（环境科学专业论文）厦门西港营养盐定点监测及水样在线过滤系统的应用.pdf

摘要 间，说明本系统的使用基本不影响目标物的测定。 关键词：富营养化、营养盐监测、在线过滤 a b s 订a c t a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o ni so n eo ft h em o s ts e r i o u se n v i r o n m e n t a lp r o b l e m st h a tt h r e a t e n s t h ec o a s t a la n ds h e l fe c o s y s t e m s ，a n dt h ee u t r o p h i c a t i o ni nc o a s t a la r e a sh a sb e e n g r e a t l yc o n c e m e di nr e c e n ty e a r s u n d e rs o m ec e r t a i nc i r c u m s t a n c e si ns o m ee s t u a r i e s a n dg u l f s ，e u t r o p h i c a t i o ni se s p e c i a l l ys e r i o u s ，a st h er e s u l t so fr u n o f fo fs u r f a c ew a t e r , d i s c h a r g eo fi n d u s t r i a la n dd o m e s t i cw a s t e w a t e ra n dm a r i c u l t u r ep o l l u t i o n n u t r i e n t c o n c e n t r a t i o ni so n eo ft h em a j o rp a r a m e t e r so fe u t r o p h i c a t i o n ，t h e r e f o r eal o n g t e r m m o n i t o r i n go fn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o na te s t u a r yi sv e r yi m p o r t a n t ，f o ru n d e r s t a n d i n g t h ee u t r o p h i c a t i o ns t a t u so ft h ee s t u a r y , t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ee u t r o p h i c a t i o n t h em o n i t o r i n gi st h eb a s i so fs t r a t e g i e sa n ds o l u t i o n so f e u t r o p h i c a t i o na n dt h ep r o t e c t i o no fe c o s y s t e m o u rr e s e a r c hg r o u ph a sb e e ne x e c u t i n gal o n g - t e r mm o n i t o r i n gi nt h ea r e a so fa w a r mo u t f a l lf r o ms yc o a l - f i r e dp o w e rp l a n te q u i p p e dw i t hd e v i c eo fs e a w a t e rf l u e g a sd e s u l f u r i z a t i o n t h em o n i t o r i n gp r o g r a mi n c l u d e dt h ed e t e r m i n a t i o no fv a r i o u s n u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n s ( n i t r a t e ，n i t r i t e ，a m m o n i u m ，s o l u b l er e a c t i v ep h o s p h o r u sa n d s i l i c a t e ) a n ds o m eo t h e rr e l a t e dp a r a m e t e r s t h ef o u r - y e a r ( f r o m2 0 0 8t o2 011 ) m o n i t o r i n gd a t as h o w e dt h a tt h ea n n u a la v e r a g ec o n c e n t r a t i o no fd i s s o l v e di n o r g a n i c n i t r o g e na n dc o