环境友好型氧化剂对湖泊蓝藻水华及其灾害的控制研究

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针对水体富营养化引发的有害藻类水华的治理一直以来是水环境领域的研究热点和难点,过氧化氢(H2O2)、高铁酸盐(K2FeO4)以及过碳酸钠(Na2CO4)能高效去除水中的浮游植物,并且不会引入或产生有毒有害物质,被认为是环境友好型控藻剂,具有一定的应用前景。已有的研究大多是以室内单细胞蓝藻为研究对象,未考虑藻的形态、密度及其不同生长阶段对氧化剂除藻效果的影响。本研究通过室内和野外原位模拟实验,以自然水体中的群体蓝藻为研究对象,对比三种氧化剂对其生长的控制效果,根据添加氧化剂后水中藻源性有机物(藻毒素和嗅味物质)的释放情况,确定相对高效的氧化型控藻剂和安全剂量。进一步研究氧化剂对不同密度、群体粒径和生长阶段蓝藻的控制效果及机制,并进行生态安全性评估。最后在室内模拟藻源性黑臭(湖泛),观察氧化剂对致黑、致臭物质的去除及对水体DO、Eh等环境的改善效果,随后采用粘土/壳聚糖絮凝去除水体悬浮颗粒物和色度,探讨以氧化剂为主的综合处置藻源性黑臭水体的方法。通过本论文的研究,为使用环境友好型氧化剂控制自然水体(包括城市景观水体或面积较小的湖库)中的水华蓝藻及其引发的灾害提供一些建议。本文的主要研究结果有:  (1)相同浓度下,H2O2对水柱中群体蓝藻的去除效果优于K2FeO4和Na2CO4。但高浓度H2O2(20mg/L以上)在控藻初期会导致水中营养盐如NH4+-N、PO43--P和DOC含量的增加,且引发细胞内有机物质如藻毒素、嗅味物质(土臭素、2-MIB、β-环柠檬醛、β-紫罗兰酮)的释放,具有一定潜在风险。  (2)蓝藻对H2O2的耐受能力随着其密度和群体粒径的增大而逐渐增强,且H2O2对群体粒径较大的蓝藻造成的氧化伤害较小。同时,随着蓝藻密度和群体粒径的增大而H2O2的降解加快,降低了H2O2的有效作用浓度和存在时间,因此控制高密度和群体粒径较大的蓝藻需要较高的H2O2浓度。但是,高浓度H2O2除藻易导致MCs释放,且释放量随着群体粒径的增大而增加。  (3)在模拟的越冬和复苏条件下,H2O2能够抑制越冬蓝藻的生长,但低浓度1mg/L只能暂时抑制其活性,待条件适宜时藻细胞能够恢复生长。当H2O2浓度升至5mg/L,对蓝藻细胞膜造成了氧化损伤,能够抑制越冬和复苏蓝藻的细胞生长。  (4)原位控藻模拟实验表明,H2O2能够有效去除水中的浮游植物,且对蓝藻去除效果最好,具有选择抑制性,实验7d后绿藻和硅藻占浮游植物总量的比例明显上升。但是添加H2O2后,短时间内会加剧水中营养盐负荷,同时会导致细胞内藻毒素和β-环柠檬醛、β-紫罗兰酮等嗅味物质的释放,并且会造成水中浮游动物的死亡,但是并没有观察到明显的对底栖动物生长的不利影响。  (5)室内藻源性湖泛控制实验表明,K2FeO4对已发生湖泛水体的嗅味物质和色度的改善效果最好,其次是H2O2和Na2CO4。但是,K2FeO4增加了水中的Fe2+负荷,可能会为下次湖泛的形成提供物质基础。因而本文选用H2O2作为去除嗅味物质的氧化剂,同时结合1g/L粘土和10mg/L壳聚糖进行絮凝沉降。能够明显改善水体DO和Eh环境,去除致黑、致臭物质,提高水体的透明度和降低溶解性氮磷的含量。  虽然H2O2能有效去除水中的浮游藻类,但是不可避免的会对水中其他水生生物造成影响,且有导致蓝藻毒素和藻源性嗅味物质释放的风险。因而对H2O2的使用须持谨慎的态度,且使用前应详细开展H2O2对水中其他水生生物的毒性研究,确定合适的剂量。但是,对于已完全丧生态功能的水体如已发生湖泊黑臭的水体,可以考虑运用氧化剂增加水中溶氧、去除嗅味物质,并结合絮凝沉降改善水体色度,达到修复黑臭水体的目的。
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