藻类水华形成的影响因子及其预防与治理

张雨竹

（陕西省建筑科学研究院有限公司，陕西西安 710082）

0.引言

当水体受到含有氮、磷等营养物质的污染输入后，水质逐渐达到富营养化状态，在此状态下，当环境条件适宜时，原本悬浮在水体表层以下的藻类细胞发生爆发性的增殖，在一定的水文条件推动下，大量的藻类细胞上浮并聚集在水体表面形成了藻类水华。漂浮在水体表层的大量藻类水华会影响水体的感官性状，破坏原本动态平衡的水生态，降低水生生物的稳定性及多样性，不完全降解的死亡水生生物及藻类细胞会释放有毒气体并产生异味，加剧了水体本身及其对周围环境的污染，形成恶性循环。严重时，水体会丧失原本的使用功能，造成生态、经济、人文等多方面损失。

1.富营养化水体的污染来源

水体富营养化是藻类水华形成的物质基础。在没有外加推动力的干扰下，自然水体的富营养化是一个十分缓慢的水体演化过程。随着人口数量的增加以及工业、农业的大规模发展，大量含有氮、磷等营养物质的污水排入天然水体，从而大大加速了这一进程。进入天然水体中的氮、磷等营养物质主要来自未经过处理或者处理不够完全的生活污水、工业废水及废气、养殖污水、垃圾、农业化肥等，这些污染物通过人为排放、降水、地表径流、养殖、水上娱乐及交通活动等途径进入水体，构成水体富营养化[1]。另外，底泥中的沉积物及水生生物的代谢活动也会向水体中释放氮、磷等营养物质，这些属于污染物的内部来源。

2.藻类水华形成的影响因子

藻类水华的形成不是一瞬间的，在水体表层出现人们可以肉眼观察到的水华之前，水体内部已经有大量的藻类细胞悬浮其中。水华“爆发”的本质是水体内部长时间积累的藻类群体在特定环境因子的促使下，发生了增殖、聚集、迁移、上浮，是一个循序渐进逐渐发展的形成过程，为了预防及控制这一过程，了解藻类水华形成的影响因素是必不可少的[2]。通常认为，影响藻类水华形成的因子包括营养条件、环境条件、生物条件、水动力及水质条件等多种方面。

2.1 营养条件

营养盐是构成水生生态系统的最重要的化学物质基础之一，构成水体中的藻类细胞的主要元素包括碳、氧、氮、磷、氢等，当水体中缺乏这些元素时，浮游藻类就无法生长。营养盐的输入除了会给水体中浮游藻类生长提供物质基础条件，还会导致水体中原有的营养结构产生变化，从而对某种或某类浮游藻类的增殖特别有利，使得水体中的某种或某类浮游藻类群体迅速增殖，使其生物量剧增。在不同的水体中，由于水体中的营养盐组成成分与结构等不尽相同，水体中的浮游藻类群落种类和数目都会不同。

2.2 环境条件

在众多环境条件当中，对藻类水华的形成影响较大的主要是光照和水温。藻类细胞进行光合作用需要充足的光照来为生物代谢提供能量，光照情况决定富营养化水体当中藻类群体的分布状况及其生长情况。有研究表明，光照太强或太弱都不适宜藻类生长，一般认为，3000Lx～4000Lx是最适宜藻类水华生长的光照强度[3]。水体内藻类细胞细胞中各种酶的反应速率直接受环境温度影响，且细胞的呼吸作用等各项生命活动强度都与环境温度密切相关。一般来讲，藻类水华的发生有明显的季节性，夏季水温非常高（＞30℃）或冬季水温非常低（＜15℃）时都会抑制藻类细胞生长，不利于藻类水华的形成，有研究表明，25℃～30℃是最适宜藻类水华生长的环境温度。

2.3 生物条件

水域生态系统中存在食物链，水体中的浮游动物可以通过捕食关系来影响水体中生长的藻类群体的数量，从而改变水体中藻类种群的组成和优势藻的种类，相当于水体中的浮游动物对藻类群体有摄食压力，这就对藻类群体的生长、聚集、迁移形成诱导作用。另外，水体中的微生物也是诱导水体中藻类生长的重要因素，微生物细胞分解出的有机物质会向水体中释放大量的营养物质以及能够促进藻类细胞生长的有机物质，当然，也有可能会释放出对某些藻类种属有害或者有毒的物质，使得水域当中众多藻类中，有些能够增长旺盛称为优势种群，从而促使该种群的藻类形成水华。

