“土方”退赤潮
  ——“近海赤潮灾害应急处置关键技术与方法”研发纪实
中国自然资源报 2020年06月11日 第580期

本报记者 王晶


改性黏土治理赤潮技术应用现场。中科院海洋所供图

  赤潮灾害可以引起鱼、虾、贝类等海洋生物中毒、缺氧,从而导致其大面积死亡,对海洋生态系统造成极大破坏。随着春末夏初赤潮多发季到来,沿海各地区对重点海域展开了新一轮赤潮灾害预警、监测和治理。

  赤潮灾害应急处置是一项世界性技术难题。中国科学院海洋研究所研究员俞志明带领团队经过20多年的科研攻关,在国际上创新性地提出了改变天然黏土矿物表面性质治理赤潮的理论和方法,并将该研究成果广泛应用在我国沿海20多个水域,成为目前赤潮应急处置的有效“灭火器”。

  为黏土“改性”

  赤潮,又称有害藻华,是一种由于海水中微型生物暴发性增殖或聚集而产生的生态灾害,对人类健康、生态环境产生巨大危害,被列为当今三大近海环境问题之一。全球每年因赤潮导致人类中毒事件2000多起,死亡率达15%。我国每年赤潮发生70多次,造成巨大经济损失,并威胁滨海核电的冷源安全。

  “从理论上讲,赤潮的应急处置可采用物理、化学、生物等手段进行,但分别存在难、禁、慢等瓶颈问题。”俞志明介绍,20世纪50年代,美国最早采用硫酸铜杀死藻细胞的化学方法,但铜离子对生态环境带来很大的毒害作用,20世纪六七十年代后,这种方法被国际禁止。此后,世界各国针对赤潮治理又开展了多年研究,但收效并不显著。20世纪70年代,日本提出了使用天然黏土治理赤潮的方法,但该方法因技术缺陷,没有得到大规模应用。

  “天然黏土治理赤潮的优点是见效快,并且不会造成二次污染,符合应急处置的基本要求。”俞志明说,但该技术有个瓶颈,即天然黏土絮凝效率低、现场用量非常高,每平方公里用黏土100~400吨,面对动辄几十上百平方公里的赤潮,很难实现大规模应用。

  通过理论模拟、室内实验和现场验证,俞志明团队发现,天然黏土之所以治理效率低,是因为在海水中黏土颗粒表面呈负电性,而赤潮生物表面也呈负电性,“同性相斥”导致黏土颗粒与赤潮生物发生碰撞然后“抱团”的几率很低。由此,他们产生了一个创新性想法,能否将黏土颗粒表面变为正电性,延长作用半径,从而提高其对赤潮生物的治理效率呢?

  经过不断摸索实验,俞志明团队成功制备出改性黏土新材料。黏土改性后,表面电位反转,与赤潮生物作用力由排斥转为吸引,黏附力大幅增加,絮凝效率由天然黏土的20%,提高到90%以上,赤潮治理效率大大提高。

  俞志明向记者描述,经过表面改性的黏土颗粒,不仅很容易与赤潮生物发生碰撞、吸附,而且能够发挥“桥联”作用,像是突然拥有了加长“手臂”,可以把远处的浮游藻类也“抓”过来,治理效率比天然黏土高几十到几百倍。

  “平均每平方米用量仅为4~10克,且材料主要来源于土壤,不会对海洋环境造成二次污染。”团队成员、中国科学院海洋研究所副研究员袁涌铨说。“我们所采用的黏土材料并不特殊,做陶瓷、盖房子的黏土都可以。”

  “赤潮如同火灾一样具有突发性,而改性黏土就像是专门扑灭赤潮灾害的‘灭火器’,一方面能通过絮凝作用将赤潮生物吸附沉到海底,另一方面它能抑制海面残留赤潮生物继续增殖和生长,从而达到快速控制赤潮的作用。”俞志明说。

