水体富营养化评价与治理.ppt

水体富营养化与控制 2012年 8月 武汉东湖 蓝藻水华 赤潮 水体富营养化 水体富营养化 (eutrophication)是指在人类活动的影 响下， 氮、磷 等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等 缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体 溶 解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现 象 。这种现象在河流湖泊中出现称为水华，在海洋中出 现称为赤潮。 一 总磷、总氮等营养 物质超标 二 缓慢的水流状态 (水 的流速和水库水深） 三 适宜的光照和温度 move 1 使水味变得腥臭难闻 在富营养状态的水体中生长着很多藻类，其中有一些 藻类能够散发出腥味异臭。藻类散发出这种腥臭，向湖泊 四周的空气扩散，直接影响、烦扰人们的正常生活，给人 以不舒适感觉，同时，这种腥臭味也使水味难闻，大大降 低了水质质量。 2 降低水体的透明度 在富营养水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的 大量水藻。这些水藻浮在湖水表面，形成一层 “绿色浮 渣”，使水质变得浑浊，透明度明显降低，富营养严重的 水质透明度仅有 0.2米，湖水感官性状大大下降 。 3 影响水体的溶解氧 富营养湖泊的表层，藻类可以获得充足的阳光，从空气中获得 足够的二氧化碳进行光合作用而放出氧气，因此表层水体有充足的溶 解氧。但是，在富营养湖泊深层，情况就不同，首先是表层的密集藻 类使阳光难以透射入湖泊深层，而且阳光在穿射过程中被藻类吸收而 衰减，所以深层水体的光合作用明显受到限制而减弱，使溶解氧来源 减少。其次，湖泊藻类死亡后不断向湖底沉积，不断地腐烂分解，也 会消耗深层水体大量的溶解氧，严重时可能使深层水体的溶解氧消耗 殆尽而呈厌氧状态，使得需氧生物难以生存。这种厌氧状态，可以触 发或者加速底泥积累的营养物质的释放，造成水体营养物质的高负荷， 形成富营养水体的恶性循环。 4 向水体释放有毒物质 富营养对水质的另一个影响是某些藻类能够分泌、释放有毒性 的物质，有毒物质进入水体后，若被牲畜饮入体内，可引起牲畜肠胃 道炎症，人若饮用也会发生消化道炎症，有害人体健康。 5 影响供水水质并增加制水成本 湖泊常常是生活饮用水和工业用水的供给水源。富营养水体在 作为供给水源时，会给制水厂带来一系列问题。首先是在夏日高温藻 类增殖旺盛的季节，过量的藻类会给制水厂在过滤过程中带来障碍， 需要改善或增加过滤措施。其次，富营养水体由于缺氧而产生硫化氢、 甲烷和氨等有毒有害气体，而且水藻产生的某些有毒的物质，在制水 过程中，更增加了水处理的技术难度。既影响制水厂的出水率，同时 也加大了制水成本费用。 6 对水生生态的影响 在正常情况下，湖泊水体中各种生物都处于相对平衡的状态。 但是，一旦水体受到污染而呈现富营养状态时，水体的这种正常的生 态平衡就会被扰乱，某些种类的生物明显减少，而另外一些生物种类 则显著增加。这种生物种类演替会导致水生生物的稳定性和多样性降 低，破坏了湖泊生态平衡。 二、评价标准 水体富营养化程度的评价指标分为物理指标、化学指 标和生物学指标。物理指标主要是 透明度 ，化学指标包括 溶解氧 和 氮、磷等营养物质浓度 等，生物学指标包括优势 浮游生物种类、生物群落结构与多样性和生物现存量 （如 生物量、叶绿素 a）等。 