扬水造流技术控藻机制研究

张小璐,何圣兵,陈雪初,杨峰峰,戴鼎立,孔海南 (上海交通大学环境科学与工程学院,上海 200240)

扬水造流技术控藻机制研究

张小璐,何圣兵*,陈雪初,杨峰峰,戴鼎立,孔海南 (上海交通大学环境科学与工程学院,上海 200240)

围绕扬水造流技术的两个关键控藻参数 Vmix(水体垂直混合速率)和 Emix:Eu(混合深度与真光层深度之比),分别在实验室和现场围隔中开展模拟实验探讨藻类的时空分布.结果表明,实验开始20h后藻类垂直分布趋向动态平衡,Vmix≥1.08cm/min时2h内藻类未出现浮聚现象,Vmix≥1.35cm/min则能够长期(≥20h)遏制表面水华;根据20h平衡分布变异系数对光照和混合组合条件下的控藻效果进行了分类.藻类生消实验显示衰亡速率常数K与Emix:Eu呈正相关(R2=0.85,P＜0.05,n=5),表明增大Emix:Eu在一定程度上有利于促进藻类衰亡.现场围隔实验结果表明,Emix:Eu对藻类生长消亡的显著影响,并认为在自然条件下,扬水造流技术要发挥控藻效用,Emix:Eu必须≥3:1.

扬水造流；控藻；光照；混合

扬水造流技术是国际上三大原位控藻技术之一,在日本、韩国等国家和地区已投入应用并获得良好的控藻效果[1-2].该技术通过独特的配气结构形成间歇“气弹”,促使水体出现剧烈的垂直混合,破坏水体热成层现象[3],将真光层的藻类驱赶至水下暗光层,使其随循环水流在真光层和暗光层中往复运动,由于光照条件受到限制逐渐失去活性而消亡[4-5].这一过程需满足:1)水体垂直混合速率(Vmix)达到一定强度,使水流阻力抵消藻细胞自身浮力,以抑制具有浮力调控机制的藻类(如蓝藻)上浮形成水华[6-8];2)水体混合深度应达到一定范围,本实验中采用Emix:Eu来描述[3,9-10],使藻类在光暗区停留足够时间,逐渐失去活性并消亡.目前针对扬水造流条件下藻类时空分布机制的研究尚十分欠缺,使得该技术的推广应用受到限制.为此,本研究针对该技术的关键控藻参数Vmix和Emix:Eu,分别在实验室和现场围隔中开展模拟实验,探讨扬水造流对藻类时空分布的影响.

1 材料与方法

1.1 实验室材料与方法

实验地点为上海交通大学人工气候室,设定昼夜比14h:10h,温度控制在(25±1)℃.

1.1.1 Vmix对微囊藻垂直分布的影响 实验材料铜绿微囊藻取自暴发水华的现场围隔,呈群体状,集中分布于 75～150μm(球状)和 400～800μm(棒状)两个区间.用无菌水配成一定浓度的藻液(1.42×106个细胞/mL).

实验装置为有机玻璃水柱,高 90cm、内径10cm,侧壁每隔15cm开设一个取样口.柱体用黑色暗光纸完全暗光;上方设置冷白荧光管[11],可调节光照条件[12-13]:暗光(0lx)、适光(15000lx)和强光(40000lx).水柱顶部和底部通过橡胶软管连接至一台计量水泵,定量水体通过水柱横断面的平均流速为0, 0.43, 0.65, 0.86, 1.08, 1.35cm/min (Vmix,自上而下).

实验时先开启水柱底部的曝气搅拌装置搅拌 5min,使藻细胞浓度在水柱中均匀分布,然后逐时(0,2,4,8,20,26,32h)取样测定藻细胞密度

[14-15].每次采样后做好水位标记,用无菌水补充试验期间蒸发损失的水分.

1.1.2 Emix:Eu对斜生栅藻衰亡速率的影响 实验用斜生栅藻购自中科院武汉水生生物研究所藻种库,试验前扩大培养1周[16],取一定体积的藻液以 3000r/min的速度离心 15min,弃掉上清液,用15mg/L的碳酸氢钠溶液洗涤后离心,重复3次,用无菌水稀释后接种[初始藻细胞密度(0.6～0.7)×106个细胞/mL].实验过程中保持藻类不受营养盐条件的限制[17].

