湖泊富营养化1

1、湖泊富营养化生物修复湖泊富营养化生物修复富营养化湖泊生物修复富营养化湖泊生物修复 目前，中国湖泊污染情况严重，80%以上的湖泊受到污染，许多湖泊已达不到类水水质标准，鱼虾基本绝迹，而代之以适应污染的各类底栖微小生物类群，湖泊水体的颜色、气味均有不同程度的恶化，部分湖泊甚至成为纳污水体。许多知名湖泊的地理位置处于大、中城市周边，它们的污染导致城市景观质量下降，严重影响了这些地区居民的身心健康。水质污染导致湖泊及其沿岸的生物多样性下降，特别是一些对人类有益的或有潜在价值的物种消失。因此，水体治理、修复刻不容缓。湖泊富营养化生物修复湖泊富营养化生物修复 水体富营养化水体富营养化是大量氮、磷等营养物质

2、进入水体，引起蓝细菌、微小藻类极其浮游生物恶化繁殖，最终导致水质急剧下降的一种污染现象。 水体出现富营养化现象时，浮游生物大量繁殖，水面往往呈现蓝绿色、红色、棕色、乳白色等，视占优势的浮游生物的颜色而异。这种现象，在海水称作赤潮，在淡水中称作水华。2009年年3月月16-19日，武汉东湖官桥湖区域发生了衣藻日，武汉东湖官桥湖区域发生了衣藻Chlamydomonas sp.水华。衣藻在春季富营养化小水体发生水华很常见，但在大水面水华。衣藻在春季富营养化小水体发生水华很常见，但在大水面形成如此规模水华少见。形成如此规模水华少见。 昆明滇池水体富营养化加重 绿油漆似的滇池水鸭子藻上行鸭子藻上行 赤藻

3、赤藻 一、一、湖泊富营养化的成因湖泊富营养化的成因 分为天然富营养化天然富营养化和人为富营养化人为富营养化。天然富营养化要经过几千年甚至几万年才能完成，而人类经济活动可导致湖泊在短短几年内就出现富营养化；人为富营养化是当代湖泊富营养化的主要因素。 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化过程的浓缩。 碳、氮、磷是生成藻类的决定性因素，也是构成湖泊水体富营养化的决定性因素。由于藻类可利用的氮远比可利用的磷多，因此，磷常被作为富营养化的限制因限制因子。子。当磷含量达到0.6mg/L时，藻类产量几乎不受氮元素含量的影响。我国环境标准规定，在静止水体中，总磷浓度0.02mg/L、4浓度

4、为0.5mg/L为富营养化的临界值。二、二、消除湖泊富营养化的关键问题消除湖泊富营养化的关键问题 从技术上说，消除湖泊富营养化的关键还在于削减湖泊水体的氮、磷以及底泥有机碳和氮、磷的负荷。消除水体中藻类疯长的基础，达到降低水体中藻类生物量、提高水体透明度的目的。三、削减湖泊水体氮、磷及有机碳负荷三、削减湖泊水体氮、磷及有机碳负荷 的技术途径的技术途径 削减湖泊水体氮、磷及有机碳负荷的技术途径除了消除点源 (截流污染源并施行清污分流 )、减少和控制面源污染这类最基本的途径外，最常见的有机械清淤法，另外引水冲洗生物修复法也是有效的方法。湖泊生物修复包含微生物修复和水生生物修复两大内容，两者不可弃一

5、，互相配合，才能获取总体治理效果。 解决内源污染问题，控制内源释放（一）富营养化湖泊的微生物修复（一）富营养化湖泊的微生物修复1 1、生物修复的目标、生物修复的目标 以地表水和湖泊水水质国家标准为修复目标。环境管理部门要求控制3项基本指标：氨氮、全磷、透明度。通常把氨氮定在地表水类标准，0.51；总磷定在湖泊水类标准，0.0251(地表水类标准可放宽到0.11)；透明度定在湖泊水类标准，1.5(地表水透明度无标准；富营养化湖泊水体透明度一般仅0.20.3)。（一）富营养化湖泊的微生物修复（一）富营养化湖泊的微生物修复2 2、理论依据、理论依据（1 1）氨氮的脱除）氨氮的脱除A. 硝化作用：42

