微污染水体夜间曝气控藻效果研究.pdf

微污染水体夜间曝气控藻效果研究 * 李月寒王育来李建华徐兵兵陈雪雯 上海市同济大学环境科学与工程学院长江水环境教育部重点实验室，上海 200092 摘要 设计和开发了一种适用于小城镇的曝气控藻设备， 通过底泥围隔实验， 研究了夜间曝气对微污染水体的治理效 果。结果表明 曝气可以有效抑制氮素循环中反硝化作用和底泥向上覆水中释放磷元素， 对氮、 磷营养元素的抑制率 高达 80 ; 曝气对叶绿素 a 浓度影响极其显著 p ＜ 0. 01 ; 曝气能有效抑制藻类增长， 并防止围隔内的藻类优势种转 变为容易引发“水华” 的铜绿微囊藻 Microcystis aeruginosa 。 关键词 微污染水体;曝气;控藻;氮;磷 EFFECT OF ALGAE CONTROL OF MICRO POLLUTED WATER BY NIGHT AERATION Li YuehanWang YulaiLi JianhuaXu BingbingChen Xuewen Key Lab of the Yangtze River Water Environment of Ministry of Education，College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092， China AbstractA kind of aeration device of algal control was designed and developed， which was suitable for ecological restoration of contaminated water bodies in small towns． The impact of night aeration on nutrient elements，as well as the effect of algae control were studies through sediment barricading experiment．Results showed that aeration could effectively inhibit the denitrification of nitrogen cycle and the release of phosphorus from sediment to overlying water．The suppression ratio of nitrogen and phosphorus could be up to 80 ． Meanwhile，aeration had a significant impact on the amount of chlorophyll a p ＜ 0. 01and had the power of inhibiting the growth of algae effectively． Besides，the disturbance due to artificial aeration could change algae dominant species and prevent blue bloom algae，Microcystis aeruginosa，from being happened water bloom． Keywordsmicro polluted water;aeration;algae control;nitrogen;phosphorus * 社区碳减排和资源循环利用关键技术研究及示范 2010BAK69B16- 1- 3 ; 沼渣液无害化利用与低污染型有机肥制备技术研究 11230705600 。 0引言 随着现代经济的飞速发展， 世界各国河流、 水库和 淡水湖泊等均受到来自工、 农业生产的污染， 水质日趋 恶化。我国湖泊和水库有机污染物普遍超标， 氮磷营 养元素含量较多 ［1］。2010 年国家监测的 26 个国控重 点湖泊 水库 中， 满足Ⅱ类水质的 1 个， 占 3. 