藻華黑水團(tuán)對上覆水體營養(yǎng)鹽變化的模擬研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
邱陽，苗作云，劉學(xué)芝
（1．江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，江蘇南京210029；
2．黃河科技學(xué)院，河南鄭州450063；
3．同環(huán)宏博（北京）節(jié)能環(huán)�？萍加邢薰�，北京100035）
摘要：藻類聚集區(qū)春夏季易發(fā)生黑臭（俗稱“湖泛”，也稱“黑水團(tuán)”）現(xiàn)象，而在太湖北部區(qū)域趨向常態(tài)化發(fā)展現(xiàn)象。該文主要利用室內(nèi)實驗裝置，通過設(shè)置高巾低3種藻華聚集程度(處理1、2、3的藻細(xì)胞添加量分別為2 000、5 000、8 000 g/m2)模擬實驗研究了動態(tài)條件下黑水團(tuán)發(fā)生過程中上覆水體重營養(yǎng)鹽的變化。結(jié)果表明：在實驗進(jìn)行3d后上覆水體中溶解氧(DO)含量降低到2 mg/L以下，高藻華聚集模擬水體中NH，-N含量增加到14 mg/L以上，PO4P含量增加到0.20 mg/L，TN .TP含量分別高達(dá)15 mg/L.2.0 mg/L，水體中葉綠素含量呈現(xiàn)快速下降趨勢，實驗進(jìn)行到3 d后，其含量下降為l500 mg/m3，水體渾濁度增加.COD含量從50 mg/L快速上升為120 mg/L。表明大量藻細(xì)胞在聚集后受濉度等影響下m現(xiàn)快速死亡、水體缺氧，造成藻華聚集區(qū)易出現(xiàn)黑水團(tuán)現(xiàn)象，對水體生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重影響
關(guān)鍵詞：藻華聚集；黑水團(tuán)； 上覆水； 氮磷營養(yǎng)鹽
目前，太湖水體污染最主要的問題是氮磷過量進(jìn)入水體引起的水體富營養(yǎng)化和由此帶來的周期性藻華大量暴發(fā)，然而近年來頻繁發(fā)生的“黑臭”使得富營養(yǎng)化對水體污染產(chǎn)生了質(zhì)的變化。2007年5月底，主要因藻華聚集造成了無錫貢湖水廠取水口水質(zhì)惡化，進(jìn)而發(fā)生“黑水團(tuán)”的停產(chǎn)事件，致使市民多日無飲用水供應(yīng)，引起了國內(nèi)外的關(guān)注。黑水團(tuán)的發(fā)生最明顯的感官現(xiàn)象就是由于自由鐵離子與還原態(tài)硫結(jié)合形成黑色物質(zhì)，并導(dǎo)致水體發(fā)黑，伴有刺激性異味的硫化氫氣體產(chǎn)生，物化指標(biāo)中則反映溶解氧趨于零，硫化物含量較高。2008年以來，太湖又多次發(fā)生黑水團(tuán)現(xiàn)象，其區(qū)域主要分布在太湖的竺山湖和西部的部分沿岸水域，且形成的黑水區(qū)面積遠(yuǎn)大于2007年發(fā)生黑水團(tuán)時的水域面積，對當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)和生活產(chǎn)生了極大的影響。由于黑水團(tuán)形成后所形成的極度厭氧環(huán)境，對湖泊水土中敏感性元素鐵硫等物質(zhì)的影響很大，而還原性硫與黑水團(tuán)的最主要致黑物（重金屬硫化物）的形成密切相關(guān)，鐵的氧化與還原則對控制底泥磷的釋放具有重要作用。Timmons等通過在厭氧條件下（藻細(xì)胞死亡后）沉積物中磷的季節(jié)變化特征的研究，發(fā)現(xiàn)其會造成沉積物間隙水中磷向上覆水體釋放，從而為藻華的再次發(fā)生提供了磷源。