6、23 湖泊水体中，使4转化为2(亚硝化阶段亚硝化阶段)的菌有欧洲亚硝化单胞菌、亚硝化单胞菌、亚硝化球菌属等；使2转化为3(硝化阶段硝化阶段)的菌有活跃硝化杆菌、维氏硝化杆菌、硝化囊菌属等。 都是由氧化4、2获得能源，并以2为唯一碳源的化能自养菌化能自养菌，专性好氧，营自养硝化作用。（一）富营养化湖泊的微生物修复（一）富营养化湖泊的微生物修复B.反硝化作用：（A）异养脱氮细菌的反硝化作用：23+52 5 +2+42 +2 假单胞菌属 、色杆菌属 、微球菌属 (脱氮微球菌等 )、芽胞杆菌 (蜡状芽胞杆菌等 )的一些种均属这类菌。在厌氧条件下则利用硝酸盐的氧来氧化有机底物，而使3还原成2。（B）自养

7、脱氮细菌的反硝化作用： 脱氮硫杆菌在缺氧条件下能利用3的氧将硫或硫代硫酸盐氧化成硫酸盐，释放2,从中获得能量来同化2 。5 +63+23 324+24+22 +32 在富营养化湖泊生物修复中，创设工艺条件，甚至接种专性菌剂，满足以上脱氮要素的要求，均将有助于水体氮素的去除。（一）富营养化湖泊的微生物修复（一）富营养化湖泊的微生物修复（2）磷的去除 在富营养化湖泊修复中，物理修复 (清淤 )、设置水生植物生态工程往往比微生物修复更为有效。原因是：磷素本身不能转化为气体消失，也不能被永久性固定于底泥。即便采用在废水处理工程设施中常用的积磷菌来除磷，由于它不可能象工程设施那样于末端排放并二次处置，其

8、效果也大为逊色。 （一）富营养化湖泊的微生物修复（一）富营养化湖泊的微生物修复（3 3）有机碳的去除）有机碳的去除A A、概念的更新概念的更新 传统上，人们以为湖泊有机碳主要存在于底泥。然而 ,近来的研究表明，大部分湖泊有机碳以水体悬浮物的形式存在。悬浮物是有机碎屑、细菌、藻类和矿物质等细微颗粒组成的胶粘状物 (简称“絮团”) ，其比重略大于 1 ，在风力作用下极易悬浮于水体，并长期滞留在水体中，参与水中固体物质通量的上下交换，并大幅降低水体透明度 (可使透明度降到 2040)。在水土界面上滞留的“絮团”，其对有机质、氮、磷的贡献远大于底泥。通常，底泥疏浚很难去除这些“絮团”，即便用专门设备吸

9、走，未疏浚处的“絮团”又很易迁移到此处补缺。生态系统一旦失衡，这些“絮团”便会迅速增生。因此，在修复富营养化湖泊时，要尤其着力去除悬浮在水体中和水土界面的“絮团”，采取生物技术措施降解“絮团”中的有机质。只有消除“絮团”，水体透明度才能从根本上提高。（一）富营养化湖泊的微生物修复（一）富营养化湖泊的微生物修复B、“絮团”和底泥中有机碳的微生物降解 组成“絮团”和底泥的有机碎屑、细菌和藻类，约含纤维素 15%60%，半纤维素10%30%，木素 5%30%和蛋白质 2%15%；可溶性物质，如糖、氨基糖、有机酸和氨基酸，占干物质重的 10%。这些组成物的分解直接关系到“絮团”和底泥中有机碳的微生物转

10、化。 碳水化合物、木素、菌体细胞壁的微生物降解。 （二）其他修复技术（二）其他修复技术 (3)将气输送人水体底部(见图1，2，3)。 通气可以改进水体的溶氧浓度，阻止磷的再循环，使底部沉积物以上的水体保持为有氧系统 将富于营养而少氧的下层水导流到湖上层，来改善湖的营养状况、氧平衡和热平衡。波兰的Kortowo湖应用此法，已长达15年之久，总的来说，水质得到了改善。瑞土Niler湖、奥地利的Reither湖，还有芬兰的Damann湖都取得同样效果，但也存在一些问题，主要是水体温跃层的降低会加速矿化过程；湖下层BOD的增加，会引起其他污染方面的问题。 2使磷沉人湖中 美国纽约州的Medical湖，

11、威斯康辛州的Mirror湖和shadow湖、加液态硫酸铝后，使湖中的溶解磷失去活性，能够抑制一些藻类的生长，降低了水的蚀度。丹麦的Lynby湖加硫酸铝6个月后，磷又恢复到原来水平。瑞典的Lang湖由于水的滞留期校长，效果维持了两年，但初级生产力并未下降 一般认为应用此法并不理想，可以考虑与其他方法和措施结合起来应用。 3，减少生物量浓度 在极富营养化水体中可考虑采用。采用的措施有：用除草剂减少生物量，割除大型植物；在水体中施放染料，阻止或减少光线在水中的透过率，以求降低初级生产力，减少生物量；还有用硫酸铜洒入水体杀死藻类，虽有一定效果，但因铜对生物的毒性问题，现在一般均已不用此法。另如明尼苏达

