核電站附近海域赤潮防治技術(shù)研究進(jìn)展

馬文豪　張可佳

（1中核浙能能源有限公司浙江杭州310051 2建筑工程學(xué)院浙江大學(xué)浙江杭州310058）

核電站附近海域赤潮防治技術(shù)研究進(jìn)展

馬文豪1張可佳2

（1中核浙能能源有限公司浙江杭州310051 2建筑工程學(xué)院浙江大學(xué)浙江杭州310058）

針對核電站的溫排水會造成附近海域更易發(fā)生赤潮，進(jìn)而影響核電站的正常運(yùn)行及海洋環(huán)境污染，本文分析了赤潮產(chǎn)生的影響因素，論述了目前普遍采用的控制赤潮的方法：物理法、化學(xué)法和生物法。其中化學(xué)除藻技術(shù)發(fā)展較為成熟，應(yīng)用廣泛。生物處理中的化感作用和酶處理技術(shù)具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益和可操作性；以藻治藻和以菌治藻正處在發(fā)展初期，但前景看好。

核電站溫排水；赤潮；影響因素；化學(xué)處理；生物處理

1前言

濱海核電站通常設(shè)計(jì)為直流冷卻，運(yùn)行期間會產(chǎn)生大量溫排水。若所處海域流場封閉，不利于溫排水?dāng)U散[1]，勢必造成海水中的一些特定浮游微藻（或原生動物）爆發(fā)性增殖或高度聚集而引起水體變色，即為赤潮。與淡水湖泊藻爆發(fā)不同的是，赤潮具有“范圍廣、頻率高、種類多、節(jié)奏快”的特點(diǎn)。一旦核電站附近海域出現(xiàn)赤潮，也將嚴(yán)重影響到核電站的正常運(yùn)行。因此如何科學(xué)地進(jìn)行赤潮的研究和減災(zāi)，有效地進(jìn)行赤潮防治已成為迫切需要解決的重大問題。

2赤潮產(chǎn)生的影響因素

2.1海域中存在大量赤潮藻類

海域中的赤潮藻類的存在，是發(fā)生赤潮現(xiàn)象的前提。目前，世界各大洋中能形成赤潮的浮游生物共有180多種，我國記錄到的有63種，其中能形成優(yōu)勢種的有28種。一般情況下，許多藻類在冬季形成孢囊，進(jìn)入休眠期。直到第二年春季，溫度回升，鹽度適合時，水體的赤潮藻類大量繁殖，迅速生長，引起赤潮。

2.2溫度影響

赤潮發(fā)生的時間多在4~6月。當(dāng)海水的溫度為20℃~30℃時，適宜赤潮藻類孢囊的萌發(fā)，并大量繁殖。在全球氣候變暖的情況下，我國出現(xiàn)了自20世紀(jì)90年代以來罕見的冬暖高溫天氣，“三九”天氣溫度達(dá)10℃，這對赤潮發(fā)生有一定影響，爆發(fā)時間會提前，持續(xù)時間更長。同時也有研究表明，海洋浮游植物的生長繁殖、群落結(jié)構(gòu)、生理生化及遺傳性狀與核電站的溫排水的升溫作用有直接關(guān)系[2-4]，溫排水直接影響受納海域浮游植物的種群結(jié)構(gòu)與豐度[5]。因此，在核電站海域附近，爆發(fā)赤潮的風(fēng)險(xiǎn)性更大。

2.3風(fēng)、流等影響

赤潮生物是單細(xì)胞生物，其移動范圍有限，它的分布、聚集和分散直接受到水體運(yùn)動的影響，水體可以將赤潮生物帶到適合其生長繁殖的水域。而陸源污染物如沿河排放的工業(yè)廢水、生活污水、農(nóng)業(yè)污水及固體廢棄物通過河流徑流匯入大海，嚴(yán)重影響了入海口海域的環(huán)境質(zhì)量，同時還會帶來大量可能影響赤潮藻進(jìn)行光合作用的懸浮物質(zhì)。有些專家和學(xué)者還提出地幔流體在高壓下從海底地殼裂隙中溢出后，使近海富營養(yǎng)化的海水上升，不斷給海水表層補(bǔ)充營養(yǎng)鹽，尤其能提供誘發(fā)赤潮的微量重金屬Fe和Mn，使得表層赤潮藻大量增殖[6]。

2.4 N、P及微量元素的影響

海水中營養(yǎng)鹽濃度的增加，尤其是N和P的增加導(dǎo)致海水富營養(yǎng)化，是發(fā)生赤潮的最主要的因素。海水中N/P一般為15。當(dāng)海洋中N/P>22時，藻類的生長受P限制，而N/P<10時受N限制。江艷等[7]研究了N、P營養(yǎng)濃度對赤潮中常見的有害藻種異彎藻的生長影響。結(jié)果表明赤潮異彎藻最適合在N37.5mg/L~225.0mg/L，P5.0mg/L~50.0mg/L，N/P=25條件下生長。

