湖泊蓝藻资源化再利用技术研究进展

湖泊蓝藻资源化再利用技术研究进展1.研究背景1.1蓝藻简介蓝藻又称蓝绿藻，又称为蓝绿藻，是由于光合作用形成的颜色得名，是广泛出现在世界各地的主要藻种，在淡水中生长的蓝藻在水体表面聚集形成水华，或者集中在表面形成蓝绿色的浮藻群[1]，称蓝细菌，属于原核生物。蓝藻目前，人们对多数蓝藻种类还缺乏基本的研究，对有害有毒蓝藻的研究相对较多。蓝藻是原核生物中最原始、最古老的藻类植物，出现在距今35亿年~33亿年前。作为原核生物，蓝藻没有细胞核，具有真核生物中进行光合作用的主要色素叶绿素a，并在光合作用中释放出氧气。现在已知有1500多种，分布遍及世界各地，能够适应不同的环境，特别是对高温、高盐有很强的适应性。蓝藻偏好中性和碱性水体，部分种类具有气囊，总气囊的体积占整个细胞的2%~20%,可自主调节在水体中的垂直位置，这就是它们能够在湖泊产生趋表聚集的最主要的原因。蓝藻形态各异，但是以球形单细胞和丝状藻体为主，多数蓝藻种类以多个细胞被无色透明的胶鞘包裹聚集，形成形态各异的不定形群体。蓝藻的细胞繁殖是简单的无性分裂。微囊藻是我国湖泊最常发生的水华蓝藻种类。其群体常由几十个、数百个甚至上千个单个细胞组成。蓝藻对于光的利用能力非常强。一般高等植物的光能利用率通常是5%~6%，而蓝藻的光能利用率高达18%，光合效率达43%，是一般农作物的3倍和1.4倍以上。因此，对蓝藻进行深入研究将提供很有价值的资料，具有重要的意义。而蓝藻体内含有特殊的藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白等营养物质，还具有广阔的市场和发展前景。1.2我国湖泊富营养化现状及危害湖泊是陆地表面具有一定规模的天然洼地的蓄水体系，是湖盆、湖水以及水中物质组合而成的自然综合体。我国是一个多湖泊的国家，约有2万多个湖泊，占世界天然湖泊的1/10，大于1km2的天然湖泊就有2300余个，总面积为71787km，约占全国总面积的8%左右[1]。湖泊是重要的国土资源，它不仅为人类提供饮用水源，而且在农业灌溉、工业生产、水产养殖、航运交通、水力发电、健身游乐、调节气候、改善区域生态环境等许多方面都有重要作用。然而近年来，随着我国工农业的迅猛发展以及城市化进程的加快，工业废水、生活污水、农业灌溉废水中污染物排放量日益增加，同时，湖泊资源开发活动加剧，人们环保意识淡薄，湖泊富营养化问题日益突出。湖泊富营养化是指水体接纳过量的氮、磷等营养性物质[总氮(TN)达0.2mg/L，总磷(TP)达0.02mg/L]，使水体中藻类以及其他水生生物异常过度繁殖，水体透明度和溶解氧下降，造成水质恶化，使水域生态和水功能受到阻碍和破坏，严重的甚至发生水华，给水资源的利用造成破坏，给湖泊水环境及其生态系统带来严重后果的过程。1991年：122个湖泊中，51%富营养化；2005年：133个湖泊中，88.6%富营养化。目前我国大约有66%以上的湖泊、水库处于富营养化的状况。其中，重富营养化和超富营养化的占到22%以上，而这一趋势仍在加剧。湖泊的富营养化问题在很大程度上是由于人类活动造成的，如低水平的制造业产生的工业废水，现代化农业生产中大量流失的农药、化肥，未经处理的城镇生活污水，高密度水产养殖遗留的剩余饵料，以及航运、旅游等水上活动产生的一些污染物等等，都造成了富营养物质大量输入湖泊。湖泊生态系统本身是有一定的自净能力的，如水草、芦苇、沉水植物、湖畔湿地等都是天然的净化器。而现在由于人类对湖泊的围垦，湖泊沿岸的水利工程等破坏了湖泊的自净系统，从而造成营养源的输出途径减少，营养物质大量过剩，最终形成富营养化。湖泊水体的富营养化，造成的一个突出问题就是引发蓝藻水华[16,17]的暴发。蓝藻是水中的浮游植物，当水中的氮、磷等营养盐浓度大量增加后，为其快速繁殖提供了有利的条件，加上适度的温度光照等条件，形成蓝藻暴发性生长，漂浮在水面上，从而形成水华。大量的蓝藻水华堆积死亡后，还会分解产生对人体及水体生态系统有害的藻毒素。