孫飛飛,尹桂平,范成新,崔廣柏

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098;

2.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,江蘇南京210008)

2007年8月31日和2008年1月11日美國(guó)《Science》雜志刊登了2篇關(guān)于太湖黑水團(tuán)現(xiàn)象的文章[1-2]。前篇稱(chēng),當(dāng)年夏季太湖藍(lán)藻暴發(fā)導(dǎo)致了水質(zhì)的巨變;后篇?jiǎng)t認(rèn)為此次水質(zhì)巨變是“一起復(fù)雜的由生物引起的化學(xué)事件,和此前發(fā)生過(guò)的多次太湖藍(lán)藻水華的暴發(fā)并無(wú)關(guān)聯(lián)?！贬槍?duì)此,筆者提出了2種對(duì)黑水團(tuán)發(fā)生原因的解釋,一種是太湖藍(lán)藻,另一種是化學(xué)事件,并試著從這兩個(gè)角度來(lái)進(jìn)行探索。試驗(yàn)原理如下:基于Y型旋槳式沉積物再懸浮發(fā)生裝置這個(gè)平臺(tái),在相同上覆水體和原位沉積物的基礎(chǔ)上,通過(guò)添加不同量的藻類(lèi)和配比不同質(zhì)的污水來(lái)探索黑水團(tuán)發(fā)生過(guò)程中水體營(yíng)養(yǎng)鹽的變化。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料

a.沉積物與上覆水。試驗(yàn)所用底泥是運(yùn)用大口徑柱狀采樣器于竺山湖采集的若干沉積物樣,用橡膠塞將柱樣塞緊保存。湖水用25 L的塑料桶盛放。所有泥樣及水樣于采樣當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,在4℃的低溫環(huán)境中保存。

b.鮮藻與污水。首先用2L塑料桶取太湖竺山湖水體中漂浮于水面上的藍(lán)藻,接著用額定體積濾網(wǎng)將鮮藻靜置2d。稱(chēng)重后,從裝置上口投入。污水取自槽橋污水處理廠進(jìn)水口,采樣當(dāng)日運(yùn)回并立刻測(cè)定其CODCr質(zhì)量濃度。添加藍(lán)藻分別為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)裝置,添加污水分別為4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)裝置。

1.2 模擬條件

基本條件:溫度為(28±1)℃,基于黑臭現(xiàn)象通常發(fā)生于盛夏時(shí)節(jié),故選擇該溫度范圍;光照為自然光;水動(dòng)力為中等風(fēng)(相當(dāng)于風(fēng)速3～4m/s),風(fēng)速參考文獻(xiàn)[3]來(lái)率定;水深為1.6m。

藻類(lèi)梯度:以單位水體表面積藻量作為梯度統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。低藻量為1000g/m2,中藻量為5000g/m2,高藻量為10000g/m2。

污水梯度:以水體CODCr作為污水梯度統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。低濃度(質(zhì)量濃度,下同):ρ(CODCr)=50mg/L(ρ(NH3-N)=4.5mg/L,ρ(PO)=0.05mg/L);中濃度:ρ(CODCr)=100 mg/L(ρ(NH3-N)=5.5 mg/L,ρ(PO)=0.5mg/L);高濃度 :ρ(CODCr)=150mg/L(ρ(NH3-N)=6.5mg/L,ρ(PO)=0.3mg/L)。

試驗(yàn)時(shí)間:2008年12月6—12日。

1.3 沉積物再懸浮發(fā)生裝置

Y型旋槳式沉積物再懸浮發(fā)生裝置由Y型聚乙烯管、下部(呈側(cè)位)擾動(dòng)電機(jī)、上部擾動(dòng)電機(jī)和調(diào)頻電機(jī)等主件組成[4]。將原位沉積物和上覆水體裝入再懸浮發(fā)生裝置后,對(duì)于加藻試驗(yàn),直接添加相應(yīng)的藻量;對(duì)于污水試驗(yàn),因?yàn)楹ǔＧ闆r下CODCr不高(作忽略計(jì)),所以用體積比的方法來(lái)調(diào)配相應(yīng)CODCr數(shù)值的污水+湖水混合上覆水。依據(jù)風(fēng)速特征的研究結(jié)果[5],選用太湖常見(jiàn)風(fēng)速為本次模擬風(fēng)速,并確定風(fēng)速時(shí)長(zhǎng)為4h。

