(一)水體富營養(yǎng)化的機理
　　水體富營養(yǎng)化(eutrophication)是指在人類活動的影響下,生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進入湖泊、河口、海灣等緩流水體,引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖,水體溶解氧量下降,水質(zhì)惡化,魚類及其他生物大量死亡的現(xiàn)象.在自然條件下,湖泊也會從貧營養(yǎng)狀態(tài)過渡到富營養(yǎng)狀態(tài),不過這種自然過程非常緩慢.而人為排放含營養(yǎng)物質(zhì)的工業(yè)廢水和生活污水所引起的水體富營養(yǎng)化則可以在短時間內(nèi)出現(xiàn).水體出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象時,浮游藻類大量繁殖,形成水華.因占優(yōu)勢的浮游藻類的顏色不同,水面往往呈現(xiàn)藍色、紅色、棕色、乳白色等.這種現(xiàn)象在海洋中則叫做赤潮或紅潮.
　　1．水體富營養(yǎng)化的機理：在地表淡水系統(tǒng)中,磷酸鹽通常是植物生長的限制因素,而在海水系統(tǒng)中往往是氨氮和硝酸鹽限制植物的生長以及總的生產(chǎn)量.導致富營養(yǎng)化的物質(zhì),往往是這些水系統(tǒng)中含量有限的營養(yǎng)物質(zhì),例如,在正常的淡水系統(tǒng)中磷含量通常是有限的,因此增加磷酸鹽會導致植物的過度生長,而在海水系統(tǒng)中磷是不缺的,而氮含量卻是有限的,因而含氮污染物加入就會消除這一限制因素,從而出現(xiàn)植物的過度生長.生活污水和化肥、食品等工業(yè)的廢水以及農(nóng)田排水都含有大量的氮、磷及其他無機鹽類.天然水體接納這些廢水后,水中營養(yǎng)物質(zhì)增多,促使自養(yǎng)型生物旺盛生長,特別是藍藻和紅藻的個體數(shù)量迅速增加,而其他藻類的種類則逐漸減少.水體中的藻類本來以硅藻和綠藻為主,藍藻的大量出現(xiàn)是富營養(yǎng)化的征兆,隨著富營養(yǎng)化的發(fā)展,最后變?yōu)橐运{藻為主.藻類繁殖迅速,生長周期短.藻類及其他浮游生物死亡后被需氧微生物分解,不斷消耗水中的溶解氧,或被厭氧微生物分解,不斷產(chǎn)生硫化氫等氣體,從兩個方面使水質(zhì)惡化,造成魚類和其他水生生物大量死亡.藻類及其他浮游生物殘體在腐爛過程中,又把大量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)釋放入水中,供新的一代藻類等生物利用.因此,富營養(yǎng)化了的水體,即使切斷外界營養(yǎng)物質(zhì)的來源,水體也很難自凈和恢復到正常狀態(tài).
　　關于水體富營養(yǎng)化問題的成因有不同的見解.多數(shù)學者認為氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)濃度升高,是藻類大量繁殖的原因,其中又以磷為關鍵因素.影響藻類生長的物理、化學和生物因素(如陽光、營養(yǎng)鹽類、季節(jié)變化、水溫、pH值,以及生物本身的相互關系)是極為復雜的.因此,很難預測藻類生長的趨勢,也難以定出表示富營養(yǎng)化的指標.目前一般采用的指標是：水體中氮含量超過0.2-0.3ppm,生化需氧量大于10ppm,磷含量大于0.01-0.02ppm,pH值7-9的淡水中細菌總數(shù)每毫升超過10萬個,表征藻類數(shù)量的葉綠素-a含量大于10μmg/L.
　　2．營養(yǎng)物質(zhì)的來源：水體中過量的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)主要來自未加處理或處理不完全的工業(yè)廢水和生活污水、有機垃圾和家畜家禽糞便以及農(nóng)施化肥,其中最大的來源是農(nóng)田上施用的大量化肥.
　　(1)氮源
　　農(nóng)田徑流挾帶的大量氨氮和硝酸鹽氮進入水體后,改變了其中原有的氮平衡,促進某些適應新條件的藻類種屬迅速增殖,覆蓋了大面積水面.例如我國南方水網(wǎng)地區(qū)一些湖叉河道中從農(nóng)田流入的大量的氮促進了水花生、水葫蘆、水浮蓮、鴨草等浮水植物的大量繁殖,致使有些河段影響航運.在這些水生植物死亡后,細菌將其分解,從而使其所在水體中增加了有機物,導致其進一步耗氧,使大批魚類死亡.最近,美國的有關研究部門發(fā)現(xiàn),含有尿素、氨氮為主要氮形態(tài)的生活污水和人畜糞便,排入水體后會使正常的氮循環(huán)變成“短路循環(huán)”,即尿素和氨氮的大量排入,破壞了正常的氮、磷比例,并且導致在這一水域生存的浮游植物群落完全改變,原來正常的浮游植物群落是由硅藻、鞭毛蟲和腰鞭蟲組成的,而這些種群幾乎完全被藍藻、紅藻和小的鞭毛蟲類(Nannochloris屬,Stichococcus屬)所取代.
