（市政工程专业论文）微山湖湖东区入湖河流磷污染特征及生态控制技术研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 水体富营养化的预防和治理已成为目自订国内外湖泊研究领域的热点之一，而引起水 体富营养化的营养元素主要是氮和磷，尤其是磷，已经成为水体富营养化的控制因子。 当外源污染中的点源和非点源污染得到有效控制时，内源污染逐渐成为富营养化的主要 诱因，因此，针对内源磷释放的特点，采取有效的控制技术是解决水体富营养化的关键。 本文以微山湖湖东区入湖河流为主要研究对象，研究了微山湖湖湖东区入湖河流点 源及非点源污染的现状，分析了外源污染对河流造成的影响，通过现场分析及内源磷的 释放研究了内源污染的现状，提出通过植物修复技术解决河流及湖泊污染的途径。试验 结果表明：( 1 ) 本地区外源污染仍以点源污染为主，水体中磷含量新薛河最低，t p 平 均含量为0 0 3 m g l ，t p 含量最高值为0 0 6 5 m g l ；大、小沙河水质较差，大沙河四平 均含量为0 1 2 1 m g l ，t p 含量最高值为0 3 8 4 m g l ；小沙河沿岸水体卯平均含量为 0 1 7 m g l ，t p 含量最高值为0 3 5 1 m g l 。微山湖湖东区入湖河流表层沉积物和沿岸土壤 中形态磷均以无机磷为主，平均值占t p 的7 5 5 4 和7 3 4 9 ，有机磷含量偏高，分别为 1 0 8 5 2 m g k g 和1 1 4 9 3 m g k g 。( 2 ) 三条河流河口处与入湖处内源磷释放主要集中在1 5 天以内，尤其是释放的初期和中期效果明显。小沙河河口处t p 最大释放通量为 3 3 1 m g m 2 d ，入湖处t p 的最大释放通量则为0 5 2m g m 2 d 。大沙河河i z i 处和入湖处t p 最大释放通量为0 4 1 m g m 2 d 和0 6 8 m g m 2 d 。新薛河河口处和入湖处t p 最大释放通量 为o 1 9 m g m 2 d 和0 3 m g m 2 d 。与湖内沉积物形态磷的内源释放相比，河流内源磷释放 所引起的污染远小于由于湖泊内居民生活污染所引起的内源磷的释放，以新薛河入湖点 为例，t p 最大释放通量高达3 5 1 2 m g m 2 d ，是新薛河河口处t p 最大释放通量的1 8 4 倍， 因此，加大湖区污染的整治力度成为解决湖区内源磷释放的关键所在。( 3 ) 在几种沉水 植物中，黑藻和金鱼藻对磷的去除效果最佳，其次是眼子菜，菹草最差；挺水植物香蒲 对水体中磷的吸收效果要明显好于沉水植物。对s r p 的控制方面，低、高密度种植的菹 草和金鱼藻效果明显好于麦黄草，中密度种植的三种植物吸收s r p 效果相当，均能保持 水体中s i l o 的较低水平；在对t d p 的控制方面，低、高密度种植的菹草和金鱼藻均能 良好地控制水体中的t d p ；中密度种植的三种植物均能良好地控制水体中t d p ，稳定性 方面麦黄草好于其他两种植物；在对t p 的控制方面，低、高密度的麦黄草控制效果最 差，其他两种植物控制效果相当。 关键词：磷形态，污染特征，微山湖，河流，生态控制技术，内源释放 山东建筑大学硕士学位论文 t h es t u d yo fp h o s p h o r u sp o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n de c o l o g i c a l c o n t r o lt e c h n o l o g yo nr i v e r sf l o w i n gi n t oe a s tw e i s h a n h ul a k e a b s t r a c t e u t r o p h i c a t i o no fp r e v e n t i o na n dt r e a t m e n th a sb e c o m eo n eo ft h eh o t t e s tr e s e a r c hi nt h e w o r l da n dt h en u t r i e t sl e a dt oe u t r o p h i c a t i o nl a r g l ya r em t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，e s p e c i a l l yt h e p h o s p h o r u s ，w h i c hh a sb e c o m eal e a d i n gf a c t o rw h i c hi n f l u e n c ee u t r o p h i c a t i o no f l a k e s t h e c a u s e so fe u t r o p h i c a t i o ni n c l u d ee n d o g e n o u sa n de x o g e n o u sp o l l u t i o n ，a se x o g e n o u sp o l l u t i o n , w h i