北京城市湖泊富營養(yǎng)化及其原位修復(fù)初步研究.pdf

1、城市湖泊是城市生態(tài)系統(tǒng)及其景觀多樣性的重要組成部分。受過量納污、水流滯緩和結(jié)構(gòu)改造等因素的影響，我國的城市湖泊多數(shù)已達(dá)到富營養(yǎng)化或極富營養(yǎng)化的程度。相對(duì)于太湖、巢湖等大型富營養(yǎng)化湖泊，城市湖泊的研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱。因此，本論文選取了北京市區(qū)幾個(gè)城市湖泊為研究對(duì)象，主要開展了：1)典型城市湖泊(什剎海)一年內(nèi)水質(zhì)的季節(jié)變化及六個(gè)城市湖泊水體和表層沉積物污染特征比較研究；2)城市湖泊重污染沉積物原位生物氧化的小試研究；3)曝氣對(duì)城市湖泊水-沉

2、積物界面磷遷移轉(zhuǎn)化行為的室內(nèi)模擬研究；4)太陽能循環(huán)流裝置修復(fù)城市水環(huán)境的現(xiàn)場試驗(yàn)研究。以上研究工作的成果擬為北京城市湖泊水環(huán)境污染的防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)參考，對(duì)于我國富營養(yǎng)化湖泊水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)理論和實(shí)踐的豐富也具一定的意義和價(jià)值。
　　 對(duì)什剎海三海(西海、后海、前海)2009年度不同月份的10個(gè)水環(huán)境和水生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行了監(jiān)測和分析，結(jié)果表明西海的水質(zhì)相對(duì)最差而前海的水質(zhì)相對(duì)最好，綜合營養(yǎng)狀態(tài)(TLI)指數(shù)評(píng)價(jià)表明西海處

3、于中度富營養(yǎng)化水平，而前海處于輕度富營養(yǎng)化水平。西海的各項(xiàng)指標(biāo)變化規(guī)律在三海中相對(duì)最明顯，其中水溫、葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)4個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)變化規(guī)律類似，而硝氮(NO3-N)的變化規(guī)律與其它指標(biāo)相反。西海中藻類對(duì)水體中氮營養(yǎng)的吸收利用主要以NO3-N為主；且該水體中夏季較高的水溫(30℃左右)是導(dǎo)致藻類大量增殖的主要原因。
　　 利用TLI指數(shù)對(duì)前海湖(QH)、昆明湖(KM)、青年湖(QN)、紫竹院湖

4、(ZZ)、陶然亭湖(TR)和紅領(lǐng)巾湖(HLJ)的水生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明以上6個(gè)城市湖泊的水質(zhì)富營養(yǎng)化程度有明顯的差別。其中KM的水質(zhì)最好，沒有達(dá)到富營養(yǎng)化的程度；QN和QH的水質(zhì)為輕度富營養(yǎng)化程度，ZZ、TR、HLJ的水質(zhì)為中度富營養(yǎng)化程度。所研究的北京6個(gè)城市湖泊中有5個(gè)湖泊水質(zhì)處于富營養(yǎng)化程度，說明北京城市湖泊的水質(zhì)狀況不容樂觀，宜盡早開展其水體污染治理和生態(tài)恢復(fù)的相關(guān)措施。
　　 所調(diào)查的北京六湖表層(0～10cm)

5、沉積物中的營養(yǎng)鹽污染負(fù)荷總體上較嚴(yán)重。六湖表層沉積物有機(jī)指數(shù)均嚴(yán)重超過了污染級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)值，其中最低的KM表層沉積物有機(jī)指數(shù)值為污染級(jí)別臨界值的2倍。六湖中有2個(gè)湖表層沉積物中總氮(TN)含量超過了嚴(yán)重生物毒性標(biāo)準(zhǔn)，3個(gè)湖的TN含量接近嚴(yán)重生物毒性標(biāo)準(zhǔn)。六湖的表層沉積物TP平均含量約為1100 mg/kg，高于長江中下游大型湖泊表層沉積物的TP平均含量。
　　 六湖表層沉積物中氮、磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化與其中的微生物活性關(guān)系密切，而微生物活

6、性主要與底棲藻類的生物量有關(guān)；六湖表層沉積物中的NH3-N主要來源于底棲藻類生物活性對(duì)有機(jī)氮的礦化，且底棲藻類活性在沉積物NH3-N向NO3-N的轉(zhuǎn)化的過程中起到了主要作用。Ca-P(鈣結(jié)合態(tài)磷)是北京六湖表層沉積物中磷最主要的賦存形態(tài)，這與長江中下游湖泊不同；六湖磷的賦存形態(tài)中Fe-P(鐵鋁結(jié)合態(tài)磷)和OP(有機(jī)磷)的變幅最大，且TR和QN兩湖的Fe-P和OP的含量均相對(duì)較高。六湖表層沉積物中OP與堿性磷酸酶活性(AFA)呈顯著正相關(guān)

