水体富营养化：人类破坏生态平衡的惩罚与成因

水体富营养化：人类破坏生态平衡的惩罚与成因

水体的富营养化是大自然对人类破坏生态平衡的惩罚——当我们污染了水体，就破坏了大自然的生态平衡，破坏了人类赖以生存的自然系统，最终毁灭了我们自己的家园。

水体富营养化及其原因

富营养化是由于氮、磷等植物营养物质含量过高而引起的水体污染现象。在自然条件下，随着江河的冲击和水生生物的残骸不断沉降堆积在湖底，湖泊由贫营养湖泊（氮、磷含量相对较低）过渡到富营养湖泊（氮、磷含量相对较高），进而演变为沼泽、陆地，这是一个极其缓慢的发展过程。

随着工农业大规模生产的快速发展，“城镇化”现象愈加明显，导致不断增长的人口向一些水资源丰富的特定地区集中，如我国东南沿海地区。人口密集的城市排出的大量含有氮、磷营养物质的生活污水和工业废水流入湖泊、河流、水库，增加了这些水体的营养负荷，造成水体的富营养化。这种情况属于点源污染。同时，在农村，为了提高农作物产量，化肥和畜禽粪便的施用量也逐年增加。经过雨水的冲刷和下渗，一定量的植物营养物质以面源形式输送到水体中。

过量的营养物质以点源、面源形式输入水体，促使自养生物——大型绿色植物和微小藻类旺盛生长、快速繁殖；而当死亡的水生生物沉降到湖底并被微生物分解时，会消耗水中大量的溶解氧，造成水质恶化，进而造成水体溶解氧含量急剧下降，水生生物（如鱼类）窒息死亡，水体也由生产力水平较低的贫营养状态转变为生产力水平较高的富营养状态。

一般认为，总磷和无机氮浓度分别达到0.02毫克/升和0.3毫克/升的水体即处于富营养状态。

水体富营养化的危害

水体的富营养化主要表现为浮游生物的大量繁殖，由于浮游生物颜色各异，水面常常呈现出蓝色、红色、棕色、乳白色等颜色，这种现象在江河湖泊中被称为“水华”或“湖蓝”，在海洋中则称为“赤潮”。令人担忧的是，湖泊、水库等缓流水体一旦形成富营养化状态，由于营养物质在水体内闭环循环，即使切断外界营养源，也难以自净恢复。这也是尽管投入了巨额资金和人力，仍无法对滇池、巢湖等富营养化湖泊进行有效治理的根本原因。

水体富营养化的危害有很多，如影响水体溶解氧、向水中释放藻毒素等有毒物质、降低水体透明度、散发鱼腥味等。这些危害互为因果、相互促进，最终导致水生生态平衡的破坏。值得一提的是，我国多以江河、湖泊、水库等地表水作为饮用水和工业用水的水源，而水库、天然湖泊等缓流水体作为城市水源的比例逐年增加。这些水源如果发生富营养化，凸显出高藻、高氨氮水质的特征，将严重影响城市供水安全。

首先，在藻类繁殖旺盛的夏季高温时期，过多的藻类会给水厂的过滤过程带来障碍，造成水厂滤池堵塞，过滤效率降低，需要改进或增加过滤措施。其次，富营养化水体因缺氧会产生铁、硫化氢、甲烷、氨等有毒有害物质，包括藻毒素等致癌的有毒物质，增加了制水过程中水处理的技术难度，增加了制水成本。这种富含铁的自来水往往会发出难闻的气味，还会在水管内形成铁锈，产生所谓的“红水”，完全失去了自来水的功能。目前，在西方国家，富营养化水体是严格禁止作为饮用水水源的。

近年来，我国频繁发生水体富营养化引起蓝藻暴发，影响供水安全的事件。2007年，太湖、巢湖、滇池均出现大规模蓝藻暴发。5、6月份太湖大规模蓝藻暴发，影响了无锡数十万群众的饮水安全，威胁到群众的健康。同样，对于上海供水来说，黄浦江水源地不断前移、长江入海口青草沙水库修建，原因之一就是为了解决黄浦江水质差，特别是氨氮含量高的问题。

