2018, Vol. 39
, HUANG Ting-lin
, LI Nan , ZHANG Hai-han , WEN Gang , LI Yang , CHEN Jia-wei , WANG Xiao-jiang
水库已逐渐成为城市的重要饮用水资源, 水源水库(湖泊)水质污染与富营养化控制理论及技术的研究成为近年的热点课题.对于大型深层水源水库, 水体热分层等所谓“湖沼学反应”控制着水体中诸多生物、化学和物理过程[1], 由热分层造成的等温层缺氧现象使沉积物中营养物质向水体释放, 加速了水体富营养化进程, 导致水质恶化[2~4].例如, 我国贵州百花水库、陕西黑河金盆水库、山东周村水库等, 均因为水库底部缺氧, 沉积物向水体中释放重金属等还原性物质, 出现氮、磷、铁、硫化物等指标浓度变高, 鱼类死亡等问题[4~6].
等温层缺氧的主要原因有：夏季分层期间, 斜温层极大地增加了表层大气复氧对底部水体的氧传质阻力; 底栖生物的呼吸作用、微生物对死亡藻类、浮游生物及沉积物中有机物质的有氧降解进一步加强了底部水体溶解氧的消耗[7].在等温层曝气系统中, 等温层需氧量(hypolimnetic oxygen demand, HOD)被认为是重要的设计参数, 但只依靠溶解氧的检测数据来预估等温层所需的氧气量并不准确[8], 因为在曝气系统运行后, 实际需氧量会增大[9].因此, 如何正确地预估等温层需氧量, 合理设计曝气系统, 是高效改善水质的重要途径.
目前国内外对解决等温层缺氧问题的研究已由单一的增加水体溶解氧浓度转变为对沉积物需氧量(sediment oxygen demand, SOD)的精确估算.对内华达州沃克湖的SOD研究表明, 在沉积物-水界面连续的水流会导致SOD大幅增加[以O2计, 增加0.38 g·(m2·d)-1][10]; Josiam等[11]探究了SOD与水流速度的关系, 结果表明：随着水流速度增加, SOD达到上限, 其上限与沉积物性质、底栖生物和温度有关; Todd等[12]对68处河湖沉积物的研究发现, 沉积物耗氧速率与有机质含量有显著关系, 有机质含量高使沉积物耗氧速率增加约18倍; Rong等[13]对子牙河流域SOD的研究表明, 生物作用产生的SOD占总SOD的41.13%; Rippey等[14]在对32个湖泊的探究中发现, 沉积物的需氧量受沉积物中新鲜有机物质和温度多变性的影响呈现季节性变化.
本文以西安市黑河金盆水库为研究对象, 取库心和入库两个位置沉积物做对比实验, 在实验室建立反应器, 探究了在不同混合程度、不同沉积物性质条件下沉积物的耗氧特性, 分析了分层型水源水库沉积物需氧量(SOD)及其影响因素, 以期为水库现有的充氧曝气技术提高曝气器充氧效率、优化及改进提供理论依据.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况及采样点选择黑河金盆水库位于陕西省西安市周至县境内(图 1), 坝址流域面积1 481 km2, 总库容2.0亿m3, 平均水深70~100 m, 日供水量80万m3, 是一座以城市供水为主, 兼有防洪、发电、灌溉等综合效益的大型水利枢纽工程, 于2002年建成供水.黑河金盆水库属于深水型水库, 夏季形成稳定的分层, 等温层长年温度变化较小, 主库区呈S弯型, 水深大, 水体停留时间长[15, 16], 结合地形和径流特点, 选取具有代表性的主库区上覆水体流速较低的库心区(靠近引水塔)S1及流速较高的入库口S2为取样点.
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图 1 金盆水库主库区采样点及扬水曝气器布置点示意 Fig. 1 Sampling sites and layout of water-lifting aerators in Jinpen Reservoir |
2016年8月, 在金盆水库进行样品采集, 此时水库处于稳定的分层状态.利用彼得森抓斗式采样器采集各采样点的沉积物样品, 每个采样点取泥3次, 将3次取得的泥样混匀作为该点沉积物样品, 同时采集沉积物上层的上覆水, 在现场小心移入反应器中[17].
