摘 要:本文簡要地概括和總結了水體富營養化的定義、 形成和評價 ,歸納了富營養化對水質和環境的影響和危害 ,
最后闡述了富營養化問題的防治辦法。
關鍵詞:水體富營養化;危害;防治
中圖分類號 X522 文獻標識碼 B 文章編號 1007 - 7731 (2007) 17 - 51 - 03
Forma ti on, Hazard and Preventi on of Eutroph i ca ti on i n Wa ter Body
Zhao Bud i ao
1
L iu Ba i zhu2
Lu Xi aofang
2
L iDa
3
Tang Ha i
4
Peng Y i m i ng (1 College ofL ife Science, Dalian Nati onali2
tiesUniversity, Dalian, 116600; 2 The Second Peop le’ s Hosp ital of Anren County, Hunan, 423606; 3 Dali Urban & Rural
Planning and Design I nstitute, 671000; 4 Anhui Science and Technol ogy Collage ,Wuhu 241000)
Abstract: The definiti on, for mati on and criteri on of waters eutrophicati on were generalized in this paper . The influence and
hazard ofwaters eutr ophicati on on water quality and envir onmentwere discussed . Preventi on and cure methodswere als o re2
p resented at the end of this paper .
Key words:waters eutrophicati on; hazard; p reventi on and cure
1 概述[ 1 - 5 ]
20世紀 50年代以來,由于經濟的迅速發展,人口急
劇增長,工業化和城市化加速,水體的 N和 P受納量 (包
括未經處理的和經過處理的各行各業的污水,如醫院污水
中攜帶的氮和磷負荷 )大大增加,湖泊等水體富營養化進
程加快。富營養化不僅使水體喪失應有功能,且使水體生
態環境向不利于人類的方向演變,最終影響經濟建設和社
會發展。因而富營養化問題越來越多地受到了國家及社
會各界的關注和重視。
富營養化一詞源于希臘,指湖泊、 水庫和海灣等封閉、
半封閉性水體及某些滯留河流 (水流速度小于 1m /min)水
體由于氮 (N)和磷 ( P)等營養素的富集,導致某些特征藻
類 (如藍綠藻)和其它水生植物異常繁殖、 異養微生物代
謝頻繁、 水體透明度下降、 溶解氧含量降低、 水生生物大量
死亡、 水質惡化、 水味發腥變臭,最終破壞湖泊生態系統。
水體發生富營養化時,浮游生物大量繁殖,水面呈藍、
紅、 棕或乳白色等,取決于占優勢的浮游生物的顏色,此現
象在江河湖泊中稱“ 水華” ,在海洋中稱“ 赤潮” 。
湖泊環境的富營養化水平可分為 7種:貧營養、 較低
程度的中營養、 中營養、 較高程度的中營養、 富營養、 超富
營養和極端超富營養。
2 富營養化的形成與評價
211 富營養化的形成 在自然條件下,湖泊會從貧營養
狀態過渡到富營養狀態,但此過程非常緩慢,有的耗時上
萬年。人為排放含營養物的工業廢水和生活污水可在短
期引起水體的富營養化。
自養型生物 (如藻類和一些光合細菌 )能利用無機鹽
