湖泊富营养化成因及其综合治理技术进展

第21卷第6期2010年12月

水资源与水工程学报

Journa l o fW ater R esources&W ater Eng i n eeri n g

V o.l 21N o .6Dec.,2010

收稿日期:2010 08 16; 修回日期:2010 09 18基金项目:辽宁省教育厅项目(L2010169)

作者简介:范荣桂(1962 ),男,博士,副教授,研究方向:水污染控制工程理论与技术,矿山环境工程。

湖泊富营养化成因及其综合治理技术进展

范荣桂,朱东南,邓岚

(辽宁工程技术大学资源与环境工程学院,辽宁阜新123000)

摘 要:湖泊富营养化将直接导致水质下降,功能减退,水生态系统失衡;富营养的治理至今尚无一个湖泊实现水质和生态的完全恢复,即富营养化是一个不可逆过程。本文在分析了湖泊富营养化的现状、成因和危害的基础上,提出了湖泊富营养化的治理对策:严格控制外源污染,逐步去除内源污染,通过物理、化学和生物抑藻技术辅助抑藻;利用生物、生态方法,依靠水生态系统的自然规律,结合人工强化措施进行湖泊富营养化的生态修复。同时指出,采取污染源控制和生态修复是最根本、有效的治理方法,符合可持续发展的要求,也将是今后富营养化治理的发展方向。

关键词:湖泊;富营养化;污染源控制;生态修复

中图分类号:X 171.4 文献标识码:A 文章编号:1672 643X (2010)06 0048 05

Causes of eutrophication and progress of i ntegrated

m anage m ent technology in l ake

FAN Rong gu,i ZHU D ong nan,DENG Lan

(Co llege of Resource and Environ m ental Eng ineering,L i aon i ng T echnical Universit y,Fux in 123000,Ch i na)

Abst ract :The eutroph icati o n i n lakes w ill directly l e ad to w ater qua lity deterioration and f u nctional de cline asw e ll as aquatic ecosyste m unbalance .The eutroph icati o n is an irreversi b le process so that there is not a lake restoration ori g ina lw ater quality and ecolog ical cond ition t h rough the eutr ophication po llution contro.l Based on t h e analysis of present situati o n,causes and har m fu l n ess of the lake eutr oph ication ,the contro lm easures w ere put for w ard :strict contro l o f the exogenous pollution and re m ove gradually the en dogenous po ll u tion as w e ll as inhibitti n g algae by physica,l che m ical and b iolog ical technology .The eco l o g ica l restoration of eutroph ication in lakes should co m bine bio l o g ica l and eco l o g i c al technology w ith arti ficial streng thened m easures ,depend on the natura l regulation of the aquatic ecosyste m.The paper also po i n ts out that the po llution source control and eco log ical restoration are the m ost e ffecti v e and u lti m ate treat m entm ethods co m p l y i n g w ith the requ ire m ent of susta i n able developm ent and w ill be the deve l o ping direction o f eutr ophication control in future .

K ey w ords :lake ;eutroph icati o n ;po ll u tion source contro;l eco log ical restorati o n 我国是一个多湖泊的国家,全国共有1km 2

以

上的湖泊2759个,总面积达91019km 2

,占国土面积的0.95%;约1/3为淡水湖泊,主要分布在东部

与长江中下游地区[1]

。据第十三届世界湖泊大会统计,从20世纪70年代到现在的40年间,全国湖泊富营养化面积增长了约60倍,目前已达约8700k m 2,另有1.4万km 2湖泊的富营养化程度在加重[2]

。对湖泊富营养化的治理,技术难点在于水中营养物质的去除及水生态系统的恢复,从安全、可持续要求出发,生态修复技术是最好的选择,同时也正是目前国内外的研究重心。以植物为主,动物和微

生物为辅,试验各类生物的有机组合,形成合理的食物链,构建良好的水生态平衡系统,逐步去除水中营养盐,国内外已有不少成功的例子;不断探索开发新的能有效去除水中氮、磷的植物种类和微生物菌种及滤食藻类的动物,是未来更有效解决湖泊富营养化的新挑战。

