双氧水协同凤眼莲控制藻华及其改善水质效果与机制研究

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藻类水华是世界范围内的水环境污染问题,在全球变暖、大气CO2浓度逐渐升高等因子的驱动下,各类藻华暴发的频率、强度以及持续时间均有升高趋势,其中又以蓝藻水华居多,严重影响水生态系统,因而蓝藻水华的防控已逐渐成为一个广受关注的热点。双氧水(H2O2)因其分解产物(H2O和O2)无毒害、不引入新的污染物等优点,被认为是一种环境友好型应急除藻措施。但藻华死亡后释放氮磷等营养物质至水柱中,水体营养负荷仍处较高水平,而防控藻华最根本有效的方法是削减水体氮磷等营养负荷。在凤眼莲安全控养与资源化利用技术日趋成熟的今天,利用凤眼莲削减水体氮磷营养负荷具有很好的应用前景。因此,本研究协同应急除藻(H2O2除藻)与长效除藻(水生植物控藻)两种技术,开展双氧水协同凤眼莲控制藻华及其改善水质效果与机制研究,通过协同模式的优势互补,在实现蓝藻水华快速消杀的同时,达到水体氮磷的有效去除,最终实现蓝藻水华防控与水质改善的双重目标。主要研究内容和研究结果如下:(1)以蓝藻、裸藻为研究对象,探讨了消杀藻华的双氧水浓度阈值。设置不同梯度浓度的H2O2进行处理,研究发现H2O2对水柱中的藻类有很好的去除效果,且随着H2O2浓度的升高,水体中羟基自由基(·OH)增多,除藻效果愈加明显。结果表明:15 mg/L的H2O2处理4 h后蓝藻的光合活性下降了75%,且24 h内无明显恢复迹象,24 h后叶绿素a浓度下降了88%;60 mg/L H2O2处理4 h后裸藻的光合活性接近0,24 h内无恢复,24 h后其叶绿素a浓度下降了54%。因我国湖泊河流暴发藻华多以蓝藻为主,所以选用15 mg/L的H2O2开展后续协同控藻与水质改善实验。(2)室内纯培养铜绿微囊藻(FACHB-7806)模拟实验研究结果表明,与对照组(只添加藻液)相比,H2O2处理组、凤眼莲处理组、H2O2+凤眼莲处理组的除藻及水质改善效果存在显著差异。其中,单一H2O2(15mg/L)组短期效果最佳,4 h后Fv/Fm值趋于0,48 h后叶绿素a浓度下降了69%,但48 h后H2O2完全分解,不再有抑藻效果,氮磷去除量分别为13.23%、20.29%,与对照相比无显著差异;单一凤眼莲组、H2O2+凤眼莲组的长期除藻及水质改善效果更好,28 d结束时叶绿素a的去除率达98%,对水柱中总氮、总磷的去除率在79%、68%以上,其中H2O2+凤眼莲组4 h后对藻细胞Fv/Fm的抑制率达到71%,短期除藻效果优于单一凤眼莲组。H2O2协同凤眼莲能够有效除藻并净化水质,值得深入研究。(3)H2O2与凤眼莲协同模式去除高浓度蓝藻水华与水质净化效果的实验结果表明:单独使用H2O2处理情况下,前72 h的除藻效果较好;单独使用凤眼莲,在96 h内除藻效果不显著;H2O2+凤眼莲处理模式下,72-96 h时段的除藻效果较好。研究发现,单独使用H2O2处理的水体NO2--N、NH4+-N、PO43--P浓度较对照组显著升高,藻华再次暴发的风险较高;H2O2+凤眼莲处理对叶绿素a的去除率为75%,对TN、TP去除率分别约为54%、36%;此外,通过微生物多样性分析发现,H2O2+凤眼莲处理模式下,对蓝藻的去除效果较显著,且微生物群落多样性显著提高。因此,通过对自然水体中藻华防控的模拟研究与实验室存培养蓝藻结论一致,即H2O2协同凤眼莲可有效控制蓝藻水华并改善水质。(4)在以上研究的基础上进行协同除藻模式的条件优化,进一步提高实用性,结果表明:投加H2O2处理蓝藻8 h后再放入凤眼莲表现出更好的除藻效果,且光照条件下H2O2的除藻效果更显著;微生物群落多样性及丰度均有显著提高,第一优势菌群变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度增加,更有利于降解氮磷等污染物;72 h后各处理组对水体总氮、总磷的去除率分别在30%、35%以上,能够有效降解水体污染物。(5)室内纯培养蓝藻实验(本文第三章)结果表明,实验结束(28 d)时,单一凤眼莲组合H2O2+凤眼莲组中凤眼莲吸收的氮磷占水体已去除氮磷的77%、68%以上。河道蓝藻实验结果表明(本文第五章),其中凤眼莲吸收转化作用对氮磷去除量的贡献率分别在73%、57%以上。两组实验表现出的趋势一致,即凤眼莲吸收转化作用是水体氮磷去除的最主要途径,H2O2协同凤眼莲模式兼具除藻与水质净化效果,更具实用性。
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