（环境工程专业论文）组合生态浮床对富营养化水体的净化效果及机理研究.pdf

研究生签名： 雌叫 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。 魏号 日 期： 趔弋 摘要 组合生态浮床对富营养化水体的净化效果及机理研究 摘要 水生植物浮床是富营养化水体水质净化的重要生态工程技术之一，具有直接充分利用水面而无 需占用土地、造价低廉且运行管理容易等优点，已经得到了较为广泛的研究与应用。但普通生物浮 床仅种植水生植物，生物要素单一，有限的生物量也制约了水质净化效能的进一步提高。为提高植 物浮床的水质净化功能，本研究构建了一种由水生植物单元、水生动物单元及人工介质单元( 微生 物单元) 组成的组合生态浮床，通过健全浮床生态系统，强化生物间协同作用，以期达到提高其水 质净化效果的目的。本研究以富营养化湖泊水体为研究对象，考察组合生态浮床对水质改善效果， 并研究了组合生态浮床中3 种生物单元对水质的净化效能和协同作用，探讨组合生态浮床水质净化 机制。通过试验得到了以下的结论： 研究了夏秋季节两个试验阶段，在水体交换时间分别为5 d 、7 d 的条件下植物浮床和组合生态浮 床( 水生植物+ 水生动物+ 人工介质) 对水质的净化效果。研究结果表明，组合型生态浮床在夏、 秋季节对t n 、n i - - 1 4 + - n 、t p 、c o d 、c h l a 的去除效率均明显高于植物浮床，合理的浮床生物配置 可显著提高浮床水质净化效果；秋季阶段两浮床系统对污染物的去除效率较夏季阶段呈降低趋势， 秋季水体交换时间的延长不能弥补温度的降低对浮床去除效果的影响，但组合生态浮床对氮、磷等 污染物的去除率仍明显高于植物浮床，组合生态浮床在一定程度上可改善植物浮床秋季污染物去除 率降低的缺点。 研究了4 种不同生物配置的组合浮床( 浮床a ：水生植物+ 水生动物，浮床b ：水生植物+ 人 工介质，浮床c ：水生动物+ 人工介质，浮床d ：水生植物+ 水生动物+ 人工介质) 的氮、磷、有 机物及藻类的去除效果，定量分析了组合生态浮床中水生植物单元、水生动物单元及人工介质单元 ( 微生物单元) 对污染物的去除率和机制，特别是对氮、磷的净化机理。结果表明：人工介质单元 对t n 、n i - - 1 4 + - n 、t p 去除的贡献率分别为4 8 5 、5 5 1 和4 6 7 ，是组合生态浮床氮、磷净化的主 体；水生植物单元对t n 、t p 的去除贡献率为2 2 2 和2 9 7 ，其中空心菜吸收作用占水生植物单 元对氮、磷去除量的5 8 5 和8 6 3 ，可见，在组合型生态浮床中水生植物的吸收作用是水生植物单 元去除氮、磷的重要途径。水生动物单元对t n 、t p 的去除贡献率为2 9 0 和2 3 6 ，其中三角帆 蚌的吸收作用占水生动物单元对氮、磷去除量的3 2 6 和1 4 1 ，表明同化吸收作用并非是水生动 物单元对t n 、t p 的主要去处途径。水生动物对氮、磷的吸收量小于水生植物，然而水生动物单元 对t n 的去除率( 8 6 ) 高于水生植物单元( 6 5 ) ，对t p 的去除率( 9 2 ) 和水生植物单元( 11 7 ) 相差不多，且水生动物单元对颗粒性氮( p n ) 和c h l a 的去除贡献率分别为4 4 1 和7 9 1 ，表明 水生动物单元三角帆蚌对氮的去除作用是通过滤食藻类等颗粒性氮、磷产生的，此外，水生动物单 元对组合生态浮床氮、磷去除的促进作用主要表现在通过三角帆蚌的滤食、代谢作用提高了有机氮 磷的无机化水平从而促进了微生物的硝化与反硝化作用及植物对氮、磷的吸收，强化了组合生态浮 床对氮、磷的去除。 考察浮床b 、c 、d 中人工介质上微生物富集特性，结果表明生物配置对介质上生物量和总细菌 密度影响不大；水生动物对微生物1 r c 脱氢酶活性和硝化细菌富集的影响较水生植物大，滤食性贝 类三角帆蚌通过对藻类等颗粒性氮、磷的滤食及消化作用促进了有机物、氮磷的可溶化及无机化， 提高了人工介质上微生物1 r c 脱氢酶活性，促进了人工介质硝化细菌的增长，强化生态浮床中人工 介质对污染物的净化效果。 综上所述，通过在植物浮床中引入水生动物和人工介质( 微生物) 单元的组合型生态浮床，能显 著强化传统植物浮床的净水效果，其是改善富营养化水体的有效方法之一。 关键词：生态浮床；富营养化；水生动物；水生植物；微生物；强化水质净化效果1 国家自然科学基金( 2 0 8 7 7 0 1 8 ) ，国家水体污染控制与治理科技重大专项( 2 0 0 9 z x 0 7 1 0 l 加1 1 ) l 东南大学硕士学位论文 s t u d yo np u r i f i c a t i o ne f f e c ta n dm e c h a n i s m o fi n t g r a t e de c o l o g i c a lf l o a t i n g b e d f o re u t r o p h i c a t e d ，a l t e r a b s t r a c t p l a n t e df l o a t i n g - b e d ( p f b ) a so n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e su s e df o rt r e a t i n ge u t r o p h i c a t e