水体富营养化的测定及其新方法研究进展

水体富营养化的测定及其新方法研究进展河北科技大学环境工程肖s2012006038摘要:在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊，河口，海湾等缓流水体，引起藻类及其它浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其它生物产生变异现象，导致水体富营养化发，水体富营养化使水质变劣．对人们的生活和周围的环境造成了一系列影响和损失。为确保水质质量的安全性和合理利用，应在不同时间段内对水库水源进行水体富营养化的测定，本文介绍了水体富营养化国内外的研究现状，成因、危害及预防措施。并介绍了其评价方法，以及新方法的研究进展，为有效防止水体富营养化的产生，保护水体和生态环境提供了有力的理论依据。关键词：水体富营养化、评价方法、新方法、生态环境第一章引言水是人类生存所必需的资源，地球表而约有70%以上被水覆盖，总水量约为13.86亿km3，但淡水储量仅0.35亿km3，仅占总水量的2.53%，而且，和人类生活、生产关系密切的淡水储量为400多万km3，只占淡水总储量的11%，总水量的0.3%[1]。不仅如此，全球人均水资源拥有量日益下降，全球共有100多个国家缺水，严重的有40多个，发展中国家有3/4的农村和1/5的城市得不到安全卫生的饮用水，80%的疾病和1/3的死亡率与水质污染有关。全球每年向江河湖泊排放污水4260亿（km3），造成55000亿(km3)水体的污染，占全球径流量约14以上，全球河流稳定流量的40%受到污染，并有恶化趋势[2]。我国水资源总量约28124亿m3其中地下水8000亿m3，居世界第六，而人均水资源只有2710m3，约为世界人均水资源量的1/43。调查结果表明:全国七大水系，部分湖泊和部分近岸海均受到不同程度污染，一些主要的淡水湖泊受到富营养化的严重威肋。2001年太湖和滇池外海均属中度富营养状态，滇池草海更是处于重度富营养状态，巢湖属于轻度富营养状态。我国95000km的河川有19000km受到污染，其中4800km受到严重污染。水利部统计，全国600多个城市有305多个缺水，特别严重的有100多个，农业灌水严重不足。2001年全国工业和城镇生活废水排放总量为428.4亿吨，比上年增加了3.2废水中化学需氧量(COD)的排放量为1406.5万吨，比上年减少了2.76%[3]。水体富营养化是一个全球性环境问题，它是由于水体中氮磷含量超标导致藻类过度繁殖引起的。水体富营养化使得水体溶解量下降、水质恶化，致使水中生物大量死亡。富营养化水中含有硝酸盐和亚硝酸盐，如果人畜长期饮用这些物质含量超过一定标准的水就会中毒致病。所以对水体富营养化进行系统的研究具有重要的意义。近年来我国三大湖泊（太湖、巢湖）频繁爆发水体富营养化现象，严重影响水体功能的发挥，尤其是2007年4月太湖水体出现严重的水体富营养化现象，直接影响到居民用水的安全和健康。第二章水体富营养化概论2.1水体富营养化水体富营养化是指湖泊、水库和海湾等封闭性或半封闭性的水体，以及某些滞流（流速小于每秒1米）河流水体内的氮、磷、碳等营养元素的富集，导致某些特征性藻类（主要为蓝藻、绿藻、硅藻、甲藻等）的异常增值，使水体透明度下降，溶解氧降低，水质变得腥臭难闻的现象。水体富营养化后,由于浮游生物大量繁殖,往往呈现蓝色、红色、棕色、乳白色等。这种现象在江河湖泊中称为
水华