1 湖泊富营养化成因、危害及治理

最近几十年来湖泊的富营养化,一方面与流域持续强烈人类活动引起的湖泊营养盐不断富集有关,另一方面与江湖关系阻断有关。人类活动导致

的入湖营养盐增加是湖泊富营养化的主要原因,大量含有氮磷等营养物质的工业废水和生活污水未经处理便直接排放到湖泊中,农业化肥和农药的不合理使用也使大量营养物质经过雨水冲刷和渗透,最终进入湖泊水体,再加上江湖阻断使湖泊水流速度大幅减缓,水体滞留时间增长,更新变慢,从而影响污染物在水体中的稀释、扩散、降解和转化等过程,水体自净能力减弱,在水温、光照等适宜的气候条件下最终形成湖泊富营养化。湖泊富营养化会导致水体质量下降,功能减退,水生态系统失衡,加速湖泊老化;影响水体景观,大量肉眼可见的蓝绿色絮状物漂浮水面,产生恶臭,扩散到大气中,使空气遭受污染;破坏天然水产资源,使鱼类资源小型化,生物多样性下降;更重要的是给治水供水带来困难,污染人们的饮水水源,影响人们的身体健康[3,4]。

湖泊富营养化的严峻形势和对人类生活的严重危害使其成为一个迫在眉睫的问题,然而发达国家在治理富营养湖泊方面已经历了半个世纪的研究与探索,但至今尚无一个湖泊实现了水质和生态的完全恢复。因为湖泊富营养化是一个不可逆过程,即使内外污染源得到了有效控制,湖泊内的自然生态恢复仍要经历一个长期的阶段。因此,湖泊富营养化治理是一项长期而艰巨的任务,不是单一的一项技术或措施就能轻松解决的,要在严格控制外源污染的前提下,采取适当的方法逐步去除内源污染,同时利用生物、生态方法,依靠水生态系统的自然规律,以自然演化为主,通过人工强化进行生态修复。

2 湖泊富营养化的治理对策

2.1 藻类生长抑制

单靠抑制藻类生长并不能解决湖泊富营养化的问题,但在紧急情况下一些物理、化学除藻技术可用作应急措施快速除藻,也可作为辅助治理措施,作为生态修复的前奏。而生物抑藻技术则应综合考虑各种水生动植物与微生物之间的相互影响和生态安全,应用时优先考虑各物种间的关系及对湖泊整个有机体的影响,构建合理的生态系统,在抑制藻类生长的同时达到更为重要的消减水体中营养盐的目的。2.1.1 物理、化学抑藻技术 物理抑藻技术包括过滤法、沉淀法、遮光法、紫外线法等。物理方法虽然见效快,但大多耗时,费用高,操作困难,不易大规模实施,且不能根治富营养化问题,因此应用不多。超声波技术是今年来发展起来的一门新兴的环境技术,具有便于引进自动化操作手段、在处理中不引入其他的化学物质、反应速度快等优点。化学抑藻法是指直接向水体中投加杀藻剂杀死藻类生物,是一种工艺简单、操作方便的的有效方法。常用的杀藻剂有硫酸铜、高锰酸盐、液氯、C l O2、O3、和H2O2等。这类方法虽然能迅速杀死藻类,立竿见影,但加入的化学药剂本身也造成了二次污染,对其他水生生物同样存在毒性,即使在短期内没有影响,也可能在水生生物内富集、残留而形成远期的潜在危害,而且被杀死的藻类仍存留于水中,并未从根本上解决污染源的问题[5]。因此,化学杀藻剂在实际应用上也有许多局限性,应谨慎使用,在急需水源的情况下可以考虑用作应急措施。

2.1.2 生物抑藻技术 生物学控藻技术是利用藻类的天敌及其产生的生长抑制物质对藻类的生长、繁殖进行抑制,从而达到控制藻类数量、防治富营养化带来的各种危害,目前正处在研究发展阶段。主要包括微生物抑藻技术、生物滤食技术、植物化感抑藻技术和基因工程抑藻技术等。微生物具有繁殖快、效率高和寄主特异性等特点,被认为是最具前途的控藻方法之一。其中溶藻细菌[6]是一类以直接或间接方式抑制藻类生长,或杀死藻类、溶解藻细胞的细菌的统称,其分离和利用已引起众多关注。李保珍等[7]通过菌藻共同培养,得出光合细菌混合培养物具有很强的抑藻作用,培养5d时,铜绿微囊藻生物量降低达58.9%。

