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藻屑堆积对水界面污染物释放效应-一体化污水处理设备图纸
浏览: 发布日期:2018-01-23

  于桥水库作为天津市生活饮用水及农业用水重要的水源地, 近年来入库污染负荷逐渐增加, 高负荷氮、磷营养盐的输入造成水库内蓝藻生长, 致使每年夏季“水华”现象发生, 藻类生物量高达12.83 mg·L-1.尤其是大坝区域, 受到风力、风向等因素的影响, 出现藻类聚集在岸边不易扩散的现象, 使得局部岸带Chl-a浓度均值达7.13 mg·L-1.大部分藻类死亡后堆积在沉积物表面, 进而在生物扰动或在悬浮作用下掩埋进入表层沉积物中, 作为碳源被微生物降解利用, 分解释放藻源性污染物导致水质二次污染, 因此, 藻屑腐烂分解对水质影响已成为研究热点之一.

  已有大量研究表明, 蓝藻生物降解过程中会释放大量胞外有机物(EOM), 包括藻毒素、蛋白质、脂肪、多糖等有机质, 成为水生态系统中溶解性有机质(DOM)的重要组成部分.当高密度蓝藻暴发时, 一部分藻类分解,快速消耗水体溶解氧(DO), 引起藻屑死亡分解, 并且释放出大量的胞外聚合物(EPS), 很有可能成为消毒副产物(DBP)前驱物质, 引发一系列水质安全问题;另一部分堆积在沉积物中的藻屑, 通过好氧或厌氧分解产生高浓度溶解性有机碳(DOC)至间隙水中, DOC在浓度梯度作用下释放至上覆水中并不断累积.藻源性DOM具有结构复杂、种类繁多的特征, 易光化学降解或被微生物利用形成新的结构或小分子量DOM, 因此, 紫外可见吸收光谱和荧光光谱技术被用来定量与定性研究自然水体中DOM组分变化过程.近年来, 三维荧光光谱分析技术(EEMs)被广泛应用至DOM研究中.该技术通过平行因子法(PARAFAC)分析可得到DOM主要组分及所占比例, 如类蛋白类物质及类富里酸、类腐殖酸类物质等, 来追踪不同时期DOM腐殖化进程或被微生物利用的组分变化过程.Parlanti等(2000)在研究藻源的DOM时发现, 微生物是新近藻源DOM矿化的主要影响因素, 其中一部分DOM通过缩合反应或分子结构重排被转化成类腐殖质类物质, 进而引发一系列的荧光带变化.因此, 在本实验设计过程中利用EEMs技术来研究藻屑降解过程产生的DOM及其组分变化过程.

  氮、磷作为限制性营养元素, 在藻类生长过程中发挥着不可或缺的作用;而作为藻类碎屑矿化分解释放的主要产物, 也不可忽视研究表明, NH4+-N、PO43--P释放量与藻添加浓度成正比, 蓝藻分解明显增加了水体中氮、磷浓度.这是由于溶解性有机氮(DON)与溶解性有机磷(DOP)作为藻源性DOM最为活跃的部分, 易被微生物利用转化成为无机氮、磷营养盐.而且蓝藻积累易消耗上覆水中大量的DO, 降低硝化细菌活性, 引起上覆水中NH4+-N、PO43--P不断积累.这时DO成为沉积物有机质矿化的主要影响因素, 制约着氮、磷释放.Roberts等(2012)研究表明, 富含有机质的沉积物在O2削弱区域向上覆水释放大量NH4+-N、PO43--P, 增加了沉积物有机质矿化速率.因此, 藻类碎屑有机质在沉积物中积累对沉积物氮、磷释放的影响不容忽视.

  目前, 有关藻类水华暴发影响上覆水污染负荷的研究主要以室内添加新鲜藻浆模拟实验为主, 侧重蓝藻逐渐由活体到衰亡过程中对上覆水污染物(以氮、磷释放为主)再分配作用.相关研究表明, 近年来于桥水库夏季蓝藻水华发生期间水体Chl-a浓度平均为50~60 μg·L-1, 甚至累积高达1300 μg·L-1左右.然而水华发生后死亡蓝藻大多数以有机碎屑的形式埋藏或堆积于沉积物中, 可能改变沉积物-水界面的生物理化性质, 从而影响沉积物中污染物的地球化学循环过程.因此, 本文针对这一现象所产生的环境问题开展研究, 设置2个添加梯度, 一个代表现今蓝藻水华暴发的藻屑浓度(1倍组), 另一个代表严重水华暴发时的藻屑浓度(20倍组), 研究不同密度藻屑堆积对沉积物DOM及氮、磷等污染物释放形成的不同影响, 以揭示频繁发生的水华引起藻屑不断积累过程中对饮用水源水质产生的污染效应.

  2 材料与方法

  2.1 样品采集与处理

  实验水样和泥样取自于桥水库.于2016年10月在于桥水库大坝区(40°01′54.21″N, 117°26′55.49″E), 用装有ϕ100 mm×500 mm有机玻璃管的柱状采泥器采集沉积物柱9根, 吸取样柱中的上覆水, 现场测定水温、溶解氧(DO)、pH、氧化还原电位(Eh).剩余水样保存于带有冰盒的保温箱中, 用于水质理化指标分析.柱子上部缓慢注满原水并用橡皮塞塞紧, 以免扰动底泥.采集水库底层水样25 L, 在实验室经0.45 μm醋酸纤维滤膜过滤后作为沉积物柱静态培养实验补给水.所有样品尽快运回实验室置于恒温室中((16±1) ℃), 模拟秋季蓝藻代谢死亡时的温度, 于暗处静置2 h使沉积物样稳定.

  在大坝区用浮游生物网(孔径64 μm)采集浓缩藻液10 L, 带回实验室反复冻融4~5次以保证藻类死亡(细胞破碎并有藻蓝蛋白及其他内融物流出), 经蒸馏水反复清洗, 以5000 r·min-1转速离心得到浓缩藻浆, 置于-70 ℃冰箱中保存备用, 使用时用冷冻干燥机冻干, 并研磨过80目筛得到干藻屑, 实验用藻屑总氮(TN)、总磷(TP)和Chl-a含量分别为129.27、4.83和3.136 mg·g-1.

  2.2 实验设计

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