富营养化治理与应用进展

1、湖泊内源性污染富营养化湖泊内源性污染富营养化治理与应用进展治理与应用进展姓名姓名：学号学号：专业专业：我国湖泊富营养化现状我国湖泊富营养化现状湖泊富营养化产生与危害湖泊富营养化产生与危害内源污染物释放控制措施与技术方法内源污染物释放控制措施与技术方法内源污染富营养化控制技术展望内源污染富营养化控制技术展望湖泊富营养化现状湖泊富营养化现状2013年中国环境质量报告年中国环境质量报告湖库类型湖库类型个数个数类类类类类类类类类类劣劣类类主要污染主要污染指标指标三湖*3000201化学需氧量、总磷、总氮、高锰酸盐指数重要湖泊312410816重要水库276713100总计61811231117比例（%

2、）13.118.037.718.11.611.5 58 个湖（库）开展营养状态监测。其中，中度富营养的个湖（库）开展营养状态监测。其中，中度富营养的3 个，占个，占5.2%；轻度富营养的轻度富营养的10 个，占个，占17.2%；中营养和贫营养的；中营养和贫营养的45 个，占个，占77.6%。 61 个湖（库）监测总氮。其中，总氮浓度劣于个湖（库）监测总氮。其中，总氮浓度劣于类水质标准的类水质标准的12 个，个，符合符合类水质标准的类水质标准的39 个。个。61 个湖（库）监测总磷。其中，总磷浓度劣于个湖（库）监测总磷。其中，总磷浓度劣于类水质标准的类水质标准的3 个，符合个，符合类水质标准的类

3、水质标准的47 个。个。湖泊富营养化现状湖泊富营养化现状全国范围内富营养化现状严重全国范围内富营养化现状严重！我国湖泊水质富营养化我国湖泊水质富营养化评价标准评价标准工业废水工业废水生活污水生活污水地表径流地表径流大气降水大气降水蓄积作用蓄积作用底泥释放底泥释放湖湖泊泊富富营营养养化化对生态对生态系统的系统的危害危害藻类过量繁殖，抑制深层水体光合作用，降低水体溶解氧，破坏了原有的生态平衡。对社会对社会济的危济的危害害危害水产养殖业和捕捞业，藻毒素使生物中毒死亡。影响旅游业发展，增加处理成本。对人体对人体健康的健康的危害危害治病毒素随生物链传递（铜绿微藻、赤潮毒素），污染饮用水。内内源源污污染染

4、外外源源污污染染湖泊富营养化湖泊富营养化外源外源性负荷性负荷内源性负荷内源性负荷 由上式可知由上式可知, 无机的氮、磷是藻类繁殖的控制因素无机的氮、磷是藻类繁殖的控制因素, 尤其尤其是磷的作用更为突出。是磷的作用更为突出。 富营养化是在湖泊、水库以及海湾等缓流水体的水生态系统中富营养化是在湖泊、水库以及海湾等缓流水体的水生态系统中, 藻类通过与其它水生生物的生存竞争藻类通过与其它水生生物的生存竞争,逐渐取得优势并占据其它水生逐渐取得优势并占据其它水生生物的生存空间生物的生存空间, 同时也使自身种属减少同时也使自身种属减少, 少数藻类恶性增殖少数藻类恶性增殖, 进而造进而造成水中溶解氧的急剧变化

5、成水中溶解氧的急剧变化, 使鱼类等水生生物因缺氧而死亡。一般认使鱼类等水生生物因缺氧而死亡。一般认为为, 缓流水体中的自养型生物主要是藻类缓流水体中的自养型生物主要是藻类, 通过光合作用以太阳光能通过光合作用以太阳光能和无机物合成本身的原生质和无机物合成本身的原生质,u杭州西湖杭州西湖1988 年年7 月至月至1989 年年6 月间沉积物释放的磷占外源输入月间沉积物释放的磷占外源输入磷负荷的磷负荷的41.5%。由于内源负荷磷的影响。由于内源负荷磷的影响, 西湖引水工程的效果在停西湖引水工程的效果在停机机10 d 后即消失。后即消失。u1995 至至1996 年间进入滇池草海的年间进入滇池草海的

