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

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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