c hi n c l u d et h ep o i n ts o u r c ea n dn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n ，h a sb e e ne f f e c t i v e l yc o n t r o l l e d , e n d o g e n o u sp o l l u t i o n sc o n t r i b u t et oe u t r o p h i c a t i o nh a sb e c o m eam a j o ri n c e n t i v e t h e r e f o r , f a c i n ga tt h ec h a t a c t e r so fe n d o g e n o u sp h o s p h o r u sr e l e a s e , c o n t r o lt e c h n o l o g ys h o u l db ee f f e c t i v l y t a k e ni n t ot os o l v et h ep r o b l e mo f w a t e r sb o d ye u t r o p h i c a t i o n a st h em a i no b j e c to fs t u d y , t h er i v e r sf l o w w i n gi n t ot h ew e i s h a n h ue a s tl a k ea r e s t u d i e d ，a l s ot h ep o i n ts o u r c ea n dn o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n t h ee x o g e n o u sp o l l u t i o ni m p a c t s o nt h er i v e r sa r ea n a l y s i s e d t h ee n d o g e n o u sp o l l u t i o n sw h i c ha r eb a s e do nt h eo n - s i t e a n a l y s i s a n d e n d o g e n o u sp h o s p h o r u sr e l e a s i n g a r e s t u d i e da n dt h em e t h o d so f p h y t o r e m e d i a t i o nt e c h n o l o g yt os o l v et h ep o l l u t i o no fr i v e r sa n dl a k e sa r er a i s e d t h er e s u l t s s h o wt h a t ：( 1 ) t h ep o l l u t i o ns o u r c ea r es t i l lt h ep o i n ts o u r c ci nt h i sa r e a ，w a t e rp h o s p h o r u s c o n t e n ti nx i n x u e h er i v e ri st h el o w e s ta m o n gt h et h r e er i v e r s ，t h ea v e r a g ec o n t e n to ft pi s 0 0 3 m g l ，t h eh i g h e s tc o n t e n ti s0 0 6 5 m g l t h eq u a l i t yo fd a s h a h er i v e ra n dx i a o s h a h e r i v e ri sp o o r t h ea v e r a g ec o n t e n to ft pi so 121m g li nt h ed a s h a h er i v e ra n dt h eh i g h e s t c o n t e n ti s0 3 8 4 m g l t h ea v e r a g ec o n t e n to ft pi so 17 m g ( li nt h ex i a o s h a h er i v e ra n d t h eh i 曲e s tc o n t e n ti s0 3 51 m g l t h ei n o r g a n i cp h o s p h o r u si st h em a i nf o r mp h o s p h o r u sn o t o n l yi nt h es e d i m e n t sb u ta l s oi nt h es o i la l o n gt h er i v e r s ，w h i c ha c c o u n tf o r7 5 5 4 a n d 7 3 4 9 r e s p e c t i v e l y t h eo r g a n i cp h o s p h o r