反应器(图 2)为24 cm×24 cm有机玻璃圆柱体, 上部由法兰加压连接后, 用玻璃胶密封.反应器中部密封便携式溶解氧探头, 测定不同混合条件下的溶解氧浓度.两端设置进水口与出水口, 进出口由内径为4.8 mm泵管连接, 外设蠕动泵提供循环流量.装置底部铺设约5cm状态完好的沉积物, 蠕动泵进水口位于沉积物表面以上2~3 cm处, 水流方向与沉积物表面保持水平.装置反应前将上覆水导出, 曝气至饱和, 用虹吸管将富氧水重新注入反应器.静置一到两天后, 将上部水体导出并曝气后, 重新导入装置并开泵循环(不引起沉积物再悬浮), 直至溶解氧达到饱和后, 密封反应器, 调节循环流量, 进行实验.实验分别在3个不同流速条件下进行：静止(不加泵), 中度混合(加泵, 流速约8~9 cm·s-1), 高度混合(加泵, 流速约11~12 cm·s-1).实验温度恒定为12℃, 避光培养.
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图 2 反应器原理示意 Fig. 2 Schematic of experimental sediment-water chamber |
从现场采集沉积物, 装入100 mL离心管中, 再将其放入保温泡沫盒(覆冰袋)立即带回实验室保存(-25℃), 进行冷冻干燥后过200目尼龙筛网.沉积物的有机质用重铬酸钾外加热法测定[18]; 蛋白质含量用Lowry法测定[19]; 总糖含量用苯酚-硫酸法测定[20]; 总脂含量用甲醇-氯仿法测定[21], 每个样品3次重复(日本岛津, 紫外-可见分光光度计, UVmini-1240).沉积物细菌群落代谢活性采用Biolog-Eco平板法测定(BIOLOG GEN Ⅲ MicroStation, 美国BIOLOG)[22~24].沉积物可溶性有机质(DOM)采用三维荧光光谱法-平行因子分析法(EEMS-PAR AFAC)[25, 26]测定(日立F-7000荧光分光光度计, 日本).反应器中溶解氧浓度用荧光法测量(HQ30d便携式分析仪, 美国HACH公司).
1.4 需氧量计算反应器内沉积物需氧量(SOD)采用公式(1)计算.
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(1) |
式中, SOD为沉积物需氧量[mg·(L·d)-1]; HOD为等温层需氧量, 由反应器中测得溶解氧随时间变化关系得出[mg·(L·d)-1]; WOD(water oxygen demand)为水体需氧量[mg·(L·d)-1].
采用BOD瓶测得水体耗氧速率, 水体需氧量(WOD)符合零阶动力学[10], 其计算见公式(2).
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(2) |
式中, Δc0为溶解氧变化量(mg·L-1); Δt0为时间变化量(d); Δc0/Δt0为BOD瓶中溶解氧随时间的变化关系曲线的斜率K0, 即WOD为拟合零阶动力学方程的斜率K0.
反应器中溶解氧随时间的变化关系符合零阶动力学时, 沉积物需氧量(SOD)为计算公式(3).
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(3) |
式中, Δc/Δt为反应器溶解氧随时间的变化关系方程的斜率K.
若符合一阶反应动力学的情况, SOD则为计算公式(4).
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(4) |
式中, K1为溶解氧随时间的变化拟合的指数方程中自然数指数的系数; DO为反应器中当前溶解氧浓度(mg·L-1); 此时的SOD与反应器中溶解氧浓度有关, 定义溶解氧为5 mg·L-1时的沉积物面积需氧量估算值为SOD5area[g·(m2·d)-1], 将单位体积需氧量转化为单位面积表示的通量, 见公式(5).
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(5) |
式中, V为反应器中水的体积(m3); A为沉积物表面面积(m2); H为反应器中水体厚度(m).