n c e n t r a t i o no fs o l u b l er e a c t i v ep h o s p h o r u si ns o m em o n t h se x c e e d e d t h ef o u r t hg r a d eo fn a t i o n a ls e a w a t e rs t a n d a r d b a s e do ne u t r o p h i c a t i o ne v a l u a t i o n r e s u l t sw i t hd i f f e r e n tm o d e l s ，i tw a sf o u n dt h a tt h em o n i t o r i n ga r e aw a si nac e r t a i n d e g r e e o fe u t r o p h i c a t i o n i tw a sa l s of o u n dt h a tt h e r ew e r es o m er e l a t i o n s h i p s b e t w e e ns e v e r a lw a t e rp a r a m e t e r s ( e g s a l i n i t y ) a n dn u t r i e n tc o n c e n t r a t i o n s b e c a u s en u t r i e n tc o n c e n t r a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei n e u t r o p h i c a t i o n ，i ti s n e c e s s a r yt oa c q u i r er e a l t i m e d a t ao ft h en u t r i e n t s h i g ht u r b i d i t y , s u s p e n d e d s u b s t a n c ea n dp h y t o p l a n k t o na r em a i nf e a t u r e so ft h ew a t e rb o d i e si nc h i n a ，w h i c h w i l la f f e c tt h ea n a l y t i c a lr e s u l t so fa n ys p e c t r o p h o t o m e t r yb a s e dm e t h o d s t h e s t a n d a r dm e t h o d s a d o p t e d f o rn u t r i e n tm e a s u r e m e n t sa r e u s u a l l y b a s e do n s p e c t r o p h o t o m e t r y , t h u sc a u s e s t h eo n - l i n ec o n t i n u o u s m o n i t o r i n go fn u t r i e n t s x d i f f i c u l tt or u ns m o o t h l y b a s e do nt h ef i l t r a t i o np r i n c i p l e so fg l a s sf i b e r ，m i c r o p o r et u b e ，a n du l t r a s o n i c a s s i s t e dc l e a n i n g ，at h r e e - g r a d es e l f - c l e a no n l i n ef i l t r a t i o n s y s t e mw i t hb a c k - f l u s h f u n c t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d as c r e e n ( t h ef i r s t - g r a d e ) ，af i l t e rf i l l e dw i t hg l a s sf i b e r u n d e ru l t r a s o n i c ( t h e s e c o n d - g r a d e ) a n dam i c r o p o r et u b e ( t h et h i r d - g r a d e ) w e r e a s s e m b l e di ns e r i e sa n du s e df o ro i l l i n ef i l t r a t i o no fe n v i r o n m e n t a lw a t e rs a m p l e s w i t hh i g ht u r b i d i t y t h er e m o v a le f f i c i e n c i e so ft u r b i d i t yo fa r t i