u sc o n t e n t ，w h i c hr e s p e c t i v e l ya c c o u n t t o 10 8 5 2 m g k ga n d114 9 3 m g k gi sh i g h ( 2 ) t h ee n d o g e n o u sp h o s p h o r u sr e l e a s i n gm a i n l y o c c u r ei nl e s st h a n15d a y s ，i np a r t i c u l a rt h ee a r l ya n dm i d d l ep e r i o d s t h eh i g h e s tr e l e a s i n g c o n t e n ta c c o u n tt o3 31 m g m 2 - di nt h ee s t u a r yo fx i a o s h a h er i v e ra n dt h eh i g h e s tr e l e a s i n g c o n t e n ta c c o u n tt o0 5 2 m g m 2 di nt h el a k e ，c o m p a r e dw i t h0 41m g m 2 da n d0 6 8 m g m 2 di n 玎 山东建筑大学硕士学位论文 t h ed a s h a h er i v e r i nc o n t r a s tt ot h ee n d o g e n o u sp h o s p h o r u sr e l e a s i n gf r o mt h es e d i m e n t s ，t h e p o l u t i o na t t r i b u t et ot h ee n d o g e n o u sp h o s p h o r u sr e l e a s i n gi sl e s st h a nt h ep o l u t i o nf r o m p e o p l e sl i v i n g s u c ha st h el a k ep i o n tb yt h ex i n x u e h er i v e r , t h eh i g h e s tr e l e a s i n gc o n t e n t a c c o u n tt o3 5 12 m g m z d ，18 4t i m e st h a nt h er e l e a s i n gc o n t e n ti nt h ee s t u a r yo f x i n x u e h e r i v e r s o ，i ti se s s e n c i a lt oc o n t r o lt h ep o l u t i o ni nt l i - el a k e 氓, i t ht h ea i mt os o l v et h ep r o b l e mo f t h e e n d o g e n o u sp h o s p h o r u sr e l e a s i n g ( 3 ) a m o n g s e v e r a ls u b m e r g e d p l a n t s ，h y d r i l l a v e r t i c i l l a t aa n dc e r a t o p h y l l u md e m e r s u mr e m o v ep h o s p h o r u sm o s t ，f o l l o w e db y p o t a m o g e t o n ， p o t a m o g e t o nc r i s p u sl i n nl a s t t h et y p h ae f f e c s0 1 1t h ea b s o r p t i o no fp h o s p h o r u si nw a t e r w a ss i g n i f i c a n t l yb e t t e rt h a nt h es u b m e r g e dp l a n t s i nt h ea s p e c to ft h es r p sc o n t r o l l i n g , t h e l o wa n dh i 曲- d e n s i t yc u l t i v a t i o no fc r i s p u sa n dc e r a t o p h y n u me f f e c to b v i o u s l yb e t t e rt h a n h e r b o fc o m m o nc o r y d a l i s ，m e d i u m - d e n s i t yc u l t i v a t i o no ft h r e ep l a n t s ，e f f e c tc q u a l l y c a n m a i n t a i ns r pal o w e rl e v e l i nt h ea s p e c to