2、富营养化与防治

水体富营养化与防治主讲人：杨保永邮箱：[e-mail]1、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。发生在海域时叫赤潮发生在湖泊时叫水华一.定义及成因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。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。1）富营养化的主要成因是水体中总磷、总氮等营养物质超标在适宜的光照、温度、pH值和具备充分营养物质的条件下，天然水体中藻类进行光合作用，合成本身的原生质，其总反应式可写为:藻类繁殖所需要各成分，控制性因素是磷和氮，藻类繁殖的程度主要决定于水体中这两种成分的含量，并且已经知道能为藻类吸收的是无机形态的含磷、氮的营养物。2、富营养化发生的成因农田化肥为促进植物生长，提高农产品的产量，人们常施用较多的氮肥和磷肥，它们极易在降雨或灌溉时发生流失。氮磷营养物的流失方式有：（1）随地表径流进入地面水体中；（2）下渗形成亚表面流（壤中流），通过土壤进行横向运动，然后排入地表水体中；（3）通过土壤层下渗到地下水中。牲畜粪便污水灌溉污水作为一种可靠的水源和廉价的肥料被用于灌溉农田，是污水农业利用的一种提倡方式，目的是通过土壤的净化作用和农作物对营养元素的吸收来净化污水。城镇地表径流城镇路面大部分是不透水地面，氮磷营养物主要随地表径流进入地表水中。大气沉降大气沉降不仅是悬浮颗粒物、有害气体的来源之一，也是氮的来源之一。水体人工养殖2）缓慢的水流状态(水的流速和水库水深）深度越浅，阳光透过性越好，水体含氧量也越高，更易产生富营养化问题。流速越慢，其水循环周期越长，更新速度越慢，营养物质更易沉积在水底。3）适宜的温度水温升高,可以促进藻类的生长繁殖,尤其20℃～35℃范围内,生物量除随温升有较大增加外，且藻类多样性指数下降，优势菌种突出。水温升高,使水体溶解氧有较大幅度下降，既加剧了菌类分解水库中存积生物残体的活动，又加剧了厌氧性真菌的繁殖，加快了有机物的氮、磷分解速度,使藻类生长繁殖有更多的营养物质，促进藻类大量生长,积累到一定程度，就会使水库爆发富营养化。影响湖泊水体的生态环境：藻类的过度繁殖、死亡会使水中缺氧，甚至造成厌氧状态。影响水体的利用：破坏了水体原有的生态系统的平衡，水不能被人畜直接利用。加速水体沼泽化、陆地化进程：藻类和水生生物大量生长和繁殖，加速水体沼泽化和陆地化进程，破坏了特定地区的生态平衡。二、水体富营养化的危害恶化水源水质，增加给水处理难度和成本：增加水处理费用，降低处理效果和产水率，水体在一定条件下因厌氧作用产生硫化氢等有毒有害气体，给水体处理增加难度。影响水资源、生物资源和旅游资源的利用，水体经济价值下降：藻类大量繁殖，水体色度增加，水质混浊，透明度降低，并散发腥臭，大大降低水体的重要功能，丧失其美学价值。藻类生长缩小鱼类生存空间，使水体生色，透明度降低，其分泌物又能引起水臭、水味，在给水处理中造成各种困难。藻类繁殖将使有机物生产速度远远超过有机物消耗速度，从而使水中有机物的积累，其后果是：促进细菌类微生物繁殖，一系列异养生物的食物链都会有所发展，使水体耗氧大大增加；生长在光照所不及的水层深处的藻类因呼吸作用也大量耗氧；沉于水底的死亡藻类在厌氧分解过程中促进大量厌氧菌繁殖；富氨氮的水体开始使硝化细菌繁殖，在缺氧状态下又会转向反硝化。异常增殖的藻类分泌大量藻毒素，除了直接对鱼类、人畜产生毒害之外，也是肝癌的重要诱因。产生毒素的直接毒死水中生物，并随食物链转移引起人类中毒或死亡。蓝藻毒素已成为全球性的环境问题世界各地经常发生蓝藻毒素中毒事件。无锡蓝藻事件，引发自来水严重污染，市区纯净水被哄抢，政府虽及时采取措施，但对生活、生产和旅游产生了巨大影响!三.水体富营养化的评价1、以总磷年平均浓度进行判断2、水体富营养化判断标准：1）氮含量超过0.2~0.3mg/L2）磷含量大于0.01~0.02mg/L3）生化耗氧量BOD大于10mg/L4）pH值7~9的淡水中细菌总数超过10万个/毫升5）叶绿素a含量大于10μg一）富营养化产生的主要污染源1、工业废水：钢铁、化工、制药造纸、印染等行业的废水中氮和磷的含量偏高。2、生活污水：生物污水中含有大量富含氮、磷的有机物，其中磷主要来自洗涤剂。3、化肥、农药的使用：残留在土壤中，同时不断被淋溶到周围环境（特别是水体中）。4、屠宰场和畜牧场：含有较多氮磷的废水进入水体。四.富营养化的防治与修复二）水体富营养化的防治富营养化的防治是水污染治理中十分棘手而又代价昂贵的困难问题——原因有三：⑴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；既有点源，又有非点源，这给控制污染源带来了显而易见的困难。⑵营养物质去除难度高。