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水体富营养化的形成及其控制措施

作者: 来源: 发布时间:2016-08-22 14:42:49
一、水体富营养化及其形成
水体富营养化是水体中摄入过多营养物质而造成富营养的过程,既发生在淡水湖和水库中,也发生在流动水体、江河、海水等水域中(Nierenberg 1995)。根据经济合作与发展组织(OECD)对于富营养化的定义指标可以得出:平均总磷浓度大于0.035mg/L、平均叶绿素浓度大于0.008mg/L且平均透明度小于3m的水域即为富营养化水域。国际经济合作与开发组织提出了藻类的经验分子式为C105H236O110N16P,根据利贝格最小值定律——植物生长取决于外界提供给他的所需养料中数量最小的一种(Stroganova et al. 1998),可以得出所占比例最小的氮、磷两种元素是制约水藻生长的主要因素,并且调查结果发现80%的富营养化与磷有关,剩余的20%的富营养化则制约于氮和其他因素(王振强 et al. 2010)。
在人类活动的影响下,氮、磷等营养元素随着工业废水和生活污水以及农田径流大量的进入河流、湖泊、海洋等水体中。水体中生长的藻类植物、浮游生物等一些能利用无机盐类制造有机质的自养型生物摄取营养元素后快速繁殖,这些大型绿色植物和微型藻类旺盛生长,分布于水体上层使得水体中溶解氧下降,水质恶化、鱼类等水生生物大量死亡。所以水体富营养化即指由于植物营养元素大量排入水体,破坏了水体自然生态平衡的现象(殷琨 2006)。水体富营养化后,由于浮游生物大量繁殖,往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等,水体本来以硅藻和绿藻为主,红色颤藻的出现是富营养化的征兆,最后变为以蓝藻为主。这种现象在江河湖泊中称为“水华”,在海中则叫做“赤潮”(袁志宇 and 赵斐然 2008)。
目前,水体富营养化的现在仍然十分严峻,调查发现我国有60%的湖泊出现富营养化污染的现象,欧洲、非洲、北美洲和南美洲分别有53%、28%、48%和41%的湖泊富营养化(沈建国 and 章建 2001)。在我国第二次进行的湖泊现状调查中,富营养化比例提高至85.4%,较为严重的一些湖泊比例达到40%,严重危害了居民的生活水平和质量,威胁到我国居民的生存安全(杨桂山 et al. 2010)。而河流的污染程度相对于静止的湖泊就要轻一些,这与河流中营养源不容易沉积有关,且河流中水生植物的增长对富营养化有一定的控制作用,尽管如此我国部分河流水域汉江、珠江等也出现了水体富营养化污染。
水体富营养化可以分为天然富营养化和人为富营养化,湖泊在自然状态下由于沉积物的蓄积也会出现水体营养状态的改变,但此过程极为缓慢;大部分的水体富营养化出现还主要是人为因素造成的(殷琨 2006)。能够使得水体富营养化的人为活动主要包括农业以及城镇生活等几个方面:(1)农业施肥是最为主要的一个原因,近年来氮肥和磷肥的大量施用使得土壤中这两种元素的含量急剧增加,易溶于水的特性使得其极易被雨水冲刷或渗滤进入河流和地下水中;(2)牲畜粪便,研究发现含有尿素、氨氮等的人畜粪便,进入水体后带入了大量的尿素和氨氮,改变了原有的氮、磷比例,这也是水体富营养化形成的一个重要原因(Mosier et al. 2013);(3)生活以及工业污水的排放也是水体的主要营养源之一,污灌农田间接使得工业废水和生活污水中氮、磷营养元素进入土壤再进入水体。
