第七章水体污染修复生态工程
第七章 水体污染修复生态工程
目录
目 录
第一节水生生态系统
第一节 水生生态系统
水生生态系统的特点 水体为水生生物的繁衍生息提供了基本的场所，各种生物通过物质 流和能量流相互联系并维持生命，形成了水生生态系统(aquatic ecosystem)。其构成要素有生产者、消费者、分解者和非生物类物 质四类。非生物类物质是指水、氧气、二氧化碳、氮和磷营养物质 等作为生物生长原料的无机物质以及生物排泄物和死体等有机物质。 生产者是指利用光能或无机物，合成有机细胞物质的生物，称为一 级生产者。水环境中有代表性的生产者是光合自养型的藻类及部分 水生植物。另外，利用氧化能的化学合成自养型硝化细菌也属于生 产者范畴。消费者是以生产者产生的有机物为食料的异氧型生物， 称为捕食者。浮游生物、鱼类、哺乳类动物等是典型的消费者，其 中直接捕食生产者的称为一级消费者，捕食一级消费者的称为二级 消费者，依此类推。分解者是异氧型生物，它们分解生物死体和排 泄物，使之成为简单的无机物质，供生产者再利用
一、水生生态系统的特点 水体为水生生物的繁衍生息提供了基本的场所，各种生物通过物质 流和能量流相互联系并维持生命，形成了水生生态系统（aquatic ecosystem）。其构成要素有生产者、消费者、分解者和非生物类物 质四类。非生物类物质是指水、氧气、二氧化碳、氮和磷营养物质 等作为生物生长原料的无机物质以及生物排泄物和死体等有机物质。 生产者是指利用光能或无机物，合成有机细胞物质的生物，称为一 级生产者。水环境中有代表性的生产者是光合自养型的藻类及部分 水生植物。另外，利用氧化能的化学合成自养型硝化细菌也属于生 产者范畴。消费者是以生产者产生的有机物为食料的异氧型生物， 称为捕食者。浮游生物、鱼类、哺乳类动物等是典型的消费者，其 中直接捕食生产者的称为一级消费者，捕食一级消费者的称为二级 消费者，依此类推。分解者是异氧型生物，它们分解生物死体和排 泄物，使之成为简单的无机物质，供生产者再利用
一般来讲，水体中的生物大致划分为脊椎动物、底栖生物、浮游生物和水生高等 植物四大生态类群。它们各自组成水生生态系统十分重要的生命单元，形成错综 复杂的相互依存而且相互制约的食物链(food chain)。 食物链中各种生物与它们生存的环境之间通过能量流动和物质循环保持着相互依 存的关系，这种关系在一定的空间范围和一定时间内呈现稳定状态，即保持生态 平衡(ecological balance)。 天然水体对排入其中的某些物质具有一定限度的自然净化能力，使污染的水质得 到改善。但是如果污染物过量排放，超过水体自身的环境容量，这种功能就会丧 失，从而导致水质恶化。 水体受到严重污染后，不但直接危害人体健康，首当其冲受害的是水生生物。因 为在正常的水生生态系统中，各种生物的、化学的、物理的因素组成高度复杂、 相互依赖的同一整体，物种之间的相互关系都维持着一定动态平衡，也就是生态 平衡。如果这种关系受到人为活动的干扰，如水体受到污染，那么这种平衡就会 受到破坏，使生物种类发生变化，许多敏感的种类可能消失，而一些忍耐型种类 的个体大量繁殖起来。如果污染程度继续发展和加剧，不仅导致水生生物多样性 的持续衰减，最终还会使水生生态系统的结构和功能遭到破坏，其影响十分深远
