水体环境与水体富营养化

第二章水体环境与水体富营养化•自然界的水，包括淡水和海水，其来源是陆地水和雨雪。•陆地水分为地表水和地下水，地表水分为江、河、湖泊的水，地下水是地表以下岩洞孔隙、裂隙或溶洞中的水。除了埋藏较深的地下水外，其他各类自然界的水域中均有微生物存在。第一节水环境和水中的微生物•水中微生物种类很多，但不同水域种类和数量上差异很大。•自然界的水域中，一般营养物较缺乏，多数微生物常在饥饿的状态下生活，因此在水中存活的许多微生物可以在稀薄的营养环境下生活。•水中异养菌的种类和数量均较多，水中也有自养菌。一、水体中微生物的分布特点•来自溪流的水较为清洁，营养物质缺乏，其中细菌以革兰氏阴性无芽孢菌为主。含铁和硫的水中则常见鞘细菌和硫细菌；•湖泊、池塘、河流中的微生物大部分来自土壤和生活污水，微生物类群直接反映了陆地情况。•水中的真菌以水生藻状菌为主。湖水中最常见的真菌是水霉菌属(Soprolegnia)和绵霉菌属(Achalya)的菌种。•海水中微生物的种类和数量也很大，分布极广，特别是藻类最多。细菌的种类和土壤及淡水中的差别不大，但有较多的弧菌和革兰氏阴性杆菌，球菌和放线菌较少。海水细菌中能游动的和有色素的细菌比例较大。•由于海水中营养物质相对不及地面水丰富，加之海水的高盐分、低温、高压的条件，海水中微生物的浓度相对较低，异养菌数目相对较少，兼性好氧菌占优势而专性好氧菌很少，它们大多是分解蛋白质能力强，而分解碳水化合物能力弱的菌种。不同水体微生物数量国名河名河水中的细菌数(个/mL)作者德国巴西捷克福达河莱尔涅尔格罗河多瑙河3.52×105~9.8×1062~3×1054.55×105JannaschSchmidtDaubner湖泊类型细菌总数（×103/mL）贫营养湖泊中营养湖泊富营养湖泊富营养水库50~340450~14002200~123001000~57900光照温度浮游植物细菌第二节、水体自净作用一、水体自净1概念：地面水接受污染物后，水质发生变化，经过一定时间(或流过一定距离)后，受多种因素的影响，被污染的地面水又恢复原有的洁净状态，这一过程称为水体的自净作用。自净容量自净作用有一定的限度，在水体自净作用限度内能够容纳的污染物的最大数量，称为该水体的自净容量。对于某一特定的水域，若污染物的排放总量超过了其自净容量，则水体不能自行恢复至原有的状态，其生态平衡将遭到破坏，河水即被污染。我国每年的废污水排放总量已经达到了620亿吨水体自净作用的强弱和自净容量的大小受水量、水质及一系列水文条件(如流量、流速、河流弯曲复杂程度等)影响。自净作用是自然沉降作用、稀释作用、有机物的生物降解、复氧作用(溶解氧浓度的恢复)、日照等许多作用联合的结果。通常污染物的排放量在水体的自净容量允许范围，好氧菌能持续繁殖，随有机物降解，溶解氧浓度会下降，水中BOD浓度也同时下降；有机物分解完毕后，化能异养细菌停止生长；光合微生物(藻类和蓝细菌)利用水中溶解的无机物大量繁殖，随后，无机营养物的减少使光合微生物数量也减少。水体的BOD、溶解氧恢复至原来的水平，河水的自净作用完成。排放到水域中的各种废水有时含有各式各样的病原微生物，这些微生物进入河流等水域，由于环境的变化，在一定时间后通常会死去，病原微生物的死亡是自净作用的重要内容。二、河流污染和自净过程1.有机物排放至河流后，被河水稀释，其中的悬浮物沉降至河底。2.河流中的好氧微生物利用有机物加速繁殖，降解有机物，溶解氧降低，甲壳动物、大多原生动物死亡，鱼类绝迹，厌氧菌大量繁殖。二、河流污染和自净过程3.随河水流动以及微生物的活动，有机物浓度降低，COD和BOD降低、溶解氧浓度增加，甚至达到饱和，水生生物开始繁殖。4.有机物被完全降解，细菌数量减少，河水回复到原先的水平，自净作用完成。•有机物质种类及浓度：排入河流的有机物被降解的难易程度、有机污染物的浓度菌直接影响河流的自净作用。•溶解氧：主要来源于藻类、蓝细菌的光合作用和空气中氧的扩散作用。