水源水中藍(lán)藻生長懸浮特性及生長抑制試驗研究

1、水源水中藍(lán)藻生長懸浮特性及生長抑制試驗研究黃廷林，段婷婷，盧金鎖西安建筑科技大學(xué)，西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點實驗室，西安 (710055)E-mail：huangtinglin摘 要：本文研究了藻類在水中的生長懸浮特性，并通過水體下向流動將表層藻類向下遷移，使上下水體混合，當(dāng)藻類到達(dá)底部無光區(qū)后生長受到抑制甚至死亡。結(jié)果表明藍(lán)藻集中懸浮在水體2-3 倍透明度水深區(qū)，而綠藻集中生長在0.5 倍水體透明度水深區(qū)。在下向流速為1.5cm/min 左右，藍(lán)藻豎向分布均勻，光補(bǔ)償點以下藻類無上浮現(xiàn)象。在此流速下白天運行12 小時可使得上層水體中藍(lán)藻數(shù)量減少21.03%,光補(bǔ)償點處藍(lán)藻數(shù)量減少31.0

2、9%。關(guān)鍵詞：藍(lán)綠藻；垂向分布；下向流動；懸浮特性1引言深層水庫流動性小，混合作用弱，易出現(xiàn)水體分層現(xiàn)象，從而導(dǎo)致藻類主要停留在表層水體中生長。對于藻類垂向生長懸浮特性目前已有一定的研究，研究的結(jié)果表明藻類一般集中生長在光補(bǔ)償點以上區(qū)域，但對于如何改變藻類此種豎向分布不均勻狀態(tài)，抑制藻類生長方面的研究較少。本實驗主要目的是在此基礎(chǔ)上探索藍(lán)藻綠豎向生長懸浮特性，并根據(jù)其生長特性研究在一定下向流速水體流動下對藍(lán)藻垂向生長抑制作用，為深層水源水庫去除藍(lán)藻提供一定理論依據(jù)和參考。2實驗設(shè)計2.1 實驗水源本實驗用水取自西安黑河水庫，此水庫總庫容為2 億m3，向西安市日平均供水量76 萬m3。取水時間為

3、8 月底，屬于藻類高發(fā)期，優(yōu)勢藻種為藍(lán)藻中水華微囊藻及部分富營養(yǎng)化綠藻。2.2 實驗裝置本實驗裝置為：直徑為315mm，高為3m 的PVC 管；側(cè)壁開孔取水，根據(jù)藻類分布上多下少的情況，開孔間距也自上而下逐漸增大，具體開孔斷面為0.2m、0.35m、0.55m、0.8m、1.1m、1.45m、1.9m、2.4m、2.9m 共9 處；底部管壁連接循環(huán)泵進(jìn)水口，管頂連接循環(huán)泵的出水口，通過循環(huán)泵使水體下向流動抑制藍(lán)藻生長；通過流量計控制反向水體流速；試驗在室外進(jìn)行。2.3 實驗方法和指標(biāo)采用目鏡視野法計數(shù)水中藍(lán)綠藻數(shù)量；采用紫外分光光度法測定葉綠素a。3. 實驗結(jié)果分析3.1 藻類生長懸浮特性與藍(lán)

4、綠藻的豎向分布特征將取自黑河水庫的水樣混合均勻注入試驗裝置，觀察藻類分布，試驗結(jié)果如圖1、2 所示。從圖 1、2 可見，：水體中藍(lán)藻和綠藻豎向分布狀態(tài)為：藻類從最初的上下分布較均勻發(fā)展為以某一水深為界，上多下少的不均勻分布，說明藻類在這一水深以上區(qū)域發(fā)生下沉，以下區(qū)域發(fā)上上浮。出現(xiàn)此種懸浮狀態(tài)與藻類自身調(diào)節(jié)機(jī)制有關(guān)，在表層水體中，快速的光合作用合成了大量的淀粉，增加個體重量，使藻類下沉。隨著藻類的下沉，光強(qiáng)逐步減弱，合成物質(zhì)減小，呼吸作用增強(qiáng)，個體重量逐漸減小，當(dāng)減小到與浮力平衡時，不再下沉，處于懸浮狀態(tài)。而底部無光區(qū)藻類光合作用較弱，個體重量小于浮力，呈現(xiàn)上浮趨勢，當(dāng)達(dá)到與重力相同時即處于懸