dw a t e r i nas i m p l ea n dc o s t - e f f e c t i v em a n n e r , w h i c hh a sa l lu n i q u ea d v a n t a g eo fo c c u p y i n gn ol a n d p l a n t e d f o a t i n g b e db e e nw i d e l yr e s e a r c h e da n du s e d h o w e v e r , t h ep u r i f i c a t i o ne f f i c a c yo ft r a d i t i o n a lp l a n t e d f l o a t i n g - b e di sc o n t r o l l e db yt h eg r o w t hr a t ea n dt h el i m i t e ds t a n db i o m a s so ft h ep l a n tg r o w i n gi nt h e f l o a t i n g - b e d w er e p o r th e r e ，an o v e la p p r o a c ht oe n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lp l a n t e d f l o a t i n g - b e db yi n t r o d u c t i o no ff i l t e r - f e e d i n gb i v a l v ea n db i o f i l mc a r r i e r t h ei n t e g r a t e de c o l o g i c a lf l o a t i n g b e d ( i e f b ) c o n c u r r e n t l ye m p l o yp l a n t ( i p o m o e aa q u a t i c a ) ，f r e s h w a t e rc l a m ( h y r i o p s i sc u m i n g i il e a ) a n d b i o f i l mc a r d e r ( a na r t i f i c i a ls e m i - s o f ta s s e m b l ym e d i u m ) b yc o m p l e t i n gt h ee c o s y s t e mo ft h ef l o a t i n gb e d a n de n h a n c i n gt h es y n e r g yb e t w e e no r g a n i s m s t h e i n t e g r a t e de c 0 一f l o a t i n gb e dc a l li m p r o v et h e e f f e c t i v e n e s so fw a t e rp u r i f i c a t i o n t h ei m p r o v e m e n te f f e c to fe u t r o p h i c a t e dw a t e rq u a l i t yw a si n v e s t i g a t e d ， a n dt h er e m o v a le f f i c i e n c i e so ft h r e eb i o l o g i c a lu n i t sw e r es t u d i e d m o r e o v e r , t h ec h a r a c t e r i s t i ca n d m e c h a n i s mo f t h ei e f bp u r i f i c a t i o nw e r ed i s c u s s e d 1 1 硷p u r i f i c a t i o np e r f o r m a n c e so fp f ba n di e f bw e r ec o m p a r e di ns u m m e ra n da u t u m nt w o e x p e r i m e n t a lp e r i o d su n d e rac o n d i t i o nw i t ht h ew a t e re x c h a n g ep e r i o do f5 da n d 7d r e s p e c t i v e l y t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h et o t a ln i t r o g e nf i n ) ，a m m o n i o nn i t r o g e n ( n i - h + j n ) ，t o t a lp h o s p h o r u s ( t p ) ，c h e m i c a l o x y g e nd e m a n d ( c o d r 妇) ，c h l o r o p h y l l a ( c h l - a ) r e m o v a le f f i c i e n c i e so fi e f bw e r eh