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中科院发明蓝藻无害化处置新方法 成本低廉且环境友好

日期:2020-01-14    来源:新华网

国际节能环保网

2020
01/14
08:30

关键词: 蓝藻无害化 湖泊治理 流域治理

   1月13日,记者从中国科学院南京地理与湖泊研究所获悉,该所陈开宁研究员领导的河湖生态治理与修复团队新近研发出一种蓝藻无害化处理的新技术。该技术能有效对湖湾和湖滨湿地内堆积的蓝藻进行富集、消解和转化,以促进湖泊生态系统实现良性物质循环。
  据了解,在全国2693个湖泊(面积大于1.0 km2)已经有约60%以上的湖泊处于富营养化水平,且有40%左右处于严重富营养化水平。太湖每年藻华持续时间在200d以上,暴发面积最大可达到整个湖区面积的75%以上。每年约从太湖湖体打捞蓝藻达30——50万吨,如此巨量的蓝藻无论是在湖体内还是被打捞出之后,均面临着合理无害化处置的难题。对于暴发蓝藻的处置已成为水环境整治及人居环境改善过程中迫切需要解决的问题,无论是环保产业还是国家经济社会发展均对蓝藻处置具有很大需求。微信截图_20200114083049
  课题组成员古小治等研究人员研发蓝藻无害化处置技术于2019年12月获得美国专利与商标局发明专利授权。该技术突破了湖滨带湿地堆积藻浆漂浮物成分复杂、水体污浊厌氧、有机污染程度高、处置周期较短、见效相对较快、所用材料生态友好型,且价格低廉,适宜在河湖治理的生态工程实践中大规模应用等技术难点。
  蓝藻作为水体碳氮磷等生源要素迁移主要载体之一,其中含有大量可被水生植物再利用的营养盐,其中关键环节是蓝藻作为营养物质的利用效率以及再利用过程中恶臭物质释放过程的调控。在技术方案设计中充分考虑利用生态系统自身自我调节功能,减少人为干扰频率和强度。
  利用自行研发的复合基质化改良剂为核心的湖滨湿地堆积藻浆的无害化处置成套技术克服了蓝藻营养物质高效利用和次生代谢物水体释放等关键技术环节,并成功实现水体长效生态治理的目的。技术优越性体现在:创造沉积物高效的自然复氧的条件,通过表层沉积物自然复氧氧化及促进挥发的方式首先剔除沉积物中大部分挥发性硫组分。本发明成套技术的首次絮体固定率除率大于80%,满足一般沉积物进行生态修复的植物生长需求。再通过添加沉积物改良剂辅助化学钝化、氧化和大型水生植物泌氧、根系吸收等综合处置措施来原位转化和消除残留的硫化物的目的。针对水体厌氧,采用初期人工辅助复氧+后期水生植物复氧成套技术,成功实现水体高效持续、低碳的循环复氧模式。通过湖滨湿地生态系统内部组成结构的调整,最终实现湖滨带水生生态系统内部营养物质良性循环。
  截至目前,该成果已获得美国专利与商标局的发明专利授权,以及国家“十三五”水体污染控制与治理科技重大专项的专家认可。
  此次,科研团队充分利用生态系统的自我调节功能,达到蓝藻无害化处置的目标。科研团队骨干、南京地湖所副研究员古小治介绍,本研究的核心突破在于自主研发出一种新型复合改良剂。这种改良剂能快速将水面漂浮的蓝藻形成团聚体并沉降到水底,并有效抑制其释放次生有害物质。在蓝藻更容易聚集的湖滨湿地区,新型改良剂还能促进蓝藻富含的营养物质被湿地植物高效利用,最终实现湖滨带营养物质的良性循环。
  “新方法具有成本低廉、环境友好、转化周期快等优势,预计在湖泊富营养化治理方面具有广阔的应用前景。”古小治说。
  太湖水体长年处于富营养化状态
  记者从无锡市水利局了解到,媒体在网上报道的蓝藻泛滥现象,的确存在。但图片中显示的一堤之隔碧波荡漾的湖面,并不是湖,而是堤内经专业公司治理过的池塘。因此,图片说明不了实质问题,也没有代表性。但今年,由于前些时候天气炎热,确实已发生局部蓝藻水华。目前,无锡已经采取了紧急应对措施,全力安全度夏。
