藻源性黑水团环境效应Ⅲ:对水-沉积物界面处Fe-S-P循环的影响

利用静态模拟实验装置研究了藻源性黑水团发生过程中沉积物表层上覆水和沉积物间隙水中Fe-S-P的变化过程.结果表明:加入藻细胞后很快形成厌氧、还原环境,使得沉积物中Fe-S-P发生强烈的生物地球化学变化;实验第1d,表层上覆水中的Fe2+、SO42-、S2-含量高达4.993,242.0,387.57mg/L,为对照样柱中的1.8倍、2.2倍和18.8倍;在沉积物4cm处其浓度分别为8.5,40.0,65.3mg/L.随后,沉积物表层上覆水中Fe2+、S2-含量表现出一个先快速增加、随后降低的趋势,其浓度分别在实验的第3,2d达到最大值为11.1,634.6mg/L.沉积物中PO43--P浓度受Fe-P解析等具有滞后性,从实验的第2d后开始直至实验结束时表现为其含量持续增加,到实验结束时其浓度为39.450mg/L,为对照样柱中的242倍.上覆水和间隙水中Fe-S-P含量的变化,反映了藻华聚集形成的厌氧环境中发生了剧烈的生物地球化学反应,从而使得沉积物中形成的Fe2+、S2-和PO43--P不断向上覆水体中扩散,对形成黑水团的水体生态系统的恢复造成阻碍和不良影响.

太湖湖区“黑水团”成因及危害分析

跟踪观测太湖湖区"黑水团"形成过程,在室内对蓝藻死亡过程进行模拟试验。结果表明:①"黑水团"形成过程中,溶解氧迅速降低,最低值可为零,氨氮、化学需氧量均高于常值,发生剧烈的藻体分解矿化过程;②2008年太湖竺山湖湾及附近出现的"黑水团"与2007年引发无锡自来水供水危机的贡湖水源地"黑水团"特征基本一致;③蓝藻大规模聚集并堆积、死亡,在温度较高、风力较小、气压较低、复氧能力弱的条件下,蓝藻死亡后分解释放产生挥发性硫化物、二甲基三硫等硫醚类物质,硫化物与底泥中的重金属化合而形成致黑物质,在吸附凝聚过程中受湖泊风浪及水动力条件影响,悬浮而成"黑水团"。

藻华黑水团对上覆水体营养盐变化的模拟研究

藻类聚集区春夏季易发生黑臭(俗称"湖泛",也称"黑水团")现象,而在太湖北部区域趋向常态化发展现象。该文主要利用室内实验装置,通过设置高中低3种藻华聚集程度(处理1、2、3的藻细胞添加量分别为2 000、5 000、8 000 g/m^2)模拟实验研究了动态条件下黑水团发生过程中上覆水体重营养盐的变化。结果表明:在实验进行3d后上覆水体中溶解氧(DO)含量降低到2 mg/L以下,高藻华聚集模拟水体中NH_4^+-N含量增加到14 mg/L以上,PO_4^(3-)-P含量增加到0.20 mg/L,TN、TP含量分别高达15 mg/L、2.0 mg/L,水体中叶绿素含量呈现快速下降趋势,实验进行到3d后,其含量下降为1 500 mg/m^3,水体浑浊度增加,COD含量从50 mg/L快速上升为120 mg/L。表明大量藻细胞在聚集后受温度等影响下出现快速死亡、水体缺氧,造成藻华聚集区易出现黑水团现象,对水体生态环境带来严重影响。

蓝藻大量堆积、死亡与黑水团形成的关系

经过多年治理,太湖水环境状况得到一定程度的改善,但大部分湖区仍处于富营养化状态,夏季水华很严重,在适宜的环境条件下会诱发黑水团。2011年8月28日至9月27日在太湖梅梁湖杨湾水域进行为期1个月的原位蓝藻堆积围隔试验,分析蓝藻大量堆积、死亡过程中水体关键环境要素的变化趋势,并基于试验结果初步分析了其与黑水团形成之间的关系。结果表明,蓝藻积聚死亡会导致水体处于缺氧状态,水体溶解氧浓度基本在0.2mg/L上下波动;同时,水体主要营养盐浓度会在短时间内迅速上升,TN、NH4+-N和TP浓度最高值分别为初始值的16、48和46倍。高温时段打捞水体表面积聚的蓝藻是防止蓝藻死亡进一步恶化环境的有效措施。蓝藻死亡的同时会促进致黑物质的产生,丰富的有机污染底泥的参与对于黑水团的形成有决定作用,但形成典型的黑水团需要一定水平的风浪扰动。