6、TP、TN 和和COD 约有约有90%以上储以上储存于湖底存于湖底(少量进入大气少量进入大气), 真正进入水体的微乎其微真正进入水体的微乎其微, 沉积物释放的沉积物释放的总磷可维持滇池水体目前水平总磷可维持滇池水体目前水平63 年之久。年之久。u玄武湖沉积物的磷年释放量为玄武湖沉积物的磷年释放量为10.46 t, 占全年入湖量的占全年入湖量的21.5%。u武汉东湖武汉东湖1997 年年10 月至月至1998 年年9 月期间月期间, 高达高达78.5%的磷滞留在湖的磷滞留在湖内当水体养分的外源得到有效控制后内当水体养分的外源得到有效控制后, 沉积物中养分的季节性再悬浮沉积物中养分的季节性再悬浮仍

7、能使水体的富营养化持续数十年。仍能使水体的富营养化持续数十年。u美国威斯康星州的美国威斯康星州的Wingra湖，表层湖，表层10cm沉积物中的氮占系统总氮沉积物中的氮占系统总氮的的23%，表层，表层10cm 以下以下30cm 以上沉积物中的氮占以上沉积物中的氮占74%, 而且绝大部而且绝大部分为有机氮。分为有机氮。内源污染的影响内源污染的影响N/P积蓄途径积蓄途径水水-沉积物界面沉积物界面在水环境中水相和沉积物相之间的转化区。水环境的特殊而重要的区域底栖生物的栖息地带水生生态系统的重要组成部分氧化带( 电子接受体为氧气)还原带( 电子接受体为硫酸根和硝酸根离子)重还原带( 电子接受体为二氧化碳

8、)氧化氧化还原还原电位电位不同不同 沉积物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沉积物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形成键合, 从而使沉积物从水中吸附可溶性营养盐从而使沉积物从水中吸附可溶性营养盐, 降低湖泊氮、磷浓度。因降低湖泊氮、磷浓度。因此此,当水中污染物浓度过高时当水中污染物浓度过高时, 底质对水中污染物具有净化或惰化作用。沉积底质对水中污染物具有净化或惰化作用。沉积物对水体磷酸根的吸附物对水体磷酸根的吸附, 主要是沉积物中的粘土、铁铝氧化物、碳酸钙等矿主要是沉积物中的粘土、铁铝氧化物、碳酸钙等矿物颗粒对磷酸根的专性吸附物颗粒对磷酸根

9、的专性吸附, 其中尤以铁铝氧化物的吸附作用最为强烈。此其中尤以铁铝氧化物的吸附作用最为强烈。此外还有微生物通过吸收同化而产生的磷的生物固定。水体外还有微生物通过吸收同化而产生的磷的生物固定。水体pH值、沉积物组值、沉积物组成均是其影响因素。成均是其影响因素。释放途径释放途径 通常氮、磷释放时，首先进入的是沉积物的间隙水, 进而向上层水土界面和上覆水混合扩散。可以滞留在沉积物中, 也可脱逸到上覆水体中被浮游植物吸收而重新被利用。沉积物间隙水中氮、磷向上覆水体的交换通量除了和表层沉积物的再悬浮有关外, 还取决于以下两个过程: 沉积物底部间隙水由于浓度梯度而引起的扩散; 沉积物表层的氧化还原行为。生

10、物释放通过细菌、大型水生植物和底栖生物的消化道释放。物理释放由沉积物间隙水与上覆水体间溶解磷的浓度梯度产生的扩散作用 由于风吹、波浪等扰动引起的沉积物再悬浮而产生的磷释放。化学释放厌氧条件下铁磷矿物的还原是沉积物释放磷的主要机制。硝化和反硝化作用是水-沉积物界面氮迁移和交换的主要形式。P释放途径释放途径 一般情况下磷释放首先进入沉积物的间隙水中(这一步骤通常被认为是营养物释放速率的决定步骤), 然后扩散到水土界面, 进而向上覆水混合扩散,成为湖泊磷负荷的一部分。沉积物中的磷可以通过3种机制释放进入上覆水中。u 生物释放生物释放: 通过细菌、大型水生植物和底栖生物的消化道释放。u 物理释放物理释