類制造有機質。自然水體中的 P和 N (尤其是 P)在一定
程度上是浮游生物數量的控制因子。生活污水、 工業 (如
化肥和食品等)廢水及農田排水中都含大量 N、 P及其它
無機鹽。納入這些污水后,水體中營養物增多,促進了大
型綠色植物和微型藻類的旺盛生長。藻類生長周期短,在
適宜條件下易大量繁殖。活藻主要分布于水表,紅色顫藻
的出現是富營養化的征兆。隨著水體富營養化的發展,藻
類個體數量速增,種類漸減,水體由以硅藻和綠藻為主發
展到以藍藻為主。死亡的水生生物被好氧微生物耗氧分
解;或被厭氧微生物分解;同時湖泊漸淺,直至成為沼澤。
富營養化狀態一旦形成,水體中營養物被水生生物吸收為
機體組成部分;在水生生物死亡后的腐爛過程中,營養物
又釋放入水中,再次被生物利用;如此形成循環。因此,已
經富營養化的水體,即使完全切斷外界營養物來源,在短
期內很難得到自凈和恢復。
212 富營養化程度的評價 富營養化指標多種多樣,可
分為物理、 化學和生物學 3種指標。主要的評價指標有:
水域中光合作用強度與呼吸作用強度之比;藻類生產潛在
能力;光合作用產氧能力 (即水中原初產量 ) ;指示植物
(藍藻) ;底層溶解氧 (DO)濃度;原始生產者現存量;葉綠
素 a量;水體透明度;水中 CO2利用速度;水體中 N和 P濃
度。由于富營養化現象非常復雜,必須綜合考慮這些指標
才能較準確地判斷水體的富營養化狀態。目前常用的判
斷水體富營養化的指標為:N含量大于 012mg/L, P含量大
于 0101mg/L, 5日生化需氧量 (BOD5 )含量大于 10mg/L,
1 5 安徽農學通報,Anhui Agri1Sci1Bull12007, 13 (17) : 51 - 53© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
pH值為 7 - 9,淡水中細菌總數超過 10萬個 /ml以及葉綠
素 a含量大于 10μg/L[ 5, 6 ]
。就淡水水體的富營養化而言,
P的影響比 N的影響可能更重要,由于藻類可利用的 N量
遠大于可利用的 P量,因此 P常被作為富營養化的限制因
子。因為水中 N的缺乏可以由固氮微生物 (某些固氮細
菌和藍藻)來加以補充,有估計表明,一些湖泊中固定大氣
中的 N量可達到湖泊需 N量的 50%[ 1, 5, 7, 8 ]
。
3 富營養化的危害
311 水味變腥發臭 富營養水體中藻類多,有些能散發
腥臭味,這種腥臭向水體四周的空氣擴散,降低周圍人們
的生活質量。
312 水體透明度降低 富營養水體中生長著以藍藻和綠
藻為優勢種的大量水藻。這些水藻浮于水表,形成“ 綠色
浮渣” ,水質變渾,透明度降低,富營養嚴重的水體透明度
僅有 012m。
313 深水層的 DO降低 活藻常處于水表,光照和二氧
化碳充分,光合作用充分而大量產 O2 ,因此淺水層的 DO
充足。但深水層的 DO嚴重不足,因為: (1)水表的密集藻
層使陽光難以到達深層,且藻類吸收陽光,所以深水層的
光合作用明顯變弱, DO的來源減少。 ( 2)死藻沉于湖底
被分解,大量消耗深水層的 DO。
314 有毒物質的釋放 某些藻類 (如藍藻中的絲狀藻類
-微囊藻屬,魚腥藻屬和束絲藻屬;海生腰鞭毛目生物)能
分泌、 釋放有毒物質,有毒物質進入水體后,若被人或牲畜
飲用,可引起人畜致病。
315 影響供水水質并增加凈水成本 湖泊常為飲用水和
工業用水的水源,其富營養化后,凈水廠會出現一系列問
題。(1)在藻類增殖旺期,過量藻類會堵塞水泵和管道。
(2)富營養水體因缺氧而產生硫化氫、 甲烷和氨等有毒有
害氣體,水藻產生有毒物質。這降低了凈水廠的產水率,
增加了凈水技術難度和成本。
316 水生生態的變化 正常情況下湖泊中各種生物處于
