我国水体富营养化

我国水体富营养化
学号：2008211449
哈尔滨师范大学
学士学位论文
题目我国水体富营养化现状及控制对策研究
学生董文通
指导教师何琳琳副教授
年级 2008级 A3班
专业化学
系别化学系
学院化学化工学院
学士学位论文
题目我国水体富营养化现状及控制对策研究
学生董文通
指导教师何琳琳副教授
年级 2008级 A3班
专业化学
系别化学系
学院化学化工学院
哈尔滨师范大学
2012年5月
我国水体富营养化现状及控制对策研究
董文通
摘要：随着经济的快速发展和人口的不断增长，环境污染和水质恶化日趋严重。

其中，水体富营养化导致藻类异常增殖，形成水华或赤潮，使水体腥臭难闻，透明度降低，溶解氧减少，大量鱼类死亡。

本文介绍了水体富营养化的现状、成因、以及常用的治理方法，并对化学修复技术和水生植物修复技术微生物修复技术进行了详细介绍。

本文对这些技术的激励、特点进行了阐述关键词：水体富营养化成因危害治理和控制方法化学技术
水资源是人类赖以生存的基本物质，随着人口增长和社会经济飞速发展，水的需要量急剧增加，而水资源污染也日益严重[1]。

我国自20 世纪80 年代以来，由于经济的急速发展和环境保护的相对滞后，许多湖泊、水库已进入富营养化，甚至严重富营养化状态，如滇池、太湖、西湖、东湖、南湖、玄武湖、渤海湾、州湾、九龙江、黄浦江等[2]。

2000 年对我国l8 个，主要湖泊的调查表明，其中l4 个已进入富营养化状态[3]。

1 水体富营养化的定义、机理和指标
1.1 水体富营养化定义
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[4]。

在自然条件下，湖泊也会从贫营养状态过渡到富营养状态，不
过这种自然过程非常缓慢[5]。

而人为排放含营养物质的工业废水和生活污水所引起的水体富营养化则可以在短时间内出现。

水体出现富营养化现象时，浮游藻类大量繁殖，形成水华。

因占优势的浮游藻类的颜色不同，水面往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。

这种现象在海洋中则叫做赤潮或红潮[6]。

1.2 水体富营养化机理
在地表淡水系统中，磷酸盐通常是植物生长的限制因素，而在海水系统中往往是氨氮和硝酸盐限制植物的生长以及总的生产量[7]。

导致富营养化的物质，往往是这些水系统中含量有限的营养物质，例如，在正常的淡水系统中磷含量通常是有限的，因此增加磷酸盐会导致植物的过度生长，而在海水系统中磷是不缺的，而氮含量却是有限的，因而含氮污染物加入就会消除这一限制因素，从而出现植物的过度生长[8]。

生活污水和化肥、食品等工业的废水以及农田排水都含有大量的氮、磷及其他无机盐类。

天然水体接纳这些废水后，水中营养物质增多，促使自养型生物旺盛生长，特别是蓝藻和红藻的个体数量迅速增加，而其他藻类的种类则逐渐减少[9]。

水体中的藻类本来以硅藻和绿藻为主，蓝藻的大量出现是富营养化的征兆，随着富营养化的发展，最后变为以蓝藻为主。

藻类繁殖迅速，生长周期短。

藻类及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解，不断消耗水中的溶解氧，或被厌氧微生物分解，不断产生硫化氢等气体，从两个方面使水质恶化，造成鱼类和其他水生生物大量死亡。

藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中，又把大量的氮、磷等营养物质释放入水中，供新的一代藻类等生物利用[10]。