f i c i a la n dr e a lw a t e r s a m p l e sw e r ee v a l u a t e d ，a n dt h es y s t e mw o r k e dw e l l u n d e rt h eo p t i m a lc o n d i t i o n s ， t h eo r i g i n a lt u r b i d i t yo fw a t e rs a m p l e sr a n g e df r o m4t o10 0n t uc o u l db ed e c r e a s e d t ob e l o w1n t ua f t e rf i l t r a t i o n t a k i n gt h ec o n c e n t r a t i o n so f t y p i c a ln u t r i e n t s ( s o l u b l e r e a c t i v ep h o s p h o r u s ，a m m o n i u m ，n i t r i t ea n dn i t r a t e ) d e t e r m i n e dw i t hs t a n d a r d m e t h o d sa st h er e f e r e n c e s ，t h er e c o v e r i e so ff o u rn u t r i e n t sf r o mw a t e rs a m p l e st r e a t e d w i t ht h ep r o p o s e df i l t r a t i o ns y s t e mw e r ef o u n db e t w e e n8 5 a n d13 0 ，i n d i c a t i n g t h a tt h es y s t e mh a da l m o s tn oe f f e c to nt h ea n a l y s i so ft h et a r g e ts u b s t a n c e s k e yw o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n ；n u t r i e n tm o n i t o r i n g ；o n - l i n ef i l t r a t i o n x i 缩略语表 c h l a c o d d o d h l b n q i s r p t n t p t s l 缩略语表 c h l o r o p h y l l 旺 c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d d i s s o l v e do x y g e n d i s s o l v e di n o r g a n i cn i t r o g e n h y d r o p h i l i c - l i p o p h i l i cb a l a n c e n u t r i t i o nq u a l i t yi n d e x s o l u b l er e a c t i v ep h o s p h o r u s t o t a ln i t r o g e n t o t a lp h o s p h o r o u s t r o p h i cs t a t u si n d e x 叶绿素伍 化学需氧量 溶解氧 溶解无机氮 亲水亲脂平衡 营养状态指数 溶解活性磷 总氮 总磷 营养状态指数 第1 章绪论 1 1 水体富营养化的定义 第1 章绪论 富营养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 一词的英文词根来自于希腊语，其中“e l l ”代表 良好，“t r o p e ”表示营养。环境科学意义上的“富营养化”一词最早出现在1 9 0 7 年，被德国科学家w e b e r 用来描述决定高海拔地区沼泽湿地发展初期植物群落的 营养状况【l 】。他根据沼泽地所出现的不同植物，将沼泽地的营养状况分为富营养、 中度营养和寡营养。1 9 1 9 年，瑞典科学家n a u m a n n 在w e b e r 的研究基础上，将 富营养化概念应用到了湖泊、河流等淡水体系【2 1 。他根据磷、氮和钙的浓度，把 水体分为贫营养、中度营养和富营养等不同类型，并从感官上对湖泊水体类型进 行了区分：富营养化湖泊的水体会出现高密度的藻类、呈现浑浊现象；而贫营养 湖泊的水体清澈、蔚蓝。尽管这种方法在缺少有效参数的情况下，仍可作为判断 水体营养状况的途径之一，但他没有给出划分不同营养水平水体的相关水质参数 的浓度值。 在随后几十年里，“富营养化”一词越来越多的应用于湖泊、江河等淡水体 系，人们围绕湖泊的不同类型【3 1 、生物结构与特点【4 1 、富营养化的形成机制5 】等 进行了广泛的讨论与研究，“富营养化 逐渐成为描述淡水体系营养程度的重要 词语。 相对于淡水水体，人们对海洋富营养化的认识较晚。2 0 世纪5 0 年代，海洋 中的富营养化首次引起人们的注意。