研究表明，大规模的河湖蓝藻水华暴发，将造成饮用水源污染，河湖生态遭到严重破坏，水资源的利用效率降低，以及巨大的经济损失。同时，蓝藻毒素将影响公众的健康生活，造成水环境安全隐患。湖泊富营养化主要有以下几种危害[2];（1）使水体变得腥臭难闻在富营养状态的水体中生长着很多藻类，其中蓝藻门的束丝藻属和鱼腥藻属会散发出类似猪圈中令人难闻的臭味，而土腥素及硫醇、吲哚、胺类、酮类等厌氧菌的次生代谢产物，则使水体散发出土腥味、霉腐味、鱼腥味等臭味。这种腥臭，一旦向湖泊四周的空气扩散，将直接影响、干扰人们的正常生活，给人以不舒适的感觉。（2）降低水体的透明度在富营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻浮在湖水表面，形成一层“绿色浮渣”，使水的透明度下降到0.2m，湖水感官性状大大下降。我国五大淡水湖之一的巢湖，每年都形成以铜绿微囊藻为主的水华，覆盖巢湖水域面积之半。而我国云南滇池现在也正面临这样的状况，令人担忧。（3）影响水体的溶解氧首先，富营养湖泊的表层密集藻类，使阳光难以透射进入湖泊深层，因而湖底层溶解氧随之减少。其次，湖泊藻类死亡后不断地向湖泊沉积，断地腐烂分解，也将消耗深层水体中大量的溶解氧，严重时可能使深层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态。这种厌氧状态，可以触发或者加速底泥积累和营养物质的释放，造成水体营养物质的高负荷，形成富营养水体的恶性循环。（4）向水体释放有毒物质早在一百多年前，FrancisG.首次报道了澳大利亚的亚力山湖中含泡沫节球藻(ModularmismanageMert.)的水体引起家畜和家禽中毒死亡的事件。这之后，GothamP.R.和ModernizeA.等人先后报道淡水蓝藻毒素水华在美国、加拿大、南非、南美、日本、印度等国家引起动物死亡。目前已知能够产生毒素的淡水蓝藻大约有11属25种。最近的研究表明，由蓝藻微囊属、鱼腥藻属、颤藻属及束丝藻属的某些种类或品系产生的次生代谢产物微囊藻毒素能损害肝脏，影响蛋白磷酸酶的活动，引起动物中毒和死亡，还具有促癌效应，直接威胁人类的健康和生存。林毅雄等人研究了滇池富营养化的主要藻种——铜绿微囊藻对小白鼠的致毒作用，结果表明铜绿微囊藻可使小白鼠肝脏增重，肝脏超微结构发生明显变化，致使小白鼠中毒死亡。（5）影响供水水质并增加制水成本湖泊常常是生活饮用水和工业用水的供给水源。富营养水体在作为供给水源时，会给制水厂带来一系列问题。首先是在夏日高温藻类增殖旺盛的季节，过量的藻类会给制水厂在过滤过程中带来障碍，需要改善或增加过滤措施。其次，富营养水体可能含有硫化氢、甲烷和氨等有毒有害气体和水藻产生的某些有毒物质，在制水过程中，增加了水处理的技术难度，同时也直接威胁着饮用水的安全问题。（6）影响水生生态[19]在正常情况下，湖泊水体中各种生物都处于相对平衡的状态。一旦水体受到污染而呈现富营养状态时，大量鱼类因窒息而死亡，水生生物的稳定性和多样性明显降低，湖泊的生态平衡遭到破坏。研究表明，随着湖泊富营养化的发展，鱼的种类和水产品种类明显减少，同时藻类、浮游动物和底栖动物的种类数减少而个体丰度急剧增加，水生生物群落生态平衡受到严重破坏，水生生物多样性明显下降。（7）加速湖泊填平、衰亡随着富营养化水体中大量藻类的繁殖、死亡、沉积，湖泊的底泥不断积累，湖床逐渐抬高，湖水变浅，向沼泽转化，大大加速了湖泊的衰老进程。1.3蓝藻资源化利用的意义蓝藻问题是中国湖泊今后面临的主要问题之一。从环境方面而言，富营养化水体中失控疯长蓝藻可以称为“绿色灾害”。但从另一个角度，富营养化水体中蓝藻高效吸收和消纳污染水体中大量的氮、磷及有机污染物，也能起到净化水质的作用。因此如对其进行研究，使之变害为利、变废为宝，达到综合治理的目的，将是一项很有意义的工作。一方面，藻类生长起到了聚磷、固氮的作用，如果我们在藻类腐化前将藻类从水体中分离出来，就等于取走水中的氮、磷，为水体氮、磷的减少做出了贡献。利用藻类处废水和人畜废物早就有研究。