5、浮狀態(tài)。：藍(lán)藻臨界點為水深1.45m 處左右，即約為水體2.4 倍透明度處；綠藻臨界點為0.5m水深左右，即約為水體0.5 倍透明度處。究其原因可能為水體最表層光照過強(qiáng)，綠藻生長繁殖受到光抑制作用，而臨界點以下光強(qiáng)弱，綠藻繁殖同樣受到影響，因而在0.5 倍透明度處綠藻出現(xiàn)最大生長量；同時由于綠藻在水中以單個個體出現(xiàn)，下沉速度較慢，因此在生長量最大區(qū)域累計，出現(xiàn)最大值。而藍(lán)藻（主要為銅綠微囊藻）是以團(tuán)體形式存在，下沉速度較快，在2.4 倍透明度處出現(xiàn)峰值。這與楊頂田等研究結(jié)果相同。3.2 水體下向流動對藻類的生長抑制藻類在水中有一定的上浮速度，大約60%的銅綠微囊藻上浮速度都小于0.5cm/mi

6、n，大約87%的上浮速度都小于1.5cm/min，上浮速度大于2.0cm/min 的僅占很小的一部(10%)，根據(jù)此上浮速度選擇不同的下向流速，以達(dá)到抑制藍(lán)藻生長的作用。3.2.1 不同的水體下向流速對藻類生長抑制分別選取光照較好的3 天進(jìn)行試驗，下向流速分別為1.2cm/min、1.3cm/min 和1.5cm/min。間隔時間取樣測定各個斷面葉綠素a 濃度的分布情況，結(jié)果如圖3、4、5。從以上 3 圖可以看出：在下向流速為1.2cm/min 時，運行1h 后上層水體葉綠素a濃度下降6.7ug/L，光補(bǔ)償點以下區(qū)域濃度增加7.9ug/L，說明一定的下向水流可以將表層藻類遷移至下層無光區(qū)水體中

7、；3h 后上層水體葉綠素a 濃度下降10.7ug/L，而下層水體葉綠素a 濃度增加-7.9ug/L，而此時光補(bǔ)償點出濃度出現(xiàn)最大值71.3ug/L，水體呈明顯的上下少中間多的分布。說明此時上層水體藻類下沉而下層水體中銅綠微囊藻上浮，最終懸浮在光補(bǔ)償點處，即下向流速過小。：在下向流速為1.3cm/min 時，1h 后上層水體葉綠素a 濃度下降9ug/L，下層水體葉綠素a 濃度增加8.8ug/L；3h 后上層水體葉綠素a 濃度下降15ug/L，而下層水體葉綠素a 濃度相較1h 時減少4ug/L，說明藻類出現(xiàn)略微的上浮現(xiàn)象，此流速過小，但葉綠素a 垂向縱向分布逐漸趨于均勻。：當(dāng)下向流速為1.5cm/

8、min 時，運行1h 后上層水體葉綠素a 濃度減少10.1ug/L，同時下層水體葉綠素a 濃度增加10.1ug/L，上下分布略顯均勻；3h 后上層水體葉綠素a 濃度下降16.8ug/L，下層水體葉綠素a 濃度增加幅度較大，為20.7ug/L。同時光補(bǔ)償處葉綠素a 濃度降幅為7ug/L，藻類縱向分布比較均勻，說明此流速合適，既能夠?qū)⒈韺铀w藻類遷移至下部無光區(qū)，同時抑制下部水體藻類上浮，避免出現(xiàn)上下少中間多的不均勻分布。3.2.2 白天和夜間分別施加下向流速時對藍(lán)藻垂向分布影響選擇天氣條件良好的兩天，在相同的下向流流速下（1.5cm/min）于白天和夜間分別進(jìn)行兩組試驗。白天試驗組（1 組）運行