ft h et d p sc o n t r o l l i n g , l o wa n dh i g h - d 饥s i t y 砌t i v a t i o no fc r i s p u sa n dc e r a t o p h y l l u md e m e r s u mc a l lw e l lc o n t r o lt h el e v e lo ft h et d p ； m e d i u m - d e n s i t yc u l t i v a t i o no ft h r e 圮p l a n t sc a nw e l lc o n t r o lt h et d p ，h e r b o fc o m m o n c o r y d a l i si st h eb e s ti nt h ea s p e c to fs t a b i l i t y i nt h ea s p e c to ft h et p sc o n t r o l l i n g , l o wa n d h i g h d e n s i t yh e r b o fc o m m o nc o r y d a l i sh a v et h ew o r s te f f e c t , i nc o n t r a s tt ot h eo t h e rt w o p l a n t s o r d i n a r ye f f e c t k e yw o r d s ：p h o s p h o r u sf o r m ，p o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，w e i s h a n h ul a k e ，f i v e r , e c o l o g i c a l c o n t r o lt e c h n o l o g y ，e n d o g e n o u sr e l e a s e 1 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论奸不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本 学位论文作者签名日期w ，7 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明 功之肼耋 w 矽厶，v h 6 7v 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 湖泊富营养化与磷污染特征 1 1 1 湖泊富营养化 第1 章绪论 我国湖泊众多，总面积达到7 0 9 8 8 k m 2 ，总蓄水量高达7 0 7 7 x1 0 8 m 3 ，其中淡水储 量2 2 5 0 x1 0 8 m 3 【l 】。湖泊尤其是淡水湖泊无论对于沿岸工农业生产还是居民生活用水都有 着至关重要的作用，然而，随着工业化进程的加快，湖泊富营养化己成为国内外普遍面 临的难题之一。 水体富营养化是指水体接纳过量的氮、磷等营养性物质，使藻类及其他水生生物异 常繁殖，水体透明度和溶解氧发生变化，造成水质恶化，不断加速水体老化，从而使水 体生态系统和水功能受到阻碍和破坏 2 1 。富营养化过程是自养性生物( 浮游藻类) 在水 体中建立优势的过程。它包含着一系列生物、化学和物理变化的过程，与水体化学、物 理性状，水库的形态和底质等众多因素有关。 富营养化的产生会导致一系列问题，如( 1 ) 藻类的大量繁殖产生藻毒素，并消耗水 体的溶解氧，威胁鱼类和浮游生物的生存，破坏水体的天然生态系统，导致生物多样性 的丧失，造成水生生态系统的严重退化。( 2 ) 富营养化水体伴随着透明度降低、水色欠 佳、气味腥臭等情况，由于感官性状普遍较差，严重影响以娱乐、旅游等为目的的水的 使用。( 3 ) 对于兼有引用、工业或农业生产用水功能的湖泊、水库而言，由于需要添加 相应的除藻和消除毒素的处理设备，大大增加了水处理的成本。 目前国内外湖泊河流均面临不同程度富营养化的威胁。欧洲、非洲、北美洲、南美 洲分别有5 3 、2 8 、4 8 、4 1 的湖泊遭受不同程度的富营养化问题，而亚洲地区则 更高达5 概，我国湖泊富营养化问题也非常严重，根据环境保护部发布的( ( 2 0 0 8 年国家 环境公报3 1 ，在2 8 个国控重点湖( 库) 中，满足j i 类水质的4 个，占1 4 3 ；i i i 类的 2 个，占7 1 ；i v 类的6 个，占2 1 4 ；v 类的5 个，占1 7 9 ；劣v 类的1 1 个，占3 9 3 。 主要污染指标为总氮和总磷。在监测营养状态的2 6 个湖( 库) 中，重度富营养的1 个， 占3 8 ：中度富营养的5 个，占1 9 2 ；轻度富营养的6 个，占2 3 o 。 山东建筑大学硕士学位论文 ：三湖是指太湖、滇池和巢湖 近年来，我国大的淡水湖泊均出现比较严重的水体富营养化问题，污染最严重的是 滇池，其次是太湖、白洋淀、达赉湖、洪泽湖、巢湖、南四湖、洞庭湖、鄱阳湖、镜泊 湖、兴凯湖、博斯腾湖和洱湖【3 1 。 