3赤潮的防治技術(shù)研究

由于赤潮的波及面很廣，含藻量多，難于打撈和收集處理。目前對赤潮的防治主要采取殺滅赤潮生物的方法。治理赤潮的難點(diǎn)在于海浪運(yùn)動會改變藥劑濃度分布，如何解決在極短時間內(nèi)，保持藥劑濃度在能殺滅赤潮生物的閾值內(nèi)，又不對非赤潮生物有任何傷害，也不存在藥劑本身的二次污染，只是要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

3.1物理法

3.1.1粘土法

目前國際上公認(rèn)的一種物理方法是撒播粘土法。利用粘土微粒對赤潮生物的絮凝作用進(jìn)行去除。撒播粘土濃度達(dá)到1000mg/L時，赤潮藻去除率可達(dá)到65%左右[8]。由于粘土溶膠性差，用粘土作絮凝劑存在用量大和海水懸浮顆粒過多的問題，可以通過對粘土的改型來減少投加量。

3.1.2碎稻草法

大連市近岸海域曾采用碎稻草吸附除藻[10]，效果顯著。赤潮12km2范圍海水呈紅色，由海洋原甲藻和長菱形藻為優(yōu)勢種，采用了碎稻草進(jìn)行吸附，去除率為81.8%~94.2%，相比采用常用的物理吸附劑爐渣、蒙脫土吸附，具有投加量少、去除率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

3.2化學(xué)法

3.2.1硫酸銅法

硫酸銅至今被認(rèn)為是可獲得的最有效的除藻劑[11]，因?yàn)殂~離子會影響藻類的生長代謝，抑制光合作用，影響原生質(zhì)膜的滲透性，同時銅離子對藻類還具有很強(qiáng)的吸附能力。但直接投加硫酸銅會造成局部水域銅離子濃度過高而傷害魚類等非赤潮生物，同時藥效持續(xù)時間短。

另外，可以利用生物載體，如海帶、殼聚糖等去吸附工業(yè)廢水中的Cu2+，再投入到海水中，載體緩慢釋放出銅離子而殺滅赤潮藻，2d后除藻率達(dá)75%，這種方法可利用廢水的Cu2+，變廢為寶，節(jié)約成本。

3.2.2二氧化氯法

ClO2是一種廣譜、高效、安全、貯存和使用方便的新型殺菌、消毒劑，具有適用pH范圍廣（在6~10的范圍內(nèi)均可有效使用），不產(chǎn)生有機(jī)氯化物、氯酚及三氯甲烷等具有臭味和致癌的物質(zhì)，不會對環(huán)境造成二次污染。研究表明[14]，一定濃度的ClO2對赤潮藻有明顯的抑制和殺滅作用。藻細(xì)胞在108cells/L數(shù)量級時，0.59×10-2mmol/L的ClO2就能有效地控制和殺滅。

3.2.3有機(jī)藥劑法

目前，有許多研究者從事有機(jī)除藻藥劑的研究。1990年，木尾原等[15]研究出C5-C24的烷基香芹酮酸或其衍生物的有機(jī)物除藻劑，在1m2水面上投撒100g~1kg藥劑即可消除赤潮，但存在投加量大的問題。也有報(bào)道采用碘類消毒劑進(jìn)行赤潮治理，其中除藻效果明顯的是四烷銨絡(luò)合碘[16]。當(dāng)起始藻細(xì)胞密度為1.5× 106cell/mL時，低于15mg/L的四烷銨絡(luò)合碘溶液對球形棕囊藻生長有一定的抑制作用。當(dāng)四烷銨絡(luò)合碘高于25mg/L時，第5天除藻率達(dá)到80.3%，7天后達(dá)到95%，且連續(xù)15d藻細(xì)胞沒有再增殖，藥效期較長。一些表面活性劑治理赤潮也有較好的效果。

3.2.4羥基自由基治理

羥基自由基（OH·）氧化性很強(qiáng)，其氧化還原電位為2.80V，比Cl2、O3高出70%和39%。它能使赤潮微藻的細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化，氨基酸氧化分解，DNA結(jié)構(gòu)的堿基置換、丟失和DNA鏈斷裂，從而徹底破壞藻細(xì)胞。在2mg/L的低濃度下，在6s~45s極短時間內(nèi)能100%殺滅赤潮生物。同時在此濃度下不會對海中的魚、蝦、貝類等經(jīng)濟(jì)生物構(gòu)成任何威脅。在藥劑投放20min后或離海面1 m以下海水中的羥基藥劑濃度更是低于0.1mg/L。羥基自由基是由H2O和O2在外加物理化學(xué)等因素作用下產(chǎn)生的，經(jīng)過氧化分解后又還原成H2O和O2，不存在任何殘留物。實(shí)際操作中先利用海水和空氣電離制備羥基溶液，通過噴頭均勻噴灑在水面上，治理1km2海面的赤潮生物，藥劑費(fèi)用不超過10元。

