邱阳，苗作云，刘学芝
（1．江苏省环境科学研究院，江苏南京210029；
2．黄河科技学院，河南郑州450063；
3．同环宏博（北京）节能环保科技有限公司，北京100035）
摘要：藻类聚集区春夏季易发生黑臭（俗称“湖泛”，也称“黑水团”）现象，而在太湖北部区域趋向常态化发展现象。该文主要利用室内实验装置，通过设置高巾低3种藻华聚集程度(处理1、2、3的藻细胞添加量分别为2 000、5 000、8 000 g/m2)模拟实验研究了动态条件下黑水团发生过程中上覆水体重营养盐的变化。结果表明：在实验进行3d后上覆水体中溶解氧(DO)含量降低到2 mg/L以下，高藻华聚集模拟水体中NH，-N含量增加到14 mg/L以上，PO4P含量增加到0.20 mg/L，TN .TP含量分别高达15 mg/L.2.0 mg/L，水体中叶绿素含量呈现快速下降趋势，实验进行到3 d后，其含量下降为l500 mg/m3，水体浑浊度增加.COD含量从50 mg/L快速上升为120 mg/L。表明大量藻细胞在聚集后受濉度等影响下m现快速死亡、水体缺氧，造成藻华聚集区易出现黑水团现象，对水体生态环境带来严重影响
关键词：藻华聚集；黑水团； 上覆水； 氮磷营养盐
目前，太湖水体污染最主要的问题是氮磷过量进入水体引起的水体富营养化和由此带来的周期性藻华大量暴发，然而近年来频繁发生的“黑臭”使得富营养化对水体污染产生了质的变化。2007年5月底，主要因藻华聚集造成了无锡贡湖水厂取水口水质恶化，进而发生“黑水团”的停产事件，致使市民多日无饮用水供应，引起了国内外的关注。黑水团的发生最明显的感官现象就是由于自由铁离子与还原态硫结合形成黑色物质，并导致水体发黑，伴有刺激性异味的硫化氢气体产生，物化指标中则反映溶解氧趋于零，硫化物含量较高。2008年以来，太湖又多次发生黑水团现象，其区域主要分布在太湖的竺山湖和西部的部分沿岸水域，且形成的黑水区面积远大于2007年发生黑水团时的水域面积，对当地的生产和生活产生了极大的影响。由于黑水团形成后所形成的极度厌氧环境，对湖泊水土中敏感性元素铁硫等物质的影响很大，而还原性硫与黑水团的最主要致黑物（重金属硫化物）的形成密切相关，铁的氧化与还原则对控制底泥磷的释放具有重要作用。Timmons等通过在厌氧条件下（藻细胞死亡后）沉积物中磷的季节变化特征的研究，发现其会造成沉积物间隙水中磷向上覆水体释放，从而为藻华的再次发生提供了磷源。目前在湖泊水环境研究中对湖体发生黑水团的研究虽然较多；对于大量蓝藻细胞沉降到沉积物表面上对上覆水营养盐的动态变化，尚未有见到有系统的研究报道。因此本文利用采自太湖竺山湖殷村港口的底泥，通过添加新鲜的蓝藻细胞，利用波浪水槽扰动装置，研究藻华细胞聚集后产生黑水团现象过程中上覆水营养盐动态变化的影响，以能够说明在此种极端条件下营养盐的动态变化及响应过程；通过研究不同藻华聚集程度下，该水域黑水团发生与藻体不同密度的相关性，评估该区域黑水团易发风险，以能更好认识藻源性黑水团对水体生态系统产生的影响。
1材料与方法
在2012年6月份于太湖无锡殷村港口（该处水体处常年处于重污染状态，且受主导风向影响，在夏季经常会出现藻华严重聚集的现象）采用重力采样器采集原位底泥和水体，按接近实际湖体泥、水深，对所采集的沉积物柱状样进行分层：10 cm以下的沉积物先装入水槽中，然后把表层10 cm沉积物铺在表层，再把采集的湖水缓慢、无扰动的注入水槽中，保持水槽中沉积物深度不少于20 cm、水深不低于60 cm(其中上覆水中TN、TP含量分别为3.20 mg/L、0.18 mg/L，表层沉积物TN、TP含量分别为1 054 mg/kg、l 254mg/kg)。