2 结果与讨论 2.1 等温层需氧量静态实验中, 两个取样点的需氧量测定结果如图 3所示, K0为零阶动力学方程的斜率, K1为一阶动力学方程中自然数指数的系数.
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图 3 反应器中水体溶解氧随时间变化关系 Fig. 3 Dissolved oxygen concentration changes over time in the chamber |
两个取样点的水体需氧量测定结果表明, BOD瓶中溶解氧浓度随时间变化的关系呈零阶反应动力学方程关系, WOD为反应方程斜率.反应器中溶解氧随时间变化关系曲线表明：①等温层需氧量(HOD)均符合一阶反应动力学方程, 溶解氧浓度下降与时间呈指数关系, 某时刻溶解氧消耗量与该时刻反应器内溶解氧浓度有关; ②两个反应器中溶解氧浓度随着时间的增加而降低.在高溶解氧(DO>5 mg·L-1)状态下, 反应器中溶解氧消耗速度快, 随着反应器中溶解氧浓度的降低, 溶解氧消耗速度变缓.
对于静止条件, WOD可由公式(2)计算, 此时反应器中上覆水溶解氧(DO)消耗速率与DO浓度相关, 静止条件下的SOD可利用公式(4)、(5)分别算出, 结果见表 1.
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表 1 2个采样点需氧量计算结果 Table 1 Oxygen demand at two sampling sites |
两个取样点的SOD均大于WOD, 约为2~6倍, 并且在DO浓度较高时沉积物对氧气消耗量明显大于水体, 说明等温层中溶解氧的降低主要是由于沉积物对氧气的消耗.也有研究认为, 当积累的有机物质穿过变温层到达等温层时, 等温层水体对其的分解作用会导致WOD的增加, 使沉积物上层水体缺氧, 在此阶段SOD会一定程度变小[27].
2.2 沉积物-水界面上混合强度及上覆水溶解氧浓度对SOD的影响为了探究SOD的影响因素, 进行不同流速的动态实验.反应装置中安装蠕动泵, 给水流提供一定流速, 一方面对反应器内水体进行混合, 另一方面在泥水界面处扰动.调节流速大小, 测定不同水流速度的反应器中溶解氧浓度(结果见图 4).
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图 4 入库点与库心点不同混合实验中反应器溶解氧随时间变化关系 Fig. 4 Dissolved oxygen concentration changes over time in the chamber for reservoir arm and profundal sediment under different mixing conditions |
从溶解氧浓度与时间关系曲线图(图 4)可看出, 随着水流速度的增大, 溶解氧浓度随时间的变化关系由一阶动力学逐渐向零阶动力学转变. SOD随着沉积物-水界面上流速的增大而显著增大, 混合扰动对SOD的影响明显.其他相似研究也验证了沉积物上覆水体混合对SOD的影响：对华盛顿州的一个富营养化湖泊的研究表明, 混合程度增加对SOD的影响更大, 当流速为2~3 cm·s-1时, SOD达到静态的3倍, 当流速增加到8~10 cm·s-1时, SOD达到了4倍[9].分析原因为：沉积物-水界面的水体流速变大, 使扩散边界层厚度减小, 同时传质增加[28], 溶解氧的扩散限制变小[11]; 沉积物-水界面静止的水层为阻碍上覆水中溶解氧进入沉积物的屏障[29], 沉积物界面处的水流速越大, 混合程度越大, SOD也随之增大, 但是SOD存在上限值[30].
反应器内对水体的混合等同于水库中曝气系统对等温层的混合, 混合作用增加了沉积物需氧量, 即在曝气系统运行条件下相比于无曝气系统时等温层需氧量会增大, Gerling等[31]的研究也证实了曝气系统运行后存在曝气诱导需氧量, 使等温层需氧量大于原等温层需氧量.
