（环境科学专业论文）水生植物对底泥磷的释放与吸附特性的影响.pdf

南京信息工程大学硕士论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e st h ee f f e c to fi n t e r n a lp o l l u t i o ns o u r c e si n 碱h uo n t h ee u t r o p h i c a t i o n f i v es e d i m e n t s ：t h ec o n t r o la n ds e v e r a ls e d i m e n t so f m a c r o p h y t e s ( v a l l i s n e r i as p i r a l i s , p h r a g m i t e sc o m m u n i s z i z a n i a 如f 的，f 口( g r i s e b ) ，w a t e rc h e s t n u o f r o mm e i l i a n gb a yo f t a i h ul a k e r e r et e s t e di nd i f f e r e n tc o n d i f i o i l s w es t u d yt h e r e l e a s e a d s o r p t i o no fp h o s p h o r u sf r o ms e d i m e n t sa n dt h ee t f e c t i n gf a c t o r s a n dt h e i m p a c to fm a e r o p h y t eo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp h o s p h o r u sr e l e a s ea n da d s o r p t i o ni n s e d i m e n t s f r o mt h ea n a l y s eo fp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h es e d i m e n t s ，t h et o t a lp h o s p h o r u so f s e d i m e n t sw a sa sf o l l o w s ：v a l l i s n e r i a s p i r a l i s t o 9 5 1 8 m g k g 一。p h r a g m i t e s c o m m u n i st o9 8 2 7m g k g ，z i z a n i al a t i f o l i a ( g r i s e 剀t o8 2 5 5m g k g q , t h ec o n t r o lt o 1 0 2 1 3m g k g 1 t h eo r g a n i cm a t t e rc o n t e n tw a sa sf o l l o w s ：v a l l i s n e r i as p i r a l i st o 3 5 8 1m g k g ，p h r a g m i t e sc o m m u n i st o2 9 3 7 9m g k g 1 ，z i z a n i al a t i f o l i a ( g r i s e 剀t o 3 4 4 2 6m g k g ，t h ec o n t r 0 1t o3 6 3 0 5m g k g a c c o r d i n gt o 也er e s u l t s s e v e r a lc o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) a d s o r p t i o ni s o t h e r m so fp h o s p h o r u sa n dt h ep h o s p h a t ek i n e t i co nf o u r s u r f a c es e d i m e n t st a k e nf r o mt a i h uw e r ed e t e r m i n e di nl a b o r a t o r y , m e a n w h i l e ，t h e e f f e c to fo ni t sp h o s p h a t ea d s o r p a o uc h a r a c t e r i s t i c sw a sa l s oa n a l y z e d a d s o r p t i o n i s o t h e r m so fp h o s p h o r u se x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a t ：w i t ht h ei n c r e a s i n go fp h o s p h a t e c o n c