　　(2)磷源
　　水體中的過量磷主要來源于肥料、農(nóng)業(yè)廢棄物和城市污水.據(jù)有關資料說明,在過去的15年內(nèi)地表水的磷酸鹽含量增加了25倍,在美國進入水體的磷酸鹽有60％是來自城市污水.在城市污水中磷酸鹽的主要來源是洗滌劑,它除了引起水體富營養(yǎng)化以外,還使許多水體產(chǎn)生大量泡沫.水體中過量的磷一方面來自外來的工業(yè)廢水和生活污水.另方面還有其內(nèi)源作用,即水體中的底泥在還原狀態(tài)下會釋放磷酸鹽,從而增加磷的含量,特別是在一些因硝酸鹽引起的富營養(yǎng)化的湖泊中,由于城市污水的排入使之更加復雜化,會使該系統(tǒng)迅速惡化,即使停止加入磷酸鹽,問題也不會解決.這是因為多年來在底部沉積了大量的富含磷酸鹽的沉淀物,它由于不溶性的鐵鹽保護層作用通常是不會參與混合的.但是,當?shù)讓铀趿康投幱谶€原狀態(tài)時(通常在夏季分層時出現(xiàn)),保護層消失,從而使磷酸鹽釋入水中所致.
　　(二)水體富營養(yǎng)化的危害及其防治對策
　　1．水體富營養(yǎng)化的危害：富營養(yǎng)化會影響水體的水質(zhì),會造成水的透明度降低,使得陽光難以穿透水層,從而影響水中植物的光合作用,可能造成溶解氧的過飽和狀態(tài).溶解氧的過飽和以及水中溶解氧少,都對水生動物有害,造成魚類大量死亡.同時,因為水體富營養(yǎng)化,水體表面生長著以藍藻、綠藻為優(yōu)勢種的大量水藻,形成一層“綠色浮渣”,致使底層堆積的有機物質(zhì)在厭氧條件分解產(chǎn)生的有害氣體和一些浮游生物產(chǎn)生的生物毒素也會傷害魚類.因富營養(yǎng)化水中含有硝酸鹽和亞硝酸鹽,人畜長期飲用這些物質(zhì)含量超過一定標準的水,也會中毒致病.
　　2．富營養(yǎng)化的防治對策：富營養(yǎng)化的防治是水污染處理中最為復雜和困難的問題.這是因為：①污染源的復雜性,導致水質(zhì)富營養(yǎng)化的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì),既有天然源,又有人為源；既有外源性,又有內(nèi)源性.這就給控制污染源帶來了困難；②營養(yǎng)物質(zhì)去除的高難度,至今還沒有任何單一的生物學、化學和物理措施能夠徹底去除廢水的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì).通常的二級生化處理方法只能去除30-50％的氮、磷.本章僅簡要介紹富營養(yǎng)化水體中除磷和除氮的方法.
　　(1)控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)輸入
　　絕大多數(shù)水體富營養(yǎng)化主要是外界輸入的營養(yǎng)物質(zhì)在水體中富集造成的.如果減少或者截斷外部輸入的營養(yǎng)物質(zhì),就使水體失去了營養(yǎng)物質(zhì)富集的可能性.為此,首先應該著重減少或者截斷外部營養(yǎng)物質(zhì)的輸入,控制外源性營養(yǎng)物質(zhì),應從控制人為污染源著手,應準確調(diào)查清楚排入水體營養(yǎng)物質(zhì)的主要排放源,監(jiān)測排入水體的廢水和污水中的氮、磷濃度,計算出年排放的氮、磷總量,為實施控制外源性營養(yǎng)物質(zhì)的措施提供可靠的科學依據(jù).