目前一般采用的标准是：水体中 氮含量超过 0.20. 3mg/L,磷含量 大于 0.010.02mg/L,生化需氧量 大于 10mg/L,pH值 79的淡水中细菌总数 每毫升超过 10万个 ， 表征藻类数量的叶绿素 -a含量 大于 10 umg/L. 卡尔森指数是美国科学家卡尔森在 1977年提出来的 ,这一评价方法克服 了单一因子评价富营养化的片面性 ,而是综合各项参数 ,力图将单变量的简 易与多变量综合判断的准确性相结合 。 卡尔森指数是以湖水透明度 (SD)为基准的营养状态评价指数 。 式中 :TSI为卡尔森营养状态指数 ; SD为湖水透明度值 (m); chla为湖水中叶绿素 a含量 (mg/m3); TP为湖水中总磷浓度 (mg/m3)。 2、湖泊富营养化评价的卡森指数 )()( 1 jTSIwTSI m j j 贫营养,30)( T S I 中营养,50)(30 T S I ，轻度富营养60)(50 T S I ，中度富营养70)(60 T S I ，重度富营养70)( T S I 为了弥补卡尔森营养状态指数的不足 ,日本的相崎守弘等人提出了修 正的营养状态指数 (TSIM),即以叶绿素 a浓度为基准的营养状态指数。 例题 2009 年 3 - 6 月香溪河监测断面月平均检测值 监测断面 月份 总磷（ m g / L ) 叶绿素 a ( m g / L ) 透明度（ m ） 泗湘溪 3 0.121 0.001 1.8 4 0.083 3.335 1.9 5 0.056 - 1 1.5 6 0.232 138 0.5 长沙坝 3 0.054 0.001 2.4 4 0.01 1.758 2.3 5 0.067 11.822 1.9 6 0.107 17.8 0.6 06.55 5.2ln 8.1ln53.169.3 46.210 5.2ln l n S D53.169.3 46.210)I m ( 5.51 2ln 8.1ln 610 2ln l n S D 610)( SDTS SDT S I 监测断面 月份 T S I M ( T P ) T S I M ( c h l a ) T S I M ( S D ) 泗湘溪 3 7 1 . 3 2 3 6 0 4 2 8 - 5 0 . 7 8 8 2 4 7 8 4 5 5 . 0 5 6 3 4 2 1 4 4 6 6 . 5 9 2 6 5 5 7 6 3 7 . 7 4 5 0 9 2 9 5 4 . 1 5 3 5 4 0 8 1 5 6 1 . 6 5 4 1 3 3 1 5 8 . 1 0 0 7 0 3 1 9 6 7 9 . 4 9 3 3 7 8 6 1 7 8 . 3 7 3 9 1 1 6 4 7 6 . 4 4 5 0 6 4 2 5 长沙坝 3 6 1 . 1 9 7 6 9 7 2 8 - 5 0 . 7 8 8 2 4 7 8 4 5 0 . 2 5 2 6 9 6 7 9 4 4 0 . 0 3 2 3 7 5 7 4 3 0 . 7 5 7 1 8 1 1 2 5 0 . 9 6 3 3 4 6 8 9 5 6 3 . 9 0 4 9 6 9 6 6 5 1 . 5 5 6 0 9 7 1 9 5 4 . 1 5 3 5 4 0 8 1 6 6 9 . 7 8 0 3 6 0 8 3 5 6 . 0 2 2 3 2 4 3 5 7 3 . 