环境管理_水体富营养化与蓝藻水华

水体富营养化与蓝藻水华 一 富营养化问题的历史与现状1 什么是富营养化 2 蓝藻水华爆发机制与危害 3 我国水体富营养化的趋势 4 长江流域水体富营养化趋势 二 富营养化营养物的主要来源三 富营养化的防治四 富营养化防治和藻华治理存在的问题 20世纪60年代前 水体的主要污染是有机物污染 有机物的生物降解带来了无机营养物质的增加 引起了广泛的水体富营养化 60年代后 成为突出的 全球性的问题 我国90年代以后重视富营养化问题 1 什么是富营养化 富营养化是一个自然和人为因素叠加的过程 其主导进程是生源要素在集水区内的运动 富营养化是湖泊发展过程中的自然过程 自然条件下湖泊从平营养湖过渡为富营养湖 进而演变为沼泽和陆地 是一种极为缓慢的过程 人类活动的不断增强大大加速了水体的富营养化过程 湖泊富营养化是人类社会活动对湖泊的影响导致的湖泊自然演变过程的浓缩 湖泊富营养化演变过程 水体富营养化的定义由于人类活动 水体中营养物质增加 引起植物过量生长和整个水体生态平衡的改变 因而造成危害的一种污染现象 湖泊富营养化的原因主要来自城市生活污水 工业废水等点源污染和农林业化肥 水体养殖污染 湖内底泥等面源污染 水体富营养化的主要营养物质 主要磷 其次是氮 可能还有碳 微量元素或维生素等 浮游藻类生物量用叶绿素a Chla 含量来衡量 传统的氮磷比理论 藻类群落在TN TP相对较大时受总磷限制 在TN TP相对较小时受总氮限制 在TN TP处于中等水平时则受总氮和总磷共同限制 TN TP阈值有很大的变异性 Sakamoto 1966 提出的10 17 Huber等 1982 提出的10 30 OECD 2006 提出的7 15 氮磷比与藻类生长 普遍认为 除控磷处理外 富营养化治理需要严格控制氮的排放 并投入巨资开展污水脱氮处理 城镇污水处理厂污染物排放标准 GB18918 2002 和 地表水环境质量标准 GB3838 2002 对总氮的限值分别为15 20mg L和0 2 1 0mg L 可作饮用水源的I III类水体 污水处理中脱氮需要通过硝化和反硝化过程 工艺复杂 成本较高 许多污水处理厂难以正常运行 除磷则相对较容易 通过沉淀和絮凝等方法即可去除水中80 95 的磷 成本较低 最新研究进展 无论总氮浓度高低 湖水总磷浓度都是限制浮游藻类生长的最重要因素 藻类总量决定于总磷而不是总氮 从而证明在野外条件下控氮并不能减少藻类总量 王洪铸 2008 湖沼富营养化治理无须控氮 削减水体氮的输入反而大大促进固氮蓝藻的发展 只要磷充足且有足够的时间 固氮过程就可使藻类总量达到较高水平 从而使湖泊仍保持高度富营养状态 规律 在较长的时间尺度上单纯消减氮负荷不能控制浮游藻类的总量 反而诱发固氮蓝藻水华生长 最新研究 富营养化治理无需控氮建议试行只除磷 少脱氮或不脱氮 降低污水处理厂的运营成本 适当放宽或取消关于氮的限值 王洪铸 2008 蓝藻水华治理应放宽控氮 集中控磷 以大幅度降低污水处理成本 科技导报 2 蓝藻水华爆发机制与危害 水华的发生是水体富营养化最常见的一种表征 水华定义 指淡水水体在富营养状况条件下 出现藻类异常增殖 导致水面呈现异常水色的现象 这种现象在江河 湖泊中称为水华 水华是淡水中的一种自然现象 因占优势浮游生物的颜色不同 水体水面往往呈现出蓝色 红色 棕色 乳白色等不同颜色 蓝藻水华 