水生植物化感作用抑藻是利用水生植物产生的次生代谢物质(即化感物质)对水华藻类的生长进行控制的技术。许多水生植物产生的化感物质直接施入水体能有效抑制藻类的生长[8],此类物质作为抑藻试剂具有良好的应用前景和生态学意义。美国水生植物管理中心开发了一种利用大麦秸秆直接投入水体抑制藻类的方法,这是目前最成功的利用化感作用控制藻类的应用实例[9]。国内对这方面研究也很多,例如何梅等[10]对植物中常见的酚酸类衍生物苯并烯酸对水华鱼腥藻的化感作用研究得出一定浓度的苯丙烯酸能有效抑制水华鱼腥藻的生长,张余霞等[11]以刚收割的水稻秸秆为材料,在无菌条件下用水短时间浸取,验证了浸提液能够抑制铜绿微囊藻的生长。

2.2 污染源的控制

2.2.1 外源污染的控制 对生活污水和工业废水点源污染,国家应加大管理力度,制定严格的法律法规,严防工业废水不经处理直接排放,同时加大科技和基础设施投入,建设良好的城市污水处理系统,完

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善污水脱氮除磷工艺,并加大环保教育普及力度,提高公民环保意识。

对面污染源,降水暴雨径流是个国际性难题,应在保护现有林木资源基础上,针对区域特点选取适宜的防护林树种,继续提高森林覆盖率,防治水土流失。对于农业面源污染,首先,力求实行合理的有控制的灌溉,提高土地对氮肥的利用率,从而降低因地表径流所造成的氮磷素污染负荷量;其次通过分次施用化肥、推广氮肥深施和缓效肥的施用等措施来合理施肥,既可提高经济效益又可减少肥料流失避免造成营养盐污染;此外,应调整和优化农村产业结构,积极引进高科技成果,大力发展绿色、生态农业[12]。

2.2.2 内源污染的控制 内污染源主要指底泥和腐烂的水生植物中所含营养元素,控制方法有引水冲刷、底泥疏浚、深层曝气和化学固定等。引水冲刷是指用洁净的水来稀释营养元素的浓度,需要一定的清洁水源和冲刷强度,一般适用于营养化较严重的小型湖泊,只能在短期起到缓解作用,并不能减少湖内营养物,而且扩大了污染源。

常年的自然沉积使湖底聚积的大量淤泥里富含营养盐类,形成可观的内污染源。将底泥从湖体中移出,是减少内源的直接有效措施。但挖掘清除底泥工程量浩大,经济成本也很高,对挖出污泥的处置也是个问题。因此,在实施挖掘前,必须对所在水域进行缜密的评估,对污染沉积物的潜在危害程度、清除面积和深度等确定合理的方案。目前,湖泊清淤成功的范例还鲜有报道,美国等发达国家对是否清淤及清淤厚度等正在进行论证[13]。此外,曝气复氧和底泥覆盖也可对阻止底泥营养释放起到一定作用。定期为湖底补充氧,使水与底泥界面之间不出现厌氧层,有利于抑制底泥中氮、磷的释放。谌建宇等[14]在对滇池曝气复氧模拟试验发现,曝气复氧能较好地抑制底泥向上覆水体释放氮、磷,曝气复氧后的好氧状态下上覆水体中TN及TP的质量浓度都呈下降趋势,整个过程(23d)上覆水体中TN、TP质量浓度的平均变化速率分别为-0.156、0.060 m g/(L d)。底泥覆盖是通过在底泥表面敷设浸透性小的塑料膜或卵石,消减波浪扰动时的底泥翻滚,有效抑制底泥营养盐的释放。例如美国Eo la湖用卵石覆盖湖底,大大改善了湖水的透明度,同时防止了硫化氢气体的产生,但大面积敷设不透水材料,可能会影响湖体固有生态环境;苏州河治理中在清淤后的河床上铺设青石子,再以粗砂充填空隙,砂石覆盖层不阻绝泥水交换,河道的自然特性、河流与地下水的水力联系仍然保持[15,16]。