进入水体中的氮、磷营养元素会分别进行一系列的循环,氮会利用硝化细菌和亚硝化细菌进行硝化作用和反硝化作用(Keeney 1973),而磷则会进行无机磷的同化、有机磷的矿化以及不溶性磷的溶解等(Rigler 1956; 王振强 et al. 2010)。在进行水体富营养化调查时可以根据氮、磷循环判断水体中两种元素的含量以及水体的pH等条件来进行判断。除此之外,水体富营养化的内源污染物——沉积物中氮、磷等元素的含量也是需要考虑的一个因素。沉积物是氮磷的重要蓄积库,沉积物中的氮、磷主要来源于水体中颗粒有机物的沉降积累(Ren et al. 2010),很多研究早已证明低质积累会作为内源污染重新释放到水体中,造成二次污染。沉积物中的氮主要以无机氮和有机氮的形式存在,以有机氮居多,占到总氮的70%~90%。有机氮必须经过底质微生物转化为无机态氮才能被水生生物利用,而无机态氮能够被水体中的初级生产者吸收利用于光合作用;沉积物中的磷以多种复杂的结合形式存在,如吸附态磷、有机结合态磷、残渣态磷(Conley et al. 2009)。
二、水体富营养化的危害
不同程度的水体污染都会使得水体水质破坏,影响周围的自然环境和居民的生活环境,主要表现在:
(1)降低水体透明度与溶解氧,富营养化的最直接表现是蓝藻和绿藻的大量繁殖,浮游生物急剧增加,在水体表明覆盖,使水质变浑浊。覆盖在表面的藻类植物遮挡太阳光进入水体,光合作用受到影响后使得水体溶解氧含量急剧下降,鱼类、藻类等需氧生物大量死亡,残体的降解进一步消耗了水中的溶解氧,形成一个恶性循环(Struijs et al. 2011; 陆洪省 et al. 2012)。
(2)水体发臭并含有有害物质,动植物残体在溶解氧含量低的水体中降解不完全产生甲烷气体后、硫酸盐还原为硫化氢气体,形成水体中的恶臭;某些疯长的藻类会分泌有毒有害物质进入水体,间接危害人体健康,引起肠胃道、消化道疾病(李建平 2012),某些藻类可以产生一种对人体毒性很大的有毒物质麻痹性贝毒(PSP),这类毒物不会对水生生物造成危害但是当人类摄入了这有毒物质后会引起严重的腹泻、恶心、呕吐等症状。
(3)破坏水体生态环境,水体中原有的植物、动物生态系统在富营养化的影响下,水体生态结构被破坏,生物稳定性和多样性降低,加速了湖泊的演替和沼泽化的进程,缩短湖泊的寿命(Le et al. 2010)。
三、水体富营养化的防治措施
水体富营养化的防治措施主要分为控制外源性营养物质的输入以及减少内源性营养物质的负荷两种措施(钱大富 and 马静颖 2002),往往需要两种措施同时进行才能够很好的将水体富营养化污染控制。
3.1 控制外源性营养物质的输入
从源头治理水体富营养化最根本的是降低水体中氮、磷元素的含量,控制外源营养物质输入(范美坤 and 陈宇春 1999)。1、调整工业和经济发展模式,采用现代化生产模式,对污染物循环利用,加大排污打击力度;2、对农药和肥料的使用进行监管,以高效率降低农药化肥的使用量;3、加强水土保持以减少水土流失,强化水域的综合整治;4、对城市排污系统进行改建升级,加强控制污水的处理;5、推广生态保护措施,加强各个部门之间的协调配合,对整个流域生态实行完整的补偿机制(黄标 et al. 2011; 黄炜 2014)。
3.2 减少内源性营养物质的负荷
1、物理方法
(1)机械曝气或人工循环方法,增加氧气从而形成有利于鱼类和高等水生植物的生长环境,打破水底的厌氧化解,抑制沉积物的二次污染(Tchobanoglous et al. 2004),这种方法对于水量较小的景观水体来说是一种行之有效的方法,但对于蓄水量较大的水域费用较高,普遍采用稀释法去除水体中的营养物质。