e n t r a t i o ni nt h eo v e r l y i n gw a t e r , t h ep h o s p h o r u sa d s o r p t i o nc a p a c i t yi n c r e a s e d p h o s p h o r u sa d s o r p t i o nw a sd i f f e r t e n to nd i f f e r e n ts e d i m e n t s a tt h es a n l et i m e t h e p h o s p h o r u sa d s o r p t i o nc a p a c i t yi nc o n t r o lw a sl e s st h a nt h eo t h e r s t h ep h o s p h a t e k i n e t i ce q u i l i b r i u mc o n c e n t r a t i o nw a s c l o s e l yc o r r e l a t e dt ot o t a lp h o s p h o r u sa n di r o n ( o x y ) h y d r o x i d e sa n do r g a n i cm a t t e r s o r g a n i cm a t t e rc o n t e n t , f ec o u l dp l a ya s i g n i f i c a n tr o l ei nd e t e r m i n i n gt h ep h o s p h o r u sa d s o r p t i o nc a p a c i t y ( 2 ) n l er e l e a s eo fp h o s p h o r u sf r o ms e d i m e n t sw a sc o n t r o l l e d b ym a n y f a c t o r s ，s u c ha sd o ，p h ，t e m p e r a t u r e ，d i s t u r b a n c e n l cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so ff o u r s e d i m e n t si n d i c a t e dt h a t p h o s p h o r u s r e l e a s ew a sa f f e c t e db ye n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s t h e i n t e n s i t y o fp h o s p h o r u sr e l e a s ew a si n c r e a s e dw i t h h i g h t e m p e r a t u r e ，d i s t u r b a n c ea n da n a e r o b i cc o n d i t i o n w h e nt h ep ho fw a t e ri sa c i d i ca n d a l k a l i n ec o n d i t i o n , t h ei n t e n s i t yo f p h o s p h o r u sr e l e a s ew a s 1 a r g e rt h a nn e u t r a la c i d i c ( 3 ) n 坨e x p e r i m e n t so fp h o s p h o r u sr e l e a s ew e r ec o n t r o l l e d a td i f f e r e n t t e m p e r a t u r ea n dm i c r o b i a lc o n d i t i o n s n l cr e s u l t ss h o w e dt h a th i 吐t e n a p e r a t u r ea n d m i c r o b i a la c t i v i t i e se n h a n c e dp h o s p h o r u sr e l e a s e p l a n t i n gt h em a c r o p h y t e s ，s u c ha sp h r a g m i t e sc o m m u n i s w a t e rc h e s t n u ta n ds o o n , m a yt oa c e r t a i ne x t e n tr e d u c ei n t e r n a lp o l l u t i o no ft h el a k es e d i m e n t , w h i c hc a n p r o v i d es o m er e f e r e n c e sf o re u t r o p h i c a t a dt a i h ul a k ea n de c o l o g i c a lr e m e d i a t i o n k e yw o r d s ：e u t r o p h i c a t i o n , s e d i m e n t , m a c r o p h y t e ，p h o s p h o r u sr e l e a s e ，a d s o r p t i o n 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以。