由于水环境极其恶劣导致大量蓝藻繁殖而影响到生态平衡 引起淡水蓝藻水华的种类主要有微囊藻 浮胶刺藻 鱼腥藻 鞘颤藻 束丝藻 水华发生的机理 充足的营养物质 包括氮 磷等营养盐和有机质 适宜的气候条件 主要包括温度和光照等 适宜的水文条件 如缓慢的水流等 水体生态系统对藻类生长的生物控制作用失效 蓝藻水华的危害 破坏了水体生态系统的平衡 影响供水水质 增加供水成本 破坏水域生态景观 危害人类及其它动物的健康 淡水水华中最常见的蓝藻毒素为微囊藻毒素 微囊藻毒素产自浮游性蓝藻 微囊藻 鱼腥藻 颤藻 念珠藻 项圈藻 以及陆生的软管藻 进入人体的途径主要是通过饮水 少部分通过娱乐活动或通过口服蓝藻类保健品 微囊藻毒素的第一靶器官是肝脏 中国南方原发性肝癌的高发病率被认为与饮水中的微囊藻毒素污染有关 研究发现 性腺是仅次于肝脏 肝胰腺 的第2个靶器官 且藻毒素可传递到后代 卵中有大量存在 贡献 黄鳝雌雄同体和性反转现象 鳝鱼刚生下时全是雌的 雄鳝都是由雌鳝产卵后通过性转变而来 而且 该转变不可逆转 即雄鳝不再变回雌性 刘建康院士 1917年 提出了用滤食性鱼类直接控制微囊藻水华的非经典生物操纵法 性腺是藻毒素仅次于肝脏 肝胰腺 的第2个靶器官 水华危害表现出的特点 污染面大 危害严重 治理难度大 形成恶性循环 使水体生态过程中断 07年太湖水华事件 3 我国水体富营养化的趋势 湖泊 湖泊 河道 水库 水库 富营养化导致的蓝藻水华暴发 使我国成为世界上蓝藻水华最严重 水华蓝藻种类最多 分布最广泛的国家之一 我国共有24800多个天然湖泊 湖泊储水总量7088亿立方米 是地下水可开采量的2 2倍 是我国饮用水的重要来源 全国城镇饮用水水源的50 以上源于湖泊 全国粮食产量的近1 3 1 4来自于湖泊流域 工农业总产值占全国的30 以上 湖泊提供全国淡水水产品总量35 其中75 的名特产鱼 虾 蟹 贝类来自于湖泊 3 1湖泊富营养化的趋势 我国湖泊的富营养化状况日益严重 湖泊型饮用水源地水质最差 上世纪70年代 我国湖泊富营养化面积约为135平方公里 目前富营养化面积已达约8700平方公里 增长了约60倍 上世纪70年代 湖泊富营养化主要以城市湖泊为主 而2000年以后 太湖 巢湖 滇池等大型湖泊开始大面积水华 导致全国湖泊的富营养化面积急剧增加 湖泊 富营养化最严重 蓝藻水华暴发最频繁 70末 80年代前期 34个 80年后期 26个 90年代后期 26个 2005年 131个 我国湖泊富营养化局势严重的主要是东部平原湖区 长江中下游湖区 云贵高原湖区的湖泊和城市湖泊 在我国东部地区 已经很难发现水质清澈的天然湖泊 富营养化是湖泊生态系统受损的关键阶段 湖泊富营养化尤其的蓝藻水华暴发加剧了我国水质性缺水的局面 威胁到饮用水供应 严重制约了经济建设和社会发展 我国主要河流污染未能得到有效遏制 污染负荷不断增加 污染治理进展艰难 水污染加剧的态势未能得到有效遏制 2006年 七大水系197条河流408个断面中 类和劣 类水质的比例分别为28 和26 河流水环境的特殊性 河流的水质改善技术总体上呈现出多元化 集成化和系统化的发展趋势 发达国家河流治理已经完成了污染治理的过程 水质得到较好的改善 莱茵河 泰晤士河的治理就是成功的案例 3 2河流富营养化的趋势 通过水动力特性影响 主要借助营养物质的输入或输出影响河湖关系 通过闸坝控制对营养物质输移影响 