水体富营养化的现状、污染物来源与防治对策

    摘要  在简要介绍水体富营养化现状的基础上，阐述了导致水体富营养化的污染物的来源，主要包括：地表径流、土壤侵蚀、农业的非点源污染、城市污水（尤其是居民生活污水）、工业污染、水产养殖业、畜禽生产中的污染、沉积物释放磷等。同时就相应的防治对策作了探讨，主要包括：加强地力培肥体系建设，发展生态农业；强化执法力度，增加资金投入；洗涤剂禁（限）磷；加强水土保持，减少水土流失；污水脱氮除磷以及水域的综合整治等。

关键词：水体富营养化  污染源  防治对策

1  引言

水体富营养化是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，导致某些特征性藻类（主要是蓝藻、绿藻等）的异常增殖，致使水体透明度下降、溶解氧降低、水质变坏、鱼类及其他生物大量死亡的现象。当藻类残体腐烂分解时又会更多地消耗溶解氧。溶解氧耗尽后，有机物又通过水中厌氧微生物的分解引起腐败现象，产生甲烷、硫化氢、硫醇等有毒恶臭物，使水体发臭变质。目前判断水体富营养化一般采用的指标是：氮含量超过0.2 mg/L，磷含量大于0.01 mg/L，BOD大于10 mg/L，pH值7～9的淡水中细菌总数超过10 万个/mL，叶绿素a含量大于10 μg/L^[1]。

2  水体富营养化的现状

2.1 湖泊

    湖泊是陆地生态系统的重要组成部分。我国湖泊众多，分布广泛，面积大于1 km²的天然湖泊2759个，总面积近91020 km²，约占国土面积的0.95％^[2]。但是，由于人为和自然原因，排入湖（库）的氮、磷等营养物质不断增加，我国湖(库)水体的环境现状令人堪忧，富营养化的进程大大加快^[3]。对我国131个主要湖泊和39个大中型水库按《湖泊富营养化调查规范》进行评价，结果表明：湖库的富营养化状况十分严重，131个主要湖泊中，已达富营养程度的湖泊有67个，占调查湖泊总数的51.3%；已达富营养程度的水库有12座，占调查水库总数的30%（见表1）。

表1  中国主要湖泊和水库营养状况分类结果统计

城郊湖库富营养化的程度较高，如杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖、济南大明湖等城市湖泊和石河子市的蘑菇水库、北京市的官厅水库等已达富营养化程度。大型淡水湖泊的富营养化问题令人十分担忧，五大淡水湖中的太湖、洪泽湖、巢湖等均已达富营养程度，鄱阳湖、洞庭湖目前虽然维持在中营养水平，但湖水磷、氮的含量偏高，处于向富营养的过渡阶段。而这些大型湖泊富营养化带来的危害十分严重，治理的难度亦大^[4]。

2.2 河流

根据全国水环境监测网2000年的水质监测资料和国家《地面水环境质量标准》(GB3838-88)，对全国九大流域片的700多条河流的水质进行了评价。在评价的11.4万km河长中，Ⅰ类水占4.9%，Ⅱ类水占24.0%，Ⅲ类水占29.8%，Ⅳ类水占16.1%，Ⅴ类水占8.1%，劣Ⅴ类水占17.1%。枯、丰水期水质变化不大。

2.3 海洋

目前，我国已有约20万km²的近海海域受到污染影响，约4万km²的海域水质已不能满足水产养殖、海水浴场、海上运动娱乐以及滨海旅游的要求。据统计，2000年我国近海共发生29次赤潮，面积累计超过1万kｍ²；2001年我国遭受赤潮灾害28次，如2001年夏初发生于浙江温岭的赤潮，有30人由于食用含赤潮PSP海贝而中毒 ^[5]。

3  水体中氮磷的主要来源

    水体中的氮磷来源很多，其中有外源性负荷和内源性负荷。外源性的氮磷有面源污染和点源污染。面源污染主要来源于农业，点源污染主要来源于生活污水和工业废水。内源性负荷有沉积物中氮和磷的释放、水生动植物新陈代谢分解等。