因此，富营养化了
的水体，即使切断外界营养物质的来源，水体也很难自净和恢复到正常状态[11]。

1.3 水体富营养化指标
多数学者认为氮、磷等营养物质浓度升高，是藻类大量繁殖的原因，其中又以磷为关键因素。

影响藻类生长的物理、化学和生物因素(如阳光、营养盐类、季节变化、水温、pH值，以及生物本身的相互关系)是极为复杂的[12]。

因此，很难预测藻类生长的趋势，也难以定出表示富营养化的指标[13]。

目前一般采用的指标是：水体中氮含量超过0.2-0.3ppm，生化需氧量大于10ppm，磷含量大于0.01-0.02ppm，pH值7-9 的淡水中细菌总数每毫升超过10 万个，表征藻类数量的叶绿素-a含量大于10μmg/L[14]。

2 国内外水体富营养化“研究历史与进展”的对比
在20 世纪初期, 水体富营养化问题引起了国外部分生态学家、湖沼学家的注意, 并开始了对其成因的初步探索[15]。

在上世纪60 年代末, 随着全球出现的海洋和淡水水体富营养化问题的不断加剧, 联合国环境规划署( UNEP) 、世界卫生组织( WHO) 、国际经济合作与开发组织( OECD) 等众多国际组织以及世界各国都相继开始了富营养化形成机理及其防治对策的研究, 进行了大量的试验、实践与探索[16]。

由于富营养化的发生发展包含着一系列生物、化学和物理变化的过程, 并与水体化学物理性状、湖泊形态和底质等众多因素有关, 其演变过程十分复杂, 研究所涉及的学科多种多样, 所以至今对富营养化形成机理仍然无法作出科学的解释, 研究还停留在初级阶段, 有待进一步的深入[17]。

经过近30 年来世界各国学者的潜心研究, 特别是加拿大的沃伦维德( 1968 年) , 日本的合田建( 1970 年) 及奥地利的列夫勒( 1968 年) 等人的杰出贡献, 目前公认的富营养化形成原因, 主要是适宜的温度, 缓慢的水流流态, 总磷、总氮等营养盐相对充足, 能给水生生物( 主要是藻类) 大量繁殖提供丰富的物质基础, 导致浮游藻类( 或大型水生植物) 爆发性增殖[18]。

尽管对于不同的水域, 由于区域地理特性、自然气候条件、水生生态系统和污染特性等诸多差异, 会出现不同的富营养化表现症状, 但是, 影响水体富营养化发生的主要因素基本是一致的, 即温度、水流流态和营养盐[19]。

早期的富营养化机理研究主要是探讨水体中营养盐负荷与浮游藻类生产力的相互作用和关系, 这也是揭示湖泊富营养化形成机理的主要途径[20]。

通过对营养盐的动力学吸收的研究, 许多学者( Levasseur et al, 1987; Harr ison et al , 1977; Goldman et al, 1979) 提出了大致相同的浮游藻类生长所需环境溶解营养盐的原子比, 了解了氮、磷以及氮磷比值分别与藻类生长的相关关系。

在这些研究的基础上, 提出了控制外源性营养盐输入的富营养化水体治理措施[21]。

纵观国际上近年来开展的富营养化水体治理工程不难发现, 以外源污染治理为主的措施对于深水湖泊取得了较好的效果, 但对于浅水湖泊却收效甚微, 这说明不同类型的湖泊其富营养化机理不尽相同[22]。

为此, 各国学者对富营养化形成机理开始了更深层次的思考, 特别是对浅水湖泊沉积物中营养盐的赋存、降解和释放等循环过程的研究。

主要研究有: 1996 年, 法国学者Ruban V 和Demar e D 在Bart- les-Orgnes 水电水库研究了底泥水界面上磷的释放, 用序列抽提法研究得知并非所有形式的磷酸盐都容易释放。

1999 年,荷兰的
Brouwer 等在研究Banen 湖时发现硫酸盐和碳酸氢盐是影响底泥降解和恢复湖泊的关键因素。

美国的Bateus等以俄克拉何马州卡布莱克韦湖底质进行厌氧好氧、带菌无菌, 搅拌三种条件组合的模拟实验表明, 在好氧搅拌带菌情况下沉积物的释放量最大[23]。

近年来, 我国在富营养化机理研究上也取得了较大的突破。

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室成绩卓著, 他们主要在水- 沉积物系统方向上取得进展, 研究分别从营养元素循环、生物大分子降解过程和铁-锰- 硫体系的氧化还原变化等角度对云贵高原不同部位湖泊的沉积物- 水系统进行了研究[24]。

