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1、水体富营养化与防治,杜茂安,4,4,水体富营养化成因及防治技术,水体富营养化(eutrophication)是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。,发生在海域时叫赤潮,发生在湖泊时叫水华,什么是富营养化,富营养化危害,富营养化的危害很大，影响深远，不仅在经济上造成损失，而且危害人类健康。具体说来，有以下几点： 使水味变得腥臭难闻。 降低水体透明度。 向水体释放有毒物质。 消耗水体的溶解氧。 影响供水水质并增加制水成本。 造成对水生生态、渔业、水环境质量的影响
2、。,1 使水味变得腥臭难闻 在富营养状态的水体中生长着很多藻类，其中有一些藻类能够散发出腥味异臭。藻类散发出这种腥臭，向湖泊四周的空气扩散，直接影响、烦扰人们的正常生活，给人以不舒适感觉，同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降低了水质质量。 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”，使水质变得浑浊，透明度明显降低，富营养严重的水质透明度仅有0.2米，湖水感官性状大大下降。,富营养化危害,3 影响水体的溶解氧 富营养湖泊的表层，藻类可以获得充足的阳光，从空气中获得足够的二氧化碳进行光合作用而放出氧气，因此表层水体有充
3、足的溶解氧。但是，在富营养湖泊深层，情况就不同，首先是表层的密集藻类使阳光难以透射入湖泊深层，而且阳光在穿射过程中被藻类吸收而衰减，所以深层水体的光合作用明显受到限制而减弱，使溶解氧来源减少。其次，湖泊藻类死亡后不断向湖底沉积，不断地腐烂分解，也会消耗深层水体大量的溶解氧，严重时可能使深层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。这种厌氧状态，可以触发或者加速底泥积累的营养物质的释放，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 富营养对水质的另一个影响是某些藻类能够分泌、释放有毒性的物质，有毒物质进入水体后，若被牲畜饮入体内，可引起牲畜肠胃道炎症
4、，人若饮用也会发生消化道炎症，有害人体健康。,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，富营养水体由于缺氧而产生硫化氢、甲烷和氨等有毒有害气体，而且水藻产生的某些有毒的物质，在制水过程中，更增加了水处理的技术难度。既影响制水厂的出水率，同时也加大了制水成本费用。 6 对水生生态的影响 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。但是，一旦水体受到污染而呈现富营养状态时，水体的这种正常的生态平衡
5、就会被扰乱，某些种类的生物明显减少，而另外一些生物种类则显著增加。这种生物种类演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏了湖泊生态平衡。,富营养化成因,富营养化是在特定的化学、生物和物理因素都具备的条件下发生的。总的来说，以下几方面是造成水体富营养化的具体原因： 1. 农田化肥 2 .牲畜粪便 3 .污水灌溉 4.工业废水排入水体 5.水体人工养殖,一 外源污染源,1点源 工业废水城镇生活污水固体废物处理场,2面源城镇地表径流农牧区地表径流矿区地表径流大气降尘大气降水水体养殖投铒水面娱乐活动废弃物水土流失及土地侵蚀,最小值定律与藻类增值,在光合作用中，藻类将水和空气中的一部分二氧化碳利用，合