然后静置10 d，待水体和沉积物达到动态的平衡后，在竺山湖殷村港口附近用浮游植物网捞取藻华聚集时的新鲜藻细胞，然后带回实验室把水分去掉，藻细胞聚集体呈现浆状。称量去掉水分后的藻浆进行添加：处理1、2、3的藻细胞添加量分别为2 000、5 000.8 000 g/m2(图中分别以1#、2#、3#来代替；由于实际采集的水样中藻细胞含量低(不超过0.02ug/m3)，而且在实际水体中也没有发生黑水团现象，因此在试验中没有设置空白对照试验。根据调查，2007年太湖发生湖泛时水体中藻细胞聚集时的叶绿素含量为60 g/L，因此，本实验中添加的处理2浓度为接近太湖发生时的藻细胞浓度），然后开始模拟实验。其他试验条件设置如下：模拟条件：温度（气温）：(28+l)℃；水动力：中等风情条件（相当于3—4 m/s风速）；光照：自然光。
1.1试验设置及样品分析
波浪水槽设置：实验用的波浪槽的规格为（长宽高为12 mx2 mxl.2 m）；在波浪槽的一端有一个调频电机带动的造浪板，可以通过控制电机转动频率来调节造浪频率。在本实验室中，根据太湖北部湖区中常见风情变化情况，风浪扰动为中等风情，也即是相当于3—4 m/s下的扰动情况。待底泥和水体平衡、加入藻细胞开始实验后，每天上下午各扰动th。
实验开始后，每天定时用溶氧仪测定溶解氧(DO)浓度变化，利用手持便携式SS测定仪测定水体SS的变化；同时观察上覆水中水体颜色、气味的变化；每天定时采集上覆水（分表层、底层，表层取样设置在距水面3 cm左右；底层取样为距底层沉积物表面3 cm左右），样品按照一定的顺序标号，取样后放入冰箱中保存，实验结束后一起测定样品。采集的水样用以测定TN、TP、高锰酸盐指数、NH4+-N、P043--P含量。取500 mL上覆水立即用GF/C滤膜抽滤藻细胞、用热乙醇法测定藻细胞的叶绿素含量fl踟。根据太湖藻华聚集产生黑水团持续的时间，本模拟实验的周期为一周，实验结束后把沉积物进行分层，测定表层10 cm沉积物的氧化还原电位值（Eh）。
2结果与讨论
2.1 物理性质及感官反应
加入藻体后，不同的扰动反应可以使得藻体在水体中分布均匀；而在扰动停止后，由于藻体的生物学特性，其很快就会聚集到水体的表面。但由于大量藻体的新陈代谢作用，会消耗水体中大量的溶氧(DO)（图1所示）。因此，当水体中的溶氧消耗殆尽后，水体将会发生一系列的变化。具体表现就是加入高藻量（处理3）的水体DO降低、Eh下降；由于水体及沉积物中的微生物等活动也会消耗部分氧气，加剧了水体从有氧到厌氧的快速转变。当水体处于极度厌氧条件下，水体就散发出一种异昧，而且随时间的延长至实验进行到第5天时，模拟实验的水体从轻微的臭味到散发出很强烈的刺鼻臭味，整个实验水槽中呈现出一股极强烈的臭味；同时水体的颜色也从透明状变化为微黑色至黑色，出现了藻华聚集、快速死亡而导致的黑臭现象。而低藻量及中藻量的实验模拟中，由于风浪扰动影响，表层复氧过程使得水体的溶氧可以基本保持或满足藻体的代谢需求，溶氧含量变化较小或水体溶氧含量较低，未出现明显的黑臭现象。
2.2上覆水营养盐浓度变化
2.2.1水体的NH4+-N含量变化
低藻量的水体中NH4+-N含量整体变化趋势在1.0 mg/L下（图2）。在实验进行到第3天时处理1上部水体中NH4+-N含量达到了1.18 mg/L;而下部水体在实验结束时其含量增加到1.25 mg/L，可能是水体底部缺氧导致了其含量增加。处理2水体中NH4+-N含量呈现不同的变化趋势。上部水体在整个实验期间表现为实验后期有逐渐增加；下部水体中NH4+-N含量表现出含量增加的现象。表明在底部的溶氧(DO)消耗完后，水体在处于厌氧状态下使得NH4+-N含量增加，并且NH4+-N会随着扰动过程而扩散到上层水体中。处理3水体中在加入藻体1d后，水体的NH4+-N含量已经较高。