8 ; Ⅲ类 的 5 个， 占19. 2 ; Ⅳ类的 4 个， 占15. 4 ; Ⅴ类的 6 个， 占 23. 1 ; 劣Ⅴ类的 10 个， 占 38. 5 ， 主要污染指标是 总氮和总磷 ［2］。水体从贫营养水平向富营养水平演替 会带来一系列的水环境安全问题， 主要包括 ［3- 6］ 水体 中溶解氧和透明度下降引起鱼类及其他生物的大量死 亡， 破坏水生生态系统的平衡和稳定; 藻类的死亡腐烂 导致水质的进一步恶化; 部分藻类会分泌毒素， 这些毒 素通过饮用水和水产品进入人体， 危害人类健康。因 此， 控制和去除水体中的有害藻种成为生态修复领域 中人们普遍关注的问题。 人工曝气技术作为一种见效快、 无二次污染的水 体污染治理技术， 逐渐应用于修复污染水体。目前国 内外采用的人工曝气复氧技术主要包括纯氧增氧系 统、 鼓风机微孔 － 布气管曝气系统、 叶轮吸气推流式 曝气器等。但现有技术具有结构复杂、 投资成本较 高、 易堵塞、 在浅水河流中使用时易将底泥搅起、 不易 安装维护的缺点， 一般适用于大型湖泊水库 ［7- 8］， 对于 小城镇地区受污染水体的实用性较差。基于此现状， 本文旨在开发出一种性能可靠、 操作简便、 适于小城 镇管理且价廉的原位修复曝气设备。通过围隔实验， 研究该设备在夜间曝气方式下， 对受污染水体水质变 化、 底泥氮磷释放和藻类去除的影响， 为小城镇微污 染水体的净化和修复提供技术支撑。 93 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 1实验部分 1. 1实验装置 所开发的太阳能曝气控藻设备为能够漂浮在水 面上的浮标式设备， 如图 1 所示。 图 1浮标式太阳能曝气控藻设备模型 1. 2围隔实验 于 2011 年 5 月在崇明岛前卫村中心湖 3143 16. 71″N， 12130″41. 71″E 安装两个围隔装置。围隔装置 直径均为 1. 5 m 的彩钢板筒， 底部插入底泥中 15 cm。 其中一个围隔安装曝气量为70 L/min 曝气机， 所使用的 空气泵运行所需电力由水边设置的太阳能板提供， 并设 置连续夜间曝气 4 h 23∶00 ～03∶00 ; 另一个围隔装置为 对照组。围隔置于水体后先静置 3 d， 随后开始控制曝 气机每天夜间自动曝气。 1. 3分析方法 1． 3． 1理化指标的测定 实验过程中每 3 d 对曝气和对照两个围隔装置 内的上覆水体进行监测。每日上午 9∶ 00 测定水温、 pH 值、 溶解氧 DO ， 并采集水样。采用国家标准方 法测定水体氨态氮、 硝态氮、 总氮和总磷。 1． 3． 2生物指标的测定 使用浮游植物荧光仪通过活体藻细胞叶绿素荧 光测定水体中蓝藻、 绿藻和硅 /甲藻的叶绿素 a 含量 以及总叶绿素 a 含量。在 Meas． Freq． 为 32 的条件 下测量微藻荧光 Chl-a 浓度， 并通过传统方法 热乙 醇法 ［12］进行校正。 1． 3． 3统计分析方法 使用 SPSS 统计分析软件对两个对比实验组中营 养盐浓度、 叶绿素 a 浓度进行配对样本 T 检验， 并对 营养盐浓度和叶绿素 a 浓度作相关性分析。 2结果与讨论 2. 1曝气对氮素循环的影响 图 2营养盐浓度随时间变化 营养盐浓度随时间变化如图 2 所示。如图 2a 所 示 曝气组中氨态氮浓度随着曝气时间延长出现先略 微增加后降低的趋势， 而对照组中则是先稳定在初始 浓度再显著增加。在实验前期 1 ～15 d ， 曝气对氨态 氮有一定的促进作用， 在第 15 天其浓度为 0. 24 mg/L， 浓度是此时对照组的 2. 7 倍; 随后， 曝气组氨态氮浓度 逐渐下降， 在第 21 天至实验结束， 稳定在 0. 12 mg/L， 显著低于对照组 0. 18 ～0. 42 mg/L 。 04 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 如图 2b 所示， 曝气组硝态氮浓度随着曝气时间 延长呈逐渐上升的趋势， 而对照组中硝态氮浓度则是 先稳定在初始浓度再显著下降。