目前在湖泊水環(huán)境研究中對湖體發(fā)生黑水團(tuán)的研究雖然較多；對于大量藍(lán)藻細(xì)胞沉降到沉積物表面上對上覆水營養(yǎng)鹽的動態(tài)變化，尚未有見到有系統(tǒng)的研究報道。因此本文利用采自太湖竺山湖殷村港口的底泥，通過添加新鮮的藍(lán)藻細(xì)胞，利用波浪水槽擾動裝置，研究藻華細(xì)胞聚集后產(chǎn)生黑水團(tuán)現(xiàn)象過程中上覆水營養(yǎng)鹽動態(tài)變化的影響，以能夠說明在此種極端條件下營養(yǎng)鹽的動態(tài)變化及響應(yīng)過程；通過研究不同藻華聚集程度下，該水域黑水團(tuán)發(fā)生與藻體不同密度的相關(guān)性，評估該區(qū)域黑水團(tuán)易發(fā)風(fēng)險，以能更好認(rèn)識藻源性黑水團(tuán)對水體生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。
1材料與方法
在2012年6月份于太湖無錫殷村港口（該處水體處常年處于重污染狀態(tài)，且受主導(dǎo)風(fēng)向影響，在夏季經(jīng)常會出現(xiàn)藻華嚴(yán)重聚集的現(xiàn)象）采用重力采樣器采集原位底泥和水體，按接近實際湖體泥、水深，對所采集的沉積物柱狀樣進(jìn)行分層：10 cm以下的沉積物先裝入水槽中，然后把表層10 cm沉積物鋪在表層，再把采集的湖水緩慢、無擾動的注入水槽中，保持水槽中沉積物深度不少于20 cm、水深不低于60 cm(其中上覆水中TN、TP含量分別為3.20 mg/L、0.18 mg/L，表層沉積物TN、TP含量分別為1 054 mg/kg、l 254mg/kg)。然后靜置10 d，待水體和沉積物達(dá)到動態(tài)的平衡后，在竺山湖殷村港口附近用浮游植物網(wǎng)撈取藻華聚集時的新鮮藻細(xì)胞，然后帶回實驗室把水分去掉，藻細(xì)胞聚集體呈現(xiàn)漿狀。稱量去掉水分后的藻漿進(jìn)行添加：處理1、2、3的藻細(xì)胞添加量分別為2 000、5 000.8 000 g/m2(圖中分別以1#、2#、3#來代替；由于實際采集的水樣中藻細(xì)胞含量低(不超過0.02ug/m3)，而且在實際水體中也沒有發(fā)生黑水團(tuán)現(xiàn)象，因此在試驗中沒有設(shè)置空白對照試驗。根據(jù)調(diào)查，2007年太湖發(fā)生湖泛時水體中藻細(xì)胞聚集時的葉綠素含量為60 g/L，因此，本實驗中添加的處理2濃度為接近太湖發(fā)生時的藻細(xì)胞濃度），然后開始模擬實驗。其他試驗條件設(shè)置如下：模擬條件：溫度（氣溫）：(28+l)℃；水動力：中等風(fēng)情條件（相當(dāng)于3—4 m/s風(fēng)速）；光照：自然光。
1.1試驗設(shè)置及樣品分析
波浪水槽設(shè)置：實驗用的波浪槽的規(guī)格為（長寬高為12 mx2 mxl.2 m）；在波浪槽的一端有一個調(diào)頻電機(jī)帶動的造浪板，可以通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率來調(diào)節(jié)造浪頻率。在本實驗室中，根據(jù)太湖北部湖區(qū)中常見風(fēng)情變化情況，風(fēng)浪擾動為中等風(fēng)情，也即是相當(dāng)于3—4 m/s下的擾動情況。待底泥和水體平衡、加入藻細(xì)胞開始實驗后，每天上下午各擾動th。
實驗開始后，每天定時用溶氧儀測定溶解氧(DO)濃度變化，利用手持便攜式SS測定儀測定水體SS的變化；同時觀察上覆水中水體顏色、氣味的變化；每天定時采集上覆水（分表層、底層，表層取樣設(shè)置在距水面3 cm左右；底層取樣為距底層沉積物表面3 cm左右），樣品按照一定的順序標(biāo)號，取樣后放入冰箱中保存，實驗結(jié)束后一起測定樣品。采集的水樣用以測定TN、TP、高錳酸鹽指數(shù)、NH4+-N、P043--P含量。取500 mL上覆水立即用GF/C濾膜抽濾藻細(xì)胞、用熱乙醇法測定藻細(xì)胞的葉綠素含量fl踟。根據(jù)太湖藻華聚集產(chǎn)生黑水團(tuán)持續(xù)的時間，本模擬實驗的周期為一周，實驗結(jié)束后把沉積物進(jìn)行分層，測定表層10 cm沉積物的氧化還原電位值（Eh）。