6、成有机物质，同时放出氧气。这个过程可以用下面的反应式表述：,在一个给定的水体，阳光照射通常是稳定的，二氧化碳的供应也是充分的。因此，对藻类增殖过程有着极其重要影响的因素，就是藻类所在的水环境中的营养物质。,利贝格曾于1840年提出一个概念，即：植物生长取决于外界供给它所需要的养料中数量最少的那一种。世称“利贝格最小值定律”。这一定律同样适于藻类生长。 斯托姆（Stumm)曾对藻类的化学成分进行过分析研究。提出了藻类的“经验分子式”：C106H263O110N16P。根据斯托姆经验分子式，可以计算出这些元素所占藻类分子量的重量百分比，磷在藻类分子量中所占的重量百分比最小，氮次之，氧所占的重量百分
7、比最大。其次是碳，氢介乎其中。国际湖中学会会长、加拿大湖沼研究中心高级研究员瓦伦泰因博士（J.Vallentyne）研究了淡水湖泊水生植物的平均化学元素的组成后发现，在有植物生长的水环境中，磷和氮的含量最低。他认为磷和氮是限制水生植物生产量的最主要的营养元素。从斯托姆藻类经验分子式的化学元素组成百分比的计算和瓦伦泰因博士对淡水湖泊水生植物化学元素的比价以及加拿大湖泊实验结果，都说明了：磷和氮，特别是磷控制着湖泊藻类的增殖，是藻类生长的主要限制因素。,丹麦湖泊水质富营养化研究专家捷尔吉森博士指出：在热带一些湖泊，例如非洲东部的一些湖泊的富营养化，则表现出氮是最主要限制因素。在可能是这些地区的土地
8、广泛受到侵蚀而导致土壤中的氮受到破坏的结果，或者这些湖泊通过脱氮过程而使硝酸盐变成氮而损失掉，从而明显地降低了湖泊硝酸盐的含量。实际上，现在氮元素已成为某些湖泊富营养化的主要限制因素。因为藻类所需要的氮浓度比所需要的磷浓度要高4-10倍，而现在排放的污水中的氮浓度仅比磷浓度高出3倍左右，难以满足藻类生长的需要。加之脱氧作用使得一部分硝酸盐变成氮气而损失掉，降低了湖水中硝酸盐的浓度，限制了藻类增殖过程。自然界的很多现象常常是相互联系而非常微妙的。当硝酸盐浓度低时，湖水中的一部分藻类如蓝藻、绿藻，却能够利用天气中的氮通过固氮作用而弥补硝酸盐浓度低的不足，因此藻类增殖过程仍然照常进行。所以，和磷元素
9、相比，氮作为湖泊水质富营养化的限制因素，处于次要地位。,藻类固氮作用与氮循环,所谓固氮作用或者固氮过程，按照生物学的观点，我们可以将其定义为：生物体仅仅以氮气作为氮的来源而生长的生物学过程。如果从生物化学的角度，我们可以将固氮作用定义为：氮气分子中稳定的三价键被生物酶彻底裂解而被生物利用的能量反应。,氮循环示意图,生物合成蛋白质需要吸收硝酸盐和氮，而固氮细菌和蓝藻则可以从大气中进行固氮作用而生成硝酸盐，而细菌和真菌可以将食物链中各种生物排泄物腐烂分解生成氮，满足蛋白质合成的需求。反硝化细菌则把硝酸盐转变成分子氮，使得氮重新回到大气中。因此，控制氮供给源，对于富营养化湖泊来说，是非常困难的。,磷
10、元素和藻类增殖,磷主要来源于磷酸盐矿、动物粪便以及化石等天然磷酸盐沉积物。 在富营养化湖泊水体中，磷以各种形态存在于藻类细胞之中。磷酸盐类是核酸的主要组成成分，磷酸盐也存在于三磷酸腺苷（ATP)这样的具有很高能量的物质中。目前，对化合态的磷是否适合于藻类吸收还缺乏确切的证据。但是，对于离子态的正磷酸盐是水生植物吸收的最主要的形式这一事实已经清楚。有机磷化合物被藻类直接吸收利用的问题，国内外对此研究颇多，现在已经初步揭示，微生物利用体内的酶，将磷酸根（PO43-）从有机磷分子中分解出来，或者通过释放胞外酶的方式来加速这一分解过程。 在湖泊的水体中，磷的存在形式与湖水的PH值有着直接的密切关系。当
11、湖水PH值在3-7的范围时，磷主要以H2PO4-形式存在；而当湖水PH值在8-12时，则主要的形态为HPO42-。,磷浓度对藻类生长速率的影响，通过研究现已知道：磷的吸收与细胞生长两者之间并不是直接相关的。当磷在直接需要过剩时，磷便在藻类细胞内贮存起来，因此，这时候的磷营养物质吸收可能只发生细胞生物量的少量增加；相反，当贮备的磷被利用时，藻类生长可能只伴随少量的磷吸收，甚至不吸收磷。许多环境因素影响磷浓度的变化而在藻类生物量中表现出来。当环境中供给的磷的总量减少时，则水体中的磷浓度减低。影响种类特定生长速率，接着便影响到整个生长速率。磷浓度由于被藻类吸收而逐渐降低，结果，磷的总量也逐渐减少，从
