水体富营养化原因及高效藻类塘的修复作用

1水体富营养化原因及高效藻类塘的修复作用摘要:主要介绍了导致水体富营养化的原因，藻类的过度增殖对水体富营养化的影响及营养物质氮磷对藻类生长的影响。并且概述了高效藻类塘作为一种修复技术对富营养化水体的修复作用。关键词：氮；磷；水体富营养化；高效藻类塘；修复作用1水体富营养化水体富营养化是指在人类活动的影响下，氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象。这种现象在河流湖泊中出现称为水华，在海洋中出现称为赤潮。近几十年来，由于沿湖周围工业的发展及人类活动的加剧，导致了湖泊的富营养化。从20世纪80年代末开始，采用了污水拦截、清淤、引水稀释等治理措施，迄今为止，湖泊的状况有所改善，但是每年仍会有大规模的藻类爆发。防治湖泊富营养化的措施之一是保持氮、磷及其它营养元素对湖泊的输入与输出保持在一个平衡的状态，并逐步降低湖泊中的磷质量浓度，最终使磷含量维持在一个较低的水平[1]。1.1藻类的过度繁殖与水体富营养化自然水体发生富营养化是近年来水体污染的一个重要方面。而营养物向水体的输入是促使富营养化发生的一个关键因子。因此研究营养物水平与富营养化之间的关系对防治自然水体的污染具有重要意义。生命周期理论认为，含氮和含磷的化合物过多排入水体，破坏了原有的生态平衡，引起藻类大量繁殖，过多的消耗水中的氧，使鱼类、浮游生物缺氧死亡，它们的尸体腐烂又造成水质污染。根据这一理论，氮磷的过量排放是造成富营养化的根本原因，藻类是富营养化的主体，它的生长速度直接影响水质状态。大量研究结果证明，水体富营养化的发生主要是因为N、P等营养盐含量超过了水体本身的自净能力，加上缓慢的水流流态和适宜的温度及光照条件等。由于水流流态和局部水域的气候条件目前尚无力通过人工措施予以调节，而只能通过降低水体中的营养盐浓度来控制富营养化的发生[2]。富营养化水体中的氮磷主要包括外部进入水体的氮磷，以及水体内部自身底泥等沉积物释放进入水中的氮磷。大多数情况下，氮主要通过面源进入水体，磷主要通过2点源进入水体，有研究表明，湖泊、水库中磷的80%来自于污水排放。而磷的主要来源是家庭洗涤剂的使用，其磷的污染强度均占总的磷污染负50%左右[3]。因此要控制水体的富营养化，最重要的是减少水体中氮磷等营养物质的输入。1.2营养物质氮、磷对藻类生长的影响影响藻类生长的因素有很多[4]，如自然因素和环境因子（光照、温度、PH、氮和磷等[1]）的影响，也有微量元素的影响。氮和磷作为藻类生长所必需的营养元素，一般情况下，藻类会随着水体中氮、磷浓度的增加而快速生长繁殖，在一定的氮磷比值范围内，藻类的增殖速度与水体氮磷含量呈正相关的关系。而部分地区的地表水中氮磷浓度的大幅度增加引起了藻类的过度增殖，导致了水体的富营养化[5]。因此，充分了解营养物质氮磷对藻类的生长关系有助于探讨解决水体富营养化的关键所在。1.2.1藻类的介绍藻类是一种能进行光合作用真核或原核生物，有小至几微米的单细胞的藻类，也有很大型的藻类如褐藻。藻类分布范围极广，对生长环境适应性强，甚至在极低的营养浓度、极微弱的光照强度和相当低的温度下也能生活。藻类的生长受多方面因素的影响[4]，如物理、化学和生物等因素[6]。其中大量营养元素可以促进藻类生物量的剧增，尤其是氮磷为藻类生长的主要因素[7，8]。有研究表明，磷可能是限制其生长的主要因子[1]。1.2.2营养元素N与藻类生长的关系N是生物生长所必须的元素[9]，自然界的N主要储存在大气中。大气中的氮气为具有固氮作用的植物和藻类提供了丰富的氮源[10]。由于水体中的一些藻类具有固氮能力，可以把大气中的氮转化为能被水生植物吸收利用的硝酸盐类，从而使藻类能够获得充足的氮源。生物固氮作用在N的自然循环中扮演着重要角色[11]，另外，由于氮肥的大量使用，大大增加了水体中的氮素。一定程度上来说水体富营养化形成的一个重要原因就是由于自然界中N循环固氮过程被强化而造成水体中氮负荷的增加[12]。