水体富营养化机理及防治措施研究

宋淑贞

（江苏河海环境科学研究院有限公司 山东济南 250100）

0 引言

水体富营养化是指水体中氮、磷等营养盐含量过多而引起的水质污染现象，氮、磷含量过高是主要原因［1］。由于城市化进程的加速和人类随意排放污水的影响，水中营养成分增加而引起水体污染，最终导致藻类过度生长和水生态系统物种分布失衡。大量的氮和磷等营养物质流进湖泊、河流和其他水体，导致藻类和其他浮游生物快速生长，降低了水体中的溶解氧含量，大量鱼类死亡，水质因此恶化。根据利比希最小值定律，藻类和其他植物的生长主要受那些处于最低量的营养物质成分的影响。由此可见，藻类细胞中氮、磷元素相对于其他元素数量占比最少，所以水体富营养化问题的最主要成因可以归咎于外界大量氮、磷的输入。近年来，由于水体严重污染，藻类爆发事件层出不穷。因此，脱氮和除磷已成为污水处理的重要组成部分。

1 水体富营养化的机理及危害

1.1 水体富营养化的机理

自然界中，水的富营养化是破坏生态平衡，甚至导致整个水生态系统灭绝的过程。氮、磷等营养物质来自水土流失、农业施肥、水产养殖中饵料投放过多、畜牧业渔业中的排泄物、工业废水和生活污水不合理的排放等。导致藻类大量繁殖的原因除了营养物质的过度流入之外，还有温度、pH 值、季节变化、生物本身及营养盐类等生物、物理和化学影响因素。

氮和磷都是生物成长和生命活动必不可少的元素。在自然界中，氮主要存储在大气中，而磷主要来自磷酸盐的动物排泄物和化石等天然磷酸盐的沉积物。由于水中的某些藻类具有固氮能力，将大气中的氮转变为可被水生植物容易吸收和利用的硝酸盐，因此藻类可以获得足够的氮养分。磷循环本质上是1 个单向循环，由于人类过度开采，储存在地球表面的磷通过食物链进入水体中，增加了水体中的磷负荷。磷酸盐是地表淡水系统中植物生长的限制因素，氨氮与硝酸盐是限制海水系统中植物生长的原因。造成富营养化的结果往往是这些水系统中营养物质的过剩，意味着地表水系统中磷含量原本有限，但是增加过多的磷酸盐就会破坏这一限制因素，从而导致藻类等植物大量繁殖；同理在海水系统中如果增加过多的含氮污染物也会消除这一限制因素。自然水体接受了带来氮和磷养分来源的废水后，促进了自养微生物的快速生长。自养微生物通常以较快的速度繁殖但生命周期很短。死亡后，好氧或厌氧微生物将它分化，消耗水中的溶解氧或产生诸如H2S气体，使水质变差，导致水生动植物大量死亡。当藻类死亡时，它们会将残留的氮和磷留在水中，重新被其他藻类吸收。这种恶性循环表明，即使为富营养化的水体切断了外部养分的供给，水体也很难恢复到原态。

1.2 水体富营养化危害

富营养化水体使得各种藻类大量繁殖，尤其是繁殖能力强的藻类。藻类的繁殖数量和带给人类的危害也是成正比的，不仅仅是影响水质和产生臭味，严重时还会对饮用水的安全性造成威胁。有报道指出藻类有机物通过氯消毒后会产生较弱的致癌物质。蓝藻的毒素如果被水体中的动物饮用后会致死，赤潮中的甲藻产生的毒素还会使人类中毒。此外，水体富营养化还会影响供水、加大供水成本，影响渔业的发展、造成水产养殖业无法正常经营，向水体中释放有毒有害物质及加速湖泊的消亡等危害。

2 水体富营养化的防治措施

目前，对水体富营养化脱氮的方法有3 种：物理、化学和生物方法。物理法又分为膜分离和吸附法；化学法分为化学沉淀法、电化学氧化法、吹脱法及折点加氯法等。除磷的主要方法包括结晶法、混凝沉淀法及生物法等。其中物理化学法效果虽明显，但成本高且会造成二次污染，生物法则相对成本低一些，便于操作且具有环保性。

