淺析湖泊富營養化問題及其治理途徑

張  慧   馮  燕

(昆明理工大學建筑工程學院  云南昆明  650224)

    我國湖泊水庫污染日趨嚴重，主要表現是“富營養化”。湖泊水庫的污染不僅僅影響水體的功能例如供應生活用水．以及危害水生生物，而且正在導致湖泊水庫本身的消亡。根據((2006中國環境狀況公報》[l]，在27個國控重點湖(庫)中，V類和劣V類水質的湖(庫)達到l8個，占到67％，其中巢湖水質為V類，太湖和滇池為劣V類：而在9個重點國控大型淡水湖泊中，興凱湖為Ⅱ類水質，洱海為Ⅲ類水質，鏡泊湖為Ⅳ類水質，洞庭湖、鄱陽湖為V類水質，洪澤湖、南四湖和白洋淀為劣V類水質。除了大型湖泊外，城市內湖也面處于同樣的境地。在監測統計的5個城市內湖中，昆明湖(北京)為Ⅲ類水質，西湖(杭州)、東湖(武漢)、玄武湖(南京)、大明湖 （濟南）為劣V類水質。

1.湖泊富營養化成因

    湖泊是指陸地上低洼的地方，終年積蓄著大量的水分而不與海洋直接相連的水體富營養化是湖泊分類和演化的一種概念，是湖泊水體老化的自然現象。湖泊由貧營養湖演變為富養湖。進而發展成沼澤地和旱地、在自然條件下，這一歷程需幾萬年至幾十萬年。但如受氮、磷等植物營養性物質污染后，可以使富營養化進程大大加速。水體出現富營養化現象時，浮游生物大量繁殖，水質惡化且有腥臭，對魚類等水生動物，以及人、畜均有很大危害，嚴重時會造成魚類的死亡。

    1.1水動力學對湖泊富營養化形成的影響

    1.1.1湖泊的水團運動

    湖泊水體的流動分為密度流、吞吐流和風生流。其中風生流對湖泊的富營養化會產生影響。風生流以風浪的形式影響水體垂直方向的混合。風浪是風力作用與水面共同產生的水團周期性振動起伏運動，引發水體的垂直運動。風力產生的摩擦力直接帶動約3m深的水層流動，間接帶動整個水體的循環。對于水深淺的湖泊，風生流引起的水體垂直方向的運動尤為顯著。這種運動可能引起湖底底泥翻起，把底泥中的營養物質帶到表層水，加劇湖泊富營養化。例如：藍藻水華爆發常常跟隨一次較大的風浪，可能是由于強大的風生流作用引起沉積物懸浮．促使底泥中氮和磷的釋放，同時使藍藻細胞從底泥中釋放。

    1.1.2湖泊水體分層

    溫度影響水的密度。在風力比較小和水體比較平靜的狀態下，溫度沿水體深度分布存在溫度跳躍現象，水體呈現出分層現象。在水體出現分層現象時，水體中垂直方向上的物質傳輸受到抑制。

    湖泊水體分層現象會加劇藻類的繁殖生長。對于富營養化的湖泊水體，底泥中高濃度的有機物(可能來自藻類和植物的腐爛或外部排入的污染物)為深層水的細菌、真菌、原生動物以及一些無脊椎動物提供了食物和能量。這些生物的代謝呼吸將消耗貯存在深水層中的氧氣，并釋放原先與有機物結合在一起的N、P營養元素。當深水中的溶解氧消耗殆盡時，底泥中的營養物質例如磷會從與氫氧化合鐵絡合狀態釋放出來，深水層污染物濃度將不斷增加，成為“內源性負荷”，最終通過擴散或循環進入表層水，支持藻類的生長。在外部負荷較小的情況下，內源性負荷就成為主要的富營養化誘因。

    湖泊水體分層的另一后果是導致生態失衡，喜歡深水的魚因缺氧而被排除在外，進而影響食物鏈下層動物進一步生長；魚類被擠到淺水層，不得不以食藻類的微型動物為食，導致該類微型動物數量減少，失去了對藻類生長的控制，從而藻類快速繁殖。

    一些因素如突然一場降雨可能擾亂水的分層。在比較淺的湖泊，分層和亂層可能交替循環發生。在分層時，氮磷從底泥中釋放出來；在亂層時，釋放的氮磷通過循環以較快的速度進入表層水，可能加快了富營養化現象。