求实、创新”的科学精神从事研究工作 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果 5 、其他同志对本研究所傲的贡献均己在论文中作了声明并表示 了谢意 作者签名：捣燕熟 日 期：砬：已是 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复翩 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密 的学位论文在解密后适用本规定 作者签名：如蓬敏 日期： 狸丑：。金 南京信息工程大学硕士论文 第一章太湖富营养化状况及底泥磷在水生生态系统中的 。 重要性 水体富营养化是当今世界一个严重的环境问题。在大多数已研究的湖泊中， 磷被认为是水体浮游藻类的限制性营养元素，其水体含量与湖泊的营养程度有 极为密切的关系“。对于大多数外源磷得到控制的水体来说，底泥磷的释放对 长期维持藻类生长，促进湖泊富营养化的发展具有举足轻重的作用。因为湖泊 底泥中营养盐，特别是溶解态磷进入底泥间隙水中，进而扩散到上覆水中参与 循环”，磷在水体中的含量与湖泊的营养程度和湖泊水华的暴发有极为密切的 关系。 随着我国工农业的迅速发展和城市化进程加快，工业废水和生活污水排放 量日益增加，给诸多湖泊环境造成了不良影响。全国性的湖泊富营养化、干旱 地区湖泊水质咸化、湖泊淤积或萎缩、湖泊生态破坏以及水质恶化等环境问题 不断出现和发生，给湖区人民的生产和生活造成了巨大的损失。 1 1 水体富营养化与底泥的关系 从2 0 世纪3 0 年代首次发现富营养化现象到现在，全世界已有3 0 4 0 的湖泊和水库受到不同程度的富营养化的影响“”。而人类对富营养化的关注最 初起源于2 0 世纪5 0 年代，并逐步开展了研究”。我国由于研究起步较晚，再 加上我国的湖泊环境非常脆弱，湖泊中营养物质来源广，背景浓度高，加速了 富营养化的进程，相当一部分湖泊污染严重，不时爆发水华现象，如太湖、滇 池等湖泊。 国外有些科学家已开展了水生植物对底泥营养盐交换通量及水体营养盐内 源负荷的影响研究。如g r a n e l i 【7 1 认为大型水生植物能够通过提高水体透明度、 降低再悬浮作用、减弱上覆水体的水面复氧作用来改变间隙水和底泥的环境条 件的从而改变水土界面交换通量。a n d e r s e n t s 在进行了丹麦的k v i e 湖的草型湖 区和深水湖区( 无永生植被生长) 的磷酸盐释放研究后认为：草型湖区底泥间 隙水显示了较高的磷酸盐含量，理论上应具有较高的磷酸盐分子扩散通量。但 是观测值却大大低于理论值，他认为原因归结于水生植被对释放出来的磷酸盐 的吸收以及水生植被被同化放氧作用导致表层底泥形成氧化层阻碍了磷酸盐的 释放。他认为利用大型水生植物改变底泥理化性质和沉降特性，从而降低磷释 放速率是可行的。 1 1 1 水体富营养化概况 水体富营养化是指氮、磷等植物性营养物大量进入湖泊、海湾等相对封闭， 水流缓慢的水体，引起藻类和其他水生植物大量繁殖，水体透明度和溶解氧下 降，水质恶化，其他水生生物死亡，水体生态系统和水功能受到阻碍和破坏的 南京信息工程大学硕士论文 现象。这个过程甚至引起沉水植物的急剧消失和以浮游藻类为主的浊水态的突 然出现m 。 髓着湖泊营养物质的增加，湖泊水生植物群落结构趋向简单，水生高等植 物种类不断减少，浮游植物种类也不断减少，藻类个体数量不断增加，富营养 化指示种类蓝藻的优势地位不断上升，湖泊由草型湖泊逐步演变为藻型湖泊， 藻类死亡后，又促使分解藻类的异养微生物大量繁殖，水质逐步恶化。1 。 表1 1 为我国湖泊富营养化评分与分级标准。表1 2 为国外湖泊富营养化分级 标准。 表i - i 我国湖泊富营养化评分与分级标准“” t a b l e l 一1 c r i t e r i o no f e u t r o p h i c a t i o ng r a d c i n c h i n a 表i - 2 国外湖泊富营养化分级标准1 t a b l e l - 2 c r i t e r i o no f e u t r o p h i c a t i o ng r a d ei no t h e rc o u n t r i e s 随着经济的发展，我国的大部分湖泊都受到了不同程度的污染，大量的营 养盐( 如n 、p 等) 不断流入湖泊，营养盐的富集使得湖泊的生态系统严重退 化，以至于饮用水、工业和农业生产、娱乐等为目的水的使用也受到损害。1 。 