Эвтрофикация вызвана прежде всего избыточным поступлением питательных веществ (азот, фосфор) и последующими биогеохимическими превращениями, приводящими к массовому росту фитопланктона, цветению воды и дефициту кислорода при разложении органики. Ниже — ключевые химические процессы и практические химические/биохимические методы профилактики.
Какие химические процессы приводят к эвтрофикации
- Вход и минерализация органического азота: органические N → аммиак/аммоний:
$\text{Org-N}\to N{H}_4^{+}+\text{органические остатки}$.
- Нитрификация (аэробно, двухступенчато):
$N{H}_4^{+}+1.5O_2\to N{O}_2^{-}+2H^{+}+H_{2}O$,
$N{O}_2^{-}+0.5O_2\to N{O}_3^{-}$.
- Денитрификация (аноксично, восстановление нитратов до N2; пример с органическим веществом $C{H}_{2}O$):
$5C{H}_{2}O+4N{O}_3^{-}+4H^{+}\to 2N_2+5C{O}_2+7H_{2}O$.
- Anammox (анаэробное окисление аммония с нитритом):
$N{H}_4^{+}+N{O}_2^{-}\to N_2+2H_{2}O$.
- Фосфорный цикл: фосфат сорбируется на оксидах Fe/Al и в осадке фиксируется, но при восстановительных условиях Fe(III) восстанавливается до Fe(II) и фосфат десорбируется:
$F{e}^{3+}+e^{-}\to F{e}^{2+}$ → высвобождение $P{O}_4^{3-}$.
- Осаждение фосфатов с катионами:
$3C{a}^{2+}+2P{O}_4^{3-}\to C{a}_3(P{O}_4{)}_2\downarrow$,
$L{a}^{3+}+P{O}_4^{3-}\to LaP{O}_4\downarrow$.
- Итог: избыток $N{O}_3^{-}$, $N{H}_4^{+}$, $P{O}_4^{3-}$ стимулирует цветение; при гибели биомассы происходит потребление $O_2$ и возникновение гипоксии/аноксии.
Химические и биохимические методы профилактики (и их механизмы)
1) Снижение источников (наиболее эффективно)
- Сокращение внесения удобрений, точное сельхозвнесение, буферные полосы, очистка сточных вод (снижение входных $N$ и $P$).
2) Очистка сточных вод — химические и биологические технологии
- Химическое осаждение фосфатов (коагулянты): $A{l}^{3+}$ (алюмосульфат), $F{e}^{3+}$ (FeCl3), известь:
осаждение фосфата как алюмо-/железо-фосфатов; эффективнo, но даёт осадок и требует контроля pH.
- Биологическое удаление фосфора (EBPR): популяции PAO чередуют анаэробные/аэробные фазы, аккумулируя поли-фосфаты в осадке.
- Азот: схемы нитрификация→денитрификация в очистных сооружениях; внедрение anammox для энергоэффективного удаления аммония:
$N{H}_4^{+}+N{O}_2^{-}\to N_2+2H_{2}O$ — снижает потребность в органическом субстрате и кислороде.
- Добавление растворимого органического субстрата (метанол, этанол, древесный чипс в фильтрах) для стимулирования денитрификации в системах удаления нитратов.
3) Водоемные (in-lake) химические меры
- Связывание фосфата в толще воды/осадке: алюминиевые соли или модифицированные глины (например, La-бентониты — «Phoslock»):
$L{a}^{3+}+P{O}_4^{3-}\to LaP{O}_4\downarrow$ — блокирует внутренний сброс $P$.
- Известкование/осаждение $P$ при высоком pH: формирование апатитов.
- Химическая коагуляция/флокуляция для устранения взвешенных взрывных биомасс (альг): применение полиэлектролитов + коагулянта с последующим удалением осадка.
4) Биохимические/экосистемные подходы
- Аэрация/оксигенация дна и толщи воды: предотвращает восстановление Fe и выброс $P{O}_4^{3-}$, уменьшает анаэробное разложение.
- Конструированные болота и биореакторы с древесным чипсом для низкозатратного удаления нитратов (денитрификация).
- Биоманипуляция: восстановление трофической структуры (увеличение хищников, снижение плотности фильтрующих копепод/восьминог?) — контролирует фитопланктон через пищевые цепи.
- Удаление биомассы (механическая выемка водорослей) — уменьшает возвращение N и P в систему при разложении.
5) Ограничения и риски
- Химические реагенты дают избыток осадков, изменяют pH, могут токсично влиять на организм.
- Альгициды (CuSO4, H2O2) кратковременны и опасны для нецелевых видов; применять осторожно.
- In-lake мероприятия часто временные: без снижения входных потоков эффекты кратковременны.
Ключевой вывод: эффективная профилактика эвтрофикации — сочетание снижения внешних поступлений $N$ и $P$ (аграрная практика, очистка стоков) и целенаправленных химических/биохимических мер (коагуляция/осаждение P, EBPR, нитрификация/денитрификация/anammox, аэрация, биореакторы), учитывающих локальные условия, стоимость и экологические риски.