國(guó)內(nèi)外水體富營(yíng)養(yǎng)化治理和控制方法的研究_第1頁
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1、 1 國(guó)內(nèi)外水體富營(yíng)養(yǎng)化治理和控制方法的研究國(guó)內(nèi)外水體富營(yíng)養(yǎng)化治理和控制方法的研究 姜小東太谷縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站太谷縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站, 山西山西 太谷太谷 030800) 摘要摘要 : 本文對(duì)國(guó)內(nèi)外水體富營(yíng)養(yǎng)化的治理和控制方法進(jìn)行了總結(jié)和分析,并提出了水體富營(yíng)養(yǎng)化治理的研究?jī)?nèi)容和方向。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 富營(yíng)養(yǎng)化 控制方法THE RESEARCH ON THE WATER EUTROPHICATION GOVERNMENT AND CONTROL METHOD DOMESTIC AND FOREIGNJiang Xiao-dong (Shanxi Taigu Environmental Monitoring

2、Station, Shanxi Taigu 030800)Abstract: This paper has summarized and analyzed the control methods of water eutrophication . Based on the above analyses, the research trend for the restoration of eutrophicated water was discussed.Keywords: Eutrophication Control method 水體富營(yíng)養(yǎng)化就是天然水體中由于過量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(主要是指氮、磷等)

3、的排入,引起各種水生生物、植物異常繁殖和生長(zhǎng) 。我國(guó)湖泊、水庫和江河富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)展趨勢(shì)非常迅速。19781980 年大多數(shù)湖泊處于中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),占調(diào)查面積的 91.8%,貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊占 3.2%,富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊占5.0%。短短 10 年間,貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊大多向中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊過渡,貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊所占評(píng)價(jià)面積比例從 3.2%迅速降低到 0.53%,中營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)湖泊向富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)過渡,富營(yíng)養(yǎng)化湖泊所占評(píng)價(jià)面積比例從 5.0%劇增到 55.01%1。據(jù)調(diào)查表明,亞太地區(qū) 54%的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化,歐洲、非洲、北美洲和南美洲的比例分別是 53%、28%、48%和 41%2。 。我國(guó)的水環(huán)境正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。1

4、1水體富營(yíng)養(yǎng)化的成因和危害水體富營(yíng)養(yǎng)化的成因和危害1.1 成 因赤潮和水華是水體中藻類爆發(fā)的兩種主要形式。赤潮是海洋中某些微?。?20 m)的浮游藻類、原生動(dòng)物或更小的細(xì)菌,在滿足一定的條件下爆發(fā)性繁殖或密集性聚集,引起水體變色的一種自然生態(tài)現(xiàn)象。水華是一種在淡水中的自然生態(tài)現(xiàn)象,其只是由藻類引起,如藍(lán)藻(應(yīng)為藍(lán)藻細(xì)菌) 、綠藻、硅藻等,水華發(fā)生時(shí),水一般呈藍(lán)色或綠色。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,淡水、海水的富營(yíng)養(yǎng)化日益加劇,給水中的微生物的爆發(fā)性生長(zhǎng) 2 提供了十分有利的條件,導(dǎo)致了水域因藻類過渡增殖而變色。在含有大量營(yíng)養(yǎng)鹽類的富營(yíng)養(yǎng)化的水體中,這些藻類在足夠的光照和適宜的水溫、風(fēng)、水流等條件下即可泛濫

5、3, 4;水體中有機(jī)質(zhì)、維生素類和微有機(jī)成分以及錳和鐵等微量元素也可能誘導(dǎo)藻類爆發(fā)5, 6。1.2 危 害(1)藻類在水體中占據(jù)的空間越來越大,使魚類活動(dòng)的空間越來越??;衰死藻類將沉積塘底。 (2)藻類種類逐漸減少,并由以硅藻和綠藻為主轉(zhuǎn)為以藍(lán)藻為主,而藍(lán)藻有不少種有膠質(zhì)膜,不適于作魚餌料,而其中有一些種屬是有毒的。(3)藻類過度生長(zhǎng)繁殖,將造成水中溶解氧的急劇變化,藻類的呼吸作用和死亡的藻類的分解作用消耗大量的氧,有可能在一定時(shí)間內(nèi)使水體處于嚴(yán)重缺氧狀態(tài),嚴(yán)重影響魚類的生存。2 2治理方法治理方法如何清除并控制有害藻類的過量繁殖、消除藻毒素的污染、恢復(fù)水體中健康的生態(tài)系統(tǒng)是解決水體富營(yíng)養(yǎng)化過