通过河口结构特性对营养物质输移影响 河湖关系对生源要素输移影响 河湖关系主要通过水动力特性 闸坝控制及河口特性影响营养物质的输移 3 3水库富营养化的趋势 水库富营养化问题严重 形成以氮 磷污染为基本特征的湖泊水环境问题 集中表现为水库富营养化严重 与湖泊相比 水库富营养化程度总体状况尚好 广东省是水库大省 水库供水占了全省总供水量的40 而且还负责港澳地区的供水 地理因素加上人类活动使水库的水污染问题没有得到有效的制止 2008年 在57座水库中 超 类水质的占33 3 其中中营养化水库占81 7 富营养化水库占18 3 2010年 在54座水库中 有70 的水库处于由中营养向富营养过渡状态 约20 水库处于富营养状态 有37 的水库蓝藻水华风险较高 有22 水库 12座 正发生蓝藻水华 技术上采取植物浮床 鱼类调控 人工附着介质等 广东重要供水水库的富营养化 蓝藻水华风险增加 长江流域在占全国不足18 的国土面积上 集中了约占全国40 的人口和国内生产总值 20世纪50年代的大量围垦和人工建闸 80年代以来的大量工农业和城市生活污水入湖 导致湖泊富营养化 引发水华暴发和水质性缺水 4 长江流域水体富营养化趋势 长江流域水华发生的典型区域主要是 三湖 滇池 巢湖 太湖 三峡库区一些支流库湾和汉江中下游 31个湖泊调查表明 18个处于中营养 占58 13个处于富营养 占42 湖泊地域不同 气候环境不同 富营养化状况也不同 水华的种类 发生频率与密度也不相同 长江流域多数湖泊处于中营养水平 但存在向富营养湖泊转化的趋势 蓝藻水华经典案例1 滇池 滇池污染从20世纪70年代后期开始 至90年代 湖泊水体富营养化日趋严重 目前滇池草海处于重度富营养化状态 水质为劣V类 外海处于中度富营养化状态 水质为V类 滇池蓝藻水华始于20世纪80年代中后期 滇池自1993年先后实施了污水处理厂建设 面源控制 底泥疏浚 湖滨带生态恢复与建设 水葫芦打捞 除藻等多项治理工程 但湖区氮磷含量降低不明显 太湖蓝藻水华从20世纪80年代初开始 随后暴发的规模和频率不断增加 80年代每年暴发2 3次 范围扩大至梅梁湖 90年代上升到每年暴发4 5次 并逐渐向湖中心扩展 自2000年起湖心区已出现水华 2006年发生了全湖性的水华 2007年再度暴发水华 蓝藻水华经典案例2 太湖 长江流域水库密集 2004年统计约有4 56万座 其中大型水库147座 中型水库1066座 据20世纪90年代末期调查表明 在93个大中型水库中 大型水库中10座呈富营养化 占同类调查水库的36 中型水库中31座呈富营养化 占同类调查水库的48 蓝藻水华经典案例3 三峡水库 1994年正式动工兴建 2003年开始蓄水发电 于2009年全部完工 由它所引发的移民搬迁 环境等诸多问题 使它从开始筹建的那一刻起 便始终与巨大的争议相伴 三峡水库 蓄水前 库区支流未观测到水华发生 蓄水后 支流回水区的水质多为 一V类水 局部支流库湾具备发生富营养化的营养条件 从2003年至今 库区的部分支流局部河段与库湾每年均有程度不同的水华发生 库区支流水体的富营养化是水华发生的根本原因 水库蓄水所形成的缓流态是直接诱因 蓝藻水华经典案例4 汉江 汉江是长江中游最大的支流 其上游的丹江口水库是南水北调中线工程的引水水源地 自20世纪90年代以来 汉江中下游发生大规模水华共4起 集中在冬末春初的汉江枯水期 