,在海中则叫做赤潮。富营养化的指标,从测定项目上分可大致分为物理、化学和生物学三种指标,这些指标是衡量富营养化的一个尺度,但富营养化现象是复杂的,必须把这些因子的复杂性交织在一起才能表示富营养化状态,对于湖泊营养水平的评价标准,至今尚未得出一致意见,但大致可分为两种,一种是美国国家环保局湖泊富营养化阶段标准,另外是经OECD组织湖泊营养分类系统,目前判断水体富营养化的一般标准是：氮含量超过0.2～0.3mg/L,磷含量大于0.01～0.02mg/L,BOD大于10mg/L,pH值7～9的淡水中细菌总数超过10万个/mL,叶绿素a含量大于10ug/L。2.2水体富营养化的研究现状2.2.1国外研究现状欧洲在统计的96个湖泊中有80%的湖泊不同程度地受到氮、磷的污染,呈现出富营养化状态。也有河流出现过富营养化问题,如由于建造阿斯旺大坝使尼罗河水文发生变化而使开罗市的供水水源受到水体富营养化的影响;法国里昂下游地区的河流中叶绿素值极高。20世纪初，水体富营养化问题引起了生态学家，湖沼学家的注意，同时也得到一些国际组织及国家政府及社会各界人士的关注与重视。在20世纪60年代末，联合国粮农组织、联合国教科文组织、世界卫生组织、欧洲经济共同体以及经济合作与发展组织等众多国际组织开始在其计划中设立研究专项[4]。经过几十年的研究，目前其成果主要体现营养元素控制因素、富营养化水质改善及政策控制措施三个方面：2.2.1.1营养元素研究方面目前研究表明，水体中氮磷含量直接决定了藻类的繁殖速率，影响水体富营养化进程，是水体富营养化主要控制因子[5]。还有一些研究也表明水体中有机质，维生素类和微有机成分以及锰、铁和钼等微量元素也是影响藻类爆发[9-10]和水体富营养化发展的重要原因。2.2.1.2富营养化水质改善技术研究方面相关成果可以归纳为减少入湖外源性营养负荷的技术，控制湖泊内源营养负荷技术，控制湖泊富营养化的湖泊生态修复技术和水体中藻类的治理技术。其中，外源控制技术主要包括废污水迁移、氧化塘技术、土地处理系统、生物除磷、前置库、限制合成洗涤剂含磷量、水栽生物过滤法等。内源控制技术主要包括沉积物氧化化学沉淀、底泥覆盖、引水冲刷、底泥疏浚、湖内下层水抽取、选择排放、水位操作、生物技术等[6-10]。湖泊生态修复技术主要包括大型高等水生植物修复技术、食鱼性鱼调控技术等[11]。水体中藻类的治理一般有直接过滤除藻、气浮除藻、化学药剂除藻、养鱼除藻、机械收藻等[12]。2.2.1.3政策措施方面湖泊富营养化政策措施主要分为两类：一种是运用激励机制去影响产生污染的生产投入，例如化肥和农药的投入。第二种是利用税收补贴机制影响湖泊污染浓度[13]。2.2.2国内研究现状我国多年以来的调查结果表明,富营养化湖泊个数占调查湖泊的比例由20世纪70年代末至80年代的41%发展到80年代后期的61%,到20世纪90年代后期又上升到77%。根据对全国39个大、中、小型水库的调查结果表明:处于富营养状态的水库个数和库容分别占所调查水库的30.8%和11.2%,处于中营养状态的水库个数和库容分别占所调查水库的43.6%和83.1%。我国部分河流水域如汉江、珠江出现了水华等富营养化现象的报道[14]2.3富营养化的形成机理藻类和一些光和细菌能利用无机盐类制造有机物,自然水体中的氮磷（特别是磷）在一定程度上是浮游生物的数量控制因素.一般来说,生物可利用磷的浓度低于5ug/L,磷就可能成为限制因子,生物可利用氮的浓度低于20ug/L,就可能成为限制因子.由于人为因素使水体中营养盐类增多,促使了自氧型生物,大型绿色植物和微生物旺盛生长,归纳起来,主要有以下几个原因:2.3.1未经处理的生活污水的排入生活污水中含有大量的可溶性营养盐类,而且还有许多有机质,生活污水中的洗涤剂含有大量的磷,环境科学家认为洗涤剂中的磷成分是水体富营养化的四个主要原因（化肥、人畜粪便、水土流失、含磷洗涤剂）之一,洗涤剂中磷占磷总排入量的20%左右.2.3.2工业废水的排入工业中如化肥、制革、食品等行业排出的废水,富含大量的营养物质,以及无机盐类.2.3.3农业中农田排水现代农业中大量应用了化肥和农药,但研究表明,目前化肥的施用量是农作物实际需要量的几倍,多余的化肥,农药随排水进入水体,以太湖为例,农业面源入湖的氮占总氮的72%~75%.2.3.4不合理的围湖造田由于历史的和现实的种种原因,中国大部分的湖泊都被不同程度的填掉一部分,这种工程似的湖的蓄容量减少,改变了水流运动规律,破坏了水生生态系统.导致了水质恶化加剧.