3.1 从农业土壤中流失

    农业土壤中施入的肥料中氮和磷的量，往往要超过农产品中氮磷输出量，每年土壤中施入的肥料，很大部分都在作物吸收之前流失到水体。Isermann(1990)估计，在西欧，农业土壤中占37%～82％的氮和27～38％的磷释放到地表水。对Danish的270条小河的营养监测表明，其中94％的氮和52％的磷，主要来自农业活动的非点源污染^[6]。在我国，最近20～30年间，由于化肥的大量施用，含有氮和磷的多种化合物随径流进入水体，使水体中磷和氮的含量超出正常标准。上海郊区化肥年消耗量在80万ｔ左右(实物)，其中80％是氮肥，而农作物对氮肥的利用率只有25％左右。沪郊每年有几十万吨化肥流失，使农村湖泊等水体富营养化严重^[7]。

    人类的活动使得水土流失的程度提高了2～3倍。美国每年因暴雨冲刷而带入水体的土壤为35亿t，其中约170万t磷排入水体。化肥和农家肥中都含有大量的磷肥，在肥料过量施用的情况下，磷肥的土壤渗漏是导致水体富营养化的一个重要原因，甚至是最重要的污染源。

3.2　饲养业中排出的畜禽粪便

饲养业中排出的畜禽粪便也是水体氮、磷的重要来源。在美国，畜禽肥料在磷循环和管理上对于磷淋失有很大的影响^[8,9]。英国每年有8000万t畜禽粪便需要处理，其中可回收利用119,000ｔ磷^[23]。这些肥料缺少很好的管理，其中的氮磷流失到水体中，成为直接的污染源。土壤施用有机粪肥容易造成土壤和肥料的流失，特别是施用浆状的有机粪肥时，颗粒和可溶性磷以及氨态氮流失到地表水中的量增加^[10]。

    近年在农业管理上的发展包括在支出庞大的牧场中冬季作物播种的扩大、液体肥料的施用以及地下排水系统的安装使农业管理方便轻松的同时，也使营养物质从土壤流失到河流的比例增加^[11]。这就是说，在现代农业系统中，肥料和土地的管理已经使农业影响水体的质量比重上升。

    土壤营养物质的积聚和新鲜肥料的施入，使氮磷有潜在损失的可能。但事实上，其损失主要取决于降雨的总量和分布、水流速率和分配产生的水流通道^[12]。有研究表明，每年大约有90%的磷损失，其中5％是从土壤中由几次暴雨冲刷造成的，因此磷损失主要途径是地表径流和侵蚀^[13]。

3.3 城乡生活污水和工业污水

    生活污水排放量与水体磷含量呈显著正相关。磷营养元素污染的水期变化特征与生活污水排放的季节变化规律有较强的同步性。接近城郊，接纳生活污水量大的水体水质TP浓度较高，反之相对较低。生活污水中，人类的排泄物、合成洗涤剂、食物污物都含有大量的磷。据估算，我国人均体内排出的磷为1g/d左右。消耗的洗衣粉中的磷为0.21g/d。生活污水中含有机氮和氨态氮。其来自于食物中蛋白质代谢的废弃物，一般每人产生16g/d氮废弃物。新鲜生活污水中有机氮约占60％，氨氮约占40％，而硝态氮仅微量或无^[14]。

食品加工企业(如乳制品加工)、化肥生产企业等工业废水中含有大量较高浓度的氮，当这些工业废水不加处理或处理不充分时，都将导致大量的化合物进入水体，造成严重的污染。含磷工业主要是磷化工行业，排放的污水中含有磷酸盐、氟化物、二氧化硅等物质^[15]。

