黏土除藻治理水华污染技术取得重大进展

淡水湖泊遭遇水华污染之困 中科院一项新技术有望攻克这一难题 我国的淡水资源原本就非常短缺，肆虐的藻华(水华)暴发，又使这种短缺现象雪上加霜。如何有效地控制藻华的暴发，让人们享有安全的淡水资源和健康的生态环境，是国内外的重大需求。近日，记者在采访中了解到，曾经作为应急措施的黏土除藻技术在中科院专家们的研制下，日前取得了新的重大进展，有望攻克这一令人头痛的国际性难题。 1、藻华控制技术备受期待 近些年来，由于许多自然和人为因素的影响，排入湖库的氮、磷等营养物质不断增加，致使水体富营养化状况加剧，进而导致各地水体藻华的暴发越来越频繁，规模也越来越大。据专家介绍，严重的水华会覆盖水面，阻止水体中的光合作用及其与大气的交换，使水中的溶解氧浓度迅速降低，造成水生动植物的死亡以及生态和周边环境的破坏(景观和恶臭)。这些影响又进一步对周边城市的政治经济(如投资业、水产业、旅游业)产生严重破坏。同时，藻华常使水体中的藻毒素含量严重超标，这些藻毒素也是肝脏肿瘤的强诱发剂，严重威胁着人体健康和饮用水安全。 为了清除藻华，众多的国内外专家已经投入了多年的努力，研究了多种控制藻华暴发的方法，如化学法、机械法、生物法、生态法和絮凝法等等。但是由于各种方法都存在着这样或那样的缺陷，多年来，人们一直期待着一套安全、有效、成本低、操作简便的技术能够出现。 2、淡水湖泊黏土除藻失败原因 记者在采访中了解到的黏土除藻华技术，最早来源于絮凝原理。在海洋上赤潮暴发时，它曾被作为一种应急技术来使用，取得了一定的效果。由于黏土来源充足，具有天然无毒、使用方便、耗资少等特点，曾一度受到欢迎。早在1997年，就有专家在国际权威科学期刊《自然》上撰文指出，使用黏土除藻可能是治理藻华的最有发展前途的方法。在相关文献报道中，也能找到这种技术在日本、美国、韩国、澳大利亚等国应用的实例。 但据介绍，到目前为止，黏土除藻技术主要还局限于海水体系的研究和局部应急处理。面对与人们日常生活息息相关的淡水资源，许多将黏土除藻技术应用于淡水湖泊中清除藻华的尝试，都没有成功。大量在淡水湖泊中应用失败的消息，曾使这一技术一度被判为“死刑”。 为什么过去在淡水湖泊中黏土除藻屡遭失败？ 中科院生态环境研究中心环境水化学国家重点实验室的潘纲研究员为记者揭开了这个谜团。他认为，以往的黏土除藻技术存在4个方面的缺陷。这些缺陷有的属于当前该领域科学发展的局限，有的是技术定位本身所客观决定的。首先，人们对黏土为什么会絮凝除藻的科学原理还未认识清楚。传统认为静电吸附为主要的絮凝机理，因此许多黏土改性技术是沿着静电改性的思路发展的；其次，黏土投量太大，一般国际上最好的结果也需投200毫克/升的黏土才能取得一定的实效。对大面积藻华来说，要向天然水体系投放几十吨甚至数百吨的“外来”黏土，无论从生态安全或是操作成本上讲都是难以接受的；第三，缺乏对各种黏土在淡水中絮凝性能的系统研究，事实上许多黏土在淡水中都失去絮凝除藻作用，缺乏科学指导的“技术应用”往往导致失败；第四，黏土除藻技术不能防止藻类沉降后的再次泛起、来年藻华的复发和来自底泥的二次污染等问题。 潘纲告诉记者，除了以往多次实地除藻失败的记录以外，黏土技术本身不能防止藻类的再次泛起和底泥二次污染是导致该技术在淡水湖泊中难以被广泛使用的关键因素。当大量的黏土投入下去，将藻华带入水底，在海洋中这种泛起的现象不明显，但到了淡水湖泊中，在风的助力下，很容易泛起。泛起问题不解决，就只能治标不能治本了。他打了一个形象的比喻，这就像一个人伤口发炎并发烧到42度，使用退烧药可能不能去根，但是如果不赶紧退烧，这个人的其他器官就会引起病变，因此需要消炎、退烧的复合配方。对于藻华的治理也是这样，原先的黏土技术就像一付退烧药，它的技术定位就是一个应急措施。