改性當(dāng)?shù)赝寥兰夹g(shù)修復(fù)富營養(yǎng)化水體的綜合效果研究:Ⅲ.模擬湖泛水體的應(yīng)急治理效果*

代立春，潘 綱＊＊，李 梁，李 宏，畢 磊，尚媛媛，王麗靜，王 丹，張洪剛，李巧霞，古小治，鐘繼承

(1:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

(2:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，南京 210008)

近年來，無錫太湖部分區(qū)域常出現(xiàn)水體渾濁、顏色為深黑色、時(shí)而有氣泡并伴有惡臭氣味的現(xiàn)象，即“湖泛”.湖泛指富營養(yǎng)化湖泊水體在藻類大量暴發(fā)、積聚和死亡后，在適宜的氣象和水文條件下，與底泥中的有機(jī)物在厭氧條件下發(fā)生生化反應(yīng)，大量釋放硫化物、二甲基三硫等嗅味物質(zhì)，形成黑褐色并伴有惡臭的黑水團(tuán)，迅速降低水體DO，大量釋放營養(yǎng)鹽，惡化水質(zhì)和感官，使得水體生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象[1-3].

湖泛是太湖嚴(yán)重的環(huán)境危害之一.從1990s 開始，西太湖、梅梁灣和貢湖灣就開始出現(xiàn)湖泛現(xiàn)象.在2007年的藍(lán)藻水華事件后，湖泛相繼出現(xiàn)，產(chǎn)生了大量的嗅味物質(zhì)，惡化水體感官質(zhì)量，給太湖周邊地區(qū)的飲用水供給帶來了嚴(yán)重的危害[4-5].在2008年5月26日至6月9日期間，在宜興市附近形成了17 km2的黑水團(tuán)區(qū)域，嚴(yán)重破壞了太湖水體生態(tài)系統(tǒng)[2].盡管湖泛的成因及其環(huán)境危害已經(jīng)有了較多的研究[2，6-9]，但是對(duì)湖泛的原位治理方法還缺乏相應(yīng)的研究，特別是在湖泛的嗅味物質(zhì)的原位去除方面還未見報(bào)道，因此探索湖泛的原位治理技術(shù)對(duì)湖泛的治理顯得尤為重要.潘綱等前期報(bào)道的改性當(dāng)?shù)赝寥兰夹g(shù)修復(fù)富營養(yǎng)化水體的綜合效果研究系列文章(Ⅰ和Ⅱ)表明，改性當(dāng)?shù)赝寥兰夹g(shù)不僅能夠快速去除藍(lán)藻水華以及水體其他顆粒物和營養(yǎng)鹽，而且可較長(zhǎng)期地防控底泥再懸浮和減少底泥二次污染[10-14].目前尚未見報(bào)道用該技術(shù)原位快速去除黑水團(tuán)顆粒物并通過沙土負(fù)載臭氧的方法分解嗅味物質(zhì)和改善厭氧環(huán)境的研究.

本研究將室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)圍隔試驗(yàn)相結(jié)合，擬通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)比較改性當(dāng)?shù)赝寥缹?duì)湖泛水體黑色固體物質(zhì)的去除效果，以及考察沙子和土壤覆蓋技術(shù)在抑制湖泛絮體再懸浮方面的作用;并在位于太湖喇叭口的圍隔內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以探討改性當(dāng)?shù)赝寥?沙子湖泊綜合修復(fù)技術(shù)去除湖泛黑色物質(zhì)、水體嗅味物質(zhì)和營養(yǎng)鹽的實(shí)地效果，以及對(duì)水體DO 的改善效果，為湖泛的原位治理提供技術(shù)參考和科學(xué)建議.

1 材料與方法

1.1 湖泛黑物質(zhì)室內(nèi)絮凝和再懸浮實(shí)驗(yàn)

殼聚糖購自青島云宙生物技術(shù)有限公司;聚合氯化鋁(PAC)購自北京市惟事美環(huán)?？萍加邢薰?土壤取自太湖梅梁灣岸邊，首先采用蒸餾水清洗土壤，在90℃下干燥10 h，然后過180 目篩用于絮凝，過20 ～40 目篩用于覆蓋.沙子購自無錫當(dāng)?shù)氐牟缮硤?chǎng)，經(jīng)蒸餾水清洗和烘干后，過40 目篩備用.殼聚糖采用0.5%醋酸溶解，用于改性土壤.模擬湖泛黑水團(tuán)水采自太湖梅梁灣喇叭口蘆葦蕩湖泛區(qū)，用5 L 采水器在湖泛區(qū)表層(0.5 m)和底層(距離湖底0.5 m)各取5 L 黑水團(tuán)水，置于10 L 水樣桶中，混合均勻，4℃條件下存放24 h 之內(nèi)使用.