12、州的Hyland湖采用降低水位的办法来控制沉水有根植物，这样可以延迟沉积层中营养物的释放，使沉积物固定。 4沉积物充气 沉积物在湖营养物质循环中起着重要作用。在需气条件下，沉积物可结合大量磷，而嫌气条件时，又释放大量磷。 5去除沉积物 在沉积物中的磷可分为交换态磷和非交换态磷(见图4)。据研究，沉积物中可交换态磷含量比水中磷含量高50倍。沉积物中可交换态磷高时，对湖泊治理不利西德的Freuden湖、瑞典的Trummen湖留用移去沉积物方法，使湖的水质得到改善。6 覆盖沉积物 湖底覆盖一层物质，阻止营养物质在沉积物与水之间的交换，还可阻止或延迟有根水生植物的生长。覆盖物可用塑料薄膜、飞灰、富于铁

13、质的炒和粘土，采用此法经济上比去除沉积物便宜，但也有缺点：既不是永久性的改进，又彻底改变了底栖生物的自然条件。7. 引导未污染、含低营养物的水入湖 这既可稀释湖水，又可冲洗沉积物。8暴雨排水或支流河水经过生物过滤法，再流人湖内 这样有助于降低营养物和沉积物负荷。 总的来看，只有把截断污染源和对水生态系统进行人为干予，这两方面的措施结合起来才能收到较好的效果。（三）水生植物修复（三）水生植物修复 富营养化湖泊的生物修复，除了微生物修复作用外，还应包括水生生物的修复作用。水生生物的修复作用。 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

14、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。 一般来说，几乎所有的水生植物都能净化污水。水体污染物主要有金属污染、农药污染、有机物污染、非金属如氮、磷、砷、硼等污染及放射性元素如锶、镭、铀等污染。水生植物对这些污染物的净化包括附着、吸收、积累和降解几个环节。 水生高等植物芦苇芦苇是同际上公认的处理污水的首选植物：100g的芦苇一天可将8mg的酚分解为二氧化碳。目前，芦苇为人工湿地在我国已用于处理乳制品废水、铁矿排放的酸性重金属废水等。 植物的皮、壳等对重

15、金属废水也有净化的效果。棉秆皮、棉铃壳对重金属离子铜、镉、锌有明显的吸附作用；谷子谷壳黄原酸酯对重金属离子Hg、Pb、Ca、Cu、Co、Cr、Bi等有良好的捕集效果：松木对Cu有脱出作用等。水生植物修复技术的优点水生植物修复技术的优点 植物修复技术具有投资和维护成本低、操作简单、甚至不造成二次污染、且具有保护表土、减少侵蚀和水土流失等作用，它能有效地去除有机物、氮磷等多种元素。 可吸收、富集水中的营养物质及其他元素，可增加水体中的氧气含量或有抑制有害藻类繁殖的能力，遏制底泥营养盐向水中的再释放利于水体的生物平衡等。 高等植物能有效地用于富营养化湖水、河道生活污水等方面的净化，是一项既行之有效又

16、保护生态环境、避免二次污染的治理污染水体的好方法。水生植物修复技术水生植物修复技术1、浮岛技术 植物浮岛主要是利用无土栽培技术，采用现代农艺和生态工程措施综合集成的水面无土种植植物技术。通过扎在水中的根系吸收大量的氮、磷等营养物质，对有机污染物起到促降的作用；植物根系、浮床和基质在吸附悬浮物的同时，为微生物和其他水生生物提供栖息、繁衍场所，兼可美化水域景观。合肥市杏花公园人工湖里由1600多个圆形生物浮床组成的十组水生植物浮岛正式建成。在浮岛上种植水生植物可以提高城市景观水体的自净能力，解决富营养化问题。 秦淮河中的“挺水植物绿岛” 南京市在秦淮河里放置水生美人蕉、水竹等水生植物来治理污染和美

17、化环境，这些“挺水植物绿岛”成为一道美丽的城市景观。 2 2 人工湿地技术人工湿地技术 人工湿地(Constructed Wetlands)是20世纪70年代发展起来的一种废水处理新技术，与传统的污水二级生化处理工艺相比具有净化效果好、去除N与P能力强、工艺设备简单、运转维护管理方便、能耗低等特点。人工湿地是人工建造的、可控制和工程化的湿地人工湿地是人工建造的、可控制和工程化的湿地系统系统。其基本原理是通过湿地自然生态系统中的物理、化学和生物作用来达到废水处理的目的。加拿大潜流芦苇床湿地系统在植物生长旺季中的TN平均去除率为60，TP为73，磷酸盐平均去除率为94：英国芦苇床垂直流中试系统用于