i g h e rt h a nw h i c ho f p f bi nb o t ht w oe x p e r i m e n t a lp e r i o d s i ti n d i c a t e dt h a tar e a s o n a b l ea r r a n g e m e n to fc o m p o n e n t si n c o m b i n e df l o a t i n g - b e ds y s t e m sc o u l di m p r o v et h er e m o v a lo fp o l l u t a n t s 1 1 1 ep u r i f i c a t i o ne f f i c a c i e so f p o l l u t a n t si na u t u m np e r i o dw e r el o w e rt h a nw h i c hi ns u m m e rp e r i o d ，h o w e v e r , t h en i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a lr a t eo fi e f bw e r em u c hh i g h e rt h a nw h i c ho fp f b t h ei e f bc a ni m p r o v et h e s h o r t c o m i n g st h a tt h ep u r i f i c a t i o ne f f i c a c yo fp f bw i l ld e c r e a s er a p i d l y i nt h i sp a p e r , n i t r o g e n , p h o s p h o r u s ，o r g a n i cm a t t e ra n da l g a er e m o v a le f f e c t i v e n e s so ff o u rk i n d so f d i f f e r e n tc o m p o n e n t so f t h ee c o l o g i c a lb i o - c o n f i g u r e df l o a t i n gb e d ( f l o a t i n g - b e ds y s t e ma ：a q u a t i cp l a n t s + a q u a t i ca n i m a l s ；f l o a t i n g - b e ds y s t e mb ：a q u a t i cp l a n t s + a r t i f i c i a lm e d i u m ；f l o a t i n g - b e ds y s t e mc ：a q u a t i c a n i m a l s + a r t i f i c i a lm e d i u m ；f l o a t i n gb e ds y s t e md ：a q u a t i cp l a n t s + a q u a t i ca n i m a l s + a r t i f i c i a lm e d i u m ；) w e r es t u d i e d ；c o n t r i b u t i o na n dt h em e c h a n i s mo fa q u a t i cp l a n t su n i t ，a q u a t i ca n i m a l su n i ta n da r t i f i c i a l m e d i u mu n i t ( m i c r o o r g a n i s mu n i t ) t or e m o v en i t r o g e n ，p h o s p h o r u sa n do t h e rp o l l u t a n t sw e r eq u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e d e s p e c i a l l yf o rt h ep u r i f i c a t i o nm e c h a n i s mo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： t h ea r t i f i c i a lm e d i u m ( m i c r o o r g a n i s m ) u n i ta c t e dt h em a i nr o l eo fp u r i f i c a t i o no fl e f ba n di tc o u l dr e m o v e a p p r o x i m a t e l y4 8 5 t n ，5 5 i n h 4 - na n d4 6 7 t pf r o mt h ew a t e r , r e s p e c t i v e l y t h ec o n t r i b u t i o nr a t e o fa q u a t i cp l a n t su n i tt or e m o v et na n dt pw e r e2 2 2 a n