Controlling reduced iron and manganese in a drinking water reservoir by hypolimnetic aeration and artificial destratification

通過(guò)底層曝氣和人工混合控制飲用水水庫(kù)中的還原態(tài)鐵和錳

來(lái)源：Science of the Total Environment, Volume 685, 2019, Pages 497-507

《整體環(huán)境科學(xué)》，第685卷，2019年，第497-507頁(yè)

 

摘要：

論文摘要指出，飲用水水庫(kù)中的鐵和錳濃度對(duì)水質(zhì)有重要影響，但季節(jié)性分層和降雨事件會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。研究通過(guò)部署提水曝氣器（WLAs），利用底層曝氣和人工混合來(lái)控制鐵和錳。結(jié)果表明，曝氣補(bǔ)充氧氣能有效降低水柱中溶解鐵和錳，增加沉積速率和沉積物-水界面的擴(kuò)散通量。鐵被化學(xué)氧化，濃度低，而錳因復(fù)雜動(dòng)力學(xué)在近沉積區(qū)積累。沉積物在WLA停用后快速缺氧釋放鐵和錳，強(qiáng)調(diào)人工和自然混合期連接的重要性。

 

研究目的：

本研究旨在調(diào)查WLAs對(duì)以下方面的影響：(1) 夏季缺氧期間溶解鐵和錳的積累；(2) 降雨事件期間外部還原鐵和錳污染的影響，結(jié)合水庫(kù)口泄洪操作；(3) 孔隙水中活性鐵和錳原位微剖面對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)；(4) 沉積物中鐵和錳擴(kuò)散通量的變化。

 

研究思路：

研究在Jinpen水庫(kù)進(jìn)行，部署了8個(gè)WLAs。通過(guò)收集水柱、沉積物和孔隙水的原位數(shù)據(jù)，包括溶解氧、溫度、鐵錳濃度等，使用高分辨率技術(shù)如DGT和Unisense微電極測(cè)量活性金屬和氧氣微剖面。分析在不同操作條件下（如分層期、降雨事件）鐵錳的行為和擴(kuò)散通量。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. 水柱中溶解鐵和錳濃度變化（來(lái)自Fig.2和Fig.6）：研究意義在于顯示W(wǎng)LAs如何通過(guò)曝氣和混合降低溶解鐵錳濃度，特別是在缺氧期和降雨事件中，證實(shí)WLAs能有效控制源水水質(zhì)。

 

 

2. 氧氣和溫度剖面（來(lái)自Fig.3）：研究意義在于揭示W(wǎng)LAs操作如何改善水柱氧氣條件，促進(jìn)氧化過(guò)程，并顯示間歇性提水對(duì)SWI氧氣的增強(qiáng)作用。

 

3. 沉積物-水界面附近活性鐵和錳微剖面（來(lái)自Fig.8）：研究意義在于提供微觀視角，顯示W(wǎng)LAs操作如何影響金屬的生物地球化學(xué)循環(huán)，如增加錳的擴(kuò)散通量 due to 濃度梯度增加。

 

4. 擴(kuò)散通量JFe和JMn變化（來(lái)自Fig.9）：研究意義在于量化WLAs對(duì)沉積物-水界面物質(zhì)交換的影響，顯示JMn增加而JFe減少，表明錳的控制更具挑戰(zhàn)性。

 

5. 總鐵和錳在降雨事件中的分布（來(lái)自Fig.5）和不同垂直區(qū)域 above sediment 的濃度變化（來(lái)自Fig.4）：研究意義在于評(píng)估外部污染和WLAs的應(yīng)對(duì)效果，顯示泄洪操作能減少顆粒物輸入，WLAs在低濁度條件下有效控制溶解金屬。

 

 

結(jié)論：

1. 溶解鐵易被非生物氧化去除，但溶解錳在近沉積區(qū)持續(xù)積累；WLAs通過(guò)間歇性提水增強(qiáng)SWI氧氣效率，增加擴(kuò)散通量。

2. WLAs能在低懸浮固體條件下減少外部還原鐵錳污染，結(jié)合水庫(kù)口泄洪操作，防止沉積誘導(dǎo)缺氧。

3. WLAs操作增加錳的擴(kuò)散通量（JMn），而鐵擴(kuò)散通量（JFe）減少；停用后沉積物快速缺氧釋放金屬。

4. WLAs導(dǎo)致復(fù)雜生物地球化學(xué)循環(huán)，應(yīng)考慮其環(huán)境影響，如沉積物氧需求增加。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

本研究使用丹麥Unisense MP8微剖面儀測(cè)量沉積物-水界面的氧氣微剖面。該電極具有高分辨率（0.1 mm）和快速響應(yīng)時(shí)間，能精確捕捉氧氣分布。研究意義在于：提供原位、高精度氧氣數(shù)據(jù)，用于計(jì)算擴(kuò)散邊界層厚度和氧氣滲透深度，從而準(zhǔn)確估計(jì)擴(kuò)散通量。這些數(shù)據(jù)揭示了WLAs操作如何改善SWI的氧化條件，例如增加氧氣滲透深度，抑制還原物質(zhì)釋放。同時(shí)，氧氣微剖面與金屬數(shù)據(jù)結(jié)合，深化了對(duì)鐵錳生物地球化學(xué)循環(huán)的理解，為水庫(kù)管理提供科學(xué)依據(jù)。