（环境工程专业论文）人工介质对太湖水源地水质改善效果及机理研究.pdf

东南大学博士学位论文( 摘要) 人工介质对太湖水源地水质改善效果及机理研究 摘要 人工介质富集微生物是一种新型的水体生物生态防护水质改善技术，主要用于富营养化水体和 微污染水源地水质净化。本文在太湖梅梁湾开展了湖区人工介质水源地水质改善的中试研究，取得 了以下主要结果： 对人工介质进行了筛选，3 种人工介质中，组合介质的生物量和生物活性最高，无纺布介质其 次，弹性介质最低。组合介质对t n 、氨氮、t p 、c d d 、c h l - - a 的平均去除率最大，分别为2 9 7 】、 3 3 o 、6 1 2 、1 8 7 、6 2 8 ，对微囊藻毒素去除效果高于弹性介质和无纺布介质，因此组合介质 是富营养化水源地水质改善技术应用较为理想的人工介质。 组合介质密度从1 5 6 ( 介质所占体积水体积) 增加到3 8 时，对有机物、藻类浮游植物密度、 生物量、c h l a 以及多氯联苯( p c b s ) 、多环芳烃( p a h s ) 、酞酸酯( p a e s ) 等微量有机污染物的去 除率有所增加。当h r t 从3 d 增加到5 d 时，对有机物、藻类浮游植物密度、生物摄、c h l o 以及p c b s 、 p a h s 、p a e s 、硝基苯、1 ，2 , 4 三氯苯、阿特拉津等微量有机污染物的去除率明显增加：h r t 从5 d 增 加到7 d 时，去除率增加得不明显。 增加水流速度没有降低t o c 、d o c 、c o d 和c h l 口的去除效果，n h 4 + - n 和n 0 2 - n 的去除效 果有所提高，t n 、d t n 、s s 的去除效果有所降低，增加水流速度后，消除了池内溶解氧和氧化还 原电位的分层现象，强化了生物降解作用。人工介质可提高水体透明度和水下光照强度，通过人工 介质富集微生物的方法可明显改善太湖梅梁湾水源地水质。 通过现代分子生物学技术分析发现，人工介质上有假单胞菌属( p s e u d o m o n a ss p ) 和芽孢杆菌 属( b a c i l l u ss p ) 的富集，组合介质富集效果较其他两种介质明显；介质上溶藻菌、硝酸细菌、亚硝 酸细菌的分布均为中端平均丰度高于进水端和出水端的平均丰度，上层和中层样本的溶藻菌含量较 下层样本含量多，介质上细菌总数比湖水中细菌总数高出7 个数量级。说明人工介质对湖水中的土 著微生物进行了大量富集。生物量和生物活性在不同位置存在的差异，可为人工介质的优化布置提 供理论依据。 组合介质为原生动物提供了附着生长的场所，介质上鞭毛虫、纤毛虫和肉足虫数量较水体中数 量高出许多，组合介质对藻类去除途径是利用介质具有的较大的比表面积对藻类进行附着，藻类被 介质上富集的溶藻菌进行溶藻，释放出藻细胞内毒素，溶藻菌对藻毒素也有一定的降解作用；对有 机物去除途径主要是通过富集的微生物对有机污染物进行生物降解；对氮磷的去除主要通过硝化作 用将氨氮氧化为硝态氮，通过反硝化作用去除部分总氮，沉淀作用可去除部分颗粒态氨磷，微生物 同化作用和老化脱落的生物膜沉淀到池底也可去除部分氮磷。浮游动物、原生动物和后生动物等捕 食也是去除藻类和有机颗粒的途径之一，组合介质上富集的微生物对水质的净化起主要作用。 太湖梅梁湾水源地水体中p c b s 、邻苯二甲酸二j 酯( d b p ) 、硝基苯、1 ，2 ，4 三氯苯、阿特拉津 浓度达到了地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) 中规定的要求，p a h s 浓度为9 0 6 1 5 5 7 岭，l ， 邻苯二甲酸二( 2 乙基己基) 酯( d e h p ) 浓度为9 0 1 2 0 l 虮，超过了，p a h s 0 2 g l 、d e h p 8 “叽 的规定，经过组合介质净化后的水质有所改善，d e h p 达到了限值的规定，p a h s 浓度仍较高，说明 梅梁湾水体已受到p a h s 和d e h p 等持久性有机物的污染。 关键诃：富营养化水体：微污染水体；人工介质：水源水质改善；持久性有机污染物 东南大学博士学位论文( a b s t r a c t ) s t u d y o ne f f e c ta n dm e c h a n i s mo fa r t i f i c i a lm e d i ao nt h e i m p r o v e m e n t o ft a i h ul a k ew a t e rq u a l i t y a b s t r a c t i ti san e wb i n - e c op r o t e c t i o na n dw a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n tt e c h n o l o g yt h a tp u r i f i c a t i o no f e u t r o p h i cl a k ea n dm i c r o - p o l l u t e ds o u r c ew a