富營養(yǎng)化治理與應(yīng)用進(jìn)展

湖泊內(nèi)源性污染富營養(yǎng)化治理與應(yīng)用進(jìn)展姓名：學(xué)號：專業(yè)：我國湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)狀湖泊富營養(yǎng)化產(chǎn)生與危害內(nèi)源污染物釋放控制措施與技術(shù)方法內(nèi)源污染富營養(yǎng)化控制技術(shù)展望湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)狀——2013年中國環(huán)境質(zhì)量報(bào)告湖庫類型個(gè)數(shù)Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類Ⅳ類Ⅴ類劣Ⅴ類主要污染指標(biāo)三湖*3000201化學(xué)需氧量、總磷、總氮、高錳酸鹽指數(shù)重要湖泊312410816重要水庫276713100總計(jì)61811231117比例（%）13.118.037.718.11.611.558個(gè)湖（庫）開展?fàn)I養(yǎng)狀態(tài)監(jiān)測。其中，中度富營養(yǎng)的3個(gè)，占5.2%；輕度富營養(yǎng)的10個(gè)，占17.2%；中營養(yǎng)和貧營養(yǎng)的45個(gè)，占77.6%。61個(gè)湖（庫）監(jiān)測總氮。其中，總氮濃度劣于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的12個(gè)，符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的39個(gè)。61個(gè)湖（庫）監(jiān)測總磷。其中，總磷濃度劣于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的3個(gè)，符合Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的47個(gè)。湖泊富營養(yǎng)化現(xiàn)狀全國范圍內(nèi)富營養(yǎng)化現(xiàn)狀嚴(yán)重！我國湖泊水質(zhì)富營養(yǎng)化評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)廢水生活污水地表徑流大氣降水蓄積作用底泥釋放湖泊富營養(yǎng)化對生態(tài)系統(tǒng)的危害藻類過量繁殖，抑制深層水體光合作用，降低水體溶解氧，破壞了原有的生態(tài)平衡。對社會濟(jì)的危害危害水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和捕撈業(yè)，藻毒素使生物中毒死亡。影響旅游業(yè)發(fā)展，增加處理成本。對人體健康的危害治病毒素隨生物鏈傳遞（銅綠微藻、赤潮毒素），污染飲用水。內(nèi)源污染外源污染湖泊富營養(yǎng)化外源性負(fù)荷內(nèi)源性負(fù)荷