潘纲认为，虽然应急除藻技术也是重要的(任何水华暴发后的处理措施都是应急性的，如果不需要应急技术就意味着任由藻华的上述危害持续下去直到其自行消退)，但他们追求的是标本兼治的创新方向。作为一个单项应急技术，黏土法在它的发展初期有上述的缺点和应用限制是很自然的，关键是如何扬长避短解决目前这一单项技术上存在的缺陷和限制，并进一步解放思想发展标本兼治的、多学科交叉的复合技术。潘纲和他的研究组以“科学发现引导技术创新”和“变废为宝”为理念，通过改性黏土的快速除藻除浊作用启动并强化沉积物中的生物地球化学反应使其自动地进行长期连锁的健康修复过程，发展了既能快速消除水华又能长期治理湖泊富营养化的一系列改性黏土技术。 3、黏土架桥网捕作用战胜传统静电吸附作用 早在1998年，潘纲就在黏土除藻方面取得了一项英国专利，这一专利促使他进一步研究黏土除藻技术在淡水湖泊上的应用。目前，黏土除藻技术的研究已经被列入了国家“十五”重大科技专项、国家自然科学基金和中国科学院重要方向以及“百人计划”等项目。 有些人只听说黏土能够(或是不能)除藻，却未全面了解各种黏土在不同条件下与藻细胞的相互作用规律，仅凭经验下肯定或是否定的结论，往往会由于盲从导致失败或是扼杀重大技术的创新。潘纲告诉记者，他们的研究就是从系统研究黏土凝聚除藻的科学机理方面开始的。通过对26种不同黏土与藻细胞之间多项絮凝性质的研究发现，高效黏土絮凝除藻不是通过传统的静电吸附机理，而是通过一种架桥网捕作用，就像蜘蛛网一样，将藻细胞粘网后共同沉入水底。根据这个科学发现，他们提出了技术上的创新。不是对黏土进行电性改性，而是根据上述科学发现在架桥网捕性能方面对黏土进行改性。结果改性后的黏土不仅特别适合于淡水藻华的清除，而且黏土的投入量也从国际先进的200毫克/升，降到了10毫克/升，除藻效率达到95%以上。 更为重要的是，这种环境友好的天然改性剂可以使各种原先不具有除藻能力的当地黏土/沉积物变成高效除藻剂。这一创新技术使得利用当地黏土治理当地藻华的理想得以实现。利用当地湖泊泥土/沉积物的自我循环清除水华，这不仅大大降低了治理成本，而且可防止底泥过度淤积，更重要的是由于是利用湖泊内部颗粒物固有的自我循环，因此实现了生态安全的理念。与其他湖泊治理技术相比，该技术的另一个特点是它不需要事先构筑围隔等大型工程，只需一个足够大的喷洒罐放在船上，即可随时随地大面积使用。目前，他们已经用当地泥土/沉积物在太湖进行了5次实验，每次都取得了立竿见影的效果，处理每平方米的综合成本在0.2元左右。他们已就该技术申请了7项黏土除藻的连锁专利(其中3项已授权)，并在国内外发表了10多篇论文。 7月18日，*电视台的几名记者有幸捕捉到该技术在太湖实验基地实施的实况。从电视台的实况录像带中，记者看到，一名工作人员用特制的机器将湖中的底泥抽出，在和部分湖水以及改性剂等进行混合后，再将其喷洒在泛着“绿油”的湖面上，也就20多分钟的时间里，湖面上的藻华就被一扫而空。难怪这几名记者在现场连喊神奇，短短的20多分钟，被喷洒过的大片藻华就没了踪影，这一操作过程就像在进行一场魔术表演。不同的是，魔术终究是虚幻的，这一操作过程的效果确实是真实存在的。 潘纲介绍说，将黏土改性，实现用当地黏土治理当地藻华的原理和技术目前已获得国际同行的认可，国际著名的环境科学与工程期刊《环境污染》刚刚发表了他们的以“当地土壤/沉积物治理当地水华”为主标题的3篇系列论文。这3篇论文分别介绍了淡水中26种黏土絮凝除藻的科学机理和系统分类、黏土的架桥网捕改性技术和各种影响因素及规律、以及改性黏土技术在太湖实地试验的短期效果和长期监测结果。这些标志性论文可望为推动国内外该领域的科学研究和技术开发起到重要的作用。 4、黏土固磷改性技术治理沉积物内源污染取得进展 据有关资料显示，在我国的大型淡水湖泊中，滇池、太湖、巢湖、洪泽湖已达富营养程度，鄱阳湖、洞庭湖目前正处于向富营养过渡阶段。