水體富營養(yǎng)化機(jī)理及防治措施研究

宋淑貞

（江蘇河海環(huán)境科學(xué)研究院有限公司 山東濟(jì)南 250100）

0 引言

水體富營養(yǎng)化是指水體中氮、磷等營養(yǎng)鹽含量過多而引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象，氮、磷含量過高是主要原因［1］。由于城市化進(jìn)程的加速和人類隨意排放污水的影響，水中營養(yǎng)成分增加而引起水體污染，最終導(dǎo)致藻類過度生長和水生態(tài)系統(tǒng)物種分布失衡。大量的氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)流進(jìn)湖泊、河流和其他水體，導(dǎo)致藻類和其他浮游生物快速生長，降低了水體中的溶解氧含量，大量魚類死亡，水質(zhì)因此惡化。根據(jù)利比希最小值定律，藻類和其他植物的生長主要受那些處于最低量的營養(yǎng)物質(zhì)成分的影響。由此可見，藻類細(xì)胞中氮、磷元素相對于其他元素?cái)?shù)量占比最少，所以水體富營養(yǎng)化問題的最主要成因可以歸咎于外界大量氮、磷的輸入。近年來，由于水體嚴(yán)重污染，藻類爆發(fā)事件層出不窮。因此，脫氮和除磷已成為污水處理的重要組成部分。

1 水體富營養(yǎng)化的機(jī)理及危害

1.1 水體富營養(yǎng)化的機(jī)理

自然界中，水的富營養(yǎng)化是破壞生態(tài)平衡，甚至導(dǎo)致整個水生態(tài)系統(tǒng)滅絕的過程。氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)來自水土流失、農(nóng)業(yè)施肥、水產(chǎn)養(yǎng)殖中餌料投放過多、畜牧業(yè)漁業(yè)中的排泄物、工業(yè)廢水和生活污水不合理的排放等。導(dǎo)致藻類大量繁殖的原因除了營養(yǎng)物質(zhì)的過度流入之外，還有溫度、pH 值、季節(jié)變化、生物本身及營養(yǎng)鹽類等生物、物理和化學(xué)影響因素。

氮和磷都是生物成長和生命活動必不可少的元素。在自然界中，氮主要存儲在大氣中，而磷主要來自磷酸鹽的動物排泄物和化石等天然磷酸鹽的沉積物。由于水中的某些藻類具有固氮能力，將大氣中的氮轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀凰参锶菀孜蘸屠玫南跛猁}，因此藻類可以獲得足夠的氮養(yǎng)分。磷循環(huán)本質(zhì)上是1 個單向循環(huán)，由于人類過度開采，儲存在地球表面的磷通過食物鏈進(jìn)入水體中，增加了水體中的磷負(fù)荷。磷酸鹽是地表淡水系統(tǒng)中植物生長的限制因素，氨氮與硝酸鹽是限制海水系統(tǒng)中植物生長的原因。造成富營養(yǎng)化的結(jié)果往往是這些水系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的過剩，意味著地表水系統(tǒng)中磷含量原本有限，但是增加過多的磷酸鹽就會破壞這一限制因素，從而導(dǎo)致藻類等植物大量繁殖；同理在海水系統(tǒng)中如果增加過多的含氮污染物也會消除這一限制因素。自然水體接受了帶來氮和磷養(yǎng)分來源的廢水后，促進(jìn)了自養(yǎng)微生物的快速生長。自養(yǎng)微生物通常以較快的速度繁殖但生命周期很短。死亡后，好氧或厭氧微生物將它分化，消耗水中的溶解氧或產(chǎn)生諸如H2S氣體，使水質(zhì)變差，導(dǎo)致水生動植物大量死亡。當(dāng)藻類死亡時(shí)，它們會將殘留的氮和磷留在水中，重新被其他藻類吸收。這種惡性循環(huán)表明，即使為富營養(yǎng)化的水體切斷了外部養(yǎng)分的供給，水體也很難恢復(fù)到原態(tài)。

1.2 水體富營養(yǎng)化危害

富營養(yǎng)化水體使得各種藻類大量繁殖，尤其是繁殖能力強(qiáng)的藻類。藻類的繁殖數(shù)量和帶給人類的危害也是成正比的，不僅僅是影響水質(zhì)和產(chǎn)生臭味，嚴(yán)重時(shí)還會對飲用水的安全性造成威脅。有報(bào)道指出藻類有機(jī)物通過氯消毒后會產(chǎn)生較弱的致癌物質(zhì)。藍(lán)藻的毒素如果被水體中的動物飲用后會致死，赤潮中的甲藻產(chǎn)生的毒素還會使人類中毒。此外，水體富營養(yǎng)化還會影響供水、加大供水成本，影響漁業(yè)的發(fā)展、造成水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)無法正常經(jīng)營，向水體中釋放有毒有害物質(zhì)及加速湖泊的消亡等危害。

2 水體富營養(yǎng)化的防治措施

目前，對水體富營養(yǎng)化脫氮的方法有3 種：物理、化學(xué)和生物方法。物理法又分為膜分離和吸附法；化學(xué)法分為化學(xué)沉淀法、電化學(xué)氧化法、吹脫法及折點(diǎn)加氯法等。除磷的主要方法包括結(jié)晶法、混凝沉淀法及生物法等。其中物理化學(xué)法效果雖明顯，但成本高且會造成二次污染，生物法則相對成本低一些，便于操作且具有環(huán)保性。