结果表明: 湖泊沉积物-水界面存在! 活性有机质分解- 溶解营养盐释放- 浮游生物吸收- 活性有机质沉降∀的快速循环, 以促成富营养湖泊的高生产力水平; 沉积物中生物残骸细胞破裂后, 蛋白质、DNA、RNA 降解导致的氮- 磷差异性释放与微生物作用存在耦合关系; 由于铁- 锰- 硫的微生物作用差异, 沉积物早期成岩氧化还原序列变化对营养元素生物地球化学行为起着控制作用。

陈德辉等以Tilman 提出的! 资源竞争机制学说∀为依据, 研究了微囊藻栅藻资源竞争的动力学过程结果表明: 在光强为10-0~ 17-1 EE 和磷浓度为3-10~ 20-0 g/ mo1的范围内, 微囊藻的生长率大于栅藻的生长率. 说明磷的增加是微囊藻成为水华的充分条件, 但不是必要条件, 至少低光强是一个重要的作用因子。

上述研究成果在探索富营养化机理上具有重要学术价值[25]。

3 我国水体富营养化的现状
湖泊富营养化已经成为一个日趋严重的全球性环境问题，引起了湖沼学家、生态学家和环境学家们的广泛重视。

湖泊富营养化不仅对湖泊水质有严重影响，而且还会影响到周边水环境和人为景观，甚至通过给水系统危害到公众
的健康[26]。

根据(2004 年中国环境状况公告》，在评价的27 个重点湖泊中，Ⅳ类、v类或劣V类水质湖库2O 个，占74％，其中“三湖”(太湖、滇池、巢湖)水质均为劣V类；在评价的10 个大型水库中，有8 个水库都属于中营养化[27]。

2000 年，美国对本国的河口富营养化做调查发现：65％的水面达到了中营养和富营养化，最为显著的地带是在墨西哥海湾到大西洋的中部地带[28]。

2004 年，英国环境署对本国河流状况做调查表明：53％河流的磷浓度已超过了0．1 mg／L，29％河流的氮浓度已经超过了30 mg／L[29]。

由此可见，对受污染的湖库水体进行治理修复，是社会发展及生态环境建设的迫切需要，寻找先进、实用、造价低廉的技术迫在眉睫[30]。

4 水体富营养化产生的原因
在地表淡水系统中，磷酸盐通常是植物生长的限制因素，而在海水系统中往往是氨氮和硝酸盐限制植物的生长以及总的生产量。

导致富营养化的物质，往往是这些水系统中含量有限的营养物质，例如，在正常的淡水系统中磷含量通常是有限的，因此增加磷酸盐会导致植物的过度生长，而在海水系统中磷是不缺的，而氮含量却是有限的，因而含氮污染物加入就会消除这一限制因素，从而出现植物的过度生长。

生活污水和化肥、食品等工业的废水以及农田排水都含有大量的氮、磷及其他无机盐类[31]。

天然水体接纳这些废水后，水中营养物质增多，促使自养型生物旺盛生长，特别是蓝藻和红藻的个体数量迅速增加，而其他藻类的种类则逐渐减少[32]。

水体中的藻类本来以硅藻和绿藻为主，蓝藻的大量出现是富营养化的征兆，随着富营养化的发展，最后变为以蓝藻为主。

藻类繁殖迅速，生长周期短。

藻类及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解，不断消耗水中的溶解氧，或被厌氧微生物分解，不断产生硫化氢等气体，
从两个方面使水质恶化，造成鱼类和其他水生生物大量死亡[33]。

藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中．又把大量的氮、磷等营养物质释放人水中，供新的一代藻类等生物利用[34]。

