水源水中蓝藻生长悬浮特性及生长抑制试验研究

水源水中蓝藻生长悬浮特性及生长抑制试验研究
黄廷林，段婷婷，卢金锁
西安建筑科技大学，西北水资源与环境生态教育部重点实验室，西安(710055)
摘要：本文研究了藻类在水中的生长悬浮特性，并通过水体下向流动将表层藻类向下迁移，使上下水体混合，当藻类到达底部无光区后生长受到抑制甚至死亡。

结果表明蓝藻集中悬浮在水体2-3 倍透明度水深区，而绿藻集中生长在0.5 倍水体透明度水深区。

在下向流速为1.5cm/min 左右，蓝藻竖向分布均匀，光补偿点以下藻类无上浮现象。

在此流速下白天运行12 小时可使得上层水体中蓝藻数量减少21.03%,光补偿点处蓝藻数量减少31.09%。

关键词：蓝绿藻；垂向分布；下向流动；悬浮特性
1．引言
深层水库流动性小，混合作用弱，易出现水体分层现象，从而导致藻类主要停留在表层水体中生长。

对于藻类垂向生长悬浮特性目前已有一定的研究，研究的结果表明藻类一般集中生长在光补偿点以上区域，但对于如何改变藻类此种竖向分布不均匀状态，抑制藻类生长方面的研究较少。

本实验主要目的是在此基础上探索蓝藻绿竖向生长悬浮特性，并根据其生长特性研究在一定下向流速水体流动下对蓝藻垂向生长抑制作用，为深层水源水库去除蓝藻提供一定理论依据和参考。

2．实验设计
2.1 实验水源
本实验用水取自西安黑河水库，此水库总库容为 2 亿m3，向西安市日平均供水量76 万m3。

取水时间为8 月底，属于藻类高发期，优势藻种为蓝藻中水华微囊藻及部分富营养化绿藻。

2.2 实验装置
本实验装置为：直径为315mm，高为3m 的PVC 管；侧壁开孔取水，根据藻类分布上多下少的情况，开孔间距也自上而下逐渐增大，具体开孔断面为0.2m、0.35m、0.55m、0.8m、1.1m、1.45m、1.9m、2.4m、2.9m 共9 处；底部管壁连接循环泵进水口，管顶连接循环泵的出水口，通过循环泵使水体下向流动抑制蓝藻生长；通过流量计控制反向水体流速；试验在室外进行。

2.3 实验方法和指标
采用目镜视野法计数水中蓝绿藻数量；采用紫外分光光度法测定叶绿素a。

3. 实验结果分析
3.1 藻类生长悬浮特性与蓝绿藻的竖向分布特征
将取自黑河水库的水样混合均匀注入试验装置，观察藻类分布，试验结果如图1、2 所示。

从图1、2 可见，①：水体中蓝藻和绿藻竖向分布状态为：藻类从最初的上下分布较均匀发展为以某一水深为界，上多下少的不均匀分布，说明藻类在这一水深以上区域发生下沉，以下区域发上上浮。

出现此种悬浮状态与藻类自身调节机制有关，在表层水体中，快速的光合作用合成了大量的淀粉，增加个体重量，使藻类下沉。

随着藻类的下沉，光强逐步减弱，合成物质减小，呼吸作用增强，个体重量逐渐减小，当减小到与浮力平衡时，不再下沉，处于悬浮状态。

而底部无光区藻类光合作用较弱，个体重量小于浮力，呈现上浮趋势，当达到与重力相同时即处于悬浮状态。

②：蓝藻临界点为水深1.45m 处左右，即约为水体2.4 倍透明度处；绿藻临界点为0.5m水深左右，即约为水体0.5 倍透明度处。

究其原因可能为水体最表层光照过强，绿藻生长繁殖受到光抑制作用，而临界点以下光强弱，绿藻繁殖同样受到影响，因而在0.5 倍透明度处绿
藻出现最大生长量；同时由于绿藻在水中以单个个体出现，下沉速度较慢，因此在生长量最大区域累计，出现最大值。

而蓝藻（主要为铜绿微囊藻）是以团体形式存在，下沉速度较快，在2.4 倍透明度处出现峰值。

这与杨顶田等研究结果相同。

3.2 水体下向流动对藻类的生长抑制
藻类在水中有一定的上浮速度，大约60%的铜绿微囊藻上浮速度都小于0.5cm/min，大约87%的上浮速度都小于1.5cm/min，上浮速度大于2.0cm/min 的仅占很小的一部(10%)，根据此上浮速度选择不同的下向流速，以达到抑制蓝藻生长的作用。

3.2.1 不同的水体下向流速对藻类生长抑制分别选取光照较好的3 天进行试验，下向流速分别为1.2cm/min、1.3cm/min 和1.5cm/min。

间隔时间取样测定各个断面叶绿素a 浓度的分布情况，结果如图3、4、5。

从以上3 图可以看出：①：在下向流速为1.2cm/min 时，运行1h 后上层水体叶绿素a浓度下降6.7ug/L，光补偿点以下区域浓度增加7.9ug/L，说明一定的下向水流可以将表层藻类迁移至下层无光区水体中；3h 后上层水体叶绿素a 浓度下降10.7ug/L，而下层水体叶绿素 a 浓度增加-7.9ug/L，而此时光补偿点出浓度出现最大值71.3ug/L，水体呈明显的上下少中间多的分布。

