揚(yáng)水造流技術(shù)控藻機(jī)制研究

張小璐,何圣兵,陳雪初,楊峰峰,戴鼎立,孔海南 (上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

揚(yáng)水造流技術(shù)控藻機(jī)制研究

張小璐,何圣兵*,陳雪初,楊峰峰,戴鼎立,孔海南 (上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

圍繞揚(yáng)水造流技術(shù)的兩個(gè)關(guān)鍵控藻參數(shù) Vmix(水體垂直混合速率)和 Emix:Eu(混合深度與真光層深度之比),分別在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場圍隔中開展模擬實(shí)驗(yàn)探討藻類的時(shí)空分布.結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)開始20h后藻類垂直分布趨向動態(tài)平衡,Vmix≥1.08cm/min時(shí)2h內(nèi)藻類未出現(xiàn)浮聚現(xiàn)象,Vmix≥1.35cm/min則能夠長期(≥20h)遏制表面水華;根據(jù)20h平衡分布變異系數(shù)對光照和混合組合條件下的控藻效果進(jìn)行了分類.藻類生消實(shí)驗(yàn)顯示衰亡速率常數(shù)K與Emix:Eu呈正相關(guān)(R2=0.85,P＜0.05,n=5),表明增大Emix:Eu在一定程度上有利于促進(jìn)藻類衰亡.現(xiàn)場圍隔實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,Emix:Eu對藻類生長消亡的顯著影響,并認(rèn)為在自然條件下,揚(yáng)水造流技術(shù)要發(fā)揮控藻效用,Emix:Eu必須≥3:1.

揚(yáng)水造流；控藻；光照；混合

揚(yáng)水造流技術(shù)是國際上三大原位控藻技術(shù)之一,在日本、韓國等國家和地區(qū)已投入應(yīng)用并獲得良好的控藻效果[1-2].該技術(shù)通過獨(dú)特的配氣結(jié)構(gòu)形成間歇“氣彈”,促使水體出現(xiàn)劇烈的垂直混合,破壞水體熱成層現(xiàn)象[3],將真光層的藻類驅(qū)趕至水下暗光層,使其隨循環(huán)水流在真光層和暗光層中往復(fù)運(yùn)動,由于光照條件受到限制逐漸失去活性而消亡[4-5].這一過程需滿足:1)水體垂直混合速率(Vmix)達(dá)到一定強(qiáng)度,使水流阻力抵消藻細(xì)胞自身浮力,以抑制具有浮力調(diào)控機(jī)制的藻類(如藍(lán)藻)上浮形成水華[6-8];2)水體混合深度應(yīng)達(dá)到一定范圍,本實(shí)驗(yàn)中采用Emix:Eu來描述[3,9-10],使藻類在光暗區(qū)停留足夠時(shí)間,逐漸失去活性并消亡.目前針對揚(yáng)水造流條件下藻類時(shí)空分布機(jī)制的研究尚十分欠缺,使得該技術(shù)的推廣應(yīng)用受到限制.為此,本研究針對該技術(shù)的關(guān)鍵控藻參數(shù)Vmix和Emix:Eu,分別在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場圍隔中開展模擬實(shí)驗(yàn),探討揚(yáng)水造流對藻類時(shí)空分布的影響.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)室材料與方法

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)為上海交通大學(xué)人工氣候室,設(shè)定晝夜比14h:10h,溫度控制在(25±1)℃.

1.1.1 Vmix對微囊藻垂直分布的影響 實(shí)驗(yàn)材料銅綠微囊藻取自暴發(fā)水華的現(xiàn)場圍隔,呈群體狀,集中分布于 75～150μm(球狀)和 400～800μm(棒狀)兩個(gè)區(qū)間.用無菌水配成一定濃度的藻液(1.42×106個(gè)細(xì)胞/mL).

實(shí)驗(yàn)裝置為有機(jī)玻璃水柱,高 90cm、內(nèi)徑10cm,側(cè)壁每隔15cm開設(shè)一個(gè)取樣口.柱體用黑色暗光紙完全暗光;上方設(shè)置冷白熒光管[11],可調(diào)節(jié)光照條件[12-13]:暗光(0lx)、適光(15000lx)和強(qiáng)光(40000lx).水柱頂部和底部通過橡膠軟管連接至一臺計(jì)量水泵,定量水體通過水柱橫斷面的平均流速為0, 0.43, 0.65, 0.86, 1.08, 1.35cm/min (Vmix,自上而下).