美国长岛m o r i c h e s 湾频发藻华，导致牡蛎 大量减产，研究人员通过对该海域水质的调查，发现由于沿岸的鸭禽养殖业的迅 速发展，海域中营养盐浓度较以往有明显增加。 随着社会和工业的发展，越来越多的近海海域出现了富营养化现象，引起了 社会各界和科研学者的关注，并对富营养化进行了定义，相关定义多达几十种， 例如n i x o n 于1 9 9 5 年提出了有关富营养化最为简短的定义【6 1 ：富营养化是指水 域中有机质的积累速度增加。美国1 9 9 9 年在“国家河口富营养化评估”中，强 调了富营养化是一种由于营养盐增加而导致水体中生产力( 有机质) 增加的过程 1 7 。但至今对于富营养化仍没有一个标准或者同一的定义，目前国内学者普遍采 1 第l j ：绪论 用以下定义：富营养化指在人类活动的影响下，大量氮、磷等营养物质进入水体， 水体中营养物质增多，使得藻类迅速繁殖，水体从生产力水平较低的贫营养状态 向生产力水平较高的富营养状态转变的过程【8 9 1 。 1 2 富营养化的物质基础及原因 引起水体富营养化的原因有很多，从根本上来讲是由于水体中氮、磷等营养 物质过量增加，导致浮游植物加速生长造成的。 海水中可溶性的无机氮( d i s s o l v e di n o r g a n i cn i t r o g e n ，d i n ，包括亚硝酸盐、 硝酸盐、铵盐) 1 1 0 、磷和硅是海洋生物赖以生存的必需营养要素，海水中含有 适度的营养要素会促进生物和微生物生长，但若营养要素富集，将伴随着藻类异 常增殖，往往使水质恶化，形成富营养化。浮游植物大量地从海水或地质中吸收 无机氮以合成作为生命活动所必需的氨基酸。如果水环境中缺乏无机氮，浮游植 物的生长就会受到限制。当细胞内的氮含量下降到一定程度以后，细胞将不能进 行分裂】。海水中的硅酸盐是生物生长所必需的营养盐之一，是构成硅藻、放射 虫和有孔虫等海洋生物有机体的重要组分【1 2 】，在海洋生态系统中起着至关重要 的作用。海水中的硅酸盐若低于一定浓度水平，硅藻等浮游生物的生长便会受抑 制，从而导致海洋初级生产力降低；而浓度太高时，则易引发赤潮等灾害性现象 【l3 1 。溶解活性磷，也被称为活性磷酸盐( s o l u b l e r e a c t i v ep h o s p h o r u s ，s r p ) ， 可以作为营养物质被水中藻类直接摄取，是赤潮发生、发展过程重要的限制性因 素之一【14 1 。 总体上，水体富营养化产生的原因可以分为自然因素和人为因素两大类。 自然因素主要有：大陆径流带来的岩石风化物质、有机物分解产物，火山爆 发的影响。美国圣海伦斯火山大爆发后，大量的火山灰沉降和倒塌的树木进入附 近的灵湖，湖中营养物质的浓度因此大大增加，活性磷酸盐含量增加了3 3 倍， 铵盐增加了5 倍，铁和锰的含量分别增加了5 0 0 0 倍和1 0 0 0 倍，最终导致大型藻 大量繁剖1 5 l ；水体周围富含营养元素的矿物溶解后进入水体也可促进水体的富 营养化。美国伊利湖是一个具有富营养化典型特征的淡水湖泊，该湖流域内具有 含磷丰富的土壤和岩石，而且较容易被侵蚀【l 卅；营养盐受水中浮游植物新陈代 谢和细菌分解的影响。w e i 等【1 7 】研究发现浮游植物呼吸释放对营养盐的再生起着 2 第1 章绪论 重要作用，可以补偿光合作用消耗的营养盐的6 2 ，是营养盐收支中最大的源。 自然因素对海水富营养化的影响是微不足道的，但人为因素在其中发挥了决 定性的作用，大大加速了海水富营养化的进度。人为因素主要有以下几点：( 一) 、 生活污水、工业废水污染的排放。人类生活过程中产生的污水，含有大量的氮、 磷化合物以及细菌、病毒等，是水体富营养化的主要污染源之一。据中华人民共 和国环保部统计，2 0 1 0 年全国由生活污水排放出的总氮为2 0 2 4 3 万吨，总磷1 3 8 0 万吨，铵盐1 4 8 9 3 万吨【l 引。生活污水中的氮、磷营养物质大部分被排放进入河 流和沿海，成为河口、近岸水域营养物质的重要来源。与生活污水相比，工业废 水也含有大量的氮、磷等营养物质。根据中华人民共和国国家统计局报道，2 0 0 8 年工业废水中铵盐排放量达到3 4 1 万吨【1 9 1 。而且工业废水中常规的污水二级处 理对氮、磷可溶性盐类的去除率只能达到3 5 左右，尾水中氮、磷等营养物质也 成为河口、近海富营养化的重要原因。( 二) 、农业污染源。我国是世界化肥消耗 量最大的国家，但我国化肥的有效利用率很低【2 们。据研究报道，2 0 0 0 年2 0 0 5 年间，我国主要粮食作物的氮肥平均利用率为2 7 5 ；主要粮食的磷肥平均利用 率仅为1 1 6 t 2 1 】。化肥中未被利用的氮、磷极易在降雨或者灌溉时流失进入地表 水，最终进而进入湖泊、河流，最终通过河口流入大海。因此，过量使用化肥造 成的农业污染也越来越引人关注。( 三) 、水产养殖业。由于水产养殖业的迅猛发 展，向水体中投放饵料的量成几何数量级增长，这也成为当前水体富营养化加剧 的主要原因之一。研究表明，在海水鱼类养殖中，大约8 5 的磷、5 2 9 5 的 氮通过多种途径进入水体，这些途径包括残饵、残骸、排泄物和生物的呼吸作用 等【2 2 1 。