2 南京信息工程大学硕士论文 在我国调查的3 7 个主要湖泊，中营养型和中一富营养型的占5 5 8 ，富营 养型的占1 4 7 ，重富营养型的占8 8 。其中很多湖泊，如鄱阳湖、巢湖、 太湖、洞庭湖等在国民经济中的地位十分重要，对富营养化湖泊的预防治理已 成为当务之急“。 1 1 - 2 底泥磷释放是影响湖泊富营养化的重要原因之一 1 1 2 1 底泥的定义 大多数研究者将河流等水体底部的沉积物与河流底层土壤统称为底泥。由 于底泥中所含的腐殖质、微生物、泥沙及土壤微孔表面的作用，在底泥表面发 生一系列的沉淀、吸附、化合、分解、络合等物理化学及生物转化作用，对水 中污染物质的自净、降解、迁移、转化等过程起着重要作用。因此，水体底泥 是水体环境中的重要组成部分，已经成为人们研究自然水体时必须考虑的一个 重要方面。 1 1 2 2 底泥主要物理化学性质 湖泊底泥是湖泊营养盐的重要蓄积库，大量污泥的淤积不仅加速湖泊的沼 泽化，而且对湖泊水质及生态系统造成严重威胁。在研究湖泊富营养化的工作 中，探明湖泊底泥中营养盐的特征、含量及其赋存状态，具有非常重要的意义， 同时也可以为底泥中营养盐的治理工程提供科学依据。 底泥的物理化学性质是其形成、迁移和转化的综合反映，同时也是制约和 影响污染物在环境中迁移转化的重要因子。湖泊底泥自上而下分为三层：第一层 为污染层，为近- - = 十年人类活动的产物，多呈黑色至深黑色；第二层为过渡 层，含大量沉水植物根系及茎叶残骸，结构疏松；第三层为正常湖泊沉积层， 一般保持湖区周围土壤母质的岩相特征，多为粘质夹粉质粘土，质地密实。底 泥中一般含有丰富的营养盐和大量的腐败性有机质、重金属和砷等有害物质”1 。 1 1 2 3 底泥中磷的形态 底泥的磷形态，不同的研究者有不同的分级方法。在我国湖泊研究中，许 多学者把底泥中的磷分为无机态和有机态，无机态分为钙磷( c a - p ) 、铝磷 ( 舢p ) 、铁磷( f e p ) 、闭蓄态磷、可还原态磷( r e s p ) 、残渣态磷( 残一p ) 。 因为有机磷研究进展不大，一般不细分，只作为一个磷的整体考虑“。 国外有的研究者( 如h e r m a n 等) 把底泥中的磷区分为：不稳定态磷( 如 可交换的，包括可吸附的、易水解的或易溶的；易被微生物利用的) 、难溶态磷 ( 指在几十至几百年的短期不会被岩化) 。随着磷化学提取剂的广泛应用，人们 又将底泥中的磷划分为可吸附磷、与c a c 0 3 结合的磷、f e 和a l 束缚态磷、易 提取的生物磷、钙矿物磷( 如磷灰石) 、难溶的有机磷、这些磷形态可被广泛组 合为无机磷( 松散束缚态磷和钙矿物磷) 、有机磷( 易提取的生物磷和难溶有机 磷) ，其中易提取生物磷还包括源于生物的无机多磷酸盐“。 南京信息工程大学硕士论文 研究表明，磷是影响水体富营养化的关键营养元素“”“，在减少外源污 染后，底泥向水体释放的营养物质，这种内源污染仍然能保持湖泊的富营养化 状态。”。总氮和总磷的含量可以反映湖泊水体的富营养化程度，一般而言，富 营养化严重的湖泊，其底泥中营养盐含量也高。国际上一般认为水体发生富营 养化的总氮、总磷浓度为0 2 m g l 和0 0 2 m g l “”。研究表明，藻类的繁殖能力 与磷的供应关系密切”“。也决定了太湖的富营养化程度。 1 2 太湖水质和底泥现状分析 1 2 1 太湖水质现状分析 太湖位于长江三角洲南翼坦荡的太湖平原上，是我国东部一个大型的浅水 湖泊。南北长6 8 5 5k m ，东西宽3 4 1 lk m ，水面面积2 3 3 8k m 2 ，是仅次于鄱 阳湖和洞庭湖。太湖湖底极为平坦，7 2 3 的湖底处于水深1 5 2 5m 之间， 平均水深只有1 8 9m 。太湖主要由苕溪、南溪和运河三个水系补给，出湖水量 主要通过东太湖的太浦河与吴淞江，二者曾占出湖水量的7 0 以上9 “。 太湖水质目前处于富营养化状态，其在丰水期和枯水期有所不同。太湖丰 水期一般拥有中、中一富营养、富营养、重富营养四种营养类型，其中大部分湖 面属中一富营养型，富营养型面积约占太湖的1 3 。太湖桔水期富营养型区域几 乎占全湖的1 2 ，较丰水期有的扩展；重富营养型区域也较丰水期扩大。太湖丰 水期、枯水两期富营养型水域主要分布在北部湖湾和自西部向南直至东南部沿 岸一带，形成这种情况与太湖主要入湖河道位置以及城镇分布有关，这些水域 首先接纳大量的由上游河道及城镇排放的废水和污水。 根据几十年的调查结果，太湖水中无机氮从上世纪6 0 年代的0 0 1 n 0 0 5 m 扎汹1 增加到1 9 8 7 年的1 o 5 0m g l 。，总氮从1 9 8 7 年的1 8 4m g l ( 平均) o ”增加到1 9 9 4 年的2 0 5m g l ，总磷从1 9 8 7 年的0 0 3 2m g l ( 平均) 增加到 1 9 9 4 年的0 0 8 6m g l 。具体情况如下表l - 3 。 表1 3 太湖的部分营养盐指标随年份的变化表 单位：m g 几 t a b l e1 - 3t h ec h a n g e so f n u t r i t i o ni n d e x e si nt a i h ui nd i f f e r e n ty e a r s 缺失 4 南京信息工程大学硕士论文 自八十年代以来，太湖生物方面的调查结果显示浮游植物生物量升高了4 5 倍，但种类数量在减少，且自2 0 世纪5 0 年代以来优势种以蓝藻一绿藻和硅藻为 主，转为以蓝绿藻和隐藻为主”1 。