楊琛 李強(qiáng)
摘? 要:我國(guó)北方中小河流春季多出現(xiàn)pH值和高錳酸鹽指數(shù)超標(biāo)情況,以登沙河為研究對(duì)象,對(duì)近2年河流水質(zhì)進(jìn)行分析。結(jié)果表明,pH值和高錳酸鹽指數(shù)升高與藻類繁殖光合作用具有密切關(guān)系,同時(shí)胞外聚合物也導(dǎo)致了高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量的升高。
關(guān)鍵詞:pH;高錳酸鹽指數(shù);藻類
中圖分類號(hào):R123? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
我國(guó)北方中小河流多為典型季節(jié)性河流,隨著河流污染治理的深入推進(jìn),河流水質(zhì)改善明顯,春季pH值和高錳酸鹽指數(shù)超標(biāo)成了中小河流整治的新問題凸顯出來(lái)。該文以登沙河為代表,根據(jù)近年來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了引起河流pH值和高錳酸鹽指數(shù)超標(biāo)的原因。
1 研究區(qū)域概況
登沙河發(fā)源于大連市普蘭店區(qū),自北向南流經(jīng)普蘭店區(qū)太平街道、金普新區(qū)向應(yīng)街道、華家街道、登沙河街道。登沙河全長(zhǎng)25.7 km,總流域面積229 km2,是一條北方典型季節(jié)性小型河流。上游和段水體流動(dòng)性能較強(qiáng),截留設(shè)施相對(duì)較少,沒有明顯的滯留現(xiàn)象,屬于無(wú)人為干預(yù)的自然河流。進(jìn)入金普新區(qū)前,太平污水處理廠處理尾水排入登沙河,排水量約為4 000 m3/d。進(jìn)入金普新區(qū)后,部分水體被作為農(nóng)用灌溉水源截留在馬家溝閘內(nèi),導(dǎo)致下游河段徑流量小,尤其是在枯水期水體補(bǔ)給量十分微弱,水流置換緩慢,水體相對(duì)封閉,水動(dòng)力條件較差。
2 數(shù)據(jù)來(lái)源及分析
2.1 子站數(shù)據(jù)分析
登沙河下游登化斷面為國(guó)考斷面,水質(zhì)考核目標(biāo)為Ⅳ類。根據(jù)登化斷面自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)顯示(圖1),該斷面在2019年和2020年均出現(xiàn)了pH和高錳酸鹽指數(shù)超標(biāo)的現(xiàn)象,此類現(xiàn)象多發(fā)于春秋兩季。為了進(jìn)一步探究水質(zhì)各指標(biāo)間的內(nèi)部聯(lián)系,對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析,各指標(biāo)之間存在顯著相關(guān)性(見表1),特別是pH、高錳酸鹽指數(shù)和水溫、溶解氧之間呈現(xiàn)極高的正相關(guān)性,與氨氮、總氮之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性,并且在時(shí)間跨度上呈現(xiàn)白天高夜晚低的規(guī)律性。這說(shuō)明河流中水溫、pH、高錳酸鹽指數(shù)和溶解氧相互影響,由于河流缺乏生態(tài)補(bǔ)水、水體流動(dòng)性差,再加上水溫適宜,藻類光合作用產(chǎn)生大量有機(jī)物,吸收水體中CO2釋放O2增加溶解氧的含量,同時(shí)pH升高,當(dāng)水體中藻類豐度值大時(shí),高錳酸鹽指數(shù)也隨之增大。而氨氮和總氮異常的迅速降低與水體中藻類爆發(fā)導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)鹽的消耗有關(guān)。
2.2 藻類監(jiān)測(cè)分析
3月19日和25日分別對(duì)登化斷面浮游植物進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,優(yōu)勢(shì)種為硅藻門小環(huán)藻屬,個(gè)體總數(shù)分別為1.5×107個(gè)/L和2.0×107個(gè)/L,優(yōu)勢(shì)種比例達(dá)到92%和95%。根據(jù)藻密度評(píng)價(jià)的水華程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判定達(dá)到輕度水華級(jí)別(1.0×107≤D<5.0×107)。
