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

底泥翻耕對巢湖西部聚藻區黑臭風險的預控效果

來源：環境科學研究（2019年，第32卷第4期）

 

論文總結

研究通過室內模擬實驗，評估了不同深度底泥翻耕對巢湖聚藻區黑臭風險的預控效果，重點分析了翻耕后底泥-水界面的理化特性變化及黑臭形成機制。以下是對論文的詳細總結。

摘要概括

摘要指出，巢湖西部聚藻區高有機負荷表層底泥是黑臭頻發的主要因素。研究基于底泥再懸浮特征和耕作性能，設計翻耕措施（深度2、5、10、15 cm），通過藻體堆積誘發試驗，模擬黑臭形成過程。結果表明：翻耕深度對黑臭控制效果顯著，15 cm翻耕（PT15）有效阻止了黑臭發生，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增強了新生泥-水界面耐受力，黑臭誘導后界面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含量僅為14.6%~17.2%。翻耕通過將有機污染負荷重的表層底泥翻轉至下層，阻隔了污染物遷移和厭氧微生物活動，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：

 

評估底泥翻耕作為物理修復技術對巢湖聚藻區黑臭風險的預控效果。

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

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

 

為湖泊聚藻區黑臭防治提供技術支持和理論依據。

 

研究思路

研究采用室內模擬實驗和系統分析策略：

 

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

翻耕模擬：設置6組處理：空白組（Blank，未擾動）、對照組（CK，添加藻體未翻耕）、翻耕組（PT2、PT5、PT10、PT15，對應翻耕深度）。通過切取表層底泥與藻體混合重填模擬翻耕。

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

監測與分析：

 

感官指標：每日記錄水色變化（無色、灰、淺黑、黑）。

微環境測量：使用丹麥Unisense微電極系統測定泥-水界面DO、Eh、pH、∑H?S剖面（步長100 μm）。

 

理化指標：測定上覆水Fe2?（啡咯嗪法）、S2?（亞甲基藍法）；底泥間隙水TFe（草酸銨提取）、AVS（冷擴散法）。

 

數據處理：采用SPSS進行方差分析和Tukey檢驗，評估組間差異。

 

測量數據及其研究意義

以下列出關鍵測量數據、其來源（圖編號）及研究意義：

 

水色變化數據（來源：Table 1）

 

數據：Blank、CK、PT2、PT5、PT10組在第8-14天相繼出現黑臭（水色等級2-3），PT15組未黑臭（等級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剖面數據（來源：Fig. 2）

 

數據：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維持了好氧微環境，抑制厭氧過程。

 

Eh剖面數據（來源：Fig. 3）

 

數據：黑臭前，翻耕組Eh向空白組恢復；黑臭后，黑臭組界面Eh＜100 mV，PT15組為123 mV。

 

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

 

pH剖面數據（來源：Fig. 4）

 

數據：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子有關，PT15因厭氧過程弱，變化較小。

 

∑H?S剖面數據（來源：Fig. 5）

 

數據：黑臭組界面∑H?S顯著累積（濃度梯度明顯），PT15組無累積且無梯度。

 

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

 

上覆水Fe2?和S2?動態數據（來源：Fig. 6）

 

數據：黑臭組Fe2?和S2?濃度峰值顯著，PT15組濃度低且穩定（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（FeS）的形成與釋放。

 

間隙水Fe和AVS數據（來源：Fig. 7-9）

 

 

 

數據：黑臭組表層間隙水Fe2?占比達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Fe和硫化物的積累，從源頭上阻斷黑臭物質來源。

 

研究結論

本研究得出以下核心結論：

 

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

機制明確：翻耕將高有機負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，維持了泥-水界面氧化環境（高DO、Eh），減少Fe2?還原和AVS積累。

技術可行性：底泥翻耕是一種低成本、易操作的物理修復技術，適用于聚藻區黑臭風險預控。

 

優化建議：實際應用中需平衡翻耕深度與工程成本，并考慮底棲生態恢復問題。

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細解讀

在本研究中，丹麥Unisense微電極系統（型號REF321 OX-50等）用于實時測定泥-水界面的DO、Eh、pH和∑H?S剖面，其研究意義主要體現在：

 

高分辨率微環境監測：電極尖端直徑小（μm級），可以100 μm步長精確穿刺測量，提供界面微米級的化學梯度數據（如Fig. 2-5），這是傳統宏觀采樣無法實現的。

揭示黑臭形成機制：數據顯示黑臭組界面DO≈0、Eh＜100 mV（Fig. 2-3），證實了強還原環境是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。

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

動態過程捕捉：黑臭誘發前后的剖面變化（如DO從有到無）動態展示了界面化學環境的惡化過程，突顯PT15的穩定性。

 

技術優勢支撐可靠性：Unisense電極的高精度和原位測量能力，避免了取樣擾動，為機制研究提供了直接、可靠的證據。沒有這些微尺度數據，翻耕的氧化屏障效應將難以量化驗證。

 

總之，丹麥Unisense電極數據是本研究的核心，通過提供原位、高分辨率的界面化學 profiles，它直接揭示了翻耕如何調控微環境以抑制黑臭，為物理修復技術的機制闡釋和優化提供了關鍵科學依據。