底泥覆蓋對(duì)淺水湖泊藻源性湖泛的控制模擬*

商景閣，何　偉，邵世光，范成新

(1：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

(2：中國(guó)藥科大學(xué)，南京 210009)

(3：上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

(4：河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京210098)

底泥覆蓋對(duì)淺水湖泊藻源性湖泛的控制模擬*

商景閣1，2，何偉3，邵世光4，范成新1**

(1：中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

(2：中國(guó)藥科大學(xué)，南京 210009)

(3：上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

(4：河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京210098)

摘要：湖泛的發(fā)生與湖泊底部氧化還原條件和致黑致臭物充足供給直接相關(guān).利用黃土和細(xì)沙對(duì)太湖湖泛易發(fā)區(qū)(月亮灣)底泥進(jìn)行覆蓋，模擬在湖泛可形成條件下，底泥-水體系及其界面主要物化性質(zhì)與感官變化過(guò)程.結(jié)果表明：0.5cm黃土和1.0cm細(xì)沙的覆蓋，從水色和嗅味半定量角度達(dá)到了對(duì)湖泛黑臭的控制，與對(duì)照組相比，覆蓋組底泥間隙水中主要致黑物Fe2+濃度僅為對(duì)照組的1/3，主要致臭物甲硫醇和二甲基三硫醚等濃度則不到50%.進(jìn)一步分析底部水體和底泥性質(zhì)發(fā)現(xiàn)：經(jīng)覆蓋處理底部水體的溶解氧濃度提高近1倍，氧化還原電位基本處于250 mV以上水平，覆蓋層1cm左右表層氧化還原電位和pH均遠(yuǎn)高于對(duì)照底泥.以黃土為主的底泥覆蓋，主要因阻隔了下層底泥中物質(zhì)遷移供給和對(duì)厭氧微生物參與的控制，以及黃土本身性質(zhì)對(duì)湖底物化環(huán)境的影響等，在藻體大量聚集和死亡的水柱環(huán)境中，較好地阻止了致黑致臭物的形成，從而較有效控制湖泛的發(fā)生.

關(guān)鍵詞：湖泛控制；底泥覆蓋；氧化還原；Fe2+

*太湖水污染治理專(zhuān)項(xiàng)(TH2013214)、國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2012ZX07103-005)和中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所“一三五”戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目(NIGLAS2012135008)聯(lián)合資助.2015-01-29收稿；2015-03-13收修改稿.商景閣(1985～)，男，博士；E-mail：shangjingge@163.com.

Effects of sediment capping to eliminate simulated alage-caused black bloom in eutrophic lakes

自2007年太湖發(fā)生的湖泛?jiǎn)栴}[1-2]，研究者們對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的認(rèn)識(shí)上遇到了新挑戰(zhàn)，對(duì)湖泊水環(huán)境災(zāi)害控制上提出新要求.相關(guān)研究表明，湖泛的發(fā)生除需要藻體或植物體外，足夠面積的污染底泥分布[3]和適宜的環(huán)境條件如溫度等[4]，也是其發(fā)生的必要條件.因此只要具備相關(guān)的物質(zhì)和環(huán)境條件，就有可能存在湖泛發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的物質(zhì)和環(huán)境條件人為控制的影響作用越大，湖泛發(fā)生的機(jī)會(huì)就會(huì)越低.