    1.2污染源

    導致湖泊富營養化的污染源有三類：點源污染、面源污染和大氣沉降。

    點源是指長期連續性集中排放污染物質，并對水環境構成嚴重危害的污染源。生活污水、工業廢水排放，以及集中堆放的固體廢物構成點源污染。

面源為受外界氣象、水文條件控制的不連續、分散排放污染物。面源分布廣泛，物質構成與污染途徑十分復雜，如地面雨水徑流、農村生活污水與分散畜牧業廢物、農村種植業匿廢、農藥化肥流失、水土流失等。

    大氣沉降不僅是懸浮顆粒物、有害氣體的來源之一，也是氮的來源之一。燃料燃燒時，氮元素以氮氧化物的形式進入空氣，隨雨雪降落在土壤或水體表面，污染地表水源。

    1.3氣候環境

    溫度和光照是影響藻類繁殖的重  要環境條件。溫度會影響細胞內酶的活性，光照提供細胞代謝所需的能量。因此，湖泊中富營養化現象的季節性交替變化，主要是取決于水體的溫度和光照。例如：對北京市區“六海”、筒子河的調查結果表明：水體的富營養化現象與年內自然水溫的季節變化關系密切。藍藻多爆發于高溫的夏季。

    1.4水力流態

    水深較深，水流湍急的地方不易發生富營養化現象。相反，水深較淺(一般小于4m)，水流較緩，相對封閉的水體易發生富營養現象。這是因為：水深較深的湖泊底部的深層水因太陽光照射不到，水壓大，底泥距表層水距離遠，營養元素的釋放距離也較遠，不可能提供大量的營養物質給水生植物和藻類生長。因此，淺水湖泊比深水湖泊易發生富營養化現象。例如：我國的大型湖泊中，受污染最嚴重的  太湖、巢湖和滇池，它們的平均水深依次為2.1m、4.4m和4.4m，平均水深值都不大。

    1.5生態系統失調

    湖泊生態系統里有浮游水生植物，浮游動物、魚及底泥中的細菌和真菌．當湖泊受到污染時，大量的污染物(如城市生活污水或農業生產中流失的化肥)流入湖里，使湖泊里的營養物質迅速增加，藻類在光合作用下瘋狂生長，過量消耗表層水中的溶解氧，表層水出現缺氧狀態，導致魚類窒息而死。

    同時大量的有機物的流入迫使好氧細菌很快耗盡水體中的溶解氧．加速了水體向厭氧環境的轉化。一旦水體轉為厭氧狀態，大量好氧細菌將死亡，高等級水生生物如魚、蝦、貝等也會因缺氧而死亡。在厭氧狀態下，厭氧細菌將有機物轉化為有機酸類。這些揮發性的有機酸因得不到及時的好氧降解而逐漸積累，使得水體的pH 值下降，水體發黑、發臭，導致湖泊生態系統失衡，高等水生植物死亡。

2.湖泊富營養化類型

    湖泊富營養化類型分為響應型和非響應型。在響應型湖泊中隨著營養鹽濃度的提高，水生生物產量相應地增加；而在非響應型湖泊中，水生植物產量反而下降。我國大多數湖泊屬于響應型富營養化，但是，也有一些屬于非響應型，包括玄武湖、東山湖、墨水湖、荔灣湖和滇池。

    有文獻報道，當總磷濃度超過0.lmg/l(如果磷是限制因素)或總氮濃度超過0.3mg／l(如果氮是限制因素)時，藻類會過量繁殖。經濟合作與發展組織(OECD)黜富營養湖的幾項指標量為：平均總磷濃度大于0.035mg/l；平均葉綠素濃度大于0.008mg／l；平均透明度小于3m。

3.湖泊富營養控制措施與修復技術

    3.1控制營養物質來源

    切斷來自外部的營養物質，盡可能地在湖周實現徹底截污工程，減少或截斷外部營養物質的輸入。同時在湖泊周圍建人工濕地。濕地生態系統作為農田與水體之間的一個過渡地帶．通過土壤吸附、植物吸收、微生物轉化等一系列物理、化學和生物學作用降解地表徑流中的氮磷營養元素，減少流人湖泊中的氮磷數量，以達到控制營養物質的目的。嚴格監控工業污水的排放，限制合成洗滌劑中磷含量。目前，我國江蘇、浙江和云南省已制定法令，禁止使用含磷洗滌劑的生產和使用。

    3.2控制藻類生長

    藻類的大量繁殖，使生物量的種群種類數量發生改變，破壞了水體的生態平衡，加速了水體的富營養化過程。目前的除藻技術有：機械打撈藻類，超聲波除藻、光催化氧化除藻、殺藻劑除藻等。