試驗(yàn)在不同藍(lán)藻添加量與不同污水水質(zhì)的條件下模擬黑水團(tuán)物質(zhì)產(chǎn)生的過(guò)程。每日13:00—17:00進(jìn)行攪動(dòng),模擬太湖風(fēng)力影響。18:00分別在每根試驗(yàn)柱子的上、下2處取水樣。

1.4 分析項(xiàng)目與計(jì)算

在每根柱子上、下2個(gè)取水口(距離泥-水界面分別為0.1m和1.4m)采樣分析水樣的NH3-N(納氏比色法)和PO(磷鉬藍(lán)比色法)。在采集水樣時(shí),同步測(cè)定其懸浮物(SS)質(zhì)量濃度(便攜式SS計(jì))。主要參照《湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查規(guī)范》[6]和國(guó)家分析測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)廢水監(jiān)測(cè)分析方法[7]對(duì)樣品進(jìn)行分析。采集的水樣用玻璃纖維濾膜抽濾。

采用平均數(shù)的方法來(lái)計(jì)算每個(gè)裝置的分析項(xiàng)目值,即

式中:i分別為 SS,NH3-N,PO;j為裝置編號(hào);ρ(i)jup和 ρ(i)jdown分別為上、下部水樣檢測(cè)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 藻類(lèi)聚積和污水輸入對(duì)水體ρ(SS)的影響

6個(gè)裝置中的SS經(jīng)歷了較為相似的變化過(guò)程:起初在藻量或污水的添加下,水體SS均出現(xiàn)較大的增長(zhǎng);接著在動(dòng)力攪動(dòng)下,發(fā)生了一系列沉降-再懸浮-再沉降的物理動(dòng)力過(guò)程;最后呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),見(jiàn)圖1和圖2。沉降過(guò)程匯總,部分藍(lán)藻和部分污水顆粒物沉降進(jìn)入水-土界面層中,參加了這個(gè)微生物最為豐富的沉積物層中的各種反應(yīng)過(guò)程,成為重要有機(jī)質(zhì)的源項(xiàng)。動(dòng)力攪動(dòng)帶來(lái)的復(fù)氧可以為有機(jī)質(zhì)的有氧降解提供充分條件。藍(lán)藻和污水分別在動(dòng)力攪動(dòng)的作用不斷與水體中再懸浮的泥沙接觸、碰撞,發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物反應(yīng)。在水-土界面層中,有機(jī)質(zhì)的存在及其后續(xù)的耗氧或厭氧生物降解都讓該層的結(jié)構(gòu)變得松散。原因在于在充足的有機(jī)質(zhì)和適宜的溫度條件下,沉積物存在的休眠和厭氧狀態(tài)微生物快速被激活,進(jìn)入對(duì)數(shù)期快速生長(zhǎng)。而此時(shí)微生物形成的菌膠團(tuán)結(jié)構(gòu)蓬松,沉降性差,從而導(dǎo)致水體中SS質(zhì)量濃度的暫時(shí)增加。但隨著有機(jī)質(zhì)的生物降解完全,菌膠團(tuán)的數(shù)量將逐漸較少,表現(xiàn)在水體中SS質(zhì)量濃度下降。

圖1 加藻試驗(yàn)柱上下水層 ρ(SS)變化

圖2 加污水試驗(yàn)柱上下水層ρ(SS)變化

2.1.1 藻類(lèi)聚積對(duì)ρ(SS)的影響

加藻裝置中的 ρ(SS)呈現(xiàn)出波浪形的變化趨勢(shì)。但在出現(xiàn)3個(gè)峰谷后,出現(xiàn)了穩(wěn)定的下降。從圖1中可以看到,加藻裝置在第3天左右 ρ(SS)達(dá)到最大值;上、下部水樣 ρ(SS)的差距在不斷地縮小。這說(shuō)明藻殘?bào)w粒度不利于混合均勻。1號(hào)裝置在第3～4天就實(shí)現(xiàn)上下水樣混合均勻;2號(hào)裝置要到第5～6天才能實(shí)現(xiàn)上下水樣混合均勻;3號(hào)裝置中的水樣不僅花了更長(zhǎng)的時(shí)間向上下水樣混合均勻的方向發(fā)展,而且其上部水樣 ρ(SS)變化似經(jīng)歷了一個(gè)較大的山峰。

