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湖泊富营养化与氮磷等营养盐之间的关系
姓名：冯涛
学号：5802112013 班级：环工121 摘要：本文主要通过对湖泊氮磷的时空特征和富营养化的关系进行分析。主要包括氮磷的时间动态和空间动态，并且对氮磷等营养盐的来源进行详细的分析，探讨富营养化水体中氮磷的去除机理。关键字: 富营养化
氮磷来源和去除
时空特征
湖泊富营养化是一个缓慢的自然过程,但人类活动加速了这一过程。人类活动被认为是富营养化频发的诱发主因。湖泊富营养化过程复杂,影响湖泊富营养化的因素很多, LauandLane(2002)认为水体富营养化是非生物和生物相互作用的复杂过程。湖泊富营养化不仅与氮磷含量有关, 而且氮磷比也是一个重要的影响因子, 氮磷比可影响藻类等浮游植物的生长。有关研究发现不同的营养盐比例可以控制藻类的生长, 生物量以及种群结构。因此, 本文将对我国湖泊氮磷的时空特征和湖泊富营养化的关系进行综合分析。一般说来,当天然水体中总磷大于20毫克每立方米，无机氮大于300毫克每立方米时,就可认为水体处于富营养化状态。富营养化水体中的氮、磷促使水中的藻类急剧生长,大量藻类的生长消耗了水中的氧, 使鱼类、浮游生物因缺氧而死亡,他们的尸体腐烂造成了水质污染。因此去除水体中大量的氮磷是治理富营养化污水的根本。我们通过对氮磷的来源的分析来更好的控制源头，对氮磷的去除机理的探讨来缓解富营养化严重的现状。
一、氮磷等营养盐来源分析
1.营养盐来源按进入途径可分为外源和内源。外源污染又可分为两大类:点源,来自流域的城镇生活污水和工业污染源排放;面源,来自流域的农田径流、畜禽养殖、水产养殖及其他面源。随着点源污染排放的不断达标, 面源污染日益成为水体富营养化的主要来源。内源污染是由于湖底沉积物中液态营养盐向上覆水中释放, 在动力作用下营养盐再悬浮造成的, 在这种因素影响下, 即使大幅度削减外源污染负荷, 在特定条件下(高温少雨), 仍可能引起藻类暴发, 所以内源污染成为湖体藻类暴发的关键因素。下面就两类主要的营养盐来源—— 面源和内源分别加以论述。（1）面源污染
面源污染是继城镇生活污水、工业废水之后的第三大污染源, 而且治理难度比点源治理要复杂得多。我国农业大多数地区还是粗放型管理, 没有达到测土施肥、施药和科学管理的程度。特别是为了取得连续稳定的高产, 耕地的复种指数提高, 化肥施用量激增。另外, 集约化的畜禽养殖和水产养殖, 使大量的动物粪便与饵料残渣进入湖体, 加剧了湖泊的富营养化程度。不断的土地开垦使森林覆盖率下降、湿地面积减少, 水土流失严重。例如巢湖非点源入湖TN, TP 总量占全湖输入量超过 68% 和 74%。
在诸多面源污染中, 降雨径流污染成为最主要的营养盐来源。大量营养盐在暴雨的冲刷下, 从地表向湖区迁移, 导致径流中的污染物浓度远远超过非暴雨期。以滇池为例, 滇池流域的大清河, 暴雨期悬浮物浓度比平时均值高22 倍, NO-2-N 高达163倍;宝象河暴雨期最大悬浮物浓度是非暴雨期的106倍。研究者们在这方面做了大量工作, 试图找到降雨径流中的营养盐浓度和负荷率与径流过程的关系, 贺宝根等利用径流单位线和径流过程与氮素流失浓度的关系, 建立了新的农田降雨径流模型, 改变了以往从氮素浓度最大值开始模拟, 缺失上升段过程, 包括了从径流开始到氮素浓度最大值的上升过程。单保庆等用人工降雨实验模拟方法,对巢湖六汊河小流域非点源污染物 P 的输出进行了动态研究, 发现村庄是各种 P 污染物的最大输出者,蔬菜地次之;输出方式以悬浮态TP为主, 占P输出总量的78.5% ~ 94.9%。