實(shí)驗(yàn)時(shí)先開啟水柱底部的曝氣攪拌裝置攪拌 5min,使藻細(xì)胞濃度在水柱中均勻分布,然后逐時(shí)(0,2,4,8,20,26,32h)取樣測定藻細(xì)胞密度

[14-15].每次采樣后做好水位標(biāo)記,用無菌水補(bǔ)充試驗(yàn)期間蒸發(fā)損失的水分.

1.1.2 Emix:Eu對斜生柵藻衰亡速率的影響 實(shí)驗(yàn)用斜生柵藻購自中科院武漢水生生物研究所藻種庫,試驗(yàn)前擴(kuò)大培養(yǎng)1周[16],取一定體積的藻液以 3000r/min的速度離心 15min,棄掉上清液,用15mg/L的碳酸氫鈉溶液洗滌后離心,重復(fù)3次,用無菌水稀釋后接種[初始藻細(xì)胞密度(0.6～0.7)×106個(gè)細(xì)胞/mL].實(shí)驗(yàn)過程中保持藻類不受營養(yǎng)鹽條件的限制[17].

實(shí)驗(yàn)裝置采用兩支高90cm、內(nèi)徑10cm有機(jī)玻璃水柱,均用黑色暗光紙完全暗光.在一支水柱上方設(shè)置冷白熒光管[11](15000lx,適光)[12-13],另一支水柱遮光,均通過塑料軟管(直徑1.2cm)連接至一臺計(jì)量水泵,使藻液在光柱和暗柱中循環(huán)流動,保持Vmix為0.65cm/min.通過調(diào)節(jié)兩支水柱的水位比來定量Emix:Eu(3:1、4:1、7:1、9:1、13:1).每天 20:00取樣測定藻細(xì)胞密度[18-19](單位為個(gè)細(xì)胞/mL),并及時(shí)用無菌水補(bǔ)充試驗(yàn)期間蒸發(fā)損失的水分.

1.2 現(xiàn)場圍隔實(shí)驗(yàn)材料與方法

室外設(shè)置的軟體浮式圍隔[18]采用 HLPE防滲膜材料,規(guī)格為 1.2m×1.2m,有效水深 1.4m,采用PVC管加塑料泡沫提供浮力,將內(nèi)外湖水隔離,頂部無遮蓋,底部密封并鋪設(shè)底泥(厚度約10cm).圍隔內(nèi)設(shè)置軟管曝氣使水體保持混合狀態(tài)[19].暗光材料采用兩層黑色聚乙烯遮光網(wǎng)(遮光率＞97%),設(shè)置于水下不同深度來調(diào)節(jié)光區(qū)和暗區(qū)的比例(表1).

2009年7、8月份上海地區(qū)為多云有風(fēng)天氣,時(shí)有雷陣雨,晝夜溫差約為7℃,水溫25.1～29.5℃,試驗(yàn)過程中保持藻類不受營養(yǎng)鹽濃度的限制[17].每隔 1d于 17:00采樣測定圍隔內(nèi)葉綠素 a濃度[20],觀測藻類生物量的變化.

表1 圍隔實(shí)驗(yàn)參數(shù)值Table 1 Parameters of field experiment

2 結(jié)果

2.1 Vmix對銅綠微囊藻垂直分布的影響

采用藻細(xì)胞密度隨水深的分布變異系數(shù)[21](CV),即垂直分布變異系數(shù)來描述藻類垂直分布的均勻程度.

圖1 暗光2h銅綠微囊藻的垂直分布曲線Fig.1 Vertical distribution of Microcystis in dark of 2h

2.1.1 銅綠微囊藻2h垂直分布動態(tài)變化 天然銅綠微囊藻靜置 2h后即出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象,表明該藻的浮力調(diào)節(jié)可以在2h內(nèi)發(fā)揮作用.圖1為暗光 2h后銅綠微囊藻的垂直分布曲線, Vmix=0,0.43,0.65,0.86,1.35cm/min對應(yīng)的CV值分別為0.48,0.20,0.22,0.16,0.15,呈總體下降趨勢,表明Vmix有助于抑制銅綠微囊藻上浮;其中Vmix=0時(shí)發(fā)生了肉眼可見的水華,表層藻細(xì)胞密度達(dá)3.66×107個(gè)細(xì)胞/mL.暗光時(shí),銅綠微囊藻通過內(nèi)源呼吸消耗細(xì)胞內(nèi)含物,藻體比重降低,易向上遷移,而垂直向下的水流能在一定程度上減緩這一趨勢,甚至促使部分藻細(xì)胞向下遷移[22].