实验装置采用两支高90cm、内径10cm有机玻璃水柱,均用黑色暗光纸完全暗光.在一支水柱上方设置冷白荧光管[11](15000lx,适光)[12-13],另一支水柱遮光,均通过塑料软管(直径1.2cm)连接至一台计量水泵,使藻液在光柱和暗柱中循环流动,保持Vmix为0.65cm/min.通过调节两支水柱的水位比来定量Emix:Eu(3:1、4:1、7:1、9:1、13:1).每天 20:00取样测定藻细胞密度[18-19](单位为个细胞/mL),并及时用无菌水补充试验期间蒸发损失的水分.

1.2 现场围隔实验材料与方法

室外设置的软体浮式围隔[18]采用 HLPE防渗膜材料,规格为 1.2m×1.2m,有效水深 1.4m,采用PVC管加塑料泡沫提供浮力,将内外湖水隔离,顶部无遮盖,底部密封并铺设底泥(厚度约10cm).围隔内设置软管曝气使水体保持混合状态[19].暗光材料采用两层黑色聚乙烯遮光网(遮光率＞97%),设置于水下不同深度来调节光区和暗区的比例(表1).

2009年7、8月份上海地区为多云有风天气,时有雷阵雨,昼夜温差约为7℃,水温25.1～29.5℃,试验过程中保持藻类不受营养盐浓度的限制[17].每隔 1d于 17:00采样测定围隔内叶绿素 a浓度[20],观测藻类生物量的变化.

表1 围隔实验参数值Table 1 Parameters of field experiment

2 结果

2.1 Vmix对铜绿微囊藻垂直分布的影响

采用藻细胞密度随水深的分布变异系数[21](CV),即垂直分布变异系数来描述藻类垂直分布的均匀程度.

图1 暗光2h铜绿微囊藻的垂直分布曲线Fig.1 Vertical distribution of Microcystis in dark of 2h

2.1.1 铜绿微囊藻2h垂直分布动态变化 天然铜绿微囊藻静置 2h后即出现明显的分层现象,表明该藻的浮力调节可以在2h内发挥作用.图1为暗光 2h后铜绿微囊藻的垂直分布曲线, Vmix=0,0.43,0.65,0.86,1.35cm/min对应的CV值分别为0.48,0.20,0.22,0.16,0.15,呈总体下降趋势,表明Vmix有助于抑制铜绿微囊藻上浮;其中Vmix=0时发生了肉眼可见的水华,表层藻细胞密度达3.66×107个细胞/mL.暗光时,铜绿微囊藻通过内源呼吸消耗细胞内含物,藻体比重降低,易向上迁移,而垂直向下的水流能在一定程度上减缓这一趋势,甚至促使部分藻细胞向下迁移[22].

图2 适光和强光下2h铜绿微囊藻垂直分布曲线Fig.2 Spatial distributions of Microcystis in proper and excessive light conditions (2h)

表2 铜绿微囊藻2h垂直分布变异系数聚类分析Table 2 Cluster analysis on CV of Microcystis spatial distribution

适光和强光时,铜绿微囊藻2h垂直分布情况较为复杂,大体可以分为 3组(a组: Vmix=0～0.43cm/min,b组:Vmix=0.65～0.86cm/min, c组: Vmix=1.08～1.35cm/min) (图2).适光时,a组铜绿微囊藻集中分布在水面 2cm以内,细胞密度达(2.86～3.54)×107个细胞/mL,垂直分布差异显著(CV=0.37～0.61);强光时 a组则未观测到表面水华和明显的垂直分层现象(CV=0.12～0.17),这表明强光对铜绿微囊藻上浮具有抑制作用[8];在适光及强光时,b组水柱均暴发了表面水华,表层细胞密度为(1.14～7.80)×107个细胞/mL,垂直分层明显(CV=0.69～1.74),这可能是由于适宜的水体混合利于藻类与营养物质的接触并及时排泄代谢产物,增强细胞活性,加快细胞代谢,使细胞内含物降低而上浮[23];c组水柱均未暴发水华,藻类的垂直分布较均匀(CV=0.07～0.19),表明 Vmix≥1.08cm/min的混合水流在2h内对藻类上浮产生了明显抑制作用.对所有CV值进行聚类分析(表2)表明,藻类在适光条件下比在暗光下更易上浮,原因可能是:虽然适光下藻细胞的光合作用更强,但呼吸作用也大大增加,内含物反而可能减少,因而更易向上迁移[23].

2.1.2 铜绿微囊藻20h平衡分布动态变化 图3为铜绿微囊藻垂直分布的动态曲线(CV-h),反映不同时刻藻细胞垂直分布的均匀程度.由图 3可见,20h后CV值基本不再明显变动,所以把该值定义为平衡分布变异系数(平衡CV值).对所有18条曲线进行聚类分析处理,根据平衡CV值分成平衡Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组(表3).