3.4 沉积物中氮和磷的释放

 当湖泊的外源营养盐受到控制以后，由于沉积物中营养盐内负荷的存在与释放，湖泊仍然可以发生富营养化。沉积物是湖泊的主要污染内源，也是污染物的蓄积库。来自各种途径的营养盐，经过一系列湖泊物理、化学及生物化学作用，其中的一部分或大部分沉积到湖泊的底部，成为湖泊营养盐的内负荷。湖泊发生富营养化后，其沉积物中蓄积了大量的营养盐。许多湖泊的调查资料表明，在湖泊环境发生变化时(如入湖营养盐负荷量减少或完全截污后)，沉积物中的营养盐会逐步释放出来，补充湖水中的营养盐。例如，在滇池对点源治理采取措施后，沉积物释放的TP仍可维持滇池水体目前水平63年之久；西湖沉积物磷的年释放量可达1.3t左右，相当于年入湖磷负荷量的41.5%；洱海沉积物磷的年释放量为486～795t，氮的年释放量为194～495t；巢湖沉积物磷的年释放量达220.38t，占全年入湖磷负荷量的20.90%，氮释放量l705.16t；玄武湖沉积物的磷年释放量为10.46t，占全年入湖量的21.5%^[16]。

3.5 水产养殖业的影响

养鱼是我国内陆水体中重要的人类经济活动之一。近年来，我国湖泊渔业的发展速度异常迅猛，年递增率达18.7%。一些城市湖泊，如杭州西湖、南京玄武湖、北京昆明湖和武汉东湖等也把提高鱼产量放在显著地位。但是，鱼类属于湖泊生态系统中的顶级消费者，生产性养鱼活动势必影响湖泊的生物(尤其是饵料生物)群落结构、营养物质的状态和水平、系统的结构和功能等。一种观点认为，养鱼加速了水体的富营养化，因为鱼类的摄食与排泄造成营养物质的短路循环，特别是加速了磷的活化过程，增加了初级生产力。另一种观点认为，滤食性鱼类因摄食大量藻类、细菌形成自身生物量而有效去除了水中部分营养盐 ^[17]。

4  水体富营养化的防治对策

    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，这主要是因为导致水体富营养化的氮、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。富营养化问题的解决主要依赖于源头控制。

4.1 加强地力培肥体系建设，大力发展生态农业

    控制营养物质从农业中流失主要有2个方面：首先，氮肥和磷肥所占的比例，以及它们的贮存和施肥方式；其次，土地的管理，包括土地的使用，还有所采纳的种植方式，如方法、及时性、种植的方向和深度，或者种植轮作制度中短期的肥田作物。

    在农业区，污染源的控制可以通过建设生态农业工程、大力推广农业新技术来实现。通过改进施肥方式，如限制肥料的施入以及施肥时间，可以避免氮肥的过量供应。灌溉制度以及合理种植农作物、推广新型复合肥和缓效肥料等措施可控制肥料的使用量，减少农业面源污染。保土耕种、作物轮植、节水灌溉等措施可减少农业径流的氮磷损失^[18]。同时鼓励农民科学地开发利用污泥资源，既可以利用泥肥，弥补农田水土流失，又可以疏浚河道，减少水体的营养物量，降低富营养化发生的几率。

4.2 强化执法力度，增加资金投入

    政府应制订政策鼓励和调动各级各部门保护农业生态环境的积极性，同时建立健全有关法规条例(如农药、肥料管理的地方性条例、农业生态环境保护条例等)，加强执法力度。还应增加资金投入。开展农业生态环境保护和生态农业建设工作，需要对机构建设、队伍建设、监督监测、科研培训、综合治理在经费上给予保障^[19]。

4.3 合成洗涤剂禁(限)磷

    在我国，洗涤剂中的磷酸盐占水体磷负荷的20％左右。合成洗涤剂限磷与禁磷措施是减少磷排放、降低富营养化水体TP含量的成本最低、最简单直接的措施。太湖地区采取“禁磷”措施后，城市生活污水、主要入湖和湖体水域中磷浓度降低24%，但对入湖河道和湖体水体中磷富营养化的影响则不明显^[20]。合成洗涤剂的禁（限）磷能够在一定程度上减少水体磷负荷，有益于控制水体富营养化。但是，三聚磷酸钠是众多助洗剂中性能最好的，用其他的助洗剂需要2种或2种以上的成分替代。磷酸盐对人体和环境安全性好，所以必须结合我国国情，在经济发达地区、含磷洗涤剂对富营养化贡献较大的地区开展禁（限）磷工作^[21]。