11、放: 一是由沉积物间隙水与上覆水体间溶解磷的浓度梯度所产生的扩散作用; 二是由于风吹、波浪等扰动引起的沉积物再悬浮而产生的磷释放。u 化学释放化学释放: 厌氧条件下铁磷矿物的还原是沉积物释磷的主要机 制, 三价铁离子被还原为亚铁离子, 易与磷生成可溶性的磷酸亚铁盐, 并与磷酸盐一起释入上覆水中。一旦出现利于钙、铝、铁等不溶性磷酸盐沉淀物溶解的条件, 无机态的正磷酸盐就释放磷。N释放途径释放途径u沉积物中氮主要是有机氮和无机氮。u氨氮和硝酸态氮容易通过扩散进入水体。易降解的有机氮在异养微生物作用下降解、铵化。u生成的氨氮, 可以被粘土矿物所吸附而成为可交换态氨氮, 进入间隙水, 重新被微生物同化

12、为有机氮, 或者扩散至沉积物氧化层而氧化成亚硝酸氮和硝酸氮。u硝化和反硝化作用是水- 沉积物界面氮迁移和交换的主要形式。在富氧条件下,沉积物库中的有机氮化合物经降解作用, 生成硝酸、氨等无机离子扩散进入上覆水体中, 提高了水体氮的营养水平。间隙水中间隙水中N/P的释放的释放u通常氮、磷释放时, 首先进入的是沉积物的间隙水, 进而向上层水土界面和上覆水混合扩散。可以滞留在沉积物中, 也可脱逸到上覆水体中被浮游植物吸收而重新被利用。u沉积物间隙水中氮、磷向上覆水体的交换通量除了和表层沉积物的再悬浮有关外, 还取决于以下两个过程: 沉积物底部间隙水由于浓度梯度而引起的扩散; 沉积物表层的氧化还原行为

13、。沉积物内源释放的沉积物内源释放的影响因素影响因素温温度度温度的影响主要通过影响分子运动进而影响分子扩散，以及通过影响微生物的活性来影响营养盐的状态和析出。pH 对于营养盐释放有影响，当pH 很低(低于2)时，沉积物释放将明显增加，而当pH 大于9 时, 其营养盐释放也会明显增加。Ph值值氧化氧化还原还原水土界面上，还原条件下, 沉积物中营养盐的释放速率甚至比氧化环境下高一个数量级。风风浪浪风浪过程(特别是波浪, 在浅水湖泊的底泥悬浮过程中, 约70%的动力作用来自风浪过程)导致底泥的悬浮, 大量的营养盐也由于沉积物的悬浮而导致释放。湖泊内源营养负荷控制湖泊内源营养负荷控制措施与技术措施与技术

14、物理化学方法物理化学方法1物理机械方法物理机械方法2生物技术方法生物技术方法3控制内源释放控制内源释放物理化学方法物理化学方法 沉积物氧化沉积物氧化、化学沉淀化学沉淀、深水曝气、底泥覆盖深水曝气、底泥覆盖等，使底泥处于氧化状态或增加沉积物对磷的束缚能力或在沉积物表面形成覆盖层，从而抑制内源磷的释放。（原位处理技术）（原位处理技术）这些方法主要用于面积较小风浪搅动较弱湖底处于厌氧状态的水域。通过改变底泥界面厌氧环境为好氧条件来降低内源性磷的负荷。用以强化水体的自然净化。原位覆盖是将粗沙、土壤甚至未污染底泥等均匀沉压在污染底泥的上部, 以有效地限制污染底泥对上覆水体影响的技术。将污染沉积物与底栖生