4 0 0 7 0 3 1 9 利用综合指数法计算： 52.6128.481 8 3 4.086.681 7 9 0.0 51.581 8 7 9.031.612 6 6 3.0711 8 3 4.0)()( 28.48)89.56 6 1.21 0 9.0(10)6 6 1.21 0 9.0(10)( 86.68)33.26 9 4.14 5 3.5(10)6 9 4.14 5 3.5(10)( 51.58)11.06 2 4.14 3 6.9(10)6 2 4.14 3 6.9(10)( 31.61)31.280 8 6.15.2(10)0 8 6.15.2(10)( 71)36.094.11 1 8.5(10)94.11 1 8.5(10)( 1 jT S IwT S I LnL n C O DC O DT S I LnL n T NTNT S I LnL n T PTPT S I LnL n c h l ac h l aT S I LnL n S DSDT S I m j j MNMN 富营养化的防治是水污染治理中十分棘手而又代 价昂贵的困难问题 原因有三： 导致水质富营养化的氮、磷营养物质既有天然源，又有人为 源；既有外源性，又有内源性；既有点源，又有非点源，这给控制污 染源带来了显而易见的困难。 营养物质去除难度高。至今还没有任何单一的生物学、化学 和物理措施能够彻底去除废水中的氮、磷营养物质。通常的二级生化 处理方法，只能去除 30% 50%的氮和磷。 某些处理措施在理论上或者在一定的条件下是可行的，但是， 在实际上或者在大范围内，则往往达不到预期效果。 1 控制外源性营养物质输入 2 减少内源性营养物质负荷 3 去除污水中的营养物质 控制外源性营养物质输入 绝大多数水体富营养化主要是外界输入的营养物质在 水体中富集造成的。如果减少或截断外部输入的营养物质， 就使水体失去了营养物质富集的可能性。从长远观点来看， 要想从根本上控制湖泊水体富营养化，首先应该着重减少 或者截断外部营养物质的输入。控制外源性营养物质可以 采取以下措施。 （ 1） 制订营养物质排放标准和水质标准。 制订向水体排放营养物质的标准，是为了达到符合规 定的水体营养物质浓度的水质标准。当确定某一湖泊水体 的主要功能后，可根据水体功能要求再制订相应的水质氮、 磷浓度的允许标准 。 （ 2） 根据湖泊水环境磷容量，实施总量控制。 对湖泊的环境磷容量进行测算后，我们可以据此制订 磷排放量的逐年削减和分配排放磷的总量控制办法。同时， 严格的行政管理措施也是必不可少的。 就目前普遍使用的洗涤剂而言，除少数几个国家洗涤 剂中的磷含量低于 2%，一般洗涤剂都含有 5 12%的磷酸 盐成分，这使进入水体的磷相当可观。因此，采用行政措施 控制洗涤剂中的磷含量，推广使用行政措施控制洗涤剂中的 磷含量，推广使用无磷洗衣粉等不失为一种控制磷的方法。 对违反总量控制计划规定的单位，应该采取相应的约束措施， 如加倍收费或者罚款等。 （ 3） 实施截污工程或者引排污染源。 截断向湖泊水体排放营养物质的排放源，是控制某些湖泊 水体富营养化的关键性措施。 实施截污工程，需要比较高的一次性投资。但经过这样的 一次性高额投诉，可以从根本上消除水体富营养化的主要的人 为外源性污染源，提供了改善水质的基本条件。因此，从长远 观点来看，这样的投资是必须的。 （ 4） 合理使用土地，最大限制地减少土壤侵蚀、 水土流失与肥料流失。 只要合理规划利用土地，最大限度地防止土壤侵蚀和地表 径流过份漫流，如在建筑物、农田安排自然排泄系统，就可以 减少被暴雨或融雪冲走的氮和磷。