图3 铜绿微囊藻垂直分布变化动力学曲线Fig.3 Kinetic curve of CV in Microcystis vertical distribution

结果显示,平衡Ⅰ组均产生了明显的表面水华,表层藻细胞密度达(1.44～3.42)×107个细胞/mL,约占总藻量 35%～57%的藻细胞分布在水面(表层 2cm,CV=3.46～7.49),这表明该组实验条件对藻类上浮基本没有抑制作用;平衡Ⅱ组同样观测到了表面水华,表层藻细胞密度(0.94～4.08)×106个细胞/mL,垂直分层明显(CV=0.29～1.22),而其中有6支水柱在2h时并未发生水华,这表明即便在短时间(2h)藻类上浮得到控制,但可能难以被持续遏制(≥20h);平衡Ⅲ组均未观测到表面水华,藻类垂直分布保持均匀(CV=0.06～0.10).实验时在 0lx,0.65cm/min的水柱中发现大量浮游动物,藻生物量过早衰减,这可能是该水柱最终未出现藻类大量上浮的重要原因.

表3 铜绿微囊藻平衡分布变异系数聚类分析Table 3 Cluster analysis on CV of Microcystis spatial distribution (20h)

无论在暗光、适光和强光下,Vmix对藻类的空间垂直分布均产生显著影响:Vmix过小,对藻类上浮基本不产生抑制作用;Vmix适度,在一定程度上反而促使藻类上浮;只有当Vmix达到一定的阈值(本实验为 1.35cm/min),藻类的上浮才能被有效而持久地抑制.

2.2 Emix:Eu对藻类生消的影响

2.2.1 实验室 Emix:Eu对藻类生消速率的影响 图4为斜生栅藻的生长衰亡动力学曲线,反映了不同时刻的藻生物量.由图4可见,斜生栅藻的衰亡轨迹在Emix:Eu影响下呈现差异.对所有数据点进行拟合发现,各Emix:Eu条件下藻类的衰亡动力学过程均可用方程

定量模拟(表4,R2＞0.92),衰亡速率则为:

式中: Mt为t时的藻生物量,×106个细胞/mL; M0为初始藻生物量,×106个细胞/mL; K为藻类衰亡速率常数,d-1;Rt为t时刻藻类衰亡速率,×106个细胞/(mL·d).根据式(2)计算各个时刻的藻类衰亡速率,如表5所示.

图4 斜生栅藻生长衰亡动力学曲线Fig.4 Kinetic curve of Scenedesmus obliquus biomass

表4 斜生栅藻衰亡动力学参数Table 4 Kinetic parameters of Scenedesmus obliquus decay

表5 斜生栅藻衰亡速率参数Table 5 Decay rates of Scenedesmus obliquus

本文提出2种表达藻类衰亡速率的方法,一是根据式(2)算出任意 t(d)时刻的藻类衰亡速率,二是根据藻生物量衰亡动力学曲线,按照式(1)计算出藻生物量衰亡至一定百分比所用的时间,如表4所示不同的Emix:Eu下藻生物量衰亡50%所对应的时间是不同的.此外,将藻类衰亡速率常数K与 Emix:Eu进行拟合发现二者呈显著正相关(R2=0.85,P＜0.05,n=5),这表明增大Emix:Eu在一定程度上有利于提高藻类的衰亡速率.

2.2.2 围隔内Emix:Eu对藻类生物量的影响 自然环境中藻类生物量的变化往往是多种因子综合作用的结果[21,24].为进一步探索Emix:Eu对藻类生消的影响,在上海交大致远湖围隔中开展小试实验.由图 5可见,试验开始前 7d,由于持续阴雨天气,1～3号围隔叶绿素a浓度均明显下降;之后天气转晴,气温升高,3号围隔(对照)藻类开始急剧增长,1号围隔藻类也明显增加, 2号围隔藻类未明显增殖.之后由于天气原因,围隔内藻类生物量均又明显下降.为进一步验证Emix:Eu与藻类生消的相关性,在第38d将1号围隔Emix:Eu从2:1降为1.5:1,同时将2号围隔Emix:Eu升高至5:1,随后1号围隔的叶绿素a浓度快速增长,暴发微囊藻水华(叶绿素a增至300µg/L),而2号围隔藻类生物量仍维持在低位(10µg/L左右).第 55d将 1号围隔 Emix:Eu提升至 3:1,发现藻类开始逐渐衰亡,生物量持续下降;同时将 2号围隔的 Emix:Eu降低为2:1,发现藻类数量开始缓慢增长,20d后增长233.0%.3号对照围隔在第59d藻生物量出现下降,而后虽恢复至一定水平,但与高峰时期相比下降了25%,这可能是由于在封闭围隔内,藻类数量达到高峰后导致种间竞争加剧,开始缓慢衰亡.总之,该野外试验表明自然条件下Emix:Eu与藻类生物量的变化显著相关,是影响藻类生长衰亡的重要因子.