表1 - 2 重点大型淡水湖泊水质状况 t a b l e1 - 2w a t e rq u a l i t yo fl a r g ef r e s hl a k e s 山东建筑大学硕士学位论文 近年来，虽然采取了一系列措施治理湖泊富营养化的问题，但是由于大部分湖泊水 质已污染严重，治理效果还有待进一步提高，因此，口f j 玎我国大部分湖泊仍面临富营养 化的问题。 国际经济合作与开发组织对水质富营养化的研究表明：氮、磷等营养物质的输入和 富集是水体发生富营养化的最主要原因。根据对藻类化学成分进行分析研究，提出了藻 类的“经验分子式”为c 1 0 6 h 2 3 6 0 l l o n l 6 p ，李比希最小值定律指出，植物生长取决于外 界提供给它的所需养料中数量最少的一种。由此可见，在藻类分子式中所占的重量百分 比最小的两种元素是氮和磷【4 】，磷更易成为限制性因素。根据o e c d 的研究，8 0 的湖 泊富营养化受磷元素的制约，1 0 的湖泊富营养化与氮元素和磷元素直接相关，其余1 0 的湖泊是氮与其它因素起作用。当可被生物吸收的磷的浓度小于5 垤l 时，磷可能是 制约水生植物生长的限制性因素，当可被植物吸收的氮的浓度小于2 1 a g l 时，氮可能是 制约植物生长限制性因素。如果氮和磷的浓度均小于上述标准，则二者均可能是限制性 营养盐。由于氮可以经由固氮作用得到补充，而磷在地球化学循环中的沉积作用使得磷 的限制更为普遍，磷负荷的增长通常被认为是湖泊富营养化的最关键的因素。 1 1 2 磷污染特征 磷是被称为“智慧元素”的化学元素，它是生物光合作用和新陈代谢过程中不可缺 少的关键元素。磷对地球上的生命过程具有重要意义，构成生命遗传物质d n a 和r n a 的基本材料就是磷脂。磷在地壳中为常量元素，含量丰富，克拉克值为0 1 0 5 。爆发 富营养化时水中磷的浓度高于0 0 1 - - 0 0 2 m g l ，仅为地壳中磷含量的千万分之一到二。 地壳中大量存在的磷并没有给湖泊水体带来普遍性的灾难，这有两个方面的原因：一方 面说明地壳中原始存在的磷是稳定的，难以以溶解形式进入水体。另一方面是水体中藻 类等对磷是选择性的吸收，只能利用水中的溶解磷，自然界中，富营养化通常出现在湖 泊发育的晚期一老年沼泽化时期，p h 值降低，处于还原环境，底积物中稳定的磷酸盐 解体，释放出磷酸根离子，供给藻类足够的营养物质，才出现水华现象。现今大量的湖 泊、水库爆发富营养化，可以说明主要是人为因素造成的，很多活性的磷都是人为生成， 散失和流入到湖泊、水库中，也就带来了灾害【5 】。 磷在湖泊环境中的迁移和转化过程，对湖泊生态系统的初级生产力水平具有重要的 意义。在自然条件下，与其他构成生命的所必须的营养元素相比，磷通常是湖泊生态系 山东建筑大学硕士学位论文 统的限制性营养元素。磷能够控制湖泊初级生产力水平，是湖泊富营养化的主要限制因 子【6 】和关键因子【7 】，在静念条件下，磷在沉移! 物水界面循环主要受沉积物吸附、释放及 问隙水三个作用的控制。一般认为，当水中总磷和无机氮的浓度分别达到0 0 2 m g l 和 0 3 m g l 时，则标志着湖泊已处于富营养化状态【3 1 ，研究表明【9 】：造成水体富营养化的 主要因素是氮和磷，但两者比较而言，磷是水体富营养化的主要限制因青磷引发的富 营养化主要由于磷元素的较高“杠杆作用”，在很多情况下是作为浮游植物的最主要限制 性营养元素而存在。根据r e d f i e l d 的假设，一个典型藻类的分子式应为 ( c h 2 0 ) ! 0 6 ( n h 3 ) l “h 3 p 0 4 ) ，也就是说，临界的氮磷比按重量计应为7 2 ：1 。实际应用中，由 于藻类生长所需要的氮、磷均为可溶性的，因此一般认为当氮磷比大于l o 时，磷可以 考虑为藻类生长的限制因素。由于许多蓝藻具有从大气中同化氮气的能力，因此在缺氮 的情况下蓝藻会比其它藻类生长的更快【i o j 。 地球表面存在着大量微溶的磷酸盐矿物，已知的含磷矿物中磷都是以正磷酸盐 p 0 4 3 。的形式存在，以磷灰石形式产出。如同空气中的氮是主要氮源一样，含磷矿物几 乎是无限的磷源。磷酸盐类矿物大多是不溶或缓溶的，即溶解速度非常缓慢。但由于时 间长久，地表水中也存在溶解性磷，主要有：正磷酸盐( p 0 4 3 、h p 0 4 2 。、h 2 p 0 4 - 和h 3 p o ) ； 络合物或无机的线型缩合磷酸盐，如焦磷酸盐( p 2 0 7 、h p 2 0 7 、h 2 p 2 0 72 - h 3 p 2 0 7 和i - 1 4 p 2 0 7 ) 和三聚磷酸盐( p 3 0 l o5 、h p 3 0 1 04 - h 2 p 3 0 l o3 - h 3 p 3 0 l o2 - l i d 3 0 l o 、和h 5 p 3 0 l o ) ；无机环状缩 合磷酸盐，如三偏磷酸盐( p 3 0 93 - h p 3 0 92 - p 4 0 1 24 、h p 4 0 1 23 ) 。在湖泊中，可溶性有机磷 大约占总磷的3 0 0 0 - 6 0 ，地表水中有机磷是主要成分，大约占总磷的2 5 。在世界范 围，湖泊水中磷的浓度变化很大。h u t c h i n s o n 对全世界主要湖泊做了统计，湖水中磷浓 度0 0 0 1 1 0 0 m g l 。