相對平衡狀態,存在大量的獨立種,種間關系密切,各種的
數量不多,但較穩定。水體富營養狀態時,水體的正常生
態平衡被擾亂,生物種明顯減少,而存活生物的個體數劇
增,這種物種演替降低了水生生物的穩定性和多樣性,導
致湖泊生態平衡的破壞[ 5 ]
。
4 水體富營養化防治
富營養化防治是十分復雜而又耗資巨大的難題,因
為: (1)導致水體富營養化的 N、 P營養元素的來源有天然
源和人為源、 外源和內源以及點源和非點源之分。 ( 2)營
養物去除難,至今無單一的生物、 化學和物理措施能徹底
去除污水中的 N和 P,投資通常較高的常規二級生化處理
法只能去除 30 - 50%的 N和 P。富營養化控制對策中的
原則和可供選擇的方法主要如下:
411 控制外源性營養物輸入 多數水體富營養化主要由
外界輸入的營養物的富集造成;若減少或截斷外部輸入的
營養物,就使水體失去了營養物富集的可能性,從長遠來
看,此為徹底控制湖泊水體富營養化的優先考慮措施。控
制外源性營養物可的主要措施如下:
41111 根據水環境的功能制訂營養物排放濃度標準 確
定某一湖泊水體的主要功能后,此功能要求制訂相應的 N
和 P允許排放濃度標準;限制可能排入水體的物質種類和
數量。實施對象為對湖泊富營養化有重要貢獻的湖周敏
感帶 (100m之內)的點源 (如學校、 賓館和醫院等)。
41112 根據水環境的 P容量實施總量控制 在水環境 P
容量測算的基礎上制訂總量控制辦法: P排放量的逐年削
減和排放 P量的分配。必須執行嚴格的行政管理措施:就
目前普遍使用的洗滌劑而言,除少數幾個國家洗滌劑中的
P含量低于 2% ,一般洗滌劑都含有 5% - 12%的磷酸鹽
成分,洗滌排水成為湖泊 P外源的重要部分,因此,需采用
嚴格的行政措施控制洗滌劑中的 P含量,推廣使用無 P洗
衣粉[ 9 ]
。對違反總量控制計劃規定的單位,應采取相應的
約束措施,如加倍收費或罰款等。
41113 實施截污工程 截斷向湖泊水體排放營養物的
源,是控制某些湖泊水體富營養化的關鍵措施。實施截污
工程,是較高的一次性投資,但此后可從根本上消除水體
富營化的主要人為外源性污染源,為水質改善提供基本條
件。因此,長遠看來這種投資是必須的。
41114 合理規劃作用土地和科學施肥 合理規劃利用土
地,最大限度地防止土壤侵蝕、 水土流失與肥料流失,減少
被地表徑流 (暴雨或融雪)帶走的 N和 P。
推廣科學施肥,調整肥料結構,在確保產量的前提下
盡量少施肥,在臨湖區減少乃至限制磷肥的使用。
41115 控制畜禽糞便污染 集中收集飼養場的畜禽糞便
用于堆肥、 發酵產沼等也是控制面源污染的有效措施。
41116 去除污水中的營養物 城鄉生活污水及某些工業
廢水中含有較高濃度的 N和 P,這些廢水經過傳統二級處
理工藝處理后的出水中尚含有一定濃度的 N和 P。已有
的二級處理廠的出水需要采取深度處理,如可采用人工濕
地工藝等。也可采用生物處理方法 (高效的脫 N除 P工
藝)和物化處理方法 (鐵鹽凝聚沉降法、 鋁離子交換法和
石灰凝聚與氨氣提法)對二級處理工藝加以改進。農業污
水分散,難以集中收集,通常不用傳統二級污水處理廠,而
采用分散處理系統,如人工濕地技術[ 10 ]
、 土壤凈化槽技術
等,加以有效處理。
41117 保護和恢復湖濱帶 湖濱帶連接陸地與水面,動
植物微生物種類多,是保持湖泊生態平衡的核心地帶。過
去為擴大種植面積,湖邊大片濕地被破壞,湖周污水及泥
沙直接入湖,對湖泊構成嚴重威脅。因此,需要在保護現
有湖濱帶的基礎上把湖邊私有耕地恢復為湖濱帶,能減少
因為沖刷等作用而導致污染物入湖。
412 減少內源性營養物負荷
41211 生物方法 (1)種植水生植物。生物方法是指利