因此，富营养化了的水体，即使切断外界营养物质的来源，水体也很难自净和恢复到正常状态[35] [36]。

5 水体富营养化的危害
天然水体中由于过量营养物质(主要是指氮、磷等)的排人，引起各种水生生物、植物异常繁殖和生长，这种现象称作水体富营养化。

这些过量营养物质主要来自于农田施肥、农业废弃物、城市生活污水和某些工业废水。

污水中的氮分为有机氮和无机氮两类，前者是含氮化合物，如蛋白质、多肽、氨基酸和尿素等，后者则指氨氮、亚硝酸态氮，它们中大部分直接来自污水．但也有一部分是有机氮经微生物分解转化作用而形成的。

城市生活污水中含有丰富的氮、磷，如人体排泄含有一定数量的氮，使用含磷洗涤剂，含有大量的磷等。

另外如磷灰石、硝石、鸟粪层的开采、化肥的大量使用，也是氮、磷等营养物质进人水体的来源[37] [38]。

在自然界物质的正常循环中，湖泊会由贫营养湖发展为富营养湖，进一步又发展为沼泽地和干地，但这一历程需要很长的时间，在自然条件下需几万年甚至几十万年。

但由于水体污染而造成的富营养化将大大促进这一过程。

如果氮、磷等植物营养物质大量而连续地进人湖泊、水库及海湾等缓流水体．将促进各种水生生物的活性，刺激它们异常繁殖(主要是藻类)，这样就带来一系列严重后果：
(1)藻类在水体中占据的空间越来越大，使鱼类活动的空间越来越小；衰死藻类将沉积塘底[39]。

(2)藻类种类逐渐减少，并由以硅藻和绿藻为主转为以蓝藻为主，而蓝藻有不少种有胶质膜，不适于作鱼饵料，而其中有一些种属是有毒的[40]。

(3)藻类过度生长繁殖，将造成水中溶解氧的急剧变化，藻类的呼吸作用和死亡的藻类的分解作用消耗大量的氧，有可能在一定时间内使水体处于严重缺氧状态，严重影响鱼类的生存[41]。

6 防治对策与技术
6.1 富营养化的防治对策
富营养化的防治是水污染处理中最为复杂和困难的问题。

这是因为：①污染源的复杂性，导致水质富营养化的氮、磷营养物质．既有天然源，又有人为源；既有外源性，又有内源性。

这就给控制污染源带来了困难；②营养物质去除的高难度，至今还没有任何单一的生物学、化学和物理措施能够彻底去除废水的氮、磷营养物质。

通常的二级生化处理方法只能去除30％～50％的氮、磷。

防治富营养化必须从以下两方面着手[42]。

(1)控制外源性营养物质输人
绝大多数水体富营养化主要是外界输人的营养物质在水体中富集造成的。

如果减少或者截断外部输人的营养物质，就使水体失去了营养物质富集的可能性[43]。

(2)减少内源性营养物质负荷
输入到湖泊等水体的营养物质在时空分布上是非常复杂的。

氮、磷元素在水体中可能被水生生物吸收利用，或者以溶解性盐类形式溶于水中，或者经过复杂的物理化学反应和生物作用而沉降，并在底泥中不断积累，或者从底泥中释放进人水中[44]。

6.2 水体富营养化的防治技术
6.2.1 除磷
防治富营养化的主要原因是水体中氮、磷等营养物质的超标，因此必须污染源头控制，降低水体中氮、磷等营养物质浓度，其主要措施包括：
6.2.1.1 工、农业废水控制
改进施肥方式，减少农业废水中氮磷的含量，加强水土保护，是全世界的共识，也是保护环境、防止水体富营养化的最佳方案，我国在这方面也作了持续的努力。