一般来讲，水体中的生物大致划分为:脊椎动物、底栖生物、浮游生物和水生高等 植物四大生态类群。它们各自组成水生生态系统十分重要的生命单元，形成错综 复杂的相互依存而且相互制约的食物链（food chain）。 食物链中各种生物与它们生存的环境之间通过能量流动和物质循环保持着相互依 存的关系，这种关系在一定的空间范围和一定时间内呈现稳定状态，即保持生态 平衡（ecological balance）。 天然水体对排入其中的某些物质具有一定限度的自然净化能力，使污染的水质得 到改善。但是如果污染物过量排放，超过水体自身的环境容量，这种功能就会丧 失，从而导致水质恶化。 水体受到严重污染后，不但直接危害人体健康，首当其冲受害的是水生生物。因 为在正常的水生生态系统中，各种生物的、化学的、物理的因素组成高度复杂、 相互依赖的同一整体，物种之间的相互关系都维持着一定动态平衡，也就是生态 平衡。如果这种关系受到人为活动的干扰，如水体受到污染，那么这种平衡就会 受到破坏，使生物种类发生变化，许多敏感的种类可能消失，而一些忍耐型种类 的个体大量繁殖起来。如果污染程度继续发展和加剧，不仅导致水生生物多样性 的持续衰减，最终还会使水生生态系统的结构和功能遭到破坏，其影响十分深远
二、水质净化的生物学原理 对于水环境来讲，水体自净(self-purification)的定义有广义和狭 义之分，广义的定义是指受污染的水体经物理、化学与生物作用， 使污染物的浓度降低，并恢复到污染前的水平；狭义的定义是指水 体中的微生物氧化分解有机污染物而使水体得以净化的过程。 水体自净过程十分复杂，按其机理可分为3个过程：(1)物理过 程—其中包括稀释、混合、扩散、挥发、沉淀等过程，污染物质 在这一系列的作用下，其浓度得以降低；(2)化学和物理化学过 程一污染物质通过氧化、还原、吸附、凝聚、中和等反应使其浓 度降低；(3)生物生化过程—污染物质中的有机物质，由于水 中微生物的代谢活动而被分解、氧化，并转化为无害、稳定的无机 物，从而使浓度降低。 任何水体的自净作用都是上述三个过程同时、同地产生，相互影响、 相互交织在一起，共同作用的结果。但其中常以生物自净过程为主， 生物体在水体自净作用中是最活跃、最积极的因素。目前在水体自 净作用的研究上，大多以生物自净过程为中心
二、水质净化的生物学原理 对于水环境来讲，水体自净（self-purification）的定义有广义和狭 义之分，广义的定义是指受污染的水体经物理、化学与生物作用， 使污染物的浓度降低，并恢复到污染前的水平；狭义的定义是指水 体中的微生物氧化分解有机污染物而使水体得以净化的过程。 水体自净过程十分复杂，按其机理可分为3个过程：（1）物理过 程——其中包括稀释、混合、扩散、挥发、沉淀等过程，污染物质 在这一系列的作用下，其浓度得以降低；（2）化学和物理化学过 程——污染物质通过氧化、还原、吸附、凝聚、中和等反应使其浓 度降低；（3）生物生化过程——污染物质中的有机物质，由于水 中微生物的代谢活动而被分解、氧化，并转化为无害、稳定的无机 物，从而使浓度降低。 任何水体的自净作用都是上述三个过程同时、同地产生，相互影响、 相互交织在一起，共同作用的结果。但其中常以生物自净过程为主， 生物体在水体自净作用中是最活跃、最积极的因素。目前在水体自 净作用的研究上，大多以生物自净过程为中心
三、水体富营养化的概念与成因 富营养化(Eutrophication)一词原用于描述植物营养物浓度增加对 水生生态系统的生物学效应。最初，Weber使用eutrope、 mestrophe、okigotrophe描述决定泥炭沼泽发展初期植物群落的营 养状态。到20世纪中后期，当富营养化及其影响成为人们关注的 问题时，其内涵大为拓展，即由社会的城市化、植物营养物的工 农业利用及其废弃物的排放等所引起的生态变化。国内有人定义 富营养化为氮、磷等无机营养物大量进入相对封闭、水流缓慢的 湖泊、水库等水体，引起藻类和其它水生植物大量繁殖、水体溶 解氧下降、水质恶化、其它水生生物大量死亡的现象（金相灿等， 1990)