    機械打撈除藻，其短期效果顯著，但運行費用高，不能從根本上解決富營養化問題。

    超聲波除藻是針對富營養化水體中的藻污染問題，利用超聲波在水中的機械效應和空化效應產生的高壓、沖擊波、聲流和剪切等力學作用來除藻。 舒天閣[6]等人研究了不同超聲頻率、超聲功率、超聲時間對銅綠微囊藻的去除影響，結果表明，當超聲頻率500kHz，超聲功率為80W時，藻類的去除效果最好，超聲5min后，除藻率可達94％，而且通過二次超聲可進一步抑制殘余藻類的生長，穩定除藻效果。

    光催化氧化技術光化學及光催化氧化法是目前研究較多的一項高級氧化技術。所謂光催化反應，就是在光  的作用下進行的化學反應。光化學反  應需要分子吸收特定波長的電磁輻射，受激產生分子激發態，然后會發生化學反應生成新的物質，或者變成引發熱反應的中間化學產物。光化學反應的活化能來源于光子的能量，在太陽能的利用中光電轉化以及光化學轉化一直是十分活躍的研究領域。目前，光催化氧化技術主要限于實驗室規模的研究。

    投加化學除藻劑來殺死藻類。雖一時效果較明顯，但久而久之，水中會出現耐藥性的藻類，滅藻劑的效能會逐漸下降，導致投藥的間隔會越來越短，而投加的量會越來越多，滅藻劑的品種也要頻繁的更換，對環境的污染也在不斷地增加，存在二次污染問題。

    3.3水動力學循環

    水動力學循環最初主要是用來防止淺水結冰，防止其中魚類生物被凍死。60年代后，水體動力學循環技術逐步用于水體富營養的控制技術和水水質的改善，是被廣泛應用的技術之一。水循環可以通過泵、射流或曝氣實現。通常是完全循環，這樣可以避免水體分層或破壞已形成的分層。但水動力循環強度控制不好可能帶來不良的后果。比如：水動力循環強度弱，可能產生水體分層。水動力強度太大，又可能導致底泥泛起，濁度增高。

    3.4底層水抽取技術

    湖泊的底層水溶解氧非常低，常處于厭氧狀態，而厭氧狀態將增加溶解態磷的濃度，促進藻類的繁殖生長，加劇湖泊的富營養化。因此，去除底層水有助于控制底泥中磷的轉化。

    通過抽取底層水來縮短底層水停留時間，從而降低其轉化為厭氧狀態的機會．進而降低底泥中營養物質和污染物的釋放速率。通常采用虹吸方式來抽取底層水。為減少分層現象，可以從水體中層或深層進行抽取，且抽取速率要快，必須是水體分層速率的數倍。

    3.5稀釋或沖刷

    稀釋是將氮磷含量低的水引入富營養化湖泊中，從而稀釋湖泊中的氮磷及污染物質濃度，提高水中溶解氧含量，改善水質，降低富營養化程度。沖刷同樣也是引入氮磷含量低的水．不同之處是水流速度快，能把湖泊中的藻類帶走，從而降低富營養化程度。稀釋或沖刷是把污染物轉移并非降解。這兩種方法對嚴重富營養化的湖泊可以起到短暫的顯著的效果．但是要維持長期的效果就需要有充足的補充水源做后盾。

    3.6消除內源污染

    內源污染存在于底泥里中的磷及其他有毒有害物質。對于底泥的處理有：底泥氧化、底泥覆蓋、底泥疏浚。

    底泥氧化能夠氧化其中有機物，起到脫氮作用，同時將亞鐵轉化為氫氧化鐵，使磷與氫氧化鐵緊密結合起來，氧化深度達到l0—20cm的范圍，達到控制內源性磷的目的。常用的藥劑包括硝酸鈣、氯化鐵和石灰。這種方法適用于鐵氧化還原控制內源性磷的情況．不適應于高pH值的底泥和溫度控制內源性磷的情況。

    底泥覆蓋通常采用沙子、卵石和粘土等覆蓋在底泥上，從而控制內源性污染物質如磷的釋放。但并不能控制水生有根植物的生長，因為植物的根會隨著生長穿透覆蓋物。目前，常用高分子物質如：高密度聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍等，但其造價相對較高。底泥覆蓋屬于一種治標不治本的消除內源污染技術，并沒有去除污染源，只是起阻止作用。