12、而最终限制了生物量，甚至磷最后被耗尽。相反，当环境中连续不断地增加磷的供应时，则发生与上述相反的过程使得藻类得以大量地迅速地增殖。弄清楚这种关系，这对于在后述的富营养化控制研究中是很必要的。,藻类的生长变化关系,迈克利斯梅特（MichaeIis-Menten）营养物质吸收公式,式中的k值，包括了光照和其他营养物质的影响，因为藻类需要光照以便进行光合作用，而光在穿过湖表面稠密的藻类的水层时，很容易被吸收而衰减，因而水体从表层向深层的光合作用依次递减，释放氧的能力也随之依次减弱。,磷循环,经过开采矿藏、土地开发以及土壤侵蚀，储藏在地球表层的磷进入到水循环和食物链。而后，经过各种环节和渠道最终沉入海
13、底，实现短期的磷循环过程。沉入海底的磷，有时通过捕鱼等人为活动，使部分磷回到陆地上。但是，大部分磷往往直到发生大的地质运动，磷始得重新进入循环圈。,氮、磷比值与藻类增殖,在研究氮、磷营养物质与水质富营养化过程中，大量的事实表明，湖泊水体氮、磷浓度的比值与藻类增值有着密切的关系。日本湖泊学者坂本曾经研究指出：当湖水的总氮和总磷浓度的比值在10:125:1的范围时，藻类生长与氮、磷浓度存在着直线相关关系。日本的另一位湖沼专家合田健博士进而提出：湖水总氮与总磷的浓度比为12:113:1时，最适宜于藻类增值，若总氮对总磷浓度之比小于此值时，则藻类增值可能受到影响。丹麦水质研究专家捷尔吉森强调，当总氮与
14、总磷的浓度比之低于4以下时，氮很可能会成为湖泊水质富营养化决定性的限制性因素。,点源磷与水质富营养化,所谓点源磷是指经过相对确定的排放点排入湖泊水体的磷。点源磷往往来源于生活污水、工业废水，经过下水道和排污泵排入水体。 通过点源排放入湖的氮、磷营养物质，在入湖的总营养物质中通常占有很大的比重，是人为富营养化的主要因素之一。排入武汉东湖的生活污水中的磷，每年平均达到39t左右，战术入湖内的每年总磷量67.5t的58%，生活污水中的总氮量每年为475.5t，占输入湖内的每年总氮量752.5t的63%。杭州西湖，日本的琵琶湖等湖泊水体，点源磷在水质富营养化进程中都起着主要的作用。,非点源营养物质与水
15、质富营养化,非点源营养物质又称散在源或者扩散源营养物质。它是相对点源营养物质而言的。非点源营养物质，通常是指通过不确定的途径、在不确定的时间内排放不确定量的氮、磷营养物质。美国联邦水污染控制法（1972）对非点源做过如下的解释：非点源是一种分散的污染源，其污染物的构成来自一个大范围或者大的面积。故有文献将非点源称为“面源”。鉴于非点源包括许多小的点源，例如，广大农村的粪池、小型动物饲养厩与家禽饲养场等等，因此，这个定义有不确切之处。美国环境环保局进一步对非点源做了解释：凡是向环境中排放不连续的分散过程，而不能由一般的污水处理方法获得改善的排放源，它包括农业施肥，家畜、野生动物的排泄物，矿藏开采
16、，工程建设，城市、矿区和林牧等土地面积都可能成为非点源。,土地溶出和浸蚀,降水的氮、磷负荷,人和动物排泄物和养鱼投饵肥,外源性磷和内源性磷,外源性磷和内源性磷是描述水质富营养化过程中经常使用的两个概念。外源性磷，通常是指来自水体以外的一切磷的供给源，它包括前面所述的从水体外部输入的点源磷和非点源磷。在绝大多数情况下，外源性磷，例如生活污水、工业废水以及农田雨水径流的磷是导致湖泊、水库水质富营养化的主要原因。和外源性磷相反，内源性磷则是来自水体内部的磷，包括江河、海湾、和湖泊底泥释放的磷、水生生物死亡后腐烂分解而释放的磷等。内源性磷与水体的地质构造、地球化学以及底泥沉积物的特性有关。,天然源与人
17、为源营养物质,天然源营养物质是指受天然因素的影响，经过天然途径，例如降水、降尘以及流域自身地球化学特征而溶出、渗透所进入水体的磷、氮营养物质。人为源营养物质系相对天然源而言，它包括人类生活和生产活动而造成的营养物质负荷，例如排放工业废水、土地开发利用、农田耕作使用肥料的流失、水产养殖投饵肥以及使用含磷的合成洗涤剂等等，都属人为源的范畴。凡主要由于天然源营养物质引起的富营养化成为天然富营养化；凡是有认为源所致的富营养化则称为人为富营养化。,富营养化现状及其治理,来自联合国环境规划署的一项水体富营养化调查结果表明：在全球范围内30%40%的湖泊和水库遭受不同程度的影响，目前欧洲湖泊面临的最大问题是
