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    貢湖壬子港藻體堆積下黑水團(tuán)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)研究

    2015-12-23 13:03:32邱陽(yáng)苗作云劉學(xué)芝
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2015年10期
    關(guān)鍵詞:溶解氧風(fēng)險(xiǎn)

    邱陽(yáng) 苗作云 劉學(xué)芝

    摘要:利用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置,通過分別添加2 000、5 000、8 000 g/m2藻細(xì)胞以模擬高、中、低3種藻華聚集密度水體,研究不同藻華細(xì)胞聚集模擬水體發(fā)生黑水團(tuán)的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明,試驗(yàn)3 d,上覆水體中溶解氧含量降低到2 mg/L以下,高藻華聚集模擬水體中的NH+4-N含量增加到14 mg/L以上,PO3-4-P含量增加到0.20 mg/L,總氮、總磷含量分別高達(dá)15、2.0 mg/L;水體中葉綠素含量呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì),3 d后含量下降為1 500 mg/m3;水體渾濁度增加,CODMn含量從50 mg/L快速上升為120 mg/L,大量藻細(xì)胞聚集,出現(xiàn)快速死亡,藻華聚集區(qū)出現(xiàn)黑水團(tuán)現(xiàn)象。

    關(guān)鍵詞:藻華聚集;黑水團(tuán);風(fēng)險(xiǎn);上覆水;溶解氧;貢湖

    中圖分類號(hào): X524 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A 文章編號(hào):1002-1302(2015)10-0435-05

    近年來,不少水體因藻華堆積使氮磷過量累積而引起水體富營(yíng)養(yǎng)化,導(dǎo)致水體發(fā)生質(zhì)的變化,發(fā)生“水體黑臭”現(xiàn)象。2007年5月,因藻華聚集造成無錫貢湖水廠取水口水質(zhì)惡化而發(fā)生飲用水供應(yīng)危機(jī),引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1]。2008年以來,太湖多次發(fā)生這種現(xiàn)象,主要分布在太湖的竺山湖和西部的部分沿岸水域,且發(fā)生面積遠(yuǎn)大于2007年,對(duì)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)和生活用水造成極大影響[2-3]。近10年來,隨著湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度的加劇,水污染現(xiàn)象頻發(fā),甚至已嚴(yán)重威脅到城市供水,“水體黑臭”成為繼藻類暴發(fā)現(xiàn)象后又一類湖泊災(zāi)害問題[4-6]。因此,弄清湖泊中水體黑臭發(fā)生的原因和風(fēng)險(xiǎn),對(duì)治理太湖水環(huán)境問題是非常迫切和重要的。

    “水體黑臭”是一種俗稱,在湖泊中又稱黑水團(tuán)、湖泛等,與周邊正常水體顏色在視覺感官上有明顯不同,水體黑色,邊緣清晰可辨,且多伴有臭味,水域明顯缺氧,溶解氧含量多在0~4 mg/L之間,化學(xué)需氧量、氨氮、硫化物和異味物質(zhì)等含量高,有底泥參與、可移動(dòng),事發(fā)水面多無藻類聚集等。目前,河道黑臭的發(fā)生原因已較為清楚,有關(guān)湖泊黑水團(tuán)問題至今沒有定論。

    湖泊主要指太湖、巢湖等,黑水團(tuán)發(fā)生的原因當(dāng)前主要有4種觀點(diǎn),即藻源說、泥源說、河源說和混合源說。藻源說指黑臭的發(fā)生是由于藻類聚集后死亡,沉降于湖底并分解而導(dǎo)致缺氧;泥源說指湖底底泥中因富含有機(jī)質(zhì),水溫上升等外在因素作用下,底泥中微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)分解速度加劇,產(chǎn)生分解不完全的產(chǎn)物,連同因缺氧環(huán)境產(chǎn)生的硫化物隨揮發(fā)性氣體上浮而污染上覆水體。目前,對(duì)湖體發(fā)生黑水團(tuán)的研究較多,但對(duì)大量藍(lán)藻細(xì)胞聚集,使水體發(fā)生藻源性黑水團(tuán)是未見有系統(tǒng)的研究報(bào)道[7-10]。本試驗(yàn)采用太湖貢湖壬子港的底泥,通過添加新鮮的藍(lán)藻細(xì)胞,利用波浪水槽擾動(dòng)裝置[11-12],研究藻華細(xì)胞聚集后上覆水的營(yíng)養(yǎng)鹽動(dòng)態(tài)變化及不同藻華聚集程度下黑水團(tuán)發(fā)生與藻體不同密度的相關(guān)性,以評(píng)估黑水團(tuán)的易發(fā)風(fēng)險(xiǎn),更好地認(rèn)識(shí)藻源性黑水團(tuán)對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