汉江这种大型河流发生大规模水华比较罕见 分析发现 汉江褐色水华都是在当时的水流 气象 水质条件均满足藻类大量繁殖所需条件 二 富营养化营养物的主要来源 点源 点源 面源 面源 面源 地表径流 大量施用肥料是重要的原因 畜牧业 渔业 生活污水 工业废水 有些工业废水有较高的氮 磷含量 如食品 化工和毛皮 大气降水 雨水中的氮 磷 地下水 岩石或土壤中的氮 磷溶解带入水体 三 富营养化的防治 保护湖泊水体质量与生态健康的技术 可分为污染治理技术与生态修复技术两大类 通常当一个湖泊水体出现富营养化问题时 污染治理技术是先行手段 是恢复和改善湖泊生态性能的前提 生态修复技术是后继手段 是保持和提升污染治理成效的保障 富营养化治理主要通过控制外源污染及湖内技术来实现 污染控制技术 针对湖泊底泥污染的内源污染控制技术 针对流域内汇入湖泊的点源污染控制技术和面源污染控制技术 针对一些紧急污染事件的应急处理技术中 生态修复技术 针对湿地生态区的湿地净化技术 针对湖泊水生态区的湖泊水质净化技术 湖泊综合修复技术流域水环境污染控制与管理 1 内源污染控制技术 控泥技术 底泥疏浚技术以及底泥疏浚后处理技术 当底泥中污染物的浓度高出本底值2 3倍时 即需要考虑进行疏浚 可通过水力或机械方法挖除湖泊底泥表层的污染底泥 再进行输移处理 底泥表层分为稀释层 流体层和压密层 应该疏浚的是上面两层 成功应用的例子有云南滇池草海 安徽巢湖 杭州西湖 荷兰Kelemeer湖 瑞典Trummen湖等 失败的例子 德国Muggelsee湖 瑞典Finjasjon湖 意大利Venice泻湖 匈牙利巴拉顿湖 底泥疏浚治理失败原因 疏浚方法不当 湖泊外源污染未得到有效控制 大量疏浚底泥的堆置不仅占用空间 而且极易产生二次污染 原位处理技术 在湖泊内利用物理 化学或生物方法减少受污染底泥的容积 减少污染物量或降低污染物的溶解度 毒性或迁移性 并减少污染物释放的底泥污染整治技术 按其原理的不同 可分为原位化学处理 原位物理处理 原位生物处理和原地生态处理四种 物理控藻技术 如机械除藻 高频电磁脉冲或超声波控藻等技术 可作为辅助措施 但处理能力有限 可作为应急处理技术使用 控藻技术 化学控藻技术 使用杀藻剂进行除藻 快速高效 但会带来水体的二次污染 生物控藻技术 利用藻类的天敌及其产生的生长抑制物质对藻类的生长和繁殖进行抑制 从而控制藻类数量 防治富营养化带来的危害 杀藻微生物 溶藻菌 噬藻体等 从湖泊水体中直接分离 具有很好的生态安全性 目前实验室研究已取得较好的效果 但工程应用的报道尚少 经典生物操纵 1975年 Shapiro 通过放养凶猛性鱼类或通过直接捕杀或毒杀的方式来控制食浮游动物鱼类 借此壮大浮游动物种群来遏制藻类繁衍生长 主要运用于小型的 封闭的 且浮游植物群落是由绿球藻 小型硅藻和包括隐藻在内的鞭毛藻等组成的浅水水体 作为富营养水体水质管理工具的有效性与稳定性仍存在一定的争议 有待发展和完善 非经典生物操纵法 1999 刘建康和谢平 1970年东湖开始出现水华 1985年水华神秘失踪 围隔实验 非经典生物操纵法 通过控制凶猛鱼类及放养滤食性鱼类 鲢 鳙 直接觅食蓝藻水华的生物操纵 鲢 鳙属于典型的滤食性鱼 能直接滤食水体中浮游生物 包括各种藻类 使浮游植物数量减少和种类小型化 减轻藻类 水华 灾害 最显著的优点是具有持久性 核心目标定位在控制蓝藻水华 而不是治理湖泊富营养化 