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混合充氧对分层水库水质改善及微生物种群结构调控研究

周子振  
【摘要】:以分层型水源水库黑河金盆水库为研究对象,采用现场监测、原位试验与实验室研究相结合的方法,在分析水库自身水质演变和外部径流污染输入的基础上研究了混合充氧对水质的改善,并从微生物种群结构的角度分析了水质改善的机理,主要研究内容包括:a)黑河金盆水库水体分层结构演变规律及水质响应特征、分层时期沉积物耗氧及污染物释放规律;b)不同强度入库径流变化特征及其对水库水质的影响、入库径流悬浮物污染特征及其淤积规律;c)人工强制混合与自然混合有效衔接、充氧过程对水体及沉积物微生物代谢活性的强化;d)混合充氧过程对水体微生物种群结构的影响及其对碳、氮、氢、硫、铁、锰等元素循环相关细菌的调控。得到了以下主要成果与结论:(1)每年5~8月为黑河金盆水库水体稳定分层期,水体底部溶解氧耗尽,导致水体化学氧化修复能效降低,温跃层的存在阻碍了垂向水体物质交换,分层时期,厌氧层厚度高达22 m,恒温层水体总氮、总磷、铁、锰浓度超标分别达到2.30、0.125、0.97和0.32 mg/L。分层时期水体及沉积物耗氧速率达到4.13μmol O2 L-1?d-1和14.34 mmol O2 m-2?d-1。进入9月份在自然过程及人为干预的条件下,水体分层结构稳定性迅速降低,分层结构逐步消亡。(2)中低流量径流一般不会对主库区水质造成恶劣影响,其在向主库区行进过程中逐步消亡,而高流量径流(入库流量579 m3/s)不仅破坏了水体分层结构还造成主库区水体浊度升高至266 NTU,主库区总磷、总有机碳和氨氮浓度升高至0.107、3.9和0.48 mg/L,藻密度降低幅度达51.3%。相关性分析发现沉降颗粒粒径、含水率、烧失量是影响沉降颗粒污染负荷的主要因素。黑河金盆水库淤积速率约为0.111 g·cm-2·a-1,处在相对较低的水平。(3)人工强制混合破坏了水体的稳定分层结构促使水体提前2个月进入混合状态。与自然混合相比人工强制混合使混合水温提高了6~8°C,水库水质得到明显改善,与人工强制混合之前相比,水体总氮、总磷、总有机碳、氨氮、铁和锰削减率分别达到47.8%、66.7%、22.9%、62.5%、76.2%和80%。在水体温差尚有3~4°C时,停止人工强制混合过程,发现人工强制混合与自然混合的有效衔接能使水体藻密度、总有机碳、总氮和总磷有50%、23.5%、7.7%和16%的削减。人工强制混合与自然混合有效衔接及二者协同作用可以有效改善水质并且使水质的良好状态保持至次年水体分层再次形成。(4)混合充氧通过改变水体分层及溶解氧状态进而影响微生物群落结构,冗余分析(RDA)得出物理环境因子(水温和溶解氧)、化学环境因子(叶绿素a、总有机碳和总氮)是影响水库水体微生物群落变化的关键性因素。混合充氧改变了碳、氮、氢、硫、铁、锰等元素循环相关细菌结构变化,如Lactobacillus、Pseudomonas以及Rhodobacter等主要的反硝化菌种得到明显增加,强化了水体碳、氮等元素的去除。


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