1 9 8 0 1 9 8 5 年中国环境科学研究院与有关单 位、高等院校合作，开展了我国湖泊富营养化的调查。几次大面积的底泥调查 结果看，我国绝大多数湖泊在7 0 年代后期和8 0 年代初还处于贫一中营养或 中一富营养状态，达到富营养化的湖泊面积只占调查面积的0 3 。随着工农 业的迅猛发展，越来越多的湖泊富营养化，而其中n 、p 的增加是主要原因， 并且一部分n 、p 直接被底泥吸附“。 太湖自1 9 8 7 1 9 8 8 年在五里湖和梅梁湾出现重污染水体( v 类) 以来，其水质 问题就一直倍受关注。这两个湖湾是无锡市重要的水源地，水质的好坏直接关 系着人们的生产和生活。“太湖零点行动”计划的实施，水质有了一定程度的 改善。但因底泥是一巨大的污染物储存库，底泥中物质含量大小是决定该物质 向水中释放程度的重要因素之一，底泥的扰动、温度的升高、p h 值的改变都会 使污染物释放到上覆水体中，引起水体的二次污染。 表l - 4 太湖的部分营养盐指标随月份的变化表 t a b l ei - 4t h ec h a n g e so f n u t r i t i o ni n d e x e si nt a i h ui nd i f f e r e n tm o n t h s 从太湖底泥不同时期氮、磷的变化来看，二十世纪八十年代是太湖流域工 农业的快速发展时期，也是居民生活大幅度改善时期。无论是农田施肥。工业 废水排放，还是生活污水、生活垃圾的堆放，都有大量的氮磷进入太湖( 尤其是 含磷洗衣粉的使用) ，造成了底泥中氮磷元素的不断升高。九十年代中期以后， 南京信息工程大学硕士论文 由于政府对太湖环境的逐步重视，减少了污染源排放，逐步禁用了含磷洗衣粉， 使得外源的氮磷元素增加很少，因此太湖水质有好转的迹象。 另外，- 从2 0 0 3 年8 月到2 0 0 4 年7 月对太湖梅梁湾的1 0 个监狈十点的水质监测结 果( 见表l - 4 ) 来看，透明度、溶解氧冬春两季较高，夏秋两季较低：藻类总密 度冬春两季较小，夏秋两季较大；而其它指标并不随季节的变化而有规律地变 化。其中的多项指标已超标，如总氮、生化需氧量，水质达v 类水，污染严重， 富营养化程度很深。 近年来随着太湖地区经济的迅速发展，入湖主要河道和湖区的水质污染日 益严重，湖水的富营养化特征非常明显，几乎每年夏天都有大面积的蓝藻爆发， 主要分布在北部湖湾、西部和南部沿岸，对水质和鱼类产生了严重的危害。太 湖水质的恶化，严重破坏了湖区的生态环境，给整个地区的发展带来极其不利 的影响：”1 。 1 2 2 太湖底泥现状分析 底泥是营养元素氮、磷的聚集地，对湖泊的贡献很大。太湖北部是太湖底 泥污染最严重的地区，也是营养元素的高值区。 从实际调查情况看，太湖底泥主要分布在古河道。北部的五里湖、梅梁湾、 东太湖、入湖口附近，湖西岸附近、东山岛和西山岛沿岸，其中古河道内底泥 厚度最大，可达9 m ，五里湖和梅粱湾中底泥厚度为0 8 1 5 m ，太湖沿岸的底 泥一般在0 2 0 6 m ，西山岛沿岸底泥的厚度一般为0 1 0 2 m ”。东太湖底泥 的有机碳含量最高，其次为北部的底泥，中部底泥的有机碳含量最低。对比1 9 8 8 年的实测太湖表层底泥p h 值变化，经过十多年后，太湖的p h 值明显升变小了， 说明有酸性物质介入了。 太湖的富营养化与当地工农业的发展有密切的关系，图1 1 为2 0 世纪6 0 年代 以来太湖底泥p 含量的变化趋势，从曲线可以看出，6 0 年代p 含量较低，8 0 年代开始缓慢上升，到1 9 9 4 、1 9 9 5 年达到最大，9 0 年代后期含量变化开始平 稳或略有降低。总磷在1 9 6 0 1 9 9 5 年间上升了3 1 8 ”1 。9 0 年代初期、中期 和2 0 0 0 年，t p 分别为0 0 9 、0 1 0 和o 0 8 。相应的梅梁湾t p 值为0 。0 6 、 0 0 6 和0 0 7 。从中看出五里湖磷的变化明显，梅梁湾不明显。北部涸湾底泥 总磷的变化是太湖变化的一个缩影，反映出经过近年来政府治理力度的加大， 湖泊的富营养化状况得到初步控制。 由于长期以来主要依靠增加资源和劳动力投入，过度消耗自然资源和破坏 生态环境来发展经济，已导致生态环境急剧恶化，特别是水体污染与富营养化 日趋严重。研究表明1 ，太湖流域河流、湖泊富营养化现象依然十分严重，湖 泊水质优于河道水质，出湖河道优于入湖河道。提出建立太湖流域新的河网水 系、治湖与治河相结合、加大引江入湖的力度等治理太湖流域水环境的建议。 6 南京信息工程大学硕士论文 1 9 6 0 1 9 8 71 9 9 01 9 9 3 1 9 9 62 0 0 0 年份( a d ) 图1 i 近4 0 年来太湖底泥中p 含置的变化趋势4 “4 ” f 培i - ic h a n g e so f p h o s p h o r u sf o rb o t t o ms e d h n e n t si nt a l h ul a k ed u r i n gp a s t4 0y e a r s 1 3 太湖富营养化成因分析 湖泊底泥中的营养盐是形成湖泊富营养化的关键因素，也是植物生长的关 键因素。