貢湖壬子港藻體堆積下黑水團發生風險研究

邱陽　苗作云　劉學芝

摘要：利用室內實驗裝置，通過分別添加2 000、5 000、8 000 g/m2藻細胞以模擬高、中、低3種藻華聚集密度水體，研究不同藻華細胞聚集模擬水體發生黑水團的風險。結果表明，試驗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15、2.0 mg/L；水體中葉綠素含量呈現快速下降趨勢，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，大量藻細胞聚集，出現快速死亡，藻華聚集區出現黑水團現象。

關鍵詞：藻華聚集；黑水團；風險；上覆水；溶解氧；貢湖

中圖分類號： X524 文獻標志碼： A 文章編號：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養化，導致水體發生質的變化，發生“水體黑臭”現象。2007年5月，因藻華聚集造成無錫貢湖水廠取水口水質惡化而發生飲用水供應危機，引起國內外廣泛關注[1]。2008年以來，太湖多次發生這種現象，主要分布在太湖的竺山湖和西部的部分沿岸水域，且發生面積遠大于2007年，對當地生產和生活用水造成極大影響[2-3]。近10年來，隨著湖泊富營養化程度的加劇，水污染現象頻發，甚至已嚴重威脅到城市供水，“水體黑臭”成為繼藻類暴發現象后又一類湖泊災害問題[4-6]。因此，弄清湖泊中水體黑臭發生的原因和風險，對治理太湖水環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、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，化學需氧量、氨氮、硫化物和異味物質等含量高，有底泥參與、可移動，事發水面多無藻類聚集等。目前，河道黑臭的發生原因已較為清楚，有關湖泊黑水團問題至今沒有定論。

湖泊主要指太湖、巢湖等，黑水團發生的原因當前主要有4種觀點，即藻源說、泥源說、河源說和混合源說。藻源說指黑臭的發生是由于藻類聚集后死亡，沉降于湖底并分解而導致缺氧；泥源說指湖底底泥中因富含有機質，水溫上升等外在因素作用下，底泥中微生物對有機質分解速度加劇，產生分解不完全的產物，連同因缺氧環境產生的硫化物隨揮發性氣體上浮而污染上覆水體。目前，對湖體發生黑水團的研究較多，但對大量藍藻細胞聚集，使水體發生藻源性黑水團是未見有系統的研究報道[7-10]。本試驗采用太湖貢湖壬子港的底泥，通過添加新鮮的藍藻細胞，利用波浪水槽擾動裝置[11-12]，研究藻華細胞聚集后上覆水的營養鹽動態變化及不同藻華聚集程度下黑水團發生與藻體不同密度的相關性，以評估黑水團的易發風險，更好地認識藻源性黑水團對水體生態系統產生的影響。

1 材料與方法

1.1 波浪水槽裝置

波浪水槽長、寬、高為12 m×2 m×1.2 m，在槽的一端有1個調頻電機帶動的造浪板，并通過控制電機轉動頻率來調節造浪頻率。

1.2 試驗設計

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，且受主導風向影響，在夏季經常會出現藻華嚴重聚集現象；接近實際的湖體泥、水深，對采集的沉積物柱狀樣進行分層，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，待水體和沉積物達到動態平衡；用浮游植物網在底泥采集點附近撈取藻華聚集時的新鮮藻細胞，帶回實驗室，去掉水分，藻細胞聚集體呈漿狀；稱量藻漿，在水槽中分別添加藻細胞量為2 000、5 000、8 000 g/m2，編號分別為1#、2#、3#，開始水體藻華聚集模擬試驗，每天上、下午各擾動1 h。根據太湖北部湖區常見風變化及風浪擾動情況，設定試驗水動力為中等風條件，相當于3～4 m/s風速[13-15]；溫度控制在（28±1） ℃，自然光照。