1)模擬湖泛水體黑物質(zhì)絮凝去除:實(shí)驗(yàn)開始前將上述水樣恢復(fù)至室溫，然后在5 個(gè)500 ml 的燒杯中分別加入400 ml 混勻的黑水團(tuán)水.其中1 個(gè)燒杯作為對(duì)照，不做任何處理;另外4 個(gè)燒杯分別采用50 mg/L PAC、100 mg/L PAC、150 mg/L PAC 和 55 mg/L MLS(2 mg/L 殼聚糖、55mg/L 改性土壤)絮凝.10 min 后測(cè)定不同處理的濁度以評(píng)價(jià)對(duì)黑水團(tuán)的去除效果.濁度采用WGZ-1 型濁度計(jì)測(cè)定.

2)再懸浮實(shí)驗(yàn):在3 個(gè)500 ml 燒杯中分別加入400 ml 混勻的黑水團(tuán)水.其中1 個(gè)燒杯僅使用50 mg/L 改性當(dāng)?shù)赝寥佬跄コ谖镔|(zhì)，另外兩個(gè)燒杯在添加50 mg/L 改性土壤絮凝10 min 后，分別添加20 g 土壤或沙子進(jìn)行覆蓋.覆蓋完成30 min 后，采用六聯(lián)攪拌器分別在40、60、80 和100 轉(zhuǎn)/min 條件下進(jìn)行再懸浮實(shí)驗(yàn).

1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

土壤取自無錫梅梁灣岸邊，風(fēng)干后過40 目篩備用.臭氧負(fù)載土壤的準(zhǔn)備參考潘綱等的專利[15].現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的3 個(gè)2 m×3 m 的圍隔位于無錫太湖梅梁灣的喇叭口，實(shí)測(cè)水深近1 m.實(shí)驗(yàn)開始前，采集湖泛區(qū)表層10 cm底泥(主要為腐爛藍(lán)藻碎屑、有機(jī)殘?bào)w等)50 L 加入到實(shí)驗(yàn)圍隔水體中，以模擬湖泛發(fā)生時(shí)的黑物質(zhì)及黑臭水體，然后采用改性土壤方法對(duì)其進(jìn)行處理.其中1 個(gè)為對(duì)照圍隔，不添加任何處理，剩下兩個(gè)圍隔分別為1#和2#圍隔，結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)采用改性土壤絮凝后[13-14，16]，對(duì)1#和2#圍隔分別加以30 kg(5 kg/m2)和90 kg(15 kg/m2)的臭氧負(fù)載土壤進(jìn)行覆蓋.通過處理前后水體中營養(yǎng)鹽(TN 和TP)、二甲基異茨醇(MIB)、二甲基三硫醚(DMTS)以及水體DO 含量的變化來評(píng)價(jià)湖泛的治理效果.TN 和TP 的測(cè)定方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版)》[17]，嗅味物質(zhì)用SPME-GC/MS 測(cè)定，DO 用YSI 多參數(shù)水質(zhì)分析儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 湖泛黑物質(zhì)的絮凝去除

隨著PAC 用量的增加，濁度逐漸降低.經(jīng)150 mg/L 的PAC 處理后的黑水團(tuán)水濁度下降至23 NTU，而經(jīng)55 mg/L 的改性當(dāng)?shù)赝寥捞幚淼臐岫认陆抵? NTU(圖1)，可見殼聚糖改性土壤與PAC 相比，不僅用量少，而且對(duì)懸浮的黑物質(zhì)的沉降效率更高，主要原因在于殼聚糖改性土壤能夠通過殼聚糖的網(wǎng)捕架橋作用大大提高土壤對(duì)水體中顆粒物的絮凝沉降能力[13]，使得湖泛水體中的黑物質(zhì)得到迅速去除，從而凈化湖泛水體.沙子覆蓋和臭氧負(fù)載土壤覆蓋對(duì)絮凝后的黑物質(zhì)再懸浮的抑制作用表明，在40 轉(zhuǎn)/min 的擾動(dòng)條件下，絮凝后的黑物質(zhì)能夠再懸浮，而覆蓋的處理沒有發(fā)生再懸浮(圖2);在60 轉(zhuǎn)/min 的擾動(dòng)條件下臭氧負(fù)載土壤開始再懸浮，而沙子覆蓋即使在100 轉(zhuǎn)/min 的擾動(dòng)下依然沒有發(fā)生再懸浮(圖2)，這是因?yàn)樯匙泳哂懈蟮拿芏群土?，故用一定粒度的沙子覆蓋能夠抵抗更大的干擾強(qiáng)度.這些結(jié)果表明通過對(duì)絮凝后的黑物質(zhì)絮體進(jìn)行覆蓋，能夠有效地抑制絮凝后湖泛黑物質(zhì)的再懸浮.

