不同客水對南淝河水體富營養(yǎng)化的影響及其降解特征

姜德剛 陳慧 徐金燕 張琳婷 劉弢 王育來

摘要[目的]研究不同客水對南淝河水體富營養(yǎng)化的影響及其降解特征。[方法]以典型城市河流南淝河為研究對象，調查受不同排口影響下南淝河水質特征，評價南淝河水體富營養(yǎng)化狀態(tài)；并以初期雨水、道路徑流和污水處理廠尾水為代表性客水來源，探明不同來源客水在客水土著微生物、光化學的作用下水質及溶解有機質組成的變化特征。[結果]南淝河水體總氮（TN）和總磷（TP）含量受污水處理廠尾水排放影響較大，且南淝河總體上處于富營養(yǎng)或超富營養(yǎng)狀態(tài)，但葉綠素（Ch-a）含量和富營養(yǎng)化等級在受不同排口影響下的河段中卻不存在明顯差異；不同來源客水在土著微生物和光化學作用下，其TN和TP均有較大的削減，且溶解有機質（DOM）組成發(fā)生了明顯的轉化。[結論]該研究可為城市河流的綜合整治，特別是入河污染物的削減技術提供新思路。

關鍵詞黑臭水體；富營養(yǎng)化；溶解有機質；降解

中圖分類號X522文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）19-0051-05

Effects of Foreign Water on Trophic State for Nanfei River and Its Degradation Characteristics

JIANG Degang1， CHEN Hui1， XU Jinyan1， WANG Yulai2* et al

（1.Island Research Center of State Oceanic Administration， Pingtan， Fujian 350400；2. School of Energy and Environment， Anhui University of Technology， Maanshan， Anhui 243032）

Abstract[Objective]To study the effects of foreign water on trophic state for Nanfei River and its degradation characteristics. [Method]Taking typical city river Nanfeihe River as the research object， different discharge characteristics under the influence of Nanfeihe river water quality evaluation were investigated， eutrophication status of water body of Nanfei River was evaluated. The characteristics of water quality and dissolved organic matter in different source water were investigated by using the initial rainwater， road runoff and sewage treatment plant tail water as representative water source.[Result]The total nitrogen of Nanfeihe River water （TN） and total phosphorus （TP） contents of tail water from sewage treatment plant has great influence， and generally in the Nanfeihe River eutrophication or super eutrophication， but the chlorophyll （Cha） content and the eutrophication level in different outlet under the influence of the river does not exist the obvious difference. The TN and TP of the water from different sources were greatly reduced under the influence of indigenous microorganisms and photochemistry， and the transformation of dissolved organic matter （DOM） was obvious. [Conclusion]The study can provide new ideas for the comprehensive regulation of urban rivers， especially for the reduction of pollutants into rivers.

Key wordsBlack and odorous water；Eutrophication；Dissolved organic matter；Degradation

所謂“黑臭”實際上是水體的一個極端狀態(tài)。當水環(huán)境處于缺氧狀態(tài)，有機污染物由于厭氧分解導致“黑臭”現象實質上是一系列生物化學反應的結果。水體有機污染是造成水體“黑臭”的重要影響因素之一。水體“黑臭”已成為我國許多大、中城市共同存在的污染問題，河流“黑臭”是我國城市河網的一個普遍現象，嚴重影響居民生活、城市形象和生態(tài)環(huán)境[1]。

目前，國內外對城市河道的“黑臭”治理均遵循“控源—凈化—修復”的思路。常用的有截污納管技術、底泥清淤/疏浚技術、環(huán)境生態(tài)調水技術、曝氣增氧技術、微生物強化、生態(tài)工程修復、生物浮床和植物凈化等技術。在城市“黑臭”河道實際治理過程中，通常會用多種方法組合的方式。然而，當前許多“黑臭”水體治理過程中，因重治理輕保持、重短期輕長效而導致水體返黑、水質反復惡化現象。因此，筆者以典型城市河道——南淝河為研究對象，評價南淝河水體富營養(yǎng)化等級，并初步探討其客水（初期降雨、地表徑流和城市污水廠出水）轉化規(guī)律，旨在為“黑臭”水體水質提升和長效改善提供新思路。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

南淝河（117°08′ ～117°27′ E，31°39′ ～31°58′ N）位于安徽省合肥市，自西北至東南流經董鋪水庫、合肥市主城區(qū)，于施口最終注入巢湖西半湖。南淝河水系包括5條河流，分別為南淝河、四里河、板橋河、二十埠河和店埠河，幾乎所有河道水體水質為劣V類，甚至呈“黑臭”狀態(tài)。其客水來源主要來自污水處理廠尾水排放和降雨徑流。