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中的氮、磷营养物质。通常的二级生化处理方法，只能去除30%～50%的氮和磷。⑶某些处理措施在理论上或者在一定的条件下是可行的，但是，在实际上或者在大范围内，则往往达不到预期效果。1、控制外源性营养物质输入（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量控制办法。同时，严格的行政管理措施也是必不可少的。（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。（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。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入水中。减少内源性营养物负荷，有效地控制湖泊内部磷富集，应视不同情况，采用不同的方法。3、减少内源性营养物质负荷化学法物理法生物法1）化学法添加化学药剂和吸附剂，灭活藻类并使其沉淀的方法。优点：能够比较迅速改善水质，看到效果，可以作为一种应急方案。缺点：经常使用容易引起化学物质积累，造成二次污染；藻类等浮游生物产生耐受性，微生物变异等后果。常用药剂：硫酸铜、季铵盐、高锰酸钾、聚合氯化铝、硫酸亚铁2）物理法底泥清淤：污染底泥是水体污染的潜在污染源,在水体环境发生变化时,底泥中的营养盐会重新释放出来进入水体。引水冲洗：用含磷和氮浓度低的水注人湖泊,起到稀释营养物质浓度的作用。深水曝气：在不改变水体分层的状态下提高DO浓度，改善冷水鱼的生长环境，增加食物供给量，改变底泥界面厌氧为好养，降低内源磷的释放。直接除藻：捞取水体中的丝状藻类和其它漂浮物。超声波技术超声波技术超声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(4000K，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、氧化剂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。超声波技术既可抑藻、又可除藻。物理法优缺点及适用范围清淤和引水冲洗能够引起污染物转移，操作不当会引发更大面积的水污染。曝气技术耗费大量电力、不利于悬浮物沉淀所有的物理修复方式都不能在修复水体的同时改善水生生态系统结构，提高水体自净能力3）生态修复技术曝气复氧投放微生物菌剂水生植被修复水生动物修复曝气复氧通过设备或其它手段，对水体曝气复氧是一个基本的措施。其作用是多方面的综合性的。机械增氧：微孔曝气机、水下射流机、水景喷泉等设备，对水体进行曝气复氧及造流。复氧曝气和水体造流主要是为了增加水体的溶解氧，提高水体好氧微生物的活性，加快污染有机质的分解。微生物菌剂主要成分：复合芽孢菌、酵母菌、聚磷菌、消化细菌和反消化细菌，当然同样的菌种又分为不同的菌株，其功能和作用各不相同。达到脱氮除磷的效果，逐步消解和降低水体中的含量，并且能够平衡稳定这些元素的在水体中的含量和比例。主要作用：激活原水体和底泥中的土著微生物，其中有厌氧细菌兼氧细菌和好氧细菌，分别对水体中的有机物分解成简单的有机物分子、无机分子，进而分解成单体分子进入生态体系的循环链。厌氧菌和兼氧菌把水体中的有机物最终分解成甲烷、硫化氢、二氧化碳等；好氧菌把水体中的有机物最终分解成单质的氮气、二氧化碳和水。水生植物常见的水生植物包括芦苇、菱角、风眼莲、茭白、满江红、水花生等。这些水生高等植被具有很好的物理阻滞作用，可促使营养盐的沉积，阻碍沉积物的再悬浮,并对水体和沉积物中的营养盐大量吸收。植物物种的选择：应根据植物对湖泊流域气候水文条件的适应能力，考虑栽培容易、繁殖竞争能力较强、对氮、磷去除能力强等诸方面因素,筛选出具有一定耐受性、能适应水质现状的植物作为先锋物种。旺盛的水草不仅能吸收、同化氮、磷富营养物，而且可以向水体释放氧气，使水体溶解氧的含量增加，特别是白天，水体几乎都是处于富氧甚至过饱和状态，一些悬浮物很快被分解。凤眼莲水生植物修复的优点净化所需的能源由光合作用提供;许多植物具有美学价值，能改善景观生态环境;植物可被收割和利用，创造新的价值;可作为介质所受污染程度的指示物;能固定土壤或底泥中的水分，圈定污染区，防止污染源进一步扩散;为降解微生物提供了良好的栖息场所，有利于微生物的生存。水生动物修复利用湖泊生态系统食物链中的蚌、螺、草食性浮游动物和鱼类直接吸收营养盐类、有机碎屑和浮游植物，从而达到净化富营养化水体的目的。底栖动物螺蛳主要摄食固着藻类，同时分泌促絮凝物质，使湖水中悬浮物质絮凝，促使水变清。滤食性鱼类，如鲫、鳙鱼等可以有效的去除水体中藻类物质使水体的透明度增加。鱼是水生食物链的最高级，在水体内藻类为浮游生物的食物，浮游生物又供作鱼类的饵料，使之成为菌→藻类→浮游生物→鱼类的食物链。