d2 9 7 r e s p e c t i v e l y , a n dt h en i t r o g e na n d p h o s p h o r u su p t a k eb yi p o m e aa q u a t i c aa s s i m i l a t i o nw e r et o o k5 8 5 a n d8 6 3 p a r to ft h et na n dt p r e m o v a le f f i c i e n c yo fa q u a t i cp l a n t su n i t s ow ec a ns e et h a ta s s i m i l a t i o ni st h ei m p o r t a n tw a yf o ra q u a t i c p l a n t st or e m o v et na n dt p h o w e v e r , t h ec o n t r i b u t i o nr a t eo fa q u a t i ca n i m a l su n i tt or e m o v et na n dt p w e r e2 9 o a n d2 3 6 r e s p e c t i v e l y , b u tt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u su p t a k eb yh y r i o p s i sc u m i n g i il e a w e r eo n l yt o o k3 2 6 a n d1 4 1 p a r to fm et na n d1 1 pr e m o v a le f f i c i e n c yo fa q u a t i ca n i m a l su n i t t h i s l i a b s t r a c t i n d i c a t e st h a ta s s i m i l a t i o ni sn o tt h em a i nw a yf o ra q u a t i ca n i m a l st or e m o v et na n dt p t h en i t r o g e na n d p h o s p h o r u su p t a k eb ya q u a t i cp l a n t sw e r em u c hm o r et h a nw h i c hb ya q u a t i ca n i m a l s ，t h et nr e m o v a lr a t e o fa q u a t i ca n i m a l ( 8 6 ) w e r eh i g h e rt h a nw h i c ho fa q u a t i cp l a n t ( 6 5 ) ，a n dt h ep h o s p h o r u sr e m o v a lr a t e o fa q u a t i ca n i m a l ( 9 2 ) w e r en e a rw h i c ho fa q u a t i cp l a n t ( 11 7 ) ，f u r t h e rm o r e ，t h ec o n t r i b u t i o no f a q u a t i ca n i m a l sf o rp a r t i c u l a t en i t r o g e na n dc h l o r o p h y l l ar e m o v a lw e r e4 4 1 a n d7 9 1 w h i c hi n d i c a t e d t h a tt h ea q u a t i ca n i m a l sr e m o v et h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb yf i l t e rf e e dt h ep a r t i c u l a t en i t r o g e na n d p h o s p h o r u ss u c ha sa l g a e t h ef i l t e r - f e e d i n ge f f e c to fh y r i o p s i sc u m i n g i il e ap r o m o t e dt h ei n o r g a n i cl e v e l o fo r g a n i cn i t r o g e na n dp h o s p h o r u ss ot h a ti m p r o v e dn i t r i l y i n ga n dd e n i t r i f y i n ge f f e c to fm i c r o o r g a n i s m a n dt h ea b s o r p t i o nt on i t r o g e na n dp h o s p h o r u so fa q u a t i cp l a n t s t h i sw a st h em a i nr e m o v a lw a yo fa q u a t i c a n i m a lu n i ta n di te n h a n c e