水体富营养化与防治

杜茂安1•水体富营养化2•水体富营养化危害及评价344·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：①使水味变得腥臭难闻。②降低水体透明度。③向水体释放有毒物质。④消耗水体的溶解氧。⑤影响供水水质并增加制水成本。⑥造成对水生生态、渔业、水环境质量的影响。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，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：2612622666OOHCOHCO光照在一个给定的水体，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。亚硝化细菌大气中的氮（N2）固氮细菌蓝藻，雷电作用反硝化细菌硝酸盐氮（NO3-）沉淀损失蛋白质合成食物链氨化作用（细菌，真菌）氨（NH3）火山爆发亚硝酸盐NO2-硝化细菌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)(pkppkkcdtdc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。磷循环磷酸盐岩鸟粪沉积化石骨沉积侵蚀采掘海鸟、鱼类浅海淤泥溶解性磷酸盐原生质合成食物链磷酸盐细菌沉入海底而损失经过开采矿藏、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10:1~25:1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12:1~13:1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，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