3.3生物法

3.3.1栽培大型經(jīng)濟(jì)海藻

大型海藻不僅能與赤潮微藻進(jìn)行營養(yǎng)競爭，防止赤潮生物的爆發(fā)性繁殖和增長；還能向環(huán)境中分泌相生相克化合物即化感物質(zhì)，抑制赤潮藻的生長。從大型藻類提取出的起主要滅藻作用的化感物質(zhì)有香草醛、沒食子酸、兒茶素、N-苯基-2-萘胺和壬酸等，它們從大型海藻中分泌出來，通過自氧化產(chǎn)生自由基，引起藻細(xì)胞脂膜過氧化程度加劇，損傷膜結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到除藻的目的。

我國曾采用鳳眼蓮（水葫蘆）、水花生、浮萍等進(jìn)行湖泊營養(yǎng)化治理，盡管上述植物能吸收大量營養(yǎng)鹽，且能分泌化感物質(zhì)，但由于利用價(jià)值不高，未能從水體中及時收獲，其死亡腐爛反而導(dǎo)致更嚴(yán)重的富營養(yǎng)化。因此所選大型海藻應(yīng)具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，產(chǎn)品具有一定的市場。當(dāng)然還要根據(jù)不同的海域和氣候，選擇合適的大型經(jīng)濟(jì)海藻。

3.3.2酶處理技術(shù)

微生物作用產(chǎn)生的細(xì)胞外聚合物與微生物細(xì)胞一起形成一層生物膜——微生物粘泥，它起到一種屏蔽作用，使殺生劑難以向細(xì)胞內(nèi)滲透。早在70年代,就有人提出利用酶處理生物粘泥的全新概念和方法。US4684469開發(fā)了一種方法，是利用殺生劑和多糖分解酶二種組分來控制粘泥的生成，但殺生劑本身所具有的毒性是其應(yīng)用受到限制的致命缺點(diǎn)。鑒于此，NalcoChemical公司著手研究用多種酶的混合物處理工業(yè)粘泥的方法,并于1990年取得了專利。他們利用纖微素酶或葡萄糖酶與α-淀粉酶、蛋白酶的混合酶,投加劑量2mg/L~10mg/L即能有效去除粘泥。機(jī)理為α-淀粉酶首先破壞葡萄糖分子的α鍵，使粘泥外部產(chǎn)生裂紋，從而使葡萄糖酶進(jìn)入其中破壞其中所含的碳水化合物，蛋白酶則破壞細(xì)胞外的蛋白質(zhì)分子[19]。

3.3.3以藻治藻和以菌治藻

王悠等發(fā)現(xiàn)不僅大型海藻會對赤潮微藻起到抑制和殺滅作用，赤潮微藻之間也會存在相互影響。在原甲藻-塔瑪亞歷山大藻的雙藻培養(yǎng)體系中，原甲藻的生長受到明顯的抑制作用，最終被完全滅殺。結(jié)果表明，塔瑪亞歷山大藻能分泌出化感物質(zhì)抑制共培養(yǎng)的原甲藻；但原甲藻或者不能分泌，或者分泌化感物質(zhì)較少，以致對塔瑪亞歷山大藻的影響不大。

利用海洋微生物滅活赤潮藻及對藻類毒素的有效降解，從而使海洋環(huán)境長期保持穩(wěn)定的生態(tài)平衡，因而是一種理想的防治方式。Ishio等從海洋污水中分離的一株弧菌Vibrio algoinfestus，可以分泌一種“甲藻生長抑制劑”來殺死Chattonella antique，該抑制劑穩(wěn)定性高，且對魚類無害。他們還從水華銅綠微囊藻中分離出類似蛭弧菌的細(xì)菌，該菌能進(jìn)入銅綠微囊藻的細(xì)胞，并使宿主細(xì)胞溶解。宿主在溶解過程中，細(xì)菌立刻以多價(jià)裂殖方式在其周圍空間繁殖大量的后代細(xì)菌，并釋放出來，迅速感染其他健康藻細(xì)胞。鄭天凌等從赤潮多發(fā)區(qū)西海域采集分離篩選到三株細(xì)菌，分別屬于芽孢桿菌屬、巨大芽孢桿菌屬和鞘氨醇單胞菌屬，將它們與塔瑪亞歷山大藻共同培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)3種海洋細(xì)菌的過濾液對塔瑪亞歷山大藻均有明顯的抑制作用。

4結(jié)語

目前國際上治理赤潮的主要方法是物理法和化學(xué)法，其研究方向是通過對除藻劑的改進(jìn)或選擇高效、易操作的材料來提高去除率，改善處理環(huán)境。而利用海洋微生物治理赤潮的研究剛剛興起，由于其具有去除率高、對其他海洋生物無危害等優(yōu)勢，使得這一嶄新的方法在赤潮治理中具有巨大的應(yīng)用前景。但同時由于本身的種群多樣性、生態(tài)功能多樣性、遺傳多樣性等特點(diǎn)使得利用生物治理變得錯綜復(fù)雜。如何加強(qiáng)對起降解作用的海洋微生物的篩選、培育和控制是將來研究的重點(diǎn)。另外，在目前的研究中較少涉及到對赤潮藻毒素的研究，赤潮微藻在自身的新陳代謝和被去除的過程中都可能釋放出藻毒素，其對海洋生物及人類的危害不容忽視。因此在以后的治理研究中，如何處理赤潮藻毒素也應(yīng)作為一個必要的方向。

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