2.2.2 上覆水DO浓度对SOD的影响反应器中溶解氧消耗以溶解氧浓度随时间变化来表征：符合零阶反应动力学时, SOD为一定值, 不受DO浓度的影响, 此时SOD可理解为上限值; 符合一阶反应动力学时, 其SOD与当前DO浓度相关, DO浓度为沉积物氧气消耗速率的主要控制因素.水体向沉积物传递溶解氧的主要驱动力为浓度差, 而混合作用压缩了扩散边界层, 浓度差越大水体中溶解氧的传递越强[28].
随着溶解氧浓度降低, DO＜3~4 mg·L-1时, DO消耗变缓(图 4), 相应的SOD变小.有大量的研究认为, 降低水体中的溶解氧浓度可达到降低等温层或沉积物-水界面的氧气消耗速率, 上覆水中DO的降低与SOD的降低存在线性关系[32], 且当溶解氧浓度降低至3~4 mg·L-1时, HOD也减少[33].
2.3 不同采样点沉积物需氧量差异性分析两个取样点在静态和动态实验中DO浓度随时间变化中均表现出差异性：静态实验中, 库心点的SOD5约为入库点的2.69倍; 动态实验中, 混合程度相同的情况下, 库心点的SOD5均约为入库点SOD5的2倍(表 2).因此, 对于不同位置出现SOD的差异, 进行沉积物有机质与细菌代谢活性分析.
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表 2 混合条件下2个采样点沉积物需氧量计算结果/g·(m2·d)-1 Table 2 Sediment oxygen demand for two sampling sites with mixing/g·(m2·d)-1 |
2.3.1 沉积物有机质分析
(1) 活性有机碳数据
有研究表明, 底泥中的有机质影响着营养盐的释放, 某些有机质在水生态环境中可快速地转化和降解[34], 同时发生的矿化作用大量消耗氧气, 改变pH、氧化还原电位等[35, 36], 是SOD的重要影响因素.沉积物有机质成分复杂, 易降解的有机成分从生物化学的角度主要为：总糖、总脂、蛋白质[37].两个研究点的沉积物有机质的测定结果见表 3.从结果可知, 库心沉积物的有机质及其主要成分含量均大于入库沉积物：库心沉积物总糖、总脂、蛋白质的含量分别为入库沉积物的1.19、1.23、1.35倍.此结果也说明了有机质是使库心与入库SOD存在差异性的原因之一.
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表 3 沉积物中有机质主要成分含量1)/mg·g-1 Table 3 Main content of organic matter in sediment/mg·g-1 |
(2) 有机质三维荧光分析
根据PARAFAC模型可辨识出金盆水库两个采样点沉积物可溶性有机质(DOM)有2个荧光组分, 分别为C1(255/430 nm)和C2(265, 270/530 nm), 均为类腐殖质(HS)[38], 其中C1为富里酸[39, 40], C2为胡敏酸[26, 41](图 5).一般情况下, 用总荧光强度来表征DOM的浓度高低, 通过对比得出：库心沉积物的DOM的总荧光强度约为入库沉积物的1.5倍, 其中胡敏酸在库心沉积物中的总荧光强度为入库沉积物的2.2倍, 说明入库沉积物的DOM含量小于库心沉积物(可溶性有机碳浓度相同).此结果进一步说明有机质对SOD存在较大影响.
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图 5 PARAFAC解析出的黑河水库沉积物2个荧光组分及其激发发射波长位置 Fig. 5 Fluorescence spectra of two previously identified PARAPAC components from Jinpen Reservoir sediment |
(1) 沉积物微生物整体代谢活性
微生物对单一碳源的利用强度可由平均每孔颜色变化率(AWCD)来表征, 即Biolog-Eco测试板孔溶液吸光值平均变化率, 它是微生物群落多样性的一个重要指标, 可有效反映微生物的代谢活性[42].在240 h的培养时间内(图 6)：入库点在192 h内, AWCD持续快速增加, 此时微生物不断适应环境呈指数增长趋势, 192 h后, AWCD缓慢增加, 进入稳定期; 库心点在144 h内, AWCD持续快速增加, 而后进入稳定期.库心点的AWCD值明显高于入库点, 库心沉积物微生物群落对底物碳源的利用能力更强, 说明库心沉积物中微生物的活性和功能多样性高于入库.