在实验前期 1 ～ 18 d ， 曝气组硝态氮浓度随着曝气时间的增加而上升， 在第 18 天的浓度为 0. 25 mg/L， 而此时对照组中硝 态氮的浓度为 0. 16 mg/L; 在实验后期 第 21 天至实 验结束 ， 曝气组的硝态氮浓度继续上升， 而对照组 中的硝态氮浓度开始显著下降， 在实验结束时， 曝气 组中 硝 氮 浓 度 达 0. 28 mg/L， 浓 度 是 此 时 对 照 组 0. 048 mg/L 中的 6 倍。 原因是对照组中 DO 含量呈逐渐下降趋势， 数值从 9. 28 mg/L 下降至 2. 72 mg/L， 使对照组中上覆水体在实 验后期处于缺氧状态， 微生物利用硝态氮中的氧进行代 谢， 同时在还原状态下， 部分硝酸盐氮代替分子氧充当 电子受体， 发生反硝化作用， 部分硝酸盐氮被还原为铵 态氮 ［13 ］， 从而导致水体中氨氮浓度升高， 硝态氮浓度降 低。曝气组由于曝气充氧， 实验开始后， 曝气组中 DO 明 显升高， 并持续保持在 8 ～9 mg/L， 使上覆水体处于好氧 状态。此时， 水体氧化还原电位为 258. 4 mV， 从还原态 向氧化态转变。硝化细菌进行硝化作用， 将水体中大部 分氨氮转化为硝态氮使曝气组中氨氮缓慢下降、 硝态氮 浓度大幅上升。 进一步通过配对样本 T 检验对曝气组和对照组 中的氨态氮和硝态氮浓度进行差异性分析得 硝态氮 配对样本 T 检验 P 值为 0， 说明曝气对上覆水体中硝 态氮浓度变化趋势影响显著。 硝化和反硝化的联合作用最终影响沉积物 － 水 界面之间的总氮， 上覆水体中总氮的浓度与氨氮和硝 态氮浓度有关 ［14］。如图 2c 所示， 曝气组中总氮浓度 处在 0. 8 ～ 1. 2 mg/L 变化， 范围较小; 对照组中总氮 浓度在实验前阶段变化不明显， 后期则出现明显的上 升， 第 30 天对照组中总氮浓度为 2. 2 mg/L， 是其在 曝气组中的 2 倍。总体来看， 对照组后期总氮浓度变 化趋势与氨态氮变化趋势较相似， 是由于氨态氮是总 氮组成的主要成分， 氨态氮浓度的变化会显著影响总 氮浓度变化 ［12］。 2. 2曝气对磷释放的影响 实验结果如图 2d 所示。总磷浓度变化分为两个 阶段 在第一阶段 1 ～ 21d ， 曝气组和对照组中总磷 浓度变化趋势一致， 基本稳定在初始浓度; 在第 21 天 至实验结束， 曝气组中总磷浓度先下降后上升， 但变 化范围较小， 浓度始终保持在 0. 1 ～ 0. 2 mg/L， 而对 照组中总磷浓度迅速上升， 远远高于曝气组中的总磷 浓度， 在实验结束时， 对照组中总磷浓度是曝气组中 的 2. 85 倍。 影响磷在水 － 泥界面迁移转化过程的因素主要 分为两类 环境因子 温度、 溶解氧、 扰动、 pH 值、 微 生物等 和底泥的理化性质 磷的赋存形态、 有机质 种类及含量、 含水率、 粒径分布等 ［13］ 。曝气对底泥 磷释放的影响表现在溶解氧和扰动两个方面。通常 情况下底层水体中溶解氧含量 DO 对沉积物磷的释 放起着决定性的作用， 厌氧状态下， Fe3 被还原为 Fe2 ， 一方面使 PO3 － 4 脱离之前的沉淀状态进入间隙 水， 继而向上覆水扩散， 另一方面厌氧降低水体氧化 还原 电 位，Fe3 容 易 转 化 为 Fe2 ，P-Fe 表 面 的 Fe OH 3保护层转化为 Fe OH2， 释放吸附于其上 的游离磷， 然后溶解释放。而好氧释放速率远小于厌 氧释放速率 ［17］， 与本研究结果一致。 此外， 藻类对沉积物磷的释放有促进作用， 藻类生 长的越多， 磷就释放的越多; 反过来， 沉积物中磷的释放 又进一步促进藻的生长， 两者有相互促进的关系 ［18- 19 ］。 水体的扰动不仅可以引起表层沉积物再悬浮， 促 进底泥磷的释放， 同时也加速了底泥间隙水中磷的扩 散， 导致间隙水中高浓度的磷较快地释放到上覆水 中 ［20- 23］。本研究结果表明曝气条件下一定程度上的 扰动对于底泥磷释放的影响还是有限的， 原因是一定 程度上的扰动一方面虽然造成底泥的再悬浮， 加速了 间歇水中 磷 的释 放， 而另 一 方 面 好 氧 状 态 有 助 于 Fe3 与磷酸盐结合为磷酸铁以及被氢氧化铁胶体所 吸附而逐渐沉降。 