18、处理高氨氮污水平均去除率可达93.4。3 3 水生植被的组建及恢复水生植被的组建及恢复 在湖泊、水库组建常绿型人工水生植被，使之形成生长期和净化功能的季节性交替互补，不仅可以净化湖泊、水库内的水质而且可以阻止大量的外来污染物进入水体。 多种植物组合比单种植物能更好地对水体净化多种植物组合比单种植物能更好地对水体净化。这可能是因为：不同水生植物的净化优势不同，有的可以高效地吸收氮，有的却能更好地富集磷；每种植物在不同时期的生长速率及代谢功能各不相同，由此导致不同时期对氮、磷等营养元素的吸收量也不同，而且随着植物发育阶段不同，附着于植物体的微型生物群落也会发生变化。微型生物群落的变化会直接影响植物

19、对水体的净化率，当多种植物搭配使用时就有利于植物问的取长补短，保持较为稳定的净化效果；多种植物的组合具有合理的物种多样性，从而更容易保持长期的稳定性，而且也会减少病虫害。（三）水生植物修复（三）水生植物修复湖泊的水生植被湖泊的水生植被：生长在湖泊浅水区和湖周滩地上的沉水植物群落、浮叶植物群落、漂浮植物群落、挺水植物群落及湿生植物群落共同组成。这几类群落均由大型水生植物组成，俗称水草。水草。水草茂盛：水质清澈、水产丰盛、湖泊生态稳定；水草缺乏：水质浑浊、水产贫乏、湖泊生态脆弱。水生挺水植物之香蒲 挺水植物群落 (小黑三棱) 满江红金鱼藻 菹草（三）水生植物修复（三）水生植物修复 水生植物修复水生

20、植物修复包括人工强化自然修复与人工重建水生植被两条途径。前者是指通过对湖泊环境的调控来促进湖泊水生植被的自然恢复。后者则是对已经丧失了自然恢复水生植被能力的湖泊，通过生态工程途径重建水生植被。 重建水生植被是在已经改变了的湖泊环境条件基础上根据湖泊生态功能的现实需要，根据系统生态学和群落生态学理论，重新设计和建设全新的能够稳定生存的水生植被和以水生植被为核心的湖泊良性生态。1、水生植物修复的优化设计、水生植物修复的优化设计（1 1）优化设计基础）优化设计基础A. 由湖盆的形态、底质条件和水文条件决定的水生植被面积、类型和分布格局 各类植物对底质条件和湖水深度有各自的适应范围，水深是由湖盆形态和

21、水位决定的。在砾石质湖滩上栽种芦苇、茭草等挺水植物是可行的。砂质沉积物和淤泥是任何水生植物都能够适应的。 水深决定了各类水生植物的分布格局和面积。湿生植物只能够生长在季节性暴露的滩地上；挺水植物的分布上限可以高出最高水位线，下限可以达到最低水位线下1m左右的深度；浮叶植物的最大适应水深一般在3m左右；沉水植物可达到10m左右的深度。1、水生植物修复的优化设计、水生植物修复的优化设计B.强烈的风浪扰动能决定水生植物的分布格局和面积 水生植物主要分布在风浪比较小的河口、湖湾和沿岸带，在开阔湖面上水生植物无法生长，原因在于风浪能造成水生植物的严重机械损伤，或者在湖底无可着生的沉积物。挺水植物抗御风浪

22、的能力较强，可在有底质条件的迎风坡生长。C.水质和湖水透明度是决定水生植物分布深度和面积的重要因素 水质浑浊易在沉水植物茎叶表面形成附着层，影响光合作用，使微生物、藻类大量繁殖，使其生长停滞或死亡。沉水植物生长- 一定强度风浪、水面开阔、定期收割，清除衰老茎叶，刺激新生茎叶形成。 如果水污染严重，恢复水生植被只能以挺水植物为主，浮叶植物为辅，植被面积也会受到严格限制。 湖水透明度低能限制沉水植物和浮叶植物的分布深度，沉水植物的最大分布水深是湖水透明度的25倍，主要归因于光限制。1、水生植物修复的优化设计、水生植物修复的优化设计D.人类需求是决定水生植被类型、面积和分布格局的主导因素 这里指人类