dt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lo ff l o a t i n gb e d t h em i c r o o r g a n i s me n r i c h m e n tc h a r a c t e ro fa r t i f i c i a lm e d i u mw a ss t u d i e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e a q u a t i ca n i m a l su n i th a dl i t t l ei n f l u e n c et ot h em i c r o o r g a n i s me n r i c h m e n to fa r t i f i c i a lm e d i u m h o w e v e ri t p r o m o t e dt h et t c d e h y d r o g e n a s ea c t i v i t yo fm i c r o o r g a n i s mo na r t i f i c i a lm e d i u ma n dr a i s e dt h ed e n s i t i e s o fn i t r i f y i n ga n dd e n i t r i f y i n gb a c t e r i a , a n di th a dag r e a ts i g n i f i c a n c et oe n h a n c i n gt h ew a t e rp u r i f i c a t i o n e f f e c t i v e n e s so fi e f b c o n c l u s i o n sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ei n t e g r a t e de c o l o g i c a lf l o a t i n g - b e di n t r o d u c i n ga q u a t i ca n i m a la n d a r t i f i c i a lm e d i u mc a ne f f e c t i v e l ye n h a n c e dt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to fp l a n t ef l o a t i n g - b e d , a n di ti sa n e f f e c t i v em e t h o df o ri m p r o v i n ge u t r o p h i c a t e dw a t e rq u a l i t y k e yw o r d s ：e c o l o g i c a lf l o a t i n gb e d ；e u t r o p h i c a t i o n ；h y d r o p h y t e ；a q u a t i ca n i m a l ；m i c r o b e ；w a t e r p u r i f i c a t i o ne n h a n c e m e n t 1 1 1 东南大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i l 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 我国水体富营养化现状l 1 1 2 国外水体富营养化现状1 1 1 3 湖泊富营养化水体的成因2 1 1 4 湖泊富营养化水体的危害3 1 2 富营养化水体生态净化技术一4 1 2 1 水生植物修复技术4 1 2 2 水生动物修复技术6 1 2 3 微生物修复技术7 l - 3 浮床技术及滤食性贝类净水技术一7 1 3 1 浮床技术7 1 3 3 滤食性贝类净水技术9 1 4 课题的研究意义和目的l o 1 4 1 课题的提出1 0 1 4 2 研究的目的和意义ll 第二章组合生态浮床的构建1 2 2 1 组合生态浮床的构建原理1 2 2 2 组合生态浮床的结构1 3 2 3 研究内容1 4 2 4 技术路线l5 2 5 本研究特色及创新之处15 第三章植物浮床与组合型生态浮床对富营养化水体的净化效果1 6 3 1 材料与方法1 6 3 1 1 试验装置1 6 3 1 2 试验材料l7 3 1 3 样品采集和分析1 8 3 2 结果与分析1 8 3 2 1 氮的去除特性1 8 3 2 3 磷的去除特性2 2 3 2 4 有机物的去除特性。2 3 3 2 5 叶绿素a 的去除特性2 5 3 3 本章小结2 6 第四章不同生物配置浮床水质净化效果及机理研究2 7 4 1 材料和方法2 7 4 1 1 试验装置2 7 4 1 2 试验材料2 8 4 1 3 样品采集和分析2 8 4 1 4 去除率计算方法2 8 4 2 结果与分析2 9 4 2 1 组合型生态浮床氮磷物料平衡分析2 9 4 2 2 各生物配置对氮的去除效果和机制。3 0 i v 目录 4 2 - 3 各生物配置对磷的去除效果和机制。3 4 4 2 4 各生物配置对有机物的去除效果和机制。3 5 4 2 5 各生物配置对藻类去除效果和机制。