  中科院南京地理与湖泊研究所副研究员邓建才介绍,蓝藻是原核生物,又叫蓝绿藻细菌,在地球上已存在33亿年,是所有藻类生物中最简单、最原始的一种,也是地球上出现最早、分布最广、适应性最强的光合自养生物。
  蓝藻水华是指在适宜的外界条件下,蓝藻、绿藻、硅藻等藻类成为水体中的优势种群,大量繁殖后并在短时间内从水中上浮到水表面,或是由于风的作用在局部地区大量聚集,使水体呈现蓝色或绿色的一种现象。
  蓝藻生长期较短,整个生命周期可分三个阶段:生长期、高峰期、衰亡期。蓝藻生长期内通过光合作用细胞增殖,水柱体的藻类总量迅速增加;高峰期蓝藻密度达到最大,出现气囊与胶鞘,在合适的气象、水文条件下上浮,水面呈鲜亮的绿色;衰亡期蓝藻开始腐烂降解,蓝藻衰亡5天后变为黄绿色,衰亡22天后变为浅黄色,衰亡50天后变为白色。
  “太湖突然出现水华暴发并非藻类在短时间内连续快速生长所致,而是已存在、分散在水体中的藻类上浮、聚集、迁移至水面并为人们肉眼所见的过程。太湖无锡水域出现淡黄色蓝藻聚集在水面,表明上浮的蓝藻中已经有大量开始衰亡的蓝藻残体,需要及时打捞,减少水体耗氧和有毒有害物质释放。”邓建才说。
  在邓建才看来,太湖蓝藻除了与高温有关,还与水中环境污染有着密切关系。蓝藻水华的形成一般是由藻类本身的生理特点以及温度、光照、营养物和其他生物等诸多环境因素所引发的。太湖蓝藻浓度与水体污染物存在一定的关系,这种关系在空间上具有差异性。
  常州工程职业技术学院制药与环境工程学院李娟红博士认为,太湖沿岸工农业生产非常发达,多年来因经济高速发展而产生的污染附加积累,使得太湖淤泥底质中富含大量的氮、磷,太湖水体长年处于富营养化状态,这是太湖蓝藻暴发的根源。
  每年为啥总在无锡水域暴发
  每年进入5月后,对于无锡来说,是一年一度的“大考”。那么,为啥太湖蓝藻总会在无锡水域集中暴发?
  太湖十几公里湖面上,蓝藻一望无际。
  无锡市水利局相关负责人告诉记者,这是因为蓝藻层会在风力作用下,向下风处聚集。而无锡又是地处太湖北部,夏季太湖盛行东南风,无锡处于下风向,整个太湖生长的蓝藻均被吹到了太湖无锡水域,加之无锡湖岸线绵延曲折,有贡湖湾、梅梁湖、竺山湖等众多湖湾。这些湖湾多变的地形地貌使蓝藻易进难出,也使得无锡成为太湖蓝藻暴发的“重灾区”和“主战场”。
  2007年,无锡发生的“供水危机”,即是在南泉水厂取水口范围内发生湖泛所导致。湖泛是指湖泊富营养化水体在藻类大量暴发、积聚和死亡后,遇适宜的水文、气象条件,底泥中的有机物在缺氧和厌氧条件下产生生化反应,释放硫化物和甲烷等气体,形成褐黑色伴有恶臭的污水团。
  邓建才告诉记者,梅梁湾蓝藻的生长不仅存在磷限制,而且存在明显的氮限制;太湖西部河口区、竺山湾和贡湖湾藻类生长主要受磷限制;东太湖蓝藻生长不受氮磷浓度控制。伴随着水体富营养化与氮磷浓度的升高,东太湖藻类增殖不明显,而梅梁湾和西部河口区水体中的蓝藻生长速率将明显增大,因此藻类水华在这两个区域更为严重。当前,蓝藻治理的主要着力点还是应当强化对氮磷负荷的控制。
  记者从无锡市政府相关部门了解到,自2007年起,无锡把蓝藻打捞作为治理太湖最直接、最环保和非常有效的手段,以兼顾安全和高效为目标,在沿太湖蓝藻易聚集区域设置固定打捞点和打捞平台,合理配置机械化打捞船,采用机动打捞和固定打捞相结合的方式打捞蓝藻。今年,无锡共设置了81个固定打捞点。
  靠单一技术难有治理成效
  应该说,2007年太湖无锡“水危机”之后,在国家水体污染治理重大专项和省、市各级地方政府太湖治理专项的共同努力下,太湖的水质改善与生态修复技术研发取得了长足的进步,很多技术达到了国际先进水平,并在太湖地区做起了成功的示范工程。
