水体富营养化研究进展

【摘 要】本文主要阐述水体富营养化形成的机理和原因，以及水体富营养化的危害。提出当前防治和治理水体富营养化所采取的主要措施。

【关键词】富营养化；水华；危害；控制措施；生物方法

0 前言

我国是一个发展中国家，地大物博人口众多，人均资源匮乏，又处在经济高速发展时期，对资源的需求日益增多。怎样处理好资源，环境，发展之间的关系成为我们面临的一大课题，各国相继提出了可持续发展。随着工业的不断发展，以及农药化肥和含磷洗涤剂的大量使用，湖泊水体富营养化越来越严重。我国的淡水资源原本就非常短缺，肆虐的水体富营养化，又使这种短缺现象雪上加霜。同时给脆弱的生态环境带来沉重一击，破坏了生物的多样性，很多珍贵物种濒临灭绝，现今物种的灭绝速度远远超过工业革命以前。赤潮或水华（Red tide or Bloom）在全球范围内频繁出现是环境污染程度加深的直接反映。我国在1933年到1979年的46年中仅发生过12次赤潮，而1990年到1994年的5年中就发生了139次赤潮，污染灾害日趋严重，主要湖泊富营养化问题突出。因此，水体富营养化要引起高度重视。

1 形成机理

关于富营养化的成因，目前国际上有两种理论：生命周期理论和食物链理论。生命周期理论是近年来普遍为人们所接受的一种理论。它认为，含磷和氮的化合物过多排入水体，破坏了原有的生态平衡， 引起藻类大量繁殖，过多地消耗了水中的氧，使鱼类、浮游生物缺氧死亡，它们的尸体腐烂又造成水质污染。根据生命周期理论，氮、磷的过量排放是造成富营养化的根本原因，藻类是富营养化的主体，它的生长速度直接影响水质的状态[1]。食物链理是荷兰科学家马丁・肖顿于1997年6月在“磷酸盐技术研讨会”上提出的，认为自然水域中存在水生食物链，如果浮游生物的数量减少或捕食能力降低，将使水藻生长量超过消耗量，平衡被打破，造成水体富营养化。这说明氮、磷等营养负荷的增加不是导致富营养化的唯一原因，影响浮游生物捕食能力的农药、杀虫剂等有机污染物也可能导致水体富营养化。此外，二氧化碳等温室气体排放导致全球气候变暖，气温升高，一方面，加速了湖泊退化和土壤干旱的进程，另一方面，显著提高了水生生物的初级生产率，被认为是浮游生物短时间内大量暴发而造成水体富营养化的机制之一[2]。

2 水体富营养化的原因

2.1 自然因素

随着时间的推移和环境的变化，湖泊一方面从天然降水中吸收氮、磷等营养物质另一方面因地表土壤的侵蚀和淋溶，使大量的营养元素进人湖内，湖泊水体的肥力增加，大量的浮游植物和其他水生植物生长繁殖，为草食性的甲壳纲动物、昆虫和鱼类提供了丰富的食料。当这些动植物死亡后，它们的机体沉积在湖底，积累形成底泥沉积物。残存的动植物残体不断分解，由此释放出的营养物质又被新的生物体所吸收。因此，富营养化是天然水体普遍存在的现象。但是在没有人为因素影响的水体中，富营养化的进程是非常缓慢的，即使生态系统不够完善，仍需至少几百年才能出现。一旦水体出现富营养化现象，要恢复往往是极其困难的。这一结果往往导致湖泊、沼泽草原一森林的变迁过程。