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图 6 不同取样点沉积物细菌群落代谢活性 Fig. 6 Average well color development (AWCD) of sediment samples at different sampling sites |
(2) 沉积物微生物群落对不同碳源的利用程度
Biolog-Eco板中含有31种不同类型的碳源, 主要分为6大类, 图 7为不同取样点沉积物微生物对碳源的利用结果.从碳源利用角度分析, 入库沉积物中微生物对胺类的利用率最高(27.97%), 其次为氨基酸类(23.42%), 对糖类和酯类的利用程度相对较低(13.66%、16.11%), 而醇类与酸类的利用程度最低(9.28%、9.56%).
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图 7 不同取样点沉积物细菌群落对六大碳源的利用程度 Fig. 7 Relative use efficiency of six carbon sources by the microbial community in sediments at different sampling sites |
相对入库点而言, 除胺类以外, 库心沉积物微生物对碳源的利用程度均高于入库点, 糖类、氨基酸类及酯类等提高了3.75%~136.96%.库心点沉积物微生物对氨基酸类利用程度最高(18.72%), 对糖类的利用程度最低(13.04%).以上结果表明, 库心点微生物对碳源的利用程度更高, 微生物对碳源的利用能力更强.
(3) 沉积物微生物群落多样性指数分析
多样性指数可反映沉积物生物群落利用碳源类型的多少, Shannon指数(H)用来表征微生物群落的丰富度, Simpson指数(D)反映群落中某些常见种的优势度, McIntosh指数(U)代表群落物种的均匀度[43]. 表 4为取样点沉积物微生物多样性指数, 可明显看出与入库沉积物微生物相比, 库心沉积物中微生物群落种类更丰富, 均匀度更高, 但两个取样点沉积物的微生物优势度指数差别不大.
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表 4 沉积物细菌群落碳源代谢多样性指数1) Table 4 Diversity index of sediment microbial communities |
微生物活性研究结果表明：库心沉积物微生物活性强于入库沉积物微生物, 微生物群落结构是不同的, 其原因可能是由沉积物理化性质的差异性引起的[44].库心沉积物中有机物丰富, 使微生物群落结构复杂、多样性更丰富, 活性更大, 从而具有较大的沉积物需氧量. Higashino等[45, 46]的相关研究也验证了微生物对SOD有重要影响：不考虑流速影响时, 沉积物中生物量越大, SOD越大; SOD可表示为微生物生长速率的函数.
3 结论(1) 静止条件下, 沉积物需氧量约为水体需氧量的2~6倍, 并且在DO浓度较高时沉积物对氧气消耗量明显大于水体, 等温层中溶解氧的降低主要是由于沉积物对氧气的消耗.
(2) 沉积物-水界面上方水体混合作用使扩散边界层被压缩, 导致水体向沉积层的传质作用增强, 同一位置的SOD变大, 但存在上限值：当混合流速由0 cm·s-1增加到11~12 cm·s-1时, 入库SOD5area由0.13 g·(m2·d)-1增大至0.55 g·(m2·d)-1, 库心SOD5area由0.36 g·(m2·d)-1增大至1.15 g·(m2·d)-1.随着流速的增加, SOD由一阶动力学方程逐渐向零阶动力学方程转变; 当混合程度一定时, 上覆水溶解氧浓度越高, 相应的SOD值越大.
(3) 外界条件相同时, 库心的SOD均大于入库, 不同位置的SOD受到沉积物自身性质和微生物活性等因素的影响.入库与库心沉积物有机质含量分别为：44.43mg·g-1、45.12mg·g-1, 库心沉积物的DOM的总荧光强度约为入库沉积物的1.5倍; 除胺类以外, 库心沉积物中微生物对碳源的利用程度均高于入库点, 糖类、氨基酸类及酯类等利用程度提高了3.75%~136.96%, 入库与库心沉积物微生物群落Shannon指数(H)分别为：2.89、3.26.结果表明微生物作用越强、有机质含量越高的沉积物需氧量越大.
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