t e rq u a l i t yt h r o u g ht h eu s eo fe n r i c h e dm i c r o b e sb ya r t i l i c i a l m e d i a p i l o tt e s ti sm a d eo nt h eb i o e c oi m p r o v e m e n to fs o u r c ew a t e rq u a l i t yi nm e i l i a n gb a y ，t a i h ul a k e t h ef o l l o w i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d ： a s s e m b l e dm e d i u mh a st h eh i g h e s tb i o m a s sa n db i o a c t i v i t yi nt h et h r e ea r t i f i c i a lm e d i a t h eb i o m a s s a n db i o a c t i v i t yo fn o n - w o v e nf a b r i cm e d i u mi si o w e rt h a n 血a co fa s s e m b l e dm e d i u m e l a s t i cm e d i u mh a s t h ej o w e s tb i o m a s sa n db i o a c t i v i t y a s s e m b l e dm e d i u mh a st h eb e s tp u r i f i c a t i o ne r i e c t t h er e m o v a lr a t eo f t o t a ln i t r o g e n ( 1 n ) ，a m m o n i an i t r o g e n ，t o t a lp h o s p h o m s ( t p ) ，c o d r “i n ，c h l o r o p h y l l - a ( c h l d ) i sa v e r a g e d a t2 9 7 1 ，3 3 o ，6 1 2 ，1 8 7 ，a n d6 2 8 r e s p e c t i v e l y t h er e m o v a le f f e c to fm i c r o c y s t i n sb y a s s e m b l e dm e d i u mi sb e t t e rt h a nt h a tb ye l a s t i cm e d i u ma n dn o n - w o v e nf a b r i cm e d i u m a s s e m b l e d m e d i h mw a sa p p r o p r i a t ef o ra p p l i c a t i o nt oi m p r o v e m e n to fe u t r o p h i js o u r c ew a t e rq u a l i t yi nt h et h r e e a r t i f l c i a lm e d i a w h e nt h ed e n s i t yo fa s s e m b l e dm e d i u mi sa d d e df r o m1 5 6 t o3 8 t h er e m o v a lr a t eo fo r g a n i c m a a e ga l g a ed e n s i t y , a l g a eb i o m a s s ，c h l - a ，t r a c eo r g a n i cc o n t a m i n a n ts u c ha sp o l y c h l o r i n a t e db i p h e n y l s ( p c b s ) ，p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p a h s ) ，p h t h a l a t ee s t e r s ( p a e s ) i si n c r e a s e d t h ee l i m i n a t i o n e f f e c ti se n h a n c e do b v i o u s l yw h e nh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e ( h r t ) i sf r o m3d a y st o5d a y s b u tr e m o v a l r a t ei sn o te v i d e n t l yi n c r e a s e dw h e nh r ti sf r o m5d a y st o7d a y s t h er e m o v a le f f e c to f t o t a lo r g a