2.2 人为因素

大气污染：由于汽车尾气等排放了一些含氮化合物，不仅会造成酸雨，环境污染，而且使雨水中含有更多的氮，从而增加了水体的氮含量。生态环境的破坏：由于人类对生态环境的干预日益明显，而且影响日益增大。对环境排放的废弃物超过了环境的自净能力。当生态系统被破坏了以后，就会丧失自净能力。工业废水：工业废水主要是指工业生产过程中产生的，其中畜产品加工、钢铁、化工、制药造纸、印染等行业的废水中氮和磷的含量都相当高。近年来，工业排放的废水逐年递增。但由于技术与资金的原因，大部分工业废水只经简单处理甚至未经任何处理就直接排人江河等水体中，许多废水中所含的氮、磷等物质也就不断地在水体中累积了下来。生活污水：人们在日常生活中也产生了大量的生活污水，每年全国生活污水排放达亿，超过工业废水排放量。生活污水中含有大量富含氮、磷的有机物。化肥、农药的使用：现代农业生产中大量使用化肥、农药，人类在享受它们带来农业丰收的同时，在很大程度上污染了环境。农药、化肥在土壤中残留，同时不断地被淋溶到周围环境中去，特别是水体中，其中所含的氮、磷就导致了水体富营养化。

关于洗涤剂能否引起水富营养化争议较多。以前大多数报道认为含磷的洗衣粉严重地污染了水体，是造成水体富营养化的一个重要原因。但最近有一些报道认为：洗衣粉禁磷对控制水体富营养化作用不大，即便是通过污水处理达到对点源的全面控制，可能也不会让这一令人烦恼的现象立刻消失，这是因为地表水体中还有近2/3的磷负荷来自于非点源等污染源[3]，然而，无论是西方国家长达20年的实践经验，还是我国目前面临的现状显示，使用无磷洗衣粉并不能有效解决令人烦恼的“水华”或“赤潮”问题。无磷洗衣粉对遏制水体富营养化作用并不十分明显[4]。

水体发生富营养化现象时，随着藻类及浮游生物种类和数量的不同，水体反映出不同的颜色，一般由占优势的浮游生物的颜色决定，如蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种富营养化现象发生在江河湖泊叫做“水华”，发生在海洋叫做“赤潮”。在富营养化水体中，由于大量氮、磷植物营养物质排入水体提供了充足的养料保证，某些藻类甚至还会释放出一些有毒物质使鱼类中毒死亡。此外由于死亡藻类分解时会放出CH4、H2S等气体，使海水变得腥臭难闻。藻类及其他浮游生物残体在腐烂过程中，又把生物所需的氮、磷等营养物质释放到水中，供新的一代藻类等生物利用。因此，水体富营养化后，即使切断外界营养物质的来源，也很难自净和恢复到正常水平。多数学者认为氮、磷等营养物质浓度升高，是藻类大量繁殖的原因，其中又以磷为关键因素。影响藻类生长的物理、化学和生物因素（如阳光、营养盐类、季节变化、水温、pH值，以及生物本身的相互关系）是极为复杂的。因此，很难预测藻类生长的趋势，也难以定出表示富营养化的指标。目前一般采用的指标是：水体中氮含量超过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的淡水中细菌总数每毫升超过10万个，表征藻类数量的叶绿素a含量大于10μmg/L。

3 水体富营养化的危害

富营养化产生的自由漂浮植物造成的代表性问题有妨碍航运、阻塞入水口、形成缺氧水体以及死亡残体恶化水质。水葫芦虽然并不特别易于聚集，但繁殖快速，形成巨大的植物体从而阻碍航运。它们各自漂浮并聚集在入水口从而阻塞了入水口。此外，它们还阻碍了水下的光合作用。富营养化水体被普遍认为是劣质水体，其危害巨大，影响深远，主要表现在以下几个方面[5]。

3.1 破坏生态系统

富营养化破坏水生生态平衡，使有机物生长速度远远超过消耗速度，水体中有机物积蓄。一旦发生富营养化，正常的生态平衡将被破坏，导致水生生物的稳定性和多样性降低，大型水生植物群落将随着富营养化程度的加剧逐渐消失。同时，异常增殖的藻类分泌大量生物毒素，不仅威胁水生生物的生存，而且对人体健康也构成威胁，如缺氧条件下被还原为具有致癌性一些赤潮生物微原甲藻、裸甲藻等能产生对人体毒性很大的麻痹性贝毒邪，当人误饮误食后，会引起病变甚至死亡。

