湖泊内源污染治理

• 无机磷中,铁磷最不稳定,在还原条件下,铁型磷首 先释放出来。一般认为:底泥释磷与铁磷关系密切， 3+ 当表层底泥氧化还原电位(Eh）高时,有助于Fe 与 磷酸盐结合成不溶的磷酸铁;而当Eh较低(<200mv) 3+ 2+, 时,有助于Fe 转化为Fe 使Fe和被吸附的磷酸盐 转变成溶解态而从底泥向水体释出。韩伟明对西 湖底泥释磷的试验研究发现上覆水中TP浓度与Fe 浓度呈正线性相关。丹麦科学家在对丹麦100多个 湖泊沉积物中Fe和P的调查发现,沉积物中的总铁 含量与总磷含量呈显著正相关。然而湖泊上覆水 中的总磷浓度却与沉积物中Fe : P比呈负相关。由 此可见,Fe在氧化还原状态下对P沉积和释放发挥 着极其重要的作用。
• 营养元素在水- 沉积物界面的行为
营 养 元 素 在 水 沉 积 物 界 面 的 行 为 水- 沉积物界面的结构
沉积物的吸附 氮的释放 沉积物中营养元素释放规律
磷的释放
• 1.水- 沉积物界面的结构
• 水- 沉积物界面是在水环境中水相和沉积物相之间的转化 区, 是水环境的一个特殊而重要的区域, 是底栖生物的栖息 地带, 是水生生态系统的重要组成部分。根据氧化还原电 位的不同, 可将水- 沉积物界面的结构描述为氧化带( 电子 接受体为氧气) 、还原带( 电子接受体为硫酸根和硝酸根离 子) 和重还原带( 电子接受体为二氧化碳) 。由于氧化还原 电位不同, 污染物在各带发生的化学过程也不同, 从而造成 污染物在水- 沉积物界面以不同的形态进行积累, 并对水生 生态系统产生不同的影响。2002年中国环境质量公报表明, 我国氮、磷污染严重, 导致富营养问题突出。本文侧重说 明沉积物上营养盐的吸附和释放过程, 以产生富营养化的 主要营养盐磷和氮为例讨论在其水- 沉积物界面的行为。
• 反应磷释放通量磷是许多湖泊富营养化进程中的 关键因子，在静态条件下，磷在沉积物-水界面循 环主要受沉积物吸附、释放及间隙水三个作用的 控制。 • 内源磷的赋存形态 • 沉积物中磷包括有机磷和无机磷两大类。 • 无机磷 • 在沉积过程中，吸附在沉积物上的溶解磷酸盐和 磷与水体中的金属离子结合，以不同的结合态存 在的磷，主要为铝磷、铁磷、钙磷。我国大量的 湖泊水库调查资料表明内源磷主要以无机态存在， 一般占总磷的60%以上。
• 2.沉积物的吸附 • 沉积物中自然胶体表面的正电荷金属阳离子能够与溶 液中营养盐阴离子形成键合, 从而使沉积物从水中吸 附可溶性营养盐, 降低湖泊氮、磷浓度。因此,当水中 污染物浓度过高时, 底质对水中污染物具有净化或惰 化作用。沉积物对水体磷酸根的吸附, 主要是沉积物 中的粘土、铁铝氧化物、碳酸钙等矿物颗粒对磷酸根 的专性吸附, 其中尤以铁铝氧化物的吸附作用最为强 烈。此外还有微生物通过吸收同化而产生的磷的生物 固定。水体pH值、沉积物组成均是其影响因素。
• 1.pH
• 研究表明：pH值在中性条件下，P的释放速率最小，偏酸 性略微地促进磷的释放，而在碱性条件，随着pH的上升， 释放磷的速率猛增，沉积物中磷的释放速率曲线随pH的增 加呈U型曲线。pH值对底泥磷释放的影响与沉积物中磷酸 盐成分有关。其影响作用过程有两种:即影响底泥对磷酸 盐的吸附和离子交换作用。在中性条件下，磷酸盐主要以 HPO4-和HPO42-存在，最容易被沉积物吸附，释放量也就 最小。在pH值高时，体系中OH-和沉积物中Fe和Al可生成 更为稳定的氢氧化物，而与之结合的磷 （铁磷和钙磷）被 释放到水体中。
• 4.微生物 • 底泥中的微生物可能通过直接或者间接的作用改 变底泥中所发生的热力学和动力学过程。因此， 底泥中微生物的活动在释磷过程中起着相当重要 的作用。有试验说明:在无微生物状态下，沉积物 中的磷释放几乎为零，而由于微生物参与，沉积 物中释放的P比无菌状态下高出50%一100%。 • 候立军等人在对苏州河底泥内源磷释放的试验研 究中也有类似发现:在有微生物作用下的底泥，其 内源磷的释放量明显高于没有微生物作用底泥内 源磷的释放。其原因在于，微生物可把底泥中有 机态磷转化分解成无机态磷，从而可增加底泥中P 的释放量。此外，微生物还可将不溶性磷化物转 化为可溶性磷，将进一步促进底泥中内源磷的释 放。