2結(jié)果與討論
2.1 物理性質(zhì)及感官反應(yīng)
加入藻體后，不同的擾動反應(yīng)可以使得藻體在水體中分布均勻；而在擾動停止后，由于藻體的生物學(xué)特性，其很快就會聚集到水體的表面。但由于大量藻體的新陳代謝作用，會消耗水體中大量的溶氧(DO)（圖1所示）。因此，當(dāng)水體中的溶氧消耗殆盡后，水體將會發(fā)生一系列的變化。具體表現(xiàn)就是加入高藻量（處理3）的水體DO降低、Eh下降；由于水體及沉積物中的微生物等活動也會消耗部分氧氣，加劇了水體從有氧到厭氧的快速轉(zhuǎn)變。當(dāng)水體處于極度厭氧條件下，水體就散發(fā)出一種異昧，而且隨時間的延長至實驗進(jìn)行到第5天時，模擬實驗的水體從輕微的臭味到散發(fā)出很強(qiáng)烈的刺鼻臭味，整個實驗水槽中呈現(xiàn)出一股極強(qiáng)烈的臭味；同時水體的顏色也從透明狀變化為微黑色至黑色，出現(xiàn)了藻華聚集、快速死亡而導(dǎo)致的黑臭現(xiàn)象。而低藻量及中藻量的實驗?zāi)M中，由于風(fēng)浪擾動影響，表層復(fù)氧過程使得水體的溶氧可以基本保持或滿足藻體的代謝需求，溶氧含量變化較小或水體溶氧含量較低，未出現(xiàn)明顯的黑臭現(xiàn)象。
2.2上覆水營養(yǎng)鹽濃度變化
2.2.1水體的NH4+-N含量變化
低藻量的水體中NH4+-N含量整體變化趨勢在1.0 mg/L下（圖2）。在實驗進(jìn)行到第3天時處理1上部水體中NH4+-N含量達(dá)到了1.18 mg/L;而下部水體在實驗結(jié)束時其含量增加到1.25 mg/L，可能是水體底部缺氧導(dǎo)致了其含量增加。處理2水體中NH4+-N含量呈現(xiàn)不同的變化趨勢。上部水體在整個實驗期間表現(xiàn)為實驗后期有逐漸增加；下部水體中NH4+-N含量表現(xiàn)出含量增加的現(xiàn)象。表明在底部的溶氧(DO)消耗完后，水體在處于厭氧狀態(tài)下使得NH4+-N含量增加，并且NH4+-N會隨著擾動過程而擴(kuò)散到上層水體中。處理3水體中在加入藻體1d后，水體的NH4+-N含量已經(jīng)較高。這是因為較高密度藻細(xì)胞的加入，受其新陳代謝和較高氣溫(28℃)作用，消耗水體溶氧的能力較強(qiáng)，使得水體中的DO迅速消耗而使水體很快進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài)，從而使得藻細(xì)胞快速衰亡、分解并釋放NH4+-N擴(kuò)散到水體中，并在水體擾動情況下，水體中的NH4+-N達(dá)到了一個動態(tài)平衡。在實驗后期，NH4+-N的濃度更是急劇增加。這種現(xiàn)象是由于此時水體、特別是底部水體及沉積物處于極度厭氧狀態(tài)（從圖1中水體Eh的變化可以看出）狀態(tài)，同時由于在這種厭氧狀態(tài)中，由于藻體沉降在沉積物表面，使得有機(jī)質(zhì)的礦化分解成為厭氧分解，造成了水體和沉積物中氮的還原以同化還原為主，而使得NH4+一N含量快速增加；同時部分NH4+一N經(jīng)擾動作用而擴(kuò)散到大氣中，使得實驗室中刺鼻氣味的氣體濃度增加。
2.2.2水體P043--P的含量變化
