北京城市湖泊富营养化及其原位修复初步研究

摘要

城市湖泊是城市生态系统及其景观多样性的重要组成部分。受过量纳污、水流滞缓和结构改造等因素的影响，我国的城市湖泊多数已达到富营养化或极富营养化的程度。相对于太湖、巢湖等大型富营养化湖泊，城市湖泊的研究基础相对薄弱。因此，本论文选取了北京市区几个城市湖泊为研究对象，主要开展了：1)典型城市湖泊(什刹海)一年内水质的季节变化及六个城市湖泊水体和表层沉积物污染特征比较研究；2)城市湖泊重污染沉积物原位生物氧化的小试研究；3)曝气对城市湖泊水-沉积物界面磷迁移转化行为的室内模拟研究；4)太阳能循环流装置修复城市水环境的现场试验研究。以上研究工作的成果拟为北京城市湖泊水环境污染的防治提供基础数据和技术参考，对于我国富营养化湖泊水环境治理与生态修复理论和实践的丰富也具一定的意义和价值。
　　 对什刹海三海(西海、后海、前海)2009年度不同月份的10个水环境和水生态指标进行了监测和分析，结果表明西海的水质相对最差而前海的水质相对最好，综合营养状态(TLI)指数评价表明西海处于中度富营养化水平，而前海处于轻度富营养化水平。西海的各项指标变化规律在三海中相对最明显，其中水温、叶绿素a(Chla)、总磷(TP)、氨氮(NH3-N)4个指标的数据变化规律类似，而硝氮(NO3-N)的变化规律与其它指标相反。西海中藻类对水体中氮营养的吸收利用主要以NO3-N为主；且该水体中夏季较高的水温(30℃左右)是导致藻类大量增殖的主要原因。
　　 利用TLI指数对前海湖(QH)、昆明湖(KM)、青年湖(QN)、紫竹院湖(ZZ)、陶然亭湖(TR)和红领巾湖(HLJ)的水生态指标进行评价，结果表明以上6个城市湖泊的水质富营养化程度有明显的差别。其中KM的水质最好，没有达到富营养化的程度；QN和QH的水质为轻度富营养化程度，ZZ、TR、HLJ的水质为中度富营养化程度。所研究的北京6个城市湖泊中有5个湖泊水质处于富营养化程度，说明北京城市湖泊的水质状况不容乐观，宜尽早开展其水体污染治理和生态恢复的相关措施。
　　 所调查的北京六湖表层(0～10cm)沉积物中的营养盐污染负荷总体上较严重。六湖表层沉积物有机指数均严重超过了污染级别的标准值，其中最低的KM表层沉积物有机指数值为污染级别临界值的2倍。六湖中有2个湖表层沉积物中总氮(TN)含量超过了严重生物毒性标准，3个湖的TN含量接近严重生物毒性标准。六湖的表层沉积物TP平均含量约为1100 mg/kg，高于长江中下游大型湖泊表层沉积物的TP平均含量。
　　 六湖表层沉积物中氮、磷形态的转化与其中的微生物活性关系密切，而微生物活性主要与底栖藻类的生物量有关；六湖表层沉积物中的NH3-N主要来源于底栖藻类生物活性对有机氮的矿化，且底栖藻类活性在沉积物NH3-N向NO3-N的转化的过程中起到了主要作用。Ca-P(钙结合态磷)是北京六湖表层沉积物中磷最主要的赋存形态，这与长江中下游湖泊不同；六湖磷的赋存形态中Fe-P(铁铝结合态磷)和OP(有机磷)的变幅最大，且TR和QN两湖的Fe-P和OP的含量均相对较高。六湖表层沉积物中OP与碱性磷酸酶活性(AFA)呈显著正相关(p<0.01；n=36)，且APA与叶绿素a含量间的相关性极显著(p<0.01；n=36)；说明六湖表层沉积物中的无机磷主要被底栖藻类所利用，只有较少部分释放到湖泊上覆水中。
　　 6个北京城市湖泊水体和沉积物营养盐样品指标的相关性分析表明水体中磷和表层沉积物磷的交换作用不明显，这可能与表层沉积物中磷的赋存主要以Ca-P为主的特征有关。六湖表层沉积物的TN和TOC的相关性极显著(p<0.01；n=18)，且水体TN与湖泊表层沉积物的TN的相关性也达到极显著水平(p<0.01；n=18)。因此，城市湖泊表层沉积物中总氮和有机质的控制与削减对于湖泊水体中氮营养物污染治理有重要意义。
　　 利用原位生物氧化技术处理重污染沉积物(底泥)的相关研究在国内具有较好的应用前景。选取了以上6个城市湖泊中污染相对较严重的青年湖(QN)沉积物作为实验材料，开展了利用投药剂(硝酸钙及微生物营养制剂)促进本土微生物氧化降解重污染沉积物的小试研究。该项研究旨在改善城市湖泊底栖生境，为后期的大型沉水植物和底栖动物的生态修复奠定基础，试验结果表明：(1)硝酸钙和微生物营养制剂被投加到沉积物中后均能促进沉积物中微生物活性的升高，但相同经济成本的硝酸钙效果相对更明显。(2)投加硝酸钙可以明显减少沉积物中磷营养盐向上覆水的释放，与投加单一药剂(硝酸钙或微生物营养制剂)相比，投加复合药剂(硝酸钙和微生物营养制剂)时可以明显减少沉积物中NO3-N和NH3-N的释放量。(3)沉积物微生物氧化促生药剂的适宜投放方式及剂量为：在沉积物中15～18 cm处注射298gN/m2的硝酸钙、0.42L/m2微生物解毒剂(MT)以及0.35L/m2微生物促生剂(BE)。(4)试验结束取沉积物样品时，没有投药的对照柱沉积物臭气浓烈，而投药的试验柱中沉积物臭味不明显，泥样的颜色也明显变浅。(5)投加硝酸钙和微生物营养制剂均能促进沉积物碱性磷酸酶活性(APA)的升高，且在投加硝酸钙的处理中表层沉积物APA有明显的大幅度升高。
　　 曝气是水体水质净化及其生态修复的常用工程技术，而磷是湖泊富营养化的关键影响因子。本论文关于上覆水曝气对城市湖泊水-沉积物系统中磷形态赋存及其迁移转化的影响研究表明：(1)上覆水长期的间歇曝气引起了表层沉积物微生物活性的升高，其生物代谢是上覆水溶解氧、总磷的降低以及pH值升高的主要原因。(2)上覆水的连续间歇曝气导致表层沉积物微生物的碱性磷酸酶活性显著升高，同时Fe-P被微生物吸收利用并转化合成自身的OP。上覆水的曝气通过其对表层沉积物中微生物的作用影响了表层沉积物磷的赋存形态及其迁移转化。
　　 利用太阳能循环流装置(1号、2号)分别开展了城市湖泊富营养化控制的试验研究，结果表明：(1)该类装置(1号、2号)可利用太阳能长期间歇曝气，运行基本无噪音，具有节能和环境友好的优点。(2)该类装置在试验运行期间可以促进水体中TN和NO3-N含量的降低，对NH3-N的净化效果不太明显；2号装置在30～40 r/min的转速下，对水体混合作用范围的半径为11米左右。(3)2号装置试验结束后，表层沉积物的含水率有显著升高、间隙水中氨氮向上覆水扩散能力增强。1号和2号装置对上覆水的磷含量和浊度的改善效果均不明显，因此该装置在城市湖泊水质净化及其生态修复应用时应增加降浊和除磷的辅助工程措施。