鲢 鳙对微囊藻毒素具较强的抗性 鲢 鳙体内具有较高的谷胱甘肽含量 后者通过与外源化学物结合而进行解毒 鲢 鳙对毒性强的微囊藻毒素具有特殊的代谢能力 云南名吃 一鱼三做 2 点源污染控制技术 常规污水生物脱氮除磷处理技术 污水脱氮除磷的方法主要包括物理化学法 生物处理法和生物 化学联合法 其中 生物法除磷脱氮由于其处理效率高 运行成本较低 污泥处理相对容易 化学强化混凝处理技术 在一级处理工艺基础上 通过投加化学絮凝剂等强化措施去除污水中各种污染物 它可在短时间内以较少的投资和较低的运行费用大幅度削减污染负荷 污水脱氮除磷工艺 浓度控制 指以控制污染源排放口排出污染物的浓度为核心的环境管理方法体系 其核心内容为国家环境污染物排放标准 主要是浓度排放 标准 总量控制 指以控制一定时段内一定区域内排污单位排放污染物总量为核心的环境管理方法体系 通常有三种类型 目标总量控制 容量总量控制和行业总量控制 总量控制和浓度控制是两种控制污染物排放的手段 单纯控制污染物的排放浓度也无法有效遏制环境污染加剧的趋势 单方面控制总量也是不行的 高浓度的污染物质在短时间内排放 会对环境产生巨大的冲击 应提倡总量和浓度双控制 即既要控制污染源的排放总量 又要控制其排放浓度 我国对水污染物排放先后经历了浓度控制和目标总量控制两个阶段 环境质量标准远比污染源排放标准严格 3 面源污染控制技术 人工快渗处理系统 ConstructedRapidInfiltration 简称CRI 北京大学开发既能应用于生活污水处理 也能应用于受污染河流水水质的净化改善 该系统采用渗透性能良好的天然介质作为主要渗滤材料代替天然土层 采用人工填充的天然河砂 并掺入一定量的特殊填料 以保证既有较高的水力负荷 又能满足出水的处理目标 人工快速渗滤处理工艺的流程 4 应急处理技术 化学絮凝剂等强化技术 可在短时间内以较少的投资和较低的运行费用大幅度削减污染负荷 缓解河流或湖泊水环境污染问题 湖泊曝气充氧技术 为解决湖泊水体的严重有机污染和黑臭问题而进行人工充氧 从而恢复湖泊的生态环境和增强湖泊自净能力的有效措施 5 生态恢复技术 人工湿地污水处理系统 目前世界最廉价的低投资 低能耗 行之有效的处理与利用污水的系统工程 已被大量用来处理生活污水和工业废水 还被应用于处理矿山废水 农业废水 垃圾填埋场渗滤液 高速公路暴雨径流和富营养化湖水 人工湿地是一种由人工建造和监督控制的 与沼泽地类似的地面 它利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污水的净化 模拟天然湿地的结构 充分利用湿地系统净化污水能力的特点 利用生态系统中的物理 化学和生物的三重协同作用 通过过滤 吸附 沉淀 离子交换 植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化 人工湿地污水处理技术 人工湿地多为挺水植物系统 常用的有芦苇 菖蒲 灯心草等 人工湿地分为自由表面流人工湿地和潜流型人工湿地系统 与自然湿地相类似 水面位于湿地基质层以上 其水深一般为0 3 0 5m 污水从进口以一定深度缓慢流过湿地表面 具有投资少 操作简单 运行费用低等优点 自由表面流人工湿地 潜流型人工湿地系统 污水在湿地床的表面下流动 利用填料表面生长的生物膜 植物根系及表层土和填料的截留作用净化污水 采用各种填料的芦苇床系统 