上覆水體中P043--P的含量變化如圖3所示。同水體中NH4+-N含量變化相比，水體中P043--P的含量變化的規(guī)律性并不明顯。添加低藻量的處理1中上部水體和下部水體中的P043--P含量變化雖然波動性較大，但仍然表現(xiàn)為其濃度逐漸增加的趨勢。添加中藻量的處理2水體中的P043--P含量也表現(xiàn)為類似的趨勢，但在實驗的第6天時表現(xiàn)為異常的高。而添加高藻量的處理3中的P043--P含量也表現(xiàn)為實驗前期較低，且基本上變化量不大，但到了實驗第5天開始增加。這是由于實驗進(jìn)行到第5天時出現(xiàn)藻華聚集引起的水體黑臭，水體處于厭氧狀態(tài)、大量的藻體細(xì)胞失去活性而分解，藻細(xì)胞含有的N、P快速釋放到水體中，而使得水體的P043--P含量大量增加。
2.2.3上覆水體中TP、TN含量變化
上覆水體中TP含量變化如圖4所示。上覆水體中TP的濃度變化同P043--P的變化趨勢類似，都是波動性較大�？偟膩砜矗琓P變化趨勢都是呈現(xiàn)出一種開始較高，實驗后期反而下降的變化。但下部水體中的TP在實驗初始較低，中期較高，到了實驗后期也是呈下降趨勢。實驗初始較高的原因可能是由于開始階段加入的藻體密度較高，由于采樣是擾動結(jié)束后進(jìn)行的，因此所采的樣品中有較多的藻細(xì)胞，而藻細(xì)胞中含有較多的N、P，因此它們對TP起到較大的貢獻(xiàn)，造成初始階段TP較高。而實驗后期TP濃度反而下降的變化趨勢。
TN變化趨勢也呈現(xiàn)出同TP類似的變化情況（圖5），也表現(xiàn)出實驗初始階段較低、中期較高，到實驗后期TN濃度下降。但稍有不同的是，添加高藻量的處理3中TN即使在實驗結(jié)束，其濃度仍然很高，這種情況可能是由于水體中的極端厭氧情況，造成了水體中的藻細(xì)胞大量分解，細(xì)胞內(nèi)含有的氮釋放到水體中，從而使得水體中的TN濃度升高。
通過室內(nèi)模擬實驗說明，大量藻體聚集后，則會造成水體快速出現(xiàn)厭氧狀態(tài)，藻細(xì)胞的死亡分解，細(xì)胞內(nèi)含物中的大量N、P將會釋放到水體中，從而可能加重水體的營養(yǎng)鹽的負(fù)荷。
2.2.4水體中葉綠素的含量變化
作為黑水團(tuán)發(fā)生的主要誘導(dǎo)因素，藍(lán)藻細(xì)胞的重要性不言而喻。而在實驗過程中，最能體現(xiàn)其含量及濃度變化的就是葉綠素的含量變化。因此實驗中葉綠素濃度變化更能說明藻華細(xì)胞聚集后發(fā)生黑臭過程的動態(tài)變化。本模擬實驗中水體葉綠素濃度隨時間變化趨勢呈現(xiàn)前期高、后期快速下降的現(xiàn)象（圖6）。具體來說，添加低藻量的處理1中上下部水體中的葉綠素含量在實驗初期都較高，但隨著樣品采集和藻細(xì)胞的衰亡，其濃度呈逐漸下降的趨勢。添加中藻量的處理2中葉綠素含量也表現(xiàn)出類似的變化情況，但在實驗的第3天，其上下部水體的葉綠素濃度突然升高，這是由于取樣是在擾動剛剛結(jié)束，水體中的藻細(xì)胞分布比較均勻，因此使得其含量較高。但隨后其濃度仍然表現(xiàn)逐漸下降。對于添加高藻量處理3水體中，由于添加藻的量比較多，因此上下部水體中的葉綠素都比較高。但隨著實驗過程中藻細(xì)胞耗氧及其它因素導(dǎo)致水體中溶氧濃度降低，水體從有氧向缺氧和厭氧、由氧化環(huán)境向還原環(huán)境轉(zhuǎn)化，造成水體中藻細(xì)胞快速死亡和數(shù)量下降，其外在表現(xiàn)就是水體中葉綠素濃度持續(xù)下降；同時因水體擾動作用，使得部分藻細(xì)胞在水體中的分布較為均勻。表現(xiàn)為上部水體中的葉綠素的濃度逐漸下降，下部水體中的葉綠素濃度隨時間的增加而升高。但在實驗的末期，由于厭氧、還原的水體環(huán)境下，分散在下部水體中的藻細(xì)胞可能死亡分解，因此其含量降低。表層水體中由于動力擾動過程的復(fù)氧作用，增加了表層水體的溶氧含量，從而還能維持部分藻細(xì)胞的新陳代謝作用，而使得殘留的藻細(xì)胞聚集在上部水體中，這也可以從實驗結(jié)束時，雖然水體發(fā)黑、發(fā)臭，但水體表面仍然有許多藻細(xì)胞存活得到驗證。