(2)人工去除水体表面的藻类生物、清除淤泥,在水厂取水口或重要景点用围栏将藻类去除或人工挖开景观流域底部沉积物。都需要消耗大量的人力、物力和财力,虽然可以从表面上去除主要污染物以及内源污染源,但还是很难控制湖泊的富营养化过程(Laurence et al. 2006; 刘洁 et al. 2011; 展巨宏 et al. 2014)。
(3)混凝沉淀法,通过添加絮凝剂使得水中的悬浮物和胶体杂质絮凝沉淀,脱离水体进入底泥中,同时可以达到除磷和部分有机物的目的,但该方法有可能会影响湖底的生态平衡。
(4)引水稀释冲刷污泥,这种方法是近年来刚刚兴起的方法并且在国内外均获得了成功应用(钟继承 and 范成新 2007),有效去除稀释了污染物质,但往往在引水稀释后出现藻类急剧增加的趋势,造成这个现象的主要原因是引水降低了藻类生长空间的制约压力。因此在使用这个方法进行预防和控制时需要结合藻类繁殖和营养物含量变化的规律。
(5)原位覆盖控制技术是一种新兴的污染底泥修复技术,它与传统的底泥修复技术相比具有较好的修复效果、更小的生态风险和更低廉的成本,引起了广泛的关注。原位覆盖技术是通过在污染底泥表面铺放一层或多层清洁的覆盖物,使污染底泥与上层水体隔离,从而阻止底泥中污染物向上覆水体的迁移,主要利用覆盖层材料和污染物之间的各种物理化学作用来对污染底泥进行修复(朱兰保 and 盛蒂 2011)。
2、化学方法
(1)化学药剂法,添加硫酸铜类、明矾、漂白粉等各种无机除藻剂和溴类杀藻剂、胺类杀藻剂等有机除藻剂抑制藻类的正常代谢以及金属离子的絮凝作用来控制水华藻类的繁殖和除藻。此类方法容易产生耐药性、会造成水体生态失衡并且会降低水体自净能力。
(2)原位处理技术主要包括钝化、覆盖、生物修复等。钝化技术是一种高效的湖泊内源污染控制技术,它通过向水体内添加钝化剂抑制内源营养盐的释放来控制水体营养盐含量(贾陈蓉 et al. 2011)。
其他化学方法还包括电化学法和光化学降解法,其中化学药剂法最为常用,而原位钝化技术则是一种新兴的化学方法。
3、生物方法
(1)生物学控制,向水体中投加浮游生物、细菌,引进大型沉水植物等。添加浮游生物可以通过浮游动物的摄食控制浮游植物的数量,使湖水保持清澈;添加细菌可以分解有机物,将有机物、氮、磷等作为营养物质,使污水得到净化,微生物自身也得到繁殖,是一种行之有效的处理方法;引进大型沉水植物可以通过物理吸附、吸收和分别等作用,控制浮游植物的过量生长,净化水体。
(2)水生生态修复法,通过养殖抗污能力和净化能力强的水生动植物,利用食物链关系有效回收和利用资源,将植物生态形态结构和功能应用于水质净化,包括湖泊水体植被的恢复,生态形态的恢复(王军霞 et al. 2011)。
(3)植物-微生物联合修复,这是当前的研究热点之一,利用植物及其根际圈微生物体系的吸收、挥发、转化和降解的作用机制,清除环境中污染物质的一种新兴污染环境治理技术。水葫芦、芦苇等都能很好吸附氮、磷等有机物,无论是植物还是微生物,只要能合理控制它们的生物量,都可以在处理富营养化水体中起到一定的作用(韩永和 and 李敏 2012; 王瑜 et al. 2010)。
Gengho耕禾环保研究证明,单独采用一种方法并不能有效、迅速的控制水体富营养化的过程,需要将物理、化学、生物多种方法相结合,综合治理才能达到理想的效果。在今后的探究中,应该多进行先进技术的研究,合理对资源进行掌控,对全流域实行共同治理,防治环境破坏等现象的出现。
 
参考文献
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