在太湖，已啟用的湖泛治理方式主要有工程疏浚[3，5-6]、藍(lán)藻打撈[1，7]以及機(jī)械曝氣等.對(duì)太湖月亮灣、八房港、閭江口等不同疏浚區(qū)沉積物的模擬研究發(fā)現(xiàn)，疏浚有效抑制湖泛的發(fā)生[3，6]；通過(guò)從湖體直接打撈去除耗氧生物體(如藻類(lèi))，以及水底曝氣強(qiáng)化水體復(fù)氧等，也可緩解局部區(qū)域的湖泛形成風(fēng)險(xiǎn)(本課題組未發(fā)表研究結(jié)果).目前在太湖采用的湖泛控制措施，均是直接或間接改善湖底環(huán)境，即使進(jìn)行藻類(lèi)打撈的操作水層是在近表層，其主要目的也是為降低堆積于沉積物表層的死亡藻體的量.已有研究表明，太湖藻、草等生源性湖泛的發(fā)生與沉積物-水界面物化環(huán)境的激烈變化有密切關(guān)系[1-2]，致黑組分(鐵、硫等物質(zhì))和甲基含硫嗅味物質(zhì)需要在缺氧和厭氧條件下形成[8-9]，其物質(zhì)供給也多來(lái)自底部[10]，因此改善沉積物-水界面物化環(huán)境、阻隔來(lái)自底部促進(jìn)黑臭發(fā)生的物質(zhì)供給，成為控制湖泛的一種可能途徑.

在污染河道和湖泊的治理中，使用天然(人工)材料的底泥覆蓋技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用并取得了較好的控制效果[11-13]，如Pan等[14]研究發(fā)現(xiàn)，使用土壤及細(xì)沙覆蓋能夠有效控制沉積物總磷、氨氮等向上覆水釋放，并發(fā)現(xiàn)利用較薄厚度(1cm)的改性細(xì)沙覆蓋，就能夠有效抑制沉積物的再懸浮，降低濁度，即使在受到一定的擾動(dòng)作用(200轉(zhuǎn)/min)后，仍能保持較高的透明度.鑒于材料覆蓋具有阻隔界面兩邊介質(zhì)和改變界面附近物化環(huán)境的功能，本文擬通過(guò)對(duì)底泥的材料覆蓋培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究底泥覆蓋對(duì)因藻類(lèi)死亡分解導(dǎo)致的藻源性湖泛的控制作用，探討其作為湖泛控制的可行性.

1 材料與方法

1.1 材料和樣品

1.1.1 覆蓋材料本文選用的覆蓋材料有2種，即黃土和細(xì)沙.黃土取自太湖梅梁灣東岸三國(guó)城周邊(去除50cm表土后)，風(fēng)干、研磨過(guò)篩(100目)備用，黃土有機(jī)碳、總磷、總氮含量分別為3.070、0.276、0.719g/kg；細(xì)沙取自梅梁灣東岸砂石場(chǎng)，將所選細(xì)沙用純水徹底清洗3次，干燥后過(guò)50目篩備用，細(xì)沙有機(jī)碳、總磷、總氮含量分別為0.420、0.032、0.185g/kg.

1.1.2 底泥底泥采集于太湖北部月亮灣湖區(qū)(31°24′35.64″N，120°6′3.56″E)，該區(qū)域?yàn)樘阂装l(fā)區(qū).使用重力柱狀采樣器(內(nèi)徑110mm)采集泥柱高度大于25cm的柱狀底泥，垂直放置運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室備用.底泥有機(jī)碳、總磷、總氮含量分別為6.570、0.482、1.507g/kg.

1.1.3 水樣底泥采集時(shí)同步進(jìn)行，用有機(jī)玻璃采水器采集近底部0.5 m處上覆水作為實(shí)驗(yàn)體系用水.使用前經(jīng)定量濾紙過(guò)濾，去除藻類(lèi)及懸浮顆粒物.

1.1.4 藻體預(yù)先于夏季藍(lán)藻暴發(fā)期間，在太湖北部用25#浮游生物網(wǎng)采集新鮮藻體，去水后冷凍保存.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品分析