n i cc a r b o n ( t d c ) ，d i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n ( d o c ) ，c o d m i ia n d c h i 口d i d n tr e d u c ew i t hi n c r e a s i n gv e l o c i t yo fw a t e rf l o w , h o w e v e rt h ee l i m i n a t i o nr a t i oo fa m m o n i a n i t r o g e n ，n i t r i t en i t r o g e ni se n h a n c e ds l i g h t l y t h ea v e r a g er e m o v a lr a t i oo f 耶q ，d i s s o l v e dt o t a ln i ”o g e n ( d t n ) ，s si sr e d u c e da p p r e c i a b l y a f t e ra d d i n gt h ev e l o c i t yo fw a t e rf l o w , d e l a m i n a t i o np h e n o m e n ao f d i s s o l v e do x y g e n ( d o ) a n do x i d a t i o n - r e d u c t i o np o t e n t i a l ( o r p ) i se l i m i n a t e da n dt h ee f f e c to fb i o l o g y d e g r a d a t i o ni se n h a n c e d t h et r a n s p a r e n c ea n di n t e n s i t yo fi l l u m i n a t i o nu n d e rw a t e ri si m p r o v e do b v i o u s l y i t i se v i d e n tt h a tt h es o u r c ew a t e rq u a l i t yf r o mm e i l i a n gb a yi nt a i h ul a k ec a l lb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d b ye n r i c h e dm i c r o b e so nt h ea s s e m b l e dm e d i u m i t i sf o u n db yu s i n gt h em o d e mm o l e c u l eb i o l o g yt h a tt h ep s e u d o m o n a ss p a n db a c i l l u ss p w e r e e n r i c h e do na r t i f i c i a lm e d i a t h ee n r i c h m e n te 矗b c to fa s s e m b l e dm e d i u mi sb e t t e re v i d e n t l yt h a nt h a to f e l a s t i cm e d i u ma n dn o n - w o v e nf a b r i cm e d i u m t h ed e n s i t yo fa l g a e l y s i n gb a c t e r i a , n i t r o b a c t e r ， n i t r o s o m o n a so nt 1 1 ea s s e m b l e dm e d i u mi nt h em i d d l ei sh i g h e ro b v i o u s l yt h a nt h a ti nt h ei n l e ta n dt h e o u t l e t a n dt h eb a c t e r i an u m b e ri n 血eu p p e r1 e v e la n di nt h em i d d l el e v e li sh i g h e rt h a nt h a ti nt h e1 0 w e r 1 e v e l t h et o t a lb a c t e r i an u m b e ro nt h ea s s e m b l e dm e d i u mi sh i g h e r7m a g n i t u d e st h a nt h a ti nt h el a k e t h e i n d i g e n o u sm i c r o o r g a n i s mi nt h el a k ec a nb ee n r i c h e dl a r g e l yb yt h ea s s e m b l e dm