针对当前各地水源地富营养化污染现状，中国科技部在“十一五”、“十二五”期间设立水污染控制与治理国家重大科技专项，开展技术研发，旨在解决水体富营养化治理难题，最大程度保护水源地水质，提高区域供水安全。

生物废水处理原理简介

图为昌东污水处理厂中水回用项目

对于我国来说，当务之急是切断或减少水体的外部污染负荷，这是防治水体富营养化的第一步。这在一定程度上需要加快配套城镇截污管网建设，实行雨污分流，逐步杜绝城镇生活污水、工业废水直接排入城市河道。

城市污水（包括生活污水和部分工业废水）主要含有碳、氮、磷等可溶性有机污染物，因此污水处理的关键技术主要针对这些目标污染物的去除。微生物处理方法以其成本低廉、设备简单、天然的生物性等特点在污水处理领域发挥着重要作用。城市污水脱氮除磷的核心技术就是利用微生物处理方法。

利用微生物处理污水的本质与微生物的代谢机制息息相关。与人类相似，微生物生命活动的基础是营养，主要包括碳、氮、能量和无机盐。微生物只有不断地从环境中吸收碳有机物、氮磷营养物质和部分无机盐，并利用这些物质生化转化产生的能量，才能合成细胞物质，维持正常运动，繁衍后代。

这类似于我们人类每天需要摄入米饭/馒头（碳源）、鱼肉（蛋白质-氮源）以及其他微量元素（食盐）才能维持正常的生命活动。由于污水中含有这些营养物质和无机盐矿物元素，被视为污染物，微生物可以与污水充分接触，促使微生物最大限度地“吃（消化）”这些物质，从而实现自身的质量提升和种群的繁殖，同时也将污水中的污染物转化为稳定无害的物质。

污水生物处理的关键是要根据各种微生物的生理特性，人为地创造最适合其生长的环境，使它们在短时间内数量显著增加，并具有较高的活性。只有“量”与“质”兼备，微生物群落才能高效地“吞噬”和“转化”污水中的污染物。例如，在污水处理厂的工艺流程中，常常通过不断给污水充氧来强化微生物的代谢和有机物转化过程，最终形成易于沉淀分离的微生物絮体（或细菌絮体），净化污水。这种由微生物组成的絮体又称为“活性污泥”，活性污泥法在污水处理工艺中得到广泛的应用。

城市污水脱氮除磷处理

生活污水中主要含有有机氮和氨氮，二者均来源于人们食物中的蛋白质（主要由氨基酸组成）。新鲜生活污水中有机氮约占总氮的60%，氨氮约占40%。当污水中的有机物被微生物降解氧化时，其中的有机氮就转化成氨氮。生物反硝化是指在微生物作用下，有机氮和氨氮转化成氮气（N2）的过程，包括硝化和反硝化两个反应过程。 ①硝化反应是在有氧条件下，NH4+氧化成亚硝酸氮（NO2-）和硝酸氮（NO3-）的过程。此动作由亚硝酸菌和硝酸菌完成。这两种细菌都是化能自养微生物，即以无机碳（如CO2）为食物，获取能量，合成细胞物质。 ②反硝化反应是指反硝化细菌在厌氧条件下将NO3-和NO2-还原为N2的过程。

反硝化菌是异养（需要有机碳源来合成细胞）兼性厌氧菌。在有氧存在的情况下，它们可以利用O2作为电子受体进行有氧呼吸；在无氧但有NO3-或NO2-的情况下，它们以NO3-或NO2-作为电子受体，以有机碳作为电子供体和营养源进行反硝化。在城市污水处理厂的生物反硝化过程中，往往创造好氧（有氧）和缺氧（无氧）环境，分别富集硝化菌和反硝化菌，利用硝化和反硝化反应，有效实现废水中的氨氮和有机氮转化为N2，从而达到反硝化的目的。

