磷元素對水的危害

【專家解說】：　　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)物質大量進入湖泊、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。導致富營養(yǎng)化的物質，往往是這些水系統(tǒng)中含量有限的營養(yǎng)物質，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)的廢水以及農田排水都含有大量的氮、磷及其他無機鹽類。天然水體接納這些廢水后，水中營養(yǎng)物質增多，促使自養(yǎng)型生物旺盛生長，特別是藍藻和紅藻的個體數(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{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)物質的來源，水體也很難自凈和恢復到正常狀態(tài)。
　　關于水體富營養(yǎng)化問題的成因有不同的見解。多數(shù)學者認為氮、磷等營養(yǎng)物質濃度升高，是藻類大量繁殖的原因，其中又以磷為關鍵因素。影響藻類生長的物理、化學和生物因素(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系)是極為復雜的。因此，很難預測藻類生長的趨勢，也難以定出表示富營養(yǎng)化的指標。目前一般采用的指標是：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)物質的來源：水體中過量的氮、磷等營養(yǎng)物質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、有機垃圾和家畜家禽糞便以及農施化肥，其中最大的來源是農田上施用的大量化肥。
　　(1)氮源
　　農田徑流挾帶的大量氨氮和硝酸鹽氮進入水體后，改變了其中原有的氮平衡，促進某些適應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田流入的大量的氮促進了水花生、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。在這些水生植物死亡后，細菌將其分解，從而使其所在水體中增加了有機物，導致其進一步耗氧，使大批魚類死亡。最近，美國的有關研究部門發(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、農業(yè)廢棄物和城市污水。據(jù)有關資料說明，在過去的15年內地表水的磷酸鹽含量增加了25倍，在美國進入水體的磷酸鹽有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。這是因為多年來在底部沉積了大量的富含磷酸鹽的沉淀物，它由于不溶性的鐵鹽保護層作用通常是不會參與混合的。但是，當?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，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，因為水體富營養(yǎng)化，水體表面生長著以藍藻、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物質在厭氧條件分解產(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含量超過一定標準的水，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雜和困難的問題。這是因為：①污染源的復雜性，導致水質富營養(yǎng)化的氮、磷營養(yǎng)物質，既有天然源，又有人為源；既有外源性，又有內源性。這就給控制污染源帶來了困難；②營養(yǎng)物質去除的高難度，至今還沒有任何單一的生物學、化學和物理措施能夠徹底去除廢水的氮、磷營養(yǎng)物質。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，就使水體失去了營養(yǎng)物質富集的可能性。為此，首先應該著重減少或者截斷外部營養(yǎng)物質的輸入，控制外源性營養(yǎng)物質，應從控制人為污染源著手，應準確調查清楚排入水體營養(yǎng)物質的主要排放源，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，為實施控制外源性營養(yǎng)物質的措施提供可靠的科學依據(jù)。
　　(2)減少內源性營養(yǎng)物質負荷
　　輸入到湖泊等水體的營養(yǎng)物質在時空分布上是非常復雜的。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)過復雜的物理化學反應和生物作用而沉降，并在底泥中不斷積累，或者從底泥中釋放進入水中。減少內源性營養(yǎng)物負荷，有效地控制湖泊內部磷富集，應視不同情況，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、進行水體深層曝氣、注水沖稀以及在底泥表面敷設塑料等。挖掘底泥，可減少以至消除潛在性內部污染源；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)物質濃度的作用。②化學方法：這是一類包括凝聚沉降和用化學藥劑殺藻的方法，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，湖泊水質有較明顯的改善。在化學法中，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，應該將被殺死的藻類及時撈出，或者再投加適當?shù)幕瘜W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、磷元素進行代謝活動以去除水體中氮、磷營養(yǎng)物質的方法。目前，有些國家開始試驗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進行適宜的選栽。水生植物凈化水體的特點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，凈化污水。經(jīng)過植物直接吸收、微生物轉化、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。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，藍綠藻生長量比例增高，因為它們不能被浮游動物捕食，為此可以放鰱魚來控制這種藻類的生長。