4.4 加强水土保持，减少水土流失 

 我国特殊的地理特征及以往不符合生态原则的土地利用，造成了目前我国水土流失不仅面积广，而且强度大，水土流失往往是全流域的，因此可采取工程措施、生态措施和农业垦耕相结合的方法。建立以大流域治理为骨干、小流域治理为单元的治理水土流失、实现水土保持的新格局，特别是加强江河水源头区和上游地区植被覆盖度的提高工作，将大大减轻中下游地区的营养物质输入负荷^[22]。滇池目前森林覆盖率仅22.9％，水土流失面积却达964.96km²。对现有36979.7hm²宜林地实施工程造林后，预计2010年森林覆盖率可提高到47％，土壤侵蚀模数减少648.29t/km²·a，森林国土能力增加223.97万m³，每年分别减少入湖氮、磷分别为47.4t和38.1t^[23]。

4.5 污水脱氮除磷

    利用污水脱氮除磷技术，使废水通过污水处理系统的非曝气区形成缺氧和厌氧环境，或单独设立缺氧和厌氧环境，或通过控制充氧量与运行条件而形成硝化／反硝化、除磷所需的环境，从而达到去除氮磷的目的^[24]。包括A²/O处理系统、多级氧化沟等生物处理工艺、生物硝化——反硝化与化学沉淀除磷相结合的工艺、生物塘处理系统等。对于化工企业、化肥厂、食品加工企业等含氮污染企业的废水治理，应加强氮的去除，可选择氨吹脱法、折点加氯法、离子交换法、生物胶氮法等。对含磷工业则应加强磷的去除，可选择混凝沉淀法、晶析除磷法、生物与化学并用法、厌氧-好氧法、Phostrip系统等^[15]。

4.6 水域的综合整治

水域的综合整治包括消除与封闭污泥、改善水体的水文条件、建立水生生态系统净化污水等措施。对于已经发生了富营养化的湖泊，底泥释放磷是重要的内源性污染源，目前最直接和有效地减少内源性磷源的方法是底泥疏浚，我国的滇池就在进行底泥疏浚。封闭底泥是指利用铝盐、铁盐等化学药剂与底泥中的磷反应，形成溶解度很低的磷酸盐，从而降低底泥放磷的速度。但是迄今为止成功的例子并不多，同时底泥封闭不利于恢复水体中的生物多样性，因为底泥封闭会严重地影响到植物根系的生长，所以底泥封闭的可行性还有待进一步论证。

 水生生物能吸收利用氮、磷元素进行代谢活动达到去除水体中营养物质的目的，利用水生生物的这种特性可以建立生态系统净化污水。这种方法的最大优点是投资省，有利于建立合理的水生生态循环，适合于底泥中营养物积累丰富的浅水湖泊。在建立水生生态系统净化污水方面，国内外从20世纪70年代以来进行了广泛的研究。目前的研究热点之一是组建以不同生态类型的水生高等植物为优势种的人工复合生态系统，包括将耐寒性植物与喜温性植物组合、漂浮植物与沉水植物组合等模式^[25]。但建立生态系统处理污水要占用大量的土地，并且受外界环境因子如气温的影响很大。同时要注意定期收集高等植物和收获物的后处理问题，目前对收获的植物最常用的方法是用作饲料、堆肥或用于产生沼气、当成垃圾填埋等。综合看，建立水生生态系统是底泥疏浚和底泥封闭无法替代的减少水体富营养化的有效措施。

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     中澳科技合作特别资金项目资助。编号：国际收任〔2002〕168。

    第一作者方云英，女，1980年生，2001年毕业于浙江大学，现浙江大学环资学院在读研究生。