e d i u m t h ed i f f e r e n c ei n d i f f e r e n tl o c a t i o no fb i o m a s sa n db i o a c t i v i t yc a np r o v i d et h e o r yf o u n d a t i o nf o ro p t i m i z a t i o nc o l l o c a t i o no f a r t i f i c i a lm e d i a t h ea s s e m b l e dm e d i u mc a np r o v i d es i t ef o rp r o t o z o a na t t a c h m e n t t h en u m b e ro fm a s t i e , o p h o r a c i l o p h o r e a ，s a r c o d i n ao nt h em e d i u mi sh i g h e rm u c ht h a nt h a ti nt h ew a t e r i ti st h ee l i m i n a t i o na p p r o a c h o fa l g a et h a ti ti sa t t a c h e db yt r e m e n d o u ss u r f a c em e d i u m a l g a e l y s i n gb a c t e r i ac a nl y s et h ea t t a c h m e n t a l g a e ，a n dr e l e a s et h em i c r u c y s t i n si nt h ec e l l ，t h e nm i c r o c y s t i n si sd e g r a d e db ya l g a e - l y s i n gb a c t e r i a t h e r e m o v a lm e t h o do fo r g a n i cc o n t a m i n a n ti sb i o l o g i c a ld e g r a d a t i o nt h r o u g ht h eu s eo fe n r i c h e dm i c r o b e sb y 1 1 东南大学博士学位论文( a b s t r a c t ) a r t i f i c i a lm e d i a n u t r i e n ts u b s t a n c eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u si sr e d u c e db yn i t r i f i c a t i o no fn i t r o b a e t e r ， n i t r o s o m o n a sw h i c hc a nc h a n g ea m m o n i an i t r o g e nt on i t r a t en i t r o g e n ，a n dp a r to ft o t a ln i t r o g e nc a nb e r e m o v e dt b r o u 曲d e n i t r i f i c a t i o nf u n c t i o n s o m ep a r t i c u l a t e n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s i sr e d u c e db y s e d i m e n t a t i o n a s s i m i l a t i o no f m i c r o b e sa n ds e d i m e n t a t i o no f a g i n gb i o f i l mc a ne l i m i n a t ep a r to f n i t r o g e n a n dp h o s p h o r u st o o i ti so n er e m o v a lp a t ht h a tz o o p l a n k t o n ，p r o t o z o a nm e t a z o a np r e yo ua l g a ea n d o r g a n i cp a r t i c l e s b u tt h ee n r i c h e dm i c r o b e so na s s e m b l e dm e d i u ma r et h ef o r e m o s tm e c h a n i s mo fq u a l i t y p u r i f i c a t i o n t h ec o n c e n t r a t i o no f p c b s ，d i n b u t y lp h t h a l a t e ( d b p ) ，n i t r o b e n z e