水體富營養化

水體富營養化

水體富營養化(eutrophication)是指由于大量的氮、磷、鉀等元素排入到流速緩慢、更新周期長的地表水體,使藻類等水生生物大量地生長繁殖,使有機物產生的速度遠遠超過消耗速度,水體中有機物積蓄,破壞水生生態平衡的過程。

  • 中文名稱
    水體富營養化
  • 外文名稱
    eutrophication 
  • 表 現
    氮、磷等營養物質大量進入湖泊 
  • 結 果
    引起藻類及其他浮遊生物迅速繁殖

定義

水體富營養化(eutrophication)是指在人類活動的影響下,生物所需的氮、磷等營養物質大量進入湖泊、河

水體富營養化

口、海灣等緩流水體,引起藻類及其他浮遊生物迅速繁殖,水體溶解氧量下降,水質惡化,魚類及其他生物大量死亡的現象。在自然條件下,湖泊也會從貧營養狀態過渡到富營養狀態,不過這種自然過程非常緩慢。而人為排放含營養物質的工業廢水和生活污水所引起的水體富營養化則可以在短時間內出現。水體出現富營養化現象時,浮遊藻類大量繁殖,形成水華(淡水水體中藻類大量繁殖的一種自然生態現象)。因佔優勢的浮遊藻類的顏色不同,水面往往呈現藍色、紅色、棕色、乳白色等。這種現象在海洋中則叫做赤潮或紅潮。

機理

在地表淡水系統中,磷酸鹽通常是植物生長的限製因素,而在海水系統中往往是氨氮和硝酸鹽限製植物的生長以及總的生產量。導致富營養化的物質,往往是這些水系統中含量有限的營養物質,例如,在正常的淡水系統中磷含量通常是有限的,因此增加磷酸鹽會導致植物的過度生長,而在海水系統中磷是不缺的,而氮含量卻是有限的,因而含氮污染物加入就會消除這一限製因素,從而出現植物的過度生長。生活污水和化肥、食品等工業的廢水以及農田排水都含有大量的氮、磷及其他無機鹽類。天然水體接納這些廢水後,水中營養物質增多,促使自養型生物旺盛生長,特別是藍藻和紅藻的個體數量迅速增加,而其他藻類的種類則逐漸減少。水體中的藻類本來以矽藻和綠藻為主,藍藻的大量出現是富營養化的征兆,隨著富營養化的發展,最後變為以藍藻為主。藻類繁殖迅速,生長周期短。藻類及其他浮遊生物死亡後被需氧微生物分解,不斷消耗水中的溶解氧,或被厭氧微生物分解,不斷產生硫化氫等氣體,從兩個方面使水質惡化,造成魚類和其他水生生物大量死亡。藻類及其他浮遊生物殘體在腐爛過程中,又把大量的氮、磷等營養物質釋放入水中,供新的一代藻類等生物利用。因此,富營養化了的水體,即使切斷外界營養物質的來源,水體也很難自凈和恢復到正常狀態。

危害

富營養化會影響水體的水質,會造成水的透明度降低,使得陽光難以穿透水層,從而影響水中植物的光合作用,可能造成溶解氧的過飽和狀態。溶解氧的過飽和以及水中溶解氧少,都對水生動物有害,造成魚類大量死亡。同時,因為水體富營養化,水體表面生長著以藍藻、綠藻為優勢種的大量水藻,形成一層"綠色浮渣",致使底層堆積的有機物質在厭氧條件分解產生的有害氣體和一些浮遊生物產生的生物毒素也會傷害魚類。因富營養化水中含有硝酸鹽和亞硝酸鹽,人畜長期飲用這些物質含量超過一定標準的水,也會中毒致病。

在形成"綠色浮渣"後,水下的藻類會因得不到陽光照射而呼吸水內氧氣,不能進行光合作用。水內氧氣會逐漸減少,水內生物也會因氧氣不足而死亡。死去的藻類和生物又會在水內進行氧化作用,這時水體也會變得很臭,水資源也會被污染的不可再用。

水體富營養化水體富營養化

認定指標

多數學者認為氮、磷等營養物質濃度升高,是藻類大量繁殖的原因,其中又以磷為關鍵因素。影響藻類生長的物理、化學和生物因素(如陽光、營養鹽類、季節變化、水溫、pH值,以及生物本身的相互關系)是極為復雜的。因此,很難預測藻類生長的趨勢,也難以定出表示富營養化的指標。目前一般採用的指標是:水體中氮含量超過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的淡水中細菌總數每毫升超過10萬個,表征藻類數量的葉綠素-a含量大于10μmg/L。