这是因为较高密度藻细胞的加入，受其新陈代谢和较高气温(28℃)作用，消耗水体溶氧的能力较强，使得水体中的DO迅速消耗而使水体很快进入厌氧状态，从而使得藻细胞快速衰亡、分解并释放NH4+-N扩散到水体中，并在水体扰动情况下，水体中的NH4+-N达到了一个动态平衡。在实验后期，NH4+-N的浓度更是急剧增加。这种现象是由于此时水体、特别是底部水体及沉积物处于极度厌氧状态（从图1中水体Eh的变化可以看出）状态，同时由于在这种厌氧状态中，由于藻体沉降在沉积物表面，使得有机质的矿化分解成为厌氧分解，造成了水体和沉积物中氮的还原以同化还原为主，而使得NH4+一N含量快速增加；同时部分NH4+一N经扰动作用而扩散到大气中，使得实验室中刺鼻气味的气体浓度增加。
2.2.2水体P043--P的含量变化
上覆水体中P043--P的含量变化如图3所示。同水体中NH4+-N含量变化相比，水体中P043--P的含量变化的规律性并不明显。添加低藻量的处理1中上部水体和下部水体中的P043--P含量变化虽然波动性较大，但仍然表现为其浓度逐渐增加的趋势。添加中藻量的处理2水体中的P043--P含量也表现为类似的趋势，但在实验的第6天时表现为异常的高。而添加高藻量的处理3中的P043--P含量也表现为实验前期较低，且基本上变化量不大，但到了实验第5天开始增加。这是由于实验进行到第5天时出现藻华聚集引起的水体黑臭，水体处于厌氧状态、大量的藻体细胞失去活性而分解，藻细胞含有的N、P快速释放到水体中，而使得水体的P043--P含量大量增加。
2.2.3上覆水体中TP、TN含量变化
上覆水体中TP含量变化如图4所示。上覆水体中TP的浓度变化同P043--P的变化趋势类似，都是波动性较大。总的来看，TP变化趋势都是呈现出一种开始较高，实验后期反而下降的变化。但下部水体中的TP在实验初始较低，中期较高，到了实验后期也是呈下降趋势。实验初始较高的原因可能是由于开始阶段加入的藻体密度较高，由于采样是扰动结束后进行的，因此所采的样品中有较多的藻细胞，而藻细胞中含有较多的N、P，因此它们对TP起到较大的贡献，造成初始阶段TP较高。而实验后期TP浓度反而下降的变化趋势。
TN变化趋势也呈现出同TP类似的变化情况（图5），也表现出实验初始阶段较低、中期较高，到实验后期TN浓度下降。但稍有不同的是，添加高藻量的处理3中TN即使在实验结束，其浓度仍然很高，这种情况可能是由于水体中的极端厌氧情况，造成了水体中的藻细胞大量分解，细胞内含有的氮释放到水体中，从而使得水体中的TN浓度升高。
通过室内模拟实验说明，大量藻体聚集后，则会造成水体快速出现厌氧状态，藻细胞的死亡分解，细胞内含物中的大量N、P将会释放到水体中，从而可能加重水体的营养盐的负荷。
2.2.4水体中叶绿素的含量变化
作为黑水团发生的主要诱导因素，蓝藻细胞的重要性不言而喻。而在实验过程中，最能体现其含量及浓度变化的就是叶绿素的含量变化。因此实验中叶绿素浓度变化更能说明藻华细胞聚集后发生黑臭过程的动态变化。本模拟实验中水体叶绿素浓度随时间变化趋势呈现前期高、后期快速下降的现象（图6）。具体来说，添加低藻量的处理1中上下部水体中的叶绿素含量在实验初期都较高，但随着样品采集和藻细胞的衰亡，其浓度呈逐渐下降的趋势。添加中藻量的处理2中叶绿素含量也表现出类似的变化情况，但在实验的第3天，其上下部水体的叶绿素浓度突然升高，这是由于取样是在扰动刚刚结束，水体中的藻细胞分布比较均匀，因此使得其含量较高。但随后其浓度仍然表现逐渐下降。对于添加高藻量处理3水体中，由于添加藻的量比较多，因此上下部水体中的叶绿素都比较高。