2.1 水生植物对富营养化水体的净化作用

目前，通过水生植物进行深层脱氮除磷和防止水体富营养化已成为工程应用的重要手段。在实践中，水的深层脱氮除磷主要是通过水生植物建设生态湿地和生态池塘系统来实现的。水生植物是生态系统的生产者，经过光合作用和同化吸收可以固定碳源、富集氮和磷等营养物质；水生植物通过根和叶从水和沉积物中获取营养，然后吸收并合成为自身的成分；最后，将植物收割并移出水中以去除氮和磷。向律成［2］系统研究了喜旱莲子草、穗状狐尾藻、黄花水龙3 种水生植物对富营养化水体的修复效果，结果表明：对照处理、喜旱莲子草、穗状狐尾藻、黄花水龙4 种对总氮的去除率分别为44.5%、84.2%、90.5%和87.2%；对总磷的去除率分别为78.2%、87.2%、88.0%和82.3%，可以看出穗状狐尾藻对总氮和总磷的去除效果都最好。曹开银等［3］利用8 种湿地水生植物对富营养化水体进行净化实验，最后得出结论，8 种湿地水生植物对氨氮和总磷的处理都有一定的去除效果，而且对磷的去除率均能达到50%以上。这些数据表明水生植物对富营养化水中的氮和磷具有良好的去除效果。水生植物还可以通过将化感物质释放到环境中来抑制水中藻类的繁殖。通常将水生植物用于脱氮和除磷，具有循环能耗低、后期处理效果好、维护简单的优点，但也有局限性，譬如生态风险等。因此，应重点研究以发现更多的高效水生植物，并进一步优化不同水生植物对污染水平的耐受性。

2.2 沸石对富营养化水体的净化作用

沸石是1 种天然廉价的具有独特晶格结构的多孔性非金属矿物，有很好的离子吸附作用和离子交换性能，是结晶阴离子型碱土或碱金属铝硅酸盐，被作为新型吸附剂，受到越来越多学者的亲睐。我国的沸石资源也比较丰富，已经被发现的也很多。每种沸石的成分不同对处理效果也会相应不同，但对氮磷、重金属都有很好的吸附性能。刘玲等［4］进行了沸石不同改性对富营养化水体氮磷同步去除的试验研究，通过酸、碱、盐、热改性和复合改性沸石从富营养化水中同步去除氮和磷，氯化镁盐改性再热改性后的复合改性沸石对氨氮和磷的去除效果最好，可达到89.6%和81.1%。张传光等［5］通过对天然沸石与不同温度下改性沸石的实验对比得出，天然沸石对氮、磷吸附去除率分别达71%和91%。随着温度的升高，发现在350 ℃时，热改性沸石对氮和磷的吸附效果达到最好，较天然沸石去除率提高了18%。虽然这种沸石吸附法具有高效的吸附性和无毒无害的优点，但是值得注意的是天然沸石中含有杂质，如果不进行适当的改性就会影响后续的处理效果，而且对磷的处理效果还需进一步探究。

2.3 光合细菌对富营养化水体的净化作用

光合细菌是一类可进行光合作用的细菌的总称，其广泛分布于大自然中如海洋、湖泊等。它能充分利用光能和各种有机物为其代谢繁殖提供营养源，可降解COD、BOD，减少氨氮量，增加溶解氧，从而改善水质。目前，光合细菌在环保、水产禽畜养殖、农作物方面都得到了很多的应用。龙波［6］选取红假单胞菌进行富营养化的水体脱氮除磷研究，在进行了活化分离纯化之后选出最优的光合细菌菌种进行实验，最终发现在pH 为7.5 时10 h 后对总磷、总氮、COD 的处理效果可达到33.5%、46.3%、52.8%，透明度提高率达到96.8%。温度对光合细菌的影响较大，尤其低温下处理效果不好；增加曝气装置，总磷、总氮、COD 的去除率均得到了提高。因此利用光合细菌处理时，对某些影响因素还有待深入研究和反复试验。

3 结语

随着工农业快速发展，水体富营养化问题在我国日益严重。如果等水体富营养化严重再考虑进行治理，则可能无法弥补。因此，对于水体富营养化现象，应从源头上加以遏制，重在预防。现在对富营养化水体进行脱氮除磷的技术方法有很多种。随着工程实践的运用，各种技术的问题也随之显现出来了，因此开发更加高效、经济、便利、环保的脱氮除磷技术势在必行。在探究这些技术时应考虑多方面的影响因素，将各个机理研究透彻，使工艺技术更加成熟，更好地运用在实际工程中。