2. 3曝气对叶绿素 a 浓度的影响 如图 3 所示， 曝气围隔内的叶绿素 a 浓度在实验 第 9 天达到峰值， 为 429. 56μg/L; 对照围隔中生物量 在前期迅速且持续上升， 在第 15 天叶绿素 a 浓度增 长了约 1 倍， 随后有所下降。曝气对围隔装置中的叶 绿素 a 含量有明显抑制效果， 相比， 曝气组叶绿素 a 浓度比对照组降低了 18. 6 ～ 52. 7 ， 其中从第 12 天开始， 降低均在 45 以上。进一步通过配对样本 T 检验对两组藻类生物量的差异性进行分析， 结果显示 P 值为 0， 表明曝气对生物量总量影响极其显著。 夜间曝气一方面使水体 DO 保持在较高水平， 有 利于呼吸作用的进行， 促进内源呼吸， 加速藻类消 亡 ［24］; 另一方面曝气造成的水体扰动可以打破某些 藻类的聚集形态， 改变藻类优势种， 从而控制藻类的 14 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 图 3藻类生物量随时间的变化 生长， 对藻类的生长有明显的调控作用。 2. 4曝气对藻类种群结构的影响 围隔 包括曝气组和对照组 中的藻类种群结构 随着时间的变化显现出明显差异。如表 1 所示， 实验 前半期 1 ～ 29 d ， 对照组中的优势种群为蓝藻。实 验第 1 ～ 17 天， 蓝藻在对照组中呈逐渐增长趋势， 从 第 18 天开始明显下降， 但实验第 1 ～ 29 天优势种群 始终为蓝藻; 从第 30 天开始， 绿藻叶绿素浓度占对照 组中总叶绿素浓度的 65. 02 ， 成为对照组中的主要 种群。从第 27 天开始， 曝气组未检测出蓝藻， 实验期 间绿藻一直是水体中优势种群。硅 /甲藻在对照组和 曝气组中分别从第 9 天和第 15 天开始未检出。 相关性分析结果显示营养盐中总氮 TN 、 总磷 TP 与 Chl-a 含量均存在显著正相关 p ＜ 0. 01 ， 说 明氮、 磷营养元素增加可以显著促进组内水体的藻类 表 1不同藻种生物量随时间的变化 μg/L 时间 /d 藻类生物量 蓝藻绿藻硅 /甲藻 对照组曝气组降低质量分数 /对照组曝气组降低质量分数 /对照组曝气组降低质量分数 / 1123. 79122. 780. 8150. 26149. 890. 368. 4573. 51－ 7. 40 3154. 10151. 471. 7206. 01138. 0433. 0120. 95101. 9515. 71 6156. 99152. 672. 7278. 19128. 7553. 7116. 34132. 22－ 13. 66 9163. 49159. 712. 3390. 06132. 5966. 09. 27137. 26－ 1 380. 65 12137. 53132. 783. 5465. 80119. 3174. 447. 560. 00 15167. 01161. 893. 1469. 28103. 4078. 0 18168. 58111. 0934. 1334. 32147. 8155. 8 21168. 9190. 0146. 7352. 02148. 2257. 9 24163. 9938. 5876. 5292. 23189. 8435. 0 27166. 71100266. 22233. 7312. 2 30281. 91100151. 61229. 3651. 3 33319. 23100133. 90231. 0072. 5 36313. 2110093. 38219. 84135. 4 39265. 32100125. 30213. 8270. 6 42282. 54100120. 31211. 6175. 9 注 “ ” 在对照组和曝气组中表示 “未检测出” ， 在降低百分比中表示 “无意义” 。 生长， 藻类生长密切地依存于水体中营养盐浓度。围 隔内绿 藻 与 硝 态 氮 的 相 关 性 极 其 显 著 p 0 ﹤ 0. 