水質(zhì)原位修復(fù)技術(shù)

　　湖庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化是一個(gè)世界性的問(wèn)題。藍(lán)藻的爆發(fā)會(huì)引起味、嗅等問(wèn)題，甚至?xí)�產(chǎn)生有毒物質(zhì)，對(duì)水源水質(zhì)和水處理均造成很大的影響。由于季節(jié)性熱分層而引發(fā)的水體底部厭氧，會(huì)造成沉積物中氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的釋放，進(jìn)而促進(jìn)湖庫(kù)水體中藻類的生長(zhǎng)。

　　水質(zhì)原位修復(fù)技術(shù)作為一項(xiàng)重要的水質(zhì)改善方法在國(guó)內(nèi)外得以廣泛應(yīng)用。國(guó)外關(guān)于人工曝氣的研究與應(yīng)用起步較旱且已相對(duì)成熟。幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者在揚(yáng)水筒技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化研發(fā)出了揚(yáng)水曝氣技術(shù)，該技術(shù)具有混合充氧、抑制底泥污染物釋放和藻類生長(zhǎng)等功能。其結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1，原理是空氣由岸邊的空壓機(jī)壓縮后經(jīng)供氣管道通入環(huán)形空氣釋放器，壓縮空氣由釋放器的微孔向曝氣室釋放微小氣泡，并向下層水體充氧，水流經(jīng)回流室返回水庫(kù)底部;充氧后的尾氣則在回流室分離出來(lái)進(jìn)入氣室;氣體在氣室中不斷的積累，同時(shí)氣室中水面不斷下降;當(dāng)水面降至水封板以下時(shí)，氣室中氣體瞬間進(jìn)入上升筒并形成大的氣彈，直筒中的氣彈上升過(guò)程中推動(dòng)水體加速上升，將下層水體輸送至表層;氣彈沖出上升筒出日后，水流沿水面向外側(cè)推動(dòng)，形成揚(yáng)水曝氣外側(cè)水流自上向下流動(dòng);曝氣器內(nèi)水流自下向上流動(dòng)，誘導(dǎo)上下水體混合，表層水體中藻類被帶到下層水體;低溫、低光照、高壓使藻類無(wú)法生長(zhǎng)繁殖，從而達(dá)到控制藻類生長(zhǎng)的目的。目前該項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用于天津于橋水庫(kù)，西安黑河水庫(kù)，太原汾河水庫(kù)等水庫(kù)的水質(zhì)改善工程中，通過(guò)破壞水庫(kù)分層，抑制沉積物營(yíng)養(yǎng)鹽釋放，使水質(zhì)得到有效改善。

　　然而，人工破壞分層對(duì)藻類群落結(jié)構(gòu)，藻類密度的影響由水庫(kù)水深，揚(yáng)水曝氣強(qiáng)度，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度以及其他方面共同決定。以周村水庫(kù)為例，對(duì)揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)運(yùn)行前后水庫(kù)水體垂向物理、化學(xué)和藻類指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并與往年同期進(jìn)行比較分析，重點(diǎn)探究了揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)藻類群落結(jié)構(gòu)、藻類密度的影響，以期為水庫(kù)水質(zhì)改善以及水體富營(yíng)養(yǎng)化防治科學(xué)作出指導(dǎo)，為揚(yáng)水曝氣器長(zhǎng)期研究作出貢獻(xiàn)。

　　1 研究區(qū)域概況

　　周村水庫(kù)位于117°41' E,34°57' N，棗莊市市中區(qū)孟莊鎮(zhèn)周村南，流域面積為121 km2，總庫(kù)容8 404萬(wàn)m3，水面面積8. 54 km2,2015年揚(yáng)水曝氣運(yùn)行期間最大水深13 m。周村水庫(kù)主要功能有防洪、灌溉和城市供水，是棗莊市城市供水水源地。1990-2008年，周村水庫(kù)曾大量網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)，造成嚴(yán)重的水質(zhì)污染及水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化。網(wǎng)箱養(yǎng)魚(yú)取締后，水庫(kù)水質(zhì)有所好轉(zhuǎn)，但庫(kù)底沉積的高污染底泥持續(xù)向水體釋放營(yíng)養(yǎng)鹽，使水庫(kù)仍處于富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

　　周村水庫(kù)為典型溫帶單循環(huán)混合模式，分層期為4-11月，混合期為12月一次年3月。熱分層期表層與底層水體最大溫差可達(dá)19. 1℃，底層水體呈缺氧狀態(tài)，總氮、氨氮、總磷、錳和硫化物平均值分別可達(dá)1. 74 、1. 81 、0. 318 、 0. 93和1.29 mg / L。秋季熱分層結(jié)構(gòu)消亡，上下層水體的垂向?qū)α魇狗謱悠谛罘e于底部的高濃度營(yíng)養(yǎng)鹽和還原性污染物被交換至上層水體，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。