三、水体富营养化的概念与成因 富营养化(Eutrophication）一词原用于描述植物营养物浓度增加对 水生生态系统的生物学效应。最初，Weber使用eutrope、 mestrophe、okigotrophe描述决定泥炭沼泽发展初期植物群落的营 养状态。到20世纪中后期，当富营养化及其影响成为人们关注的 问题时，其内涵大为拓展，即由社会的城市化、植物营养物的工 农业利用及其废弃物的排放等所引起的生态变化。国内有人定义 富营养化为氮、磷等无机营养物大量进入相对封闭、水流缓慢的 湖泊、水库等水体，引起藻类和其它水生植物大量繁殖、水体溶 解氧下降、水质恶化、其它水生生物大量死亡的现象（金相灿等， 1990）
水体富营养化的表观现象就是蓝细菌和真核藻类引起的“水华” 越来越多的研究表明，富营养化的实质是水体初级生产力的异常增 大，支配这种初级生产力的营养性物质很显然是富营养化极为重要 的指标。在适宜的光照、温度、pH和充足营养物的条件下天然水体 中的藻类通过光合作用合成自身的原生质，以下反应式可以概括水 体富营养化的本质： 106CO2+16NO3-+HPO42-+122H20+18H++能量+微量元素 C106H263O110N16P+138O2 可以看出，水体中藻类原生质的生成有赖于碳、氮、磷的存在，碳 氮、磷是生成藻类的决定性因素，因而也是构成水体富营养化的决 定性因素。根据Liebig最少定律(Law of Minimum)(Odum,1971 和上述藻类生长的基本反应式可知，磷通常是水体富营养化的限制 因子(Schindler,.1997。其主要原因：一是因为自然水体中含磷量很 低，限制了水生生物的生长繁殖；二是大部分水生生物需磷量很少 其生物体的CNP一般为106：16：1；三是由于许多蓝细菌能固氮，可 从空气中固定氮气来满足它们对N的需要，而磷不能转化为气体， 只能在水体中循环
水体富营养化的表观现象就是蓝细菌和真核藻类引起的“水华”。 越来越多的研究表明，富营养化的实质是水体初级生产力的异常增 大，支配这种初级生产力的营养性物质很显然是富营养化极为重要 的指标。在适宜的光照、温度、pH和充足营养物的条件下天然水体 中的藻类通过光合作用合成自身的原生质，以下反应式可以概括水 体富营养化的本质： 106CO2+16NO3- +HPO42- +122H2O +18H+ +能量+微量元素 C106H263O110N16P+138O2 可以看出，水体中藻类原生质的生成有赖于碳、氮、磷的存在，碳、 氮、磷是生成藻类的决定性因素，因而也是构成水体富营养化的决 定性因素。根据Liebig最少定律（Law of Minimum）（Odum，1971） 和上述藻类生长的基本反应式可知，磷通常是水体富营养化的限制 因子(Schindler, 1997)。 其主要原因：一是因为自然水体中含磷量很 低，限制了水生生物的生长繁殖；二是大部分水生生物需磷量很少， 其生物体的C:N:P一般为106:16:1；三是由于许多蓝细菌能固氮，可 从空气中固定氮气来满足它们对N的需要，而磷不能转化为气体， 只能在水体中循环
四、水体富营养化产生的危害 (1) 使水味变得腥臭难闻 富营养化的水体会出现藻类（蓝藻） 的过度繁殖，使饮用水产生霉味和臭味。 在春末、夏、秋温度较高的季节，水藻大量增殖，成团的藻类死亡腐烂分解时， 经过放线菌等微生物的分解作用，这些水藻就会散发出浓烈的使人恶心的腥臭。 (2)降低水的透明度 富营养化水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻浮在 水体表面，形成一层“绿色浮渣”。经过风吹，水面这层绿色浮渣被密集、浓 缩，由于表层水体悬浮着密集的水藻使水质变得浑浊，透明度明显降低，富营 养化严重的水质透明度仅有0.2m,水体感官性状大大下降。 (3)消耗水体的溶解氧 在富营养化水体的深层，由于表层有密集的藻类，使得阳光难以透射进入水体 深层，而且阳光在穿射水层的过程中，被藻类吸收而衰减，所以深层水体的光 合作用明显的受到限制而减弱，因而溶解氧的来源也就随之减少。其次，藻类 死亡后不断的腐烂分解，也会大量消耗深层水体的溶解氧，严重时可能使深层 水体的溶解氧消耗殆尽而导致厌氧状态，使得需氧生物难以生存。 (4)向水体释放有毒物质 许多藻类能够分泌、释放有毒有害物质，不仅危害动物，而且对人类健康产生 严重影响。淡水中的蓝藻毒素己成为全球性的环境问题