6、程中所面臨的關(guān)鍵問題。國(guó)內(nèi)外大量研究人員在治理藻類爆發(fā)方面開發(fā)了多種方法,基本上可歸納為物理法、化學(xué)法和生物法 3 種。2.1 物理法2.1.1 機(jī)械撈藻法在藻類惡性泛濫的水體中采用船只等撈藻機(jī)械把藻類從水面中清除掉。此法能撈取的藻量很少,其撈藻的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上藻類的生長(zhǎng)速度,而且還需花費(fèi)大量的人力和物力。該法只能作為一種次要的前期輔助手段。2.1.2 清淤法對(duì)于一個(gè)擁有多種生物的較為復(fù)雜的水生生態(tài)系統(tǒng),采取簡(jiǎn)單的挖泥辦法,把湖底的水生生物一并清走,來改善水環(huán)境。韓偉明等8研究了清淤挖泥對(duì)杭州西湖水質(zhì)的影響。目前每年疏浚(36)104 m3底泥,對(duì)改善西湖水質(zhì)效果不明顯,湖水葉綠素 a(Chl

7、a)依然呈上升趨勢(shì)??梢?,單純的清淤挖泥對(duì)控制藻類水華效果并不明顯,不但耗資巨大,且有可能加劇水體的富營(yíng)養(yǎng)化。2.1.3 換水法把污水引走,換取新的潔凈水源,引水沖污就是其中的一種方法。這種方法不但是對(duì)污染的轉(zhuǎn)嫁,而且其稀釋能力受引水方式、引水量、引水水質(zhì)等因素影響,同時(shí)由于稀釋作用也減緩了藻類生長(zhǎng)的密度制約壓力,引水沖污后藻類生長(zhǎng)往往呈現(xiàn)加劇趨勢(shì)8。 3 2.1.4 截污法對(duì)于湖泊、河流等淡水水體的藻類水華,外污染源是水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的重要來源,截污是控制營(yíng)養(yǎng)化營(yíng)養(yǎng)鹽的首要步驟,這對(duì)改善水質(zhì)是有益的。但是,對(duì)于水體營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較高的富營(yíng)養(yǎng)化水體,外源污染的影響已不明顯,并且對(duì)于眾多的面源污染,截污

8、也是不可能完全做到的,因此,僅靠截污難以取得預(yù)期的效果8。此外,還有超聲波破碎法、電磁波法。其本質(zhì)是利用超聲波和電磁波將藻類殺死,但成本太大,同時(shí)殺死的藻細(xì)胞可能向水體釋放對(duì)人體有害的藻毒素,造成二次污染。2.2 化學(xué)法 同物理法相比,化學(xué)法具有很高的殺藻、除藻效率,但仍存在較大缺陷。按其作用機(jī)理可分為殺藻法和沉降法。2.2.1 殺藻法 該法旨在用化學(xué)藥品直接殺死水華生物。根據(jù)化學(xué)藥品性質(zhì)又可分為無機(jī)殺藻劑和有機(jī)殺藻劑。目前已發(fā)現(xiàn)的能殺死水華(或赤潮)生物的化學(xué)藥品主要有硫酸銅、高錳酸鉀、次氯酸鈉、氯氣、過氧化氫、臭氧、過碳酸鈉等。其中,含銅類藥劑是研究和應(yīng)用較早和較多的殺藻藥品。硫酸銅及其后

9、來改進(jìn)的各種含銅化合物在治理淡水水華時(shí)非常成功。硫酸銅還具有以下特點(diǎn):在殺除有害藻類的同時(shí)也大量殺死了非水華藻類,進(jìn)而破壞近岸生態(tài)系統(tǒng);控制水華是暫時(shí)的而且成本高。因而其使用受到了很大的限制。鑒于銅類試劑上述缺點(diǎn),人們著眼于一些在水體中易分解、殘留量少的除藻化合物,如過氧化氫、過碳酸鈉、臭氧等9。目前研究較多的是有機(jī)殺藻劑,有人工化學(xué)物質(zhì)和生物分泌物質(zhì)兩類。前者往往會(huì)帶來污染,后者是目前研究的主要對(duì)象,主要包括有機(jī)羧酸和有機(jī)胺9。近年來發(fā)展的一種生化綜合除藻劑具有殺藻、抑藻功能,能絮凝沉降藻細(xì)胞,并且在滇池應(yīng)急治理中取得了比較明顯的效果10??傊?,直接殺藻法是目前較常用的方法之一。具有操作簡(jiǎn)單