用水生生物吸收利用 N和 P進行代謝活動這一自然過程
來實現去除水體中 N和 P的方法,具有投資省,利于建立
2 5© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
合理的水生生態循環的優點。在淺水型富營養湖泊,通常
種植蓮藕、 蒲草、 茭草和蘆葦等高等植物,N和 P隨著被收
割的水生植物部分一起離開水體。此法適于富含營養物
的底泥的淺水湖泊,是經濟效益和環境效益明顯的可行措
施。水生高等植物與同為初級生產者的藻類競爭營養、 光
照和生長空間等生態資源,所以水生植被組建及其恢復,
對于富營養化水體的生態修復具有極其重要的地位和作
用[ 11 ]
。(2)放養魚類。利用魚類的食性不同,放養食用浮
游藻類的魚種來去除湖泊的 N和 P,既促進漁業生產,又
凈化水質。是一項化“ 害” 為利的有效措施。在富營養化
水系利用初級產物豐富的特點,適當放養鰱魚和鳙魚,根
據鰱魚主要以浮游植物為食,鳙魚主要以浮游動物為食的
特點,進行合理搭配,可期有效控制城市水體富營養化。
可向富營養化水體的底泥中投放田螺、 貝類和泥鰍來削減
底泥中的有機質和營養鹽[ 3 ]
。 ( 3)利用富營養化水體養
殖藻類,并加以采收利用,同時實現富營養化的控制。但
是藻類的大規模采收;藻類的干燥和貯運;藻類的毒性代
謝物影響的克服這些實際問題尚待解決。
總之,生物治理措施的效果不如截污工程控制外源性
營養物那么明顯和直接,但它是截污和引污工程不能替代
的去除湖泊內源營養物負荷的有效措施,值得提倡。
41212 物理方法
(1)注水和換水。①注水方案是用 P和 N濃度低的
水注入湖泊,稀釋營養物的濃度,從而有助于控制水華,提
高水體透明度,但營養物絕對量未減少,不能從根本上解
決問題; ② 換水方案適用于臨江湖泊,以江水 (流動的貧營
養水)取代湖水 (停滯的富營養水)。
(2)增加水深。通過水庫充水,在較深的區域截留營
養物,可避免水華問題。
(3)污染底泥疏浚。適合于富含營養物底泥的水體
的水質改善,注意合理確定挖掘深度和挖掘地點。①因為
水體深層底泥中的可溶性磷和氮可能高于表層底泥,挖掘
不當會使底泥中釋放更多的 P和 N;所以需事先弄清底泥
營養物的縱向剖面形態分布。但從總體和長遠觀點來看,
它減少了已積累在表層底泥中的 TN和 TP量,減少甚至
消除潛在內部污染源。而且挖掘底泥可增加水體的水深
和水體環境容量,最終降低湖泊水體營養負荷。②應認真
調查研究底泥沉積情況,包括底泥特征以及沉積物的區域
分布等,準確地選擇挖掘地點。
(4)曝氣技術。①深層曝氣技術:適用于湖水較深而
出現厭氧層的水體。磷易在厭氧條件下從底泥中釋放出
來,采取定期或不定期人為湖底深層曝氣充氧,使水與底
泥面之間不出現厭氧層,有利于抑制底泥的磷釋放,改善
水質。② 揚水筒曝氣技術:尤其適應于水深、 大的水體,深
水湖泊和水庫。通過曝氣帶動水流,促進不同層次的水流
交換將水表藻類帶入無光區,而且將藻類擴散。
(5)密封湖底。此方法引入一種物理屏障,因此抑制
了營養物從某一部分到另一部分的轉移;降低了沉積對于
營養物轉移到湖水中的貢獻。
(6)機械收藻。此方法通過收藻船等設置直接從水
體中將藻類帶出水體,是直接有效的方法,但是收藻船的
動力問題需要解決,國內尚無大型收藻設施。
41213 化學方法 (1)對溶解性營養物如正磷酸鹽等,采
用鈍化技術[ 12 ]
,即往湖中投加化學物質使其生成沉淀而
沉降。(2)對水華滿湖水體的藻類,用殺藻劑將其殺死。
但被殺藻類腐爛分解仍會釋放磷,因此,應及時打撈死藻,
或再投加適當的化學藥品,沉降藻類腐爛分解釋放出的磷
酸鹽。殺藻劑可能由植物活體所分泌。
其他方法:如采用木炭吸附藻毒素、 采用麥稈控制藻
類。