n e ，1 , 2 ，4 一t r i c h l o r o b e n z e n e ，a t r a z i n e i ns o u r c ew a t e rf r o mm e i l i a n gb a yi nt a i h uc a nr e a c ht h e e n v i r o n m e n t a lq u a l i t ys t a n d a r d sf o rs u r f a c e w a t e r ( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) t h ec o n c e n t r a t i o no f p a h sa n dd i f 2 一e t h y l h e x y lp h t h a l a t e ( d e h p ) w a s9 0 6 1 5 5 7 9 9 la n d9 0 1 2 0 g ，ls e p a r a t e l y , a n de x c e e d e dc r i t e r i o no fp a h s 0 2 u g ，l ，d e h p 8 9 9 l t h e d e h pc o n e e n t r a t i o nc a l lr e a c ht h es t a n d a r d sa f t e ra s s e m b l e dm e d i u mp u r i f i c a t i o n b u tt h ep a h s c o n c e n t r a t i o nd i d n tr e a c ht h ec r i t e r i o n t h es o u r c ew a t e ri nm e i l i a n gb a yh a sb e e np o l l u t e db yp e r s i s t e n t o r g a n i cp o l l u t a n t ss u c ha sp a h s a n dd e h r k e yw o r d s ：e u t r o p h i cw a t e r ；m i c r o - p o l l u t e dw a t e r ；a r t i f i c i a lm e d i a ；s o u r c ew a t e rq u a l i t yi m p r o v e m e n t ； p e r s i s t e n to r g a n i cp o l l u t a n t s i i i 东南大学博士学位论文( 术语注释表) 缩略词 英文全称 中文名称 i v 东南大学博士学位论文( 术语注释表) 2 符号列表 符号 中文含义 d d t h c h d i o x i n d s c h b g e o s m i n 2 m i b i p i b m i p t c a t 肭 m c s h p c d e p c d a f t r i s d a p i r t q n p e o n p s p e w s f c w s f c w a p f b 滴滴涕 六六六 二恶英 六氯苯 土味素 2 甲基异茨醇 2 甲氧基- 3 异丙基吡嗪 2 甲氧基3 异丁基吡嗪 2 ，3 。6 三氯苯甲醚 三卤甲烷 m c - r r 与m c - l r 之和 平板菌落计数 焦碳酸二乙酯 去离子甲酰胺 三羟甲基氨基甲烷 4 6 二脒基- 2 苯基吲哚盐酸盐 实时荧光定量 烷基酚聚环氧乙烷醚 壬基酚 固相萃取柱 波式潜流人工湿地 水平潜流人工湿地 水培植物过滤床 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 1 1 1 日期：r 1 玎 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来。由于经济的快速发展，资源利用强度的不断加大，导致我国湖泊等水体的营养负荷急 剧增加和积累，生态系统不断退化，蓝藻水华频繁爆发，湖泊富营养化呈现迅猛发展的趋势。富营 养化( e u t r o p h i c a t i o n ) 是指由于人类的活动，使水体中的氮、磷等营养成分增加，引起浮游植物过 量生长和整个水体生态平衡的改变，水质迅速恶化，水功能丧失，因而造成危害的一种环境问题。 富营养化可分为自然富营养化进程和人工胁追富营养化进程。在自然条件下，由于水土流失、蒸发 和降水输送等过程会使水体中的营养物质逐渐积累，使一些湖泊从贫营养向富营养化发展，逐渐由 湖泊变成沼泽最后变成旱地，不过这一自然过程需要几万年甚至几十万年才能完成。但是人类活动 的影响会急剧加速这一过程，特别是现代生活中人类对环境资源开发利用活动的日益增加，工农业 生产的迅速发展，大量的营养物质进入并积累在湖泊中，导致湖泊富营养化在短时期内出现，同样 这种演变在近海、水库甚至水流较缓的江河也有发生。水体富营养化问题己经成为世界范围内普遍 存在的环境问题。 。 