2.4 水动力及水质条件

水体的流动形态及其循环更新的周期长短都会对藻类水华的形成产生密切的影响，流速则是表征这一影响因素最直观且基本的水动力因子，水流速度对水体当中藻类的生长、聚集、迁移及分布都会产生非常显著的影响。

较大的流速可以有效地阻止藻类水华的形成与发展，水流速度较快，水体更新所需的周期较短，这就使得许多藻类在其增殖尚未达到高峰时，就已经被较快的水流速度推移至水体下游，使得藻类群体无法聚集，因而不利于水华的形成。与之相反的是，水流速度缓慢，藻类则易于聚集，也就使得该水域易于形成水华。另外，水体流速较大时，会导致水体内部的剪应力和切边速率较大，从而会使得水体内生长的藻类细胞遭到破坏，也会抑制藻类细胞对水体中营养的吸收，不利于藻类细胞的增殖和水华的形成[4]。

除了水动力条件外，水体本身的理化性状及多种水质因子也会与藻类水华的形成密切相关。如水体的pH值能够通过影响水体内部二氧化碳的溶解度从而影响水体内藻类及其他绿色植物的光合作用，有研究表明，水体pH值随水体富营养化程度的升高而升高，碱性水质环境有利于水体中藻类水华的形成。水体中的溶解氧也与藻类水华的形成相关联，白天光照充足时，藻类细胞进行光合作用向水体内释放氧气，而藻类细胞进行呼吸作用又会消耗水体中的溶解氧，有研究表明，水体中的溶解氧随水体富营养化程度的升高而降低。另外，水体当中的某些微量元素会作为辅助因子参与水体中的生物化学反应，从而促进藻类细胞的增殖，还有研究表明，水体中高锰酸盐指数也与水体富营养化程度正相关[5]。

3.藻类水华的预防与治理

藻类水华的形成受多方面因素的影响，应根据水体自身的特性，采用综合措施以防控藻类水华的发生，对健康水体进行污染源的输入控制，从源头上削减容易引起水体富营养化的营养因子的输入，以预防藻类水华的发生。对已经产生藻类水华或已经形成富营养化的水体进行治理，采取一定的修复措施以恢复水体本身功能。

3.1 藻类水华的预防措施

氮、磷等污染物是藻类水华形成的物质基础，从营养来源上阻断输入水体的营养元素，能够有效地降低水体向富营养化程度发展的可能性，可以采取的措施包括：

（1）从政策上，根据水体功能，制定相应的区域排放标准，严格控制排入水体的各类物质的种类、数量及浓度限值。健全相应的法律法规，要求相关部门严格按照排放标准执行管理，对排放超标的企业进行相关整顿，用规范化、体系化的排污管理对水体环境污染的排放进行把关防控。（2）从水处理技术上，加强对排入水体的工业废水及生活污水的处理力度，强化水处理技术工艺中对氮、磷污染物的处理力度，提高除氮、除磷效果，减少排放源对水体的影响。（3）从农业及养殖业活动角度，革新农耕技术，改善化肥及饲料的营养结构，优化肥料及饲料中氮、磷等营养物质的比例，提高作物对肥料的吸收利用效率，控制农药、杀虫剂、除草剂等化学药剂的使用量，妥善处理水生养殖动物的排泄废物，以减少此类污染源的影响。（4）从生态调控的角度，采用合理规划土地、大面积植树、长期种草等措施，加强水土保持、改善水土流失、减缓土壤退化，以降低通过地表径流对水体产生的污染负荷。（5）大力推广循环经济理念，从生产和消费双方面加强落地可持续发展的要求，提高生产效率，减少废物的产生，促进废物进行资源化处理再利用。普及生活垃圾分类处置，限制洗涤剂中磷酸盐的用量，都有利于从源头上预防水体富营养化污染。