同样，保护湖边绿化带、集 中收集饲养场的家禽粪便等也是控制面源营养物质的方法。 减少内源性营养物质负荷 1 生物性措施 生物性措施是指利用水生生物吸收利用氮、 磷元素进行代谢活动这一自然过程达到去除水体 中氮、磷营养物质目的的方法。它的最大特点是 投资省，有利于建立合理的水生生态循环。 在浅水型的富营养湖泊，通常种植高等植物， 如莲藕、蒲草等，随着这些水生植物收获，氮、 磷营养物也就随着水生植物体一道离开了湖泊水 体。这种方法适用底泥中营养物质积累丰富的浅 水湖泊，是一项既有经济效益又有明显环境效益 的可行措施。 2 工程性措施 工程性措施主要包括 挖掘底泥沉积物、进行水体深层曝气、注水 冲稀等。 控制底泥 对改善那些底泥营养物质含量高的水体是一种有效的手 段，但需注意挖掘底泥的地点和深度。它减少了已经积累在表层底泥 中的总氮和总磷量，减少以至消除了潜在性内部污染源。而且通过挖 掘底泥可以加深湖泊水体的深度，实际增加了湖泊环境容量，最终仍 能起到降底湖泊水体营养负荷的作用。 深层曝气 适用于湖水较深而出现厌氧层的水体。磷容易在厌氧条 件下从底泥中释放出来，采取定期或不定期人为湖底深层曝气充氧， 使水与底泥面之间不出现厌氧层，有利于抑制底泥磷释放，对改善水 质有利。 注水冲稀 的一种手段是在有条件的地方，用含磷和氮浓度低的水 注入湖泊，起到稀释营养物质浓度的作用，这对控制水华现象，提高 水体透明度等有一定作用，但营养物绝对量并未减少，不能从根本上 解决问题；另一种手段是换水，这是针对临江湖泊的方案，起到江水 取代湖水，以流动的贫营养水代替停滞的富营养水的目的 。 3 化学方法 这 类方法包括 凝聚沉降 和用 化学药剂杀 藻 等 。 对那些溶解性营养物质如正磷酸盐 等 ， 采用往湖中投加化学物质使其生成沉 淀而沉降 。 而使用杀藻剂可杀死藻类 ， 这 适合于水华盈湖的水体 。 藻类被杀死后 ， 水藻腐烂分解仍旧会释放出磷 ， 因此 ， 死 藻应及时捞出 ， 或者再投加适当的化学药 品 ， 将藻类腐烂分解释放出的磷酸盐沉降 。 去除营养物 城市生活污水及某些工业废水中含有较高浓 度的氮、磷营养物质，一部分氮、磷能够通过二 级生化处理过程被微生物去除，利用生物法进行 脱氮除磷是一种比较适用的方法。但由于城市污 水中的氮、磷浓度往往要比活性污泥生长所需要 的浓度高出 2 5倍，所以污水中仅有 30% 50% 的氮和磷被活性污泥去除，余下 50% 70%的氮 和磷将随二次废水排出。 利用物理化学方法去除 污水中的氮、磷营养物质可以采用以下方法： （ 1） 铁盐凝聚沉降法 三价铁盐易与磷酸盐反应生成不溶性的磷酸铁。二 价铁盐也能和污水中的磷反应生成不溶性沉淀物。 （ 2） 铝离子交换法 铝离子与磷酸盐具有特别强的亲合力，可以选择性 地从废水中去除磷。而后，用高浓度的氢氧化物，如氢氧 化钠回收铝，再用石灰回收氢氧化钠，回收的铝和氢氧化 钠可以循环利用。但从经济性角度考虑，铝离子交换法需 谨慎选用。 （ 3） 石灰凝聚与氨气提法 比较实用而且比较经济的方法。在 pH值偏碱时，石 灰与磷发生反应，生成磷酸盐和无机氢氧化物，磷酸盐和 悬浮物质随反应生成物凝聚沉淀下来，达到去除磷的目的。 