• 1.内源性负荷的产生
• 湖泊沉积物是水体生态系统的重要组成部分, 也是水生生 态系统中物质、能量循环中的重要环节。点源的污水排放、 非点源的大气沉降和地表径流注入、湖泊水生生物的死亡 堆积, 会使湖泊沉积物中的污染物质逐步富集起来, 为深 层水的细菌、真菌、原生动物以及一些无脊椎动物提供了 食物和能量。这些生物的代谢呼吸将消耗储存在深水层中 的氧气, 并释放原先与有机物结合在一起的氮、磷等营养 元素, 从而形成湖泊的“内源性负荷”。
• 在外部负荷较小的情况下, 内源负荷成为主要的富营养诱 因。如杭州西湖1988年7月至1989年6月间沉积物释放的磷 占外源输入磷负荷的41.5%。由于内源负荷磷的影响, 西湖 引水工程的效果在停机10 d后即消失。1995至1996年间进 入滇池草海的TP、TN和COD约有90%以上储存于湖底(少 量进入大气), 真正进入水体的微乎其微, 沉积物释放的总 磷可维持滇池水体目前水平63年之久。玄武湖沉积物的磷 年释放量为10.46t, 占全年入湖量的21.5%。武汉东湖1997 年10月至1998年9月期间, 高达78.5%的磷滞留在湖内, 当水 体养分的外源得到有效控制后, 沉积物中养分的季节性再 悬浮仍能使水体的富营养化持续数十年。
• 湖泊水体富营养化的污染来源
湖 泊 水 体 富 营 养 化 的 污 染 来 源
点源 工厂排污 生活污水的排放 农田肥料
外源
面源
农药污染 地面径流污染 大气沉降污染 固废淋溶下渗
內源
沉降至湖泊底部的营养物 质的释放
湖泊內源污染的现状 • 内源污染
• 内源污染主要指进入湖泊中的营养物质沉降至湖 泊底质表层，在一定条件下向水体释放，成为湖 泊富营养化的主导因子。在这两种污染来源中， 外源污染主要从源头上进行综合治理，减少污染 物的输入。对于污染较轻的湖泊，通过削减外源 污染可使水质得到改善和恢复，但对于富营养化 程度较高的湖泊，沉积物中的污染物会不断释放 进入水体，因此，即使在外源污染得到有效控制 的情况下，湖泊仍会长期处于富营养化状态，可 见，内源污染治理十分重要。
• 3.沉积物中营养元素释放规律
• 当污染物的排放减少或停止之后, 由于污染物在水 - 沉积物界面具有存储和传输功能, 在条件合适的 时候, 底部沉积物不再作为污染的汇, 而是成为污 染物的来源, 这时污染物从底部沉积物释放出来进 入水中, 造成水体的二次污染。
• 磷的释放
• 一般情况下磷释放首先进入沉积物的间隙水中(这一步骤 通常被认为是营养物释放速率的决定步骤), 然后扩散到 水土界面, 进而向上覆水混合扩散,成为湖泊磷负荷的一 部分。沉积物中的磷可以通过3种机制释放进入上覆水中。
湖泊内源污染现状及其治理技 术研究进展
制作人：张建利 单位：云南大学工程技术研究院 专业：市政工程Байду номын сангаас
目录
• • • • • 1.湖泊污染的背景 2.湖泊內源污染的现状 3.湖泊內源污染的机理 4.湖泊內源污染治理的技术和手段 5.发展和展望
湖泊污染的背景
• 我国是一个湖泊众多的国家, 大于的天然湖泊有2300 余个, 湖泊面积为70988Km2, 约占全国陆地总面积的 0. 8% , 湖泊总贮水量为7077多亿 m3。目前, 水体的 富营养化已经成为我国一个较为突出的环境问题。 许多大型湖泊, 如巢湖、太湖、鄱阳湖、滇池等, 都 已经处于富营养或重富营养状态, 而且一些河流在部 分河段也出现了富营养化现象, 如黄浦江流域、珠江 广州河段等。据统计, 我国主要湖泊处于因氮磷污染 而导致富营养化的占统计湖泊的56% 。由于水体一 旦进入富营养阶段就会丧失其应有的功能, 影响经济 建设和社会发展, 因此, 治理富营养化水体, 减少其 中的营养物质含量, 恢复水体的综合功能, 已成为当 前淡水生态学研究的中心问题之一。
