Application of Plow-Tillage as an Innovative Technique for the Prevention and Control of Black Bloom in the Algae Accumulation Areas

底泥翻耕對(duì)巢湖西部聚藻區(qū)黑臭風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)控效果

來(lái)源：環(huán)境科學(xué)研究（2019年，第32卷第4期）

 

論文總結(jié)

研究通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了不同深度底泥翻耕對(duì)巢湖聚藻區(qū)黑臭風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)控效果，重點(diǎn)分析了翻耕后底泥-水界面的理化特性變化及黑臭形成機(jī)制。以下是對(duì)論文的詳細(xì)總結(jié)。

摘要概括

摘要指出，巢湖西部聚藻區(qū)高有機(jī)負(fù)荷表層底泥是黑臭頻發(fā)的主要因素。研究基于底泥再懸浮特征和耕作性能，設(shè)計(jì)翻耕措施（深度2、5、10、15 cm），通過藻體堆積誘發(fā)試驗(yàn)，模擬黑臭形成過程。結(jié)果表明：翻耕深度對(duì)黑臭控制效果顯著，15 cm翻耕（PT15）有效阻止了黑臭發(fā)生，其上覆水Fe2?和S2?濃度僅為其他處理組的46.7%~79.5%和57.1%~75.0%。PT15增強(qiáng)了新生泥-水界面耐受力，黑臭誘導(dǎo)后界面DO、Eh和pH較高，∑H?S較低，間隙水Fe2?濃度僅為黑臭組的25.3%~33.7%，AVS含量?jī)H為14.6%~17.2%。翻耕通過將有機(jī)污染負(fù)荷重的表層底泥翻轉(zhuǎn)至下層，阻隔了污染物遷移和厭氧微生物活動(dòng)，從而抑制致黑致臭物形成。

研究目的

本研究旨在解決以下核心問題：

 

評(píng)估底泥翻耕作為物理修復(fù)技術(shù)對(duì)巢湖聚藻區(qū)黑臭風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)控效果。

探究不同翻耕深度（2、5、10、15 cm）對(duì)黑臭形成關(guān)鍵指標(biāo)（如Fe2?、S2?、DO、Eh）的影響。

分析翻耕后底泥-水界面的微環(huán)境變化（如氧化還原狀態(tài)、硫化物積累）及其與黑臭抑制的機(jī)制關(guān)聯(lián)。

 

為湖泊聚藻區(qū)黑臭防治提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

 

研究思路

研究采用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)分析策略：

 

樣品采集：從巢湖南淝河河口聚藻區(qū)采集未擾動(dòng)底泥柱狀樣（30 cm）、湖水和藍(lán)藻樣品。

翻耕模擬：設(shè)置6組處理：空白組（Blank，未擾動(dòng)）、對(duì)照組（CK，添加藻體未翻耕）、翻耕組（PT2、PT5、PT10、PT15，對(duì)應(yīng)翻耕深度）。通過切取表層底泥與藻體混合重填模擬翻耕。

黑臭誘發(fā)試驗(yàn)：使用Y型再懸浮裝置（Fig. 1），在29°C下加入藻漿（47.5 g/柱），模擬風(fēng)浪（3.2 m/s）誘導(dǎo)黑臭，持續(xù)19天。

監(jiān)測(cè)與分析：

 

感官指標(biāo)：每日記錄水色變化（無(wú)色、灰、淺黑、黑）。

微環(huán)境測(cè)量：使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測(cè)定泥-水界面DO、Eh、pH、∑H?S剖面（步長(zhǎng)100 μm）。

 

理化指標(biāo)：測(cè)定上覆水Fe2?（啡咯嗪法）、S2?（亞甲基藍(lán)法）；底泥間隙水TFe（草酸銨提取）、AVS（冷擴(kuò)散法）。

 

數(shù)據(jù)處理：采用SPSS進(jìn)行方差分析和Tukey檢驗(yàn)，評(píng)估組間差異。

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及其研究意義

以下列出關(guān)鍵測(cè)量數(shù)據(jù)、其來(lái)源（圖編號(hào)）及研究意義：

 

水色變化數(shù)據(jù)（來(lái)源：Table 1）

 

數(shù)據(jù)：Blank、CK、PT2、PT5、PT10組在第8-14天相繼出現(xiàn)黑臭（水色等級(jí)2-3），PT15組未黑臭（等級(jí)0）。

 

研究意義：直觀證明翻耕深度≥15 cm可完全抑制黑臭；淺層翻耕（≤10 cm）效果有限，因污染物未充分阻隔。

 

DO剖面數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 2）

 

數(shù)據(jù)：黑臭前，PT10組DO穿透深度最深（13.4 mm）；黑臭后，黑臭組界面DO降至0，PT15組仍保持1.7 mm穿透深度。

 

研究意義：翻耕深度影響氧滲透，PT15維持了好氧微環(huán)境，抑制厭氧過程。

 

Eh剖面數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 3）

 