在未受污染的湖水中，总磷浓度的平均值为0 0 l 0 0 4 m g l ，正磷 酸盐的浓度为0 4 m g l ；在受生活污水和农牧业排水严重污染的湖水中，总磷的浓度 可达0 8m g l 。就是说湖水中磷的浓度变化，除天然因素外，还受人类活动的影响。湖 水中的磷，特别是可溶性正磷酸盐能很快地被植物和其它水生生物吸收，生成颗粒有机 磷，生物死亡后，有机磷的可溶性化合物又被溶解返回湖水中，这些化合物或者再次被 吸收形成颗粒有机磷，或者被降解为无机正磷酸盐，而惰性的有机磷不能为后来的生物 生长利用，形成泥状沉积物或有机泥浆沉积下来。国外一些湖沼学家对磷在湖水中的循 环已做了很多研究工作。加拿大学者r i g l e r e h 在室内做了详细的模拟研究，并在湖中做 了同位素示踪研究。t a 甜l 曾指出：在天然水中，磷的循环方式至少有三种：其一是年 循环；二是完全在富营养层发生的循环；三是浮游植物或细菌中的磷同溶解性磷之间在 山东建筑大学硕士学位论文 稳念条件下的循环。t a f l j l 假设了四种形态的磷循坏模型：p o l y p 表示缩合性磷酸盐。 可溶性无机磷( d i p ) 转化为颗粒念磷 p p ) 的反应过程表示生物有机体对溶解性无机磷 吸收的过程。这一过程对浮游植物是不容怀疑的。p p 转化为溶解性有机磷( d o p ) 的过程 表示死亡的有机体释放有机磷。这一过程可能是细菌的侵袭和细胞液的渗出造成的。d o p 转化为p p 的过程则表示细氤浮游植物和某些原生动物( p r o t o z o a n s ) 对溶解有机磷化合 物的吸收。p p 转化为d i p 的过程较复杂，可能是几个过程同时发生的结果【j 1 1 。 磷在湖泊环境中的迁移和转化过程对湖泊生态系统的初级生产力水平具有重要的意 义。在自然条件下，与其他构成生命的所必须的营养元素相比，磷通常是湖泊生态系统 的限制性营养元素，控制湖泊初级生产力水平。然而，在人类活动的作用下，大量的含 磷物质进入湖泊，增加了湖泊环境的磷负荷，从根本上打破长久以来形成的湖泊生态系 统的自然平衡关系，加速了湖泊的富营养化进程。荆红卫等【1 2 】的研究结果表明总磷、总 氮含量与叶绿素a 呈显著正相关关系，尤其总磷与叶绿素建的相关性更加显著。 富营养化湖泊恢复措施分为两类：一类是环境技术，即用水处理技术消除湖泊入水 中的氮、磷和有机污染物等，如截污分流和污水集中处理，主要用于控制外源性点源污 染；一类是生态技术，即改善生态系统和周围环境，减少不利的理化因素和生物因素， 如地质疏浚、引清消污、集水区绿化、改善土地利用方式、前置库、半自然湿地系统、 水陆交错带、水生植物恢复、生物操纵、化学除藻等，其目的是控制非点源污染和加快 湖泊恢复的速度。 湖泊水库是一个复杂、动态的生态系统，富营养化是很复杂的环境问题，对其发生 机理、“水华 防治、面源污染治理、生态修复等方面都还缺乏系统的认识。湖泊水库沉 积物中磷的状态演变对富营养化的影响重大。因此，很多专家认为由研究湖泊水库沉积 物中的磷入手，探讨沉积物对湖泊水库生态环境的影响及水体富营养化过程和形成机制， 是当前富营养化治理与预防的重要途径【l3 1 。 1 2 河流污染特征 2 0 世纪9 0 年代以来，随着经济的高速发展，污水的大量排放使得我国河流水质一度 恶化，加之当初先污染后治理的环保理念，大量工业废水和生活污水的直排入河使 得河流水质每况愈下，2 1 世纪以来，随着国家对环保事业的重视，对于小型造纸厂等造 成重大污染企业皓强制关停，河流点源污染治理受到很大程度的重视和关注，效果也颇 山东建筑大学硕士学位论文 见成效，然而，农业非点源中的营养物质的过度排放已经成为水体富营养化的主要原因 之一【l4 1 ，因此，如何在强化点源污染的治理上，加强对非点源污染的治理便成为河湖治 理的关键。 根据2 0 0 8 年我国环境状况公告，长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河和辽河七 大水系水质憩体与土年持平。2 0 0 条河流4 0 9 个断面中，i i 类、v 类和劣v 类水 质的断面比例分别为5 5 o 、2 4 2 和2 0 8 。其中，珠江、长江水质总体良好，松花江 为轻度污染，黄河、淮河、辽河为中度污染，海河为重度污染。其中，淮河水系水质8 6 个断面中，l i m 类、类、v 类和劣v 类水质断面比例分别为3 8 4 、3 3 7 、5 8 和2 2 1 。主要污染指标为高锰酸盐指数、五日生化需氧量和氨氮。淮河干流水质为轻 度污染，与上年相比，淮河干流水质明显好转。淮河支流水质为中度污染。与上年相比， 水质无明显变化。省界河流3 3 个断面中，i i 类、类、v 类和劣v 类水质断面比例 分别为2 1 2 、4 2 4 、6 1 和3 0 3 。主要污染指标为五日生化需氧量、高锰酸盐指数 和石油类。与上年相比，水质无明显变化。南水北调东线工程沿线水质总体为轻度污 染。1 0 个监测断面中，类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为5 0 o 、4 0 0 和1 0 o 。