　　2研究方法

　　2015年8月末于周村水庫(kù)壩前安裝8臺(tái)揚(yáng)水曝氣器(見(jiàn)圖2)。揚(yáng)水曝氣器設(shè)置的目的是改善取水口附近的水質(zhì)環(huán)境，防止出現(xiàn)分層厭氧狀態(tài)。其布置的原則為，盡量在靠近取水口附近水深較大的區(qū)域設(shè)置，設(shè)置水域的庫(kù)容應(yīng)保證在設(shè)計(jì)取水量下達(dá)到一定的停留時(shí)間。周村水庫(kù)上游水深較小，不宜設(shè)置揚(yáng)水曝氣器，壩前水深較大，所以在壩前平行布置，其參數(shù)如表1。并以4#曝氣器作為本次研究對(duì)象，進(jìn)行水質(zhì)與藻類樣品的采樣。

　　2. 1

　　水樣的采集與分析

　　水質(zhì)樣品每5d取一次，采用有機(jī)玻璃垂向直立式采樣器于距水面0. 5,6,8和10 m及底部(底泥上0. 5 m)共5個(gè)不同水深處取樣，放入聚乙烯瓶中帶回實(shí)驗(yàn)室待測(cè)，總氮(TN)、總磷(TP)等指標(biāo)參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》進(jìn)行測(cè)定，所有化學(xué)指標(biāo)均在24 h內(nèi)測(cè)量完畢。

　　2. 2藻類樣品的采集與分析

　　藻類樣品用取樣器在水下0.5、2.5、5、7.5和10 m及底部共6個(gè)不同水深處采樣，現(xiàn)場(chǎng)用魯哥試劑(15 mg / L)固定水中藻類，帶回實(shí)驗(yàn)室待分析。將1 000 mL固定好的水樣通過(guò)過(guò)濾濃縮到30 mL，使用0. 1 mL計(jì)數(shù)框，在生物顯微鏡下用10 x 40倍進(jìn)行分類計(jì)數(shù)，藻類的鑒定和計(jì)數(shù)參考《中國(guó)淡水藻類:系統(tǒng)、分類及生態(tài)》。

　　水庫(kù)藻類生物量計(jì)算公式為:

　　式中:Q為水庫(kù)藻類平均生物量(以Chl-a濃度計(jì))(mg / L ) ;Qi為第i層水層藻類平均生物量(mg / L);Vi為第i水層容積(m3) ;V為水庫(kù)總?cè)莘e。

　　2. 3垂直方向連續(xù)數(shù)據(jù)獲取

　　對(duì)于垂直水體的溫度(WT)、溶解氧(DO)等連續(xù)數(shù)據(jù)采用哈希公司生產(chǎn)的Hydrolab DS5型多功能水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，深度間隔為1 m。

　　3結(jié)果與討論

　　3. 1揚(yáng)水曝氣技術(shù)對(duì)水庫(kù)熱分層和溶解氧的影響

　　2014年水庫(kù)水溫分層現(xiàn)象從4月中旬持續(xù)到11月中旬，其中9月份的最高溫度為25. 4℃，最低溫度為11. 6℃，在水深7-9 m處形成明顯的溫躍層。同時(shí)，2014年9月在6 -8 m水深處溶解氧迅速降低，水深9 m以下為缺氧狀態(tài)(見(jiàn)圖1(a)一(a))。揚(yáng)水曝氣于2015年8月27日開(kāi)始運(yùn)行，9月27日運(yùn)行結(jié)束，相較于2014年同期，揚(yáng)水曝氣器運(yùn)行前水庫(kù)仍有明顯的熱分層現(xiàn)象。隨著揚(yáng)水曝氣的運(yùn)行，上下層水體溫差逐漸減小，溫躍層消失，分層結(jié)構(gòu)逐漸破壞，到9月27日運(yùn)行結(jié)束，水庫(kù)最高溫度為23.0 ℃，最低溫度為22. 5℃，水體完全混合，熱分層現(xiàn)象消失。揚(yáng)水曝氣運(yùn)行前水深7m以下為缺氧區(qū)，揚(yáng)水曝氣運(yùn)行使底部厭氧層不斷充氧，上下層水體混合，底部水體溶解氧濃度逐漸增大，厭氧狀態(tài)被打破(圖3(b)一(d) )。