以太湖为例,1950~1985年,太湖被侵吞了528.5km2,而目前,太湖总面积只有2460km2.2.3.5开山取石,破坏植被开山取石,使地壳中的一些盐类被雨水冲刷进入水体,破坏植被后,容易造成水土流失,流失的表层土壤又是富含营养元素的.以上种种原因造成了水体中氮磷等营养物质的过量,以太湖为例,1996年,太湖中TN（总氮）3.27mg/L,TP（总磷）3.27mg/L,大大超过了富营养化的阀值,随着水体中营养物质的增多,藻类的个体迅速增加,而种类逐渐减少.水体中本来以硅藻和绿藻为主,红色颤藻的出现是富营养化的征兆,随着富营养化的发展,最后变为以蓝藻为主,藻类繁殖迅速,生长周期短,有限的营养物质在短期内一再被重复利用,一遇适宜的环境就爆发性的繁殖,以致出现“水华”现象.死亡的水生生物在微生物的分解下,消耗氧,或在厌氧条件下分解,产生硫化氢臭气,使水质不断恶化.同时湖泊逐渐变浅,直至变为沼泽.富营养化一旦形成,水体中的营养元素被水生生物吸收,成为其机体的一部分,在水生生物死亡后的腐烂过程中,营养元素又释放到水中,再次被生物利用,形成植物营养物质的循环.因此,富营养化的水体,即使切断外界营养物质的来源,也很难自净和恢复[15].2.4水体富营养化的影响和危害2.4.1使水味变得腥臭难闻在富营养状态的水体中生长着很多藻类,其中有一些藻类能够散发出腥味异臭。藻类散发出这种腥臭,向湖泊四周的空气扩散,直接影响、烦扰人们的正常生活,给人以不舒适感觉,同时,这种腥臭味也使水味难闻,大大降低了水质质量。2.4.2降低水体的透明度在富营养水体中,生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻浮在湖水表面,形成一层“绿色浮渣”,使水质变得浑浊,透明度明显降低,富营养严重的水质透明度仅有0.2米,湖水感官性状大大下降。2.4.3影响水体的溶解氧富营养湖泊的表层,藻类可以获得充足的阳光,从空气中获得足够的二氧化碳进行光合作用而放出氧气,因此表层水体有充足的溶解氧。但是,在富营养湖泊深层,情况就不同,首先是表层的密集藻类使阳光难以透射入湖泊深层,而且阳光在穿射过程中被藻类吸收而衰减,所以深层水体的光合作用明显受到限制而减弱,使溶解氧来源减少。其次,湖泊藻类死亡后不断向湖底沉积,不断地腐烂分解,也会消耗深层水体大量的溶解氧,严重时可能使深层水体的溶解氧消耗殆尽而呈厌氧状态,使得需氧生物难以生存。这种厌氧状态,可以触发或者加速底泥积累的营养物质的释放,造成水体营养物质的高负荷,形成富营养水体的恶性循环。2.4.4向水体释放有毒物质富营养对水质的另一个影响是某些藻类能够分泌、释放有毒性的物质,有毒物质进入水体后,若被牲畜饮入体内,可引起牲畜肠胃道炎症,人若饮用也会发生消化道炎症,有害人体健康。2.4.5影响供水水质并增加制水成本湖泊常常是生活饮用水和工业用水的供给水源。富营养水体在作为供给水源时,会给制水厂带来一系列问题。首先是在夏日高温藻类增殖旺盛的季节,过量的藻类会给制水厂在过滤过程中带来障碍,需要改善或增加过滤措施。其次,富营养水体由于缺氧而产生硫化氢、甲烷和氨等有毒有害气体,而且水藻产生的某些有毒的物质,在制水过程中,更增加了水处理的技术难度。既影响制水厂的出水率,同时也加大了制水成本费用。2.4.6对水生生态的影响在正常情况下,湖泊水体中各种生物都处于相对平衡的状态。但是,一旦水体受到污染而呈现富营养状态时,水体的这种正常的生态平衡就会被扰乱,某些种类的生物明显减少,而另外一些生物种类则显著增加。这种生物种类演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低,破坏了湖泊生态平衡。[16]第三章水体富营养化的测定水体富营养化评价是对水体富营养化发展过程中某一阶段营养状况的定量描述，其主要目的是通过对具有水体富营养化代表性指标的调查，判断该水体的营养状态，了解其富营养化进程及预测其发展趋势，为水体水质管理及富营养化防治提供科学依据。然而，由于所评价的生态系统可能较为复杂，其中系统内部会涉及到相当多的状态变量，而且各状态变量之间的关系也相当复杂，难以描述。目前，对富营养化