18、富营养化问题，在统计的96个湖泊中有80%的湖泊不同程度的受到氮磷的污染，呈现富营养化状态。亚洲南部大部分湖泊富营养化问题突出。,世界海域富营养化分布图,从全国范围来看，城市湖泊目前都已处于重富营养或异常营养状态，绝大部分大中型湖泊均已具备发生富营养化的条件或处于富营养化状态。 以太湖梅梁湾等为代表的重污染湖湾，其水污染的程度和范围仍呈加重的趋势；以洱海为代表的富营养化初期湖泊面临着水质恶化的加大压力； 白洋淀等草型湖泊面临沼泽化威胁； 以巢湖东端湖区等为代表的饮用水源地局部湖区已经殃及周边居民健康，并带来社会安定问题； 鄱阳湖、洞庭湖等大型过水型湖泊水生生态面临严重的生态退化； 另外，城市湖
19、泊，特别是大城市周边湖泊富营养化仍未摆脱逐年加重趋势。随着湖泊富营养化的加剧，水华暴发频繁发生，将成为制约我国社会和国民经济持续发展的重大环境问题。,我国富营养化现状,中国湖泊富营养化水华,我国五大淡水湖水体中的营养盐据以大大超过氮磷富营养化发生浓度，尤其总氮浓度达1O倍以上，目前太湖和巢湖已进入富营养化状态，部分水体已经达到严重富营养化水平，其他三个湖泊只要某些条件已具备，水体的富养化现象就会显现出来，见表l。,中型湖泊的氮磷已接近或超过富营养化发生浓度，同时这些湖泊滞留时间较长，水体浅，所以大部分湖泊已进人富营养化状态，部分水体已达严重富营养化水平，如滇池、洱海等,总的来讲，营养化是水体受
20、到氮磷的污染，营养物质进入水体并造成藻类和其他微生物异常增殖的结果。,前面已经讲过，藻类生长的限制因素是氮和磷。藻类在氮磷利用上存在一定相关性，当磷含量处于低浓度时，氮浓度对藻类生长的影响比之磷处于高浓度时的影响为低。从藻类对氮磷需要的关系看，磷的需求更为重要，生产力受磷的限制更为明显。这是因为水中氮的缺乏，可以有许多固氮的微生物来补充，尤其是潜水型封闭水体，光照充足，生物固氮作用活跃。,大多数情况下，氮主要通过面源进入水体，磷主要通过点源进入水体。 农业面源污染主要是农业施肥经流失造成的，其中最主要的因素是大量施用化学肥料造成的。我国是一个农业大国，化肥施用量已达1亿t，施用化肥水平比世界化
21、肥施用水平高出2.6倍，而施肥利用率仅有3050%的水平，大量氮磷成分通过各种途径进入水体。 磷的主要来源是家庭洗涤剂的使用，其磷的污染强度约占总的磷污染负荷的50%左右。,下表为水体富营养化状态与氮、磷含量关系：一般来讲，总磷和无机氮分别超过20mg/m3和300mg/m3，就可以认为是危险状态。,富营养化的治理,控制水体富营养化最根本的措施是加强对生态环境的管理，制定法规，对污水排放一定要严格控制，一般应达到二级处理排放标准，以去除氮和磷。 如果水体发生了富营养化，应采取以下方法加以处理： 控制外源性污染物质输入。减少内源性营养物质负荷。去除污水中的营养物质 。,控制外源性营养物质输入,绝
22、大多数水体富营养化主要是外界输入的营养物质在水体中富集造成的。如果减少或截断外部输入的营养物质，就使水体失去了营养物质富集的可能性。从长远观点来看，要想从根本上控制湖泊水体富营养化，首先应该着重减少或者截断外部营养物质的输入。控制外源性营养物质可以采取以下措施。,（1） 制订营养物质排放标准和水质标准。 制订向水体排放营养物质的标准，是为了达到符合规定的水体营养物质浓度的水质标准。当确定某一湖泊水体的主要功能后，可根据水体功能要求再制订相应的水质氮、磷浓度的允许标准。 （2） 根据湖泊水环境磷容量，实施总量控制。 对湖泊的环境磷容量进行测算后，我们可以据此制订磷排放量的逐年削减和分配排放磷的总
23、量控制办法。同时，严格的行政管理措施也是必不可少的。 就目前普遍使用的洗涤剂而言，除少数几个国家洗涤剂中的磷含量低于 2%，一般洗涤剂都含有5-12%的磷酸盐成分，这使进入水体的磷相当可观。因此，采用行政措施控制洗涤剂中的磷含量，推广使用行政措施控制洗涤剂中的磷含量，推广使用无磷洗衣粉等不失为一种控制磷的方法。对违反总量控制计划规定的单位，应该采取相应的约束措施，如加倍收费或者罚款等。,（3） 实施截污工程或者引排污染源。 截断向湖泊水体排放营养物质的排放源，是控制某些湖泊水体富营养化的关键性措施。 实施截污工程，需要比较高的一次性投资。但经过这样的一次性高额投诉，可以从根本上消除水体富营养化