生物除磷技术主要是利用微生物作用，将废水中的磷转化到微生物细胞内，通过排出高磷污泥的方式去除废水中的磷。在厌氧（无氧、无NO3-）和好氧（有氧）交替运行条件下，可以驯化出一类特殊的微生物。它们可以从外界环境中过量吸收磷，超过其生理需要，并将磷以聚磷酸盐（poly-P）的形式储存在体内，形成高磷污泥排出系统，达到去除废水中磷的效果。我们把这一类微生物统称为聚磷菌。

现有的生物除磷工艺一般是利用厌氧/好氧交替环境，高度富集聚磷菌（即最大限度提高其在总微生物中所占的比例），通过与污水的接触反应，凸显其过量吸收磷的特性，获得高效的除磷能力。

与污水生物脱氮除磷相比，有机碳的生物去除机理比较简单。微生物在去除含碳有机物时主要进行有氧代谢，此时异养微生物以有机物为食物，通过有机物氧化产生的能量，合成细胞物质。因此，有机碳源被氧化分解后，一部分用来合成新的细胞，即合成代谢；另一部分最终形成CO2、H2O等稳定的无机物质。

废水生物脱氮除磷及强温室气体N2O的释放

目前，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和N2O被认为是三种最重要的温室气体。其中N2O是一种强温室气体，其全球变暖潜能值是CO2的310倍，也是造成臭氧层损耗的物质之一。污水处理是N2O的潜在人为来源之一，主要发生在污水生物脱氮的硝化和反硝化过程中。随着世界各国政府对污水排放含氮量的控制日益严格，污水厂必须实施反硝化工艺，这大大增加了N2O温室气体释放的可能性，还可能将环境污染问题从水环境转移到大气环境。

近年来关于N2O释放的研究报告表明，污水处理过程中N2O的释放有增加的趋势，因此其可能产生的温室效应将日益严重。有研究报道，污水处理过程中每年排放的N2O总量约为（0.3-3）×1012 kg，占全球N2O总排放量的2.5%-25%；而在实际的污水反硝化过程中，进水中0-14.6%的氮可能转化为N2O而释放。可见，污水处理过程中N2O这种强温室气体的释放不容忽视。 但由于对反硝化过程中N2O生成原因、氮转化途径、功能微生物代谢及物种组成等科学机理缺乏统一认识，目前无法针对污水处理厂提供有效的N2O温室气体诊断与减排控制策略，给实现我国污水处理厂节能减排目标带来极大困难。

近年来，作者对反硝化除磷技术进行了深入研究，反硝化除磷和厌氧氨氧化两项新技术的研发与应用被认为对可持续污水生物处理工艺的发展具有划时代意义。反硝化除磷技术在荷兰等欧洲国家的实际污水处理厂中已有应用，其主要利用反硝化聚磷酸盐菌在厌氧条件下吸收污水中的碳源并转化为胞内有机碳源（PHA），在缺氧条件下利用NO3-电子受体进行同步反硝化吸磷。

反硝化聚磷酸盐菌的“一碳两用”代谢机制巧妙地避开了传统工艺中含碳有机物先被氧化消耗，而反硝化因碳源不足而受阻的问题，不仅节省COD能耗（约50%），还减少了消耗外部能源产生的CO2温室气体（曝气量减少30%），顺应了当前我国提出的发展“低碳模式下的水处理技术”的趋势。

但研究表明，该类反硝化作用可能比传统的外加碳源反硝化释放更多的N2O温室气体，在一定程度上可能削弱反硝化除磷技术的优势。而反硝化除磷过程中可能释放的N2O量及其释放特性尚不明确，更不能给出明确的科学机理解释。对此，我们以基于内碳源的反硝化除磷技术——反硝化除磷为研究对象，拟从细胞水平上解释内源反硝化反应过程中N2O生成的诱导因素，初步揭示反硝化除磷过程中氮、碳转化途径，并利用分子生物学技术揭示反硝化除磷系统中对N2O生成起主导作用的功能微生物的组成特征。

这些研究将有助于我们深刻认识反硝化除磷的科学机理，为制定反硝化除磷过程中N2O排放削减策略提供理论科学依据，同时也能为反硝化除磷技术的快速推广、废水脱硝除磷的真正节能减排提供技术保障。

本文作者是同济大学环境科学与工程学院王亚一