1 1 1 国内外湖泊富营养化状况 1 1 1 1 我国湖泊的富营养化状况 湖泊是我国重要的淡水资源之一，它与人民的生产、生活以及经济的可持续发展休戚相关。随 着国民经济不断增长，工业规模不断扩大，城镇人口不断增加，工业废水、生活污水的排放量日益 增加，大量营养物质流入湖泊，导致湖泊富营养化、水质咸化、淤积和萎缩、生态破坏以及水质恶 化等环境问题不断出现。其中湖泊的富营养化己成为中国最重要的水环境问题之一。据2 0 0 4 年中国 环境状况公告报道：全国重点监测的2 7 个湖库中，满足i i 类水质的湖库仅有2 个，占7 5 ；i l l 类 水质湖库有5 个，占1 8 5 ；i v 类水质湖库有4 个，占1 4 8 ；v 类水质湖库有6 个，占2 2 2 ； 劣v 类水质湖库有1 0 个，占3 7 0 ，劣于i 类水质的湖泊共2 0 个，占7 4 1 l l j ，即全国近3 4 的 湖泊达不到类水质。 滇池在2 0 世纪7 0 年代水质良好，生物多样性丰富。到了9 0 年代，出现严重的富营养化，草海 水体发黑发臭。水质超出v 类水，特别是氮、磷浓度有较大的增长，如总氮从1 9 8 2 年的1 3 4 m g l 增长到2 0 0 0 年的1 1 8 9 r i i g “总磷由1 9 8 2 年的0 2 4 2 m g l 增长到2 0 0 0 年的1 0 6 m g l 1 2 1 ：生物多样 性破环严重，鱼虾稀无。外海水质恶化，已超过类水标准，特别是氮、磷浓度分别达到1 s m g l 和o 1 4 m g l ，大量的营养物质给滇池水体提供了丰富的营养基础和富营养化条件，原有极为丰富的 水生植物，从种类、分布、数量、演替上发生了极大的变化。2 0 0 4 年滇池草海水质为劣v 类，外海 水质为v 类。富营养化评价表明，草海处于重度富营养状态，外海处于中度富营养状态。滇池环湖 河流水质较差，8 个监测断面中，有6 个断面为劣类水质，其中有4 个断面为劣v 类水质l j j 。 巢湖2 0 世纪5 0 年代前，曾是水质良好、生物多样性丰富的大型天然湖泊。6 0 年代初由于建闸， 湖泊与长江水体交换能力大大减弱，吞吐功能丧失，最终演变成人工调节的半封闭水体。由于水利 工程建设改变了原湖泊生态环境，加上汇水区经济、社会的快速发展，致使湖泊水质日趋恶化。到 年代，巢湖的水质已超出国家地面水环境i 类标准，t n 、t p 及c o d 已分别达到1 6 8 m g l 、 0 1 2 7 m g l 和4 1 6 m g l ，达到了v 类水体。至9 0 年代，湖泊富营养化进一步加剧，甚至出现全湖水 质超v 类的严重状况，t n 、t p 浓度分别达2 9 4 m g l 、o 2 6 4 m g l ，属中度富营养状态。2 0 0 4 年巢 湖的水质为劣v 类。巢湖西半湖污染程度明显重于东半湖。富营养化评价表明，巢湖西半湖处于中 度富营养状态，东半湖处于轻度富营养状态，全湖平均为中度富营养。巢湖1 2 个环湖河流监测断面 东南大学博士学位论文 中，仅有1 个断面水质为i i i 类；5 个断面水质为类；6 个断面水质为劣v 类i l j 。 太湖在2 0 世纪8 0 年代初期水质以i i 类为主，所占比例始出现了类水质，即轻污染；9 0 年代 中期以l 类水质为主，所占比例为7 0 ，并且类水质所占比例增加到1 4 ，开始出现了v 类水质， 即重污染。特别是1 9 8 7 年以后，污染趋势更为严重，水体中有机污染指标和水体富营养化指标井高。 2 0 0 4 年监测的2 1 个点位中，己没有i i i i 类水体，类、v 类和劣v 类水质的点位比例分别为1 9 0 、2 3 9 和5 7 1 。湖体营养状态指数为6 1 4 ，处于中度富营养化状态。环湖河流水质污染严重， i 类、v 类和劣v 类水质断面比例分别为1 3 7 、4 4 3 和4 2 o 。主要污染指标为氨氮、 总磷和生化需氧量。2 0 0 4 年我国部分淡水湖泊营养状态及水质状况详见表1 1 。 表1 1 我国部分淡水湖泊营养状态及水质状况 城市内湖的富营养化程度也较高，如杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖、济南大明湖等城市内 湖均处于富营养化状态。2 0 0 4 年我国部分城市内湖营养状态及水质状况详见表1 2 。 表1 2 我国部分城市内湖营养状态及水质状况 2 0 0 4 年我国1 0 个大型水库中，石门水库水质较好，为i i 类，密云水库、千岛湖和董铺水库水 质为类，有3 个水库( 于桥水库、丹江口水库和松花湖) 水质类，2 个水库( 崂山水库和大伙 房水库) 水质为v 类，1 个水库( 门楼水库) 水质为劣v 类，除千岛湖为贫营养外，其他水库均为 中营养。北京官厅水库2 0 0 1 2 0 0 2 年的调研结果显示水体己达富营养。浮游藻类细胞密度为1 1 3 1 07 c e l l s l ，其中蓝藻占5 3 4 ，绿藻占3 2 1 。优势种为水华微囊藻( m i c r o c y s t i sf l o s - a q u a e ) 和 铜绿微囊藻( a z a e r u g i n o s a ) i j j 。 