由于藻毒素的存在，應在現有的水處理工藝的基礎上，增加深度處理技術，以進一步降低飲用水中有害物質的濃度。荷蘭的水庫中，即使采用人工混合的方法，藻類水華仍不時出現，令人困擾。如果存貯飲用水的水庫一旦建立，由于人工混合技術不能完全抑制水面藍藻層在水面聚集，深度水處理技術就顯得尤為重要。深度水處理技術包括紫外線-過氧化物殺菌、活性炭處理等技術。

由于太湖面積大，外源污染負荷較重，短期對湖體水體實施磷化學處理、生物處理等技術手段對抑制藻類水華不一定立竿見影。

3.2 長遠戰略──湖泊修復

盡管目前在短期內減少水域營養物質濃度、浮游植物生物量有各種各樣的技術手段，但荷蘭開展的研究與在世界其他地區開展的研究表明，只有長期而顯著的減少湖泊的外源污染負荷，才能使湖體水質全面徹底改善。

也應認識到，當外源污染負荷較好的控制以后，由于湖區底泥會釋放污染物質，水體中營養物質濃度將會經過較長時間后才會下降，高濃度的營養物質也會在地下水中存在。為修復太湖、提高水質、減少藍藻生物量，建議：嚴格執行廢水排放水質標準。為減少湖泊的外源污染物，降低水體濃度，應詳盡計算進入湖泊系統的外源營養物與內源營養物的數量，包括不同類型的土地利用引入的污染物。推行優化的管理機制，采用可行的工程、生物措施以及管理手段，例如轉移或者處理污染物濃度較高的入湖河流，引流稀釋河道，提高湖泊的環境保護程度，發展濕地生態系統。