10、、用量少等優(yōu)點(diǎn),但在對(duì)生態(tài)環(huán)境、非水華生物的影響以及成本等方面也存在諸多問題。 2.2.2 絮凝沉淀法利用物質(zhì)的膠體化學(xué)性質(zhì),應(yīng)用絮凝原理,使水華生物凝聚沉淀到水體底部或加以回收是該法的主要目的?,F(xiàn)在國(guó)際上使用的絮凝劑主要是:鋁鐵系無機(jī)絮凝劑、表面活性劑和各種高分子有機(jī)絮凝劑。此外,PAC、聚丙烯酰胺等高分子凝聚劑也在市場(chǎng)上占有很重要的地位9。 絮凝劑沉淀法是利用化學(xué)手段消除水華,該方法在水華生物密集時(shí)極為有效,作用時(shí)間短,對(duì)非水華生物的影響也較直接殺藻法小,同時(shí)還可消除水體中其他懸浮物質(zhì),凈化水質(zhì)。但也存在很大缺陷,聚鐵本身顯色,投藥后水體變?yōu)闇\棕色,而且鐵鹽又是 4 水華生物繁殖的促進(jìn)物質(zhì)

11、5,11。鋁鹽則被證實(shí)存在一定的生物毒性12。 在嚴(yán)格的環(huán)境法制約下,西方科學(xué)家尚無這種嘗試。在我國(guó),從目前已在云南滇池所試用的聚合鐵和聚合鋁兩種絮凝劑的實(shí)驗(yàn)情況來看,雖然起效時(shí)間快并在一定程度上對(duì)水質(zhì)有改善作用,但維持時(shí)間短(2 d),造價(jià)高(0.20 元/m3左右),且形成的絮體細(xì)小質(zhì)輕不易發(fā)生沉降13。2.2.3 天然礦物絮凝法利用天然礦物治理藻類水華污染成為目前發(fā)展的另一方向。主要是利用粘土礦物治理赤潮。對(duì)其去除機(jī)理主要有兩種觀點(diǎn)9:一種立足于粘土粒子和生物的表面性質(zhì),認(rèn)為以吸附作用為主;另一種則認(rèn)為是由于粘土中溶出的鋁離子殺死生物細(xì)胞所致。俞志明等14通過對(duì)粘土表面電荷性質(zhì)進(jìn)行化學(xué)改

12、性,提高了粘土絮凝藻的能力。同時(shí),他們研究了藻絮凝的基礎(chǔ)理論,并提出了絮凝藻的機(jī)制和理論模型23,考察的粘土主要有高嶺石、蒙脫石兩種1318。Anderson9認(rèn)為粘土沉降法是最有希望解決這一環(huán)境污染問題的研究方向。近幾年來,有關(guān)這方面的研究也取得了一定的進(jìn)展19, 20。但粘土法無法分解藻毒素,有毒藻只是從表層水轉(zhuǎn)移到水底但并未消除,不僅對(duì)水底生物產(chǎn)生污染,而且可能泛回水體造成二次污染。藻毒素主要是通過微生物而得以消除21, 22,同時(shí),微生物除營(yíng)養(yǎng)爭(zhēng)奪外,通過分泌化學(xué)物質(zhì)抑制藻類生長(zhǎng)23。 因此,運(yùn)用微生物粘土法將有助水體富營(yíng)養(yǎng)化尤其是有毒藻污染的治理和控制。2.3 生物法 生物法是利用生