尤其磷是藻类生长的主要限制因子，可以在底泥中保留很长时间4 1 。 磷释放受各种环境因子影响，自底泥中释放的磷首先进入底泥间隙水，这是释 磷速率决定步骤4 1 。释放出的磷逐步扩散到底泥表面，进而向湖泊上层水混合 扩散，成为湖泊总磷的一部分。太湖富营养化评价标准如表1 5 所示。 表l - s 太湖富营养化的评价标准“( 据相崎字弘修改) t a b l ci - 5t h ee v a l u a t i o ng u i d e l i n e so f t h ei r o p h i cs t a t u si nt a l h ul a k e 分值营养类型 绿素透明度总磷总氮 c o d ( t o g a主要浮游植 ( 鹇n ) ( m ) ( g 1 ) ( m g n ) 物种类 1 0极贫营养0 6 61 50 90 0 20 2 4 2 0 极贫营养 1 6 082 00 0 40 4 8 3 0贫营养4 1 04 44 60 0 80 9 6 金藻 4 0 贫一中营养 1 0 0 0 2 4 1 0 00 1 61 8 0 金藻 5 0 中营养 2 6 0 01 32 3 00 3 13 6 0 钾藻 6 0 中一富营养 “0 00 35 0 00 6 57 1 0 硅藻 7 0 富营养 1 6 0 0 0o 4 01 1 0 01 2 01 4 0 0 硅藻、蓝藻 8 0重富营养4 0 0 0 2 2 2 5 0 02 3 02 7 0 0 蓝藻、钾藻 9 0 极富营养 1 0 0 0o 1 25 5 5 04 6 05 4 0 0 非常规生物 7 埔m挖j阻舵0 o 0 o 0 o o o 乎v 嫠蘧 南京信息工程大学硕士论文 太湖近年来的水体富营养化加剧引起了多方面的重视，大量针对性的研究 从不同的角度探讨了其富营养化的形成机制”“。太湖富营养化的成因主要有 以下几个方面： 1 3 1 当地的自然条件是产生太湖水体富营养化的自然因素 太湖平原是外高内低的碟形洼地，地表径流自四周河道汇集入湖，养分易 聚集，且多数出水口受堵，湖中水分易进难出，在湖中滞留时间过长，尤其是 枯水季节养分在湖中大量积累，为藻类的生长提供充足营养；流量较小，相对 比较封闭，入湖营养物质常在未输出之前就沉积于湖底，增加了湖区内源污染 物量：湖水流速0 2 6 0 c m s ，换水周期较长，丰水年2 5 1 天，平水期4 9 2 天， 湖水更新自净能力差；岸线曲折，湖东、北部地区形成众多湖湾，如梅梁湖、 东太湖等，在夏季东南风的影响下，浮游藻类随风飘移，聚在湖湾形成水华哪，： 作为浅水湖泊，太湖平均水深1 8 m ，表层、底层不断循环，底层有机物质分解， 导致溶解氧迅速消耗，促进底泥中p 释放，这些养分迁移到表层，促进藻类生长 c 柚： 1 3 2 营养物质的大量输入是导致太湖水体富营养化的根本原因 太湖的水质富营养化，实质上是太湖水体生态系统受污染造成的。水体在 尚未受到污染情况下，系统内生物种类多，而每个种的个体数少，各种群之间 保持较为稳定的关系。水体受污染后，生物种类逐渐减少，存活的个别种的个 体数将增加。富营养化水体中，生态结构破坏，生物种类明显减少，而藻类和 异养菌个体数剧增，这就导致水质恶化，使水的使用价值降低。富营养化湖中 藻类生长的限制因素是氮和磷。水体中氮、磷增加是藻类过度生长的主要原因。 太湖中n 和p 浓度相当高，远远高于国际上公认的发生富营养化t n 和t p 的 浓度，加上太湖湖盆较浅，有利于底泥中n 和p 的释放，为藻类的繁殖提供 了充足的营养。此外大量的研究事实表明，低n p 比有利于蓝藻的增殖。一般 认为微囊藻对氮、磷的需求比为9 ：1 4 “，太湖的n p 大都在1 0 左右，在最适 宜微囊藻增殖的范围内，这是太湖水华盈湖的重要原因。 如图1 - 2 所示，在太湖水体污染中，从全流域总氮排放负荷来看，农业面源 污染( 含畜禽养殖) 所占的比重最大；从总磷排放负荷来看，生活污水所占的。 自2 0 0 0 年以来，太湖流域的点源污染逐渐得到控制，但面源污染的问题更显突 出了。 南京信息工程大学硕士论文 7 0 0 0 一 6 0 0 0 一 差5 0 o o j i - 4 0 0 0 3 0 0 0 篓2 0 瞄一 1 0 0 0 一 0 0 0 歹芦 图1 - 2 太湖总磷负荷百分比 f i g 1 - 2p e r c e n t a g e so f t o t a lp h o s p h o r u sl o a d i n go f t a i h u l - 3 3 污染源的治理与管理不善是水体富营养化形成的重要因素 1 3 3 1 城市二级水处理技术不能从根本上减轻水体富营养化状态 湖泊富营养化的演变过程可分为3 个阶段：第一阶段，初期有机污染。大 量工业废水和生活污水未经处理入湖后，会导致湖内化学需氧量急剧增高，湖 水呈厌氧状态，进而水生生物大量死亡，湖体原有的自净机制被破坏；第二阶 段，早期富营养化。