3.2 藻类水华的治理措施

对于已经形成藻类水华或产生富营养化的污染水体，通常采取物理、化学、理化结合、生物方法进行治理，常用的措施有：

（1）物理法。采用人工打捞的方式，将水体中的藻类水华直接捞出；向水体中引入水质达标的“净水”，以稀释原有水体的污染物浓度；利用活性炭、粉煤灰等比表面积较高的优质吸附材料，来吸附水体中的浮游藻类，以转移污染物并达到净化水体的目的；采用膜处理法，利用膜的渗透及过滤作用来实现污染物与水体的分离，有研究表明，超滤膜对富营养化水中藻类物质的去除效率很高，但其在应用中的缺点是容易被水体中的污染物堵塞，所以耗材成本很高，但净化水体的效果十分出色[6]。（2）化学法。向水体中通入氯化消毒剂、高锰酸钾、过氧化氢、臭氧等强氧化剂，通过氧化作用破坏水体中藻类细胞结构，干扰其正常的生命代谢活动，最终导致藻类细胞死亡[7]，从而降低藻类水华生成的可能性，此方法的原理类似于水处理工艺中的消毒过程，是一种常见的利用氧化反应来抑制水体富营养化的途径。也可以利用某些金属离子对藻类细胞的毒性，通过向水体通入金属盐类物质，来干扰藻类细胞的正常生化代谢活动，从而破坏藻类细胞，但此方法的缺点是，金属离子本身及其与藻类细胞中的基团络合反应的生成物又会对水体造成二次污染，常用的金属盐除藻剂有硫酸铜、硫酸铁等[8]。（3）理化结合法。利用混凝固定法，向水体中投入混凝剂，混凝剂电离水解后与水体中的藻类细胞及其他污染杂质混凝、聚集并生成沉淀，沉淀物在重力的作用下下沉，再通过打捞等方式，去除水体中的混凝沉淀物，常用的混凝剂有铁、铝、钙混凝剂及黏土等。还可以通过向水体中加气的方式，利用分散度很强的小气泡，吸附并分散水体中藻类及其他污染物质，以达到抑制藻类细胞聚集的目的，此类气浮工艺对浑浊程度较低的富营养化水体的处理净化效果较好，不适用于浑浊程度高的受污染水体[9]。（4）生物法。利用水生植物、水生动物、水生微生物来调节水体的水生生态环境，也可以改善水质。水生植物的类别包括沉水植物、挺水植物、浮水植物等[10]，它们能够吸收利用水体中的营养盐，还可以为水体中的微生物提供附着及栖息场所，不同植物的生长特点及其生物特性不同，对水体中营养盐等污染物的吸收转换效率不同。在水体中养殖鱼类、蚌类及某些浮游动物等虑食性生物，可以通过食物链的捕食作用来消耗水体中的浮游藻类，但是利用此方法净化水体的成效缓慢，不适用于爆发藻类水华时的短期处理。另外，向水体中引入某些特定培养的微生物，也可以吸收转化水体中的营养盐，达到降低水体富营养化程度的目的。有研究表明，某些菌类可以寄生在藻类细胞中，可以吸收有机碳源，与藻类细胞产生营养竞争关系，从而抑制水体中藻类的生长[11]。

4.结语

藻类水华既是水体受污染的表现，又会加重水体的受污染程度，如果没有恰当有效的防治措施，将形成恶性循环，污染环境。应对此类污染问题，应以预防为主、治理结合。预防藻类水华的发生，需严格控制排入水体的污染物，从源头上减少氮、磷等营养物质的输入。在易于形成水华的时节，利用水泵等机械动力方式来调节水体的动力特性，提高水体更新速率，可以有效地减缓甚至阻止藻类的增殖与聚集。另外，密切监控水体pH值、溶解氧含量、高锰酸盐指数等与藻类水华形成相关联的水质因子，对预防藻类水华的发生也有重要的指导意义。目前，常用的治理藻类水华的方法包括打捞、稀释、吸附、膜处理等物理方法，氧化、混凝沉淀、气浮等化学及理化结合方法，以及利用水生动物、水生植物水生微生物进行治理的生化手段。防控藻类水华污染不是一朝一夕的工程，需要根据不同水体的具体特性，结合当地的环境、经济、人文状况，综合采取恰当的预防及治理措施，持续维护水体环境健康，实现对水体富营养化的控制。