此外,大气降水也是引起富营养化的面污染源之一.在人口稠密、经济发达的地区 ,由于大气污染加剧 ,雨水中的硝酸根离子和铵根离子浓度上升;另外在农田施肥初期 ,化肥中的 NH 3-N 挥发引起的湿沉降也是导致雨水中铵根离子浓度上升的主要原因。据统计 ,1998 年和 1999 年上半年 , 因降雨带入太湖的 TI N ,磷酸根-P和 CODMn污染物总量占太湖同期入湖 T N , T P和CODMn的9.8 %～15.5 % , 1.9 %～2.2 %和 3.5 %～6.0 %。(2)内源污染
以太湖为例,太湖表层底泥中TN的质量分数为0.092 % , TP的质量分数为0.060 %。底泥中营养盐的大量释放会在湖湾区引发“湖泛” 污染。在枯水期、高温少雨天气晴好之际 ,太阳辐射引起水温升高 ,底泥发生强烈生化反应 , 营养盐释放速度加快 ,伴有甲烷和硫化氢气体逸出,水质变劣且产生恶臭,藻类大量繁殖,污染水源地,破坏旅游景观和自然资源。所以有关营养盐释放规律的研究 , 日益成为人们关注的焦点。秦伯强等在太湖北部梅梁湾野外调查发现 ,当风速达到一定强度时,底部的泥沙将大幅度的发生悬浮, TN , TP浓度呈现随深度下降的趋势;提出大型浅水湖泊内源营养盐释放的概念性模式。同时国外学者研究也发现, 水土界面处的氧化条件不利于P和N的降解与释放。胡雪峰等进行的底泥通气和厌氧试验表明:厌氧条件下,铵根-N释放速率和释放量高于通气条件;水溶态P的释放量远远高于通气条件,释放的磷酸根-P大部分源自Fe—P的还原解吸。
2.水体富营养化是一种有机污染类型，由于过多的氮、磷等营养物质进入天然水体而恶化水质。施入农田的化肥，一般情况下约有一半氮肥未被利用，流入地下水或池塘湖泊，大量生活污水也常使水体过肥。过多的营养物质促使水域中的浮游植物，如蓝藻、硅藻以及水草的大量繁殖，有时整个水面被藻类覆盖而形成“水花”，藻类死亡后沉积于水底，微生物分解消耗大量溶解氧，导致鱼类因缺氧而大批死亡。
（1）工业废水排放
富营养化的水体中含有较多的氮和磷，它们首先来自工业废水。钢铁、化工、制药、造纸、印染等行业的废水中氮和磷的含量都相当高。近年来，工业排放的废水逐年递增。据报道，2001年全国工业废水排放量达201亿t。但由于技术与资金的原因，大部分工业废水只经简单处理甚至未经任何处理就直接排入江河等水体中，许多废水中所含的氮、磷等物质也就不断地在水体中累积了下来。
（2）生活污水排放
人们在日常生活中也产生了大量的生活污水，2001年全国生活污水排放达227亿t，超过工业废水排放量。生活污水中含有大量富含氮、磷的有机物。其中的磷主要来自洗涤剂。据统计，2001 年全年排放废水中化学需氧量（COD）排放总量为140615万t，比上年减少 2.7%。其中工业废水中COD 排放量607.5万t，比上年减少13.8%；生活污水中 COD 排放量799万t，比上年增加8.0%。可见，生活污水已逐渐取代工业废水而成为水体富营养化的最大污染源。
（3）化肥、农药的使用
现代农业生产中大量使用化肥、农药，人类在享受它们带来农业丰收的同时，在很大程度上污染了环境。农药、化肥在土壤中残留，同时不断地被淋溶到周围环境，特别是水体中，其中所含的氮、磷就导致了水体富营养化。此外，屠宰场和畜牧场也会有含有较多氮磷的废水进入水体等。
二、湖泊氮磷的时空变化
（1）氮磷空间特征
我国湖泊氮磷具有较强的空间变异性。在不同的时期, 湖泊氮磷的输入和输出可能会发生很大变化, 因此我们甄选不同湖泊同一时期的监测数值进行氮磷空间特征分析。结果如下: T N 与纬度存在极显著的相关关系(p