24、的主要的人为外源性污染源，提供了改善水质的基本条件。因此，从长远观点来看，这样的投资是必须的。 （4） 合理使用土地，最大限制地减少土壤侵蚀、水土流失与肥料流失。 只要合理规划利用土地，最大限度地防止土壤侵蚀和地表径流过份漫流，如在建筑物、农田安排自然排泄系统，就可以减少被暴雨或融雪冲走的氮和磷。同样，保护湖边绿化带、集中收集饲养场的家禽粪便等也是控制面源营养物质的方法。,减少内源性营养物质负荷,1 生物性措施 生物性措施是指利用水生生物吸收利用氮、磷元素进行代谢活动这一自然过程达到去除水体中氮、磷营养物质目的的方法。它的最大特点是投资省，有利于建立合理的水生生态循环。 在浅水型的富营养湖泊，
25、通常种植高等植物，如莲藕、蒲草等，随着这些水生植物收获，氮、磷营养物也就随着水生植物体一道离开了湖泊水体。这种方法适用底泥中营养物质积累丰富的浅水湖泊，是一项既有经济效益又有明显环境效益的可行措施。,2 工程性措施 工程性措施主要包括挖掘底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水冲稀等。 控制底泥对改善那些底泥营养物质含量高的水体是一种有效的手段，但需注意挖掘底泥的地点和深度。它减少了已经积累在表层底泥中的总氮和总磷量，减少以至消除了潜在性内部污染源。而且通过挖掘底泥可以加深湖泊水体的深度，实际增加了湖泊环境容量，最终仍能起到降底湖泊水体营养负荷的作用。 深层曝气适用于湖水较深而出现厌氧层的水体。磷容
26、易在厌氧条件下从底泥中释放出来，采取定期或不定期人为湖底深层曝气充氧，使水与底泥面之间不出现厌氧层，有利于抑制底泥磷释放，对改善水质有利。 注水冲稀的一种手段是在有条件的地方，用含磷和氮浓度低的水注入湖泊，起到稀释营养物质浓度的作用，这对控制水华现象，提高水体透明度等有一定作用，但营养物绝对量并未减少，不能从根本上解决问题；另一种手段是换水，这是针对临江湖泊的方案，起到江水取代湖水，以流动的贫营养水代替停滞的富营养水的目的。,3 化学方法 这类方法包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻等。对那些溶解性营养物质如正磷酸盐等，采用往湖中投加化学物质使其生成沉淀而沉降。而使用杀藻剂可杀死藻类，这适合于水华盈湖
27、的水体。藻类被杀死后，水藻腐烂分解仍旧会释放出磷，因此，死藻应及时捞出，或者再投加适当的化学药品，将藻类腐烂分解释放出的磷酸盐沉降。,去除生活污水中营养物,城市生活污水及某些工业废水中含有较高浓度的氮、磷营养物质，一部分氮、磷能够通过二级生化处理过程被微生物去除，利用生物法进行脱氮除磷是一种比较适用的方法。但由于城市污水中的氮、磷浓度往往要比活性污泥生长所需要的浓度高出 25倍，所以污水中仅有30%50%的氮和磷被活性污泥去除，余下50%70%的氮和磷将随二次废水排出。利用物理化学方法去除污水中的氮、磷营养物质可以采用以下方法：,（1） 铁盐凝聚沉降法 三价铁盐易与磷酸盐反应生成不溶性的磷酸铁
28、。二价铁盐也能和污水中的磷反应生成不溶性沉淀物。 （2） 铝离子交换法 铝离子与磷酸盐具有特别强的亲合力，可以选择性地从废水中去除磷。而后，用高浓度的氢氧化物，如氢氧化钠回收铝，再用石灰回收氢氧化钠，回收的铝和氢氧化钠可以循环利用。但从经济性角度考虑，铝离子交换法需谨慎选用。 （3） 石灰凝聚与氨气提法 比较实用而且比较经济的方法。在 pH值偏碱时，石灰与磷发生反应，生成磷酸盐和无机氢氧化物，磷酸盐和悬浮物质随反应生成物凝聚沉淀下来，达到去除磷的目的。,生物脱氮除磷的新理论新方法,目前对污水生物脱氮除磷的机理、影响因素及工艺等方面的研究已是一个热点，并提出一些新工艺及改革工艺。对于脱氮除磷工艺，今后的发展要求不仅仅局限于较高的氮磷去除率，而且也要求处理效果稳定、可靠、工艺控制调节灵活、投资运行费用节省。目前，生物脱氮除磷工艺正是向着这一简洁、高效、经济的方向发展。,谢谢！,