圖1 PAC 和改性土壤對(duì)黑水團(tuán)水體濁度的去除Fig.1 The efficiency of PAC and MLS in reducing the turbidity of black spots water

圖2 沙子和土壤覆蓋對(duì)再懸浮的抑制作用Fig.2 The anti-resuspension capacity for soil capping and sand capping

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 營養(yǎng)鹽去除作用 處理前對(duì)照圍隔、1#和2#圍隔內(nèi)的TN 濃度分別為48.03、12.31 和52.21 mg/L，TP濃度分別為4.88、1.06 和4.55 mg/L.改性土壤絮凝30 min 后，1#圍隔內(nèi)TN 降低了85.5%，為1.80 mg/L，2#圍隔內(nèi)TN 降低了94.0%，為3.05 mg/L(圖3a);1#圍隔內(nèi)TP 降低了57.0%，為0.46 mg/L，2#圍隔內(nèi) TP 降低了95.0%，為0.13 mg/L(圖3b)，結(jié)果表明改性土壤通過絮凝去除湖泛水體黑物質(zhì)可以降低水體TN 和TP 含量.臭氧負(fù)載土壤覆蓋30 min 后，TN 與處理前相比，1#圍隔內(nèi)降低了86.0%，為1.76 mg/L，2#圍隔內(nèi)降低了97.0%，為1.47 mg/L(圖3a);TP 與處理前相比，1#圍隔內(nèi)降低了58.0%，為0.44 mg/L，2#圍隔內(nèi)降低了97.0%，為0.13 mg/L(圖3b)，由此可見，TN 和TP 主要是通過絮凝得以去除.在改性土壤的絮凝過程中，顆粒態(tài)和溶解性營養(yǎng)鹽可以通過絮凝和吸附作用轉(zhuǎn)移到沉積物，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體水質(zhì)的應(yīng)急改善效果[12，14].這對(duì)緩解湖泛期間營養(yǎng)鹽的急劇升高具有重要意義.

圖3 TN(a)和TP(b)的去除效果Fig.3 The removal effect on TN(a)and TP(b)

2.2.2 水體DO 改善作用 改性土壤絮凝處理30 min 后，1#圍隔的表層水體 DO 從5.13 mg/L 提升至7.10 mg/L(圖4a)，底層水體 DO 從 2.85 mg/L 提升至 3.27 mg/L(圖4b);2#圍隔的表層水體 DO 從6.92 mg/L提升至7.12 mg/L，底層水體DO 從3.06 mg/L 提升至3.58 mg/L(圖4).臭氧負(fù)載土壤覆蓋處理30 min 后，1#圍隔內(nèi)表層水體DO 增加了75.0%，為8.98 mg/L，底層水體DO 增加了183.5%，為8.08 mg/L，2#圍隔內(nèi)表層水體DO 增加了33.8%，為9.26 mg/L，底層水體DO 增加了175.8%，為8.44 mg/L(圖4)，這說明臭氧負(fù)載土壤覆蓋處理能夠在短時(shí)間內(nèi)大幅度提高水體DO，特別是底層水體DO 也有較大幅度的提升.處理1 d 后，1#圍隔和2#圍隔的表層水體DO 分別增加至10.40 和10.79 mg/L，底層水體DO 有所下降，但是仍然是處理前水平的2 倍(圖4).處理2 d 后，圍隔內(nèi)表層和底層水體DO 低于處理前的水平，但是仍然明顯高于對(duì)照水體DO(圖4).在監(jiān)測(cè)期間，2#圍隔內(nèi)水體表層和底層的DO 一直高于1#圍隔，說明增加臭氧負(fù)載土壤的投加量能夠向水體提供更多的溶解氧.這些結(jié)果說明通過改性土壤技術(shù)使湖泛的厭氧水體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楹醚跛w，從而抑制厭氧發(fā)酵，控制嗅味物質(zhì)和黑物質(zhì)的生成和營養(yǎng)鹽的釋放.