  治理赤潮灾害的利器

  从1991年开始室内实验,到首次成功现场应用,俞志明团队可谓“十年磨一剑”。

  “小水体的研究结果在大水体中不一定有效,只有靠现场应用来实践检验。”俞志明说。

  2005年,南京十运会前夕,玄武湖暴发蓝藻水华,该团队首次将改性黏土技术应用到现场。经过30余天奋战,最终彻底消除了玄武湖的蓝藻水华,有效保障了十运会顺利进行。

  “监测结果表明,应用改性黏土技术后,浮游植物种类增加,透明度大幅提高,水质和浮游植物群落得到改善;次年玄武湖中长出了水草,由藻类湖转化为草类湖,再加上其他针对性的环保措施,使得该水域的生态系统得到恢复,并实现了良性循环。”俞志明告诉记者。

  此后,该技术围绕保障“沿海核电等重大工程、主场外交等重要活动、旅游养殖等敏感水域”的生态环境安全,成功应用于我国近海从北到南20多个水域的赤潮治理,用户上百个。其中,2008年成功治理青岛近海卡盾藻赤潮,保障奥帆赛事。2015年治理棕囊藻赤潮,保障滨海核电的冷源用水安全。

  目前,改性黏土治理赤潮技术已成为我国近海赤潮治理大规模应用的有效手段,并纳入我国沿海13省市应急处置预案,取得了显著的社会和经济效益。

  “海洋环境多变复杂,针对不同的水域、赤潮藻类,治理材料和技术都要适时调整,确保既有效又环保。”俞志明说,“目前团队已针对我国近海常见赤潮藻,研发了3个系列、10余种改性黏土材料,具有降毒、杀菌、增氧、破囊等特殊治理功效。同时,研究团队与相关企业合作,研制出各种赤潮治理专用设备和首艘专用船只,实现了材料和设备的产业化生产,以及现场治理的机械化和自动化高效作业。”

  走出国门的“土”方法

  除在我国近海广泛应用以外,这项改性黏土治理赤潮技术还走出国门,成功应用于美国、智利等国近海赤潮的应急处置,在国际上产生了重要影响。

  智利是全球重要的三文鱼产地,但近年来深受赤潮困扰。2015年底至2016年初,赤潮导致智利养殖产业损失10多亿美元。智利相关政府部门经全球调研,决定引入俞志明团队的改性黏土治理赤潮技术。

  智利瓦尔帕莱索大学作为第三方机构对这项技术的实践效果进行了评估,他们认为,“改性黏土是控制藻华暴发的新工具,能够高效吸附并沉降藻细胞,而对非藻类物种几乎无毒性”。

  2018年,美国佛罗里达州近海暴发赤潮,给当地生态环境带来巨大影响。为此,佛罗里达州政府立项,组织了包括世界知名的伍兹霍尔海洋研究所等在内的多家科研院所的30多名科研人员,就中国的改性黏土治理赤潮方案进行了现场示范和科学评估。

  评估认为,这项技术“是有效的,对环境是没有副作用的”。据了解,在此基础上美国佛罗里达州正准备通过一项240万美元的项目,用于进口中国改性黏土技术以应对不定期暴发的赤潮灾害。

  2010年以来,秘鲁沿海扇贝养殖业受赤潮频发影响,遭遇毁灭性打击,亟待行之有效的应急处置方法。“去年11月份,秘鲁相关部门与我们达成协议,将引入改性黏土技术应对赤潮问题。此前,智利和美国都对这项技术的可靠性、环保性进行了充分验证,并在实践应用中取得了非常理想的效果。”俞志明说。

  在2019年度国家科学技术奖励大会上,俞志明领衔完成的“近海赤潮灾害应急处置关键技术与方法”荣获2019年度国家技术发明奖二等奖。

  “随着研究的深入,我们对该技术治理赤潮机理的认识和了解不断加深,并且该技术的应用领域和市场前景也不断扩展。”俞志明表示,“赤潮是一个全球性的环境问题,随着‘一带一路’建设的不断推进,希望更多的沿海国家受益于这项技术。下一步,团队将把生态调控、赤潮治理、环境修复的理念融为一体,进一步研发兼具不同功能的赤潮治理方法,为全球海洋环境治理提供更多的中国智慧。”
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