13、態(tài)系統(tǒng)食物鏈攝取原理和生物的相生相克關(guān)系來控制或抑制藻類水華,從而達(dá)到控制水華的目的。主要有大型水生藻類法、微生物群、高等水生動(dòng)物法以及以高等水生植物(水生維束管植物)和陸生植物為主的生態(tài)工程法等。2.3.1 大型水生藻類法利用大型水生藻類通過與富營(yíng)養(yǎng)化藻類競(jìng)爭(zhēng)水體中的氮和磷,或通過分泌他感化學(xué)物質(zhì)可以在一定程度上減緩藻類爆發(fā)的發(fā)生。藻類的生長(zhǎng)往往要求水體中各種營(yíng)養(yǎng)元素含量之間有一個(gè)平衡比例(藻干重中氮、磷和鉀的含量分別為 1.4%11.0%、1.0%1.5%和 0.4%1.4% 24) ,當(dāng)某一生長(zhǎng)必需元素的含量很低時(shí),即可限制藻類的生長(zhǎng)。世界上大多數(shù)淡水湖泊中,磷是水生初級(jí)生產(chǎn)力的限制因素

14、。因此在防止淡水富營(yíng)養(yǎng)化方面,如何有效控制天然水體中磷的濃度被看作是解決這一污染問題的最有效途徑。利用水網(wǎng)藻繁殖能力強(qiáng)、在生長(zhǎng)過程中能吸收大量的氨氮、硝氮及無機(jī)磷等特點(diǎn),可以降低富營(yíng)養(yǎng)化水體中的氮磷水平,從而使藍(lán)綠藻由于失去賴以生存的高營(yíng)養(yǎng)條件而無法在水體中大量繁殖,以達(dá)到以藻治藻的目的25。盡管控制含有磷和氮污染物的排放,利用水生 5 植物通過與藻類競(jìng)爭(zhēng)水體中的氮和磷或通過分泌他感化學(xué)物質(zhì)可以在一定程度上減緩水華的發(fā)生,但這些方法并不能有選擇性地專一降低磷含量。而且過量的浮水植物本身腐敗后,既造成水質(zhì)污染又嚴(yán)重阻礙大型湖泊在生態(tài)平衡和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用 (如船舶運(yùn)輸、水產(chǎn)養(yǎng)殖及觀賞景觀等)。

15、另外,因?yàn)閱渭?xì)胞藻類的光合作用效率是一般植物的5 倍左右23,所以一般水生植物在與單細(xì)胞藻類對(duì)水中氮和磷的營(yíng)養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)中并不占據(jù)優(yōu)勢(shì)。2.3.2 微生物群與高等水生動(dòng)物法Dawson 等27利用浮游動(dòng)物如纖毛蟲可捕食甲藻生物來控制水體中藻類的爆發(fā)。但是這一方法對(duì)大面積藻類爆發(fā)難以奏效,因?yàn)轲B(yǎng)殖這些纖毛蟲需要巨大的池塘和很長(zhǎng)的時(shí)間,在經(jīng)濟(jì)上不可行。而且,這些捕食者將會(huì)累積毒素,作為更高營(yíng)養(yǎng)級(jí)的毒素載體而危害環(huán)境。如果用該方法來處理養(yǎng)殖場(chǎng)水體的無害甲藻赤潮藻類水華,可能具有一定的應(yīng)用前景,尚待進(jìn)一步研究。此外,有人利用某些寄生物種控制水華,但是其專一性尚有待研究9。利用某些特殊細(xì)菌強(qiáng)而專一的殺藻能力控

16、制水華,如在治理北京動(dòng)物園水禽湖嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化水體中,光合細(xì)菌對(duì)于富營(yíng)養(yǎng)化水體中浮游植物的數(shù)量和形成水華的銅綠微囊藻有一定的調(diào)控作用36,但是其實(shí)際應(yīng)用還尚不清楚。利用藻類病毒對(duì)藻類進(jìn)行控制,是某些特定區(qū)域環(huán)境控制中值得關(guān)注的研究領(lǐng)域29,但很難達(dá)到廣泛性和實(shí)用性。一般情況下,一種藻類病毒往往只對(duì)一個(gè)藻種具有專一殺滅活性,因此它只能對(duì)某一種藻而不是所有藻類起作用。一方面,引起天然水中發(fā)生淡水水華的藻種繁多,即使在同一區(qū)域,不同時(shí)間引起的水華藻種及毒素也不一定相同。另一方面,水華的爆發(fā)具有突發(fā)性,這樣很難在短期內(nèi)鑒定出藻種并有針對(duì)性地培養(yǎng)出大量有專一殺滅這種藻活性的病毒9。此外,由于藻類對(duì)病毒的侵

