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            霧霾能夠誘發水體富營養化

            慧聰水工業網 2022-05-13 08:13 來源: 水業碳中和資訊作者:羅玉琪,郝曉地等

            編者按:近年來我國水環境治理效果明顯,但水體富營養化仍是當前需要迫切解決的水環境問題。實際上,導致水體富營養化的主要元兇——氮、磷等營養物質不僅有人為源,也存在天然源,人為源多是顯性的,而天然源往往是隱性而不易察覺。防治水體富營養化首先是阻斷外源氮、磷進入,然后才能跟進其它技術措施。然而,在阻斷外源方面,關注較多的是人為源這樣的顯性源(農業面源、污水點源、城市面源等),很少注意到天然源(巖石侵蝕、浮塵下沉、霧霾降水等)那樣的隱性源。監測數據顯示,無論是干沉降還是濕沉降(降雨),從大氣進入地表水體的氮、磷負荷可能高于城市污水點源排放濃度,大大超過致水體富營養化之營養物標準。因此,我們在治理水污染的同時,還需下大力氣治理大氣污染。只有做到水、氣、固三管齊下,我國水體富營養化問題才能得到有效根除。本期將回顧2018年發表于《中國給水排水》文章,辨析霧霾干、濕沉降中氮磷含量及進入水體的營養物負荷,確定它們在大氣環流或降雨時誘發水體富營養化現象。

            前言

            近年來,我國水體富營養化現象較為嚴重,為此我國投入了大量財力、物力和人力進行“綜合”治理,但像滇池、太湖、巢湖等湖泊藍藻暴發現象未曾中斷,可以說是事倍功半。從根源上思考:導致水體富營養化的元兇——氮磷等營養物質既有人為源(多數是顯性),也有天然源(往往是隱性)。治理水體富營養化首先需要阻斷外源氮磷進入。然而,我們關注較多的是如何阻斷人為源這樣的顯性源(農業面源、污水點源、城市面源等),卻很少注意到天然源(巖石侵蝕、浮塵下沉、霧霾降水等)那樣的隱性源。歐洲地表水中磷的來源分析表明,巖石侵蝕進入水體中的磷負荷(10%)在其他適宜環境(氮、硅酸鹽等含量與溫度、陽光、水流等物理條件)足以導致水體富營養化。另一方面,大氣環流和降雨在水體營養物質循環中也扮演著一定角色;如今頻繁出現的霧霾天氣必定會誘發營養物循環,但問題在于霧霾在干、濕沉降下是否產生導致水體富營養化的氮、磷水平。因此,很有必要探討霧霾與水體富營養化的關系。

            01霧霾特征與組成

            霧霾即霧(由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統)和霾(主要組成成分為二氧化硫、氮氧化物以及可吸入顆粒物; 前兩者為氣態污染物,后者顆粒物則是加重霧霾污染天氣的罪魁禍首)的合稱,用來表示大氣污染的狀態。其中近地空氣中各種可吸入細顆粒物含量可以用PM10和PM2.5兩個綜合指標表示。

            表1 PM10和PM2.5的定義及來源

            通過分析霧霾來源可知,霧霾中氮氧化物普遍存在,雖然表1未明確提及磷的成分,但不難推斷,只要空氣中存在揚塵、浮土,磷也應該包含其中,重點在于辨析或分析霧霾干、濕沉降中氮磷含量及進入水體的營養物負荷,以確定它們能否在大氣環流或降雨時誘發水體富營養化現象。

            02霧霾致水體中氮、磷含量

            大氣環流作用對地表水體中氮、磷含量的貢獻涉及環境學、大氣科學中的干/濕沉降概念;干沉降表示不降水時,大氣中的污染物質被植被吸附或重力沉降到地面的現象; 濕沉降表示發生降水時(雪、霧、露、雹 等)高空雨滴吸附包含污染物繼而下降的現象。