9、時間為8 點至20 點；夜間運行組（2 組）運行時間為20 點至次日8 點。運行期間每隔一定時間取各斷面水樣，測定其葉綠素a 含量，結(jié)果如圖6、7 所示。從以上兩圖可以看出，運行3 小時后，兩組試驗中表層藻類均減少，葉綠素a 濃度下降分別為12ug/L 和22.2ug/L，下層藻類增加，葉綠素a 濃度增加量分別為13.6ug/L 和22.3ug/L，上下分布逐漸均勻，說明此流速可使得上層藻類下遷，同時抑制下層水體藻類上浮，與前面結(jié)論相同。同時從藻類增降幅度看，夜間運行時對藻類抑制作用較好。在運行12 小時之后，兩組藻類豎向分布有所不同：1 組中上層水體葉綠素a 濃度略有上升趨勢，說明盡管下向水

10、流可使表層水中藻類進(jìn)入下層無光區(qū)，抑制其生長，但由于白天光照充足，表層藻類的光合作用仍然會使得上層水體中藻數(shù)量增加，而下層水體葉綠素a 濃度下降較大，為22.3ug/L，總體分布均勻；2 組中上下層水體中葉綠素a 濃度均減少，降幅分別為23.1ug/L 和28.5ug/L。這是由于夜間表層藻類不進(jìn)行光合作用，且在下向流的作用下被遷移至底部，而底部藻類呼吸作用使其濃度同樣降低。在運行結(jié)束后兩組試驗均靜置12 小時，以觀察藻類上浮情況。從結(jié)果看來，1 組由于運行結(jié)束后藻類立即進(jìn)入夜間呼吸狀態(tài)，呼吸作用導(dǎo)致水體中的溶解氧急劇下降，通入的空氣中所含氧氣會增加溶解氧，利于呼吸作用進(jìn)行，加快了藻類代謝消耗

11、，從而使上下水體中生物量整體下降，各取樣點處葉綠素a 濃度相對于初時平均下降8ug/L，且上下分布維持均勻狀態(tài)；而2 組靜置時為白天，上層水體中藻類由于光合作用大量生長繁殖，下沉，下層水體中藻類上浮，從而又形成上下少中間多的不均勻分布，相較初時各取樣點葉綠素a 濃度增加值為-3ug/L。上述實驗結(jié)果表明，從對藻類生長抑制方面來看，2 組的抑制效果較1 組為好，但在停止下向流后2 組藻類上浮現(xiàn)象明顯，藻類數(shù)量超過初始值，由此認(rèn)為1 組整體對藻類垂向抑制效果優(yōu)于2 組，即可選擇在白天對水體施加一個下向流速，夜間停止，間歇運行，從而達(dá)到控制藻類繁殖的目的。3.2.3 藍(lán)藻密度垂向變化根據(jù)以上兩組試驗

12、中所得到的下向流速以及運行時間進(jìn)行另兩組實驗：試驗1 即在1.5cm/min 的下向流速下白天運行12 小時，靜置一夜后測定各斷面藍(lán)藻密度；試驗2 為水體靜置24 小時，即經(jīng)過一天的生長測定各斷面藍(lán)藻密度，結(jié)果如表1 中所示：由表 1 可見，水體靜置時，經(jīng)過一天的生長，上層水體藍(lán)藻藻密度增加，其增加的百分?jǐn)?shù)平均為7.84%，其中在光補(bǔ)償點處藍(lán)藻增加數(shù)量最大，增幅達(dá)15.67%；而在光補(bǔ)償點以下各取樣斷面，藍(lán)藻數(shù)量均有所減少，平均減少幅度為6.82%，藍(lán)藻豎向分布不均勻；而在下向流速為1.5cm/min，經(jīng)過一天的生長，藍(lán)藻垂向分布發(fā)生變化：上層水體中藍(lán)藻數(shù)量下降約21.03%，在光補(bǔ)償點處藍(lán)藻密度下降最大，為31.97%，而在下層水體各斷面處藍(lán)藻密度均有不同程度增加，平均增幅為6.10%，說明在此運行條件可將上層水體中21.03%的藍(lán)藻遷移至下層無光區(qū)水體中從而破壞其光合作用條件，使其生長繁殖受到抑制甚至死亡，改變了藍(lán)藻上下少中間多的不均勻分布狀態(tài)。4結(jié)論(1)綠藻一般大量懸浮生長在0