与上年相比，水质有所好转。主要污染指标为高锰酸盐指数、五日生化需氧 量和氨氮。 水体中的磷按来源可以分为外源性磷和内源性磷。外源性磷是指通过降水、径流、 人为排放等方式而输入的磷，内源性磷是指来自水体内部，尤其是沉积在底泥中的磷【1 5 1 。 河流湖泊中磷主要来源于流域岩石土壤的风化侵蚀产物、大气沉降、工农业生产以及城 市生活废水等。按其来源不同，可分为外负荷磷与内负荷磷。 外负荷磷主要来源于工业、农业、生活排泄物和土壤侵蚀，除化工厂生产黄磷、磷 酸、磷酸钠和洗涤剂厂生产含磷洗涤剂外，合成纤维厂锦纶、涤纶油剂中含有机磷酸盐， 涂料印花、染色剂和棉织物阻燃剂中用到磷酸盐，造纸厂用磷酸盐作纸张增强剂，皮革 整筛和工业清洗都用磷酸盐，食品厂利用聚磷酸盐作防腐剂和发泡剂等，都含有相当可 观的水溶性磷。生活污水中洗涤剂及人畜排泄物中皆含有大量磷。农业来源最常见的有 过磷酸钙肥料，饲料添加剂和有机磷农药。尤其是磷酸二氢钙肥料，溶解度大，易于迁 移。 内负荷磷主要包括汇中沉积物释放和生物降解磷，沉积物是湖泊水库营养物质的重 要蓄积库，营养物质在沉积物中不断累积，成为湖库内负荷磷的主要来源。沉积物中磷 譬的释放，成为上覆水体中磷的重要补给源，沉积物中磷的释放常被人们视为是其上覆水 山东建筑大学硕士学位论文 体中溶解磷的重要来源，在一定条件下，沉积物中的营养寺 ；：可能成为湖泊水库富营养化 的主导因子。当然这应视具体情况而定。因任何湖库沉积物总磷量达数百至千余m g k g ， 是极为普遍和正常的现象。然而，不是所有的湖泊和水库都能爆发水华，关键问题还是 看沉积物中含磷物质的组份，若是溶度积极小的羟磷灰石、氟磷灰石、碳氟磷灰石类磷 酸盐，沉积物中含量再高，也不会溶出释放到水体中。 底泥中磷的主要来源主要由以下几个方面：( 1 ) 非点源污染中化肥的施用及禽畜的 养殖，主要来自农田排水及地表径流；( 2 ) 水产养殖中饵料及水产品的排泄物；( 3 ) 岩 石风化侵蚀的产物；( 4 ) 湖上居民生活及旅游产生的废弃物；( 5 ) 点源污染中工厂及居 民污水排放的产物。 目前，水体富营养化的防治主要集中在消除外源与控制内源两方面。消除外源主要 是控制外源污染物通过点源和非点源方式进入河流。常用的控制方法有：外源截留，实 施污染物截污工程和引排工程，截断污染物排放的源头；控制非点源污染，减少河流周 围的水土流失，合理搭配种植作物和有效利用化肥农药；控制污染物排放总量，制定营 养物质的排放标准和合理的水质标准。控制内源污染可以采用工程措施、化学措施和生 物措施。工程措施主要包括底泥疏浚、净水稀释和冲污等工程及直接或间接去除水体中 的藻类的物理措施，如打捞藻类、过滤、紫外线技术等；化学措施主要是直接想水体中 投加絮凝剂使藻类沉降和利用化学试剂杀藻等；生物措施是利用水生生物和微生物通过 自然生长过程中的新陈代谢吸收利用营养物质，并将其带出水体达到净化水体目的【1 6 1 。 赵海超等【1 7 】的研究表明，淹水土壤各形态磷活性大于营养水平相当的沉积物，河流沉积 物各形态磷活性大于湖泊沉积物。 1 2 1 河流点源污染 目前，我国河流污染主要以点源污染为主，包括生活污染源和工业污染源【18 1 ，随着 城市化进程的加快，城市人口剧增，生活污水排放量的不断增加，甚至超过了工业废水 的排放量。城市河流两岸的大量生活和生产废水的排放，使得污染物磷大量富集在沉积 。， 物中，沉积物中磷的大量存在是内源磷释放的直接原因，它成为日后造成磷污染和水体 富营养化的主要隐患。 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 2 河流非点源污染 河流中沉积物主要来源于流域和水系上游的流失土壤和矿物质及水体中水合铁锰等 矿物质，底质中的磷主要来自上覆水体中的颗粒的沉降和吸附作用【1 9 1 。近年来，随着农 业化肥施用量的增加，加之，禽畜及水产品的养殖，饲料和排泄物随着降水的冲刷而汇 入河湖，伴随着泥土颗粒的汇集，大量附着于颗粒上的磷也进入河道，或沉积于河底， 或随着河水进入湖泊，如今，农业非点源污染引起的河湖磷污染已成为不可忽视的污染 源之一。国内外关于农业非点源磷污染对水环境的影响研究较多的是地表水体的富营养 化，探讨受纳水体的环境容量、应用模型研究非点源磷污染负荷【2 0 】以及应用等标污染负荷 法对污染源进行评价【2 i 】。 1 3 沉积物磷的释放 湖泊水库是一个复杂、动态的生态系统，富营养化是很复杂的环境问题，对其发生 机理、“水华 防治、面源污染治理、生态修复等方面都还缺乏系统的认识。湖泊水库沉 积物中磷的迁移演变对富营养化的影响重大，因此，很多专家认为由沉积物中的磷入手， 讨论湖泊水体富营养化过程和形成机制及对湖泊生态环境的影响是当前富营养化治理与 管理研究的重要议题【1 3 】。 1 3 1 磷的地球化学循环 底泥一般含有丰富的营养物质和大量的腐败性有机质，包括重金属以及难降解的有 毒、有害物质。依据表观含水率和气味等性质的差别，可将湖泊底泥层自上而下分为三 层【2 2 1 ，第一层为淤泥层，多为灰褐色或狄黑色，含水率高，上部为稀浆状，下靓呈流塑， 有机质含量丰富，有腥臭味，分布广泛，是近年来人类活动的产物，沉积年代新，沉积 速率快，是湖泊污染内源的主要蓄积库，也是湖泊水界面的交接处，与水体的物质和能 量交换活动强烈第二层为过渡层，含大量沉水植物的根系及茎叶残骸，颜色呈黑褐色， 泥质粘度增加第三层为正常湖泊底泥沉积层，一般保持湖区周围土壤母质的岩相特征， 多为粘质夹粉质粘土，质地密实，含水率低。 