3 7 4 2 6 各生物对透明度的影响3 9 4 3 本章小结3 9 第五章不同生物配置浮床中人工介质微生物富集特性4 l 5 1 试验方法4 1 5 1 1 试验设计4 l 5 1 2 样品采集和分析。4 l 5 2 结果与分析4 4 5 2 1 生物配置对浮床人工介质微生物生物量及微生物活性的影响。4 4 5 2 2 生物配置对浮床人工介质硝化细菌密度的影响。4 6 5 3 本章小结4 7 第六章结论和展望4 8 6 1 研究结论4 8 6 2 研究展望4 9 j j 谢! ；( ) 参考文献51 v 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国水体富营养化现状 第一章绪论 水，是生命之源，是一种无可替代的重要资源，但水资源危机已经成为当今世界许多国家社会 经济发展的制约因素。据统计，过去的5 0 多年，全世界淡水使用量增加将近4 倍，每年高达4 1 3 0k m 3 ， 农业用水占全部用水的6 0 。全球人均水资源拥有量日益下降，有1 0 0 多个国家缺水，严重的有4 0 多个。据预测，亚洲的用水量下世纪将从目前占世界用水量的一半上升到近三分之二。我国水资源 总量约2 8 1 2 4 亿m 3 ( 其中地下水8 0 0 0 亿m 3 ) ，居世界第六，而人均水资源不足2 4 0 0 m 3 ，约为世界人 均水资源量的1 4 ，相当于美国的1 5 ，加拿大的1 4 8 ，世界排名1 1 0 位，我国被列为全球1 3 个人均 水资源贫乏国家之一。近年来，伴随着我国高投入、低产出的粗放型经济增长方式以及人们薄弱的 环保意识，致使大量污染物质直接排放，导致水体生态结构变化，功能退化，出现富营养化状态。 这无疑加剧了我国水质性缺水的局面，严重影响了经济发展和居民的饮用水安全。 根据国家环保部提供的“2 0 0 8 年中国环境状况公报”1 1 】显示：全国地表水污染依然严重，2 0 0 8 年 七大水系水质总体与上年持平，2 0 0 条河流4 0 9 个水质监测断面中，i 类、v 类和劣v 类水 质的断面比例分别为：5 5 0 、2 4 2 和2 0 8 。其中，珠江、长江水质较好，松花江为轻度污染， 黄河、淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染。主要污染指标为高锰酸盐指数、五日生化需氧量、 石油类和氨氮。七大水系的9 7 个国控省界断面中，i 一类，、v 类和劣v 类水质的断面比例分 别为：4 9 5 、2 0 6 、7 2 和2 2 7 。珠江水系省界河段水质为优，海河水系的省界断面水体为重 度污染。 湖泊是我国重要的淡水资源之一，总面积达9 1 0 1 9 k m 2 ，随着经济的快速发展，环境问题的加剧， 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。2 0 0 8 年2 8 个国控重 点湖( 库) 中，满足i i 类水质的4 个，占1 4 3 ；e l 类的2 个，占7 1 ；i v 类的6 个，占2 1 4 ； v 类的5 个，占1 7 9 ；劣v 类的1 1 个，占3 9 3 。主要污染指标为总氮和总磷。在监测营养状态 的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的1 个，占3 8 ；中度富营养的5 个，占1 9 2 ；轻度富营养的6 个，占2 3 o 。其中，滇池，与上年相比，水质有所好转，但水质总体为劣v 类，草海处于重度富 营养状态，外海处于中度富营养状态：巢湖，水质总体为v 类，与上年相比，水质无明显变化。西 半湖处于中度富营养状态，东半湖处于轻度富营养状态；太湖水质与上年相比无明显变化，总体为 劣v 类，中度富营养化。三大湖的主要污染指标为总氮、总磷。据统计，我国主要湖泊因氮、磷等 营养盐的输入而导致富营养化的占统计湖泊的5 6 。 此外，城市内湖水质较差，富营养化趋势明显，2 0 0 8 年对杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖、 济南大明湖水体调查显示，西湖、玄武湖和大明湖处于轻度富营养状态，东湖处于中度富营养状态。 另外，对1 1 9 座水库营养化程度评价表明，6 3 座水库为中营养化，1 3 座水库为富营养化【2 j 。湖泊富 营养化已成为我国重大的水环境问题。 1 1 2 国外水体富营养化现状 本世纪以来，工农业生产大规模地迅速发展，使得大量含有氮、磷营养物质的生活污水排入附 近的湖泊、水库和河流，增加了这些水体的营养物质的负荷量，水体发生富营养化的程度和范围呈 增长趋势。富营养化已成为世界范围内水环境保护中的重大环境问题。联合国环境规划署( u n e p ) l 东南大学硕士学位论文 的一项水体富营养化调查结果表明：在全球范围3 0 4 0 的湖泊和水库遭受不同程度富营养化影响 3 1 。调查亦表明，亚太地区4 5 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4 1 ，我国则是6 0 1 4 1 。在北美洲最受人关注的五大湖泊中，苏必利湖水质最好，属贫 营养湖泊，休伦湖和密执安湖处于中营养状态，而伊利湖和安大略湖则水质相对较差，属富营养型 湖。