图5 围隔内藻类生物量随时间的变化Fig.5 Temporal distribution of algae in enclosure

3 讨论

藻类的生消过程是水体物理状态、营养盐浓度、以及生物因素等共同作用的结果[24-25].近年来一些研究者开始认识到光照、风浪、湖流、热成层现象等物理因素可能是控制藻类水华的关键因素[21,26].就单个藻细胞而言,某一时刻外部光照、细胞内含物和水流决定了其垂直运动加速度,并在不断变化的外部环境中调节内环境以利于寻求生存的最佳位置[9,27-28].对于具有浮力调控机制的蓝藻如微囊藻而言,长期浮聚于真光层是其占据竞争优势,并逐渐形成水华的重要原因[29].扬水造流条件下藻类被迫随水流在真光层和暗光层中迁移,在真光层内藻类因光合作用而增殖,在暗光层内光合作用受到抑制,持续内源呼吸而不断衰亡[30],总藻量的变化受藻类增殖与衰亡作用的综合影响.值得注意的是,浅水湖泊中水深往往在5m以内,即Emix≤5m,真光层深度Eu往往在

2m 左右[11-12],Emix:Eu过低,此时若采取扬水造流技术控藻很可能失效[3].本文进行的初步探索证实了光照和混合的交互作用是该技术实现控藻的基本机制,这为藻类水华发生机制及控制技术的深入研究提供一些启示.

4 结论

4.1 采用CV对藻类垂直分布的动态过程进行描述,在实验开始后 20h趋向动态平衡. Vmix=1.08cm/min时藻类上浮在短期内(2h)得到抑制,而Vmix≥1.35cm/min则能够持续(＞20h)遏制表面水华.不同光照条件下 Vmix对藻类垂直分布的影响存在差异.

4.2 衰亡速率常数K与Emix:Eu呈较高的正相关性(R2=0.85),表明增大Emix:Eu在一定程度上有利于促进藻类衰亡.

4.3 Emix:Eu是影响藻类生长消亡的关键因素,实验表明Emix:Eu≥3:1时藻类趋于消亡;野外条件下,扬水造流技术要发挥控藻效用,Emix:Eu必须≥3:1.

4.4 光照和混合对藻类时空分布的交互作用是扬水造流技术实现控藻的基本机制.

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Studies on algal control mechanism of air circulation technology.

ZHANG Xiao-lu, HE Sheng-bing*, CHEN Xue-chu, YANG Feng-feng, DAI Ding-li, KONG Hai-nan (School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China). China Environmental Science, 2011,31(12)：2058～2064

In order to discuss spatial and temporal distributions of blue-green algae in limnetic water with optical depth and vertical mixing, laboratory and field experiments of air circulation process were conducted, focusing on two key parameters: Emix:Eu– ratio of mixing depth and euphoric zoon depth, and Vmix- vertical mixing rate. Dynamic equilibrium of algal vertical distribution appeared beyond 20h. Within 2h, algal bloom cannot develop at water surface with Vmix≥1.08 cm/min; while the same situation could last for above 20h with Vmix≥1.35 cm/min. Coefficient of variation (CV) was introduced to depict algal vertical dispersion, and 3-order magnitude differences of CV were classified. K - the rate constant of algal decay hold positive correlation with Emix:Eu(R2=0.85), indicating that Emix:Euwas contributive to precipitating algal decline. Besides, field experiment showed that algal bloom disappeared as Emix:Eu≥3.

air circulation；algal control；lighting；mixing

X171.4

A

1000-6923(2011)12-2058-07

2011-02-27

国家水体污染控制与治理重大专项(2008ZX07106-2-2);温州市科技计划项目(S20080024)

* 责任作者, 研究员, heshengbing@sjtu.edu.cn

张小璐(1984-),女,山东烟台人,上海交通大学环境科学与工程学院硕士研究生,主要从事藻类水华预测和控制研究.发表论文3篇.