水體富營養(yǎng)化的原理及其危害?

【專家解說】：(一)水體富營養(yǎng)化的機(jī)理 水體富營養(yǎng)化(eutrophication)是指在人類活動的影響下，生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河口、海灣等緩流水體，引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖，水體溶解氧量下降，水質(zhì)惡化，魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象。在自然條件下，湖泊也會從貧營養(yǎng)狀態(tài)過渡到富營養(yǎng)狀態(tài)，不過這種自然過程非常緩慢。而人為排放含營養(yǎng)物質(zhì)的工業(yè)廢水和生活污水所引起的水體富營養(yǎng)化則可以在短時間內(nèi)出現(xiàn)。水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象時，浮游藻類大量繁殖，形成水華。因占優(yōu)勢的浮游藻類的顏色不同，水面往往呈現(xiàn)藍(lán)色、紅色、棕色、乳白色等。這種現(xiàn)象在海洋中則叫做赤潮或紅潮。 1.水體富營養(yǎng)化的機(jī)理:在地表淡水系統(tǒng)中，磷酸鹽通常是植物生長的限制因素，而在海水系統(tǒng)中往往是氨氮和硝酸鹽限制植物的生長以及總的生產(chǎn)量。導(dǎo)致富營養(yǎng)化的物質(zhì)，往往是這些水系統(tǒng)中含量有限的營養(yǎng)物質(zhì)，例如，在正常的淡水系統(tǒng)中磷含量通常是有限的，因此增加磷酸鹽會導(dǎo)致植物的過度生長，而在海水系統(tǒng)中磷是不缺的，而氮含量卻是有限的，因而含氮污染物加入就會消除這一限制因素，從而出現(xiàn)植物的過度生長。生活污水和化肥、食品等工業(yè)的廢水以及農(nóng)田排水都含有大量的氮、磷及其他無機(jī)鹽類。天然水體接納這些廢水后，水中營養(yǎng)物質(zhì)增多，促使自養(yǎng)型生物旺盛生長，特別是藍(lán)藻和紅藻的個體數(shù)量迅速增加，而其他藻類的種類則逐漸減少。水體中的藻類本來以硅藻和綠藻為主，藍(lán)藻的大量出現(xiàn)是富營養(yǎng)化的征兆，隨著富營養(yǎng)化的發(fā)展，最后變?yōu)橐运{(lán)藻為主。藻類繁殖迅速，生長周期短。藻類及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解，不斷消耗水中的溶解氧，或被厭氧微生物分解，不斷產(chǎn)生硫化氫等氣體，從兩個方面使水質(zhì)惡化，造成魚類和其他水生生物大量死亡。藻類及其他浮游生物殘體在腐爛過程中，又把大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)釋放入水中，供新的一代藻類等生物利用。因此，富營養(yǎng)化了的水體，即使切斷外界營養(yǎng)物質(zhì)的來源，水體也很難自凈和恢復(fù)到正常狀態(tài)。 關(guān)于水體富營養(yǎng)化問題的成因有不同的見解。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)濃度升高，是藻類大量繁殖的原因，其中又以磷為關(guān)鍵因素。影響藻類生長的物理、化學(xué)和生物因素(如陽光、營養(yǎng)鹽類、季節(jié)變化、水溫、pH值，以及生物本身的相互關(guān)系)是極為復(fù)雜的。因此，很難預(yù)測藻類生長的趨勢，也難以定出表示富營養(yǎng)化的指標(biāo)。目前一般采用的指標(biāo)是:水體中氮含量超過0.2-0.3ppm，生化需氧量大于10ppm，磷含量大于0.01-0.02ppm，pH值7-9的淡水中細(xì)菌總數(shù)每毫升超過10萬個，表征藻類數(shù)量的葉綠素-a含量大于10μmg/L。 2.營養(yǎng)物質(zhì)的來源:水體中過量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)主要來自未加處理或處理不完全的工業(yè)廢水和生活污水、有機(jī)垃圾和家畜家禽糞便以及農(nóng)施化肥，其中最大的來源是農(nóng)田上施用的大量化肥。 (1)氮源 農(nóng)田徑流挾帶的大量氨氮和硝酸鹽氮進(jìn)入水體后，改變了其中原有的氮平衡，促進(jìn)某些適應(yīng)新條件的藻類種屬迅速增殖，覆蓋了大面積水面。例如我國南方水網(wǎng)地區(qū)一些湖叉河道中從農(nóng)田流入的大量的氮促進(jìn)了水花生、水葫蘆、水浮蓮、鴨草等浮水植物的大量繁殖，致使有些河段影響航運(yùn)。在這些水生植物死亡后，細(xì)菌將其分解，從而使其所在水體中增加了有機(jī)物，導(dǎo)致其進(jìn)一步耗氧，使大批魚類死亡。