由上式可知,無機(jī)的氮、磷是藻類繁殖的控制因素,尤其是磷的作用更為突出。

富營養(yǎng)化是在湖泊、水庫以及海灣等緩流水體的水生態(tài)系統(tǒng)中,藻類通過與其它水生生物的生存競爭,逐漸取得優(yōu)勢并占據(jù)其它水生生物的生存空間,同時(shí)也使自身種屬減少,少數(shù)藻類惡性增殖,進(jìn)而造成水中溶解氧的急劇變化,使魚類等水生生物因缺氧而死亡。一般認(rèn)為,緩流水體中的自養(yǎng)型生物主要是藻類,通過光合作用以太陽光能和無機(jī)物合成本身的原生質(zhì),杭州西湖1988年7月至1989年6月間沉積物釋放的磷占外源輸入磷負(fù)荷的41.5%。由于內(nèi)源負(fù)荷磷的影響,西湖引水工程的效果在停機(jī)10d后即消失。1995至1996年間進(jìn)入滇池草海的TP、TN和COD約有90%以上儲存于湖底(少量進(jìn)入大氣),真正進(jìn)入水體的微乎其微,沉積物釋放的總磷可維持滇池水體目前水平63年之久。玄武湖沉積物的磷年釋放量為10.46t,占全年入湖量的21.5%。武漢東湖1997年10月至1998年9月期間,高達(dá)78.5%的磷滯留在湖內(nèi)當(dāng)水體養(yǎng)分的外源得到有效控制后,沉積物中養(yǎng)分的季節(jié)性再懸浮仍能使水體的富營養(yǎng)化持續(xù)數(shù)十年。美國威斯康星州的Wingra湖，表層10cm沉積物中的氮占系統(tǒng)總氮的23%，表層10cm以下30cm以上沉積物中的氮占74%,而且絕大部分為有機(jī)氮。內(nèi)源污染的影響N/P積蓄途徑水-沉積物界面——在水環(huán)境中水相和沉積物相之間的轉(zhuǎn)化區(qū)。水環(huán)境的特殊而重要的區(qū)域底棲生物的棲息地帶水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分氧化帶(電子接受體為氧氣)還原帶(電子接受體為硫酸根和硝酸根離子)重還原帶(電子接受體為二氧化碳)氧化還原電位不同沉積物中自然膠體表面的正電荷金屬陽離子能夠與溶液中營養(yǎng)鹽陰離子形成鍵合,從而使沉積物從水中吸附可溶性營養(yǎng)鹽,降低湖泊氮、磷濃度。因此,當(dāng)水中污染物濃度過高時(shí),底質(zhì)對水中污染物具有凈化或惰化作用。沉積物對水體磷酸根的吸附,主要是沉積物中的粘土、鐵鋁氧化物、碳酸鈣等礦物顆粒對磷酸根的專性吸附,其中尤以鐵鋁氧化物的吸附作用最為強(qiáng)烈。此外還有微生物通過吸收同化而產(chǎn)生的磷的生物固定。水體pH值、沉積物組成均是其影響因素。釋放途徑通常氮、磷釋放時(shí)，首先進(jìn)入的是沉積物的間隙水,進(jìn)而向上層水土界面和上覆水混合擴(kuò)散?？梢詼粼诔练e物中,也可脫逸到上覆水體中被浮游植物吸收而重新被利用。沉積物間隙水中氮、磷向上覆水體的交換通量除了和表層沉積物的再懸浮有關(guān)外,還取決于以下兩個(gè)過程:沉積物底部間隙水由于濃度梯度而引起的擴(kuò)散;沉積物表層的氧化還原行為。生物釋放通過細(xì)菌、大型水生植物和底棲生物的消化道釋放。物理釋放由沉積物間隙水與上覆水體間溶解磷的濃度梯度產(chǎn)生的擴(kuò)散作用

由于風(fēng)吹、波浪等擾動引起的沉積物再懸浮而產(chǎn)生的磷釋放?；瘜W(xué)釋放厭氧條件下鐵磷礦物的還原是沉積物釋放磷的主要機(jī)制。硝化和反硝化作用是水-沉積物界面氮遷移和交換的主要形式。P釋放途徑一般情況下磷釋放首先進(jìn)入沉積物的間隙水中(這一步驟通常被認(rèn)為是營養(yǎng)物釋放速率的決定步驟),然后擴(kuò)散到水土界面,進(jìn)而向上覆水混合擴(kuò)散,成為湖泊磷負(fù)荷的一部分。沉積物中的磷可以通過3種機(jī)制釋放進(jìn)入上覆水中。

生物釋放:通過細(xì)菌、大型水生植物和底棲生物的消化道釋放。

物理釋放:一是由沉積物間隙水與上覆水體間溶解磷的濃度梯度所產(chǎn)生的擴(kuò)散作用;二是由于風(fēng)吹、波浪等擾動引起的沉積物再懸浮而產(chǎn)生的磷釋放。