            以太湖(降雨量較大,以濕沉降為主)為例,2002年7月—2003年6月期間,太湖水面直接受納的大氣TN、TP污染物分別占到環湖河道年輸入氮、磷污染物總量的48.8%和46.2%;2007年太湖水體ρ(TN)和ρ(TP) 的年均值分別為2.81mg/L和0.101mg/L;2009年8月—2010年7月期間,濕沉降中ρ(TN)和ρ(TP)的年均值分別為3.16mg/L和0.08mg/L。在遠、近距離大氣污染物傳輸的影響下,太湖水體每年從大氣沉降途徑受納的TN和TP分別為9881 t/a和715 t/a,其中,經湖面降雨、霧(霾)等濕沉降途徑分別占太湖TN、TP大氣總沉降量(包括環湖雨水徑流)的79.5%和28.4%。太湖水體中氮、磷含量已超富營養化標準,若再加上大氣降水的氮、磷,會讓太湖水質雪上加霜。

            長江口水域富營養化形成機理研究結果顯示,TN中城市生活污水點源排放貢獻率和工業廢水排放貢獻率分別為17%和9%,而大氣的干/濕沉降高達25%,若出現霧霾時,大氣環流帶入水體的氮、磷含量將遠遠超過檢測值。

            再以內蒙古自治區西部巴彥淖爾市烏拉特前旗境內的烏梁素海(降雨量較小,大氣氮沉降以干沉降為主)為例,根據不同來源的氮輸入量對比分析發現,監測期內大氣氮沉降總輸入量占排水干渠、干管(排水干管)等輸入湖泊TN負荷的37.5%。監測期內大氣沉降方式向湖泊輸入的TP占排水干管輸入的36.4%。其中,每年6月和7月大氣沉降TN、TP量遠高于排水干管輸入量,分別是排水干管入湖量的1.09倍和1.97倍。顯然,大氣沉降(干沉降)方式是湖泊獲取氮、磷元素的重要來源。

            城市景觀水體多數處于封閉狀態,水體流動性差,水體自凈能力弱,更易反映出大氣環流作用對水體水質的影響。在不考慮水體自凈能力的前提下,以2008年上海城區5個不同類型環境區域的景觀水體為例,詳細數據見表2。

            表2 2008年上海受檢測水體 N、P月累積量及水質轉化時間

            水質檢測數據顯示,即使在干沉降情況下,由大氣進入地表水體的氮、磷含量在很多情況下足以誘發水體富營養化現象。若遇極端霧霾天氣和降雨,濕沉降對大氣的“清洗”作用將對地表水體產生更大的富營養化威脅。

            03大氣中氮、磷轉移至水體途徑

            上述檢測數據顯示,氮、磷從大氣轉移至地表水體中通常有兩種途徑,即干沉降和濕沉降。一般情況下,磷多來源于干沉降,氮在濕沉降時含量則會更高。

            在形成降水過程中,易溶于水的銨鹽、硝酸鹽等含氮化合物會隨降雨而降落地面,因此,氮在濕沉降時往往含量較高,特別是霧霾等極端污染天氣下。磷在正常情況下通常以浮塵顆粒形式存在,大氣環流氣溶膠中含磷顆粒污染物在氣團輸移過程中較容易通過重力、粒子間的碰并作用而沉降,從而離開氣團。也就是說,大氣中的磷主要通過干沉降的方式降落水體或地面(隨后通過降雨徑流再進入水體) 。有實驗表明,由風導致的顆粒物(如霧霾等)傳播是大氣磷沉降的主要來源,含量大致占全部大氣磷沉降的90%。

            04結語

            從可能誘發水體富營養化角度來說,霧霾中的氮、磷應該屬于“隱性”污染源,所以,很少受到關注。然而,許多監測數據顯示,因大氣環流導致的污染物干沉降和濕沉降中往往含有很多氮、磷成分,特別是在霧霾等極端污染天氣出現的情況下。太湖等地非極端天氣下監測數據表明,無論是干沉降還是濕沉降,進入地表水體的氮、磷負荷甚至高于城市污水點源排放,其量已足以誘發水體富營養化現象。

            因此,霧霾可誘發水體富營養化現象這一觀點基本可以定論,特別是在地表水體富營養化還未完全消除的情況下。在對各種地面源采取防治水體富營養化措施(源頭截留、水體自凈、污水處理)的同時,也需要對霧霾這種“隱性”污染源給予足夠的重視。為此,根除水體富營養化需要將水污染和大氣污染雙管齊下治理方能得到有效控制。這也可能是太湖、滇池、巢湖等著名淡水湖泊久治不愈的原因所在,或原因之一。

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