圖2 適光和強(qiáng)光下2h銅綠微囊藻垂直分布曲線Fig.2 Spatial distributions of Microcystis in proper and excessive light conditions (2h)

表2 銅綠微囊藻2h垂直分布變異系數(shù)聚類分析Table 2 Cluster analysis on CV of Microcystis spatial distribution

適光和強(qiáng)光時(shí),銅綠微囊藻2h垂直分布情況較為復(fù)雜,大體可以分為 3組(a組: Vmix=0～0.43cm/min,b組:Vmix=0.65～0.86cm/min, c組: Vmix=1.08～1.35cm/min) (圖2).適光時(shí),a組銅綠微囊藻集中分布在水面 2cm以內(nèi),細(xì)胞密度達(dá)(2.86～3.54)×107個(gè)細(xì)胞/mL,垂直分布差異顯著(CV=0.37～0.61);強(qiáng)光時(shí) a組則未觀測到表面水華和明顯的垂直分層現(xiàn)象(CV=0.12～0.17),這表明強(qiáng)光對銅綠微囊藻上浮具有抑制作用[8];在適光及強(qiáng)光時(shí),b組水柱均暴發(fā)了表面水華,表層細(xì)胞密度為(1.14～7.80)×107個(gè)細(xì)胞/mL,垂直分層明顯(CV=0.69～1.74),這可能是由于適宜的水體混合利于藻類與營養(yǎng)物質(zhì)的接觸并及時(shí)排泄代謝產(chǎn)物,增強(qiáng)細(xì)胞活性,加快細(xì)胞代謝,使細(xì)胞內(nèi)含物降低而上浮[23];c組水柱均未暴發(fā)水華,藻類的垂直分布較均勻(CV=0.07～0.19),表明 Vmix≥1.08cm/min的混合水流在2h內(nèi)對藻類上浮產(chǎn)生了明顯抑制作用.對所有CV值進(jìn)行聚類分析(表2)表明,藻類在適光條件下比在暗光下更易上浮,原因可能是:雖然適光下藻細(xì)胞的光合作用更強(qiáng),但呼吸作用也大大增加,內(nèi)含物反而可能減少,因而更易向上遷移[23].

2.1.2 銅綠微囊藻20h平衡分布動態(tài)變化 圖3為銅綠微囊藻垂直分布的動態(tài)曲線(CV-h),反映不同時(shí)刻藻細(xì)胞垂直分布的均勻程度.由圖 3可見,20h后CV值基本不再明顯變動,所以把該值定義為平衡分布變異系數(shù)(平衡CV值).對所有18條曲線進(jìn)行聚類分析處理,根據(jù)平衡CV值分成平衡Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組(表3).

圖3 銅綠微囊藻垂直分布變化動力學(xué)曲線Fig.3 Kinetic curve of CV in Microcystis vertical distribution

結(jié)果顯示,平衡Ⅰ組均產(chǎn)生了明顯的表面水華,表層藻細(xì)胞密度達(dá)(1.44～3.42)×107個(gè)細(xì)胞/mL,約占總藻量 35%～57%的藻細(xì)胞分布在水面(表層 2cm,CV=3.46～7.49),這表明該組實(shí)驗(yàn)條件對藻類上浮基本沒有抑制作用;平衡Ⅱ組同樣觀測到了表面水華,表層藻細(xì)胞密度(0.94～4.08)×106個(gè)細(xì)胞/mL,垂直分層明顯(CV=0.29～1.22),而其中有6支水柱在2h時(shí)并未發(fā)生水華,這表明即便在短時(shí)間(2h)藻類上浮得到控制,但可能難以被持續(xù)遏制(≥20h);平衡Ⅲ組均未觀測到表面水華,藻類垂直分布保持均勻(CV=0.06～0.10).實(shí)驗(yàn)時(shí)在 0lx,0.65cm/min的水柱中發(fā)現(xiàn)大量浮游動物,藻生物量過早衰減,這可能是該水柱最終未出現(xiàn)藻類大量上浮的重要原因.

表3 銅綠微囊藻平衡分布變異系數(shù)聚類分析Table 3 Cluster analysis on CV of Microcystis spatial distribution (20h)

無論在暗光、適光和強(qiáng)光下,Vmix對藻類的空間垂直分布均產(chǎn)生顯著影響:Vmix過小,對藻類上浮基本不產(chǎn)生抑制作用;Vmix適度,在一定程度上反而促使藻類上浮;只有當(dāng)Vmix達(dá)到一定的閾值(本實(shí)驗(yàn)為 1.35cm/min),藻類的上浮才能被有效而持久地抑制.

