湖泊内源污染治理

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。•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外源內源点源面源工厂排污生活污水的排放农田肥料农药污染地面径流污染大气沉降污染固废淋溶下渗沉降至湖泊底部的营养物质的释放•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。湖泊內源污染的现状•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”。•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。•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10d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。•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沉积物中营养元素释放规律氮的释放磷的释放•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。•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。•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。磷的释放生物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。•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。•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，当表层底泥氧化还原电位(Eh）高时,有助于Fe3+与磷酸盐结合成不溶的磷酸铁;而当Eh较低(200mv)时,有助于Fe3+转化为Fe2+,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。•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•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。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。•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。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。•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。•5.扰动•扰动是影响浅水湖泊水一沉积物界面反应的主要物理因素。底质间隙水中溶解磷的浓度约是上覆水的103倍，扩散作用导致磷酸盐从高浓度方向向低浓度方向迁移，因此扰动会加速这种扩散作用，使底质中的间隙水扩散到上覆水中。此外，扰动会使底泥中的颗粒磷再悬浮，增加了泥一水界面的P交换，扰动越大，内源性磷从底泥中释放的量也越大。•当水体中的悬浮泥沙达到一定程度(水:泥为12g/L:14g/L)时，释放量趋向于一常量。因此，扰动对P释放的影响仅是有限的短期效应，当表层底泥以及再悬浮物受水动力搅动向水体释放P达到一定程度后，可能进人一种P释放枯竭状态，此时沉