三、影响河流自净作用的因素•温度：对微生物的生长速率有影响，水温或气候会影响水体自净作用的强弱。•其它因素：河流的流量、流速、河道弯曲复杂程度影响到沉降、稀释作用；空气中氧向水中扩散速率，影响到水体的自净作用。三、影响河流自净作用的因素四、衡量水体自净的参考指标1、P/H指数•P代表水体中光合自养型微生物数量，H代表异养微生物数量，二者之比即为P/H指数，它在一定程度上反映水体污染和自净的程度。•P/H指数低，有机物浓度较高，污染重，自净速率高，自净度低；P/H值高，水体逐渐清洁，有机物浓度较低，污染轻，自净速率较低。•河流自净作用完成后，P/H指数也恢复到原来的水平，自净度高。•河流自净过程中，好氧菌大量繁殖，使水中溶解氧下降；而藻类和蓝细菌的光合作用产生的O2及空气中向水体扩散的O2使溶解氧浓度逐渐上升(即复氧作用)。这种在耗氧与复氧作用下的水中溶解氧变化曲线称为氧垂曲线。•氧的消耗量能反映微生物自净作用的强弱，溶解氧的完全恢复说明自净作用已完成，因此氧垂曲线可反应出水体自净状况。2、氧垂曲线和氧浓度的昼夜变化幅度第三节污染水体的微生物生态一、污化系统及其指示生物污化系统(也称有机污染系统)是根据水体有机物污染程度的不同，对水体的一种分类法。当有机污染物排入河流，在其下游河段的自净过程中，形成一系列污化带。因各种水生生物需要不同的生存条件，故在各个带中可找到不同的代表性指示生物，这些指示生物包括细菌、真菌、藻类、原生动物等微生物，以及轮虫、浮游甲壳动物、鱼类及底栖动物等。根据指示生物的不同，污化系统中的污化带分为多污带、-中污带、-中污带和寡污带。1.多污带（polysaprobiczone）•靠近排污点下游，河水深暗、浑浊，含大量有机物，BOD高，呈缺氧或厌氧状态，污染严重。有机物分解产生H2S、NH3，使河水有异味。•水生生物种类极少，以厌氧和兼性厌氧微生物为主，无鱼类、显花植物等。•代表性的指示生物是细菌，且种类多、数量大，每ml水中可达几亿个，例如硫酸盐还原菌与产甲烷菌等，此外还有颤蚯蚓、蚊蝇幼虫。2.中污带(-mesosaprobiczone)•在多污带下游，有机物量略减少，BOD下降，河水依然灰暗，溶解氧低，水面上可有浮沫和浮泥。生物种类增加，细菌数减少，但每毫升仍有几千万个。•代表性的指示生物举例如下：天蓝喇叭虫、椎尾水轮虫、栉虾、独缩虫、颤藻、小球藻等。3.-中污带（-mesosaprobiczone）•光合微生物和绿色浮游生物大量出现，水中溶解氧升高，有机质含量少，BOD很低，悬浮物进一步减少，有机氮已转变为NH4+、NO2-和NO3-，CO2与H2S含量减少。•细菌数量减少，藻类大量繁殖，轮虫、甲壳动物和昆虫增加，生根的植物、鱼类出现。•代表性生物：藻类的水花束丝藻、变异直链硅藻、短棘盘星藻、舟形藻、梭裸藻；原生动物的草履虫、聚缩虫；微型后生动物的腔轮虫、水蚤。4.寡污带(oligosaprobiczone)•河流自净作用完成，有机物完全分解为无机物，BOD极低，溶解氧恢复正常，基本不含H2S，CO2含量较低，氮元素全部氧化为NO3-。•指示生物：鱼腥蓝细菌、隔板硅藻、黄群藻、玫瑰旋轮虫及其它藻类，钟虫、旋轮虫、水生植物与鱼类等。以上污化系统只能反映有机污染的程度，不能反映有毒废水的污染。二、水体有机污染指标1.BIP指数(BiologicIndexofWaterPollution)：•根据水生生物种类的变化来评价水体污染程度的方法仍缺乏定量概念，可用水生生物的数量求出某种指数来定量表示水体污染程度。污染程度清洁水轻微污染中等污染严重污染BIP0~88~2020~6060~100利用BIP判断水体的有机污染程度BIP=BA+B×100A——有光合作用微生物的数量B——非光合作用微生物的数量水污染生物指数的含义为：2、细菌菌落总数（CFU）•1mL水样品在营养琼脂培养基中，于37ºC培养24hr后所生长出来的细菌菌落总数。