2.2 Emix:Eu對藻類生消的影響

2.2.1 實(shí)驗(yàn)室 Emix:Eu對藻類生消速率的影響 圖4為斜生柵藻的生長衰亡動力學(xué)曲線,反映了不同時(shí)刻的藻生物量.由圖4可見,斜生柵藻的衰亡軌跡在Emix:Eu影響下呈現(xiàn)差異.對所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn),各Emix:Eu條件下藻類的衰亡動力學(xué)過程均可用方程

定量模擬(表4,R2＞0.92),衰亡速率則為:

式中: Mt為t時(shí)的藻生物量,×106個(gè)細(xì)胞/mL; M0為初始藻生物量,×106個(gè)細(xì)胞/mL; K為藻類衰亡速率常數(shù),d-1;Rt為t時(shí)刻藻類衰亡速率,×106個(gè)細(xì)胞/(mL·d).根據(jù)式(2)計(jì)算各個(gè)時(shí)刻的藻類衰亡速率,如表5所示.

圖4 斜生柵藻生長衰亡動力學(xué)曲線Fig.4 Kinetic curve of Scenedesmus obliquus biomass

表4 斜生柵藻衰亡動力學(xué)參數(shù)Table 4 Kinetic parameters of Scenedesmus obliquus decay

表5 斜生柵藻衰亡速率參數(shù)Table 5 Decay rates of Scenedesmus obliquus

本文提出2種表達(dá)藻類衰亡速率的方法,一是根據(jù)式(2)算出任意 t(d)時(shí)刻的藻類衰亡速率,二是根據(jù)藻生物量衰亡動力學(xué)曲線,按照式(1)計(jì)算出藻生物量衰亡至一定百分比所用的時(shí)間,如表4所示不同的Emix:Eu下藻生物量衰亡50%所對應(yīng)的時(shí)間是不同的.此外,將藻類衰亡速率常數(shù)K與 Emix:Eu進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)二者呈顯著正相關(guān)(R2=0.85,P＜0.05,n=5),這表明增大Emix:Eu在一定程度上有利于提高藻類的衰亡速率.

2.2.2 圍隔內(nèi)Emix:Eu對藻類生物量的影響 自然環(huán)境中藻類生物量的變化往往是多種因子綜合作用的結(jié)果[21,24].為進(jìn)一步探索Emix:Eu對藻類生消的影響,在上海交大致遠(yuǎn)湖圍隔中開展小試實(shí)驗(yàn).由圖 5可見,試驗(yàn)開始前 7d,由于持續(xù)陰雨天氣,1～3號圍隔葉綠素a濃度均明顯下降;之后天氣轉(zhuǎn)晴,氣溫升高,3號圍隔(對照)藻類開始急劇增長,1號圍隔藻類也明顯增加, 2號圍隔藻類未明顯增殖.之后由于天氣原因,圍隔內(nèi)藻類生物量均又明顯下降.為進(jìn)一步驗(yàn)證Emix:Eu與藻類生消的相關(guān)性,在第38d將1號圍隔Emix:Eu從2:1降為1.5:1,同時(shí)將2號圍隔Emix:Eu升高至5:1,隨后1號圍隔的葉綠素a濃度快速增長,暴發(fā)微囊藻水華(葉綠素a增至300μg/L),而2號圍隔藻類生物量仍維持在低位(10μg/L左右).第 55d將 1號圍隔 Emix:Eu提升至 3:1,發(fā)現(xiàn)藻類開始逐漸衰亡,生物量持續(xù)下降;同時(shí)將 2號圍隔的 Emix:Eu降低為2:1,發(fā)現(xiàn)藻類數(shù)量開始緩慢增長,20d后增長233.0%.3號對照圍隔在第59d藻生物量出現(xiàn)下降,而后雖恢復(fù)至一定水平,但與高峰時(shí)期相比下降了25%,這可能是由于在封閉圍隔內(nèi),藻類數(shù)量達(dá)到高峰后導(dǎo)致種間競爭加劇,開始緩慢衰亡.總之,該野外試驗(yàn)表明自然條件下Emix:Eu與藻類生物量的變化顯著相關(guān),是影響藻類生長衰亡的重要因子.