藻類(lèi)聚積后,因?yàn)榄h(huán)境條件的有限性,藻體出現(xiàn)死亡態(tài)勢(shì):由藍(lán)綠色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色殘?bào)w。部分殘?bào)w沉降到水-土界面層,參與其中的生物降解。藻殘?bào)w為水-土界面提供有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)在上覆水體和沉積物中的分解成為整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的主體內(nèi)容。要實(shí)現(xiàn)藻體的聚沉就必須把靜電排斥減弱,以便相同物質(zhì)能夠聚沉。由于藻殘?bào)w作為懸浮膠體物,其比表面積很大,能夠強(qiáng)烈地吸附各種分子和離子。隨后,ρ(SS)下降的原因在于有機(jī)質(zhì)分解,使得水體吸附的膠體物變少。

2.1.2 污水輸入對(duì) ρ(SS)影響

加污水裝置中的 ρ(SS)表現(xiàn)為先增加后穩(wěn)定在一定的水平,最后急劇下降并穩(wěn)定。水體中 ρ(SS)在第1次攪動(dòng)后就穩(wěn)定下來(lái),直到第5次攪動(dòng)后ρ(SS)出現(xiàn)急劇下降。同時(shí),加污水裝置的上下取樣點(diǎn)間 ρ(SS)的差異較小,說(shuō)明污水組成的顆粒物粒度有利于混合均勻。

污水匯入后,污水含有的顆粒物、細(xì)菌、病毒、表面活性劑、油滴等作為膠體物對(duì)水體中的 ρ(SS)產(chǎn)生了很大的影響。污水組成的復(fù)雜性讓 ρ(SS)維持了5d的穩(wěn)定。最終,膠體顆粒的絮凝或聚沉作用使水體 ρ(SS)下降。

總體上,各裝置中ρ(SS)呈先上升、后下降的趨勢(shì)。在數(shù)量級(jí)上,加污水與加藻裝置中 ρ(SS)的變化趨勢(shì)相似。

2.2 藻類(lèi)聚積量對(duì)水體 ρ(NH3-N)及 ρ(PO3-4)的影響

藻類(lèi)聚積量為水體及沉積物提供了有機(jī)質(zhì)源。通常情況下,有機(jī)質(zhì)分解及水生生物代謝活動(dòng)是造成水體ρ(NH3-N)增加的主要途徑。沉積物有機(jī)質(zhì)含量與磷酸酶活性顯著相關(guān)。高溫下,微生物復(fù)蘇、生長(zhǎng)和繁殖加快。磷釋放受到微生物活動(dòng)、有機(jī)質(zhì)分解,以及沉積物的水、氣、熱狀況等條件的影響。

2.2.1 對(duì) ρ(NH3-N)的影響

藻體聚積對(duì)水體 ρ(NH3-N)產(chǎn)生較大的影響:ρ(NH3-N)變化呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性和一致性(圖3)。ρ(NH3-N)并沒(méi)有因?yàn)樵辶康脑黾佣尸F(xiàn)明顯的變化差異,但總體趨勢(shì)是一致的。有趣的是,在第1天1號(hào)裝置表現(xiàn)出較高的 ρ(NH3-N)。其原因可能是在中等風(fēng)速攪動(dòng)下1號(hào)裝置的表層沉積物釋放出較多的NH3-N。接下來(lái),在攪動(dòng)所帶來(lái)的溶解氧作用下1號(hào)裝置中的ρ(NH3-N)迅速下降。再接著,動(dòng)力攪動(dòng)導(dǎo)致了藻體與沉積物表層相混合并沉降。隨后發(fā)生的有機(jī)質(zhì)分解對(duì) ρ(NH3-N)產(chǎn)生第3天明顯的梯度。該梯度與藻量梯度負(fù)相關(guān),原因在于剩余鮮藻對(duì)NH3-N的吸收作用。在第3天之后,1號(hào)裝置因?yàn)榇饲坝袡C(jī)質(zhì)分解的完結(jié),不再出現(xiàn) ρ(NH3-N)的升高;2號(hào)裝置有機(jī)質(zhì)分解量的增大和相對(duì)的鮮藻量減小導(dǎo)致ρ(NH3-N)升高;3號(hào)裝置中雖然有較多的有機(jī)質(zhì)分解,可是鮮藻量仍較大,結(jié)果 ρ(NH3-N)升高較2號(hào)裝置中緩慢些。

圖3 加藻試驗(yàn)柱上下水層ρ(NH3-N)變化

2.2.2 對(duì) ρ()的影響

藻類(lèi)堆積對(duì)ρ(PO)的影響并未因藻量的增加而增大,反而呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)(圖4)。原因可能為鮮藻的吸附作用。ρ(PO)的變化與藻體有機(jī)質(zhì)的分解、沉積物再懸浮釋放和鮮藻膠體的化學(xué)吸附作用有關(guān)。1號(hào)裝置中 ρ(PO)呈現(xiàn)出2次峰谷變化。而其他另外2個(gè)裝置中因?yàn)轷r藻含量仍較大或懸浮膠體物的大量存在,對(duì) ρ(PO3-4)產(chǎn)生了吸附作用。