利用当地黏土清除当地藻华，虽然使黏土除藻技术运用到淡水湖泊的设想成为现实，并且由于实现了原料的本土化，可大大降低治理成本、避免底泥淤积、并实现生态安全性。但是如果湖泊富营养化的问题得不到解决，藻华还会不断出现。 潘纲介绍说，用上面提到的黏土改性技术将藻华转入水底后，由于腐烂或泛起而释放出的氮、磷等，还会重新返回到水体。如果这样的话，藻华的清除还将处于治标阶段。为了解决这一问题，他们进一步发展了黏土改性技术，研制出两种化学“固磷”的方法，可以把藻华和沉积物中的磷“固定”在改性黏土中(即固定后的磷不再溶解或解吸到水体中)。实验室试验证明，经过这种改性处理过的沉积物再泛起时释放的溶解性磷仅为未经过固磷处理的对照沉积物的1/10，从而可有效抑制泛起后磷的释放问题。目前这种化学固磷法正处在进一步降低成本和进行各项健康与湖泊生态安全的较长期的研究阶段，因而尚未在实地试验，但它已经为黏土技术的进一步发展提供了一个十分重要的研究思路。因为如果能在利用黏土除藻的同时，治理底泥二次污染，则将向改性黏土法治理湖泊富营养化这个“治本”的方向迈进重要的一步。同时该技术利用了“藻华是一个无与伦比的磷浓缩机器”，通过藻华凝聚沉降把水体中很难浓缩提取的磷集中收集到水底，然后将其集中高效固化，实现环境治理中绿色能量转换的理念。这为攻克湖泊内源污染治理这一难题指出了一个重要的创新方向(比如与底泥疏浚相比，后者要付出巨大的成本和能量)。目前他们已经在固磷改性黏土方面申请了两项发明专利，有关论文正在投稿之中。 湖泊富营养化的治理绝不能靠单一技术，还要靠诸如外源污染源的甄别和控制等诸多包括技术、法规和管理各个层面的措施，潘纲进一步指出。潘纲向记者介绍了本次采访中的第三个创新思想，即“生态恢复”这个湖泊治理中非常流行的术语。水底植物通过根系作用可有效地固定沉积物及其中的氮、磷和有机污染物，但是实际湖泊沉水植物的恢复却面临很大的困难。如太湖水深在两米左右，这就为人工扦插带来很大难度。同时，一直以来有个最大的难题困扰着沉水植被的恢复，即沉水植物幼苗在高藻、高浊和缺乏适当底泥的环境中难以生存。太湖水的透明度常年不足50厘米，如果违背自然规律强行种植则会烂在水底，不仅费财费力而且造成污染。目前，要创造适宜沉水植物生存的环境，往往要付出巨大的成本。 5、生态恢复将使改性黏土除藻技术达到标本兼治的目标 能否将黏土除藻技术与生态技术相结合，既解决黏土除藻的长效问题又解决沉水植被恢复的难题？潘纲等提出了这个进一步创新的思想。他们用改性黏土和适宜播洒的草种制作成一种复合材料，在将黏土喷洒下去的同时，草种也随藻华一起被沉入水底。随着这些植物的发芽生根，藻细胞被逐渐固定和转化并为沉水植物的生长提供养分，沉水植物会自动修复湖泊环境，不仅可解决底泥的二次污染，也可解决藻华的再次泛起问题。另一方面由于经过改良后黏土除藻技术能够高效地除藻除浊，使水的透明度大大提高，创造了沉水植物的生长环境，自然也就能够顺应自然规律成长起来，从而有利于黏土除藻的固磷效果。另外，由于除藻除浊作用可使机械播洒的沉水植物草种成活，可望大大提高沉水植物种植的效率和成本。记者在他们制作的大型生态模拟箱中看到，在模拟湖泊条件下，经过黏土除藻技术播洒的水草长势良好，而与之对照的未经除藻而播种的草种和草苗均已腐烂。这个摆在眼前的结果证明了上述创新思想的可行性。利用水华变废为宝标本兼顾地治理富营养化是人们的梦想。潘纲期待着上述事实再现于湖泊实地的那一天。 为了有效地保护我国的知识产权，他们已经将这项发明申请了国际专利，将在中国、美国、韩国、日本、澳大利亚和欧洲等国受到专利保护。目前这项技术仍在不断的完善过程中。利用当地黏土来清除当地藻华的技术也只是在太湖实验基地上得到使用。将这些黏土改性技术与其他技术进一步结合更好地解决实地藻华和湖泊富营养化问题，还有较长的路要走。潘纲期待着这些技术能够在不久的将来，在国内外淡水湖泊的藻华和湖泊富营养化的治理中发挥重要的作用。 (中国环境报 记者 台桂花).