圖4 表層水體(a)和底層水體(b)DO 的變化Fig.4 Variations of DO concentrations of surface water(a)and bottom water(b)

2.2.3 嗅味物質(zhì)的去除效果 處理前對(duì)照圍隔、1#和2#圍隔的MIB 含量分別為634.2、734.8 和452.8 ng/L;DMTS 含量分別為706.3、2476.7 和1138.0 ng/L.改性土壤絮凝處理30 min 后，1#圍隔內(nèi)的 MIB 降低至154.0 ng/L，2#圍隔內(nèi)的 MIB 降低至243.0 ng/L(圖5a);1#圍隔內(nèi)的 DMTS 降低至1016.0 ng/L，2#圍隔內(nèi)的DMTS 降低至704.0 ng/L(圖5b)，表明改性土壤絮凝去除黑物質(zhì)的同時(shí)也能通過絮凝和吸附作用去除水體嗅味物質(zhì).在臭氧負(fù)載土壤覆蓋處理30 min 后，1#圍隔內(nèi)的MIB 含量為175.0 ng/L，2#圍隔內(nèi)的MIB 含量降至191.0 ng/L，去除率分別為 76.2% 和 57.6%;1#和2#圍隔內(nèi)的 DMTS 分別進(jìn)一步降低至593.5 和191.0 ng/L，去除率分別為76.0%和83.0%，結(jié)果表明采用臭氧負(fù)載土壤覆蓋進(jìn)一步加大了對(duì)DMTS 去除效果.處理2 d 后，對(duì)照圍隔內(nèi)的DMTS 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另外兩個(gè)處理圍隔，表明改性當(dāng)?shù)赝寥兰夹g(shù)對(duì)DMTS的控制效果較好，這是因?yàn)镈MTS 主要是厭氧微生物代謝過程產(chǎn)生[4]，在改性土壤絮凝和臭氧負(fù)載粘土覆蓋后水體DO 水平得到改善，不利于厭氧微生物的活動(dòng)，所以DMTS 在處理后能得到較好的控制.而對(duì)照圍隔和處理圍隔的MIB 濃度均大幅提升，這是因?yàn)镸IB 主要是由藻類代謝過程產(chǎn)生[18]，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中由于風(fēng)浪及圍隔本身存在滲漏，導(dǎo)致圍隔外部分藻類進(jìn)入圍隔內(nèi)，且隨時(shí)間推移進(jìn)行累積，所以MIB 濃度均有所提升.

圖5 MIB(a)和DMTS(b)的去除效果Fig.5 The removal effect on MIB(a)and DMTS(b)

DMTS 和MIB 是湖泛中常見的嗅味物質(zhì)，在2007年無錫水質(zhì)危機(jī)事件中是主要致嗅物質(zhì)[4].目前水體中嗅味物質(zhì)的直接清除一般都是在水廠內(nèi)進(jìn)行的，主要是通過單獨(dú)使用或者聯(lián)合吸附劑和氧化劑來分解和吸附嗅味物質(zhì)，如使用活性炭、PAC、KMnO4和臭氧等[5，19]，取得了較好的效果.改性土壤原位應(yīng)急清除湖泛后更有利于水廠對(duì)原水的處理，對(duì)緩解供水危機(jī)具有重要作用.

3 結(jié)論

為了改善湖泛水體感官和水質(zhì)，本研究在室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)分別開展了改性土壤湖泊綜合修復(fù)技術(shù)對(duì)湖泛的治理效果研究，主要結(jié)論有:(1)殼聚糖改性土壤能夠高效清除湖泛水體黑物質(zhì)，55 mg/L 的改性土壤能夠?qū)⒑汉谒畧F(tuán)水的濁度由＞2000 NTU 降低至5 NTU，另外通過沙子和土壤覆蓋能夠減少絮凝后的黑物質(zhì)的再懸浮;(2)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性當(dāng)?shù)赝寥佬跄统粞踟?fù)載土壤覆蓋能夠快速有效地去除水體TN、TP、嗅味物質(zhì)(MIB 和DMTS)，同時(shí)提高了水體DO，達(dá)到了良好的應(yīng)急治理效果，為湖泛的原位治理提供了新的思路和技術(shù)參考.

