中科院生态中心杨敏团队EST：水源底泥重悬增氧过程中的锰去除及释放风险研究

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生态中心杨敏团队

Published

Wednesday, May 21, 2025

图文摘要

成果简介

近日，中国科学院生态环境研究中心杨敏研究员团队在 Environmental Science & Technology期刊发表题为“Effects of Oxygenation Resuspension on DOM Composition and Its Role in Reducing Dissolved Manganese in Drinking Water Reservoirs”的研究论文（DOI: 10.1021/acs.est.5c00235）。

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水源水库中底泥厌氧条件下释放还原态锰是供水系统中锰超标的重要发生源。通过底泥重悬提升沉积物氧化性可抑制锰释放，但同时给底泥带来的扰动也会增加锰的释放风险，相关机理尚不清楚。本研究结合室内模拟与6个水源中的原位实践探究了底泥增氧与扰动下锰形态转化及去除机理，提出风险阈值，进一步明确了底泥重悬除藻降锰技术在水源中应用的边界条件，提升了供水系统中应对锰超标水质问题的防控应对能力。

引言

水源中厌氧状态的底泥在秋季分层现象消失后易导致锰的释放风险，是供水系统中锰的主要来源，影响饮用水安全。提升底泥氧化性是抑制水源锰释放的根本方法。团队近年来提出通过底泥重悬同步实现调光抑藻与颗粒物絮凝除藻的原位防控技术（Fang etc., Water Res., 2024, DOI: 10.1016/j.watres.2024.122509）,由于不引入外来物质适用于饮用水水源地，已业务化应用于十余个水源水库。实际应用中发现实施底泥重悬技术后水体中锰浓度有所降低，但相关机制与技术的应用边界条件不清。

为揭示不同氧化状态及扰动条件下沉积物中锰的形态转化机制，团队在室内模拟了从厌氧到好氧不同溶解氧水平下底泥重悬扰动过程，并选择了6个不同背景锰浓度的水源水库开展原位实践，研究底泥重悬的锰去除与释放风险。结合我国饮用水锰限制标准及WHO给出了人体健康风险浓度，明确了水源水库中底泥重悬技术除藻降锰的应用边界条件与风险阈值。

图文导读

Fig. 1: 不同条件下总锰的动态变化：（A）二阶动力学模型描述总锰随时间的变化；（B）峰值锰浓度（\(c_{0}\)）与DO水平的关系；（C）水体中锰形态（包括溶解态锰和胶体态锰）比例的变化；（D）扰动和曝气对溶解锰浓度影响的对比

实验模拟了不同DO水平（0、2、5、7 mg/L）和扰动操作对水中Mn浓度的影响。结果显示，Mn浓度的释放峰值与DO呈显著负相关（R2=0.93, p = 0.034），高DO条件下Mn更易转化为胶体或颗粒态，从而通过沉降被去除。扰动操作进一步促进了Mn的吸附和絮凝沉降。

Fig. 2: 不同条件下的溶解有机物（DOM）组分，包括操作模式（扰动与静置）和DO浓度（0, 2, 5和7 mg L-1）：（A）在静置条件下，比较0 mg L-1和7 mg L-1DO下的DOM组分；百分比表示各类别中荧光强度的比例。最外层的环显示了在实验的三个阶段中各成分（C1、C2、C3）的比例：增加（峰值前）、减少和稳定；（B）在0 mg L-1DO条件下，比较扰动和静置条件下的DOM组分；（C, E）扰动时不同DO水平下C2（C）和C3（E）组分的荧光强度；（D, F）C2（D）和C3（F）组分荧光强度与Mn（II）浓度的相关性

通过荧光光谱分析，发现DOM中的C2和C3组分与Mn（II）浓度呈显著负相关（R²=0.57和0.53）。氧气引入会改变DOM组成，增加C2和C3的比例，这些组分通过功能基团（如-COOH和-OH）与Mn形成络合物，促进其沉降。

Fig. 3: 在模拟实验前后及现场应用中，不同条件下沉积物中的锰组分（弱酸提取态、可还原态和可氧化态）：（A）模拟实验前后沉积物中锰组分的变化用实验后与实验前的比值表示；（B）描述在不同DO水平（0、2、5和7 mg L-1）的有氧条件下锰氧化的相关模型；（C）F水库底泥再悬浮过程中运行时间内的锰去除率

实验分析了Mn在沉积物中的三种形态（弱酸可溶态、可还原态和可氧化态）。结果表明，底泥扰动与曝气联合作用显著降低了弱酸可溶态和可还原态Mn的比例，同时抑制了可氧化态Mn的增加，说明曝气和扰动协同减少了Mn的生物有效性。

Fig. 4: 现场应用和风险阈值：（A–F）六个水库（水库A–F）中FE（有底泥重悬点位）和FC（无底泥重悬的控制点位）之间锰浓度的比较；（G）在29天的底泥重悬操作中F水库FC和FE处锰浓度的时间动态；（H）如公式（2）中所定义，根据FC处平均锰浓度与ρ之间的建模关系，确定通过底泥重悬去除锰的补偿阈值（CT）；（I）如公式（4）中所定义，确定底泥重悬过程中锰释放的风险阈值（RT），该阈值（RT）源自FC和FE处最大锰浓度之间的建模关系。

在五个水库中，底泥重悬有效降低了水中Mn浓度，但在Mn初始浓度较高的F水库中效果不佳。基于原位实践数据，构建风险模型提出补偿阈值（CT=17.4 μg/L）和风险阈值（RT=95.5 μg/L），明确了底泥重悬技术的应用边界条件。

作者介绍

第一作者-苏命：中国科学院生态环境研究中心研究员。主要从事水质风险识别与控制研究，提出基于产嗅藻生态位特征的原位抑藻控嗅技术，系统应用于上海青草沙等水源水库。主持国家自然科学基金、重点研发课题等项目30余项，在Water Research等学术期刊上发表论文40余篇，编写《饮用水嗅味控制与管理技术指南》等专著。获中国科学院杰出成就奖（集体，2021）、华夏科技奖二等奖（3/15，2020）等科技奖项。

共同第一作者-李薇薇：中国科学院生态环境研究中心联合培养硕士研究生，就读于内蒙古大学。研究方向为饮用水水源水质问题控制技术研究，近期以共同第一作者在Environmental Science & Technology发表论文1篇。

通讯作者-杨敏：中国科学院生态环境研究中心研究员，国家杰出青年基金获得者，国际水协会杰出会士，ACS EST Water副主编。长期从事水质风险研究，在嗅味识别与控制、环境耐药性传播与源头管控、致病性环境微生物识别与监测预警等方面取得系列成果，在标准制定和工程建设中发挥了重要的科技支撑作用。获国家自然科学二等奖、中国科学院杰出科技成就奖及国家科技进步一等奖（第2）等科技奖项。

参考资料