  记者了解到,大家从网上所看到的一堤之隔两张不同图片,是两种水体中藻类浓度具有较大差异所致。试验区水面呈蓝色,表明叶绿素a浓度更小。其蓝藻治理主要是利用水质改善和生态修复的综合技术手段,形成了一个以水生植被为主要初级生产者的草型生态系统,较好地抑制了藻类,水体具有较高的透明度。
  “目前,治理技术全面推广的瓶颈主要有两个,一方面在于成本,另一方面在于大型浅水湖泊的自然特征与服务功能。东太湖岸线曲折,湖湾较多,为沉水植被发育以及生态调控技术的实施提共了良好的条件。西太湖岸线顺直且岸堤多为水泥驳岸,湖面开阔,强风浪对湖底侵蚀和波生流对湖岸基底的掏蚀严重,大大增加了湖滨湿地和湖体生态重建的难度。”邓建才说。
  邓建才建议,太湖地处经济发达、人口密集的长三角地区,改善湖体水质除了控制内源释放,关键在于流域污染治理,从源头上进一步削减入湖污染负荷。同时,要从根子上解决蓝藻暴发问题,应确立治藻先治水的理念,严控污染物入湖,入湖河道口设立生态缓冲区;同时定期清淤,削减内源污染,逐步恢复自然净化能力,从源头减少蓝藻的产生。
  美国多地湖水变“毒水”
  在国外,蓝藻依然让人头痛。据英国《每日邮报》报道称,最近,在美国俄勒冈州塞勒姆附近地区,居民们的手机接收到了令人不安的警告短信“民事紧急情况。准备采取行动。”当地人惶恐是不是出现了恐怖袭击之类的事件。随后官方澄清了这个问题,表示警告并非是来自暴力事件,而是来自城市供水中藻类爆发的毒素污染危机。
  近些年,在美国国内,许多州用于生产生活的水库和湖泊都发生过类似事件,并且频率越来越高。当地官员最近才开始仔细记录蓝藻爆发事件,但他们发现似乎大事不妙的是,蓝藻爆发似乎越来越猛烈,它们爆发持续的时间更长,并且影响范围也似乎越来越大。研究人员指出,这一越来越频繁困扰美国社会的问题实际上代表了全球变暖的另一个趋势,并提出了关于其对人类健康影响的迫在眉睫的问题。
  来自美国莱特州立大学的一位生物学专家Wayne Carmichael指出,当水体较早升温并且保持较长时间的温暖时,这潜在增加了这种藻类事故的数量。这是合乎逻辑的,并且它已经被证实。
  在美国大部分的藻类爆发污染事件中,最主要的罪魁祸首是蓝藻,按道理说,蓝藻是地球上最古老的一种有机体,它能进行光合作用,几乎能在任何有水的地方存在,但在温暖的湖泊和池塘中数量最多。蓝藻虽然进行光合作用,但他们也制造了一类独特的毒素,其对人类的影响只有一部分被科学家们摸清楚。这种毒素被认为会毒害动物,在人体中高剂量的毒素会造成肝脏损伤并攻击神经系统,但低剂量的毒素对人的长期影响仍未知。
  因此,在大规模的蓝藻爆发事件中,水体会变得有毒,不适合人使用,也不适合给动物饮用,蓝藻爆发还会大规模杀死水体中的水生动物,来自麻省理工学院的一个研究团队在2017年就指出,全球变暖对于蓝藻爆发有着千丝万缕的联系。
  除了变暖的水导致蓝藻爆发外,更强烈的暴风雨也是蓝藻爆发的条件之一,因为雨下得越多,就可以从农业土地中带走含有氮和磷的化肥物质,将这些营养物质冲刷进入湖泊和水库,水体富营养化是蓝藻大规模爆发的另一个重要原因。
  每一年,美国都有蓝藻水华爆发导致饮用水出现问题的报道,2014年,美国五大湖之一的伊利湖水华爆发,两天之内,超过40万人的主要水源被切断。在美国的其他州,水华事件也越来越频繁且严重。不仅在美国,在我国,比如太湖、巢湖、洪泽湖等湖泊也不止一次被报道过蓝藻爆发问题,并且影响到了周边地区的供水情况。
  研究人员指出,蓝藻问题就像“煤矿中的金丝雀”,它警示着全球变暖的推进,而随着全球变暖进一步加剧,蓝藻爆发问题会变得更普遍并且更糟糕。这对人类而言是一个巨大挑战,赖以生存的水资源被爆发性污染,这很危险。而要真正解决这个问题,地球变暖的现状需要改变。
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