化學(xué)釋放:厭氧條件下鐵磷礦物的還原是沉積物釋磷的主要機(jī)制,三價(jià)鐵離子被還原為亞鐵離子,易與磷生成可溶性的磷酸亞鐵鹽,并與磷酸鹽一起釋入上覆水中。一旦出現(xiàn)利于鈣、鋁、鐵等不溶性磷酸鹽沉淀物溶解的條件,無機(jī)態(tài)的正磷酸鹽就釋放磷。N釋放途徑沉積物中氮主要是有機(jī)氮和無機(jī)氮。氨氮和硝酸態(tài)氮容易通過擴(kuò)散進(jìn)入水體。易降解的有機(jī)氮在異養(yǎng)微生物作用下降解、銨化。生成的氨氮,可以被粘土礦物所吸附而成為可交換態(tài)氨氮,進(jìn)入間隙水,重新被微生物同化為有機(jī)氮,或者擴(kuò)散至沉積物氧化層而氧化成亞硝酸氮和硝酸氮。硝化和反硝化作用是水-沉積物界面氮遷移和交換的主要形式。在富氧條件下,沉積物庫中的有機(jī)氮化合物經(jīng)降解作用,生成硝酸、氨等無機(jī)離子擴(kuò)散進(jìn)入上覆水體中,提高了水體氮的營養(yǎng)水平。間隙水中N/P的釋放通常氮、磷釋放時(shí),首先進(jìn)入的是沉積物的間隙水,進(jìn)而向上層水土界面和上覆水混合擴(kuò)散?？梢詼粼诔练e物中,也可脫逸到上覆水體中被浮游植物吸收而重新被利用。沉積物間隙水中氮、磷向上覆水體的交換通量除了和表層沉積物的再懸浮有關(guān)外,還取決于以下兩個(gè)過程:①沉積物底部間隙水由于濃度梯度而引起的擴(kuò)散;②沉積物表層的氧化還原行為。沉積物內(nèi)源釋放的影響因素溫度溫度的影響主要通過影響分子運(yùn)動進(jìn)而影響分子擴(kuò)散，以及通過影響微生物的活性來影響營養(yǎng)鹽的狀態(tài)和析出。pH對于營養(yǎng)鹽釋放有影響，當(dāng)pH很低(低于2)時(shí)，沉積物釋放將明顯增加，而當(dāng)pH大于9時(shí),其營養(yǎng)鹽釋放也會明顯增加。Ph值氧化還原水土界面上，還原條件下,沉積物中營養(yǎng)鹽的釋放速率甚至比氧化環(huán)境下高一個(gè)數(shù)量級。風(fēng)浪風(fēng)浪過程(特別是波浪,在淺水湖泊的底泥懸浮過程中,約70%的動力作用來自風(fēng)浪過程)導(dǎo)致底泥的懸浮,大量的營養(yǎng)鹽也由于沉積物的懸浮而導(dǎo)致釋放。湖泊內(nèi)源營養(yǎng)負(fù)荷控制措施與技術(shù)物理化學(xué)方法1物理機(jī)械方法2生物技術(shù)方法3控制內(nèi)源釋放物理化學(xué)方法

沉積物氧化、化學(xué)沉淀、深水曝氣、底泥覆蓋等，使底泥處于氧化狀態(tài)或增加沉積物對磷的束縛能力或在沉積物表面形成覆蓋層，從而抑制內(nèi)源磷的釋放。（原位處理技術(shù)）這些方法主要用于面積較小風(fēng)浪攪動較弱湖底處于厭氧狀態(tài)的水域。通過改變底泥界面厭氧環(huán)境為好氧條件來降低內(nèi)源性磷的負(fù)荷。用以強(qiáng)化水體的自然凈化。原位覆蓋是將粗沙、土壤甚至未污染底泥等均勻沉壓在污染底泥的上部,以有效地限制污染底泥對上覆水體影響的技術(shù)。將污染沉積物與底棲生物,用物理性的方法分開并固定污染沉積物,防止其再懸浮或遷移,降低污染物向水中的擴(kuò)散通量。控制內(nèi)源釋放物理化學(xué)方法通過向底泥上覆水沖氧的做法能有效地增加深水層的溶氧，

同時(shí)氨氮和硫化氫能得到降低。通過水底曝氣投加鋁鐵鈣鹽等方法，改變沉積物表面的氧化還原條件，使易變價(jià)的金屬磷酸鹽，尤其是Fe-P，處于穩(wěn)定的氧化狀態(tài)，抑制因還原而引起的內(nèi)源磷釋放；同時(shí)覆蓋在沉積物表面的新的氧化層還可以減小擾動增加沉積物的穩(wěn)定性.一般而言，當(dāng)水體pH值小于9時(shí)，氧化還原條件為內(nèi)源磷釋放的主要控制因子(Fe-P的還原釋放)，該方法可以有效地抑制磷的釋放;當(dāng)水體pH值較高時(shí)(大于9)，使用沉積物氧化和化學(xué)沉淀均不能抑制內(nèi)源磷的釋放，此時(shí)需要考慮其他的方法?？刂苾?nèi)源釋放物理機(jī)械方法

引水沖刷是減少和稀釋湖泊水體營養(yǎng)物質(zhì)的有效方法，其前提是要有清潔的水源和足夠的沖刷強(qiáng)度.一般認(rèn)為，每天沖入湖泊體積10%~15%的水就足夠了。采用沖刷的方法對小型淺水湖泊(如南京玄武湖杭州西湖)有效,而對于大型湖泊從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都有一定的難度。對于有熱分層的富營養(yǎng)型湖泊，深層水中的營養(yǎng)物濃度一般比上層水的大，因此，將深層水導(dǎo)出成為另一條除磷途徑?？刂苾?nèi)源釋放物理機(jī)械方法國際上，