物質來源

水體中過量的氮、磷等營養物質主要來自未加處理或處理不完全的工業廢水和生活污水、有機垃圾和家畜家禽糞便以及農施化肥,其中最大的來源是農田上施用的大量化肥。

氮源

農田徑流挾帶的大量氨氮和硝酸鹽氮進入水體後,改變了其中原有的氮平衡,促進某些適應新條件的藻類種屬迅速增殖,覆蓋了大面積水面。例如我國南方水網地區一些湖叉河道中從農田流入的大量的氮促進了水花生、水葫蘆、水浮蓮、鴨草等浮水植物的大量繁殖,致使有些河段影響航運。在這些水生植物死亡後,細菌將其分解,從而使其所在水體中增加了有機物,導致其進一步耗氧,使大批魚類死亡。最近,美國的有關研究部門發現,含有尿素、氨氮為主要氮形態的生活污水和人畜糞便,排入水體後會使正常的氮迴圈變成"短路迴圈",即尿素和氨氮的大量排入,破壞了正常的氮、磷比例,並且導致在這一水域生存的浮遊植物群落完全改變,原來正常的浮遊植物群落是由矽藻、鞭毛蟲和腰鞭蟲組成的,而這些種群幾乎完全被藍藻、紅藻和小的鞭毛蟲類(Nannochloris屬,Stichococcus屬)所取代。

磷源

水體中的過量磷主要來源于肥料、農業廢棄物和城市污水。據有關資料說明,在過去的15年內地表水的磷酸鹽含量增加了25倍,在美國進入水體的磷酸鹽有60%是來自城市污水。在城市污水中磷酸鹽的主要來源是洗滌劑,它除了引起水體富營養化以外,還使許多水體產生大量泡沫。水體中過量的磷一方面來自外來的工業廢水和生活污水。另方面還有其內源作用,即水體中的底泥在還原狀態下會釋放磷酸鹽,從而增加磷的含量,特別是在一些因硝酸鹽引起的富營養化的湖泊中,由于城市污水的排入使之更加復雜化,會使該系統迅速惡化,即使停止加入磷酸鹽,問題也不會解決。這是因為多年來在底部沉積了大量的富含磷酸鹽的沉淀物,它由于不溶性的鐵鹽保護層作用通常是不會參與混合的。但是,當底層水含氧量低而處于還原狀態時(通常在夏季分層時出現),保護層消失,從而使磷酸鹽釋入水中所致。

防治對策

富營養化的防治是水污染處理中最為復雜和困難的問題。這是因為:①污染源的復雜性,導致水質富營養化的氮、磷營養物質,既有天然源,又有人為源;既有外源性,又有內源性。這就給控製污染源帶來了困難;②營養物質去除的高難度,至今還沒有任何單一的生物學、化學和物理措施能夠徹底去除廢水的氮、磷營養物質。通常的二級生化處理方法隻能去除30-50%的氮、磷。

控製外源性營養物質輸入

絕大多數水體富營養化主要是外界輸入的營養物質在水體中富集造成的。如果減少或者截斷外部輸入的營養物質,就使水體失去了營養物質富集的可能性。為此,首先應該著重減少或者截斷外部營養物質的輸入,控製外源性營養物質,應從控製人為污染源著手,應準確調查清楚排入水體營養物質的主要排放源,監測排入水體的廢水和污水中的氮、磷濃度,計算出年排放的氮、磷總量,為實施控製外源性營養物質的措施提供可靠的科學依據。

減少內源性營養物質負荷

輸入到湖泊等水體的營養物質在時空分布上是非常復雜的。氮、磷元素在水體中可能被水生生物吸收利用,或者以溶解性鹽類形式溶于水中,或者經過復雜的物理化學反應和生物作用而沉降,並在底泥中不斷積累,或者從底泥中釋放進入水中。減少內源性營養物負荷,有效地控製湖泊內部磷富集,應視不同情況,採用不同的方法。

防治方法

國外許多國家已經認識到,政府對污水採用三級處理,去除點源污水中的氮和磷,加以回收再利用,是最先進、最經濟、最有效的防治水體富營養化的積極措施。

工程性措施

包括挖掘底泥沉積物、進行水體深層曝氣、註水沖稀以及在底泥表面敷設塑膠等。挖掘底泥,可減少以至消除潛在性內部污染源;深層曝氣,可定期或不定期採取人為湖底深層曝氣而補充氧,使水與底泥介面之間不出現厭氧層,經常保持有氧狀態,有利于抑製底泥磷釋放。此外,在有條件的地方,用含磷和氮濃度低的水註入湖泊,可起到稀釋營養物質濃度的作用。