2.3 生态修复对水体营养水平的控制

在控制好污染源的前提下,人们越来越认识到只有水生态修复才是治理水污染、水体富营养化的根本途径。国外已经有许多成功利用生态修复净化富营养化水体的例子,近年来,国家及地方政府也在对西湖、滇池、玄武湖、五里湖等大小湖泊进行整治,大多采用生态修复为主的综合治理方法,并有不少合理构建了水生动植物的生态系统,在去除水体氮、磷营养盐和抑制藻类异常增殖上取得了一定的成效,较好恢复了水体的生态功能。

2.3.1 人工湿地技术 人工湿地技术是一种人为地将石、砂、土壤、煤渣等一种或几种介质按一定比例构成的基质,并有选择性地植入植物的污水处理生态系统,介质、植物和微生物是其基本构成[17]。人工基质为微生物的生长提供稳定的依附表面,为水生植物提供载体和营养物质;微生物的代谢作用是污水中有机污染物降解的主要机制;而发挥最重要作用的水生植物除直接吸收利用污水中的营养物质及吸附、富集一些有毒有害物质外,还能通过自身光合作用为根围的异养微生物供应氧气,为根区外的厌氧微生物进行反硝化提供生存环境[18],另外植物及其根系的腐烂还能为微生物的营养盐的循环提供碳源。

人工湿地应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理,结构与功能协调原则,具有投资省、运行费用低和效果良好等优点,刘继平等[19]在用人工湿地技术对深圳荔枝湖治理中,取得了较好的效果,其中对BOD5和TN的去除率高于55%,TP去除率为80%~90%,叶绿素去除率高于63%,湿地出水水质达到了国家地表水标准中~!类水体水质。然而这种方法在治理较大湖泊时,对离人工湿地较远的湖水几乎没有作用,且由于其占地面积较大,对我国这样一个人多地少的国家,建立人工湿地系统来治理普遍污染的地表水系统仍有很大局限性。

2.3.2 浮岛技术 植物浮岛技术是一种较新的生物治理措施,主要利用无土栽培技术,在以富营养化为主体的污染水域、水面种植粮食、蔬菜、花卉或绿色植物等各种适宜的陆生植物。在收获农产品、美化绿化水域的同时,通过根系的吸收和吸附作用,富集氮、磷等元素,再以收获植物体的形式将其搬离水体,从而达到去除内源污染的目的[20-21]。研究认为美人蕉、水蕹菜、牛筋草、香蒲、芦苇、荻、水稻等7

50 水资源与水工程学报 2010年

种植物[22]作为浮床栽培植物是较合适的,并能对富营养化湖库的生态恢复起到积极的作用。在日本,人工浮岛化技术一直很受重视,1997年在K asum i gaura湖的Tsuch i u ra的港口建造了长92m,宽9.5 m,40个单元组成的人工浮岛[23]。近年来国内对这方面也进行了不少研究试验,王耘等[24]采用生态浮床技术对上海城区中小河道黑臭水体修复,去污率可达到总去污率的70%,并配以曝气复氧、网格栅和生物膜等多种手段,达到修复水质的目的。

2.3.3 水生植物修复 植物修复是指利用绿色植物及其根际的微生物共同作用以清除环境污染物的一种新的原位治理技术,其机理主要是利用植物及根际微生物的代谢活动来吸收、积累或降解转化环境中的污染物。这种方法不会产生有害副产物,是一种非常环保的处理技术,且具有以下优势:?许多植物具有美学价值,能改善景观生态环境;#植物被收割后可加以利用,创造新的价值;?可作为介质所受污染程度的指示物;%能固定土壤或底泥中的水分,圈定污染区,防止污染源进一步扩散;&为降解微生物提供了良好的栖息场所,有利于微生物的生存[25]。

