北京城市湖泊富營養(yǎng)化及其原位修復初步研究.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、水流滯緩和結構改造等因素的影響，我國的城市湖泊多數(shù)已達到富營養(yǎng)化或極富營養(yǎng)化的程度。相對于太湖、巢湖等大型富營養(yǎng)化湖泊，城市湖泊的研究基礎相對薄弱。因此，本論文選取了北京市區(qū)幾個城市湖泊為研究對象，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)流裝置修復城市水環(huán)境的現(xiàn)場試驗研究。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數(shù)據(jù)和技術參考，對于我國富營養(yǎng)化湖泊水環(huán)境治理與生態(tài)修復理論和實踐的豐富也具一定的意義和價值。
　　 對什剎海三海(西海、后海、前海)2009年度不同月份的10個水環(huán)境和水生態(tài)指標進行了監(jiān)測和分析，結果表明西海的水質(zhì)相對最差而前海的水質(zhì)相對最好，綜合營養(yǎng)狀態(tài)(TLI)指數(shù)評價表明西海處

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。西海的各項指標變化規(guī)律在三海中相對最明顯，其中水溫、葉綠素a(Chla)、總磷(TP)、氨氮(NH3-N)4個指標的數(shù)據(jù)變化規(guī)律類似，而硝氮(NO3-N)的變化規(guī)律與其它指標相反。西海中藻類對水體中氮營養(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)是導致藻類大量增殖的主要原因。
　　 利用TLI指數(shù)對前海湖(QH)、昆明湖(KM)、青年湖(QN)、紫竹院湖

4、(ZZ)、陶然亭湖(TR)和紅領巾湖(HLJ)的水生態(tài)指標進行評價，結果表明以上6個城市湖泊的水質(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個城市湖泊中有5個湖泊水質(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)恢復的相關措施。
　　 所調(diào)查的北京六湖表層(0～10cm)

5、沉積物中的營養(yǎng)鹽污染負荷總體上較嚴重。六湖表層沉積物有機指數(shù)均嚴重超過了污染級別的標準值，其中最低的KM表層沉積物有機指數(shù)值為污染級別臨界值的2倍。六湖中有2個湖表層沉積物中總氮(TN)含量超過了嚴重生物毒性標準，3個湖的TN含量接近嚴重生物毒性標準。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系密切，而微生物活

6、性主要與底棲藻類的生物量有關；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有機氮的礦化，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(鐵鋁結合態(tài)磷)和OP(有機磷)的變幅最大，且TR和QN兩湖的Fe-P和OP的含量均相對較高。六湖表層沉積物中OP與堿性磷酸酶活性(AFA)呈顯著正相關

7、(p<0.01；n=36)，且APA與葉綠素a含量間的相關性極顯著(p<0.01；n=36)；說明六湖表層沉積物中的無機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個北京城市湖泊水體和沉積物營養(yǎng)鹽樣品指標的相關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。六湖表層沉積物的TN和TOC的相關性極顯著(p<0.01；n=18)，且水體TN與湖泊表層沉

8、積物的TN的相關性也達到極顯著水平(p<0.01；n=18)。因此，城市湖泊表層沉積物中總氮和有機質(zhì)的控制與削減對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處理重污染沉積物(底泥)的相關研究在國內(nèi)具有較好的應用前景。選取了以上6個城市湖泊中污染相對較嚴重的青年湖(QN)沉積物作為實驗材料，開展了利用投藥劑(硝酸鈣及微生物營養(yǎng)制劑)促進本土微生物氧化降解重污染沉積物的小試研究。該項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物的生態(tài)修復奠定基礎，試驗結果表明：(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沉積物中微生物活性的升高，但相同經(jīng)濟成本的硝酸鈣效果相對更明顯。(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，投加復合藥劑(硝酸鈣和微生物營養(yǎng)制劑)時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)試驗結束取沉積物樣品時，沒有投藥的對照柱沉積物臭氣濃烈，而投藥的試驗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)修復的常

11、用工程技術，而磷是湖泊富營養(yǎng)化的關鍵影響因子。本論文關于上覆水曝氣對城市湖泊水-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)間歇曝氣導致表層沉積物微生物的堿性磷酸酶活性顯著升高，同時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、2號)分別開展了城市湖泊富營養(yǎng)化控制的試驗研究，結果表明：(1)該類裝置(1號、2號)可利用太陽能長期間歇曝氣，運行基本無噪音，具有節(jié)能和環(huán)境友好的優(yōu)點。(2)該類裝置在試驗運行期間可以促進水體中TN和NO3-N含量的降低，對NH3-N的凈化效果不太明顯；2號裝置在30～40 r/min的轉(zhuǎn)速下，對水體混合作用范圍的半徑為11米左右。(3)2號裝置試驗結束后，表層沉積物的含