001 说明了硝态氮是上覆水体中绿藻最重要的氮 源利用形式， 曝气状态下， 硝态氮浓度大幅上升且沉 积物向水体释放磷的速率明显下降， 使得绿藻始终是 曝气组的优势种群。水温和总磷是促进上覆水体中 蓝藻生长的主要影响因素 ［22］， 曝气状态下总磷浓度 稳定使得后期曝气组中蓝藻检测不出， 而对照组中总 磷浓度与蓝藻生物量均显著升高。 实验前对照组内观察到 5 门 13 种藻类， 曝气组 内观察到 5 门 15 种藻类。两组内藻种差别不大， 且 优势 种 均 为 绿 藻 门 集 星 藻 属 的 河 生 集 星 藻 A． hantzschii 。实验后对照组内观察到 3 门 18 种 藻类， 曝气组内观察到 2 门 11 种藻类。曝气组内优 势种仍为河生集星藻 A． hantzschii ， 对照组内的优 势 种 发 生 改 变，为 铜 绿 微 囊 藻 Microcystis aeruginosa 。曝气后围隔内的河生集星藻以单个细 胞存在， 而不是以细胞长轴从群体共同的中心向外放 射状辐射出排列 ［24］。本研究结果说明曝气造成的水 体扰动可以打破某些藻类的聚集形态， 改变藻类优势 种， 这与其他研究结论一致。Pinhassi 等人 ［27］的海水 微宇宙实验系统表明在自然条件下扰动可改变水华 过程中优势藻的种类， Mischke 等 ［28］对德国两个相似 的超富营养浅水湖泊的观测也发现两个湖泊藻类种 类不同的主要原因在于扰动带来的混合。 3结论 曝气对上覆水体 DO 含量的影响在于其造成的 扰动使水中过量 DO 逸出， DO 始终处于饱和状态， 沉 24 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 积物处于氧化环境， 反硝化作用受到抑制， 硝化作用 更容易发生， 沉积物间隙水中氨态氮的浓度降低、 硝 态氮浓度大幅上升， 总氮浓度显著低于其在对照组中 的浓度。 曝气抑制磷释放， 释放速率远小于厌氧释放速 率， 从而抑制藻类生长; 同时， 藻类生长的少， 又进一 步抑制磷的释放， 两者相互抑制。相对于溶解氧不足 造成底泥磷的释放量， 曝气扰动对底泥总磷释放的影 响较小。 曝气对叶绿素 a 总量影响极其显著。曝气能够 有效抑制藻类的大量增长， 其造成的扰动可以改变藻 类优势种、 抑制铜绿微囊藻 Microcystis aeruginosa 的 爆发。 参考文献 ［1］蔡龙炎， 李颖， 郑子航． 我国湖泊系统氮磷时空变化及对富营养 化影响研究［J］． 地球与环境， 2010，38 2 235- 236． ［2］中华人民共和国环境保护部． 2010 年中国环境状况公报［R］． 2010． ［3］Cao W P，Zhang H H，Wang Y M，et al． ．Bioremediation of polluted surface water by using biofilms on filamentous bamboo ［J］． Ecological Engineering，2012，42 146- 149． ［4］董镇， 唐俊芳． 富营养化水体的生态危害及防治措施与修复技 术［J］． 江西化工， 2005， 2 22- 25． ［5］Miserendino M L，Casaux R，Archangelsky M，et al． Assessing land-use effects onwater quality， in-streamhabitat， riparian ecosystems and biodiversity in Patagonian northwest streams［J］． Science of the Total Environment 2011，409 3 612- 624． ［6］刘洁， 王毓丹， 陈建， 等． 论现代除藻技术［J］ ，重庆工商大学学 报 自然科学版 ， 2011，28 5 532- 535． ［7］孙从军， 张明旭． 河道曝气技术在河流污染治理中的应用［J］． 环境保护， 2001 4 12- 14， 20． ［8］朱广一， 冯煜荣， 詹根祥， 等． 