    1 材料與方法

    1.1 波浪水槽裝置

    波浪水槽長(zhǎng)、寬、高為12 m×2 m×1.2 m,在槽的一端有1個(gè)調(diào)頻電機(jī)帶動(dòng)的造浪板,并通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率來調(diào)節(jié)造浪頻率。

    1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    2012年6月,于太湖貢湖壬子港港口采用重力采樣器采集原位底泥和水體,該處水體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(huì)出現(xiàn)藻華嚴(yán)重聚集現(xiàn)象;接近實(shí)際的湖體泥、水深,對(duì)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,把10 cm的表層沉積物鋪在表層,再把采集的湖水緩慢、無擾動(dòng)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;靜置10 d,待水體和沉積物達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡;用浮游植物網(wǎng)在底泥采集點(diǎn)附近撈取藻華聚集時(shí)的新鮮藻細(xì)胞,帶回實(shí)驗(yàn)室,去掉水分,藻細(xì)胞聚集體呈漿狀;稱量藻漿,在水槽中分別添加藻細(xì)胞量為2 000、5 000、8 000 g/m2,編號(hào)分別為1#、2#、3#,開始水體藻華聚集模擬試驗(yàn),每天上、下午各擾動(dòng)1 h。根據(jù)太湖北部湖區(qū)常見風(fēng)變化及風(fēng)浪擾動(dòng)情況,設(shè)定試驗(yàn)水動(dòng)力為中等風(fēng)條件,相當(dāng)于3~4 m/s風(fēng)速[13-15];溫度控制在(28±1) ℃,自然光照。

    1.3 樣品采集與分析

    每天定時(shí)用溶氧儀測(cè)定溶解氧(DO)的濃度,利用手持便攜式懸浮物(SS)測(cè)定儀測(cè)定水體的SS變化;觀察上覆水中水體的顏色、氣味變化;每天定時(shí)分表層(上部)、底層(下部)采集上覆水,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,樣品按照一定順序標(biāo)號(hào),放入冰箱中保存;測(cè)定總氮(TN)、總磷(TP)、CODMn、NH+4-N、PO3-4-P含量[16]。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(cè)定藻細(xì)胞的葉綠素含量[17]。根據(jù)太湖藻華聚集產(chǎn)生黑水團(tuán)持續(xù)的時(shí)間,模擬試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為10 d左右;試驗(yàn)結(jié)束,把沉積物進(jìn)行分層,測(cè)定表層10 cm沉積物的氧化還原電位值(Eh),用冷擴(kuò)散法測(cè)定表層沉積物中酸可揮發(fā)性硫化物(AVS)的含量[7]。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 水體物理性質(zhì)及感官反應(yīng)