也有采用換水、凍結(jié)底泥的方法減輕湖泊富營養(yǎng)化程度。如荷蘭的Veluwe湖該方法由于會排放出營養(yǎng)鹽含量高的湖水,將加重下游受納水域的污染,因此是治表不治本的臨時(shí)性方法.控制內(nèi)源釋放物理機(jī)械方法

底泥疏浚主要是將高營養(yǎng)鹽含量的表層沉積物質(zhì),包括沉積在底泥表面的懸浮、半懸浮狀的、由營養(yǎng)鹽形成的絮狀膠體或休眠狀態(tài)的活體藻類或藻類殘骸、動植物殘?bào)w等清除。底泥疏浚也是治理富營養(yǎng)化湖泊內(nèi)源負(fù)荷的一種重要措施，但尚未見在中等以上湖泊中通過疏浚底泥控制湖泊富營養(yǎng)化的成功實(shí)例。分析表明，適當(dāng)?shù)氖杩？稍诙唐趦?nèi)改善水質(zhì)，但長期結(jié)果表明疏浚底泥不是控制湖泊富營養(yǎng)化的充分必要條件。控制內(nèi)源釋放物理機(jī)械方法決定一個(gè)湖泊是否適合疏浚，要綜合分析這個(gè)湖泊底泥釋放情況底泥中營養(yǎng)鹽含量是否有懸浮和復(fù)氧過程、pH及氧化還原環(huán)境,及沉積物中鐵錳等重金屬的含量。對于面積較小的水域或者是風(fēng)浪作用較弱的湖灣等地區(qū),水底常常呈現(xiàn)較強(qiáng)的還原環(huán)境,空隙水中的營養(yǎng)鹽含量較高,靜態(tài)釋放較開闊水域強(qiáng)烈,這樣的水域可以考慮疏浚的方法。Bachmann等人定義的，湖泊動力比(DynamicRatio,定義為湖泊面積的平方根除以深度)或者按照Schauser等人，通過比較湖泊平均水深與風(fēng)浪影響的水深來決定是否有沉積物再懸浮發(fā)生?？刂苾?nèi)源釋放物理機(jī)械方法疏浚設(shè)備的選擇需要考慮設(shè)備的可得性、項(xiàng)目時(shí)間要求、底泥輸送距離、排放壓頭以及底泥的物理和化學(xué)特征等。疏浚后的底泥應(yīng)采取治理和開發(fā)相結(jié)合的原則,充分加以利用。如建立湖濱綠化帶,場地造景,開發(fā)旅游資源,無害化處理后作為林地肥料制造聚合物及廢棄物復(fù)合材料、建筑墻體材料等?？刂苾?nèi)源釋放物理機(jī)械方法國內(nèi)外均有采用該項(xiàng)措施的成功范例。如瑞典的trummen湖通過疏浚使湖水的磷含量減少了90%平均生物量從75mg/L減少至10mg/L。我國滇池疏浚一期工程已疏浚污染底泥3.77×106m3去除總氮總磷清除了大量潛在的內(nèi)污染源巢湖底泥疏浚工程擬將去除有機(jī)質(zhì)總總磷，將使巢湖水質(zhì)得到明顯改善。技術(shù)使用條件優(yōu)點(diǎn)局限性原位處理要求反應(yīng)劑與沉積物原地就能充分反應(yīng)通常發(fā)揮作用較快處理效果因地而異；難以發(fā)揮長效作用原位覆蓋水動力強(qiáng)度不大，污染程度不高的沉積物環(huán)境潛在的危害較?。皇┕し奖阒笜?biāo)不治本；清潔泥沙來源困難；使水體庫容變小底泥疏浚污染程度較高的懸浮淤泥見效快，增加湖泊水體容量治理費(fèi)用昂貴；破換生態(tài)系統(tǒng)；施工過程艱難控制內(nèi)源釋放物理機(jī)械方法控制內(nèi)源釋放生物技術(shù)方法對于小型水體，微生物制劑對去除水中的有機(jī)物葉綠素a氨氮和提高溶解氧等有一定效果。固定化亞硝化菌和硝化菌能將水土中的氨氮轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮，固定化反硝化菌能利用水中的部分有機(jī)物作碳源，進(jìn)行反硝化作用，可以去除湖水中的氮。在小型湖泊中加入微生物制劑后，水中的溶氧(DO)大幅增加，而COD總氮總磷等則明顯降低。隨著水體中藻類的減少和下沉，水體的濁度明顯下降，水質(zhì)感官得到改善。控制內(nèi)源釋放生物技術(shù)方法