　　(2)減少內(nèi)源性營養(yǎng)物質(zhì)負荷
　　輸入到湖泊等水體的營養(yǎng)物質(zhì)在時空分布上是非常復雜的.氮、磷元素在水體中可能被水生生物吸收利用,或者以溶解性鹽類形式溶于水中,或者經(jīng)過復雜的物理化學反應和生物作用而沉降,并在底泥中不斷積累,或者從底泥中釋放進入水中.減少內(nèi)源性營養(yǎng)物負荷,有效地控制湖泊內(nèi)部磷富集,應視不同情況,采用不同的方法.主要的方法有：①工程性措施：包括挖掘底泥沉積物、進行水體深層曝氣、注水沖稀以及在底泥表面敷設塑料等.挖掘底泥,可減少以至消除潛在性內(nèi)部污染源；深層曝氣,可定期或不定期采取人為湖底深層曝氣而補充氧,使水與底泥界面之間不出現(xiàn)厭氧層,經(jīng)常保持有氧狀態(tài),有利于抑制底泥磷釋放.此外,在有條件的地方,用含磷和氮濃度低的水注入湖泊,可起到稀釋營養(yǎng)物質(zhì)濃度的作用.②化學方法：這是一類包括凝聚沉降和用化學藥劑殺藻的方法,例如有許多種陽離子可以使磷有效地從水溶液中沉淀出來,其中最有價值的是價格比較便宜的鐵、鋁和鈣,它們都能與磷酸鹽生成不溶性沉淀物而沉降下來.例如美國華盛頓州西部的長湖是一個富營養(yǎng)水體,1980年10月用向湖中投加鋁鹽的辦法來沉淀湖中的磷酸鹽.在投加鋁鹽后的第四年夏天,湖水中的磷濃度則由原來的65μg/L降到30μg/L,湖泊水質(zhì)有較明顯的改善.在化學法中,還有一種方法是用殺藻劑殺死藻類.這種方法適合于水華盈湖的水體.殺藻劑將藻殺死后,水藻腐爛分解仍舊會釋放出磷,因此,應該將被殺死的藻類及時撈出,或者再投加適當?shù)幕瘜W藥品,將藻類腐爛分解釋放出的磷酸鹽沉降.③生物性措施：利用水生生物吸收利用氮、磷元素進行代謝活動以去除水體中氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)的方法.目前,有些國家開始試驗用大型水生植物污水處理系統(tǒng)凈化富營養(yǎng)化的水體.大型水生植物包括鳳眼蓮、蘆葦、狹葉香蒲、加拿大海羅地、多穗尾藻、麗藻、破銅錢等許多種類,可根據(jù)不同的氣候條件和污染物的性質(zhì)進行適宜的選栽.水生植物凈化水體的特點是以大型水生植物為主體,植物和根區(qū)微生物共生,產(chǎn)生協(xié)同效應,凈化污水.經(jīng)過植物直接吸收、微生物轉(zhuǎn)化、物理吸附和沉降作用除去氮、磷和懸浮顆粒,同時對重金屬分子也有降解效果.水生植物一般生長快,收割后經(jīng)處理可作為燃料、飼料,或經(jīng)發(fā)酵產(chǎn)生沼氣.這是目前國內(nèi)外治理湖泊水體富營養(yǎng)化的重要措施.近年來,有些國家采用生物控制的措施控制水體富營養(yǎng)化,也收到了比較明顯的效果.例如德國近年來采用了生物控制,成功地改善了一個人工湖泊(平均水深7米)的水質(zhì).其辦法是在湖中每年投放食肉類魚種如狗魚、鱸魚去吞食吃浮游動物的小魚,幾年之后這種小魚顯著減少,而浮游動物(如水蚤類)增加了,從而使作為其食料的浮游植物量減少,整個水體的透明度隨之提高,細菌減少,氧氣平衡的水深分布狀況改善.但也發(fā)現(xiàn),浮游植物種群有所改變,藍綠藻生長量比例增高,因為它們不能被浮游動物捕食,為此可以放鰱魚來控制這種藻類的生長.
　　水體富營養(yǎng)化的危害主要表現(xiàn)在三個方面.
　　(1)富營養(yǎng)化造成水的透明度降低,陽光難以穿透水層,從而影響水中植物的光合作用和氧氣的釋放,同時浮游生物的大量繁殖,消耗了水中大量的氧,使水中溶解氧嚴重不足,而水面植物的光合作用,則可能造成局部溶解氧的過飽和.溶解氧過飽和以及水中溶解氧少,都對水生動物(主要是魚類)有害,造成魚類大量死亡.
　　(2)富營養(yǎng)化水體底層堆積的有機物質(zhì)在厭氧條件下分解產(chǎn)生的有害氣體,以及一些浮游生物產(chǎn)生的生物毒素(如石房蛤毒素)也會傷害水生動物.
　　(3)富營養(yǎng)化水中含有亞硝酸鹽和硝酸鹽,人畜長期飲用這些物質(zhì)含量超過一定標準的水,會中毒致病等等.
　　水體富營養(yǎng)化,常導致水生生態(tài)系統(tǒng)紊亂,水生生物種類減少,多樣性受到破壞.昆明滇池水質(zhì)在20世紀50年代處于貧營養(yǎng)狀態(tài),到80年代則處于富營養(yǎng)化狀態(tài),大型水生植物種數(shù)由50年代的44種降至20種,浮游植物屬數(shù)由87屬降至45屬,土著魚種數(shù)由15種降至4種；武漢漢江在1992年發(fā)生水華時,藻類種群的多樣性指數(shù)也呈下降趨勢.普遍的重富營養(yǎng)造成多種用水功能的嚴重損害,甚至完全喪失.武漢漢江下游因出現(xiàn)水華現(xiàn)象而導致漢川自來水廠被迫關閉,宗關自來水廠的凈化工序困難,反沖增加,制水成本增加.此外,由于藻類帶有明顯的魚腥味,從而影響飲用水質(zhì).而藻類產(chǎn)生的毒素則會危害人類和動物的健康.