磷属于沉积型循环的物质，其分子或化合物无气体形态，主要是通过岩石风化和沉 积物的分解转变为可利用的营养物质而由沉积物转化为岩石圈成分则是一个极其缓慢的 山东建筑大学硕士学位论文 物质移动过程。沉积型循环的主要储存库是土壤、沉积物和岩石圈。因此，磷循环的全 球性不如气体型循环表现得那么明显。 磷在水沉积物间存在着交换作用，其循环取决于岩石、沉积物和水中磷的含量。微 生物对水中磷的循环起着重要作用。无机磷被改造成和进入生物体，并且磷也参加蛋白 质的合成p 0 4 ”_ a t p a d p _ 甘油磷酸醋糖一p 瓴3 + + 糖，生物体中磷从无机磷酸盐开 始，经过转化又以无机磷酸盐形式出现和完成磷的生物地球化学循环。污水中洗涤剂的 排放、添加剂三聚磷酸盐水解都对磷生物地球化学循坏存在重大影响。 1 3 2 磷的内源污染 湖泊沉积物是湖泊营养盐的重要蓄积库，污水排放、地表径流的注入以及湖泊水生 生物的死亡残骸，往往会使湖泊沉积物中的营养盐逐步积累起来，从而形成湖泊营养盐 的内源负荷。许多湖泊的调查资料表明，当入湖营养盐负荷量减少或者完全截污后，沉 积物中的营养盐会逐步释放出来，补充湖水中的营养盐，也就是说，外部污染源被控制 以后，由于内源负荷的存在，仍然可以引起水体的富营养化，甚至出现“水华”【2 3 1 。磷 在底泥和上覆水之间的交换是自然界中磷循环的主要内容。不少研究结果表明磷在水体 中的循环过程不是均衡的，任一时间湖泊中大部分的磷，或者存在于生物体内，或者被 结合在沉积物中，而水中的磷至多只有1 0 ，因此，沉积物中的磷的释放速率，在很大 程度上反映了磷循环的速率。由于不同水体的形态结构和理化状况的不同，其沉积物中 磷的释放率往往有很大的差别。一般来说，与大型湖泊相比，中小型湖泊中沉积物磷的 释放速率较高而周转时间较短，通常具有较高的生产力。因此，在一定条件下，湖泊沉 积物中的磷可能成为影响湖泊富营养化的关键因素。 沉积物和上覆水之间存在一种嘤收和释放的动态平衡。进入沉积物中的磷可能以三 种形式向水体释放【2 4 】：其一为有机质的矿化分解，释放出溶解性的磷酸盐，其中一部分 通过间隙水向上扩散，另一部分被沉积物矿物颗粒吸附，在间隙水中的磷释放以后，被 吸附的磷酸盐可以通过解吸补充到间隙水中；另外，铁氧化物的解吸作用也是一个可能 的释磷途径，与铁氧化物结合的磷和有机磷一样，与其他形式的磷相比，较为不稳定， 当环境氧化条件变化时，很容易释放出来；还原作用也能使铁离子还原为亚铁离子，从 而使被氧化铁束缚的磷释放；最后，沉积物扰动可能会使得分层氧化带之下的间隙水中 的溶解性磷直接向上覆水中释敖。 山东建筑大学硕士学位论文 沉积物中的磷主要来自上覆水体中颗粒的沉降和吸附作用，其中一部分作为惰性物 质而简单地以最初的形式埋葬在沉积物中，其余的则通过分解或溶解作用释放磷酸吉 ；：到 沉积物间隙水中，间隙水中的磷可能释放到上覆水体中，或在沉积物中作为一种自生相 而再沉淀，或被沉积物的其他组分所吸附。磷在沉积物一水界面循环受沉积物吸附、释放 以及间隙水扩散三个作厨自勺控制o 沉积物中磷对湖泊富营养化的作用，主要体现在沉积 物中磷的释放上，沉积物中磷的结合态及形态之间的相互转化是控制沉积物水界面间磷 循环的一个主要因子。沉积物释磷量的多少并不与沉积物中的含磷总量成比例关系，释 放进入间隙水中的磷大部分是无机可溶性磷。在厌氧释放过程中，存在着有机磷向无机 磷转化，铁磷、铝磷向钙磷、闭蓄态磷转化的趋势，沉积物中总磷浓度不断减少，就是 磷形态迁移转化动态平衡的结果。沉积物释磷量的多少与磷的结合形态密切相关。氧化 还原电位、风浪扰动、温度、p h 等都会对沉积物中磷向水体的迁移转化产生重要影响【2 5 1 。 1 3 - 3 内源磷的释放机理 沉积物磷的释放机理主要包括以下三个方面【2 6 】：1 生物释放。主要包括细菌释放、 大型水生植物的释放和底栖生物的消化道释放。细菌分解可使底泥中的有机化合物释放 磷酸盐，而且细菌能把不溶性磷化合物转化为可溶性化合物。大型水生植物不仅可由茎 叶的分泌作用将磷释放到水中，而且在死亡后的分解过程可把磷释入上覆水体。2 物理 释放。主要包括两个方面：一是底泥间隙水与上覆水体间溶解磷的浓度梯度所产生的扩 散作用；二是由于风吹、波浪等扰动引起的底泥再悬浮而产生的磷释放。3 化学释放。 对非石灰性底泥来说，厌氧条件下铁磷矿物的还原是底泥释放的主要机制。化学释放主 要是在厌氧条件下发生。在湖水好氧时期，磷酸盐以高铁络合物形式从厌氧底泥中析出； 厌氧状态下铁离子被还原为亚铁离子，易与磷生成可溶性的磷酸亚铁盐，并与磷酸盐一 起释入上覆水中，不过此时若有硫化物存在，磷就不会再从底泥释出，其原因在于硫可 与铁结合生成硫化亚铁。 磷释放先进入底泥中的间隙水中，再经过分子扩散、生物扰动、气泡和水动力等作 用逐步扩散到水土界面，进而向上覆水中扩散。湖泊沉积物中的磷主要以两种途径向水 体释放：有机质的矿化分解和铁氧化物、氢氧化物结合磷的解吸【2