1 1 1 2 国外湖泊富营养化状况 目前，国外湖泊面l 临的最大问题也是富营养化问题。最近的调查表明，亚太地区5 4 的湖泊富 营养化，欧洲、非洲、北美洲和南美洲的比例分别为5 3 、2 8 、4 8 和1 ，我国则是6 0 t 4 i 。联 合国环境规划署的统计资料表明整个美国境内有7 6 的湖泊处于富营养化、2 3 的湖泊处于中营养 水平”j 。欧洲范围内9 6 个湖泊中有8 0 的湖泊不同程度地受到氮、磷的污染，呈现较旺盛的藻类生 长能力9 0 j ，如z e l i v k a 水库由于入湖河流携带大量的氮，磷等营养物质，使得湖体富营养化严重， 浮游植物大量生长，近坝水体达到中度富营养水平，供水公司取水口的深度不断加深嘲。澳大利亚 的近海水质逐年下降，南部地区的河口及海湾蓝藻频繁爆发，富营养化成为河湾、海草床和热带珊 瑚的主要威胁。亚洲湖泊水质的主要特点是水中氦、磷含量偏高，富营养化问题突出，适宜的自然 2 第一章绪论 条件和湖中营养盐容易引起水华，如日本的琵琶湖和霞浦湖受生活污水的污染，造成湖水中氮、磷 含量增高，局部地方出现富营养化现象哪。非洲的g u i n e a 海湾集中了众多主要城市、港口和工业生 产基地，污水处理设施也不完善，未经处理的城市污水和工业废水逐年急剧增加，海湾经受着有机 物、氮、磷、重金属，石油、有机氯杀虫剂等污染物污染i l 。2 0 世纪9 0 年代国外部分湖泊的营养 状态详见表1 3 。由此可见，无论是欧美发达国家还是比较落后的非洲国家，湖泊、近海、港湾等水 体的富营养化是世界范围内共同面临的环境问题。 表1 3 国外部分湖泊的营养状态 1 1 2 湖泊富营养化的原因 一方面是由于大量工业、农业和城市生活污水源源不断地向湖泊中排放，造成湖泊营养盐的积 累。湖泊中营养盐的主要来源有： 1 ) 农业面源污染：主要有化肥、农药和动物粪便等。肥料和农药通过雨水冲淋、农业排水和地 表径流等排入河道和水体，成为直接的营养源。施入农田的氮肥只有一部分被农作物吸收，未被吸 收的氮肥超过5 0 甚至7 0 h i 。此外，畜禽养殖废料及粪便中氮、磷也会大量进入水体。 2 ) 点源污染：工业和生活污水未经处理直接进入湖泊水体，这类污水的氦磷含量高，会造成藻 类过度生长。即使经过处理的生活污水，其排放水中仍含有相当数量的氮、磷。2 0 0 4 年，全国工业 和城镇生活废水排放总量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水排放量2 2 1 4 亿吨，城镇生活污水排放量2 6 1 3 亿吨。废水中氨氮排放总量1 3 3 0 万吨，其中工业废水中排放量4 2 2 万吨，城镇生活污水中排放量 9 0 8 万吨【“。无论是污水的排放量还是化学需氧量、氨氮的排放总量，城镇生活污水都超过了工业 废水，可见城镇生活污水已取代工业废水而成为水体富营养化的最大污染源。 3 ) 底泥中营养物质的释放：湖泊底泥中含有大量的营养盐，且逐年积累。在风浪作用下。底泥 受搅动而悬浮，营养物质得到释放；底泥的厌氧、好氧条件发生改变时，营养盐也会得到释放，为 藻类生长、繁殖提供有效的内源供给。据调查太湖底泥中积累的t n 、t p 分别为3 5 x1 c k g 、2 2 6 x1 07 k g ，每年释放的t n 和t p 约占总负荷的3 4 7 和2 3 7 ，即使将外部入湖污染全部控制，仅湖 内底泥释放和动力作用下的再悬浮、溶出，也可能引起藻类水华的发生1 1 2 j 。 4 ) 城镇来源：随着城市化进程的加速和城镇人口的快速增长，城镇来源的营养物排放也越来越 大，除了人的粪便、工业污水外，目前大量使用的含磷洗衣粉、洗涤剂是城镇进入天然水体磷素的 重要来源之一。据统计昆明市从城市生活污水进入滇池的磷，占滇池磷污染负荷的4 5 ，而含磷洗 涤剂中磷含量又占生活污水中磷含量的5 3 ，即含磷洗涤剂中流入滇池的磷含量，占滇池磷污染负 荷的2 3 8 t “。 3 东南大学博士学位论文 另一方面人类通过修堤筑坝、围垦造田、水产养殖等破坏自然生态环境，缩小了湖体自净容量。 建设堤坝可以防洪兴利，围垦可增加耕地，养殖可提供水产品，但带来了湖滨湿地大面积受到破坏， 入湖营养盐大量增加。如太湖流域自5 0 年代以来，累计围垦湖泊面积达5 2 8 5 k m 2 【“】。围垦后的湖 泊或湿地，在挖渠排水后，改造成农田，由原来的减少营养盐入湖功能改变成增加营养盐输入功能。 因此，人类活动不仅在源源不断地向湖泊中排放污染物，同时由于对湿地等环境的破坏，减少了营 养盐输出途径，从而加剧了湖泊富营养化进程。 总的来讲，富营养化是氮、磷等营养物质大量进入水体并造成藻类异常增殖的结果，要控制水 体的富营养化现象的发生，就必须减少排入水体的氮、磷总量。 1 1 3 富营养水体特征 由于水体富营养化，带来水化指标相应地发生变化，水体中的浮游植物、浮游动物和底栖动物 的种类和数量与贫营养水体也有较大差别。富营养水体与贫营养水体特征比较详见表1 4 。 表1 4 富营养化水体与贫营养化水体特征比较 1 1 4 湖泊富营养化的危害 湖泊富营养化的危害很大，影响深远，它不仅在经济上造成损失，而且危害人类健康。