15、物, 用物理性的方法分开并固定污染沉积物, 防止其再悬浮或迁移, 降低污染物向水中的扩散通量。控制内源释放控制内源释放物理化学方法物理化学方法通过向底泥上覆水冲氧的做法能有效地增加深水层的溶氧， 同时氨氮和硫化氢能得到降低。通过水底曝气投加铝铁钙盐等方法，改变沉积物表面的氧化还原条件，使易变价的金属磷酸盐，尤其是Fe-P，处于稳定的氧化状态，抑制因还原而引起的内源磷释放；同时覆盖在沉积物表面的新的氧化层还可以减小扰动增加沉积物的稳定性. 一般而言，当水体pH值小于9时，氧化还原条件为内源磷释放的主要控制因子(Fe-P的还原释放)，该方法可以有效地抑制磷的释放; 当水体pH值较高时(大于9)，使

16、用沉积物氧化和化学沉淀均不能抑制内源磷的释放，此时需要考虑其他的方法。控制内源释放控制内源释放物理机械方法物理机械方法 引水冲刷引水冲刷是减少和稀释湖泊水体营养物质的有效方法，其前提是要有清洁的水源和足够的冲刷强度. 一般认为，每天冲入湖泊体积10%15%的水就足够了。采用冲刷的方法对小型浅水湖泊(如南京玄武湖杭州西湖)有效, 而对于大型湖泊从技术和经济上都有一定的难度。对于有热分层的富营养型湖泊，深层水中的营养物浓度一般比上层水的大，因此，将深层水导出深层水导出成为另一条除磷途径。控制内源释放控制内源释放物理机械方法物理机械方法国际上， 也有采用换水、冻结底泥换水、冻结底泥的方法减轻湖泊富营

17、养化程度。如荷兰的Veluwe 湖该方法由于会排放出营养盐含量高的湖水, 将加重下游受纳水域的污染, 因此是治表不治本的临时性方法.控制内源释放控制内源释放物理机械方法物理机械方法 底泥疏浚底泥疏浚主要是将高营养盐含量的表层沉积物质, 包括沉积在底泥表面的悬浮、半悬浮状的、由营养盐形成的絮状胶体或休眠状态的活体藻类或藻类残骸、动植物残体等清除。底泥疏浚也是治理富营养化湖泊内源负荷的一种重要措施，但尚未见在中等以上湖泊中通过疏浚底泥控制湖泊富营养化的成功实例。分析表明，适当的疏浚可在短期内改善水质，但长期结果表明疏浚底泥不是控制湖泊富营养化的充分必要条件。控制内源释放控制内源释放物理机械方法物理

18、机械方法决定一个湖泊是否适合疏浚，要综合分析这个湖泊底泥释放情况底泥中营养盐含量是否有悬浮和复氧过程、pH及氧化还原环境, 及沉积物中铁锰等重金属的含量。对于面积较小的水域或者是风浪作用较弱的湖湾等地区, 水底常常呈现较强的还原环境, 空隙水中的营养盐含量较高, 静态释放较开阔水域强烈, 这样的水域可以考虑疏浚的方法。Bachmann 等人定义的，湖泊动力比(DynamicRatio, 定义为湖泊面积的平方根除以深度) 或者按照Schauser等人，通过比较湖泊平均水深与风浪影响的水深来决定是否有沉积物再悬浮发生。控制内源释放控制内源释放物理机械方法物理机械方法疏浚设备的选择疏浚设备的选择需要

19、考虑设备的可得性、项目时间要求、底泥输送距离、排放压头以及底泥的物理和化学特征等。疏浚后的底泥应采取治理和开发相结合的原则, 充分加以利用。如建立湖滨绿化带, 场地造景, 开发旅游资源, 无害化处理后作为林地肥料制造聚合物及废弃物复合材料、建筑墙体材料等。控制内源释放控制内源释放物理机械方法物理机械方法国内外均有采用该项措施的成功范例。如瑞典的trummen湖通过疏浚使湖水的磷含量减少了90%平均生物量从 75mg/L减少至10mg/L。我国滇池疏浚一期工程已疏浚污染底泥3.77106m3去除总氮总磷清除了大量潜在的内污染源巢湖底泥疏浚工程拟将去除有机质总总磷，将使巢湖水质得到明显改善。技术技