2.2.5水體SS的含量變化
懸浮物(SS)指懸浮在水中的不溶性物質(zhì)。包括不溶于水中的無機(jī)物、有機(jī)物及泥砂、黏土、微生物等。水中懸浮物含量是衡量水污染程度的指標(biāo)之一，水體懸浮物的含量高低也可以作為水質(zhì)好壞的一個指標(biāo)。本模擬試驗中上覆水體中懸浮物的含量變化如圖7所示。水體中底層懸浮物的濃度變化量都不大，表現(xiàn)為實驗前期較為持平，實驗后期含量稍有增加；表層水體中SS含量較高，但在實驗后期逐漸下降。具體表現(xiàn)就是添加低藻量的處理1中上下部水體中的SS濃度在整個實驗中的變化不大，這是因?qū)嶒炃捌谠寮?xì)胞濃度較高，造成SS含量也高；實驗后期藻細(xì)胞濃度降低，SS含量也隨之下降。添加中藻量的處理2中上部水體中SS在實驗第4天后下降，而底層水體中SS含量稍有增加。添加高藻量的處理3中由于受藻細(xì)胞濃度的影響，因此即使在實驗開始階段其含量也很高（表層SS為1516 mg/L），隨實驗進(jìn)行，由于受溶氧影響，部分藻細(xì)胞沉降到下層水體中，引起上部水體中SS下降（實驗結(jié)束時表層仍高達(dá)到1500 mg/L），底層水體中的SS含量增加（實驗開始及結(jié)束時低層水體分別為1 250 mg/L、1269 mg/L）。出現(xiàn)這種情況是因水體中大量的藻細(xì)胞密度較大，即使在實驗的后期，其高含量的藻細(xì)胞也使得水體中所測的SS含量較高。
2.2.6水體COD的含量變化
COD是一種常用的評價水體污染程度的綜合性指標(biāo)。它反映了水體受到還原性物質(zhì)污染的程度。由于有機(jī)物是水體中最常見的還原性物質(zhì)，因此，COD在一定程度上反映了水體受到有機(jī)物污染的程度。COD越高，污染越嚴(yán)重。因此，利用COD濃度變化可評價藻華堆積過程中對水體的有機(jī)污染動態(tài)變化。COD的變化情況雖然呈現(xiàn)不規(guī)則的波動，但總體上表現(xiàn)為實驗前期其濃度較高，實驗后期及末期呈逐漸下降態(tài)勢（圖8）。實驗前期由于加入藻體細(xì)胞濃度較高，而藻細(xì)胞中含有大量的可降解的有機(jī)質(zhì)，因此在水體中表現(xiàn)為COD的含量較高。隨著時間的增加，水體中一些還原物質(zhì)，包括部分死亡的藻細(xì)胞，在動力擾動復(fù)氧情況下，逐漸降解。因而表現(xiàn)為COD的濃度隨時間增加而降低。而對于添加高藻量的處理3中由于加入的藻量較大，且實驗中水體呈現(xiàn)為厭氧狀態(tài)，因此，水體中還原性物質(zhì)，包括死亡藻細(xì)胞的殘體的降解速率下降，表現(xiàn)為在實驗的后期其濃度仍然較高。這也說明藻體大量聚集、死亡后，對水質(zhì)的影響還是很大的。
3結(jié)論
(1)藻華細(xì)胞聚集后會很快消耗掉水體中的溶解氧(DO)，即使有中等風(fēng)浪擾動也不足以消除這種厭氧狀態(tài)，造成沉積物表層出現(xiàn)強(qiáng)還原環(huán)境。
(2)藻華細(xì)胞高聚集量下會引起水體中Chl-a、SS、COD含量快速升高，水體產(chǎn)生嚴(yán)重的有機(jī)污染，藻細(xì)胞出現(xiàn)快速死亡，致使水體處于嚴(yán)重的水質(zhì)污染狀態(tài)。
(3)高聚集量下產(chǎn)生黑水團(tuán)現(xiàn)象后，藻華細(xì)胞快速死亡釋放大量的氮磷營養(yǎng)鹽于上覆水體中，導(dǎo)致水體營養(yǎng)鹽濃度（具體表現(xiàn)為TN、TP、PO43-P、NH4+-N等）急劇增加，水體處于嚴(yán)重富營養(yǎng)化狀態(tài)，因藻華聚集產(chǎn)生的黑水團(tuán)現(xiàn)象對水體污染產(chǎn)生了質(zhì)的變化。
下一篇:返回列表