贡湖壬子港藻体堆积下黑水团发生风险研究

利用室内实验装置,通过分别添加2 000、5 000、8 000 g/m2藻细胞以模拟高、中、低3种藻华聚集密度水体,研究不同藻华细胞聚集模拟水体发生黑水团的风险。结果表明,试验3 d,上覆水体中溶解氧含量降低到2 mg/L以下,高藻华聚集模拟水体中的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,总氮、总磷含量分别高达15、2.0 mg/L;水体中叶绿素含量呈现快速下降趋势,3 d后含量下降为1 500 mg/m3;水体浑浊度增加,CODMn含量从50 mg/L快速上升为120 mg/L,大量藻细胞聚集,出现快速死亡,藻华聚集区出现黑水团现象。

藻源性黑水团环境效应:对水-沉积物界面处Fe、Mn、S循环影响

通过室内静态实验培养装置模拟了蓝藻细胞大量聚集、沉降死亡后对水-沉积物界面处Fe、Mn、S循环的驱动作用.结果表明,藻细胞沉降到沉积物表面50min内,溶解氧就消耗殆尽,形成厌氧、强还原环境,使得界面处大量的铁锰氧化物和硫化物发生厌氧还原.实验进行到第4d沉积物-水界面处Fe2+、Mn2+含量达到峰值,含量分别为4.40mg/L、2.35mg/L;实验结束时Fe2+含量表现下降,浓度仅为3.37mg/L;Mn2+急剧降低,浓度为0.97mg/L.而S2-含量变化则表现为第2d达到最高,含量为0.63mg/L;此后浓度一直降低,实验结束后浓度为0.12mg/L.在实验结束后测定的0～1cm处沉积物的ORP值为-150mV,表明沉积物处于强还原状态.藻体死亡引起的黑水团现象,在驱动沉积物中Fe、Mn、S发生强烈的生物地球化学过程的同时,也将对水体生态环境产生极大的影响.

藻源性黑水团环境效应:对水-沉积物界面氮磷变化的驱动作用

利用自制的静态模拟实验装置,通过连续抽取间隙水来研究藻细胞沉降在沉积物表面后对水-沉积物界面处的N、P变化的驱动作用及影响效果.结果表明,藻细胞沉降后,在50 min内就完全消耗掉水-沉积物界面处的溶解氧,同时水体出现严重的发黑、发臭现象;形成的厌氧、强还原环境,使得死亡的藻细胞在界面处发生强烈的厌氧矿化作用,界面处的水溶性PO34--P、NH 4+-N在实验的第2 d开始向上覆水中扩散,含量不断增加.至实验结束时(实验第8 d),界面处PO34--P、NH 4+-N的含量分别达到4.00 mg/L、39.45 mg/L,分别为同期对照实验样柱中的10倍和241倍(对照样柱中的PO43--P、NH 4+-N的含量分别为0.42 mg/L、0.16 mg/L).藻细胞的厌氧矿化加剧了氮磷营养盐向上覆水的扩散,在加重水体营养盐含量的同时,也为藻华的再次发生提供了物质基础.

富营养化水体中黑水团的吸收及反射特性分析

对黑水团水体光学特性进行研究,是利用遥感技术监测和评估黑水团事件的前提.针对2015年7月在太湖发生的黑水团现象,采集了太湖黑水团区（区域一）、蓝藻水华区（区域二）、清水区（区域三）共36个水样,对这3个区域的水体遥感反射率以及吸收特性进行对比分析.结果表明：1区域一水体的总颗粒物、色素颗粒物和非色素颗粒物吸收系数比区域二、区域三高出1～2倍,在400～500 nm之间,区域一CDOM吸收系数相比另外两个区域的水体高出2倍左右.导致黑水团区域水体具有很低的遥感反射率,被人眼感知时呈现为黑色;2黑水团区域水体M值低于滇池、巢湖和太湖的M值变化范围,说明黑水团中CDOM的腐殖酸含量较高.此外,叶绿素a浓度与CDOM在350 nm处吸收系数之间具有很好的相关性,表明蓝藻的降解可能是黑水团中CDOM的一个主要来源;3在380 nm之后,黑水团区域的水体总吸收以色素颗粒物占主导,但在短波350～380 nm处,CDOM对总吸收的贡献率高于色素颗粒物和非色素颗粒物.