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參照已有的研究[14-15]，將總覆蓋厚度設(shè)置為1.5cm，即首先在3份平行的柱狀底泥表層均勻覆蓋0.5cm黃土，待黃土沉降完全后再均勻覆蓋1cm細(xì)沙，上層覆沙的目的是抑制底泥的再懸浮[14].覆蓋后穩(wěn)定24 h，再插入間隙水取樣裝置(peeper)，并在覆蓋層上投加定量藻體(5000g/m2，47.5g/柱)，利用Y型再懸浮發(fā)生裝置模擬湖泛發(fā)生所需基本條件(Y裝置詳細(xì)介紹見(jiàn)He等[3]及劉國(guó)鋒等研究成果[5])，設(shè)置環(huán)境溫度為25℃，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每日模擬風(fēng)浪持續(xù)過(guò)程4 h(10：00-14：00)，整個(gè)過(guò)程無(wú)外加光源并保持自然光照，同時(shí)設(shè)置1組無(wú)覆蓋對(duì)照組同步實(shí)驗(yàn).

1.2.2 上覆水感官分析湖泛的發(fā)生過(guò)程和程度，主要是通過(guò)人們視覺(jué)和嗅覺(jué)感官定性得到實(shí)時(shí)反映.我們將肉眼對(duì)實(shí)驗(yàn)Y裝置中下部觀察到水色分為4個(gè)等級(jí)(0~3)：0為正常湖水或顏色未變化；1為淺灰；2為深灰；3為黑色(湖泛發(fā)生).對(duì)于嗅味程度的定性判斷，則用燒杯取水樣約100ml，通過(guò)側(cè)向輕聞按照由輕到重也為4個(gè)等級(jí)(0~3)：0為無(wú)味或正常水體；1為微臭；2為較臭，可聞明顯臭味；3為惡臭.通過(guò)以上視覺(jué)和嗅覺(jué)半定量地分析湖泛發(fā)生程度.每天定時(shí)采集1次樣品進(jìn)行感官分析，待對(duì)照組發(fā)生黑臭后再持續(xù)4d停止.

1.2.4 表層微電極分析待模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，用Unisense微電極(Unisense， Denmark)測(cè)定沉積物剖面Eh、pH.微電極具有檢測(cè)下限低、空間精度高(可達(dá)微米尺度且不破壞界面微環(huán)境)、響應(yīng)速度快(90%響應(yīng)時(shí)間<3 s，O2微電極最快響應(yīng)時(shí)間為50 ms)等優(yōu)點(diǎn).測(cè)定剖面特征時(shí)，將微電極安裝在微控制器上，利用放大鏡裸眼確定界面位置后，控制器步長(zhǎng)設(shè)置為50 μm，獲得微米尺度上沉積物pH、Eh的剖面特征.

2 結(jié)果與討論

2.1 底泥覆蓋對(duì)水體感官的影響

湖泛最主要的特征就是視覺(jué)上的黑與嗅覺(jué)上的臭，鑒于視覺(jué)上的判斷更直接、簡(jiǎn)單，因此常將水體顏色變黑與否作為判斷湖泛是否發(fā)生的依據(jù)[3，9].在滿足藻源性湖泛發(fā)生條件下，覆蓋總厚度1.5cm的黃土和細(xì)沙層，獲得與對(duì)照差別極大的半定量感官結(jié)果.從水色方面分析(表1)，對(duì)照組在實(shí)驗(yàn)第7 d水體呈淺灰，第8 d水體顏色至深灰，第10 d徹底變黑；而3份平行的覆蓋組水體一直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束都沒(méi)有出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象，只是在第10 d或13 d出現(xiàn)淺灰色，但未形成湖泛(黑色).

從嗅味方面分析(表1)，對(duì)照組在第5 d就開(kāi)始散發(fā)微臭，到第7 d和第8 d分別達(dá)到較臭和惡臭程度，并且強(qiáng)烈惡臭持續(xù)到實(shí)驗(yàn)結(jié)束；而覆蓋組水體不僅出現(xiàn)臭味的時(shí)間較對(duì)照組推遲了2~3 d，而且散發(fā)的臭味也較輕(微臭).

表1 湖泛覆蓋控制模擬實(shí)驗(yàn)中水體的水色和嗅味半定量變化

從水色及嗅味變化結(jié)果來(lái)看，覆蓋處理在降低水體發(fā)臭程度的同時(shí)，也抑制了水體致黑物質(zhì)的產(chǎn)生，有效降低湖泛的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn).