    底泥疏浚是一種外移內源污染物的方法，通過去除底泥從而徹底去除底泥中含有的大量營養元素和有毒有害物質。從疏浚技術現狀來看，主要包括工程疏浚技術、環保疏浚技術和生態疏浚技術等。

    工程疏浚為物理工程，是按工程目的要求，設計疏浚的深度和底部標高，以設計高程、疏浚后幾何形狀、土方量作為控制依據。采用通用疏浚機械(按土工特性選擇)。挖起的污泥堆放場地，以濁度或含沙量控制排水。但會引起底泥的泛起和攪拌，導致空隙水中的磷及其它污染物隨水流運動進入表層水，引起藻類快速繁殖，產生富營養化現象。

    環保疏浚是以清除水域中的污染底泥、減少底泥污染物向水體的釋放為目的的技術，因此其效果明顯優于工程疏浚技術，而有較高的施工精度。能相對合理的控制疏浚深度．能較大幅度地減少疏浚過程中的污染,是環保疏浚技術的特點。例如：意大利首先研制出啟動泵挖泥船用于水下底泥。它利用靜水壓力和壓縮空氣清除污染底泥，此裝置疏浚質量分數高，可達70％左右，對湖底無擾動，不污染周圍水域。國內比較典型的是：滇池草海污染底泥疏浚采用絞吸式挖泥船進行污染底泥疏浚．將底泥吹填至湖邊堆場．封閉堆存，草海底泥疏浚一期工程實施后．草海水質得到明顯改善，透明度由疏浚前的0.37m增加到疏浚后的0.8m．且消除了草海疏浚前的水質惡臭現象。

    生物疏浚8為生態工程，目的在于清除高營養鹽含量的表層沉積物，包括沉積在淤積物表層的懸浮、半懸浮狀的絮凝狀膠體等。在清除底泥污染物的同時，為后續生物技術的介入創造條件。清除的是富含營養鹽的淤泥層．采用環保無擾動型挖泥設備，以水質指標控制排水。太湖富營養化水治理技術中有一項就是生物疏浚，目前太湖水質已有好轉。

    底泥疏浚存在的最大問題是成本高，以昆明滇池草海舊為例，近年來共挖泥400萬噸，耗資2.5億元，折合62.5元／t。

    3.7生物修復技術

    3.7.1細菌微生物

    利用現有的細菌微生物，進行馴化,培養出能夠迅速吸收和分解水中氮磷污染物和抑制藻類瘋長的微生物，接著進一步對培養出來的微生物進行篩選，篩選出生理活性強的菌種，然后大量繁殖，投放水體。例如由美國 Alken—Muny公司研究開發的Clear—Flo系列菌劑在1997年美國馬里蘭州 Gaitherburg城的一個湖里．成功阻止了絲狀藍綠藻的滋生。

    但細菌微生物的繁殖速度驚人，呈幾何級增長．每一次繁殖都或多或少會產生一些變異品種，導致微生物處理水質能力下降．而且很難控制其數量，其生長又受環境的影響很大，例如溫度、氣壓等等。因此用微生物處理水質，必須定期進行微生物的篩選培育、保存、復壯等等一系列專業處理過程．而且不能保證水質狀況長期處于良好的狀態之中。

    3.7.2植物修復

    植物凈化技術的最大優點是可以通過植物的吸收吸附作用，降解、轉化水體中的有機污染物，繼而通過收獲植物體的形式將有機污染物從水域系統中清除出去，因此，可以達到標  本兼治的效果。與此同時，植物的存在為微生物和水生動物提供了附著基質和棲息場所。某些植物的根系能分泌出克藻物質，達到抑制藻類生長的作用，龐大的枝葉和根系成為自然的  過濾層，能截獲大量的懸浮物質等，對水生態系統的物理、化學以及生物特性亦能產生重要影響。

    人工濕地和人工浮島是目前植物修復的最好的載體。通過在人工濕地或人工浮島上種植根系發達，蒸騰作用強，吸附能力大的植物來去除水中的營養物質氮磷，也可以栽培對重金屬有選擇吸附性的植物。據Prancisco等人研究：濕地可以有效控制農田徑流，其對氮素的去除以植物吸附為主．水生植物可積累氮l0—20mg／(m²·d)，占進水可溶性無機氯的66％一l00％：Paul等人研究發現：濕地通過植物吸收可使磷濃度降到0.1mg／L以下。中國的馬立珊、駱永明等[13]研究了浮床香根草對富營養化水體氮磷去除動態及效率，實驗結果為水體中的TN降低了4.6—5.3mg/l減少了0.23—0.3mg／l， TN去除率為79％，TP去除率為80％。據報道：在人工浮床種植大榕草、水芹、水蕹草、多花黑麥草等對去除水體中的氮磷和抑制藻類滋生都有明顯作用。