TP在空间上的分布特点表现为在南部地区磷含量比较大, 特别是西南地区。根据上述我国湖泊系统氮磷的统计特征的分析, 可知磷素是我国湖泊富营养化的一个主要限制因子。因此, 可以推测南方地区湖泊富营养化比较严重, 尤其是西南地区。据研究我国东南地区湖泊大多数已进入富营养化状态, 如巢湖、太湖、洪泽湖、东湖等, 西南地区湖泊富营养状态相当高, 如滇池、异龙湖、杞麓湖,但东北地区湖泊富营养状态相对较低。这与根据氮磷空间特征得出的推断结果是 基本一致的。但我国南方湖泊TN / TP比北方低, 低TN / TP可能是造成南方湖泊的富营养化程度高的重要原因,导致南方湖泊水华现象 频发。我国湖泊富营养化的这种空间分布特性可能与我国磷素和TN / TP在空间上的变化趋势存在密切的关系。（2）氮磷时间动态
采用不同时期湖泊富营养化水平的有效氮磷数据分析我国湖泊系统氮磷的时间动态。统计分析结果显示, 自上个世纪90年代至今, 我 国湖泊TN / TP存在显著下降趋势(p
磷素是我国湖泊富营养化的一个主要限制因子, 氮磷比是湖泊富营养化一个重要的影响因素。因此, 我国湖泊磷素的显著增加以及 N / P结构的显著下降, 将对湖泊生态环境产生深远的影响。据霍守亮(2009)等人湖泊富营养化研究发现, 我国湖泊藻类水华暴发的频 率越来越高, 规模也越来越大。我国湖泊水体氮素和磷素在化学计量上的变化, 可能是目前我国湖泊富营养化频发的重要原因。
三、富营养化水体中氮磷的去除
1.植物在富营养化治理中的应用
利用植物治理污水近些年得到了较快发展。利用水上种植技术 , 以富营养化为主体的受污水域表面种植粮油、蔬菜、花卉等种种适宜的陆生高等植物,在收获农产品,美化水域景观的同时,通过物根系的吸收和吸附作用,富集导致水体富营养化的氮和磷,降解和富集其他有毒有害污染物,可达到化害为利,净化水质的目的,使水域资源得到可持续发展和利用。水生生物对富营养化污水的净化,一方面是本身对污染物的吸收、同化降解作用,另一方面是通过其根系附生的微生物及藻类对有机物进行降解。国内外的学者在这方面作了大量的研究工作。利用藻类净化污水中氮、磷的研究开始较早。如螺旋藻能在含盐的富营养化污水中生长良好,在光照条件下,经轻微搅拌就能吸收大部分污染物。王朝晖对水网藻进行了研究,水网藻是一种大型的网片状或网袋状绿藻,肉眼可见,繁殖能力很强,在生长过程中能吸收大量的氨氮、硝氮及无机磷,他们主要研究了在不同环境条件下水网藻对氮磷的吸收能力。结果表明,水网藻在富营养化水体至污水一级、二级处理出水中有氮磷浓度条件下,对氮磷均有较强的去除能力 , 6天内的最大去除率分别为67.3 %和91 %。在含4.2～50.4mg / L的N 0.196 ～ 2.232mg / L的P条件下,单位湿重的水网藻对N、P的去除能力随 N、P的增加而增加,温度对水网藻的N、P去除能力的影响与生长一致,生长越旺盛,去除能力越强,使用水网藻作为富营养化治理植物具有一定的可行性。用水藻可以提供一种较为经济的水处理方法, 在传统的污水处理厂中,要用设备和动力将注入的污水与加压空气和富含细菌的污泥混合,而在水藻污水处理装置中这些设备和动力都不采用,因而后者的建设运行费用大约只有前者的一半。通常情况下,传统的污水处理厂所产生的大量污泥需填埋,而水藻污水处理厂所产生的要少得多,其主要产物是大量的死水藻,死水藻干燥后可作为很好的肥料和鱼饲料添加剂。不足之处在于单细胞藻类体积微小,不利于收集,因此不适合在湖泊、水库等大型水体中被作为净化植物。