2.1 水生植物對富營養(yǎng)化水體的凈化作用

目前，通過水生植物進(jìn)行深層脫氮除磷和防止水體富營養(yǎng)化已成為工程應(yīng)用的重要手段。在實(shí)踐中，水的深層脫氮除磷主要是通過水生植物建設(shè)生態(tài)濕地和生態(tài)池塘系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。水生植物是生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者，經(jīng)過光合作用和同化吸收可以固定碳源、富集氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)；水生植物通過根和葉從水和沉積物中獲取營養(yǎng)，然后吸收并合成為自身的成分；最后，將植物收割并移出水中以去除氮和磷。向律成［2］系統(tǒng)研究了喜旱蓮子草、穗狀狐尾藻、黃花水龍3 種水生植物對富營養(yǎng)化水體的修復(fù)效果，結(jié)果表明：對照處理、喜旱蓮子草、穗狀狐尾藻、黃花水龍4 種對總氮的去除率分別為44.5%、84.2%、90.5%和87.2%；對總磷的去除率分別為78.2%、87.2%、88.0%和82.3%，可以看出穗狀狐尾藻對總氮和總磷的去除效果都最好。曹開銀等［3］利用8 種濕地水生植物對富營養(yǎng)化水體進(jìn)行凈化實(shí)驗(yàn)，最后得出結(jié)論，8 種濕地水生植物對氨氮和總磷的處理都有一定的去除效果，而且對磷的去除率均能達(dá)到50%以上。這些數(shù)據(jù)表明水生植物對富營養(yǎng)化水中的氮和磷具有良好的去除效果。水生植物還可以通過將化感物質(zhì)釋放到環(huán)境中來抑制水中藻類的繁殖。通常將水生植物用于脫氮和除磷，具有循環(huán)能耗低、后期處理效果好、維護(hù)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但也有局限性，譬如生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等。因此，應(yīng)重點(diǎn)研究以發(fā)現(xiàn)更多的高效水生植物，并進(jìn)一步優(yōu)化不同水生植物對污染水平的耐受性。

2.2 沸石對富營養(yǎng)化水體的凈化作用

沸石是1 種天然廉價(jià)的具有獨(dú)特晶格結(jié)構(gòu)的多孔性非金屬礦物，有很好的離子吸附作用和離子交換性能，是結(jié)晶陰離子型堿土或堿金屬鋁硅酸鹽，被作為新型吸附劑，受到越來越多學(xué)者的親睞。我國的沸石資源也比較豐富，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的也很多。每種沸石的成分不同對處理效果也會相應(yīng)不同，但對氮磷、重金屬都有很好的吸附性能。劉玲等［4］進(jìn)行了沸石不同改性對富營養(yǎng)化水體氮磷同步去除的試驗(yàn)研究，通過酸、堿、鹽、熱改性和復(fù)合改性沸石從富營養(yǎng)化水中同步去除氮和磷，氯化鎂鹽改性再熱改性后的復(fù)合改性沸石對氨氮和磷的去除效果最好，可達(dá)到89.6%和81.1%。張傳光等［5］通過對天然沸石與不同溫度下改性沸石的實(shí)驗(yàn)對比得出，天然沸石對氮、磷吸附去除率分別達(dá)71%和91%。隨著溫度的升高，發(fā)現(xiàn)在350 ℃時(shí)，熱改性沸石對氮和磷的吸附效果達(dá)到最好，較天然沸石去除率提高了18%。雖然這種沸石吸附法具有高效的吸附性和無毒無害的優(yōu)點(diǎn)，但是值得注意的是天然沸石中含有雜質(zhì)，如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男跃蜁绊懞罄m(xù)的處理效果，而且對磷的處理效果還需進(jìn)一步探究。

2.3 光合細(xì)菌對富營養(yǎng)化水體的凈化作用

光合細(xì)菌是一類可進(jìn)行光合作用的細(xì)菌的總稱，其廣泛分布于大自然中如海洋、湖泊等。它能充分利用光能和各種有機(jī)物為其代謝繁殖提供營養(yǎng)源，可降解COD、BOD，減少氨氮量，增加溶解氧，從而改善水質(zhì)。目前，光合細(xì)菌在環(huán)保、水產(chǎn)禽畜養(yǎng)殖、農(nóng)作物方面都得到了很多的應(yīng)用。龍波［6］選取紅假單胞菌進(jìn)行富營養(yǎng)化的水體脫氮除磷研究，在進(jìn)行了活化分離純化之后選出最優(yōu)的光合細(xì)菌菌種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)在pH 為7.5 時(shí)10 h 后對總磷、總氮、COD 的處理效果可達(dá)到33.5%、46.3%、52.8%，透明度提高率達(dá)到96.8%。溫度對光合細(xì)菌的影響較大，尤其低溫下處理效果不好；增加曝氣裝置，總磷、總氮、COD 的去除率均得到了提高。因此利用光合細(xì)菌處理時(shí)，對某些影響因素還有待深入研究和反復(fù)試驗(yàn)。

3 結(jié)語

隨著工農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，水體富營養(yǎng)化問題在我國日益嚴(yán)重。如果等水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重再考慮進(jìn)行治理，則可能無法彌補(bǔ)。因此，對于水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，應(yīng)從源頭上加以遏制，重在預(yù)防。現(xiàn)在對富營養(yǎng)化水體進(jìn)行脫氮除磷的技術(shù)方法有很多種。隨著工程實(shí)踐的運(yùn)用，各種技術(shù)的問題也隨之顯現(xiàn)出來了，因此開發(fā)更加高效、經(jīng)濟(jì)、便利、環(huán)保的脫氮除磷技術(shù)勢在必行。在探究這些技術(shù)時(shí)應(yīng)考慮多方面的影響因素，將各個機(jī)理研究透徹，使工藝技術(shù)更加成熟，更好地運(yùn)用在實(shí)際工程中。