湖内的有机污染物直接作为有机碳源，被藻类吸收后大面 积繁殖，形成局部地区的水华现象；第三阶段，深度富营养化。当采用城市二 级处理技术解决前两个阶段遇到的污染问题时，由于缺少对氮磷的必要处理， 常常会加快湖泊的富营养化进程。 当污水进入湖区后，水中有机氮磷先要转化为无机氮磷才能进入合成藻类 的阶段，但二级处理技术却使氮磷在入湖前就已经呈现无机状态，使得原本缓 慢的转化过程几乎完全消失，无机氮磷可以迅速为藻类生长提供营养物，形成 大范围的水华现象。从湖泊水体的污染特征来看，目前太湖的富营养化正处在 深度富营养化阶段。随着流域内二级污水处理工程规模的扩大，太湖水体污染 的类型亦发生了转变，即由有机污染型向植物营养型转变，这种转变大大加快 了其富营养化的进程。 1 - 3 3 2 污染源的管理薄弱不能保证水体富营养化状态的减轻 太湖的富营养化主要是不合理的各种人为活动造成其生态系统严重失衡表 现出来的一种症状。多年来由于对太湖生态环境容量及维护生态平衡认识不足， 在开发利用太湖资源的活动中出现了一系列失误，不合理的开发利用给太湖生 9 南京信息工程大学硕士论文 态环境造成极大破坏，导致湖泊富营养化日趋严重。时至今日，对太湖的人为 危害仍在继续，较为突出的是随意侵占水体、擅自在湖滨区修建渡假村、围堰 养殖、缺乏统一规划，无限制地开发利用太湖等，形成一面治理，一面又污染 的局面。如此下去，太湖水质恶化的趋势仍将继续。 在太湖的保护中，管理与治理同等重要。但当前太湖的管理现状仍比较薄 弱，多头管理、各自为政的局面比较突出，缺乏权威性的统一指挥和协调机构。 因此要控制太湖富营养化，改善太湖水质首先要停止一切不合理的危害太湖的 人为活动，认真总结太湖前期的治理经验和存在的问题，强化管理，制定出符 合太湖实际的、切实可行的、有效的管理对策。 1 3 4 太湖水体污染源的控制 控制污染源是富营养化控制与水体复原的重要前提。 1 3 4 1 工业污染源的控制 鉴于太湖水体的污染程度及换水周期长等特点，应对富营养化指标制定严 于国家标准的控制指标，减少太湖污染物的输入，鼓励清洁生产，淘汰落后的 生产工艺，提高产业的科技水平，提高资源利用效率，严格实施排污总量的控 制，严格对排污企业排污行为的监督和管理。 1 3 4 2 城市生活污水控制 生活污染的快速增长很大程度上是由于城市规模扩大、人口增加太快造成 的，应严格控制太湖流域城市规模和人口增长，发展卫星城市。沿湖的小城镇 应尽快建立污水处理厂或处理设旌。进一步加大城市生活污水处理厂的建设力 度，积极开发新工艺、新技术，努力提高脱磷、脱氮效率，通过城市生活污水 处理厂的全面截污和长效运行，不断减少含氮、磷污染物的排放；所排出的污 水也应纳入排污总量的控制，接受监督和管理。 1 3 屯3 面源污染控制 根据农业部门1 9 9 9 年的统计，每o 6 7 耐施化肥纯氮量达到3 1 2k g ，农 药达到5 0 9 3g 。化学肥料的大量流失造成太湖水体氮、磷增高，这是太湖污 染防治的一大难题。因此，必须有效控制农村面源污染。进行农村垃圾和农业 废弃物的无害化处理和管理工作，对农村生活污水实施有效的实用的处理，将 畜禽粪便经微生物发酵制成生物活性有机肥料，在流域农田推行科学施肥及合 理溉灌技术，保肥节水，降低农田土壤中氮、磷元素的流失，减少进入太湖的 污染物；并建立河网面源控制强化净化前置库系统，汇集地表径流，优化配置 水生生物，使河网区的生态系统的基本功能得到恢复，水环境质量得到改善。 推广应用以上技术，将使太湖地区农田氮、磷流失得到控制。 1 4 底泥生物修复机理及应用 1 0 南京信息工程大学硕士论文 自然的河道、湖泊里有大量的植物和微生物，它们都有降解有机污染物的 作用。植物还可以向水里补充氧气，有利于防止污染。有研究表明，运用水生 植物和微生物共同组成的生态修复系统能够有效的去除多环芳烃的污染，高等 水生植物可提供微生物生长所需的碳源和能源，根系周围好氧菌数量多，使得 水溶性差的芳香烃，如菲、蒽以及三氯乙烯在根系旁边迅速降解。根周围渗出 液的存在，能提供降解微生物的活性。种植水生植物的根茎能控制底泥中营养 物的释放，而在生长后期又能较方便的去除，带走部分营养物“。 还可以利用水生生物修复富营养化湖泊，以生态工程形式出现的水生生物 对湖泊富营养化修复有巨大功效；尤其是它们强大的根系和植株，对磷的摄取 和同化有着微生物所无法替代的作用。据报道，被制成浮床的大榕草、香根草、 水芹、水蕹草、多花黑麦草等对去除水体氮、磷和抑制藻类孳生均有明显的作 用* “。这些植物发达的根系及与根系共生或混生的微生物往往共同对水环 境起着净化作用。 随着生物技术的发展和对环境保护的重视，对污染底泥修复的研究己越来 越广泛，生物修复与其他修复方法相比，由于其具有不可比拟的优势，具有节 省费用。对环境影响小，能够最大限度的降低污染物的浓度，而且能够在其他 技术难以使用的场地使用的优点，因此生物修复已在许多河湖进行试验，成为 治理污染底泥的热点修复方法。但是对于某些难降解的污染物没有效果，特定 的生物只能吸收降解一种特定的化学污染物，目前某些重金属超富集植物还没 有找到等。 