2.2 底泥覆蓋對(duì)水體DO、Eh和pH的影響

當(dāng)加入藻體后，泥-水-藻對(duì)照組體系的DO、Eh和pH均出現(xiàn)大幅度下降，而覆蓋組除DO外，其他下降不太明顯，甚至Eh和pH在覆蓋初期的0~6 d還出現(xiàn)小幅上升，相應(yīng)數(shù)值絕大多數(shù)也高于對(duì)照組(圖1).分析穩(wěn)定階段上覆水DO濃度，對(duì)照組平均值為0.7~1.0 mg/L，處于厭氧環(huán)境，而覆蓋組平均值幾乎提高1倍，達(dá)到2 mg/L左右.盡管在模擬實(shí)驗(yàn)后期，覆蓋組Eh有一定程度的下降，但總體上覆蓋組Eh要遠(yuǎn)高于對(duì)照組.

圖1 底泥覆蓋對(duì)水體DO、Eh、pH的影響Fig.1 The effect of sediment capping on DO， Eh and pH of overlying water

覆蓋改善了水體的氧化還原條件.在沉積物-水體系中，O2等電子受體的消耗主要有沉積物耗氧(有機(jī)質(zhì)礦化、微生物呼吸等)及藻類(lèi)腐爛分解等途徑[17].本研究選用的覆蓋材料(黃土、細(xì)沙)有機(jī)碳含量低于沉積物，且相對(duì)難以被微生物利用礦化.覆蓋于污染沉積物表層的土和沙，利用黏土成分的層阻能力，使其在抑制沉積物表層耗氧速率(SOD)的同時(shí)，也有效抑制沉積物中污染物向上覆水的擴(kuò)散和阻止底泥中微生物，如梭菌[18]和硫酸還原菌[19]與殘?jiān)迳镔|(zhì)的接觸，抑制藻體的腐爛分解進(jìn)程和氧氣消耗速率，從而控制DO濃度降低，改善培養(yǎng)體系的氧化還原條件.

周瑩等[20]通過(guò)在高度厭氧底泥上進(jìn)行土壤和硅藻土原位覆蓋修復(fù)，發(fā)現(xiàn)覆蓋1cm厚度的材料就能夠隔絕污染厭氧底泥與水體，大幅提高底泥的Eh，明顯逆轉(zhuǎn)沉積物底質(zhì)和水質(zhì).當(dāng)體系的Eh與pH處于較低的水平，F(xiàn)eS和甲基硫醚類(lèi)物質(zhì)等特征污染物更容易產(chǎn)生和穩(wěn)定累積[10，21]，覆蓋處理一定程度上使得水底氧化還原條件得到改善，這對(duì)于湖泛的控制起到積極作用.因此底泥土沙覆蓋處理在抑制沉積物Eh、pH顯著降低的同時(shí)，也抑制了湖泛易發(fā)區(qū)的黑臭發(fā)生風(fēng)險(xiǎn).

2.3 底泥覆蓋對(duì)典型嗅味物質(zhì)的抑制作用

覆蓋處理能有效抑制水體中甲基含硫嗅味物質(zhì)的增加與累積(圖2).對(duì)照組嗅味物質(zhì)濃度在實(shí)驗(yàn)第9d急劇增加，而覆蓋處理組在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)(13 d)變化趨緩，盡管在實(shí)驗(yàn)后期，嗅味物質(zhì)濃度有小幅增加，但卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)照組.