化學方法

這是一類包括凝聚沉降和用化學葯劑殺藻的方法,例如有許多種陽離子可以使磷有效地從水溶液中沉淀出來,其中最有價值的是價格比較便宜的鐵、鋁和鈣,它們都能與磷酸鹽生成不溶性沉淀物而沉降下來。例如美國華盛頓州西部的長湖是一個富營養水體,1980年10月用向湖中投加鋁鹽的辦法來沉淀湖中的磷酸鹽。在投加鋁鹽後的第四年夏天,湖水中的磷濃度則由原來的65μg/L降到30μg/L,湖泊水質有較明顯的改善。在化學法中,還有一種方法是用殺藻劑殺死藻類。這種方法適合于水華盈湖的水體。殺藻劑將藻殺死後,水藻腐爛分解仍舊會釋放出磷,因此,應該將被殺死的藻類及時撈出,或者再投加適當的化學葯品,將藻類腐爛分解釋放出的磷酸鹽沉降

生物性措施

利用水生生物吸收利用氮、磷元素進行代謝活動以去除水體中氮、磷營養物質的方法。目前,有些國家開始試驗用大型水生植物污水處理系統凈化富營養化的水體。大型水生植物包括鳳眼蓮、蘆葦、狹葉香蒲、加拿大海羅地、多穗尾藻、麗藻、破銅錢等許多種類,可根據不同的氣候條件和污染物的性質進行適宜的選栽。水生植物凈化水體的特點是以大型水生植物為主體,植物和根區微生物共生,產生協同效應,凈化污水。經過植物直接吸收、微生物轉化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和懸浮顆粒,同時對重金屬分子也有降解效果。水生植物一般生長快,收割後經處理可作為燃料、飼料,或經發酵產生沼氣。這是目前國內外治理湖泊水體富營養化的重要措施。

近年來,有些國家採用生物控製的措施控製水體富營養化,也收到了比較明顯的效果。例如德國近年來採用了生物控製,成功地改善了一個人工湖泊(平均水深7米)的水質。其辦法是在湖中每年投放食肉類魚種如狗魚、鱸魚去吞食吃浮遊動物的小魚,幾年之後這種小魚顯著減少,而浮遊動物(如水蚤類)增加了,從而使作為其食料的浮遊植物量減少,整個水體的透明度隨之提高,細菌減少,氧氣平衡的水深分布狀況改善。但也發現,浮遊植物種群有所改變,藍綠藻生長量比例增高,因為它們不能被浮遊動物捕食,為此可以放鰱魚來控製這種藻類的生長。

治理裝置治理裝置

防治方法總結

對于河湖水體富營養化治理,各個國家和地區採用不同的物理、化學、生物方法對其進行預防、控製和修復,並且取得了一定的成效。現在主要的物理處理方法有底泥疏浚、引水沖洗、機械曝氣等,一方面工程量巨大、運行成本高,另一方面對污染嚴重的河湖進行底泥疏浚,易導致底層的沉積物發生懸浮和擴散,促進了沉積物中的氮、磷營養鹽及其所吸附的金屬離子的釋放,從而使水體環境面臨受沉積物中釋放的重金屬離子及氮、磷營養鹽二次污染的風險;化學方法有投加混凝劑和除藻劑等,雖然能在短期內取得一定效果,但也存在著治理不徹底、成本高的問題,特別是會產生二次污染,引發新的生態問題;現流行的生物和生態修復,通過微生物降解和水生植物的吸收、轉移或生態浮床、濾床的過濾、吸附等措施來消減水體中的氨氮。此類方法雖避免了二次污染問題,但受自然環境影響大,要求條件苛刻,同時相對于其它處理技術而言,更有周期長、見效慢的缺點。

工藝流程圖工藝流程圖

治理意義

其主要意義有:

(1)對富營養化河湖水體進行治理修復,是社會經濟發展、城市景觀、生態環境建設的迫切需要,具有經濟和環境雙重效益。

(2)明顯提高富營養化河湖水體的處理效果、大大縮短治理周期、有效降低處理成本。

(3)恢復水體使用功能,有效緩解我國水資源嚴重匱乏的問題。

(4)改善居民居住環境,提高人民生活質量。

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