然而，由于种种原因，效果不佳，部分地区水土流失日益严重。

工业废水的处理近年来取得相当成绩，使水体富营养化得到了有效控制[45]。

6.2.1.2 洗涤剂禁磷
生活污水中的磷25％来自含磷洗涤剂，许多国家均有禁止或限制使用含磷洗涤剂的政策，我国深圳市、太湖与滇池流域也采取了类似措施。

然而，日本在禁磷前后对琵琶湖的监测表明，由于洗涤剂中的磷酸盐占水体总磷污染的比例较低，该政策并不能明显改变水中磷的含量。

同时，洗涤剂中磷酸盐的替代品沸石会较大程度地增加污水处理厂污泥的体积，给污泥处理带来困难。

因此，人们对洗涤剂禁磷的环境效应有着很大的争论[46]。

6.2.1.3 城市污水除氮除磷
在城市污水处理中除氮除磷又称三级处理，在欧美等发达国家运用较多。

三级处理有化学法和生物法2 种，化学法以絮凝剂沉淀溶解性磷，再通过硝化
和反硝化工艺处理；生物法利用微生物除氮脱磷等工艺。

为促进除磷，也有工艺投加挥发性有机酸或糖类物质。

三级处理主要是除氮，除磷效果不明显，而且某些工艺会造成二次污染。

此外，三级处理工艺复杂，费用较高，我国城市污水集中处理量还很低，难以大规模地在常规处理的基础上再增加三级处理。

因此，生活污水中氮磷的控制在我国大部分地区尚难实行。

随着城市化的进程和居民生活水平的提高，生活污水中氮磷会有进一步的上升[47]。

6.2.1.4 底泥挖掘
富含营养物质的底泥在一定条件下会释放出氮磷，成为水体的内源性污染源，因而底泥挖掘一度成为富营养化水体治理的重要措施。

然而底泥挖掘工程巨大，挖出的底泥难以进一步处理，从经济上来说，这可能是最昂贵的措施。

由于底泥中氮磷的吸收和释放过程复杂，目前尚无明确认识，底泥挖掘常常收不到预期效果。

甚至因为破坏了水体底部生物和水生植物环境，将深层底泥暴露，使其中所含的氮磷溶解到水体中，而在一段时期内加深水体。

玄武湖和西湖的经验证明了该法弊病很多，必须慎重考虑[48]。

6.2.1.5 混凝除磷
投加混凝剂沉淀溶解性磷，使其不能被藻类利用，在美国和澳大利亚运用较多，常用的混凝剂有铁、铝盐。

该法效果不错，特别是在较深的湖泊，磷酸盐络合物可沉降到湖底同温层而不再返回表层。

但是，在缺氧或氧化还原电位降低的条件下，这些络合物不稳定，会释放出溶解性磷。

此外，混凝剂用于大
面积水体时用药量大，可能与水体中其他物质发生不利反应，因此具有一定的潜在危险[49]。

6.2.2 抑藻杀藻
针对藻类的过度繁殖引起表层以下厌氧状态，导致其他生物死亡，人们试图用机械搅拌或曝气来提高水中的溶解氧量。

然而水体中氧的主要来源是水生植物的光合作用，富营养化水体表面并不缺氧，表面下水体因被藻类遮盖得不到阳光而缺氧，机械搅拌或曝气不能改变这一根本原因，收效甚微。

常见除藻方法还有除藻剂除藻，常用的除藻剂有硫酸铜、氯、二氧化氯等，此外，臭氧和高锰酸钾作为除藻剂也有研究。

这些氧化剂可以较快地杀藻，并进一步氧化藻细胞损伤释放的代谢物质和有毒有害物质，效果显著。

但是这些药剂价格较贵，而且对水生生物的影响以及与河水中溶解性离子的反应均未得到排除，可能引起二次污染。

利用水生生物对藻类的捕食或竞争作用，投加这些抑制性的生物，再定期捕捞。

该法投资省，而且利于建立合理的水生生态循环，因此，国内外从2O 世纪7O 年代起进行了广泛的研究。

在分析鱼的种群的基础上，可针对实际情况选择适当的鱼类以滤食藻类及食藻微生物，包括我国常见的梭鱼、鲢鱼、草鱼等。