1.2.3营养元素P与藻类生长的关系磷是生命活动中所必须的元素，存在于一切核苷酸结构中，ATP秘生物体内能量转化密切相关。自然界中的磷主要来源于磷酸盐矿、动物粪便及化石等天然磷酸盐沉积物中。自然界中P循环只是一个单向流动过程，由于过度的人为活动如矿山开采、土地开发等，储藏在地球表面的磷通过食物链进入水循环中，使水体中的磷负荷增加。由于环境因素，造成磷浓度的增加又通过藻类生物量表现出来，当环境中供给的磷总3量减少时，则水体中磷浓度降低影响藻类的生长，然而，当环境中连续不断地增加磷的供给时藻类便大量的迅速繁殖。在生物圈内，磷主要以三种状态存在，即以可溶解态存在于水溶液中；在生物体内与大分子结合；不溶解的磷酸盐大部分存在于沉积物中。由于天然水体中的磷含量不高，所以它往往会限制水体生产者的生长。如果水体中可溶性磷酸盐浓度过高的话会造成水体富营养化，而大部分研究认为磷元素是水体富营养化的最主要的限制因素[13-15]。1.2.4N/P与藻类的生长关系在研究营养物质氮磷对藻类生长影响的过程中，大量的研究还表明，氮磷比值与藻类增值有密切的关系。在实际当中，合适的N/P比值范围，有利于藻类的增殖，而超出这个范围将不利于藻类的生长[16]。Redfield定律认为[17]，藻类细胞组成的原子比率C∶N∶P=106∶16∶1，如果氮磷比超过16∶1，磷被认为是限制性因素；反之，当氮磷比小于10∶1时，氮通常被考虑为限制性因素；而当氮磷比在10-20之间时，限制性因素则变得不确定。此规律一般适合海洋及湖泊等淡水中浮游植物的生长。但由于藻类对氮、磷吸收率的不同，氮磷比对藻类生长的影响并不表现在一个确定值上，也不能用该比例来确定一个特定水环境中影响藻类生长的限制性因素，而应结合氮、磷质量浓度与氮磷比进行综合考虑[18]。当磷源充足的情况下，适合藻类生长的最佳比例为40∶1，可见Redfield定律有其一定的范围[1]。2高效藻类塘对富营养化水体的修复作用2.1高效藻类塘的介绍高效藻类塘是美国加州大学伯克利分校的Oswald和Gotaas等人在20世纪50年代末提出并发展的。它是在传统稳定塘的基础上发展起来的一种改进形式，强化利用藻类的增殖来产生有利于微生物生长和繁殖的环境，形成更紧密的藻-菌共生系统，同时创造一定的物化条件，达到对有机碳、病原体、尤其是氮和磷等污染物的有效去除[19]。2.2高效藻类塘氮磷去除机理高效藻类塘对氮和磷的去除存在直接作用和间接作用两个过程。直接作用是藻类对氮和磷的同化吸收；间接作用是指藻类大量繁殖致使塘内pH升高，从而促使氨氮以气态形式挥发以及磷酸盐与钙、镁等离子形成沉淀。藻类同化吸收的氮和磷可通过后续除藻将其从水中彻底去除。42.2.1高效藻类塘氮去除机理高效藻类塘对氮的去除主要是藻类同化吸收和氨氮挥发。2.2.1.1藻类同化吸收McCarthy等人在1977年指出浮游植物利用各种形式氮的优先顺序为氨氮有机氮硝酸盐亚硝酸盐。藻类摄取水中的氨氮，通过光合作用合成细胞所需要的氨基酸等物质。藻类同化吸收氨氮合成细胞的过程实际上是氨氮转化为有机氮的过程，使出水中颗粒性的有机氮含量增加，所以，后续除藻对高效藻类塘内氮的彻底去除起着非常重要的作用。2.2.1.2高pH下的氨氮挥发Konig认为在高效藻类塘中，pH为9.0时，水中40%的氨氮以气态形式存在；pH为10.0时，80%的氨氮以气态存在。高效藻类塘内pH较高，兼有搅拌浆提供了更大的气水交换界面，使氨氮以气态自水中逸出，达到了氨氮大量挥发的效果。Picot等人对高效藻类塘的pH、氨氮去除率进行连续两昼夜监测后发现，在13:00-15:00之间池中pH高于9.0，氨氮的去除率达到94%。夜晚，光合作用停止，pH降至8.6，氨氮的去除率明显下降。对数据进行分析后显示，氨氮的去除率与pH呈现显著相关。2.2.2高效藻类塘磷去除机理高效藻类塘对磷的去除主要是藻类同化吸收和化学沉淀。