生物修复技术在北护城河“黑水团”防控中的应用

根据北护城河治理段水质情况和出现的几次典型的"黑水团"现象,采用生物修复技术进行水质改善和修复,并根据技术运用过程中治理区域水质和藻类指标的变化情况,对生物修复技术的工程实施效果进行评价。结果表明:生物修复技术治理后,藻类生长得到有效抑制,水体水质得到显著改善;水质得到改善后,"黑水团"聚集现象得到明显防控,研究成果为城市河湖"黑水团"的防控提供工程治理经验。

浅水湖泊防控黑臭水体复氧技术

试验研究了复氧技术防控浅水湖泊黑臭水体发生的机理和复氧设备.研究发现,当太湖水在藻浓度1.0×10^8～5.0×10^8cells/L,水温约28℃时,静止过程中水中的CODM n、二甲基三硫醚浓度持续升高,6 d后发生明显的类湖泛的水体黑臭现象,表明采用人工复氧维持水中1.0mg/L溶解氧的方法可防控藻源性局部黑臭水体发生.研发出3种升流循环复氧装置,结果显示,Ⅲ型装置充氧及能量利用率性能最佳.中试试验显示,Ⅲ型中试溶解氧升高及扩散趋势与fluent模型相符,80 h时溶解氧平均值为3.65 mg/L,溶解氧平均上升速率为0.045 4 mg/（L·h）;升流循环复氧机在模拟黑臭水体应急处置时,48 h时影响半径可达到50 m.初步证明升流循环复氧装置可作为应急充氧设备,用于类似太湖的浅水湖泊黑臭水体的治理领域.

太湖宜兴近岸水域“湖泛”现象初析

针对太湖西北部宜兴近岸带2008年5月26日至6月9日出现"黑水团"、水体浑浊黑臭的问题,分析其产生的原因,采用实时调查监测等手段,获取水文气象与水动力和湖体水生态环境等资料信息。分析结果表明,"黑水团"是水体中水-土界面耗氧性有机物在厌氧环境背景、微生物及细菌作用下发生强烈生化反应后呈现的生态灾变现象,称为"湖泛"。其物质源以重污染底泥、沉积于水—土界面的藻类等生物质、高浓度富含营养盐的悬浮物为主。最后提出控源减污、生态清淤、加快新孟河调水工程建设以及加强动态监测和"湖泛"发生机理研究等建议。

升流循环复氧装置复氧性能及氧传递规律

采用对比中试研究测试了升流循环复氧装置的复氧性能和氧传递规律,研究表明:升流循环复氧装置的氧传递规律为径向从中心点向四周扩散传递;纵向从近装置区域中层向水面上层传递溶解氧,继而由表层向水面下层传递。25 m^3/h供气量的中试升流循环复氧装置实际氧传递能力为2.57 kg O/h,氧利用率为34%,其中84.09%参与水中COD_(Cr)的降解,15.91%用于水体氧浓度的提升。等功率升流循环复氧装置、水车式复氧装置、水下射流复氧装置的实际氧传递能力分别为2.57、2.20、1.75 kg O/h。分析表明升流循环复氧装置的复氧性能仍有很大的提升空间。

浮游植物降解过程中的水体光学吸收特性变化研究

通过配制3组不同浓度浮游植物,在室内进行长时间(37d)降解实验,分析水体光学吸收特性变化规律.结果表明:降解速度前3d最快,25d后逐渐趋于稳定;浮游植物色素吸收系数(aph)随时间变化不断减小趋势明显,在分解过程中不同波段aph(440)、aph(624)、aph(675)与叶绿素浓度(Cchl)显著相关(R2>0.5984,P<0.05),悬浮颗粒物吸收系数ap(440)、ap(675)和总悬浮颗粒物浓度仅呈弱相关性(R2<0.4613);有色可溶性有机物CDOM构成比较复杂且相对不稳定,非藻类颗粒物吸收系数ad(440)和光谱斜率Sd随时间变化均呈现不规律性.另外,与太湖同期野外采样点相比,室内降解实验的总颗粒物和浮游藻类色素吸收光谱更相似,Sd和Sg更大.通过研究浮游植物死亡分解过程中水体吸收特性的变化规律,有助于构建高精度的黑水团遥感监测模型,及时掌握黑水团信息.