环境工作者也利用其他水生植物对污水进行处理。水葫芦是国际上常用的一种治理污染的水生植物,它不仅对氮磷有良好的去除能力, 能迅速大量地富集废水中的Cd、Pb、Hg、Ni、A g、Co、Sr 等多种微量重金属。王旭明等研究了水芹菜对污水的净化能力,发现水芹菜对污水中的N、P、CO D具有明显的去除效果,能明显改善污水水质,且净化率随温度的升高而增加,作用后的水质变清,悬浮物减少, 透明度增加。王国祥等对冬季水生高等植物对富营养化湖水的净化作用进行了研究。他们在太湖—湖弯的物理生态工程围区内,采用覆膜和改变生态位的过冬技术,供喜旱莲子草、凤眼莲等漂浮植物能安全过冬,并有效地改善水体透明度,为沉水植物生长及种群自我演替提供了保障。静态试验结果表明,采取简易的防寒越冬技术,改变生态位的喜旱莲子草对TN、N H+4N、Chla的去除率达65.7 %、90.7 %、58.7 % ,透明度提高1.6倍。动态试验结果表明,当富营养化湖水在围区内滞留达7.33d时,经越冬处理的镶嵌组合群落使围区内水体透明度达90～100c m ,比围区外提高2.6 ～3.0倍,对TN、TP、N H+4 — N的浓度分别比围区外降低 37.5 %、52.0 %、75.4 % ,而滞留时间低于4.33d,净化效果不明显。高占喜等在自然条件下在生物净化池中研究了7种水生植物: 慈茹、茭白、金鱼藻、满江红、水花生、菱角、菹草对面源污水的净化率。结果表明,这7种植物对水体中的氮、磷均有较高的净化率,其中以慈茹和茭白的综合净化率为最高。由于不同植物对氮磷的净化率不同,所以在净化污水时,应视面源污水实际含氮、含磷量进行多种植物配置,从而提高对面源污水的综合净化率。李文朝等在富营养化湖泊中开展了常绿型人工水生植物组建实验, 在实验区中选用耐寒植物伊乐藻、菹草和喜温植物菱角及凤眼莲组建了常绿型人工植被。这种常绿型人工水生植被形成了生长期和净化功能的季节性交替互补,使实验区内常年保持较好的水质,对外来污染冲击有很强的缓冲能力。诸惠昌等采用芦苇对进水COD浓度为400～ 800mg·L-1的乳制品废水进行处理, COD的去除率达97%～98 %。用植物处理污水的优点是:(1)处理污水中的氮磷及其他污染物比其他方法简单;(2)处理水消耗的能量少;(3)可以有效利用植物资源。
2.富营养化水体中底泥对氮磷的吸附作用
富营养化水体的底泥或沉积物中存在着一系列具有交换吸附能力的成分,这些成分在金属、有毒有机物以及营养性污染物等的迁移变化中,起着极为重要的作用。在底泥的成分中,粘土矿物、铁锰铝的水合氧化物、有机质是具有吸附活性的成分,其中粘土矿物的含量相对较高,达到20%以上,粘土是一类具有复杂的铝硅酸盐结构的天然矿物,一般认为粘土的主要界面特性是阳离子和阴离子交换性质,主要交换基团是“羟基”和夹层中的金属离子。底泥中铁锰铝的水合氧化物和有机质的含量较低,各占底泥总量的2 %左右,但二者的吸附活性比粘土矿物高得多。
污染物进入环境后,与底泥中的有机质、矿物质等发生一系列化学反应,如分配、物理吸附、化学吸附等,致使水中的可溶解性成分浓度下降而转入固相中去,在一定的条件下,吸附到沉积物上的有机化合物又会发生各种转化,重新进入水中。含有大量氮磷的富营养化污水排入江河后,河中的底泥能够通过专属吸附和非专属吸附吸附水中的 NO3-和PO43-,将氮磷从水体中清除出去,使水质得到净化。专属吸附是配位体交换反应, PO43-或NO3-取代底泥中的OH-或H2O成为构成阴离子配位中的一个配位体。NO3-和PO43-也可以在沉积物中的铝、铁的水合氧化物和氢氧化物表面以及粘土晶体边缘。有关沉积物对有机物及重金属等吸附性能的研究已较多,但有关沉积物对磷酸盐和硝酸盐的吸附作用的研究还不多见。
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