( 四) 、大气沉降。由于人类活动向大气中排放了大量含氮、磷的物质， 这些物质通过干湿沉降的方式进入海洋，成为水体中营养盐的重要来源之一。 w h i t a l l 等【2 3 研究了大气沉降氮对美国纽斯河口全年氮收支的影响，发现湿沉降 中硝酸盐、铵盐和有机氮等占全部外部输入氮化合物的一半，说明大气沉降是该 河口氮营养盐的一个重要来源。在我国黄海，大气沉降输入的磷酸盐占大气和河 流输入总量的4 0 8 t 2 4 j 。 1 3 富营养化的危害 如果发生富营养化，水体中以下几方面将会受到影响。( 一) 、对浮游植物的 3 第l 章绪论 影响。富营养化的水体加上合适的光照和温度将使得水体中的浮游植物大量繁殖， 其中不乏一些有毒藻类，直接或间接导致其他海洋生物中毒死亡。浮游植物的过 量繁殖将会导致赤潮的发生【2 5 1 。另外，在富营养化过程中，水体中的营养盐结 构和比例发生改变，导致浮游植物的群落结构发生改变。z h o u 等【2 6 】研究发现， 在我国东海富营养化较为严重的海域，浮游植物群落结果发生了明显的改变。 ( 二) 、对底栖生物的影响。一方面，水中藻类的大量繁殖，使水中的悬浮物增 加，降低了水体的透明度，限制了较深水域藻类的光合作用，使得氧气的产量急 剧降低。另一方面，浮游动植物繁殖消耗大量的氧气所形成的低氧区，使得底层 水体处于厌氧环境，这时，一些厌氧细菌通过消耗硫酸盐和硝酸盐进行新陈代谢， 导致水中出现硫化氢、氨气等有毒气体，引起底栖生物的大量死亡。这又给厌氧 细菌提供了大量的高质量的“食物 ，使其繁殖更迅速，从而造成恶性循环1 2 7 1 。 对波罗的海的研究表明，自1 9 世纪6 0 年代，波罗的海的缺氧面积增加了4 倍， 大面积的缺氧导致盐跃层以下的大型底栖生物群落严重衰退，并进一步影响了食 物网结构和渔业产量【2 引。( 三) 、其他影响。水体富营养化中出现的有毒藻类也 会通过食物链的富集作用影响到人类的健康；大量的藻类繁殖也将对沿岸旅游业 产生不良的影响；另外，某些能产生二甲基硫化物的藻类的大量繁殖使大气中的 硫酸盐含量增高，对局部的酸雨有一定的贡献【2 9 1 。 1 4 富营养化的评价方法 近海富营养化评价是一新兴的研究领域。随着人们对近海富营养化问题认识 的不断深入，近海水域富营养化评价理论与方法从无到有，从简单片面到复杂综 合，经历了一个不断深化和完善的过程。但当今国际上对于近海富营养化评价还 没有统一的模型或标准。纵观近几十年来近海河口水域富营养化评价理论与方法 的发展过程，主要经历了以下几个阶段。 1 4 1 以淡水湖泊富营养化评价方法为基础的单因子评价方法 这种方法主要受淡水湖泊富营养化评价理论与方法的影响，即通过能够直接 或间接反映水体中藻类现存量、增殖情况的特定参数来评定水体的富营养化程度。 第1 章绪论 主要包含3 种方法。 ( 一) 物理参数方法【3 0 1 ：通过温度、色度、透明度、辐射量等来判断水体 的富营养化状况；又如c a r l s o n 的营养状态指数：t s i ( t r o p h i cs t a t u si n d e x ) = 1 0 x ( 6 - l 0 9 2 z ) ，z 为通过赛氏圆盘测得的水体透明度。 ( 二) 化学参数方法【3 l 】：使用d o ( d i s s o l v e do x y g e n ，溶解氧) 、d i n 、c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，化学需氧量) 等与藻类增殖有直接关系的化学物质 来衡量水体富营养化的程度。 ( 三) 生物参数方法【3 2 1 ：利用藻类现存量或叶绿素0 【、浮游植物种类、生物 多样性指数、藻类增殖潜力等反应水体中藻类增殖的生物因子，对水体富营养化 进行评价。 单因子评价方法简单，容易推广，因此在淡水湖泊中广泛使用。而对于海水 体系，由于其营养盐限制特征、水文状况以及生物量和营养盐之间的关系与淡水 湖泊体系有很大不同，单因子评价方法不足以满足近海富营养化的评价要求。 1 4 2 以e 值、n q i 为代表的综合指数评价方法 随着对近海富营养化认识的深入，人们发现近海与淡水富营养化的形成与过 程存在较大差异，仅通过一个因子来评价近海富营养化远远不够，因此学者研究 出了一批综合多个物理、生物、化学因子建立的评价方法。 ( 1 ) e 值法 近海富营养化评价的e 值法最早是由日本的冈市友利于1 9 7 2 年提出【3 3 1 ，这 种方法主要利用水体中的c o d 、d i n 、s r p ，通过式( 1 1 ) ，计算出富营养化指 数e ，进行近海水域富营养化程度的评价。 e = c o d d i n x s r p x10 6 4 5 0 0( 1 1 ) 式中，c o d 、d i n 、s r p 单位均为m g l 。 e 值越大，富营养化程度越高。由于此方法综合考虑了水体中对富营养化影 响最大的3 个主要水质因子，而且使用简单，目前经常被学者用于对我国近海富 营养化进行评价 3 4 - 3 5 】。 ( 2 ) 营养状态指数法 由于e 值法没有考虑到生物参数，有研究者【3 6 1 将e 值法做了进一步改进， 气 第1 章绪论 将生物因子叶绿素伍纳入评价因子，提出了营养状态指数法( n u t r i e n tq u a l i t y i n d e x ，n q i ) ，通过式( 1 2 ) 算出n q i 值。 n q i = c o d c o d o + t n t n o + t p t p o + c h l q c h l a b ( 1 - 2 ) 分子项为各年度评价参数的平均值，分母项为各评价参数相对应的标准值。 通常定义n q i 值大于3 为富营养水平、小于2 为贫营养水平、2 3 为中等 营养水平。该方法选取实测值与阈值的比较作为评价依据，方法使用简单，是目 前我国海洋生态环境监测技术规程3 7 1 中所使用的评价方法，在近海河口 3 s 】、增 养殖水体广泛使用。 1 4 3 利用软计算和统计学方法建立的富营养化评价方法 近些年来，一些学者开始尝试利用人工神经网络、模糊逻辑等软件计算方法 对近海富营养化进行评价。苏畅等4 0 1 采用人工神经网络对长江口水域的富营养 化进行评价；林辉等4 1 1 运用模糊分析评价了厦门海域的富营养化状况；s o l i d o r o 等4 2 1 选择了多种与“营养 有关的参数，采用主成分和聚类分析等研究了意大 利威尼斯泻湖的营养水平。 1 5 潜在性富营养化的评价 富营养化程度的不断加剧可能导致赤潮的爆发，赤潮的发生不仅与主要营养 盐( 如氮、磷) 浓度的大小有关，而且也和其比例关系密切相关。 对于营养盐限制这个概念，l i e b i g 、s h e l f o r d 、o d u m 等人先后提出过。其中， l i e b i g 在最小因子定律中指出【l l 】：植物的生长取决于处于最小量的必须物质，这 种物质就是限制因子。s h e l f o r d 耐受性定律认为【4 3 】：生物对各种环境因子的适应 有一个生态学上的最小量和最大量，它们之间的幅度称为耐受限度或生态幅，超 出了这个范围，就会影响生物的生长和发育而成为限制因子。o d u m 把限制因子 定义为生物活动所需要的最接近最小需求量的物质】。随着研究的深入发展， 不同研究者提出了营养盐的不同限制对象，如浮游植物的生长速率、生物量或初 级生产力等。另外，营养盐对浮游植物的限制作用经常是潜在性的，经常受到其 它环境因素( 如光、温) 所制约，当其他因素发生改变时，营养盐的限制作用就 6 第1 章绪论 眺一一一一一 一一一一蹴一 第l 章绪论 1 9 9 2 - 1 9 9 3 年间对厦门西港进行了富营养化研究，结果表明，其时厦门西港处于 中度营养等级，且浮游植物含量较少；郑小宏【5 3 】于2 0 0 7 - - 2 0 0 8 年对闽江口海域 进行了营养盐含量的监测，调查结果表明，该海域无机氮和磷酸盐含量呈不同程 度的超标状态，且海域具有磷限制潜在性富营养化特征；王键等【5 4 】对2 0 0 9 年泉 州安海湾的营养盐含量进行了调查，结果表明该海域己从1 9 8 9 年的贫营养水平转 变成严重富营养化水平，海域表现出磷限制特征。 虽然关于河口区富营养化的研究众多，但国内外对配备了海水脱硫工艺的燃 煤电厂排放的脱硫海水对海域富营养化影响的研究甚少。煤中氮含量在1 左右 【5 5 1 ，磷含量在0 0 0 1 一0 1 之剐5 6 1 ，煤灰中二氧化硅的含量占约5 1 2 3 5 5 1 。一般 电厂采用的脱硝装置脱硝率在8 0 左右【5 7 1 ，除尘器的除尘率在9 8 2 2 5 8 1 ，烟气 中处理不完全的氮、磷和硅元素会被脱硫工艺中的新鲜海水吸收，随着脱硫海水 一起排向近海，可能会对近海富营养化造成一定影响。因此在位于采用海水脱硫 工艺的电厂温排水口海域对营养盐进行长期监测显得尤为必要，通过监测可以了 解在江河水和脱硫海水共同影响下海域的富营养化状况，为科学管理电厂脱硫海 水的排放提供相关数据支持。 1 7 现场连续自动监测营养盐所面临的问题 目前营养盐的测定方法可分为两大类，一种是采用离子色谱进行分析，如陈 栋勤【”】采用离子色谱仪测定了徐州市地下水中的硝酸盐含量；英国水质中硝酸 盐和亚硝酸盐的标准测定方法也均为离子色谱法【删。由于离子色谱仪体积大、 成本高、检测限较高，不适于用于现场进行营养盐含量分析。更重要的是海水中 含有大量的氯化钠等盐类，这将对其他离子的离子色谱测定产生严重干扰，所以 该方法不适用于海水中营养盐的测定。另一类分析方法为分光光度法，如国家标 准1 6 i 】中测定硝酸盐的方法。由于分光光度法所需仪器体积小、成本低、操作方 便，且海水基底对测定营养盐的干扰甚微，该方法适用于现场进行海水中营养盐 的分析。 我国海水营养盐分析是按照海洋监测规范【6 2 】所规定的方法进行的，即现场 采样，送到实验室进行分析。采用这种方法，水样在采集、运输、保存过程中可 能会发生变化；在实验室分析过程中，由于需要大量人工操作，分析的随机误差 8 第l 章绪论 加大，最终导致分析结果可能偏离实际，使测量结果的可信度下降，所得到的数 据不是海水中营养盐含量的真实反映，这将影响到近岸海域富营养化评价的准确 性，对预防赤潮等环境管理工作带来不利影响，因此进行现场营养盐监测获得实 时的数据就显得十分必要。 现场监测即采样后马上在现场进行营养盐浓度的测定。