圖5 圍隔內(nèi)藻類生物量隨時(shí)間的變化Fig.5 Temporal distribution of algae in enclosure

3 討論

藻類的生消過程是水體物理狀態(tài)、營養(yǎng)鹽濃度、以及生物因素等共同作用的結(jié)果[24-25].近年來一些研究者開始認(rèn)識到光照、風(fēng)浪、湖流、熱成層現(xiàn)象等物理因素可能是控制藻類水華的關(guān)鍵因素[21,26].就單個(gè)藻細(xì)胞而言,某一時(shí)刻外部光照、細(xì)胞內(nèi)含物和水流決定了其垂直運(yùn)動加速度,并在不斷變化的外部環(huán)境中調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)境以利于尋求生存的最佳位置[9,27-28].對于具有浮力調(diào)控機(jī)制的藍(lán)藻如微囊藻而言,長期浮聚于真光層是其占據(jù)競爭優(yōu)勢,并逐漸形成水華的重要原因[29].揚(yáng)水造流條件下藻類被迫隨水流在真光層和暗光層中遷移,在真光層內(nèi)藻類因光合作用而增殖,在暗光層內(nèi)光合作用受到抑制,持續(xù)內(nèi)源呼吸而不斷衰亡[30],總藻量的變化受藻類增殖與衰亡作用的綜合影響.值得注意的是,淺水湖泊中水深往往在5m以內(nèi),即Emix≤5m,真光層深度Eu往往在

2m 左右[11-12],Emix:Eu過低,此時(shí)若采取揚(yáng)水造流技術(shù)控藻很可能失效[3].本文進(jìn)行的初步探索證實(shí)了光照和混合的交互作用是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)控藻的基本機(jī)制,這為藻類水華發(fā)生機(jī)制及控制技術(shù)的深入研究提供一些啟示.

4 結(jié)論

4.1 采用CV對藻類垂直分布的動態(tài)過程進(jìn)行描述,在實(shí)驗(yàn)開始后 20h趨向動態(tài)平衡. Vmix=1.08cm/min時(shí)藻類上浮在短期內(nèi)(2h)得到抑制,而Vmix≥1.35cm/min則能夠持續(xù)(＞20h)遏制表面水華.不同光照條件下 Vmix對藻類垂直分布的影響存在差異.

4.2 衰亡速率常數(shù)K與Emix:Eu呈較高的正相關(guān)性(R2=0.85),表明增大Emix:Eu在一定程度上有利于促進(jìn)藻類衰亡.

4.3 Emix:Eu是影響藻類生長消亡的關(guān)鍵因素,實(shí)驗(yàn)表明Emix:Eu≥3:1時(shí)藻類趨于消亡;野外條件下,揚(yáng)水造流技術(shù)要發(fā)揮控藻效用,Emix:Eu必須≥3:1.

4.4 光照和混合對藻類時(shí)空分布的交互作用是揚(yáng)水造流技術(shù)實(shí)現(xiàn)控藻的基本機(jī)制.

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Studies on algal control mechanism of air circulation technology.

ZHANG Xiao-lu, HE Sheng-bing*, CHEN Xue-chu, YANG Feng-feng, DAI Ding-li, KONG Hai-nan (School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China). China Environmental Science, 2011,31(12)：2058～2064

In order to discuss spatial and temporal distributions of blue-green algae in limnetic water with optical depth and vertical mixing, laboratory and field experiments of air circulation process were conducted, focusing on two key parameters: Emix:Eu– ratio of mixing depth and euphoric zoon depth, and Vmix- vertical mixing rate. Dynamic equilibrium of algal vertical distribution appeared beyond 20h. Within 2h, algal bloom cannot develop at water surface with Vmix≥1.08 cm/min; while the same situation could last for above 20h with Vmix≥1.35 cm/min. Coefficient of variation (CV) was introduced to depict algal vertical dispersion, and 3-order magnitude differences of CV were classified. K - the rate constant of algal decay hold positive correlation with Emix:Eu(R2=0.85), indicating that Emix:Euwas contributive to precipitating algal decline. Besides, field experiment showed that algal bloom disappeared as Emix:Eu≥3.

air circulation；algal control；lighting；mixing

X171.4

A

1000-6923(2011)12-2058-07

2011-02-27

國家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)(2008ZX07106-2-2);溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(S20080024)

* 責(zé)任作者, 研究員, heshengbing@sjtu.edu.cn

張小璐(1984-),女,山東煙臺人,上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,主要從事藻類水華預(yù)測和控制研究.發(fā)表論文3篇.