　　3. 2揚(yáng)水曝氣技術(shù)對(duì)水庫(kù)營(yíng)養(yǎng)鹽的影響

　　由于內(nèi)源污染，周村水庫(kù)內(nèi)部磷的負(fù)荷隨底部溶解氧的變化表現(xiàn)出季節(jié)性的分層現(xiàn)象。熱分層期底層處于厭氧狀態(tài)，沉積物中營(yíng)養(yǎng)鹽釋放到上覆水體，使底層TP濃度明顯高于表層，2015年揚(yáng)水曝氣運(yùn)行前底部TP濃度最高為0. 48 mg / L ，運(yùn)行后底層溶解氧升高，沉積物中磷的釋放得到抑制，底部TP濃度降低至0. 0 1mg / L。與2014年同期相比，2015年表層TP濃度高于2014年，而2015年表層DTP濃度低于2014年(見(jiàn)圖4)，說(shuō)明藻類生長(zhǎng)繁殖所需的溶解性總磷降低，對(duì)藻類的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。同時(shí)2015年揚(yáng)水曝氣運(yùn)行前表層TN濃度為1. 0 mg / L，揚(yáng)水曝氣運(yùn)行后期TN濃度下降至0. 3 mg / L,TN濃度下降約70%。

　　3. 3揚(yáng)水曝氣技術(shù)對(duì)水庫(kù)光熱特征的影響

　　SVERDRUP建立了臨界層理論，認(rèn)為藻類初級(jí)生產(chǎn)力與光合作用有效輻射成線性關(guān)系，混合層、真光層和臨界層3層的相對(duì)關(guān)系，決定了水體中藻類增長(zhǎng)潛能。即當(dāng)混合層在臨界層以下時(shí)，水柱中藻類凈生產(chǎn)力小于零，浮游植物生長(zhǎng)受到限制，水華消失;當(dāng)混合層在真光層與臨界層之間時(shí)，水柱中藻類凈生產(chǎn)力較小，藻類增殖較慢;當(dāng)混合層小于等于真光層時(shí)，水柱中藻類凈生產(chǎn)力達(dá)到最大，藻類大量繁殖，水華暴發(fā)。

　　臨界層理論揭示了藻類初級(jí)生產(chǎn)力與水體垂向?qū)踊�穩(wěn)定性的關(guān)系，表層水體混合深度(Zmix)反映了水體垂向紊動(dòng)混合條件，而水體垂向混合使藻類發(fā)生垂向位移，改變?cè)孱惤邮苡行Ч鈴?qiáng)的機(jī)率，同時(shí)水體混合程度的不同也影響營(yíng)養(yǎng)鹽的垂向輸送及分布，從而影響藻類種群的演替。該理論經(jīng)發(fā)展，采用真光層深度(Zeu)和混合層深度(Zmix)之比Zeu / Zmix來(lái)判斷光照的垂向分布和水體垂向的混合對(duì)藻類生長(zhǎng)的影響。揚(yáng)水曝氣器的主要功能之一混合充氧，對(duì)水體的擾動(dòng)強(qiáng)烈，影響藻類可接受光強(qiáng)，營(yíng)養(yǎng)鹽濃度，從而影響藻類生物量和群落結(jié)構(gòu)。如圖5可見(jiàn)，隨著揚(yáng)水曝氣的運(yùn)行，水柱混合層深度不斷增加，Zeu / Zmix持續(xù)降低，有效的控制表層藻類的生長(zhǎng)，預(yù)防水華的發(fā)生。

　　3. 4揚(yáng)水曝氣技術(shù)對(duì)水庫(kù)藻類的影響

　　3. 4. 1藻類密度、生物量的影響

　　揚(yáng)水曝氣運(yùn)行前，周村水庫(kù)表層水體溫度、光照和營(yíng)養(yǎng)鹽等條件充足，藻類密度較高，底層由于光照、溫度和壓力等綜合條件限制，藻類密度較低，垂向上表現(xiàn)出明顯的藻類密度差異性。揚(yáng)水曝氣器運(yùn)行后，藻類密度垂向分層逐漸減弱，一是由于表層藻類被運(yùn)輸?shù)降讓?二是由于表層水體溫度降低，混合層深度增加，藻類可利用光照強(qiáng)度減弱，氮營(yíng)養(yǎng)鹽濃度降低，所以表層藻細(xì)胞密度降低，而底層溫度升高，藻細(xì)胞密度隨之增加。到9月巧日揚(yáng)水曝氣運(yùn)行結(jié)束，表層與底層間藻細(xì)胞密度差異基本消失(見(jiàn)圖6)。

　　不同水庫(kù)，不同地區(qū)，人工曝氣對(duì)葉綠索。的影響有所不同，F(xiàn)AST等的研究中葉綠索。濃度升高，HEO等的研究顯示葉綠索。濃度無(wú)明顯變化。