    造浪機(jī)推板的擾動(dòng)作用可以使藻體在水體中均勻分布,擾動(dòng)停止,由于藻體的生物學(xué)特性,藻細(xì)胞會(huì)很快聚集到水體的表面[18-19],由于大量藻體的新陳代謝及高溫作用,會(huì)消耗水體中大量的溶解氧(DO)。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)水體中的溶氧消耗殆盡,加入高藻量的水體DO降低,Eh迅速下降,底層水體的Eh下降到-138.6 mV(圖1),同時(shí),水體及沉積物中微生物等的活動(dòng)也會(huì)消耗部分氧氣,他們和藻體協(xié)同作用,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,到3 d就產(chǎn)生異味,隨時(shí)間的延長(zhǎng),異味變得愈來愈濃烈,從輕微的臭味到很強(qiáng)烈的刺鼻臭味,同時(shí),5 d時(shí)水體顏色從透明狀變化為微黑色至黑色;添加低藻量,由于在懸浮模擬擾動(dòng)過程中,表層復(fù)氧過程使水體的溶解氧可以基本保持或滿足藻體的代謝需求,溶解氧在水體中表現(xiàn)變化較小或水體溶解氧含量較低;添加中藻量的水體中溶解氧也很低,水體呈現(xiàn)出異臭味,但尚未有發(fā)黑的現(xiàn)象。endprint

    2.2 上覆水中營(yíng)養(yǎng)鹽含量變化

    2.2.1 NH+4-N和PO3-4-P含量變化 由圖2可見,添加低藻量(1#柱),上、下部水體中NH+4-N含量整體變化趨勢(shì)呈不規(guī)則波動(dòng)趨勢(shì),總體變化較為平穩(wěn),且基本處于較低的水平;添加中藻量(2#柱),上、下部水體中NH+4-N含量呈現(xiàn)前4 d基本持平后增加的變化趨勢(shì),且上、下部水體趨同一致,這是由于底部水體缺氧產(chǎn)生的NH+4-N在擾動(dòng)作用下不斷擴(kuò)散到表層水體中所致;添加高藻量(3#柱),水體中NH+4-N含量不斷增加,到測(cè)試結(jié)束,含量高達(dá)17.5 mg/L,這是由于8 000 g/m2高藻密度的加入,使藻華新陳代謝作用消耗較多的溶解氧,水體中溶解氧迅速消耗殆盡,很快進(jìn)入?yún)捬鯛顟B(tài),部分藻體沉降在沉積物表面,進(jìn)一步使有機(jī)質(zhì)的礦化分解成為厭氧分解,造成水體和沉積物中氮的還原以同化還原為主,誘發(fā)NH+4-N的快速產(chǎn)生,并在水體擾動(dòng)下擴(kuò)散到水體中,NH+4-N含量達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。

    與水體中NH+4-N的含量變化相比,PO3-4-P的含量變化規(guī)律并不明顯。由圖2可見,添加低藻量,上、下部水體中的PO3-4-P含量變化波動(dòng)性較大,有表現(xiàn)為濃度逐漸降低的趨勢(shì);添加中藻量,水體中的PO3-4-P含量表現(xiàn)為較為平緩的趨勢(shì),試驗(yàn)6 d時(shí)表現(xiàn)有些異常,這可能是由于取樣時(shí)取到大量藻體,而藻體細(xì)胞中含有大量的P;添加高藻量,水體中的PO3-4-P含量表現(xiàn)為前期較低,且基本不變,到試驗(yàn) 7 d 急劇增加后降低,這可能是由于水體處于厭氧狀態(tài),大量藻體細(xì)胞失去活性沉降到水體底部,而細(xì)胞含有大量的P,從而提高了PO43--P的測(cè)定值 [20-21]。

    2.2.2 總氮、總磷的含量變化 由圖3可見,上覆水體中總磷(TP)的濃度變化同PO3-4-P變化趨勢(shì)類似,波動(dòng)性較大,整體呈下降趨勢(shì);1#柱水體中,TP濃度表現(xiàn)為逐漸下降;2#柱下部水體在6 d時(shí)濃度較高,后又降低,3#柱TP濃度也呈逐漸下降趨勢(shì)。這可能由于開始階段,加入的藻體密度較高,而采樣是在擾動(dòng)結(jié)束后進(jìn)行的,所采樣品中有較多的藻細(xì)胞,而藻細(xì)胞中含有較多的P,對(duì)初始階段TP的濃度提高貢獻(xiàn)較大。