•用于指示被检测水源水受有机物污染的程度，为生活饮用水做卫生学评价提供依据。•我国规定，1mL生活饮用水中的细菌总数100个。3、总大肠菌群•又称大肠菌群或大肠杆菌群。它包括埃希氏菌属(Escherichia),柠檬酸杆菌属(Citrobacter),肠道菌属(Enterbacter)和克雷伯氏菌属(Klebsiella)。•兼性厌氧、无芽孢、革兰氏阴性杆菌；•是指示水体被粪便污染的一个指标。我国不同水体中总大肠菌群及粪大肠菌群的标准样品总大肠菌群粪大肠菌群地表水Ⅰ级≤200个/LⅡ级≤2000个/LⅢ级≤10000个/LⅣ级≤20000个/LⅤ级≤40000个/L游泳池水≤18个/L饮用水0个/100ml0个/100ml医院排放污水一级≤500个/L二级≤1000个/L三级≤5000个/L第四章水体富营养化（eutrophication)一、水体富营养化（eutrophication)概念•水体中N、P等营养元素大量增加，远远超过正常的含量，导致原有的生态系统破坏，使藻类和某些细菌的数量激增，其它生物种类减少的现象。二、指标：N0.2~0.3mg/L,P0.01~0.02mg/L，生化需氧量10mg/L，细菌总数105个，叶绿素a10g/L。不同湖泊类型的主要特征特征贫营养湖泊富营养湖泊湖的形态水色透明度溶解氧营养物生物群落深、湖岸陡淡、呈蓝色高浓度高N0.3mg/LP0.03mg/L种类多，数量少，主要是硅藻，贝壳动物浅、湖岸较平缓浓、呈绿、蓝绿和黄色低昼夜相差悬殊N0.3mg/LP0.03mg/L种类少，数量多，主要是蓝藻，一般缺乏底栖动物。富营养湖泊贫营养湖泊微生物数量品种分布昼夜间的迁移水华现象主要藻类丰富较少主要在水体表面有限经常发生蓝藻科鱼腥藻属、囊丝藻属、微囊藻属等，片硅藻科直链藻属、脆杆藻属、冠盘藻属、星干藻属。稀少很多可生长至深层频繁很少出现绿藻科角星鼓藻属、片硅藻科平板藻属，小环藻属；金藻可锥囊藻属富营养湖泊与贫营养湖泊比较eutrophicationLargephytoplanktonbloomscancausehugeuglyfoamsonbeaches.Thesebloomsarenottoxicbuttemporarilyruinthebeach,reducingitsrecreationalvalue.AlgaebloominMoundsDamimpoundmentcausedbyeutrophication三、富营养化的危害1.水体外观呈色、变浊、影响景观：•内陆湖：水华（水花Waterbloom);•海洋：赤潮（红潮Redtide)2.水体散发不良气味：土腥素（geosmin)，硫醇、吲哚、胺类、酮类等；3.溶解氧下降：分解有机物及藻类残体造成细菌的大量繁殖，消耗掉水中的氧气。4.水生生物大量死亡。5.有些产生毒素：甲藻产生石房毒素、进入食物链。滇池厚达5cm的微囊藻水华四、优势藻种•海洋中引起赤潮的主要藻种多为甲藻纲，常见的有：甲藻属、膝盖藻属、多甲藻属；•湖泊水华产生以蓝细菌为主：微囊藻属、鱼腥藻属、束丝藻属、颤藻等属的一些种，有些能固氮。五、富营养化的检测与防治•监测：N、P元素的含量，水体中N0.3mg/L、P0.03mg/L时，藻类生长加快。日本学者提出，按下式计算：耗O2量×无机N(g/L)×无机P(g/L)1500若结果1，富营养化将出现。11.评价水体富营养化的方法与AGP•评价水体富营养化的方法是：①观察蓝藻等指示生物；②测定生物的现存量；③测定原初生产力；④测定透明度；⑤测定氮和磷等导致富营养化的物质。•将五方面综合起来对水体的富营养化作出全面、充分地评价。为了控制排入水体的废水量和水质，以便采取防止废水对水体产生负面影响的措施，必须测定该废水中藻类的潜在生产力(AGP)。•AGP即藻类生产的潜在能力。把特定的藻类接种在天然水体或废水中，在一定的光照度和温度条件下培养，使藻类增长到稳定期为止，通