植物凈化水體的作用包括植物本身(葉片和莖干等)對水體中顆粒物質(zhì)的捕獲使之吸附在葉片上為附著生物所吸收和同化；或者是使懸浮物沉積至湖底(消除顆粒態(tài)營養(yǎng)鹽)并不再懸浮；或者是植物根系的吸附作用。

生物浮床技術(shù)是把高等水生植物或改良的陸生植物種植到富營養(yǎng)化水域水面上，其凈化原理就是通過植物根部的吸收吸附作用和對懸浮物的攔截作用來凈化水質(zhì)，富集水體中氮磷及有害物質(zhì)，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果。對于沉水植物而言,其凈化原理就是通過葉片上的附著生物來攔截凈化水質(zhì)通過攔截和降低水柱中的懸浮物濃度來消除顆粒態(tài)污染物質(zhì)通過根部來吸收和同化沉積物中的營養(yǎng)鹽.

基于水生植物凈化水質(zhì)的原理，出現(xiàn)了用人工介質(zhì)模仿水草來攔截顆粒物使之沉積，和通過其附著生物來凈化水質(zhì)，可以取得與水生植物相同的效果.這方面的嘗試在國家重大科技專項(xiàng)“太湖梅梁灣水源地水質(zhì)改善技術(shù)”中進(jìn)行。初步的結(jié)果顯示，在去除懸浮物提高透明度去除TN、TP等方面效果顯著。控制內(nèi)源釋放生物技術(shù)方法事實(shí)證明，在有沉水植物存在的草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)中，底泥營養(yǎng)鹽的釋放可以有效得到控制，水質(zhì)可以得到有效改善。原因是水生植物可以遏制沉積物的動力懸浮過程，同時(shí)可以吸收水體與沉積物中的營養(yǎng)鹽，降低營養(yǎng)鹽負(fù)荷,遏制藍(lán)藻水華發(fā)生。關(guān)鍵是如何才能實(shí)現(xiàn)湖泊從藻型到草型的轉(zhuǎn)變?？刂苾?nèi)源釋放湖泊生態(tài)修復(fù)技術(shù)根據(jù)Scheffer等人的理論，草型和藻型都是湖泊生態(tài)系統(tǒng)在一定條件下的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí),將對湖泊生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生脅迫,而湖泊生態(tài)系統(tǒng)具有一定的抗拒外部環(huán)境變化的自我恢復(fù)能力(Resilience)，但是，當(dāng)外部環(huán)境脅迫增加到一定程度將導(dǎo)致系統(tǒng)破壞，生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化到與新的環(huán)境條件相適應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)?？刂苾?nèi)源釋放湖泊生態(tài)修復(fù)技術(shù)荷蘭Veluwe湖在20世紀(jì)60~70年代時(shí)營養(yǎng)鹽(TP)逐步增加(箭頭所示)，伴隨TP的增加到一定程度(0.15mg/L)，湖泊中水生植物覆蓋的面積在減少;但是當(dāng)自20世紀(jì)80年代以后至90年代，由于控源措施的實(shí)施，營養(yǎng)鹽(TP)開始下降,但是，相應(yīng)地水生植物覆蓋面積的恢復(fù)并非按照其原來的相關(guān)路線(圖中箭頭所示)，而是下降到0.08mg/L以下時(shí)水生植物才得以恢復(fù)。控制內(nèi)源釋放湖泊生態(tài)修復(fù)技術(shù)雖然附著生物能夠有效凈化水質(zhì),但是在富營養(yǎng)化水體中,附著生物的發(fā)展將嚴(yán)重影響水生植物的光合作用。風(fēng)浪的擾動對水生植物有機(jī)械的損傷,當(dāng)草型湖泊生態(tài)系統(tǒng)不太穩(wěn)定的情況