欧洲在统计的9 6 个湖泊中有8 0 的湖泊不同程度地受到氮、磷的污染，呈现出富营养化状态1 5 1 ， 如中欧最大巴拉顿湖泊，由于非点源污染和游客造成的污染，已经导致了鱼腥藻水华和饮用水变味 的严重富营养化问题1 6 1 ；从1 9 6 0 年到1 9 7 0 年，未充分处理污水中的磷流人位于瑞士、奥地利和德国 的国际湖泊博登湖，造成了富营养化。亚洲湖泊水质的主要特点是水中氮、磷含量偏高。亚洲南部 大部分湖泊富营养化问题突出，适宜的自然条件和湖中营养盐容易引起水华。如日本的k o j i m a 湖， 由于城市污水的大量排放，其植物营养元素氮磷的含量增大，如该水体中的总氮、总磷年平均浓度 分别为1 5m g l 和0 2m g l ( 日本环境标准则分别为1 0m g l 和0 1m g l ) 1 7 j ，富营养化程度加剧。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、有机氛杀虫剂等 污染物污染1 8 1 。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。 1 1 3 湖泊富营养化水体的成因 富营养化( e u 仃o p h i c m i o n ) 一词源于希腊，指湖泊、水库和海湾等封闭、半封闭性水体及某些 滞留河流由于氮、磷等营养素的富集，同时在适宜的温度，光照条件和溶解氧含量等条件下，某些 特征藻类( 如蓝绿藻) 和其它水生植物异常繁殖、水体透明度下降、溶解氧含量降低、水生生物大 量死亡、水质恶化、水味发腥变臭，最终破坏湖泊生态系统。在自然条件下，由于蒸发、降水和河 流夹带冲击物和水生生物残骸的沉降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 养过渡为富营养，逐渐由湖泊变成沼泽最后变成旱地，不过这一历程需要几万年甚至几十万年才能 完成【9 l 。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。水体富营养化问题己经成为世界范围内共同面临的重大水环境问题。 目前，富营养化成因存在两种理论：食物链理论和生命周期理论i i o l 。食物链理论由荷兰科学家 马丁肖顿于1 9 9 7 年6 月在“磷酸盐技术研讨会”上提出的。该理论认为，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，发生富营养 化，该理论说明营养负荷的增加不是导致富营养化的唯一原因。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，含氮和含磷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，过多的消耗水中的氧，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， 使水体失去生态平衡，且从目前我国水体的富营养化状况来看，富营养化产生的原因主要是用后者 ( 生命周期理论) 来解释。由此可见，氮磷等植物营养元素的过量流入湖泊河流水体是富营养产生 的重要原因，其污染来源主要有以下方面。 ( 1 ) 农业面源污染，主要指农业中化肥、农药、畜禽粪便及水产养殖等带来的污染。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。据统计，1 9 9 9 年， 我国农用耕地平均化肥施用量达2 6 2 4k g h m 2 ，是世界化肥平均用量( 1 0 5 0k g h m 2 ) 的2 5 倍。而 我国化肥的有效利用率很低，据统计氮肥平均利用率为3 0 5 0 ，磷肥1 0 - 2 0 i l l j 。流失的氮磷及其 无机盐类可随地表径流进入地面水或下渗，通过地表侧向运动排入湖泊中，这是导致地表水富营养 化的直接原因。据对太湖污染源的调查1 1 2 ，来自农业面源污染的总氮排放量达2 7 6 7 9 4 t ，占该地区 总氮排放量的3 6 1 ，其中化肥流失占农村污染源的5 8 5 。此外，畜禽养殖废料和粪便，水产养殖 残饵及排泄物中氮、磷也会大量进入水体。美国【l3 】网箱养虹鳟饵料中仅有2 4 7 的氮和3 0 0 的磷 被鲑体吸收利用，而7 5 3 的氮和7 0 o 的磷被直接排入水体。 ( 2 ) 点源污染，指工业废水、生活污水的排放对水体造成的污染。2 0 0 8 年，全国工业和城镇 2 第一章绪论 生活废水排放总量为5 3 6 8 亿吨，比上年增加2 7 ，其中工业废水排放量2 4 0 2 亿吨，城镇生活污 水排放量2 9 6 6 亿吨。废水中氨氮排放总量1 4 1 3 万吨，其中工业废水中排放量4 2 5 万吨，城镇生 活污水中排放量9 8 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成为水体富营养化的最大污染源。 ( 3 ) 内源污染 内源性污染是水生生态系统中蓄积的营养物质重新向水体释放产生的污染。其主要产生途径： 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 、1 1 p 分别为3 5 1 0 7 l ( g 、2 2 6 x 1 0 7 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 4 】。 1 1 4 湖泊富营养化水体的危害 ( 1 ) 破坏水域生态平衡 在