7、(p<0.01；n=36)，且APA與葉綠素a含量間的相關(guān)性極顯著(p<0.01；n=36)；說明六湖表層沉積物中的無機(jī)磷主要被底棲藻類所利用，只有較少部分釋放到湖泊上覆水中。
　　 6個(gè)北京城市湖泊水體和沉積物營養(yǎng)鹽樣品指標(biāo)的相關(guān)性分析表明水體中磷和表層沉積物磷的交換作用不明顯，這可能與表層沉積物中磷的賦存主要以Ca-P為主的特征有關(guān)。六湖表層沉積物的TN和TOC的相關(guān)性極顯著(p<0.01；n=18)，且水體TN與湖泊表層沉

8、積物的TN的相關(guān)性也達(dá)到極顯著水平(p<0.01；n=18)。因此，城市湖泊表層沉積物中總氮和有機(jī)質(zhì)的控制與削減對(duì)于湖泊水體中氮營養(yǎng)物污染治理有重要意義。
　　 利用原位生物氧化技術(shù)處理重污染沉積物(底泥)的相關(guān)研究在國內(nèi)具有較好的應(yīng)用前景。選取了以上6個(gè)城市湖泊中污染相對(duì)較嚴(yán)重的青年湖(QN)沉積物作為實(shí)驗(yàn)材料，開展了利用投藥劑(硝酸鈣及微生物營養(yǎng)制劑)促進(jìn)本土微生物氧化降解重污染沉積物的小試研究。該項(xiàng)研究旨在改善城市湖泊底棲

9、生境，為后期的大型沉水植物和底棲動(dòng)物的生態(tài)修復(fù)奠定基礎(chǔ)，試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)硝酸鈣和微生物營養(yǎng)制劑被投加到沉積物中后均能促進(jìn)沉積物中微生物活性的升高，但相同經(jīng)濟(jì)成本的硝酸鈣效果相對(duì)更明顯。(2)投加硝酸鈣可以明顯減少沉積物中磷營養(yǎng)鹽向上覆水的釋放，與投加單一藥劑(硝酸鈣或微生物營養(yǎng)制劑)相比，投加復(fù)合藥劑(硝酸鈣和微生物營養(yǎng)制劑)時(shí)可以明顯減少沉積物中NO3-N和NH3-N的釋放量。(3)沉積物微生物氧化促生藥劑的適宜投放方式及劑量為：

10、在沉積物中15～18 cm處注射298gN/m2的硝酸鈣、0.42L/m2微生物解毒劑(MT)以及0.35L/m2微生物促生劑(BE)。(4)試驗(yàn)結(jié)束取沉積物樣品時(shí)，沒有投藥的對(duì)照柱沉積物臭氣濃烈，而投藥的試驗(yàn)柱中沉積物臭味不明顯，泥樣的顏色也明顯變淺。(5)投加硝酸鈣和微生物營養(yǎng)制劑均能促進(jìn)沉積物堿性磷酸酶活性(APA)的升高，且在投加硝酸鈣的處理中表層沉積物APA有明顯的大幅度升高。
　　 曝氣是水體水質(zhì)凈化及其生態(tài)修復(fù)的常

11、用工程技術(shù)，而磷是湖泊富營養(yǎng)化的關(guān)鍵影響因子。本論文關(guān)于上覆水曝氣對(duì)城市湖泊水-沉積物系統(tǒng)中磷形態(tài)賦存及其遷移轉(zhuǎn)化的影響研究表明：(1)上覆水長期的間歇曝氣引起了表層沉積物微生物活性的升高，其生物代謝是上覆水溶解氧、總磷的降低以及pH值升高的主要原因。(2)上覆水的連續(xù)間歇曝氣導(dǎo)致表層沉積物微生物的堿性磷酸酶活性顯著升高，同時(shí)Fe-P被微生物吸收利用并轉(zhuǎn)化合成自身的OP。上覆水的曝氣通過其對(duì)表層沉積物中微生物的作用影響了表層沉積物磷的賦

12、存形態(tài)及其遷移轉(zhuǎn)化。
　　 利用太陽能循環(huán)流裝置(1號(hào)、2號(hào))分別開展了城市湖泊富營養(yǎng)化控制的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：(1)該類裝置(1號(hào)、2號(hào))可利用太陽能長期間歇曝氣，運(yùn)行基本無噪音，具有節(jié)能和環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)。(2)該類裝置在試驗(yàn)運(yùn)行期間可以促進(jìn)水體中TN和NO3-N含量的降低，對(duì)NH3-N的凈化效果不太明顯；2號(hào)裝置在30～40 r/min的轉(zhuǎn)速下，對(duì)水體混合作用范圍的半徑為11米左右。(3)2號(hào)裝置試驗(yàn)結(jié)束后，表層沉積物的含