芦苇床由上下两层组成 上层为土壤 下层是由易使水流通过的介质组成的根系层 如粒径较大的砾石 炉渣或砂层等 处理能力大幅提高 保温效果好 卫生条件也较好 潜流型人工湿地系统 水平流潜流式湿地 水流从进口在根系层中沿水平方向缓慢流动 出口处设水位调节装置 保持污水尽量和根系接触 污水由进水口一端沿水平方向流动的过程中依次通过砂石 介质 植物根系 流向出水口一端 垂直流潜流式湿地 水流方向和根系层呈垂直状态 出水装置一般设在湿地底部 污水由表面纵向流至床底 在纵向流的过程中污水依次经过不同的介质层 垂直流潜流式湿地具有完整的布水系统和集水系统 其优点是占地面积较其它形式湿地小 处理效率高 整个系统可以完全建在地下 地上可以建成绿地和配合景观规划使用 潜流湿地尤其适用于市政生活污水处理 并可以结合城区总体规划同时起到绿化城市 提供野生动物栖息地的作用 在现代城市这个 钢筋混凝土森林 之中 潜流湿地成为独特的自然生态景观 为城市居民近距离接触大自然提供机会 复合流潜流式湿地 在芦苇床基质层中污水同时以水平流和垂直流的流态流出底部的渗水管中 将经过预处理的城市污水按照前后顺序通过由垂直流人工湿地和水平潜流人工湿地组成的复合潜流人工湿地 湿地出水进入生态集水沟 然后即可进入地表水体 湿地植物生物量大且比较美观 湿地周边采用竹板墙 美化了周围环境 有效的防止了对地表水的污染 特别是对氮污染的明显削减 奥林匹克公园水质改善工程 洪湖人工湿地系统 人工湿地系统处理生活污水 技术成熟 应用范围广泛 南四湖新薛河人工湿地 南四湖是南水北调东线工程的输水走廊和调蓄水库 为确保水质达到调水要求 确定在南四湖建设人工湿地水质净化工程 并把该项目作为点源治理后的一项保底把关工程 湖泊水质净化技术 沉水植物优化调控技术 主要包括物种选育和培植技术 物种引入技术 物种保护技术 种群动态调控技术 种群行为控制技术 群落结构优化配置与组建技术 群落演替控制与重建技术等 由于植物在水中腐烂时会释放有机营养物质 因而必须定期对水草进行定期收割 利用冬春季节 藻弱 草强 以及水质条件较好的优势 采用改性土壤对厌氧底泥进行修复 选择季节性的优势草种及其繁殖体进行沉水植被修复 通过水生植被的生长来控制藻类的过度繁殖 可有效实现藻 草转换 通过放养鱼来控制水草的过度生长 实现 草 藻 鱼 生态调控 构建健康稳定的水生生态系统 原理 常用沉水植物 菹草 轮藻等 苦草 狐尾藻 眼子菜 金鱼藻 利用天然的高分子聚合物及其衍生物与当地粘土或者湖泊岸边的土壤进行改性制得廉价絮凝剂 通过架桥网捕 静电吸附作用机理吸附絮凝富养化水体中藻细胞 絮体沉降后 水体溶解氧浓度 透明度显著提高 同时水体中一些污染物如嗅味物质被去除 在短时间内解决了发生严重富营养化污染水体的问题 该技术将新型环境纳米技术 物理化学中吸附絮凝技术 生物技术 生态调控技术等多学科交叉 建立了一套湖泊综合修复技术体系 改性土壤湖泊综合修复技术 改性土壤湖泊综合修复原理 具有多种功能 迅速清除水华 改善水质 降低水体氮 磷营养盐浓度 去除 湖泛 修复湖泊底质 改善底泥的厌氧环境 利于沉积物中磷的固定 为底栖生物及沉水植被的生长创造条件 在水质 底质改善间隙 实现沉水植被的恢复 为水体的长期自然生态修复创造良好条件 工程船喷洒絮凝剂 吸附絮凝藻细胞 絮体沉降后 水体溶解氧浓度 透明度显著提高 实施过程 湖泊水华清除 通过覆盖新的富