1 4 1 用e m ( 有效微生物) 修复富营养化湖泊 李雪梅7 等在华南植物园已重度富营养化的人工湖( 1 0 0 0 m 2 ) 做投加多稽 e m 制剂试验，1 9 9 8 年4 月6 月投加的制剂达到湖水菌剂浓度1 8 7 m g l ，均 匀投加6 0 个固定了高浓度e m 的泥球。从投菌之日起经2 5 个月，湖水透明度 从原来的0 0 9 m 提高到0 4 8 m ，提高了4 3 3 ；此后停止投菌4 5 d ，透明度回 落到0 3 m 。透明度提高的原因在于e m 抑制了水体藻类的生长，投菌1 个月， 表面水体叶绿素看，下降9 6 5 。在投菌2 5 个月后，总氮下降6 0 2 ，此后 停止。总磷在投菌3 5 d 后，即从3 5 m g l “降为0 1 5 m g l “。c o d 在投菌2 1 5 个月后，从2 9 m g l “降为1 3 m g l 。可喜的是，停止投菌后尽管各项指标有所 反弹，但再未见“水华”发生。从这个案例看，e m 治理湖泊富营养化是有效 的。 1 4 2 用c l e a r - f l o 系列菌剂修复富营养化湖泊 c l e a r - f l o 系列菌剂是由美国a l k e n - m u r r y 公司研究开发的系列产品，专门 用于湖泊和池塘生物清淤( b i o - d r e d g i n g ) 、养殖水体净化、河流修复及污泥去除 c 蚺】 ( 1 ) 1 9 9 2 年，美国m o u l i nv e r t 水渠使用c l e a r - f l o l 2 0 0 三个月，n i - l + 从 0 0 2 m g l 1 降为0 0 0 r a g l - l ；c o d 降低了8 4 ：b o d 降低了7 4 ；无毒性检 南京信息工程大学硕士论文 出；由于菌剂不断矿化污泥，恢复了水渠自净的容量。接种处理连续几年后便 完成了这一工作。 ( 2 ) 1 9 9 7 年，美国马里兰州g a i t h c r s b u r g 城的一个湖，用补充了添加剂c 的c l e a r - f l o l 2 0 0 阻止了丝状蓝绿藻的孳生。 ( 3 ) 1 9 9 8 年，西班牙瓜达拉哈拉城郊俱乐部，用c l c a r - f 1 0 7 0 0 0 抑制了大部 分池塘表面的藻类，后又将少量“聚合物”加到少量c l e a r - f l o l 0 0 1 里，使用后 塘水立即变清。之后持续用c l e a x - f l o l 2 0 0 补加c l e a r - f l o l 0 0 1 进行处理以保塘水 清澈。治理后b o d 下降9 7 ，c o d 下降8 5 。s s 总量下降9 8 ，磷酸盐下降 6 9 。 1 5 底泥在水生生态系统中的重要性 1 5 1 底泥中的主要营养盐含量及分布 底泥各层中氮和磷的含量差异较大，污染层中t p 和t n 的含量比较高，过渡 层次之，正常湖泊沉积层有明显下降。一般所说的污染底泥是指能够向水体释 放较多污染物的湖泊底泥的表层( 即污染层) ，其污染物来源主要是入湖废水与 径流输入所带来的泥沙，以及其他污染物的沉积、湖内死亡生物体及其他悬浮 物的沉降。 营养盐积累在底泥中，成为湖泊营养盐循环的重要组成部分，大大加速了 湖泊的富营养化进程。营养盐在湖泊中积累率的大小，标志着对湖泊营养化发 展进程的潜在性威胁的程度；营养盐在湖泊中积累率越大，湖泊的富营养化进 程就越快。 底泥中的氮和磷也是植物生长的必需元素。太湖底泥总氮的离值主要集中 在五里湖、梅梁湾北部沿岸、竺山湖、西部大浦一夹浦一带及东太湖。大部分 地区主要与生活污水排放有关，东太湖则是由于水生植物繁盛，死亡后沉入湖 底腐烂，引起总氮的含量升高：”糖怫戢傩：。 太湖总磷分布以五里湖、雪埝桥镇、胡埭镇一带沿岸，西部大浦、南部小 梅口为高。无机磷和有效磷的分布均有相似规律。现有数据表明，有机磷的分 布以城市( 镇) 附近的底泥较高，含量占总磷的差异很大，为o 4 1 2 9 9 ，与 生活污水的排放有很大关系。 1 5 2 底泥对营养盐的吸附作用 来自各种途径的营养盐，经过一系列湖泊物理、化学及生物化学作用，其 中的一部分或大部分沉积到湖泊的底部，成为湖泊营养盐的内负荷。 由于底泥中自然胶体表面的正电荷金属阳离子能够与溶液中营养盐阴离子 形成键合，从而使底泥从水中吸附可溶性营养盐，这可以降低湖泊的t p 、t n 浓 度。从这种意义上看，当水中污染物浓度过高时，底质对水中污染物有净化或 惰化作用。但随着入湖营养盐负荷量的增加，底泥中t p 、 i n 等营养盐的含量也 逐渐增加，最终形成湖泊富营养化发展的不容忽视的内源污染物。 1 2 南京信息工程大学硕士论文 1 5 3 底泥中营养盐的释放 湖泊发生富营养化后，其底泥中蓄积了大量的营养盐。许多湖泊的调查资 料表明，在湖泊环境发生变化时( 如：入湖营养盐负荷量减少或完全截污后) ， 底泥中的营养盐会逐步释放出来，补充湖水中的营养盐。一般情况下，释放出 的营养盐首先进入底泥的间隙水中，再逐步扩散到底泥的表面，进而向湖泊底 泥的上层水混合扩散，成为湖泊t p 、t n 的一部分，从而对湖泊