1.3 樣品采集與分析

每天定時用溶氧儀測定溶解氧（DO）的濃度，利用手持便攜式懸浮物（SS）測定儀測定水體的SS變化；觀察上覆水中水體的顏色、氣味變化；每天定時分表層（上部）、底層（下部）采集上覆水，表層取樣設置在距水面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號，放入冰箱中保存；測定總氮（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濾膜抽濾藻細胞，用熱乙醇法測定藻細胞的葉綠素含量[17]。根據太湖藻華聚集產生黑水團持續的時間，模擬試驗持續時間為10 d左右；試驗結束，把沉積物進行分層，測定表層10 cm沉積物的氧化還原電位值（Eh），用冷擴散法測定表層沉積物中酸可揮發性硫化物（AVS）的含量[7]。

2 結果與分析

2.1 水體物理性質及感官反應

造浪機推板的擾動作用可以使藻體在水體中均勻分布，擾動停止，由于藻體的生物學特性，藻細胞會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，會消耗水體中大量的溶解氧（DO）。試驗結果表明，當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，水體及沉積物中微生物等的活動也會消耗部分氧氣，他們和藻體協同作用，加劇了水體從有氧到厭氧的快速轉變，當水體處于極度厭氧條件下，到3 d就產生異味，隨時間的延長，異味變得愈來愈濃烈，從輕微的臭味到很強烈的刺鼻臭味，同時，5 d時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過程中，表層復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，水體呈現出異臭味，但尚未有發黑的現象。endprint

2.2 上覆水中營養鹽含量變化

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含量整體變化趨勢呈不規則波動趨勢，總體變化較為平穩，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含量呈現前4 d基本持平后增加的變化趨勢，且上、下部水體趨同一致，這是由于底部水體缺氧產生的NH+4-N在擾動作用下不斷擴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，到測試結束，含量高達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，很快進入厭氧狀態，部分藻體沉降在沉積物表面，進一步使有機質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NH+4-N的快速產生，并在水體擾動下擴散到水體中，NH+4-N含量達到一個動態平衡。

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含量變化波動性較大，有表現為濃度逐漸降低的趨勢；添加中藻量，水體中的PO3-4-P含量表現為較為平緩的趨勢，試驗6 d時表現有些異常，這可能是由于取樣時取到大量藻體，而藻體細胞中含有大量的P；添加高藻量，水體中的PO3-4-P含量表現為前期較低，且基本不變，到試驗 7 d 急劇增加后降低，這可能是由于水體處于厭氧狀態，大量藻體細胞失去活性沉降到水體底部，而細胞含有大量的P，從而提高了PO43--P的測定值 [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變化趨勢類似，波動性較大，整體呈下降趨勢；1#柱水體中，TP濃度表現為逐漸下降；2#柱下部水體在6 d時濃度較高，后又降低，3#柱TP濃度也呈逐漸下降趨勢。這可能由于開始階段，加入的藻體密度較高，而采樣是在擾動結束后進行的，所采樣品中有較多的藻細胞，而藻細胞中含有較多的P，對初始階段TP的濃度提高貢獻較大。

對總氮（TN）而言，呈現試驗前期TN濃度較高、后期TN濃度較低的趨勢（圖3），這是由于在試驗過程中，添加低藻量，藻細胞隨著取樣次數的增加而不斷減少；添加中、高藻量，受藻細胞代謝作用引起水體缺氧，大量藻細胞死亡分解，在厭氧條件下產生大量的NH+4-N，并在擾動作用下揮發到大氣中，減少了水體TN的含量。需說明的是，添加高藻量，在試驗結束TN的濃度仍然很高，這可能是由于水體處于極端厭氧，造成水體中的藻細胞大量分解，細胞內含有的氮釋放到水體中，從而使水體中TN濃度的升高。

通過室內模擬試驗說明，大量藻體聚集，如果藻體需氧量超過水體的自我復氧能力，則會造成水體處于厭氧狀態，甚至極端厭氧，從而引起藻細胞的死亡分解，細胞內含物中大量的N、P將會釋放到水體中，從而加重水體營養鹽的負荷[20-22]。