    對(duì)總氮(TN)而言,呈現(xiàn)試驗(yàn)前期TN濃度較高、后期TN濃度較低的趨勢(shì)(圖3),這是由于在試驗(yàn)過程中,添加低藻量,藻細(xì)胞隨著取樣次數(shù)的增加而不斷減少;添加中、高藻量,受藻細(xì)胞代謝作用引起水體缺氧,大量藻細(xì)胞死亡分解,在厭氧條件下產(chǎn)生大量的NH+4-N,并在擾動(dòng)作用下?lián)]發(fā)到大氣中,減少了水體TN的含量。需說明的是,添加高藻量,在試驗(yàn)結(jié)束TN的濃度仍然很高,這可能是由于水體處于極端厭氧,造成水體中的藻細(xì)胞大量分解,細(xì)胞內(nèi)含有的氮釋放到水體中,從而使水體中TN濃度的升高。

    通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)說明,大量藻體聚集,如果藻體需氧量超過水體的自我復(fù)氧能力,則會(huì)造成水體處于厭氧狀態(tài),甚至極端厭氧,從而引起藻細(xì)胞的死亡分解,細(xì)胞內(nèi)含物中大量的N、P將會(huì)釋放到水體中,從而加重水體營(yíng)養(yǎng)鹽的負(fù)荷[20-22]。

    2.3 黑水團(tuán)模擬試驗(yàn)中關(guān)鍵物質(zhì)含量的變化

    2.3.1 水體中葉綠素含量的變化 藍(lán)藻細(xì)胞被認(rèn)為是黑水團(tuán)發(fā)生的主要誘導(dǎo)因素,其含量變化對(duì)黑水團(tuán)發(fā)生起到至關(guān)重要的作用,而葉綠素含量的變化最能體現(xiàn)藍(lán)藻細(xì)胞含量及濃度的變化。由圖4可見,添加低藻量,上、下部水體中的葉綠素含量在初期較高,但隨著試驗(yàn)進(jìn)行,由于水樣采集過程中取出較多的藻細(xì)胞,因而隨時(shí)間的延長(zhǎng)其濃度逐漸下降,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)葉綠素含量?jī)H為30.0 mg/m3;添加中藻量,在試驗(yàn)4 d和7 d時(shí),上部水體葉綠素濃度異常增加,這是由于取樣是在擾動(dòng)結(jié)束后進(jìn)行,水體中的藻細(xì)胞向表層聚集,此時(shí)取得的藍(lán)藻細(xì)胞較多;添加高藻量,由于初始添加藻的量比較多,上、下部水體中葉綠素含量都比較高,試驗(yàn)2、3 d時(shí)葉綠素含量較低,這是由于采樣時(shí)間不同造成的含量差異,隨試驗(yàn)過程中水體溶解氧含量的降低,水體從有氧向缺氧和厭氧狀態(tài)轉(zhuǎn)變,使藻細(xì)胞不能聚集在水體表面,逐漸散布在水體中,再加上動(dòng)力擾動(dòng),使得藻細(xì)胞在水體中分布較為均勻,表現(xiàn)為上、下部水體中葉綠素含量均逐漸升高,試驗(yàn)?zāi)┢?,由于厭氧水體環(huán)境下,分散在水體中的藻細(xì)胞可能死亡分解,葉綠素含量下降。表層水體由于動(dòng)力擾動(dòng)過程的復(fù)氧作用,增加了表層水體的溶解氧含量,能維持部分藻細(xì)胞的新陳代謝作用,從而使殘留的藻細(xì)胞聚集在上部水體中,這導(dǎo)致雖然水體發(fā)黑、發(fā)臭,但水體表面仍然有許多藻細(xì)胞存活[22-23]。