[1]Fenchel TM，Riedl RJ.The sulfide system:A new biotic community underneath oxidized layer of marine sand bottoms.Marine Biology，1970，7(3):231-255.

[2]陸桂華，馬 倩.2009年太湖水域“湖泛”監(jiān)測(cè)與分析.湖泊科學(xué)，2010，22(4):481-487.

[3]盛 東，徐兆安，高 怡.太湖湖區(qū)“黑水團(tuán)”成因及危害分析.水資源保護(hù)，2010，26(3):41-45.

[4]Yang M，Yu J，Li Z et al.Taihu Lake not to blame for Wuxi's woes.Science，2008，319(5860):158.

[5]Zhang X，Chen C，Ding J et al.The 2007 water crisis in Wuxi，China:Analysis of the origin.Journal of Hazardous Materials，2010，182(1/2/3):130-135.

[6]孫小靜，秦伯強(qiáng)，朱廣偉.藍(lán)藻死亡分解過程中膠體態(tài)磷、氮、有機(jī)碳的釋放.中國環(huán)境科學(xué)，2007，27(3):341-345.

[7]劉國鋒，鐘繼承，何 俊等.太湖竺山灣藻華黑水團(tuán)區(qū)沉積物中Fe、S、P 的含量及其形態(tài)變化.環(huán)境科學(xué)，2009，30(9):2520-2526.

[8]戴玄吏，湯佳峰，章霖之.“湖泛”惡臭物質(zhì)分析及來源淺析.環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2010，2(3):39-41.

[9]Freitag TE，Klenke T，Krumbein WE et al.Effect of anoxia and high sulphide concentrations on heterotrophic microbial communities in reduced surface sediments(Black Spots)in sandy intertidal flats of the German Wadden Sea.FEMS Microbiology Ecology，2003，44(3):291-301.

[10]潘 綱，代立春，李 梁等.改性當(dāng)?shù)赝寥兰夹g(shù)修復(fù)富營養(yǎng)化水體綜合效果研究:Ⅰ.水質(zhì)改善的應(yīng)急與長(zhǎng)期效果與機(jī)制.湖泊科學(xué)，2012，24(1):801-810.

[11]尚媛媛，潘 綱，代立春等.改性當(dāng)?shù)赝寥兰夹g(shù)修復(fù)富營養(yǎng)化水體綜合效果研究:Ⅱ底棲動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響.湖泊科學(xué)，2013，25(1):9-15.

[12]Pan G，Yang B，Wang D et al.In-lake algal bloom removal and submerged vegetation restoration using modified local soils.Ecological Engineering，2011，37(2):302-308.

[13]Zou H，Pan G，Chen H et al.Removal of cyanobacterial blooms in Taihu Lake using local soils.II.Effective removal of Microcystis aeruginosa using local soils and sediments modified by chitosan.Environmental Pollution，2006，141(2):201-205.

[14]Pan G，Zou H，Chen H et al.Removal of harmful cyanobacterial blooms in Taihu Lake using local soils.III.Factors affecting the removal efficiency and an in situ field experiment using chitosan-modified local soils.Environmental Pollution，2006，141(2):206-212.

[15]潘 綱，楊 波，李 壘.一種利用納米氣泡修復(fù)湖泊和厭氧底泥的方法，2009，中國.申請(qǐng)?zhí)?200910080563.5.

[16]Pan G，Zhang MM，Chen H et al.Removal of cyanobacterial blooms in Taihu Lake using local soils.I.Equilibrium and kinetic screening on the flocculation of Microcystis aeruginosa using commercially available clays and minerals.Environmental Pollution，2006，141(2):195-200.

[17]國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法:第4 版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

[18]Watson SB.Aquatic taste and odor:A primary signal of drinking-water integrity.Journal of Toxicology and Environmental Health-Part A-Current Issues，2004，67(20/21/22):1779-1795.

[19]Bruchet A，Duguet JP.Role of oxidants and disinfectants on the removal，masking and generation of tastes and odours.Water Science and Technology，2004，49(9):297-306.