控制、消除湖泊蓝藻爆发主要思路 分析中国富营养湖泊产生 不同程度蓝藻爆发或甚至 不爆发，经治理蓝藻爆发 不同程度减轻或基本消除 总结治理太湖蓝藻爆发经 验教训 治理 “ 三湖 ” 水环境总体 思路相类似，其经验教训 可相互借鉴 思路 1、削减蓝藻数量和减轻富营养化结合 二者结合治理蓝藻爆发效果更好更快 仅靠治理富营养， 难以 消除蓝藻爆发 由于社会经济快速发展，难以恢复至 20世纪 50年 代 N P水平，难以彻底消除 N P富营养化 （ 如 TN 0.5mg/L、 TP 0.02 mg/L） 有些湖泊 p本底值高而较难 彻底消除富营养化 治理富营养化有利于消除蓝藻爆发 削减蓝藻数量有利于降低富营养 实践 证明太湖和其他湖泊 两方面措施 结 合 ,蓝藻爆发程度大幅度减轻或基本消除 如太湖蓝藻爆发的累积面积和最大面积， 2009年较 2007年分别削减 73%、 54% （ 1）削减蓝藻数量 方法 物理方法除藻 打捞蓝藻、清淤除藻、调水带走蓝藻 大 规模采用 电催化 ,超声波等其它技术除藻杀藻 试 验 化学方法除藻 ， 如硫酸铜 应急用 生物方法除藻 ， 包括生物的种间竞争作用 植物一般有抑藻功能（蓝藻与植物间能相 互抑制） 植物中目前仅发现紫根水葫芦有直接除藻 作用 部分鱼类、贝类及低等动物滤食藻类 微生物除藻 芦苇湿地和湖滩地有直接除藻作用 紫 根 水 葫 芦 （ 2）减轻富营养化 降低湖泊水体 N P浓度 控源截污、打捞蓝藻、生 态调水、生态清淤、生态 修复五类工程技术措施均 能够减轻富营养化 其中控源截污是根本 控制蓝藻爆发的关键指标是 TP，但也必须控制 TN 思路 2、各类工程技术措施和相应的 保障措施科学结合和正确衔接 一般归纳为 控源截污、打捞 蓝藻、生态调水、生态清淤、 生态修复 五类工程技术措施， 要不断创新技术和技术集成 太湖滇池巢湖根据具体情况 确定实施各类措施的轻重缓 急和力度 一、控源截污为基本措施 主要 减小入湖河道 N P浓度和入 湖 N P负荷 根据环境容量确定控源截污强度 控源截污需较长时间才能显 示出其改善水质的良好效果 加强 综合治理点源、面源 的 力度 调整结构 ,节水减排 其中 P本底值高的特别要控制 地面径流 建立污染补偿机制 要注意封闭全部或大部分排污 口是最有效的治污推进措施 应明确提出封闭全部或绝大部分排污 口的时间表和予以立法 太湖流域须封闭全部排污口 某种意义讲 ,封闭太湖流域 全部 排 污口时，就是治理好太湖之时 根据控污强度确定排污口封闭率 滇池 、巢湖 流域须封闭大部分 排污口 封闭流域绝大部分排污口时，就是 治理好湖泊之时 建设高标准的足量的污水 处理系统是治污的关键 城镇污水厂将成为入湖最大点源群 不能仅满足于建设足够的污水厂和一 级 A或一级 B标准排放，因此标准排放 的污染负荷估计分别相当于或接近于 ”三湖 ”2020年的环境容量 应制订污水处理地方标准 太湖接近或达到地表水 类（ TN2 3mg/L） 滇池、巢湖周围城市和乡镇 TN提高至 5 10mg/L,TP相应提高 无锡芦村污水厂 （优于一级 A ） 二、 打捞和清除蓝藻 削减蓝藻数量及其所含 N P 大规模打捞蓝藻是国内标本兼治的长期重要有效的新措施 打捞蓝藻系列工作包括 打捞蓝藻、藻水分离和资源化 利用三 部分的技术集成。其中如德林海藻水打捞和分离技术效率高、 效果好、成本较低。