藻类的生长速率与水中磷的去除速率成正比关系：不同磷浓度的水体中，藻类除磷最高可达50%；而磷浓度越低，去除效果越好。另一方面，湖泊的富营养化问题早已成为世界性的难题,对大部分人而言,蓝藻的大规模爆发无异于一场灾难,对生产生活等诸多方面带来负面影，但从另一个角度来看,如果处理得当蓝藻也具有吸纳水体中氮、磷及其他有机污染物,净化水质的作用，并且蓝藻含有丰富的营养成分,将其有效资源化,使之变废为宝!变害为利，将具有重大的环境、社会和经济意义。蓝藻营养成分丰富,在暴发的时期生长量很大，具有很好的开发利用前景。特别是近年来对蓝的利用己成为生物学、生命保健学、食品工程学等学科研究和开发的热点。据文献报道，滇池蓝藻的氨基酸成份远远高于鱼腥藻，与螺旋藻不相上下。初步估算，滇池每年可收获的蓝藻鲜重为10000t，其中可用于资源化的量约为5000t。1t蓝藻干粉可生产藻蓝蛋白50~80kg、藻多糖20kg、藻毒素lkg；同时还可与其它原料混合制成饲料或肥料在农业上应用。从这一角度来说，各大湖泊富营养化为我们蓝藻的综合利用提供了丰富的原料来源。1.4目前存在的问题虽然对蓝藻资源化利用的研究较多,也提出很多将蓝藻变废为宝的方式和途径,但蓝藻资源化利用一直未能进行产业化开发及大规模应用推广,分析主要有以下几方面的原因：爆发规模大且有季节性、打捞量大且脱水困难、破壁成本高和藻毒素残留等。近年来在蓝藻爆发期主要将直接打捞蓝藻作为应急措施,但是如此多的蓝藻被打捞上岸后需要相当大的场所安置,且要防止蓝藻水通过渗漏、径流等途径重新回到太湖水域造成二次污染，由于蓝藻含水率高达97%以上，将其脱水后存放可以解决上述问题，但蓝藻本身不易脱水，常规的脱水方法很难将藻水分离，特殊方法则代价昂贵。此外，蓝藻的爆发具有季节性，一般只在夏季大规模暴发。如果产业化开发则需要考虑夏季巨大的处理量和其他季节原料短缺的问题，并且蓝藻在自然条件下堆放，自身会发生一系列变化，使其营养物质的含量和成分发生改变，不易于储存。除上述问题外，在蓝藻资源化利用的其他途径如开发成饲料、食品、肥料等过程中涉及的环节较多，除脱水、去除藻毒素外，还要考虑有益成分的动态变化等，生产成本、生产过程中是否会产生二次污染、生产出的成品市场竞争力如何等等均有待探索。2.蓝藻资源化国外的研究进展从国内外蓝藻水华应急治理来看，将蓝藻从水体中移除，无疑是较为有效的治理手段。蓝藻本身携带大量的氮和磷元素，将漂浮在水体表面的蓝藻移除的同时，可大大降低导致水体富营养化的两种元素。然而，如不妥善处理，打捞上来的蓝藻水容易通过渗漏、径流重新回到水体中造成二次污染，很难找到合适的场所来消纳如此多的蓝藻。蓝藻资源化无疑是最佳的山路。目前，蓝藻处理途径主要有发酵产沼气、堆肥制有机肥。生产藻蓝蛋白,生产天然色素，生产胞外多糖，蛋白质饲料等等。但在其产业化开发过程中，蓝藻脱水脱毒已逐渐成为蓝藻资源化利用的瓶颈[20]。2.1发酵产沼气蓝藻打捞上来后，最简单、最直接的资源化应用就是厌氧发酵产沼气，沼气作为清洁能源可用于发电或用作热源。将蓝藻作为生物质原料进行厌氧发酵产沼气既可以大规模产业化处理，又无需对其进行脱水(含固率3～8％即可)，其发酵过程中藻毒素也得到一定程度的降解，从而实现蓝藻的减量化、无害化和资源化。由于蓝藻本身的氮、磷含量高，碳含量较少，在厌氧发酵的时候常面临营养不足的问题，相对较好的办法是和其他有机物混合后进行厌氧发酵，以弥补含碳量不足的问题。2.2好氧堆肥堆肥是蓝藻资源化的主要工程应用之一。好氧堆肥处理处理蓝藻的量较大。堆肥过程中只需要简单的机械翻堆、通风等操作，相对于其他资源化技术而言，工艺简单，维护运行费用少。堆肥缺点是需要进行预处理，一方面藻经脱水到一定程度后，方能进行厌氧堆肥；另一方面是仍需要添加一些有机物，以弥补自身碳素缺乏的问题。在堆肥过程中，堆体中的有机质呈逐渐减少的趋势，而全氮呈增加趋势，碳氮比也呈现逐渐减少的趋势。蓝藻堆肥经过一个月可以达到腐熟,堆肥过程中，两个堆体微囊藻毒素Mc—RR含量都呈现逐渐减少的趋势，但堆体T由于藻毒素降解菌cMl的存在藻