20、术使用条件使用条件优点优点局限性局限性原位处理要求反应剂与沉积物原地就能充分反应通常发挥作用较快处理效果因地而异；难以发挥长效作用原位覆盖水动力强度不大，污染程度不高的沉积物环境潜在的危害较小；施工方便指标不治本；清洁泥沙来源困难；使水体库容变小底泥疏浚污染程度较高的悬浮淤泥见效快，增加湖泊水体容量治理费用昂贵；破换生态系统；施工过程艰难控制内源释放控制内源释放物理机械方法物理机械方法控制内源释放控制内源释放生物技术方法生物技术方法对于小型水体，微生物制剂微生物制剂对去除水中的有机物叶绿素a氨氮和提高溶解氧等有一定效果。固定化亚硝化菌和硝化菌能将水土中的氨氮转化成硝酸盐氮，固定化反硝化菌能利用

21、水中的部分有机物作碳源，进行反硝化作用，可以去除湖水中的氮。在小型湖泊中加入微生物制剂后，水中的溶氧(DO)大幅增加，而COD总氮总磷等则明显降低。随着水体中藻类的减少和下沉，水体的浊度明显下降，水质感官得到改善。控制内源释放控制内源释放生物技术方法生物技术方法 植物净化水体植物净化水体的作用包括植物本身(叶片和茎干等)对水体中颗粒物质的捕获使之吸附在叶片上为附着生物所吸收和同化；或者是使悬浮物沉积至湖底(消除颗粒态营养盐)并不再悬浮；或者是植物根系的吸附作用。 生物浮床技术生物浮床技术是把高等水生植物或改良的陆生植物种植到富营养化水域水面上，其净化原理就是通过植物根部的吸收吸附作用和对悬浮物

22、的拦截作用来净化水质，富集水体中氮磷及有害物质，从而达到净化水质的效果。对于沉水植物而言, 其净化原理就是通过叶片上的附着生物来拦截净化水质通过拦截和降低水柱中的悬浮物浓度来消除颗粒态污染物质通过根部来吸收和同化沉积物中的营养盐. 基于水生植物净化水质的原理，出现了用人工介质模仿水草人工介质模仿水草来拦截颗粒物使之沉积，和通过其附着生物来净化水质，可以取得与水生植物相同的效果. 这方面的尝试在国家重大科技专项“太湖梅梁湾水源地水质改善技术”中进行。初步的结果显示，在去除悬浮物提高透明度去除TN、TP 等方面效果显著。控制内源释放控制内源释放生物技术方法生物技术方法事实证明，在有沉水植物存在的草

23、型湖泊生态系统中，底泥营养盐的释放可以有效得到控制，水质可以得到有效改善。原因是水生植物可以遏制沉积物的动力悬浮过程，同时可以吸收水体与沉积物中的营养盐，降低营养盐负荷, 遏制蓝藻水华发生。关键是如何才能实现湖泊从藻型到草型的转变关键是如何才能实现湖泊从藻型到草型的转变。控制内源释放控制内源释放湖泊生态修复技术湖泊生态修复技术根据Scheffer等人的理论，草型和藻型都是湖泊生态系统在一定条件下的稳定状态。当外部环境发生变化时, 将对湖泊生态系统产生胁迫, 而湖泊生态系统具有一定的抗拒外部环境变化的自我恢复能力(Resilience)，但是，当外部环境胁迫增加到一定程度将导致系统破坏，生态系统转化到与新的环境条件相适应的系统状态。控制内源释放控制内源释放湖泊生态修复技术湖泊生态修复技术荷兰Veluwe 湖在20 世纪6070 年代时营养盐(TP)逐步增加(箭头所示)，伴随TP 的增加到一定程度(0.15 mg/L)，湖泊中水生植物覆盖的面积在减少; 但是当自20 世纪80 年代以后至90 年代，由于控源措施的实施，营养盐(TP)开始下降, 但是，相应地水生植物覆盖面积的恢复并非按照其原来的相关路线(图中箭头所示)，而是下降到0.08mg/L以下时水生植物才得以恢复。控制内源释放控制内源释放湖泊生态修复技术湖泊生态修复技术虽然附着生物能够有效净化水质, 但是