尤其是 作为水源地的湖泊，富营养化对水体功能和水质的影响主要有1 1 “”】： 1 ) 影响供水水质，增加制水成本。富营养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，如增加水处理费用、降低处理效果和产水率等。藻类高发季节，水厂为了清除藻类，提 高净水效果，往往采用预加氯、多点加氯等措施，加氯过程中生成三卤甲烷( t h m s ) 等有机物质 和致突变物质，存在供水水质的健康危害。藻类代谢物如糖酸等在混凝过程中与混凝剂反应，降低 处理效果。增加混凝剂用量，而生成的络合物又会导致管网腐蚀。在高温的夏季。藻类增殖旺盛， 过量的藻类会阻塞滤池，严重时迫使水厂停产。如1 9 9 0 年太湖爆发水华，由于供水不足，部分工厂 停产，半停产使无锡市的直接经济损失达人民币1 3 亿元。另外由于水体的厌氧条件，产生硫化氢、 甲烷和氨气等有毒有害气体，增加水处理的技术难度。因此，富营养化水体作为饮用水源时会影响 水厂的工艺运行、腐蚀管网、恶化出水水质。 2 ) 影响湖泊水体的生态环境。处于富营养化污染的水体，正常的生态平衡被破坏，导致水生生 物的稳定性和多样性降低。大型水生植物群落会随着富营养程度的加剧逐渐灭绝。同时，异常增殖 4 第一章绪论 的藻类所分泌的毒物，以及缺氧条件下n 0 3 - n 被还原为n 0 2 ：n ，不仅威胁水生生物的生存，而且 会直接或间接影响人类健康。藻类在生长繁殖中分泌、释放有毒有害物质，现已发现蓝藻中微囊藻 ( m i c r o c y s t i s ) 、鱼腥藻( a n a b a e n a ) 、颤藻( o s c i l l a t o r i a ) 和念珠藻( n o s t o c ) 等过度繁殖时排出 藻毒素进入供水中使人体、家畜出现胃肠炎等疾病，对人类具有潜在的危险。 3 ) 影响水体的感观性状。处于富营养化的水体中，蓝、绿藻大量增殖，水体色度增加，水质浑 浊，透明度降低，并散发出腥臭味，目前己知产生异味的藻类约有5 0 种以上，大量的藻类死亡、分 解、腐烂时，经过放线菌及异养细菌等微生物的分解作用，使水体散发出浓烈的使人恶心的腥臭， 直接影响人们的正常生活，同时这种腥臭味也使水味难闻，大大降低水的质量。 4 ) 影响渔业等生物资源利用，水体经济价值降低。富营养水体藻类疯长，表层被藻类覆盖，隔 绝水面从大气复氧。阳光也难以投射到深层水体，深层光合作用受到限制而减弱；同时死亡的藻类 不断向底部沉积、腐烂、分解，消耗深层水体的溶解氧，使水体溶解氧迅速降低，引起鱼类及其他 水生生物窒息死亡，湖泊中水生生物食物链断裂，直接影响了鱼类的种类、数量和质量，从而导致 经济效益大大降低。溶解氧的缺乏也不利于水体中硝化菌的生长，不利于氨氮的自然硝化。同时深 层水体的厌氧状态还可加速底泥中营养盐的释放，造成富营养水体的恶性循环。 5 ) 影响水体的美学价值，对休闲、娱乐不利。藻类大量生长，浮于水体表面，形成一层绿色浮 渣，经过风吹，这层浮渣被富集、浓缩，使水体看上去象绿色的“豌豆汤”，水质变得浑浊，透明度 显著降低，有腥臭味，破坏了水体景观，影响了游览观光。我国一些有名的风景游览湖泊，如杭州 西湖、武汉东湖、长春南湖、云南滇池等都面临着富营养化问题。 1 2 富营养化湖泊治理研究进展 水体富营养化已引起全球范围内的广泛关注。到目前为止，富营养化湖泊治理的方法主要有： 营养盐控制、直接除藻、生物调控和生态工程修复等。水体富营养化防治且前仍以控制外源污染， 减少外源养分负荷为主。2 0 世纪8 0 年代以来，人们在治理水体富营养化时发现，当显著减少外源 养分负荷以后，水质并未得到明显改善，水体中n 、p 浓度特别是p 浓度并未降低，原因在于沉积 物已成为水体n 、p 的重要来源，即“内源负荷” 1 9 , 2 0 l 。在有效地控制外源污染的同时，通过内源 综合治理，调控水生生态系统结构，恢复自然、健康和稳定的水生生态系统功能，增强对外界干扰 的缓冲能力，使水生生态系统处于良性和可持续循环当中，具有十分重要的作用。 1 2 1 外源污染控制 水体过量营养物负荷的输入和积累无疑是造成水华的元凶。要想从根本上控制湖泊水体的富营 养化，首先应着重减少或者截断外部营养物质的输入。目前采取的主要措施有：废污水治理和控制、 氧化塘技术、土地处理系统、污水生物脱氮除磷处理，前置库等。 1 2 1 1 工业污染源的治理和控制 工业污染源的治理和控制包括：调整产业结构，降低污水及污染物产生和排放量；更新生产工 艺和设备，完善企业内部管理；工业生产实行源削减技术，改变不合理的生产、操作和原材料的使 用，用无毒、无害或低毒、低害原料或辅料，取代有害有毒原料或辅料，减少对公众健康及环境的 风险性；建立封闭的生产体系，提高资源的重复利用率和资源的转化率。对排污单位实行限期治理 达标排放，如太湖流域1 9 9 8 年年底前限期治理项目2 0 3 项，总投资5 5 ，0 4 5 万元。“关、停、并、转、 迁”污染企业1 0 4 家 2 1 1 01 9 9 9 年5 月，云南政府实施了“零点行动”计划，流域内2 5 3 家污染企 业中的2 4 9 家实现了达标排放，未能达标的4 家被强迫停工整治。达标排放后，