3.2 恶化水源水质

富营养化会影响水体的水质，会造成水的透明度降低，使得阳光难以穿透水层，从而影响水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的过饱和状态。溶解氧的过饱和以及水中溶解氧少，都对水生动物有害，造成鱼类大量死亡。同时，因为水体富营养化，富营养化水体中大量生长繁殖的蓝、绿藻在水体表面形成一层绿色浮渣，使水质变得浑浊，透明度明显降低。致使底层堆积的有机物质在厌氧条件分解产生的有害气体和一些浮游生物产生的生物毒素也会伤害鱼类。因富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水，也会中毒致病。成本富营养化水体作为供水水源时，会给净水厂的正常运行带来一系列问题，如增加水处理难度和增加水处理费用、降低处理效果和产水率等。

3.3 影响人们生活

在富营养化的水体中，蓝、绿藻大量繁殖，水体色度增加，水质浑浊，透明度降低，并散发出腥臭味，污染环境，大大降低水体在现代城市生态系统中的重要功能，丧失其应有的美学价值，影响人们生活、娱乐、休闲。水同时，恶化的水体质量和感官性状，还会对渔业等生物资源和风景湖泊等旅游资源的开发利用产生不利影响，使其经济效益大大降低。与此同时，水体富营养化还可加速水体淤积，降低江河湖泊蓄水能力，导致洪涝灾害。

4 控制措施

4.1 对于没有污染的水域，为防止水体富营养化要采取以下措施：

定期进行水体污染源调查。根据水源污染的类型进行定期调查，要实地观察，收集排污资料，并且将污水排放口的水样委托当地卫生防疫或环保部门进行分析，并将调查结果整理成文字材料，预测污染发展的趋势。加强水源上游水质监测。水源污染防治是一项关系人民身体健康的民心工程，对已影响水源水质的污染源一定要依法治理。

4.2 对于水体富营养化的水域：

富营养化的治理是水污染处理中最为复杂和困难的问题。这是因为：一是，污染源的复杂性，导致水质富营养化的氮、磷营养物质，既有天然源，又有人为源；既有外源性，又有内源性。这就给控制污染源带来了困难。二是，营养物质去除的高难度，至今还没有任何单一的生物学、化学和物理措施能够彻底去除废水的氮、磷营养物质。通常的二级生化处理方法只能去除30-50%的氮、磷。大部分措施都是基于控制外源性营养物质输入，减少内源性营养物质负荷。绝大多数水体富营养化主要是外界输入的营养物质在水体中富集造成的，应该着重减少或者截断外部营养物质的输入。减少内源性营养物负荷，有效地控制湖泊内部磷富集，应视不同情况，采用不同的方法。

1）工程性措施：包括挖掘底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水冲稀以及在底泥表面敷设塑料等。挖掘底泥，可减少以致消除潜在性内部污染源；深层曝气，可定期或不定期采取人为湖底深层曝气而补充氧，使水与底泥界面之间不出现厌氧层，经常保持有氧状态，有利于抑制底泥磷释放。此外，在有条件的地方，用含磷和氮浓度低的水注入湖泊，可起到稀释营养物质浓度的作用。

2）化学方法：这是一类包括凝聚沉降和用化学药剂杀藻的方法，例如有许多种阳离子可以使磷有效地从水溶液中沉淀出来，其中最有价值的是价格比较便宜的铁、铝和钙，它们都能与磷酸盐生成不溶性沉淀物而沉降下来。其最大缺点就是引入了新的化合物，而且该法的试剂消耗量大，运行费用高，产生大量无用且易造成二次污染的化学污泥。因此在水环境大规模控磷的情况下，化学沉淀法很难满足实际应用的需要。存在的问题：流程复杂，建设费用及运行费用高，沉淀池易释放磷，应及时排泥。[6]另外还有报道使用杀藻剂，杀藻剂将藻杀死后，水藻腐烂分解仍旧会释放出磷，因此，应该将被杀死的藻类及时捞出，或者再投加适当的化学药品，将藻类腐烂分解释放出的磷酸盐沉降。