按植物种类可分为沉水植物、漂流植物、挺水植物和浮游植物等,其中大型沉水植物能够通过多种机制影响湖泊生态系统,其重要性得到越来越多的认可。在富营养化湖泊中,栽种水生植物特别是沉水植物后,能够有效的去除水体中的营养物质,且同浮游藻类竞争营养物质以及所需的光热条件,分泌出抑藻物质,破坏藻类正常的生理代谢功能,抑制藻类水华发生[26]。刘佳等研究得出金鱼藻、苦草、空心菜、浮萍等对富营养化水体中总氮、总磷、硝态氮、氨氮都有较好的去除作用[27],培养21d后的空心菜对总氮和硝态氮的吸收率分别为76.93%和71.9%,培养21d后的金鱼藻对总磷和氨氮的吸收率分别达到了93.15%和91.2%。实际应用时在恢复初期可考虑引入挺水植物以及漂浮植物,尤其将耐高营养盐浓度、低透明度、抗风浪能力高的种类作为先锋种,首先进行恢复种植,其成功的恢复可以为其他种类生长创造条件,并逐步过渡到沉水植物的恢复[28]。

2.3.4 微生物和水生动物修复 微生物由于其降解能力对水体中的营养物质有很好的净化作用,虽然目前还有许多技术上的问题有待解决,但其繁殖快、花费成本低、不会带来负面效应,所以应用前景很好。利用经过遗传工程改造的微生物将成为治理环境污染、保持生态平衡的有效方法。例如硝化细菌可消解碳系、氮系污染、絮凝水体重金属及有机碎屑;光合细菌能够利用水中有机物作为氢供体进行光合作用,改善水质,提高溶解氧[29-30]。

要使湖泊的生态系统恢复平衡,在恢复水生植被的同时,还必须人工补充水体污染和江湖阻隔等原因造成缺失的食物链网环节。鱼类作为水生态系统的一部分,合理的种类调控可以有效去除水体中富余的营养物质和滤食藻类。M.Godle w ska等人[31]的研究表明,水中鱼的数量和种类分布与水体富营养化程度有较大关系,说明鱼群能有效控制水中藻类。如蚌类可以滤食悬浮的藻类及有机碎屑,提高湖水的透明度;螺蛳摄食固着藻类,同时分泌促絮凝物质,使湖水变清;放养鲢、鳙则可直接除藻[32]。

在运用生物修复技术时,水生动植物及微生物并不是相互孤立的,应考虑好物种间的相互影响及生态安全,通过小型试验研究确定最佳方案再投入实际应用。如三峡库区水生态修复[33]中,单一大漂试验对营养物去除效果较好,但出现了异常繁殖的情况,破坏了水生生态系统;苦草和鲢鱼试验通过鲢鱼滤食及苦草分泌的克藻物质抑制了藻类的生长,但对营养盐去除效果不明显;而大漂、苦草和鲢鱼组合不仅能够较好控制营养物质和抑制浮游植物量,而且保证了水体的富氧能力,为水生动物提供多样的生态栖息环境。

3 结 语

采用合适的生态修复技术既能很好净化水体,亦不会产生副作用和二次污染,符合人与自然和谐相处和可持续发展的要求。然而在没有控源截污的情况下,仅仅依靠一些水生动植物是难以解决问题的。在控制污染源的时候,应先控制外污染源,再控制内污染源;因为在外源没有得到有效控制的前提下,即使控制了内源污染,源源不断进入的外污染源仍会在湖底沉积,形成新的内污染源。因此,改善湖泊富营养化现状,需要污染源控制和水生态修复共同进行,缺一不可。在实施水生态修复之前,应有顺序地做好外、内污染源的控制。在探索治理水体富营养化的同时,政府应加大监管和宣传力度,严格控制未经处理的工业和生活富营养水体排入江河湖泊,培养公民保护环境的意识和责任感。

水生态修复是治理湖泊富营养化的根本途径和未来的发展趋势。近年来许多专家学者的探索研究也得到了很大发展,发现了众多能够除藻并控制水

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体营养水平的水生动植物及微生物,对湖泊生态系统的合理改造也有不少成功的例子,但目前国内外还没有一套成熟完整的治理方法,现有的生态修复方法大多存在环境和地域的局限性,因此利用时应因地制宜,根据湖泊的具体情况采取相应的工程方法,选取合适的物种搭配进行生态修复,以期达到最佳的修复效果。

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