最近，美國的有關(guān)研究部門發(fā)現(xiàn)，含有尿素、氨氮為主要氮形態(tài)的生活污水和人畜糞便，排入水體后會使正常的氮循環(huán)變成“短路循環(huán)”，即尿素和氨氮的大量排入，破壞了正常的氮、磷比例，并且導(dǎo)致在這一水域生存的浮游植物群落完全改變，原來正常的浮游植物群落是由硅藻、鞭毛蟲和腰鞭蟲組成的，而這些種群幾乎完全被藍(lán)藻、紅藻和小的鞭毛蟲類(Nannochloris屬，Stichococcus屬)所取代。 (2)磷源 水體中的過量磷主要來源于肥料、農(nóng)業(yè)廢棄物和城市污水。據(jù)有關(guān)資料說明，在過去的15年內(nèi)地表水的磷酸鹽含量增加了25倍，在美國進(jìn)入水體的磷酸鹽有60%是來自城市污水。在城市污水中磷酸鹽的主要來源是洗滌劑，它除了引起水體富營養(yǎng)化以外，還使許多水體產(chǎn)生大量泡沫。水體中過量的磷一方面來自外來的工業(yè)廢水和生活污水。另方面還有其內(nèi)源作用，即水體中的底泥在還原狀態(tài)下會釋放磷酸鹽，從而增加磷的含量，特別是在一些因硝酸鹽引起的富營養(yǎng)化的湖泊中，由于城市污水的排入使之更加復(fù)雜化，會使該系統(tǒng)迅速惡化，即使停止加入磷酸鹽，問題也不會解決。這是因?yàn)槎嗄陙碓诘撞砍练e了大量的富含磷酸鹽的沉淀物，它由于不溶性的鐵鹽保護(hù)層作用通常是不會參與混合的。但是，當(dāng)?shù)讓铀趿康投幱谶€原狀態(tài)時(通常在夏季分層時出現(xiàn))，保護(hù)層消失，從而使磷酸鹽釋入水中所致。 (二)水體富營養(yǎng)化的危害及其防治對策 1.水體富營養(yǎng)化的危害:富營養(yǎng)化會影響水體的水質(zhì)，會造成水的透明度降低，使得陽光難以穿透水層，從而影響水中植物的光合作用，可能造成溶解氧的過飽和狀態(tài)。溶解氧的過飽和以及水中溶解氧少，都對水生動物有害，造成魚類大量死亡。同時，因?yàn)樗w富營養(yǎng)化，水體表面生長著以藍(lán)藻、綠藻為優(yōu)勢種的大量水藻，形成一層“綠色浮渣”，致使底層堆積的有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件分解產(chǎn)生的有害氣體和一些浮游生物產(chǎn)生的生物毒素也會傷害魚類。因富營養(yǎng)化水中含有硝酸鹽和亞硝酸鹽，人畜長期飲用這些物質(zhì)含量超過一定標(biāo)準(zhǔn)的水，也會中毒致病。 2.富營養(yǎng)化的防治對策:富營養(yǎng)化的防治是水污染處理中最為復(fù)雜和困難的問題。這是因?yàn)?①污染源的復(fù)雜性，導(dǎo)致水質(zhì)富營養(yǎng)化的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)，既有天然源，又有人為源;既有外源性，又有內(nèi)源性。這就給控制污染源帶來了困難;②營養(yǎng)物質(zhì)去除的高難度，至今還沒有任何單一的生物學(xué)、化學(xué)和物理措施能夠徹底去除廢水的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)。通常的二級生化處理方法只能去除30-50%的氮、磷。本章僅簡要介紹富營養(yǎng)化水體中除磷和除氮的方法。 (1)控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)輸入 絕大多數(shù)水體富營養(yǎng)化主要是外界輸入的營養(yǎng)物質(zhì)在水體中富集造成的。如果減少或者截斷外部輸入的營養(yǎng)物質(zhì)，就使水體失去了營養(yǎng)物質(zhì)富集的可能性。為此，首先應(yīng)該著重減少或者截斷外部營養(yǎng)物質(zhì)的輸入，控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)，應(yīng)從控制人為污染源著手，應(yīng)準(zhǔn)確調(diào)查清楚排入水體營養(yǎng)物質(zhì)的主要排放源，監(jiān)測排入水體的廢水和污水中的氮、磷濃度，計算出年排放的氮、磷總量，為實(shí)施控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)的措施提供可靠的科學(xué)依據(jù)。 (2)減少內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì)負(fù)荷 輸入到湖泊等水體的營養(yǎng)物質(zhì)在時空分布上是非常復(fù)雜的。氮、磷元素在水體中可能被水生生物吸收利用，或者以溶解性鹽類形式溶于水中，或者經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)和生物作用而沉降，并在底泥中不斷積累，或者從底泥中釋放進(jìn)入水中。減少內(nèi)源性營養(yǎng)物負(fù)荷，有效地控制湖泊內(nèi)部磷富集，應(yīng)視不同情況，采用不同的方法。主要的方法有:①工程性措施:包括挖掘底泥沉積物、進(jìn)行水體深層曝氣、注水沖稀以及在底泥表面敷設(shè)塑料等。