早期的学者是将分析 试剂和分光光度计等带到现场进行实验室里的工作，这种方法需要大量的人工操 作，将会引起测定结果的误差。随着科技的发展，连续自动营养盐分析仪问世， 这类仪器完全模拟技术员的纯手工操作，全自动的将试剂和样品精确地加入比色 杯中，搅拌均匀、反应，再利用高精度双束数字检测器测量吸光度。该仪器可以 提供多达1 0 0 个样品位【6 3 1 。这种仪器使得营养盐现场监测成为可能。但营养盐现 场的连续自动监测并未能在我国顺利的开展，主要是因为我国近岸海水水质具有 以下3 个特点： ( 一) 、表层水浊度高，影响吸光度。浊度是一种光学效应，光线透过水层 时受阻碍的程度表示水层对于光线散射和吸收的能力。它不仅与悬浮物的含量有 关，而且还与水中杂质的成分、颗粒大小、形状及其表面的反射能力有关。徐国 锋等m 】对浙东海域进行调查发现，该海域冬季表层水的浊度从1 0 - 1 3 8n t u ，且 浊度随着离岸距离的减小而增加。水样的浊度越高，测定营养盐时得到的吸光值 越大。 ( 二) 、水体中悬浮颗粒物多，导致流通池和管路的堵塞，影响仪器的正常 运行。悬浮物主要由细小的泥土微粒和悬浮颗粒构成，它们能吸附水中的营养物 质，然后又沉淀到海底，其含量大小直接影响到海水透光层深度。董景岗等 6 5 】 对天津近岸海水悬浮物的调查发现，该海域悬浮物含量在0 6 - - - 一2 4 1 8m g l 之间； 表层低于底层，近岸高于远岸，且冬季海域悬浮物含量为四季中最高。高含量悬 浮同时也将增大营养盐测定时的吸光值。 ( 三) 、浮游植物多，这同样导致流通池和管路的堵塞，影响营养盐分析仪 的正常运行。浮游植物是海洋生态系统中最主要的初级生产者，在生态系统的物 质循环与能量流动中起着十分重要的作用【6 引。由于近岸特殊的海洋环境，使得 该区域的浮游植物含量较高。孙晓霞等1 6 7 】对胶州湾进行浮游植物调查显示，2 0 0 8 年6 月，该海域浮游植物平均达至u 5 6 2 0 10 3 个m 3 ，为2 0 0 3 年同期的1 9 倍。水中浮 9 第l 章绪论 游植物同样也会导致测定营养盐时吸光值的增大。 1 8 常规的水样过滤方法 针对上述我国近海海水的特点，在进行现场营养盐分析前必须将水样过滤。 目前较常规的过滤方法有两种，一是采用滤膜式过滤器，这种方法主要用于实验 室样品过滤，所得到的数据不具有实时性，与实际值存在时间上的偏差。二是采 用针筒式过滤器，该方法过滤水样体积有限，需频繁更换，操作较为繁琐；此方 法虽能用于现场过滤，但没有连续自动过滤的功能。连续自动过滤要求水样不间 断地进入过滤设备，且无需人工操作的介入，过滤器集采样和过滤功能于一体。 与营养盐连续自动分析联用于现场的过滤器需要达到以下要求：能长期连续使用； 操作方便，成本低；过滤后不影响目标物的化学形态及浓度；能有效地降低浊度， 去除悬浮物等杂质；滤料等过滤部件易清洗。目前常规的两种过滤方法均不能较 好地满足现场过滤的要求，因此研究一套连续自动的过滤设备对营养盐现场分析 显得十分重要和必要。 1 9 本论文的研究目的和研究内容 本论文的研究目的为：聚焦位于福建九龙江河1 ：3 处燃煤电厂脱硫海水排放后 可能影响的特定海区，全面、系统地评价九龙江河水和脱硫海水对该海域的富营 养化影响，了解该海域的富营养化程度，为更好地管理河口和近岸海域提供科学 依据。 评估自制的带反冲洗自洁功能的三级串联在线过滤系统对水样的过滤性能， 考察该系统与营养盐分析仪联用后应用于现场营养盐测定的效果。 为达到以上目标，本论文的研究内容为：在厦门西港特定海域设置长期监测 点，从2 0 0 8 年起，进行每月1 n 2 次的营养盐及相关水质参数的长期监测，了解该 海域营养盐的含量状况，分析营养盐和某些重要水质参数的关系；采用不同的富 营养化评价方法对该海域进行富营养化评价，考察该海域的富营养化程度；采用 潜在性富营养化评价方法，研究营养盐对该海域浮游植物生长繁殖的影响。 对带反冲洗自洁功能的三级串联在线过滤系统进行反冲洗液及滤料用量的 1 0 第1 章绪论 优化，考察该套过滤系统对模拟和实际水样浊度的去除效果，并研究水样经过该 套系统过滤后营养盐的回收率。将该套系统与营养盐分析仪联用，现场测定水样 中营养盐浓度，考察应用前景。 1 1 0 说明 本论文中，2 0 0 8 年、2 0 0 9 年上半年的营养盐监测数据由本课题组的尹丽倩等 人分析获得；2 0 0 9 年下半年、2 0 1 0 年和2 0 11 年的营养盐数据以本人为主，在课题 组其他同学的帮助下获得，所有浮游植物数据由本学院杨听林老师提供；在线过 滤系统是在本课题组老师和其他同学设计制作的超声波过滤器的基础上由本人 搭建而成。 