在酸性条件下，铝磷和铁磷态化合物不易释磷，而钙磷 态化合物当pH降低或由于底质有机物生物降解产生的 CO2，都会使其溶解度增加，导致P的释放量增大。
• 2.溶解氧 • 李勇等在对南京玄武湖底泥释磷的试验研究发现：厌氧状态 下，底泥中的P大量释放，其释放平衡浓度为好氧的25倍。 Fillons和Willi等人在连续流动释放系中发现湖泊沉积物P的 释放速率厌氧状态是好氧状态的10倍以上，据费隆试验的定 量数据，必须维持水体中溶解氧2mg/L，否则P总释放会显著 增加。
生物释放
磷 的 释 放
物理释放
化学释放
• (1) 生物释放: 通过细菌、大型水生植物和 底栖生物的消化道释放。 • (2) 物理释放: 一是由沉积物间隙水与上覆 水体间溶解磷的浓度梯度所产生的扩散作 用; 二是由于风吹、波浪等扰动引起的沉积 物再悬浮而产生的磷释放。
• (3) 化学释放: 厌氧条件下铁磷矿物的还原是沉积物释 磷的主要机制, 三价铁离子被还原为亚铁离子, 易与磷 生成可溶性的磷酸亚铁盐, 并与磷酸盐一起释入上覆水 中。一旦出现利于钙、铝、铁等不溶性磷酸盐沉淀物 溶解的条件, 无机态的正磷酸盐就释放磷。目前相关方 面的研究较多, 对不同环境条件下沉积物中氮释放的实 验室研究表明, 沉积物中磷释放的影响因素很多, 除温 度、pH、溶氧水平、界面氧化还原状况、微生物、底 泥磷形态、水体扰动之外, 还有湖泊水化学组成、藻类、 有机质含量及类型, 甚至盐度等。
• 溶解氧决定了湖水一沉积物的氧化还原状 态。当湖底层水体有足够的溶解氧时，湖 水一沉积物处于氧化状态，三价铁离子与 磷结合，以磷酸铁的形式沉积到沉积物中， 或水中可溶性磷被氢氧化铁吸附而逐渐沉 降。当水体溶解氧下降，直至出现厌氧状 态时，不溶性的氢氧化铁就变为可溶性的 氢氧化亚铁，其结果导致沉积物中的P释放 进人水体，使水体P总浓度升高。
• 2.内源污染的危害 • 沉积物中蓄积的污染物主要有3大类: 重金属、营 养元素及难降解有机物。通过各种途径进入水体的 重金属很容易被水体悬浮物或沉积物所吸附、络合 或共沉淀, 从而在水底的沉积物重富集。人类排放 的大量有机有毒物质也有相当一部分进入水体而沉 积在水底沉积物中, 从而对水生生态系统构成长期 的威胁, 产生“三致效应”。沉积物中氮、磷和有 机质向水体的释放可以给水生生物提供丰富营养来 源, 释放量过多则会造成水体富营养化。在沉积物 中引起富营养化的主要是氮磷的释放，而磷是水体 富营养化的限制性因子。
• 有机磷 • 有机磷不易直接被藻类等水生植物吸收， 只能在其它生物，尤其是微生物的作用下， 矿化分解为易被植物吸收的活性可溶性磷， 并由固相转移到液相中，引起水体营养水 平的增加。有机磷化合物在厌氧、缺氧、 好氧条件下均会被相应的微生物分解为活 性可溶性磷，其释放速率与微生物的活性 密切相关。
• 沉积物中影响释磷的因素
各组上覆水中磷浓度排序为无光通氮气>无光通空气 >有光通氮气>有光通空气。就实验条件而言，上覆 水磷浓度大小表现为：无光环境>有光环境，通氮气 环境> 通空气环境
• 3.温度 • 温度是影响水环境中的各种物理化学反应、微生物活性的 重要因素。从以往大量的试验结果来看，无论是好氧还是 缺氧条件下，随着温度的升高，沉积物释磷量都明显增加。 在玄武湖内源磷释放模拟试验中，25℃条件下上覆水中的 溶解磷浓度为0.05mg/L，而35℃条件下的溶解磷浓度为 0.133mg/L，约为25℃条件下的2倍。此外还发现，升高温 度不仅释磷强度明显增加，而且最大值出现的时间均随温 度的增加而提前。 • 温度升高，参与内源磷释放的物理化学反应速度加快，如 吸附反应、溶解反应、化学反应沉淀等，相应的内源磷的 释放速率也增加。温度的升高，会使得上述物理化学反应 的平衡向解析、溶解的方向移动，致使内源磷释放量增加。 另一方面，随着环境温度的升高，底泥中的微生物和底栖 生物活动加强，促进生物扰动、矿化作用和厌氧转化，导 致间隙水耗氧，降低了泥层中的电极电位，使底泥表面呈 还原状态，有利于Fe3+的还原，加速底泥中Fe，结合态磷 的释放。