说明此时上层水体藻类下沉而下层水体中铜绿微囊藻上浮，最终悬浮在光补
偿点处，即下向流速过小。

②：在下向流速为1.3cm/min 时，1h 后上层水体叶绿素a 浓度下降9ug/L，下层水体叶
绿素a 浓度增加8.8ug/L；3h 后上层水体叶绿素a 浓度下降15ug/L，而下层水体叶绿素a 浓度相较1h 时减少4ug/L，说明藻类出现略微的上浮现象，此流速过小，但叶绿素a 垂向纵向分布逐渐趋于均匀。

③：当下向流速为1.5cm/min 时，运行1h 后上层水体叶绿素a 浓度减少10.1ug/L，同
时下层水体叶绿素a 浓度增加10.1ug/L，上下分布略显均匀；3h 后上层水体叶绿素a 浓度下
降16.8ug/L，下层水体叶绿素a 浓度增加幅度较大，为20.7ug/L。

同时光补偿处叶绿素a 浓度降幅为7ug/L，藻类纵向分布比较均匀，说明此流速合适，既能够将表层水体藻类迁移至下部无光区，同时抑制下部水体藻类上浮，避免出现上下少中间多的不均匀分布。

3.2.2 白天和夜间分别施加下向流速时对蓝藻垂向分布影响
选择天气条件良好的两天，在相同的下向流流速下（1.5cm/min）于白天和夜间分别进行两组试验。

白天试验组（1 组）运行时间为8 点至20 点；夜间运行组（2 组）运行时间为20 点至次日8 点。

运行期间每隔一定时间取各断面水样，测定其叶绿素a 含量，结果如图6、
7 所示。

从以上两图可以看出，运行3 小时后，两组试验中表层藻类均减少，叶绿素a 浓度下降分别为12ug/L 和22.2ug/L，下层藻类增加，叶绿素a 浓度增加量分别为13.6ug/L 和22.3ug/L，上下分布逐渐均匀，说明此流速可使得上层藻类下迁，同时抑制下层水体藻类上浮，与前面结论相同。

同时从藻类增降幅度看，夜间运行时对藻类抑制作用较好。

在运行12 小时之后，两组藻类竖向分布有所不同：1 组中上层水体叶绿素 a 浓度略有上升趋势，说明尽管下向水流可使表层水中藻类进入下层无光区，抑制其生长，但由于白天光照充足，表层藻类的光合作用仍然会使得上层水体中藻数量增加，而下层水体叶绿素a 浓度下降较大，为22.3ug/L，总体分布均匀；2 组中上下层水体中叶绿素 a 浓度均减少，降幅分别为23.1ug/L 和28.5ug/L。

这是由于夜间表层藻类不进行光合作用，且在下向流的作用下被迁移至底部，而底部藻类呼吸作用使其浓度同样降低。

在运行结束后两组试验均静置12 小时，以观察藻类上浮情况。

从结果看来，1 组由于运行结束后藻类立即进入夜间呼吸状态，呼吸作用导致水体中的溶解氧急剧下降，通入的空气中所含氧气会增加溶解氧，利于呼吸作用进行，加快了藻类代谢消耗，从而使上下水体中生物量整体下降，各取样点处叶绿素a 浓度相对于初时平均下降8ug/L，且上下分布维持均匀状态；而2 组静置时为白天，上层水体中藻类由于光合作用大量生长繁殖，下沉，下层水体中藻类上浮，从而又形成上下少中间多的不均匀分布，相较初时各取样点叶绿素 a 浓度增加值为-3ug/L。

上述实验结果表明，从对藻类生长抑制方面来看，2 组的抑制效果较1 组为好，但在停止下向流后2 组藻类上浮现象明显，藻类数量超过初始值，由此认为1 组整体对藻类垂向抑制效果优于2 组，即可选择在白天对水体施加一个下向流速，夜间停止，间歇运行，从而达到控制藻类繁殖的目的。

3.2.3 蓝藻密度垂向变化
根据以上两组试验中所得到的下向流速以及运行时间进行另两组实验：试验 1 即在1.5cm/min 的下向流速下白天运行12 小时，静置一夜后测定各断面蓝藻密度；试验2 为水体静置24 小时，即经过一天的生长测定各断面蓝藻密度，结果如表1 中所示：由表 1 可见，水体静置时，经过一天的生长，上层水体蓝藻藻密度增加，其增加的百分数平均为7.84%，其中在光补偿点处蓝藻增加数量最大，增幅达15.67%；而在光补偿点以下各取样断面，蓝藻数量均有所减少，平均减少幅度为 6.82%，蓝藻竖向分布不均匀；而在下向流速为1.5cm/min，经过一天的生长，蓝藻垂向分布发生变化：上层水体中蓝藻数量下降约21.03%，在光补偿点处蓝藻密度下降最大，为31.97%，而在下层水体各断面处蓝藻密度均有不同程度增加，平均增幅为6.10%，说明在此运行条件可将上层水体中21.03%的蓝藻迁移至下层无光区水体中从而破坏其光合作用条件，使其生长繁殖受到抑制甚至死亡，改变了蓝藻上下少中间多的不均匀分布状态。

4．结论
(1)绿藻一般大量悬浮生长在0.5 倍透明度处；蓝藻大量悬浮生长在2-3 倍水体透明度处。

(2)在其他条件不变的情况下，下向流速度越大，对藻类的抑制效果越明显，下向流速为1.5cm/min 时水体下向流动对藻类抑制效果较好，此时蓝藻垂向分布均匀，且下层水体蓝藻无上浮现象。

(3)下向流速为1.5cm/min，白天运行12 小时可使得上层水体中蓝藻数量减少21.03%,光补偿点处蓝藻数量减少31.09%，藻类上下分布较均匀。