但随着实验过程中藻细胞耗氧及其它因素导致水体中溶氧浓度降低，水体从有氧向缺氧和厌氧、由氧化环境向还原环境转化，造成水体中藻细胞快速死亡和数量下降，其外在表现就是水体中叶绿素浓度持续下降；同时因水体扰动作用，使得部分藻细胞在水体中的分布较为均匀。表现为上部水体中的叶绿素的浓度逐渐下降，下部水体中的叶绿素浓度随时间的增加而升高。但在实验的末期，由于厌氧、还原的水体环境下，分散在下部水体中的藻细胞可能死亡分解，因此其含量降低。表层水体中由于动力扰动过程的复氧作用，增加了表层水体的溶氧含量，从而还能维持部分藻细胞的新陈代谢作用，而使得残留的藻细胞聚集在上部水体中，这也可以从实验结束时，虽然水体发黑、发臭，但水体表面仍然有许多藻细胞存活得到验证。
2.2.5水体SS的含量变化
悬浮物(SS)指悬浮在水中的不溶性物质。包括不溶于水中的无机物、有机物及泥砂、黏土、微生物等。水中悬浮物含量是衡量水污染程度的指标之一，水体悬浮物的含量高低也可以作为水质好坏的一个指标。本模拟试验中上覆水体中悬浮物的含量变化如图7所示。水体中底层悬浮物的浓度变化量都不大，表现为实验前期较为持平，实验后期含量稍有增加；表层水体中SS含量较高，但在实验后期逐渐下降。具体表现就是添加低藻量的处理1中上下部水体中的SS浓度在整个实验中的变化不大，这是因实验前期藻细胞浓度较高，造成SS含量也高；实验后期藻细胞浓度降低，SS含量也随之下降。添加中藻量的处理2中上部水体中SS在实验第4天后下降，而底层水体中SS含量稍有增加。添加高藻量的处理3中由于受藻细胞浓度的影响，因此即使在实验开始阶段其含量也很高（表层SS为1516 mg/L），随实验进行，由于受溶氧影响，部分藻细胞沉降到下层水体中，引起上部水体中SS下降（实验结束时表层仍高达到1500 mg/L），底层水体中的SS含量增加（实验开始及结束时低层水体分别为1 250 mg/L、1269 mg/L）。出现这种情况是因水体中大量的藻细胞密度较大，即使在实验的后期，其高含量的藻细胞也使得水体中所测的SS含量较高。
2.2.6水体COD的含量变化
COD是一种常用的评价水体污染程度的综合性指标。它反映了水体受到还原性物质污染的程度。由于有机物是水体中最常见的还原性物质，因此，COD在一定程度上反映了水体受到有机物污染的程度。COD越高，污染越严重。因此，利用COD浓度变化可评价藻华堆积过程中对水体的有机污染动态变化。COD的变化情况虽然呈现不规则的波动，但总体上表现为实验前期其浓度较高，实验后期及末期呈逐渐下降态势（图8）。实验前期由于加入藻体细胞浓度较高，而藻细胞中含有大量的可降解的有机质，因此在水体中表现为COD的含量较高。随着时间的增加，水体中一些还原物质，包括部分死亡的藻细胞，在动力扰动复氧情况下，逐渐降解。因而表现为COD的浓度随时间增加而降低。而对于添加高藻量的处理3中由于加入的藻量较大，且实验中水体呈现为厌氧状态，因此，水体中还原性物质，包括死亡藻细胞的残体的降解速率下降，表现为在实验的后期其浓度仍然较高。这也说明藻体大量聚集、死亡后，对水质的影响还是很大的。
3结论
(1)藻华细胞聚集后会很快消耗掉水体中的溶解氧(DO)，即使有中等风浪扰动也不足以消除这种厌氧状态，造成沉积物表层出现强还原环境。
(2)藻华细胞高聚集量下会引起水体中Chl-a、SS、COD含量快速升高，水体产生严重的有机污染，藻细胞出现快速死亡，致使水体处于严重的水质污染状态。
(3)高聚集量下产生黑水团现象后，藻华细胞快速死亡释放大量的氮磷营养盐于上覆水体中，导致水体营养盐浓度（具体表现为TN、TP、PO43-P、NH4+-N等）急剧增加，水体处于严重富营养化状态，因藻华聚集产生的黑水团现象对水体污染产生了质的变化。
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