可用的经济类水生植物有凤眼莲、莲子草、慈姑、茭白、水花生、菱角等。

然而，这些生物在减少藻类的同时，本身也会排泄相当量的营养物，这意味着同时有较大比例的营养物进人矿化循环而没有真正被去除。

水生生态十分复杂，在人为强烈干扰下，将造成系统不稳定，难以控制，不属于当地自然种群的引进生物可能留下长期隐患。

因此，采用生物控制时必须仔细考虑带来的不利生态后果。

在水华出现时用船只捕捞藻类，收获的藻类可以加工成鱼食，在上海等地有使用。

该法易于控制，短期效果显著，但在藻类大量繁殖后再去除，工作量极大，事倍功半。

20 世纪90 年代日本开始进行超声波抑藻杀藻技术的研究，目前在千叶湖进行较大规模的试验。

我国清华大学等单位也进行了一定研究。

初步结果表明，适当频率和强度的超声波处理5rain就可以严重抑制藻类生长(减少50％)。

高效、迅速、简单、无二次污染等显著优点使得超声波抑藻杀藻具有很大的吸引力[50]。

超声波泛指频率在16 kHz以上的声波，是物质介质中的一种弹性机械波，能在水中产生一系列接近于极端的条件，如超过重力加速度几万倍的质点加速度，空化泡破裂产生的瞬间高温和高压(4 000 K，500大气压)、急剧的放电，以及强烈的冲击波和射流等。

由此衍生的二次波、辐射压、声捕捉、自由基、氧化荆等也可能较大程度地改变介质性质。

超声波可能的抑藻杀藻机理有：破坏细胞壁、破坏气胞、破坏活性酶。

高强度的超声波能破坏生物细胞壁，使细胞内物质流出。

这一点已在工业上运用。

藻类细胞的特殊构造是一个占细胞体积50％的气胞，气胞控制藻类细胞的升降运。

超声波引起的冲击波、射流、辐射压等可能破坏气胞。

在适当的频率下，气胞甚至能成为空化泡而破裂。

同时，空化产生的高温高压和大量自由基，可以破坏藻细胞内活性酶和活性物质，从而影响细胞的生理生化活性。

此外，超声波引发的化学效应也能分解藻毒素等藻细胞分泌物和代谢产物。

超声波作用受多种因素影响，其中最重要的是频率和强度，对工艺条件的优化是下一步研究的重点[51]。

7 结束语
20 世纪80 年代以来, 生态恢复理论与技术研究逐渐传播到我国。

近年来, 经过研究与实践, 生态恢复理论与技术有了一定的发展, 但仍处于起步阶段。

我国已退化生态系统类型复杂多样、退化程度严重、恢复理论与技术起步晚、研究较少, 所面临的研究与治理任务相当艰巨。

因此,需要进行长期的、科学的、连续性的研究与治理工作, 才能达到预期的目的。

生态恢复工程以可持续发展为目的,生态系统的结构、功能与内容可通过调计、改造与运行生态工程与技术, 使生态系统通过人类的管理伴随其自身组织特征而得到恢复或重建。

生态恢复理论的创新及工程技术在实践中的应用将有效地帮助人类对现有退化生态系统进行改造和恢复, 最终提高生态系统健康程度及生态系统功能与服务功能。

水体富营养化主要是因为水中氮磷浓度偏高，导致水中藻类大量繁殖，根治水体富营养化必须除去水中富余氮磷，并积极采取各种措施人工捞藻。

参考文献：
[1]周怀东，彭文启，等．水污染与水环境修复[M]．北京：化学工业出版社，2005．
[2]金相灿．湖泊富营养化控制和管理技术[M]．北京：化学工业出版社，2001．
[3]郭培章，宋群．中外水体富营养化治理案例研究[M]．北京：中国计划出版社，2003．
[4]金相灿．中国湖泊富营养化[M]．北京．中国环境科学出版社， l990．。