藻水分离可以固定式为主，适当配以移 动式 无锡杨湾 藻水分离 站夜景 德林海无锡杨湾藻水分离站流程 离 心 脱 水 二 次 分 离 藻水入气浮池 加压气浮 一次分 离 藻泥 合格尾水排放入湖 中央控制 藻泥自动装卸 打捞蓝藻 2007 2010年无锡市等 太湖周边城市 共打捞藻水 245万 m3（含藻率 0.5%计） 相当于清除蓝藻干物质 （ dw） 12250t 相当于去除 N 8207t、 P 833t 减轻蓝藻爆发聚集对水 源地和水环境的严重危 害，降低或消除“湖泛” 发生的可能 其他方法清除蓝藻 大规模放养紫根水葫芦除藻 紫根水葫芦是云南生态农业 研究所创造 紫根水葫芦一般冬天要捞走， 资源化利用 微生物直接除藻 其他还有超声波、电催化等 技术除藻，处于试验阶段 紫根水葫芦 三、生态调水（ 带走蓝藻和 N P ，增加环境容量） 生态调水是重要和长期措施 以前没有注意到带走蓝藻功能，只 认为具有稀释的作用，或误以为是 污染物转移 调水种类包括： 调进好水 ,调出差水 ,原位净化 调水 ,阻挡污水入湖 ,适当降低 春天水位 太湖 调水带走大量蓝藻 如 2007-2010年太湖四年调水带 走蓝藻 干 物质 （ dw） 3.7万 t 梅梁湖泵站调差水出湖 四、清淤 （ 清除水底蓝藻，减少底泥 N P释放） 削减蓝藻种源是以前没有注 意到的作用，仅认为有减少 释放 N P作用 清淤重点是自来水取水水源 地、蓝藻大量堆积死亡区及 河道入湖口 如清除巢湖西北部和滇池 北部蓝藻堆积死亡区的淤 泥；太湖清淤大部分已完 成 ,仍要继续 环保清淤船 太湖清淤效果 近年，太湖周边城市共清除受蓝 藻爆发严重污染的淤泥 1210万 m3 减少蓝藻种源数量 （ dw） 0.726 万 t及所含的 N P 蓝藻重污染底泥区淤泥中的蓝藻 （ dw）含量 0.6kg/ m3计 减少底泥 N P及其释放量 。相当于清 除底泥中 TN 9240t、 TP 5880t 减少底泥有机物 17.5万 t。 消除 “ 湖泛 ” 基础条件 环保疏浚过程中的重要设备环保绞刀 严重污染河湖底泥可用微 生物消解处理 1.如 深圳清源宝 公司 特 效微生物制剂处理效率 比传统处理污泥技术高 5 到 7倍 2.用于水流较缓慢河湖 严重污染的底泥 3.处理 5 天后污泥可减 少 60-80% 5 天 去 泥 效 果 原 河 泥 五、生态修复 抑藻、除藻，提高水体自净能力 生态修复是治理湖泊全过程不可缺的 措施 是修复以植物为主的及包括动物、藻类、微 生物的水生态系统。蓝藻主要是减少数量 生态修复 关键是改善生境 削减风浪、改善基底高程和土质 控制蓝藻爆发，阻挡蓝藻 种沉水植物须提高透明度改善水质 各类植物、动物和微生物合理搭配 提高透明度先锋类主要植物及其作用 类别 名称 直接消除蓝藻 抑制 蓝藻 净化水体 提高透明度 说明 漂浮 植物 紫根水 葫芦 10-15天可消 除 80-95% 已爆发蓝藻 ,作 用强 作用 很强 作用很强 一般 一年种一次，冬天捞 走，须资源化利用，抗风 浪能力较强 ,不固定底泥 水葫芦 （凤眼莲） 可消除较低密 度的蓝藻 作用 强 作用强 一般 种一次 ,冬天捞走 ,须资 源化利用 ,抗风浪能力较强 , 不固定底泥 浮叶 植物 菱 可消除低密度 的蓝藻 作用 强 作用强 一年一次 ,冬天捞走 ,可固定 底泥 ,抗风浪能力较强 浮床 植物 湿生或 陆生植物 可消除较低密 度的蓝藻 作用 强 作用强 一年种一次 ,成本很高 ,抗风 浪能力较强 ,不固定底泥 仿生 植物 碳素纤维 等人工生 态水草 无 作用 强 作用强 一次成本高， 可 十年放置 一次，管理成本很低，抗 风浪能力很强 ,硬底也可 此类植物（仿生植物）均有发达的根、茎须，其有巨大的表面积，期间的微生物可有效 净化水体；其中紫根水葫芦更具特殊的化感物质有 直接消除蓝藻作用，但需注意及时收 获和资源化利用 紫根水葫芦菱 菱 浮床 狐尾藻 伊乐藻 碳素纤维人工生态水草