圖2 覆蓋狀態(tài)下典型含硫臭味物質(zhì)濃度的變化過(guò)程Fig.2 The effect of sediment capping on concentration of sour odor substance in the overlying water

Yang等[22]通過(guò)對(duì)2007年無(wú)錫水危機(jī)樣品的分析認(rèn)為，濃度高達(dá)11399 ng/L的二甲基三硫醚(DMTS)是湖泛水體產(chǎn)生臭味的主要原因，其來(lái)源可能與藻類(lèi)死亡分解產(chǎn)生的含硫氨基酸——甲基氨酸和半胱氨酸的微生物厭氧分解過(guò)程等有關(guān)[21].含硫嗅味物質(zhì)廣泛存在于自然環(huán)境中，在海洋[23]、河道[24]以及湖泊(水庫(kù))[9]中均有相關(guān)的報(bào)道.水體中含硫嗅味物質(zhì)的來(lái)源比較廣泛，在某些特定的條件下，來(lái)源于藻類(lèi)、動(dòng)植物殘?bào)w的各種有機(jī)含硫的前驅(qū)物能夠通過(guò)不同的降解途徑轉(zhuǎn)化為含硫嗅味物質(zhì).在淡水水體以及缺氧沉積物中，含硫嗅味物質(zhì)主要通過(guò)硫化物的甲基化途徑生成[8]，因此氧化還原條件是決定湖泛水體臭味產(chǎn)生和持續(xù)累積的關(guān)鍵因子.而覆蓋處理通過(guò)提高沉積物表層的氧化還原環(huán)境，阻隔沉積物-水之間的物質(zhì)交換過(guò)程，有效抑制水體嗅味物質(zhì)濃度[25].同時(shí)低pH-Eh條件的維持，也利于微生物對(duì)含硫蛋白質(zhì)的厭氧分解作用，促進(jìn)水體中含硫嗅味物質(zhì)的產(chǎn)生和累積[21]，促進(jìn)湖泛的發(fā)生和穩(wěn)定存在.

2.4 底泥覆蓋對(duì)間隙水物質(zhì)濃度分布的影響

沉積物中Fe2+濃度增加是湖泛發(fā)生的主要基本特征和要求之一.底泥中的Fe2+濃度及Fe2+/Fe3+的轉(zhuǎn)換多受體系中Eh的控制，其存在與濃度大致反映所處環(huán)境的氧化還原水平[26-27].在厭氧條件的驅(qū)動(dòng)下，F(xiàn)e3+向Fe2+的轉(zhuǎn)化導(dǎo)致Fe2+濃度的增加，因此與覆蓋組相比，發(fā)生黑臭的對(duì)照組沉積物中Fe2+占總鐵的比例顯著增加(圖3).從間隙水中Fe2+濃度看，覆蓋處理組沉積物中Fe2+濃度低于對(duì)照組，其平均濃度約為對(duì)照黑臭組的1/3，強(qiáng)還原條件是造成對(duì)照組中Fe2+濃度高于覆蓋組的主要原因(圖4). Fe2+濃度增加可能造成兩方面的結(jié)果，首先，自由鐵離子與還原態(tài)硫結(jié)合成黑色FeS沉淀，誘發(fā)水體發(fā)黑[22，28].其二，沉積物中鐵形態(tài)的變化(Fe3+/Fe2+轉(zhuǎn)換)對(duì)控制沉積物中磷的釋放具有重要意義[29]，F(xiàn)e3+在厭氧條件下向Fe2+的轉(zhuǎn)化造成沉積物中鐵結(jié)合態(tài)磷的釋放，為藻華再次發(fā)生提供營(yíng)養(yǎng)基礎(chǔ)[2].因此從實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠推斷，通過(guò)對(duì)底泥進(jìn)行覆蓋，可提高體系的Eh，降低水體中主要特征污染物濃度，從而有效控制湖泛的發(fā)生程度.