17、染可逐步產(chǎn)生抗性及免疫性30,這樣同一種藻類病毒也難以對(duì)同一種藻持續(xù)發(fā)揮殺滅作用,更不能分解藻類毒素和藻類殘?bào)w及對(duì)水質(zhì)進(jìn)行修復(fù)。利用某些魚類(如鰱魚、鳙魚)能食用某些有毒藻的特點(diǎn),用養(yǎng)魚方法來治理這類污染31。在某些局部地區(qū),該方法可能是一個(gè)一舉兩得的辦法。但是水體中的藻毒素可以富集在魚類中并通過食物鏈對(duì)人體健康產(chǎn)生危害。對(duì)內(nèi)陸淡水來說,水華所引起的水體貧氧也是長(zhǎng)期困擾養(yǎng)魚的困難之一。根據(jù)水體中生物之間的食物網(wǎng)關(guān)系,開發(fā)出了生物操縱法。該法通過對(duì)生物群及其生物境進(jìn)行調(diào)節(jié),增加其中某些相互作用,從而達(dá)到恢復(fù)水體的目的。從富營(yíng)養(yǎng)化水體中篩選出適當(dāng)?shù)木w,將其投放到水體中,細(xì)菌轉(zhuǎn)化吸收分散的氮、磷及

18、有機(jī)物使其進(jìn)入食物鏈,浮游動(dòng)物捕食細(xì)菌,從而大量繁殖;而水體中像魚類等高等水生動(dòng)物又大量捕食浮游動(dòng)物,這樣通過捕撈魚類就可將水體的氮、磷去除,從而恢復(fù)水體的功能32。 6 2.3.3 生態(tài)工程法近年來,根據(jù)系統(tǒng)論和生態(tài)系統(tǒng)理論的原理,在湖泊富營(yíng)養(yǎng)華治理方面出現(xiàn)了以物理和生物為主的生態(tài)工程方法,并且在富營(yíng)養(yǎng)化水體的治理工程中取得了一定的進(jìn)展33。孫剛等34對(duì)長(zhǎng)春南湖的富營(yíng)養(yǎng)化實(shí)施了生態(tài)治理工程。通過收獲水生高等植物和魚產(chǎn),帶出湖體的磷量以及蚌體生長(zhǎng)固定部分磷量,使湖體中年磷輸入和輸出量大致平衡,因而水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。湖水中的總 P 濃度逐年下降,浮游植物個(gè)體密度減小,種類數(shù)增加。 在浙江橋墩水庫藍(lán)藻

19、水華治理中35,先采用明礬漿等理化方法應(yīng)急除藻,在快速恢復(fù)水體景觀的同時(shí),改變水生生物群落組成,再在冬季或早春于藍(lán)藻大量繁殖之前投放鰱鳙等濾食性魚類,用生物操縱技術(shù)提高水生生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力,從而使水體功能得以恢復(fù)。在生態(tài)工程治理中,水生植物去除氮磷的效果受到溫度、pH 等因素的影響。水生植物死亡后可能造成水體的二次污染。而且,在富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重的水體,高等水生植物根本無法生長(zhǎng),因此,必須進(jìn)行前期的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)措施。3 3結(jié)結(jié) 論論隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化程度的加劇,藻類爆發(fā)的頻率和強(qiáng)度日趨嚴(yán)重。如何消除并控制水體富營(yíng)養(yǎng)化尤其是控制水體有毒藻類,是環(huán)境科學(xué)的前沿問題。目前治理藻類爆發(fā)的方法主要有物理法

20、、生物法、化學(xué)法,這幾種方法在應(yīng)用上各有優(yōu)缺點(diǎn),目前尚無普遍被接受的方法。然而,運(yùn)用微生物天然粘土礦物有可能有效控制藻類的大量爆發(fā),尤其是有毒藻的大量爆發(fā);在水體生態(tài)景觀恢復(fù)到一定程度后,根據(jù)生態(tài)學(xué)原理,通過建立合適的生態(tài)治理工程,同時(shí)加強(qiáng)流域管理(如面源污染控制)將有助于從根本上解決水體富營(yíng)養(yǎng)化問題。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1.金相燦, 劉鴻亮主編. 中國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化. 北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 1990,8:118120.2.Ingrid C,Jamie B.Toxic Cyanobacteria in water.London and New York E & FN Spon Publ

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