23、对于湖泊和湖区生态功能的界定。（A）调蓄型湖泊：恢复水生植被的目标是保护堤岸，减轻风浪和水流对湖岸的侵蚀。不宜大规模发展水生植被。此类湖泊水位落差较大，水质浑浊，不利用沉水植物生长，在沿岸恢复挺水植物和湿生植物保护堤岸，但应严格控制其规模。（B）水源性湖泊：恢复水生植被的目标是保护水质。应尽可能扩大水生植被面积，且以沉水植物为主。不影响水面开阔度和风浪搅拌作用；光合作用释放氧气；与湖水有较大接触面积，可以成为“生物膜”附着基；直接吸收湖水中营养盐；有饲用价值。（C）运动娱乐型湖泊：水生植物主要起美化环境点缀作用。在沿岸带，以观赏性湿生植物和挺水植物为主，辅以少量浮叶植物。1、水生植物修复的优化

24、设计、水生植物修复的优化设计（D）观光游览型湖泊：要求湖水清澈，自然景观优美。要求条件高，较难，应合理布局各类水生植物，形成强大的水质净化能力和和谐的景观效果。1、水生植物修复的优化设计、水生植物修复的优化设计（2 2）优化设计）优化设计 物种和群落是恢复生态系统的主体。恢复物种和群落的选择是恢复成败的关键因素之一。A.A.先锋物种的选择：先锋物种的选择：是在对水生植物生物学特性、耐污性、对氮、磷去除能力的研究基础上，筛选出几种具一定耐受性的，能适应湖水水质现状的物种作为恢复的先锋物种，同时为水生植物群落的恢复提供建群物种。 物种选择原则：适应性原则； 本土性原则； 强净化能力原则； 可操作性

25、原则。1.对去N、P，+表示净化率在75%以上，+表示在65%75%之间，+表示小于65%。2.对适应性，+表示经济价值高，+表示适中，+表示价值小。3.对耐成活性，+表示既易栽培又易成活，+表示次之。植物名称去N性去P性适用性耐成活性耐污力净化能力水葫芦满江红水花生慈姑芦苇茭白菱角莲菹草金鱼藻红线草微齿眼子菜黑藻伊乐藻+极强耐污耐污耐污强耐污强中等中等耐污强耐污耐污中等强中强中强强强强强中强中强强中中强 确定植物种类：确定植物种类：1、水生植物修复的优化设计、水生植物修复的优化设计B.B.群落配置群落配置: :是通过人为设计，将欲恢复重建的水生植物群落，根据环境条件和群落特性按一定的比例在空

26、间分布、时间分布方面进行安排，高效运行，达到恢复目标，即净化水质，形成稳定可持续利用的生态系统。人工植物群落的构建主要包括如下两个方面：（A）水平空间配置：指湖泊不同的受污染域或湖区上配置不同的植物群落。根据恢复目标不同，可分为生态型植物群落和经济型植物群落。生态型植物群落以水体污染的治理、污水净化、促进生态系统的恢复为主要目标。一般以耐污、去污能力强、生长快、繁殖能力强、环境效益好的物种。而经济型植物群落则以推动流域经济发展，顺应地方的需求为目的。 在群落配置时，应同时考虑生态学与经济学原则。1、水生植物修复的优化设计、水生植物修复的优化设计（B）垂直空间配置 水生群落的生长和分布与水深有密

27、切关系，因而在配置时应考虑对水深的要求，从湖岸边到湖心，植物种类不同，分别占据不同的空间生态位，适应不同水深处的光照条件，作为建群物种形成群落。另外还应考虑底质因素。 挺水植物带 浮水植物带 沉水植物带2、水生植物修复的技术途径、水生植物修复的技术途径（1 1）修复水生植被基本条件的创建）修复水生植被基本条件的创建A.蓝藻水华的控制 沿岸带是恢复水生植被的核心区，也是蓝藻水华聚集的场所。蓝藻水华控制可采取两种方式：一种为全湖性控制；另为局部湖区的蓝藻控制，利用围隔技术。控制技术有机械捕捞、生物控制、药物控制等。B.风浪控制 采取消浪措施，用漂浮植物网制成“浮毯式”消浪带C.沿岸带浅滩环境的创建 水生植物的稳定生存是离不开浅滩环境，它可形成一种自动恢复机制或“缓冲机制”。 恢复方式：退垦还湖，恢复湖滩湿地、湖泥堆成湿地、利用外源性泥土堆造。2、水生植物修复的技术途径、水生植物修复的技术途径D.污泥的