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

通過底層曝氣和人工混合控制飲用水水庫中的還原態鐵和錳

來源：Science of the Total Environment, Volume 685, 2019, Pages 497-507

《整體環境科學》，第685卷，2019年，第497-507頁

 

摘要：

論文摘要指出，飲用水水庫中的鐵和錳濃度對水質有重要影響，但季節性分層和降雨事件會導致問題。研究通過部署提水曝氣器（WLAs），利用底層曝氣和人工混合來控制鐵和錳。結果表明，曝氣補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-水界面的擴散通量。鐵被化學氧化，濃度低，而錳因復雜動力學在近沉積區積累。沉積物在WLA停用后快速缺氧釋放鐵和錳，強調人工和自然混合期連接的重要性。

 

研究目的：

本研究旨在調查WLAs對以下方面的影響：(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，結合水庫口泄洪操作；(3) 孔隙水中活性鐵和錳原位微剖面對環境變化的響應；(4) 沉積物中鐵和錳擴散通量的變化。

 

研究思路：

研究在Jinpen水庫進行，部署了8個WLAs。通過收集水柱、沉積物和孔隙水的原位數據，包括溶解氧、溫度、鐵錳濃度等，使用高分辨率技術如DGT和Unisense微電極測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）鐵錳的行為和擴散通量。

 

測量的數據及研究意義：

1. 水柱中溶解鐵和錳濃度變化（來自Fig.2和Fig.6）：研究意義在于顯示WLAs如何通過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WLAs能有效控制源水水質。

 

 

2. 氧氣和溫度剖面（來自Fig.3）：研究意義在于揭示WLAs操作如何改善水柱氧氣條件，促進氧化過程，并顯示間歇性提水對SWI氧氣的增強作用。

 

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

 

4. 擴散通量JFe和JMn變化（來自Fig.9）：研究意義在于量化WLAs對沉積物-水界面物質交換的影響，顯示JMn增加而JFe減少，表明錳的控制更具挑戰性。

 

5. 總鐵和錳在降雨事件中的分布（來自Fig.5）和不同垂直區域 above sediment 的濃度變化（來自Fig.4）：研究意義在于評估外部污染和WLAs的應對效果，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。

 

 

結論：

1. 溶解鐵易被非生物氧化去除，但溶解錳在近沉積區持續積累；WLAs通過間歇性提水增強SWI氧氣效率，增加擴散通量。

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

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

4. WLAs導致復雜生物地球化學循環，應考慮其環境影響，如沉積物氧需求增加。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

本研究使用丹麥Unisense MP8微剖面儀測量沉積物-水界面的氧氣微剖面。該電極具有高分辨率（0.1 mm）和快速響應時間，能精確捕捉氧氣分布。研究意義在于：提供原位、高精度氧氣數據，用于計算擴散邊界層厚度和氧氣滲透深度，從而準確估計擴散通量。這些數據揭示了WLAs操作如何改善SWI的氧化條件，例如增加氧氣滲透深度，抑制還原物質釋放。同時，氧氣微剖面與金屬數據結合，深化了對鐵錳生物地球化學循環的理解，為水庫管理提供科學依據。