    2.3.2 水體中CODMn含量的變化 CODMn是一種評(píng)價(jià)水體污染程度的常用綜合性指標(biāo),可反映水體受還原性物質(zhì)污染的程度,CODMn越高,污染越嚴(yán)重,利用CODMn以評(píng)價(jià)藻華堆積過程中水體有機(jī)質(zhì)的變化較為可行。由圖5可見,CODMn變化呈現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng),總體上表現(xiàn)為前期濃度較高,后期及末期呈逐漸下降趨勢(shì)。試驗(yàn)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有機(jī)質(zhì),因此在水體中表現(xiàn)為CODMn含量較高;隨時(shí)間延長(zhǎng),水體中含有一些還原物質(zhì),包括部分死亡的藻細(xì)胞,在動(dòng)力擾動(dòng)復(fù)氧情況下逐漸降解,CODMn濃度會(huì)有所降低。添加高藻量,由于加入的藻量較大,且水體呈現(xiàn)為厭氧狀態(tài),水體中還原性物質(zhì),包括死亡藻細(xì)胞殘?bào)w的降解速率下降,后期CODMn濃度仍然較高,這也說明藻體大量聚集、死亡對(duì)水質(zhì)的影響很大。試驗(yàn)?zāi)┢冢糠炙霈F(xiàn)CODMn含量突然增高的情況,這是由于此時(shí)水體中藻細(xì)胞活性大大降低,在擾動(dòng)結(jié)束后,其向表層水體聚集的能力大大降低,在采樣過程中采集到了大量的藻細(xì)胞。

    2.3.3 沉積物中還原性無機(jī)硫化物(AVS)的變化 酸揮發(fā)性硫化物(AVS)是各種無機(jī)硫的總稱,包括非晶質(zhì)FeS、馬基諾礦、硫復(fù)鐵礦(Fe3S4)與沉積物間隙水中的S2-。沉積物中AVS 易受到外界Eh的影響,特別是在厭氧環(huán)境中容易形成H2S氣體釋放出來。黑水團(tuán)區(qū)藻體大量聚集,水體易形成厭氧環(huán)境,藻華殘?bào)w沉降,形成大量的有機(jī)質(zhì)(以CH2O表示),與沉積物中的SO2-4會(huì)發(fā)生反應(yīng)[24]:endprint

    2CH2O+SO42-→2CO2+HS-+2H2O。

    大量的SO2-4還原產(chǎn)生大量的HS-,從而使表層沉積物及水體中S2-含量增加。因此,大量藻體聚集沉降分解形成的厭氧環(huán)境,為AVS形成H2S提供了一個(gè)良好的外界環(huán)境。由圖6可見,1#、3#柱表層沉積物中AVS含量分別為0.06、14.95 mmol/kg,添加高藻量、形成黑水團(tuán)區(qū)的表層沉積物中AVS含量明顯要高于添加低藻量且沒有形成黑水團(tuán)區(qū)的表層沉積物;添加中藻量,其表層沉積物中AVS含量也較高,為5.43 mmol/kg,這是由于其底部水體藻細(xì)胞形成缺氧區(qū),使H2S含量較大幅度增加;1 cm向下的沉積物中AVS含量逐漸下降,且和非黑水團(tuán)區(qū)呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì)。另外,黑水團(tuán)中形成的H2S由于在擾動(dòng)過程中會(huì)部分逸散到空氣中,這可從試驗(yàn)過程中能聞到極強(qiáng)烈的臭雞蛋氣味得以確證[25]。

    3 結(jié)論

    藻華細(xì)胞聚集會(huì)很快消耗掉水體中的溶解氧,即使有中等風(fēng)浪擾動(dòng),也不足以消除這種厭氧狀態(tài),造成沉積物表層出現(xiàn)厭氧、強(qiáng)還原環(huán)境;高密度藻華細(xì)胞聚集下會(huì)引起水體中葉綠素、CODMn含量快速升高,藻細(xì)胞出現(xiàn)快速死亡,致使水體處于嚴(yán)重污染狀態(tài);藻華細(xì)胞高聚集易產(chǎn)生黑水團(tuán)現(xiàn)象,藻華細(xì)胞快速死亡,釋放大量的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽于上覆水體中,導(dǎo)致水體TN、TP、PO3-4-P、NH+4-N等營(yíng)養(yǎng)鹽濃度急劇增加,水體處于嚴(yán)重富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài),表層沉積物中AVS含量急劇增加,導(dǎo)致水體產(chǎn)生質(zhì)的變化。

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