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藻类聚集区春夏季易发生湖泛(俗称“黑水团”)现象,在太湖北部区域已有向常态发展趋势。这种被称为藻源性湖泛的发生过程、特征及其环境效应,目前因研究较少,使得人们对这一现象还缺乏深入认识。此外,针对该污染现象的应对方案(如曝气和加氧化剂等),还主要于湖泛发生以后,缺乏积极的预控研究和对策措施。
本文主要利用室内实验装置,模拟了静态和动态条件下藻源性湖泛发生过程,重点研究了湖泛发生过程中Fe-Mn-S和氮磷营养物在沉积物—水界面的状态和迁移转化行为,探讨了受风浪影响下的改性黏土对絮凝沉藻作用和底泥疏浚,对湖泛产生过程影响等可能采用的湖泛预控措施。通过研究,获得了以下主要成果和结论:
1.聚集区藻类在底部的死亡分解是导致体系氧含量和Eh快速下降的主要原因,湖泛致黑物主要为铁等金属硫化物。藻细胞沉降到沉积物表面后所形成的藻席,可在约50min内消耗尽沉积物表面处的溶氧后而死亡,使得沉积物的Eh快速降低;沉积物及间隙水的深度厌氧环境(表层沉积物中Eh值为-150.7mV),加速了铁锰氧化物的还原,使得间隙水中Fe2+、Mn2+含量增加直至最大值,同时SO42-快速还原产生大量的S2-。SO42-浓度在实验进行1天后从242.0mg/L下降到70.0mg/L。对致黑物和颗粒结晶经X射线能谱分析及致黑可能性推断,硫化铁(FeS)是太湖湖泛实验中最主要的致黑物质。
2.无论静态和动态作用下,藻源性聚藻体的沉降死亡,均会导致表层沉积物中Fe-Mn-S以及氮磷形态产生变化,极大地改变其在沉积物—水界面的环境行为。湖泛过程形成的缺氧甚至厌氧环境,使得环境敏感性元素Fe、Mn氧化物发生还原反应,沉积物中HCl-Fe2+含量大量增加,结晶态铁氧化物向无定形态转化;硫酸盐还原反应所产生S2-向表层扩散,使得表层沉积物中AVS和黄铁矿含量显著减少;厌氧使大量Fe-P解析,释放PO43--P,含氮有机物及无机氮则向NH4+-N形式转化,使得间隙水中PO43--P和NH4+-N含量升高,促进了沉积物氮磷向上覆水体释放。
3.研究了风浪作用下改性和不改性的太湖沉积物对水华藻体的絮凝沉降机理和效率,发现在中等风浪影响下30min内,适当低的壳聚糖和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的沉积物改性量,可基本达到对向敏感区水体漂移水华的预沉降及控制目的。模拟自然中等风浪状态下,壳聚糖和烷基铵盐加入量越大对藻类的沉降效率越高,电镜扫描表明活性剂形成的网捕包膜效果对藻细胞的沉降起到了重要作用。对加入0.15g/L壳聚糖量、0.3g/L烷基铵盐改性太湖沉积物和不改性对照,30min内可分别将漂浮藻类的90%、83.9%和~0%原位沉降,为防止漂浮藻类进入敏感水域产生湖泛灾害,提供了可供选择的预控措施。
4.对太湖湖泛易发区沉积物进行表层去除后模拟湖泛培养实验表明,疏浚对湖泛具有较显著的控制和延缓作用,这也间接证实湖泛的发生与表层沉积物性质存在密切联系。对竺山湾沉积物模拟0cm、5cm、10cm、20cm、30cm、40cm不同疏浚深度,进行风浪扰动影响下的藻源性湖泛发生实验,结果表明,没有进行疏浚的样柱很快就因水体溶解氧耗尽而出现藻体细胞死亡的现象,水体快速出现发黑发臭现象,而其它水体则随着疏浚深度的增加而水体发生黑臭现象的程度逐步减轻。大约在疏浚深度为20cm以后,在8d的实验期内,水体基本未发生湖泛现象。表明适当的疏浚深度将可以明显降低湖泛发生的可能性,这也将为湖泛的预防提供早期控制措施。