2.3 污水添加量對(duì)水體 ρ(NH3-N)及 ρ()的影響

2.3.1 對(duì) ρ(NH3-N)的影響

圖4 加藻試驗(yàn)柱上下水層ρ()變化

加污水裝置中,ρ(NH3-N)變化呈現(xiàn)出較為混亂的狀態(tài),特別是在第1～5天。這個(gè)過(guò)程與其ρ(SS)的變化是類(lèi)似的。不同的是污水中各物質(zhì)不像藻體那么單一,其復(fù)雜性導(dǎo)致了其與加藻相比更為復(fù)雜的過(guò)程。污水所含的有機(jī)質(zhì)分解幾乎在前6天內(nèi)完成,隨后水體中ρ(NH3-N)開(kāi)始下降并恢復(fù)到之前的狀態(tài)(圖5)。

圖5 加污水試驗(yàn)柱上下水層 ρ(NH3-N)變化

2.3.2 對(duì) ρ)的影響

不同的加污水裝置中,ρ()呈現(xiàn)出較為一致的規(guī)律性。污水為水體提供了大量有機(jī)磷。隨著有機(jī)質(zhì)的分解得到了釋放。同時(shí),細(xì)菌膠團(tuán)和其他懸浮膠體物對(duì)起著吸附作用。第5天之前經(jīng)歷了1次逐步上升后又較快地下降的過(guò)程。第5天開(kāi)始的下降是有機(jī)質(zhì)分解完結(jié)的標(biāo)志。在第5天之后出現(xiàn)了1次較小幅度的上升(圖6),原因可能主要在于再懸浮過(guò)程,與有機(jī)質(zhì)的分解無(wú)關(guān)。

圖6 加污水試驗(yàn)柱上下水層 ρ()變化

3 討 論

3.1 不同添加物對(duì)ρ(SS)的影響

加藻及加污水2種添加狀態(tài)都造成水體 ρ(SS)增加,其增量對(duì)添加量有明顯依賴(lài)關(guān)系(圖7)。低藻量、中藻量和高藻量梯度與每天各裝置水體ρ(SS)有著較好的相關(guān)性,這說(shuō)明所選擇中等風(fēng)速的動(dòng)力有足夠的張力范圍來(lái)把藻量梯度體現(xiàn)在ρ(SS)梯度上。低濃度、中濃度和高濃度污水的添加與每天各裝置水體ρ(SS)也有著較好的相關(guān)性。

圖7 各裝置 ρ(SS)變化

從數(shù)值上看,加藻裝置的 ρ(SS)小于加污裝置的ρ(SS)值。而且加污裝置上下水樣之間的 ρ(SS)差值明顯小于加藻裝置上下水樣之間的 ρ(SS)差值。加藻裝置明顯的規(guī)律性源于藍(lán)藻個(gè)體的單一性;而加污裝置在第5天之前體現(xiàn)的 ρ(SS)變化無(wú)規(guī)律性源于污水組成的復(fù)雜性。

以上情況說(shuō)明在中等風(fēng)速下藻量的增加和污染物的進(jìn)入都會(huì)對(duì)水體造成五六天的ρ(SS)升高。在第6天之后,水體中的 ρ(SS)逐漸下降。