　　根據(jù)公式(1)計(jì)算得周村水庫(kù)藻類平均生物量如表2。曝氣混合作用將上部水體中的藻類運(yùn)輸?shù)街�、下部水體中，隨著系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，由于混合層深度增加，可利用光照強(qiáng)度減弱，及氮營(yíng)養(yǎng)鹽的限制表層藻類無(wú)法大量繁殖，而輸送到下部水體的藻類生長(zhǎng)受到光照和壓力的限制，藻類數(shù)量的增加有限，所以藻類生物總量由2014年的10. 85 mg / L降低到5. 43 mg / L，降低50%。對(duì)比運(yùn)行年和非運(yùn)行年，將藻類密度的變化與TN,寧昆合深度、水溫進(jìn)行相關(guān)性分析(見(jiàn)圖7)。藻類密度和混合深度、水溫的相關(guān)性較差，而揚(yáng)水曝氣對(duì)氮營(yíng)養(yǎng)鹽條件的改變，對(duì)周村水庫(kù)富藻期藻類密度的影響較大。

　　3.4.2藻類群落結(jié)構(gòu)的影響

　　CUSHINC等分別針對(duì)強(qiáng)水溫分層和弱水溫分層水體研究了水溫分層對(duì)藻類優(yōu)勢(shì)種演替的影響，發(fā)現(xiàn)不同藻類可適應(yīng)的水體水溫分層情況有所不同，所以揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)造成的水體水溫分層的改變對(duì)藻類群落結(jié)構(gòu)有顯著影響。

　　周村水庫(kù)藻類群落結(jié)構(gòu)呈季節(jié)性變化，分層期以藍(lán)藻和綠藻為優(yōu)勢(shì)種群，混合期綠藻和硅藻為優(yōu)勢(shì)種群。揚(yáng)水曝氣運(yùn)行前(8月26日)藍(lán)藻占藻類總量的48%，為優(yōu)勢(shì)種群，運(yùn)行后(9月27日)優(yōu)勢(shì)種群由藍(lán)藻變?yōu)楣柙�，達(dá)藻類總量的80%左右。藍(lán)藻適宜在高溫度，高光照強(qiáng)度，高磷濃度條件下生長(zhǎng)，同時(shí)很多種類的藍(lán)藻可以垂向遷移，在穩(wěn)定水體中可以遷移到表層水體，接受足夠的光照進(jìn)行大量繁殖。因此水庫(kù)易爆發(fā)藍(lán)藻水華，有大量關(guān)于藍(lán)藻控制的研究。揚(yáng)水曝氣系統(tǒng)運(yùn)行使整個(gè)水體混合，限制了藍(lán)藻的遷移作用。表層水體中藍(lán)藻可獲得光照強(qiáng)度和可利用營(yíng)養(yǎng)鹽濃度降低，抑制了其生長(zhǎng)繁殖，而輸送到底層的藍(lán)藻隨著壓強(qiáng)的增大，衰亡速度增加，使藍(lán)藻失去優(yōu)勢(shì)種群地位。相反，硅藻在靜水中易于沉降，可接受光照強(qiáng)度和溫度均會(huì)降低，較難成為優(yōu)勢(shì)種群，所以只有在混合期才會(huì)成為優(yōu)勢(shì)種群。揚(yáng)水曝氣對(duì)水體產(chǎn)生擾動(dòng)，將底層水體送至表層，藍(lán)藻遷移優(yōu)勢(shì)喪失，硅藻生長(zhǎng)環(huán)境改善，有利于其大量繁殖成為優(yōu)勢(shì)種群。

　　Shannon指數(shù)可以表示生物種類多樣性。揚(yáng)水曝氣器運(yùn)行前水庫(kù)藻類多樣性與2014年同期相近，運(yùn)行后周村水庫(kù)藻類多樣性水平提高，水體生態(tài)狀況良好(見(jiàn)圖9)。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4結(jié)論

　　1)揚(yáng)水曝氣器運(yùn)行，造成周村水庫(kù)熱分層逐漸破壞，表層氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽水平降低，混合層深度增加，均對(duì)藻類產(chǎn)生影響。

　　2)揚(yáng)水曝氣器運(yùn)行期間，表層藻細(xì)胞密度降低，底層藻細(xì)胞密度增加，藻類數(shù)量的垂向分層逐漸減弱;周村水庫(kù)藻類生物量較2014年降低50%，其中氮營(yíng)養(yǎng)鹽的改變對(duì)藻類生物量的影響較顯著。

　　3)揚(yáng)水曝氣器運(yùn)行使水庫(kù)藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)降低，硅藻上升為優(yōu)勢(shì)種群，藻類群落結(jié)構(gòu)在垂向上無(wú)明顯差異，周村水庫(kù)藻類多樣性水平提高，水體生態(tài)狀況良好。氮營(yíng)養(yǎng)鹽、熱分層結(jié)構(gòu)和光照條件的改變，均對(duì)藻類群落結(jié)構(gòu)的影響較大。