第1 章参考文献 【1 】w e b e rca a u f b a uu n dv e g e t a t i o n d e rm o o r en o r c l d e u t s c h l a n d s j b e i b l a t tz ud e n b o t a n i s c h e nj a h r b ( i c h e m ，1 9 0 7 ，9 0 ：1 9 - 3 4 1 2 】n a u m a n ne n a g r as y n p u n k t ea n g 苴e n d e p l a n k t o n s0 k o l o g i ，m e d j s v e n s kb o t a n i s kt i d s k r i f t ， 1 9 1 9 1 3 ：1 2 9 - 1 5 8 【3 】s t r o mkm l i m n o l o g i c a lo b s e r v a t i o n so nn o r w e g i a nl a k e s j a r c h i v rf u rh y d r o b i o l o g i e ， 1 9 3 0 2 l ：9 7 - 1 2 4 【4 】4 p e n n a krw a nu n u s u a la l g a ln u i s a n c ei nac o l o r a d om o u n t a i nl a k e j e c o l o g y , 1 9 4 9 ，3 0 ： 2 4 5 2 5 7 【5 】5 h u t c h i n s o nge e u t r o p h i c a t i o n j a m e r i c a ns c i e n t i s t ，19 7 3 ，61 ：2 6 9 2 7 9 【6 】6 n i x o nsw c o a s t a lm a r i n ee u t r o p h i c a t i o n ：ad e f i n i t i o n ，s o c i a lc a u s e s ，a n df u t u r ec o n c e m s j 】 o p h e l i a , 1 9 9 5 ，4 1 ：1 9 9 2 1 9 【7 】7 b r i c k e rsb ，c l e m e n tcg ，p i r h a l l ade ，e ta l ，n a t i o n a le s t u a r i n ee u t r o p h i c a t i o n a s s e s s m e n t m e f f e c to f n u t r i e n te n r i c h m e n ti nt h en a t i o n se s t u a r i e s ，19 9 9 【8 】姚云，沈志良胶州湾海水富营养化水平评价 j 】海洋科学，2 0 0 4 ，2 8 ：1 4 2 2 【9 】俞志明，沈志良，陈亚瞿，等长江口水域富营养化 m 】北京：科学出版社，2 0 1 1 【1 0 】戴明新，彭士涛，毛天宇，等渤海湾可溶性无机氮时空变异状况分析【j 】环境科学研 究，2 0 0 9 ，2 2 ：3 8 7 3 9 1 第】章绪论 【11 】沈国英，施并章海洋生态学【m 】北京：科学出版社，2 0 0 2 【1 2 】郭锦宝化学海洋学【m 】厦i - j ：i f - j 大学出版社，1 9 9 7 【1 3 】杨东方，于子江，张柯，等营养盐硅在全球海域中限制浮游植物的生长【j 】海洋环境 科学，2 0 0 8 ，2 7 ：5 4 7 , 5 5 3 【1 4 】林玉辉，连光山，杨清良略谈我国的赤潮及对策 j 】福建水产，1 9 8 8 ，6 ：5 0 5 6 【15 】d a h mcn ，l a r s o ndw ，p e t e r s e nrr e ta 1 e c o l o g i c a lr e s p o n s et ot h e19 8 0e r u p t i o no f m o u n t s t h e l e n s j r e s p o n s ea n dr e c o v e r yo fl a k e s , ，2 0 0 5 ，2 5 5 2 7 8 【1 6 】p r e p a see ，c h a r e t t et e n v i r o n m e n t a lg e o c h e m i s t r y j w o r l d w i d ee u t r o p h i c a t i o no fw a t e r b o d i e s ：c a u s e ，c o n c e ma n dc o n t r o l s ，2 0 0 5 ，2 1 - 2 5 【l7 】w 葫h ，s u nj ，m o l la ，e ta 1 p h y t o p l a n k t o nd y n a m i c si nt h eb o h a is e a - o b s e r v a t i o n sa n d m o d e l i n g j j o u r n a lo fm a r i n es y s t e m , 2 0 0 4 ，4 4 ：2 5 5 - 2 7 8 【1 8 】中华人民共和国国家统计局中国统计年鉴2 0 0 8 m 1 北京：中国统计出版社，2 0 0 8 【1 9 】中华人民共和国环境保护部，中华人民共和国国家统计局，中华人民共和国农业部第 一次全国污染源普查公报【r 】2 0 1 0 【2 0 】孙传范，曹卫星，戴廷波土壤- 作物系统中氮肥利用率的