圖3 沉積物Fe2+濃度占總鐵比例的剖面變化Fig.3 Vertical changes of the percentage of Fe2+concentration to total Fe in the sediment

圖4 沉積物間隙水中和濃度變化Fig.4 -N and -P concentrations in the pore-water of the sediment

2.5 底泥覆蓋對(duì)沉積物微界面Eh、pH分布的影響

沉積物的微界面變化特征對(duì)分析湖泛致黑與致臭物質(zhì)的形成有重要意義.沉積物Eh、pH剖面分布圖可以看出(圖5)，不同處理間沉積物Eh、pH剖面存在顯著差異.與覆蓋組相比，對(duì)照組(發(fā)生黑臭)Eh急劇降低，上覆水Eh在300 mV左右，在沉積物界面下1mm處急劇降低，直至沉積物中約1.5mm處變化趨緩并穩(wěn)定在70 mV左右.覆蓋組水體Eh約500 mV，在進(jìn)入沉積物后仍保持較高水平(409 mV)，在距界面7.5mm深度上，Eh變化緩慢并趨于穩(wěn)定，其穩(wěn)定深度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)照.沉積物pH的變化趨勢(shì)與Eh類(lèi)似，對(duì)照組上覆水、沉積物pH均小于覆蓋組，即湖泛過(guò)程降低了體系的pH.從沉積物Eh、pH的剖面分布結(jié)果來(lái)看，對(duì)照組體系處于還原狀態(tài)，而覆蓋組則不僅pH值從剖面上一直高于對(duì)照組，而且同一深度的Eh也遠(yuǎn)高于對(duì)照組.

圖5 沉積物Eh、pH剖面特征Fig.5 Vertical profiles of Eh and pH in the sediment

本實(shí)驗(yàn)中選用的覆蓋材料為有機(jī)質(zhì)含量低的清潔黃土與細(xì)沙，覆蓋層耗氧性低，同時(shí)天然黃土中含有豐富的黏土成分，對(duì)污染物的吸附能力較強(qiáng).因此覆蓋層的存在阻隔了沉積物與上覆水之間的交換過(guò)程，能夠降低沉積物及微生物耗氧速率，從而減緩藻類(lèi)腐爛分解的過(guò)程，維持體系Eh的穩(wěn)定，改善沉積物pH-Eh條件，對(duì)湖泛的控制起到積極的作用.

3 結(jié)論

致謝：中國(guó)科學(xué)院太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng)研究站在樣品采集中提供了幫助，申秋實(shí)博士、何翔博士在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給與了重要幫助，特此感謝！

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?2015 byJournalofLakeSciences

SHANG Jingge1，2， HE Wei3， SHAO Shiguang4& FAN Chengxin1

(1：StateKeyLaboratoryofLakeScienceandEnvironment，NanjingInstituteofGeographyandLimnology，ChineseAcademyofSciences，Nanjing210008，P.R.China)

(2：ChinaPharmaceuticalUniversity，Nanjing210009，P.R.China)

(3：ShanghaiInvestigationandDesignInstituteCo.,Ltd.，Shanghai200434，P.R.China)

(4：CollegeofHydrologyandWaterResources，HohaiUniversity，Nanjing210098，P.R.China)

Abstract：The occurrence of black bloom is directly related to adequate supply of odor and black substance and redox conditions at the bottom of lakes. Capping with losses and sand was conducted with the sediment from Yueliang Bay， which was heavily polluted and suffered from black blooms in the past years， to investigate the efficiency of black bloom control. The main characteristics of sediment-water system and sensory change process were analyzed. The results shows that capping with losses (0.5cm) and sand (1cm) control the formation of black bloom， from the perspective of visual and olfactory results (semi-quantitative). The main black substance (Fe2+) and odor substance (methanethiol and dimethyl trisulfide)， in the pore-water of capping sediments was only 1/3 and 1/2 of the control cores， DO concentration and Eh of the bottom water was enhanced up to 100% and to 250 mV， respectively. Eh and pH of the surface capping sediment was also higher than uncapping control cores. Overall， the integrated capping system could eliminate the diffusion of nutrients from sediment and anaerobic microorganisms in the water， block the formation of taste and odors in the water， and prevent the occurrence of black bloom.

Keywords：Black bloom control； sediment capping； oxidation-reduction； ferrous

通信作者**；E-mail：cxfan@niglas.ac.cn.

DOI10.18307/2015.0406