人工曝气复氧整治污染河流［J］． 城市环境与城市生态， 2004，17 3 30- 32． ［9］陈宇炜， 陈开宁， 胡耀辉． 浮游植物叶绿素 a 测定的“热乙醇 法” 及其测定误差的探讨［J］． 湖泊科学， 2006，18 5 550- 552． ［ 10］范成新， 相崎守弘． 好氧和厌氧条件对霞浦湖沉积物水界面氮 磷交换的影响［J］． 湖泊科学， 1997，9 4 337- 341． ［ 11］Hu W F， Lo W， Chua H， et al．Nutrient release and sediment oxygen demand in a eutrophic land-locked embayment in Hong Kong ［J］． Environmental International，2001，26369- 375． ［ 12］荣伟英， 周启星． 大沽排污河底泥释放总氮的影响［J］． 环境科 学学报， 2012，32 2 326- 331． ［ 13］李大鹏， 黄勇， 李伟光． 不同曝气方式对底泥吸收磷的影响 ［J］． 水处理技术， 2007，33 11 17- 19， 48． ［ 14］高丽， 杨浩， 周健民． 湖泊沉积物中磷释放的研究进展［J］． 土 壤， 2004，36 1 12- 15． ［ 15］朱梦圆， 朱广伟， 王永平． 太湖蓝藻水华衰亡对沉积物氮、 磷释 放的影响［J］． 环境科学， 2011， 32 2 409- 415． ［ 16］刘玉生，皱兰等． 光照、 温度和藻类对底泥释放磷的影响［J］． 环境科学研究，1992，5 2 41- 44． ［ 17］李文红， 陈英旭， 孙建平． 不同溶解氧水平对控制底泥向上覆水 体释放污染物的影响研究［J］． 农业环境科学学报， 2003，22 2 170- 173． ［ 18］隋少峰， 罗启芳． 武汉东湖底泥释磷特点［J］． 环境科学， 2001， 22 1 102- 104． ［ 19］高丽， 杨浩， 周健民， 等． 滇池沉积物磷的释放以及不同形态磷 的贡献［J］． 农业环境科学学报，2004，23 4 731- 734． ［ 20］韩沙沙， 温淡茂． 富营养化水体沉积物中磷的释放及其影响因 素［J］． 生态学杂志，2004，23 2 98- 101． ［ 21］黄莹莹， 陈雪初， 孔海南， 等． 曝气对遮光条件下藻类消亡的影 响［J］． 环境污染与防治，2008，30 7 44- 47． ［ 22］李哲， 郭劲松， 方芳， 等． 三峡小江回水区蓝藻季节变化及其与 主要环境因素的相互关系［J］． 环境科学， 2010，31 2 301- 309． ［ 23］胡鸿钧， 魏印心． 中国淡水藻类 系统、 分类及生态［M］． 北 京 科学出版社， 2006． ［ 24］Pinhassi J，Montserrat M S， Havskum H， et al．Changes in bacteriophlanktoncompositionunderdifferentphytoplankton regimens［J］． Applied and Environmental Microbiology，2004，70 11 ． 6753- 6766． ［ 25］Mischke U，Brigitte N．Equilibrium phase conditions in shallow German lakesHow Cyanoprokaryota species establish a steady state phase in late summer［J］． Hydrobiologia，2003，502 123- 132． 作者通信处李建华200092上海市杨浦区四平路 1239 号同济大 学生态楼 309 室 电话 021 65983319 E- mailleejianhua tongji． edu． cn 2012 － 05 － 16 收稿 34 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期