2.3 黑水團模擬試驗中關鍵物質含量的變化

2.3.1 水體中葉綠素含量的變化 藍藻細胞被認為是黑水團發生的主要誘導因素，其含量變化對黑水團發生起到至關重要的作用，而葉綠素含量的變化最能體現藍藻細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，但隨著試驗進行，由于水樣采集過程中取出較多的藻細胞，因而隨時間的延長其濃度逐漸下降，試驗結束時葉綠素含量僅為30.0 mg/m3；添加中藻量，在試驗4 d和7 d時，上部水體葉綠素濃度異常增加，這是由于取樣是在擾動結束后進行，水體中的藻細胞向表層聚集，此時取得的藍藻細胞較多；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2、3 d時葉綠素含量較低，這是由于采樣時間不同造成的含量差異，隨試驗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轉變，使藻細胞不能聚集在水體表面，逐漸散布在水體中，再加上動力擾動，使得藻細胞在水體中分布較為均勻，表現為上、下部水體中葉綠素含量均逐漸升高，試驗末期，由于厭氧水體環境下，分散在水體中的藻細胞可能死亡分解，葉綠素含量下降。表層水體由于動力擾動過程的復氧作用，增加了表層水體的溶解氧含量，能維持部分藻細胞的新陳代謝作用，從而使殘留的藻細胞聚集在上部水體中，這導致雖然水體發黑、發臭，但水體表面仍然有許多藻細胞存活[22-23]。

2.3.2 水體中CODMn含量的變化 CODMn是一種評價水體污染程度的常用綜合性指標，可反映水體受還原性物質污染的程度，CODMn越高，污染越嚴重，利用CODMn以評價藻華堆積過程中水體有機質的變化較為可行。由圖5可見，CODMn變化呈現不規則波動，總體上表現為前期濃度較高，后期及末期呈逐漸下降趨勢。試驗前期，由于加入藻體細胞濃度較高，而藻細胞中含有大量的可降解有機質，因此在水體中表現為CODMn含量較高；隨時間延長，水體中含有一些還原物質，包括部分死亡的藻細胞，在動力擾動復氧情況下逐漸降解，CODMn濃度會有所降低。添加高藻量，由于加入的藻量較大，且水體呈現為厭氧狀態，水體中還原性物質，包括死亡藻細胞殘體的降解速率下降，后期CODMn濃度仍然較高，這也說明藻體大量聚集、死亡對水質的影響很大。試驗末期，部分水柱出現CODMn含量突然增高的情況，這是由于此時水體中藻細胞活性大大降低，在擾動結束后，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胞。

2.3.3 沉積物中還原性無機硫化物（AVS）的變化 酸揮發性硫化物（AVS）是各種無機硫的總稱，包括非晶質FeS、馬基諾礦、硫復鐵礦（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，特別是在厭氧環境中容易形成H2S氣體釋放出來。黑水團區藻體大量聚集，水體易形成厭氧環境，藻華殘體沉降，形成大量的有機質（以CH2O表示），與沉積物中的SO2-4會發生反應[24]：endprint

2CH2O+SO42-→2CO2+HS-+2H2O。

大量的SO2-4還原產生大量的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境，為AVS形成H2S提供了一個良好的外界環境。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、形成黑水團區的表層沉積物中AVS含量明顯要高于添加低藻量且沒有形成黑水團區的表層沉積物；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胞形成缺氧區，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，且和非黑水團區呈現一致的變化趨勢。另外，黑水團中形成的H2S由于在擾動過程中會部分逸散到空氣中，這可從試驗過程中能聞到極強烈的臭雞蛋氣味得以確證[25]。

3 結論

藻華細胞聚集會很快消耗掉水體中的溶解氧，即使有中等風浪擾動，也不足以消除這種厭氧狀態，造成沉積物表層出現厭氧、強還原環境；高密度藻華細胞聚集下會引起水體中葉綠素、CODMn含量快速升高，藻細胞出現快速死亡，致使水體處于嚴重污染狀態；藻華細胞高聚集易產生黑水團現象，藻華細胞快速死亡，釋放大量的氮磷營養鹽于上覆水體中，導致水體TN、TP、PO3-4-P、NH+4-N等營養鹽濃度急劇增加，水體處于嚴重富營養化狀態，表層沉積物中AVS含量急劇增加，導致水體產生質的變化。

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