化学沉淀主要是由磷酸盐沉淀引起,即与水体中的某些阳离子如钙离子、镁离子等发生协同沉淀,从而从水中去除。这个过程受pH和阳离子浓度的影响。Pioct等人对高效藻类塘的pH、磷酸盐去除率进行连续两昼夜监测后发现，在13:00一15:00之间池中pH高于9，磷酸盐的去除率达到89%。夜晚，光合作用停止,pH降至8.6，磷酸盐的去除率明显下降。对数据进行分析后显示,磷酸盐的去除率与pH呈现显著相关。高效藻类塘氮磷去除机理研究中还存在很多问题需要解决，如关于氮的去除，未能定量测定氨氮挥发速率和挥发量，难以确定氨氮挥发和藻类吸收在高效藻类塘总氮和氨氮去除中的主次关系；关于磷的去除，由于藻类吸收和化学沉淀均将磷酸盐转化为颗粒态磷，难以定量区分藻类吸收和化学沉淀在磷去除中的主次关系[19]。参考文献[1]丰茂武,吴云海,冯仕训,吴云影.不同氮磷比对藻类生长的影响.生态环境,2008,17(5):1759-1763.5[2]况琪军,马沛明,胡征宇,周广杰.湖泊富营养化的藻类生物学评价与治理研究进展[J].安全与环境学报,2005,5(2):87-91.[3]杨桢奎等译.水域的富营养化及其防治对策[M].北京:中国环境科学出版社,1989.:71-73.[4]MooreJW,SchindlerDE,ScheuerellMD,eta1.LakeEutruphieationattheUrbanFringe,SeattleRegion,USA[J].AMBIO:AJournaloftheHumanEnvironment.2003,32(1):13-18.[5]邱立云.富营养化湖泊环境影响因子相关性分析研究.[硕士学位论文].湖北：华中科技大学，2009.[6]GUNNELA.Phosphorusasgrowth-regulatingfactorrelativetootherenvironmentalfactorsinculturedalgae[J].Hydrobiologia,1988,170:191-210.[7]张冬鹏,武宝歼.几种赤潮藻对温度、氮、磷的响应及藻问相互作用的研究[J]．暨南大学学报(自然科学版),2000,21(5):82-87．[8]王淑娟..水体的富营养化及其防治[J].锦江师范学院学报:自然科学版,2003,24(2):16-18.[9]孙凌,金相灿,钟远,张冬梅,朱琳,戴树桂,庄源益.不同氮磷比条件下浮游藻类群落变化.应用生态学报,2006,17(7):1218-1223.[10]冯宝荣,徐婷.氮磷比对藻类生长影响的研究[J].现代商贸工业,2010,15:375-376.[11]KarlD,LetelierR,TupasL,etal.TheroleofnitrogenfixationinbiogeochemicalcyclinginthesubtropicalNorthPacificOcean[J].Nature,1997,388:533-538.[12]饶群,苪孝芳.富营养化机理及数学模拟研究进展[J].水文,2001,2(21):15-24.[13]毛成责,余雪芳,邵晓阳.杭州西湖总氮、总磷周年变化与水体富营养化研究[J].水生态学杂志,2010,3(4):1-6.[14]周启星,俞洁,陈剑.某城市湖泊中磷的循环特征及富营养化发生潜势[J].环境科学,2004,25(5).[15]郑杰,黄显怀,尚巍,黄鹏.不同氮磷比对藻类生长及水环境因子的影响[J].工业用水与废水,2011,1(42):12-16.[16]袁博宇.官厅水库富营养化分析及对策探讨[J].北京水利,2004,6:17-20.[17]VollenweiderRA.Elementalandbiochemicalcompestionoflanktionbiomass,somecommentsandexplorationsArchHydrobiol,1985,105:11-29.[18]王洪铸,王海军．蓝藻水华治理应放