3）物理性吸附。杨景等人用粉煤灰来处理富营养化水体在一定程度上可以解决富营养化水体中磷的污染问题。通过研究粉煤灰的吸附特性，探讨了利用粉煤灰吸附处理富营养化水体中磷的可行性。粉煤灰能够很好地吸附富营养化水体中的磷，去除率最高达99.44%，但是粉煤灰的吸附作用受吸附时间、pH值以及废水的初始磷含量的影响较大。但是直接用粉煤灰来处理会造成河底淤泥增多，阻塞河道等问题，建议将粉煤灰制成一定形状的颗粒物，如多孔陶粒等投加到湖底，既可以达到除磷的效果，又可以在吸附饱和后将其打捞，用作其他材料。[7]

4）生物性措施：利用水生生物吸收利用氮、磷元素进行代谢活动以去除水体中氮、磷营养物质的方法。

5）人工湿地技术：由天然湿地发展而来，是由特定的介质按一定比例设计的填料，如土壤、砂或砾石等，特定的植物去污性能好、成活率高、耐水渍性强、生长期长、美观且有经济价值的水生或湿生植物所组成的复杂、独特的生态系统。它改变了湿地的传统形态，通过科学的设计和改造，用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对水体的净化。汤显强研究小组选择页岩作为小型人工湿地填料，采用芦苇、石菖蒲、千屈菜、美人蕉、黄花鸢尾、香蒲和水葱去除富营养化津河水体中的氮磷。综合比较7种植物氮磷去除性能表明：水葱、香蒲和芦苇可选择作为北方人工湿地氮磷去除植物.[8]包先明研究小组研究太湖常见种植沉水植物在五里湖未扰动底泥上生长情况及其对沉积物磷化学形态的影响。结果表明，由于沉水植物生长过程使水体的pH、Eh以及藻类含量的变化，使铁磷、有机磷等主要化学形态磷的释放得到明显的控制，同时沉水植物的生长使沉积物中总磷水平也有明显的降低[9]。余先旭采用了SBR除磷工艺，该工艺一般不用设二沉池和污泥回流系统，占地较少，建设运行费低，除磷效果好，去除率可达90%以上，缺点是运行管理技术含量高[1]。

【参考文献】

[1]余先旭，孙石，等.磷与湖泊富营养化[J].云南环境科学，2005，24（增刊）：36-38.

[2]王卷霞，郭便玲，等.水体富营养化的危害及修复措施[J].生态水利，2008，2：13-14.

[3]段永蕙，张乃明.滇池流域农村面源污染状况分析[J].自然生态保护，2003，7：28-29.

[4]郝晓地，张晏.无磷洗衣粉并非控制水体富营养化的灵丹妙药[J].生态环境，2005，14（04）：607-610.

[5]吴国平，郑丰.湖泊富营养化危害机理研究[J].水利水电快报，2007，28（12）：4-5.

[6]余先旭，孙石，等.磷与湖泊富营养化[J].云南环境科学，2005，24（增刊）：36-38.

[7]杨景，邓寅生，等.粉煤灰吸附去除富营养化水中磷的初步研[J].污水治理，2007，25（07）：23-25.

[8]汤显强，李金中，等.7种水生植物对富营养化水体中氮磷去除效果的比较研究[J].亚热带资源与环境学报，2007，2（02）：8-13.

[9]包先明1，陈开宁，等.种植沉水植物对富营养化水体沉积物中磷形态的影响[J].土壤通报，2006，37（04）：710-715.