3.2 不同添加物對(duì)ρ(NH3-N)的影響

圖8 各裝置ρ(NH3-N)隨時(shí)間的變化

加藻梯度對(duì)水體中 ρ(NH3-N)的影響不大,而加污梯度對(duì)水體ρ(NH3-N)有較大的影響,見(jiàn)圖8。假定裝置的復(fù)氧效率相同,由于藻體或污水中有機(jī)物分解耗氧,使得水體氧含量存在一個(gè)下降和上升的變化過(guò)程。只有當(dāng)溶解氧含量高時(shí),ρ(NH3-N)才會(huì)下降;而當(dāng)耗氧大于復(fù)氧效率時(shí),ρ(NH3-N)才會(huì)升高[6]。第1天的 ρ(NH3-N)變化受沉積物再懸浮的較大影響[7]。隨后,有機(jī)質(zhì)分解逐漸占據(jù)了主導(dǎo)。藻體聚積對(duì) ρ(NH3-N)升高的作用較為緩慢,而污水匯入對(duì)ρ(NH3-N)升高的作用較為明顯。從圖8中可見(jiàn),加藻裝置中的ρ(NH3-N)變化與加污水裝置相比較而言有著更明顯的規(guī)律性。這個(gè)事實(shí)也驗(yàn)證了污水的組成與藍(lán)藻相比極為復(fù)雜。但是,在第5天之后,加污水裝置中ρ(NH3-N)也呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性、一致性。在數(shù)量級(jí)上,藍(lán)藻導(dǎo)致的 ρ(NH3-N)與污水導(dǎo)致的值相差1倍。藻體堆積和污水匯入,前者產(chǎn)生的ρ(NH3-N)明顯小于后者。ρ(NH3-N)變化在前期受沉積物再懸浮影響較大,隨著時(shí)間的推移,逐漸出現(xiàn)受藻量及污水影響較為一致的變化趨勢(shì)。

文獻(xiàn)[2]指出:“該‘黑水團(tuán)'的存續(xù)可以與水中ρ(NH3-N)的變化聯(lián)系起來(lái)——平時(shí)ρ(NH3-N)為0.23～0.97mg/L,5月28日開(kāi)始突然上升,在5月31日達(dá)到峰值4.0mg/L后逐漸回落。然而,這一時(shí)期觀察到的不尋常的高ρ(NH3-N)卻并不是藻類(lèi)水華爆發(fā)過(guò)程的通常情況?！北敬卧囼?yàn)得出的結(jié)果驗(yàn)證了這一描述:藻華聚積不會(huì)造成 ρ(NH3-N)較大增加,而污水匯入可以導(dǎo)致水體中ρ(NH3-N)大幅度增加。

3.3 不同添加物對(duì)ρ(PO)的影響

加藻梯度與水體中 ρ(PO)有著一定的負(fù)相關(guān),且逐漸加強(qiáng)。而加污梯度與水體中 ρ(PO)有一定的正相關(guān),見(jiàn)圖9。藻體死亡分解過(guò)程中產(chǎn)生的膠體態(tài)在動(dòng)力攪動(dòng)中不斷分解為更小的顆粒。ρ(PO)的第1次高峰也是集中在藻體分解最快的前4d中[8]。而加污水裝置中因污水成分復(fù)雜,故而造成5號(hào)和6號(hào)裝置中ρ()與配置污水的質(zhì)量濃度呈負(fù)相關(guān)?？傮w而言,藻體堆積和污水匯入產(chǎn)生的ρ(PO)變化趨勢(shì)較為一致。藻體堆積產(chǎn)生的ρ(PO)僅為污水匯入的1/10。總之,2種情況的ρ(PO)呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。但是,二者不在同一數(shù)量級(jí)上。

圖9 各裝置 ρ()隨時(shí)間的變化

4 結(jié) 語(yǔ)

由于藍(lán)藻結(jié)構(gòu)的單一性,藻體堆積對(duì)上覆水體營(yíng)養(yǎng)鹽的影響與藻量梯度有著較好的相關(guān)性;而污水成分復(fù)雜,污水匯入對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的影響與CODCr梯度相關(guān)性不太好,原因可能是CODCr不足以反映污水的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

初步試驗(yàn)結(jié)果表明,在7d的常見(jiàn)風(fēng)浪模擬環(huán)境中,無(wú)論加入藻類(lèi)和加入污水后試驗(yàn)裝置內(nèi)上下層水體中 ρ(SS)均下降,表明顆粒物有向水底沉降的可能;但水體的 ρ(NH3-N)和 ρ(PO)并未因藻量增加而上升,反映鮮藻此時(shí)對(duì)水體中的N,P呈吸收作用;污水添加量的增加則使水柱中 ρ(NH3-N)和ρ(P)上升,并大致隨時(shí)間增加呈逐步上升趨勢(shì)。

此次試驗(yàn)過(guò)程中有機(jī)質(zhì)為微生物指數(shù)級(jí)生長(zhǎng)繁殖提供了條件。隨著微生物的大量增加,其生物降解將需要更多的溶解氧?？墒?常見(jiàn)風(fēng)速條件下并不能提供足夠的氧量,于是有機(jī)質(zhì)將出現(xiàn)缺氧分解或厭氧分解。有機(jī)質(zhì)的不完全降解將對(duì)沉積物中的物質(zhì)組成產(chǎn)生劇烈的影響。不完全分解產(chǎn)物是黑臭產(chǎn)生的原因。

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