    3.7.3投放水生動物

    螺、蚌等底棲動物可過濾懸浮物質，攝食生物碎屑，其分泌物有絮凝作用，螺有刮食著生藻類功能,蝦和若干種類魚類可攝食藻類、碎屑、浮游動物等。這些動物作為健康水生態系統的補充組成，也有重要作用。根據水體的特定環境，投放相適應的水生動物，如魚類、底棲動物。例如：滇池通過投放食藻蟲、濾食性生物等來控制藻類繁殖。以鰱魚、鳙魚為例，一條白鰱魚每長1公斤，就需吞噬100—150kg鮮藍藻，滇池每年都要投放數十萬尾鰱鳙魚，生活在敞水區的鰱鳙魚。在滇池不能自然繁殖，不會妨礙滇池其它魚類的繁殖。

    生物修復技術是一種無污染的綠色修復技術，但此技術存在引入危險物種的風險，造成生物入侵現象。因此，在對湖泊進行生態修復之前，應對水體進行生態調查及考察引入生物  的生長特性等。

4.結論與建議

    對于湖泊富營養化的治理．有效控制點源和面原污染源是前提，其次才是水體的內源污染和富營養水體的修復。就具體的技術發展趨勢來看，生態／生物方法是修復水生態系統中最值得推薦的措施之一。這種技術實際上是對水體自凈能力的強化，是人們遵循生態系統自身規律的嘗試。而在具體實施時，考慮處理水域的特點，及富營養化水體的各種治理方法的優  缺點，建議采用多種技術的組合。具體由哪幾種技術組合，則需要根據目的水域的污染性質、程度、生態環境條件和階段性或最終的目標而定，亦即在實施前要對目的水域作系統周密的論證，而后制定實施方案，才能達到預期的目標。

參考文獻：

[1]2006年中國環境狀況公報．國家環保總局．資料來源：http：／／www．zhb．gov．cIl／ztbd／xyshx／xgbd／200708／t20070822-108265．ht

[2]張自杰．排水工程(下冊)，中國建筑工業出版社，(17)．

[3]張錫輝．水環境修復工程學原理與應[M]．化學工業出版社，第一版：l9—100

[4]唐云梯，周克元，江惠龍，馬盛武．使用環境保護數據大全．武漢：湖北人民出版社．1993

[5]金相燦．湖泊富營養化控制和管理技術[M]．北京：化學工業出版社．第一版

[6]舒天閣，苑寶玲，王少蓉．低功率超聲波去除銅綠微囊藻技術．華僑大學學報(自然科學版)[J]2008，29 (1)：72—75

[7]顏昌宙等．湖泊底泥環保疏浚技術研究展望．環境污染與防治[J] 2004，26(3)：189—192

[8]陳荷生．太湖底泥的生態疏浚工程． 水利水電科技進展[J]．2004，24(6)：34—37

[9]郭慧光，馬丕京．滇池環境綜合治理框架及其投資估算[J]．云南環境科學．2000，19(增)：106—113

[10]顧宗濂．中國富營養化湖泊的生物修復．農村生態環境．2002，18(1)：42-45

[11]Prancisco A Comin. Nitrogon re-moval and cycing in restored wet- lands used as filters of nutrients  for agricultural runoff  [J] . Wat  Sci Tech, 1997,35  (5): 255-261.

[12]Paul R Adler. Evaluation of a wet- land  system  designed  to  meet      stringent phosphorus discharge re- qurements [ J]Water EnvirRes, 1996, 68  (4) :836-840

[13]馬立珊，駱永明，吳龍華，吳勝春．浮床香根草對富營養化水體氮磷去除動態及效率的初步研究[J]．土壤．2002．2：99—101

[14]劉淑媛，任久長，由文輝．利用人工基質無土栽培經濟植物凈化富營養化水體的研究[J]．城市環境與城市生態[J]．1999，35(4)：1—5

[15]閻水玉王祥榮．城市河流在城市生態建設中的意義和應用方法[J]．城市環境與城市生態．1999，12 （6)：1-4

[16]資料來源  : http://news.yninfo.com/ yunnan/kunming/2007/7/11838624 11 -22/

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)