挖掘底泥，可減少以至消除潛在性內(nèi)部污染源;深層曝氣，可定期或不定期采取人為湖底深層曝氣而補(bǔ)充氧，使水與底泥界面之間不出現(xiàn)厭氧層，經(jīng)常保持有氧狀態(tài)，有利于抑制底泥磷釋放。此外，在有條件的地方，用含磷和氮濃度低的水注入湖泊，可起到稀釋營養(yǎng)物質(zhì)濃度的作用。②化學(xué)方法:這是一類包括凝聚沉降和用化學(xué)藥劑殺藻的方法，例如有許多種陽離子可以使磷有效地從水溶液中沉淀出來，其中最有價值的是價格比較便宜的鐵、鋁和鈣，它們都能與磷酸鹽生成不溶性沉淀物而沉降下來。例如美國華盛頓州西部的長湖是一個富營養(yǎng)水體，1980年10月用向湖中投加鋁鹽的辦法來沉淀湖中的磷酸鹽。在投加鋁鹽后的第四年夏天，湖水中的磷濃度則由原來的65μg/L降到30μg/L，湖泊水質(zhì)有較明顯的改善。在化學(xué)法中，還有一種方法是用殺藻劑殺死藻類。這種方法適合于水華盈湖的水體。殺藻劑將藻殺死后，水藻腐爛分解仍舊會釋放出磷，因此，應(yīng)該將被殺死的藻類及時撈出，或者再投加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)藥品，將藻類腐爛分解釋放出的磷酸鹽沉降。③生物性措施:利用水生生物吸收利用氮、磷元素進(jìn)行代謝活動以去除水體中氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的方法。目前，有些國家開始試驗(yàn)用大型水生植物污水處理系統(tǒng)凈化富營養(yǎng)化的水體。大型水生植物包括鳳眼蓮、蘆葦、狹葉香蒲、加拿大海羅地、多穗尾藻、麗藻、破銅錢等許多種類，可根據(jù)不同的氣候條件和污染物的性質(zhì)進(jìn)行適宜的選栽。水生植物凈化水體的特點(diǎn)是以大型水生植物為主體，植物和根區(qū)微生物共生，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，凈化污水。經(jīng)過植物直接吸收、微生物轉(zhuǎn)化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和懸浮顆粒，同時對重金屬分子也有降解效果。水生植物一般生長快，收割后經(jīng)處理可作為燃料、飼料，或經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生沼氣。這是目前國內(nèi)外治理湖泊水體富營養(yǎng)化的重要措施。近年來，有些國家采用生物控制的措施控制水體富營養(yǎng)化，也收到了比較明顯的效果。例如德國近年來采用了生物控制，成功地改善了一個人工湖泊(平均水深7米)的水質(zhì)。其辦法是在湖中每年投放食肉類魚種如狗魚、鱸魚去吞食吃浮游動物的小魚，幾年之后這種小魚顯著減少，而浮游動物(如水蚤類)增加了，從而使作為其食料的浮游植物量減少，整個水體的透明度隨之提高，細(xì)菌減少，氧氣平衡的水深分布狀況改善。但也發(fā)現(xiàn)，浮游植物種群有所改變，藍(lán)綠藻生長量比例增高，因?yàn)樗鼈儾荒鼙桓∮蝿游锊妒?，為此可以放鰱魚來控制這種藻類的生長。 水體富營養(yǎng)化的危害主要表現(xiàn)在三個方面。 (1)富營養(yǎng)化造成水的透明度降低，陽光難以穿透水層，從而影響水中植物的光合作用和氧氣的釋放，同時浮游生物的大量繁殖，消耗了水中大量的氧，使水中溶解氧嚴(yán)重不足，而水面植物的光合作用，則可能造成局部溶解氧的過飽和。溶解氧過飽和以及水中溶解氧少，都對水生動物(主要是魚類)有害，造成魚類大量死亡。 (2)富營養(yǎng)化水體底層堆積的有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下分解產(chǎn)生的有害氣體，以及一些浮游生物產(chǎn)生的生物毒素(如石房蛤毒素)也會傷害水生動物。 (3)富營養(yǎng)化水中含有亞硝酸鹽和硝酸鹽，人畜長期飲用這些物質(zhì)含量超過一定標(biāo)準(zhǔn)的水，會中毒致病等等。 水體富營養(yǎng)化，常導(dǎo)致水生生態(tài)系統(tǒng)紊亂，水生生物種類減少，多樣性受到破壞。昆明滇池水質(zhì)在20世紀(jì)50年代處于貧營養(yǎng)狀態(tài)，到80年代則處于富營養(yǎng)化狀態(tài)，大型水生植物種數(shù)由50年代的44種降至20種，浮游植物屬數(shù)由87屬降至45屬，土著魚種數(shù)由15種降至4種;武漢漢江在1992年發(fā)生水華時，藻類種群的多樣性指數(shù)也呈下降趨勢。普遍的重富營養(yǎng)造成多種用水功能的嚴(yán)重?fù)p害，甚至完全喪失。武漢漢江下游因出現(xiàn)水華現(xiàn)象而導(dǎo)致漢川自來水廠被迫關(guān)閉，宗關(guān)自來水廠的凈化工序困難，反沖增加，制水成本增加。此外，由于藻類帶有明顯的魚腥味，從而影響飲用水質(zhì)。而藻類產(chǎn)生的毒素則會危害人類和動物的健康。