硅藻門小環(huán)屬?gòu)V泛分布于淡水中,早春時(shí)大量出現(xiàn);適宜的生存溫度為10℃~25℃。水溫適宜,充分光照,且有充足營(yíng)養(yǎng)鹽時(shí)會(huì)爆發(fā)生長(zhǎng)。春秋兩季,河水水溫多處于硅藻門小環(huán)屬的適宜溫度區(qū)間,隨著溫度的升高和降低,藻類不具備優(yōu)勢(shì)性,爆發(fā)現(xiàn)象消除。
登沙河來(lái)水主要是自然補(bǔ)水和污水處理廠來(lái)水,而自然補(bǔ)水量遠(yuǎn)低于污水處理廠出水,污水處理廠出水達(dá)標(biāo)排放,但其中營(yíng)養(yǎng)鹽(N、P)含量較高,為藻類生長(zhǎng)提供了基礎(chǔ)。
硅藻水華一般發(fā)生在河流流量較小、流速較慢的河段,適合生長(zhǎng)流速為0~0.5 m/s[1]。登沙河流經(jīng)區(qū)域?yàn)檗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū),區(qū)段內(nèi)大多布設(shè)有攔河壩、水閘等設(shè)施為春耕存儲(chǔ)水源。2019年楊家店水文站數(shù)據(jù)顯示,最大徑流量為180 m3/s,最小0.013 m3/s,年平均0.656 m3/s,其中3月流量?jī)H為0.018 m3/s,適宜于藻類繁殖生長(zhǎng)。
2.3 藻類和微生物作用對(duì)pH和高錳酸鹽指數(shù)的影響
藻類爆發(fā)的光合作用使水里的CO2迅速減少,打破水中原有碳酸鹽平衡,使得部分HCO3-轉(zhuǎn)化成CO32-,從而造成水體pH值升高。
在登化斷面及上游干流的劉家、楊家提水站和馬家溝水閘對(duì)葉綠素a進(jìn)行監(jiān)測(cè),濃度范圍87.48 μg/L~114.41 μg/L。其中登化斷面葉綠素a濃度為93.34 μg/L。在水體中葉綠素a>10 μg/L時(shí),葉綠素a濃度與藻類密度呈顯著的線性關(guān)系。藻類在光合作用下產(chǎn)生大量有機(jī)物,使高錳酸鹽指數(shù)的測(cè)定值精密度受到干擾,導(dǎo)致葉綠素a值與高錳酸鹽指數(shù)值之間有良好的線性關(guān)系[2]。
微生物廣泛存在于土壤(包括包氣帶)、地表水體和地下水(含水層)中。微生物的胞外聚合物(EPS)是一類有機(jī)高分子聚合物,其覆蓋在微生物細(xì)胞表面上,會(huì)改變其表面電荷、疏水性和聚合性質(zhì)等物理化學(xué)特性[3-4]。研究表明,EPS是Cr(Ⅵ)吸附的主要位點(diǎn),且在將Cr(Ⅵ)還原為Cr(Ⅲ)的過(guò)程中有較好的作用,其表現(xiàn)出的還原性會(huì)導(dǎo)致高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量的升高[5]。
3 結(jié)論與對(duì)策
自然水體中pH和高錳酸鹽指數(shù)的異常升高存在以下重要因素:進(jìn)入河道中的外來(lái)污染源為藻類和微生物的生長(zhǎng)提供了足夠的營(yíng)養(yǎng)鹽基礎(chǔ);枯水期和河道構(gòu)筑物的影響導(dǎo)致河道中“滯水”現(xiàn)象嚴(yán)重,流速緩慢為藻類的爆發(fā)創(chuàng)造了水動(dòng)力條件;在溫度、光照等達(dá)到藻類繁殖條件時(shí),藻類的爆發(fā)和光合作用導(dǎo)致了pH和高錳酸鹽指數(shù)的升高;同時(shí)水體中微生物保外聚合物的大量存在以及其表現(xiàn)出的吸附性和還原性對(duì)高錳酸鹽指數(shù)和化學(xué)需氧量的升高起到了共同作用。
除春季外,深秋初冬季節(jié)登沙河流域的水動(dòng)力條件,自然因素等與春季類似,也同樣出現(xiàn)pH、高錳酸鹽指數(shù)等異常。
有效抑制河道內(nèi)的藻類生長(zhǎng)是解決春秋兩季河流pH和高錳酸鹽指數(shù)超標(biāo)的主要手段。從藻類生長(zhǎng)條件來(lái)看,主要方法為降低河道內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)鹽,提升河道水動(dòng)力,增加河道的遮光性。
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