數(shù)據(jù)：黑臭前，翻耕組Eh向空白組恢復(fù)；黑臭后，黑臭組界面Eh＜100 mV，PT15組為123 mV。

 

研究意義：高Eh值（PT15）表明氧化環(huán)境占主導(dǎo)，阻止Fe3?還原和硫化物形成。

 

pH剖面數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 4）

 

數(shù)據(jù)：黑臭后所有組界面pH升高，PT15組增幅最小。

 

研究意義：pH升高可能與硫酸鹽還原消耗質(zhì)子有關(guān)，PT15因厭氧過程弱，變化較小。

 

∑H?S剖面數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 5）

 

數(shù)據(jù)：黑臭組界面∑H?S顯著累積（濃度梯度明顯），PT15組無(wú)累積且無(wú)梯度。

 

研究意義：∑H?S是致臭關(guān)鍵物質(zhì)，PT15通過抑制SRB活性減少硫化物生成。

 

上覆水Fe2?和S2?動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 6）

 

數(shù)據(jù)：黑臭組Fe2?和S2?濃度峰值顯著，PT15組濃度低且穩(wěn)定（Fe2?為黑臭組的46.7%-79.5%，S2?為57.1%-75.0%）。

 

研究意義：直接證明PT15抑制了致黑物質(zhì)（FeS）的形成與釋放。

 

間隙水Fe和AVS數(shù)據(jù)（來(lái)源：Fig. 7-9）

 

 

 

數(shù)據(jù)：黑臭組表層間隙水Fe2?占比達(dá)40%，AVS積累（0.51 μg/g）；PT15組Fe2?占比25.2%，AVS僅為0.51 μg/g（黑臭組的14.6%-17.2%）。

 

研究意義：翻耕深度≥15 cm有效減少了還原態(tài)Fe和硫化物的積累，從源頭上阻斷黑臭物質(zhì)來(lái)源。

 

研究結(jié)論

本研究得出以下核心結(jié)論：

 

翻耕深度是關(guān)鍵：15 cm翻耕（PT15）完全抑制黑臭，淺層翻耕（≤10 cm）效果不足。

機(jī)制明確：翻耕將高有機(jī)負(fù)荷表層底泥埋藏至下層，阻隔了污染物遷移和厭氧微生物（如SRB）活動(dòng)，維持了泥-水界面氧化環(huán)境（高DO、Eh），減少Fe2?還原和AVS積累。

技術(shù)可行性：底泥翻耕是一種低成本、易操作的物理修復(fù)技術(shù)，適用于聚藻區(qū)黑臭風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控。

 

優(yōu)化建議：實(shí)際應(yīng)用中需平衡翻耕深度與工程成本，并考慮底棲生態(tài)恢復(fù)問題。

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

在本研究中，丹麥Unisense微電極系統(tǒng)（型號(hào)REF321 OX-50等）用于實(shí)時(shí)測(cè)定泥-水界面的DO、Eh、pH和∑H?S剖面，其研究意義主要體現(xiàn)在：

 

高分辨率微環(huán)境監(jiān)測(cè)：電極尖端直徑小（μm級(jí)），可以100 μm步長(zhǎng)精確穿刺測(cè)量，提供界面微米級(jí)的化學(xué)梯度數(shù)據(jù)（如Fig. 2-5），這是傳統(tǒng)宏觀采樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

揭示黑臭形成機(jī)制：數(shù)據(jù)顯示黑臭組界面DO≈0、Eh＜100 mV（Fig. 2-3），證實(shí)了強(qiáng)還原環(huán)境是Fe3?還原和硫化物生成的前提；PT15的較高DO和Eh直接證明了翻耕維持了氧化屏障。

量化關(guān)鍵參數(shù)：∑H?S剖面（Fig. 5）顯示黑臭組存在向上覆水的擴(kuò)散梯度，而PT15無(wú)梯度，證明翻耕抑制了硫化物遷移；pH數(shù)據(jù)（Fig. 4）輔助解釋了硫酸鹽還原的質(zhì)子消耗過程。

動(dòng)態(tài)過程捕捉：黑臭誘發(fā)前后的剖面變化（如DO從有到無(wú)）動(dòng)態(tài)展示了界面化學(xué)環(huán)境的惡化過程，突顯PT15的穩(wěn)定性。

 

技術(shù)優(yōu)勢(shì)支撐可靠性：Unisense電極的高精度和原位測(cè)量能力，避免了取樣擾動(dòng)，為機(jī)制研究提供了直接、可靠的證據(jù)。沒有這些微尺度數(shù)據(jù)，翻耕的氧化屏障效應(yīng)將難以量化驗(yàn)證。

 

總之，丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)是本研究的核心，通過提供原位、高分辨率的界面化學(xué) profiles，它直接揭示了翻耕如何調(diào)控微環(huán)境以抑制黑臭，為物理修復(fù)技術(shù)的機(jī)制闡釋和優(yōu)化提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。