四、水体富营养化产生的危害 （1）使水味变得腥臭难闻 富营养化的水体会出现藻类（蓝藻）的过度繁殖，使饮用水产生霉味和臭味。 在春末、夏、秋温度较高的季节，水藻大量增殖，成团的藻类死亡腐烂分解时， 经过放线菌等微生物的分解作用，这些水藻就会散发出浓烈的使人恶心的腥臭。 （2）降低水的透明度 富营养化水体中，生长着以蓝藻、绿藻为优势种类的大量水藻。这些水藻浮在 水体表面，形成一层“绿色浮渣”。经过风吹，水面这层绿色浮渣被密集、浓 缩，由于表层水体悬浮着密集的水藻使水质变得浑浊，透明度明显降低，富营 养化严重的水质透明度仅有0.2m，水体感官性状大大下降。 （3）消耗水体的溶解氧 在富营养化水体的深层，由于表层有密集的藻类，使得阳光难以透射进入水体 深层，而且阳光在穿射水层的过程中，被藻类吸收而衰减，所以深层水体的光 合作用明显的受到限制而减弱，因而溶解氧的来源也就随之减少。其次，藻类 死亡后不断的腐烂分解，也会大量消耗深层水体的溶解氧，严重时可能使深层 水体的溶解氧消耗殆尽而导致厌氧状态，使得需氧生物难以生存。 （4）向水体释放有毒物质 许多藻类能够分泌、释放有毒有害物质，不仅危害动物，而且对人类健康产生 严重影响。淡水中的蓝藻毒素已成为全球性的环境问题
(5)影响供水水质并增加制水成本 由于水体富营养化问题日趋严重，故富营养化的水体作为水源时， 会给净水厂带来一系列问题，不少水厂发生制水困难，水质不佳， 令人厌恶。我国的太湖、巢湖和滇池等地尤为严重。在夏日高温 季节，藻类增殖旺盛，过量的藻类会给净水厂的过滤过程带来障 碍，水藻经常堵塞滤池。为了消除堵塞现象，需要改善或者增加 过滤措施。其次，富营养水体在一定条件下由于厌氧作用而产生 硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体，而且在制水过程中水藻本 身及其产生的某些有毒物质增加了水处理的技术难度，既影响净 水厂的产水率，又加大了制水费用，有的甚至导致水关闭。 (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，生物种群量就会显示出剧烈的波动；某些 生物种类明显减少，而另外一些生物种类则显著增加。这种生物 种类的演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏水体的 生态平衡
（5）影响供水水质并增加制水成本 由于水体富营养化问题日趋严重，故富营养化的水体作为水源时， 会给净水厂带来一系列问题，不少水厂发生制水困难，水质不佳， 令人厌恶。我国的太湖、巢湖和滇池等地尤为严重。在夏日高温 季节，藻类增殖旺盛，过量的藻类会给净水厂的过滤过程带来障 碍，水藻经常堵塞滤池。为了消除堵塞现象，需要改善或者增加 过滤措施。其次，富营养水体在一定条件下由于厌氧作用而产生 硫化氢、甲烷和氨气等有毒有害气体，而且在制水过程中水藻本 身及其产生的某些有毒物质增加了水处理的技术难度，既影响净 水厂的产水率，又加大了制水费用，有的甚至导致水厂关闭。 （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，生物种群量就会显示出剧烈的波动；某些 生物种类明显减少，而另外一些生物种类则显著增加。这种生物 种类的演替会导致水生生物的稳定性和多样性降低，破坏水体的 生态平衡