1.2采樣點設置

分別選擇雨污合流排口（雨水排口）、污水廠尾水排口（尾水排口）、農業(yè)面源、港口排口及南淝河支流（支流排口）等附近上覆水體為采集對象（表1）。采樣站點布置如圖1所示。于2015年3月采集南淝河上覆水樣，并用便攜式水質參數分析儀（哈希 SensIon156，美國）現場測定pH、溶解氧（DO）含量，其余指標實驗室內測定。

2016年4月1日在合肥市銅陵路立交橋附近用采樣瓶采集初期降雨，并在下水道口采集道路徑流，并于4月5日在王小郢污水處理廠消毒池內用水樣采集器采集尾水。采集水樣放入預先處理過的采樣瓶中，并盡快運回實驗室，放入冰箱保存待用，用醋酸纖維膜過濾后待用。

1.3水質分析及水體富營養(yǎng)化評價方法

河流水體總氮（TN）、總磷（TP）和高錳酸鹽指數（CODMn）采用國家水質標準監(jiān)測分析方法測定[2]。葉綠素a（Ch-a）含量使用浮游植物熒光儀（Phyto-PAM，Walz）通過活體藻細胞葉綠素熒光測定，并通過傳統方法（熱乙醇法）[3]進行校正。富營養(yǎng)化評價采用由Carlson提出經Aizaki修正的營養(yǎng)狀態(tài)指數TSI（Trophic State Index）法 [4-5]，即通過水體中Ch-a、TP、TN、CODMn含量及SD來評價研究水域的富營養(yǎng)化狀態(tài)。

1.4“黑臭”河道客水降解試驗設計及光譜分析方法

將城市污水處理廠的尾水、道路徑流、初期降雨等水樣過0.45 μm醋酸纖維膜，制成儲備液備用。儲備液進一步分裝于100 mL玻璃劑瓶中，并進行遮光處理（用錫箔紙包裹）后，進行土著微生物降解試驗；儲備液繼續(xù)過0.22 μm醋酸纖維膜，以便去除掉土著微生物，放在光照培養(yǎng)箱中于25 ℃培養(yǎng)，進行光化學降解試驗；儲備液直接于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，進行微生物—光化學降解試驗。定期測定常規(guī)水質（指標TN、NH+4-N、TP）和熒光光譜+紫外-可見吸收光譜分析組分含量，并重復3次試驗。

由于溶解有機質（Dissolved Organic Matter，DOM）含有大量脂肪族和芳香結構，在紫外區(qū)或段波長的可見光中具有特定波譜，同時具有發(fā)射一定熒光特性的熒光基團。熒光分光光度計（日立F-4500，日本）用于DOM樣品的三維熒光光譜測定，掃描光譜波長范圍為Ex=220～400 nm，間隔3 nm；Em=200～500 nm，間隔2 nm。三維熒光光譜數據進行Raman歸一化處理后，組成三維矩陣數列，采用“N-way”工具箱，在Matlab 8.0軟件（美國 Mathworks 公司）中進行數據分析。

1.5數據處理

統計分析包括平均值、差異性分析和相關發(fā)生分析，均在SPSS 13.0中進行。不同河段水質數據分析中多種參數的差異性采用t檢驗，置信水平分別設置為P=0.05和0.01；三維熒光光譜試驗數據在Matlab 8.0平臺中進行分析處理。

2結果與討論

2.1水質分析及其富營養(yǎng)化等級評價

南淝河TN、TP、CODMn和Ch-a的平均含量分別為41.41、1.06、9.02和0.03 mg/L，南淝河水質參數在空間分布上具有一定的分異性。如S4、S6、S7、S8、S9、S15、S16的TN含量較高，達45.74～51.84 mg/L，S1、S2、S3、S10、S11、S13、S17較低，僅30.00～39.40 mg/L（表2）。

采用水體富營養(yǎng)化綜合指數（TSI）對南淝河17個不同

采樣站點的富營養(yǎng)狀況進行分析評價，南淝河17個典型斷面水質營養(yǎng)狀態(tài)TSI指數為64.90～77.90，均值為73.37。按照蔡慶華[6]的富營養(yǎng)化狀態(tài)分級，南淝河水體水質基本上

處于富營養(yǎng)化或重度富營養(yǎng)化狀態(tài)。同時，該研究發(fā)現不同營養(yǎng)元素對河流水體富營養(yǎng)化的貢獻有明顯差別，Ch-a對河流水體富營養(yǎng)化的貢獻最大，占總貢獻的54.20%；TP對富營養(yǎng)化的貢獻次之，占總貢獻的20.70%；SD、CODMn具有相似的貢獻，分別占10.25%和10.14%；TN對南淝河水體富營養(yǎng)化的貢獻最小，占4.61%。

不同類型排口來源的客水水質、水量不盡相同，導致受納水體水質和營養(yǎng)狀態(tài)也不盡相同。該研究發(fā)現，不同排口類型（包括尾水排口、港口排口、支流排口、農業(yè)面源、雨污排口和其他排口）受納河段水體TN和TP含量不盡相同（圖2），如尾水排口河段上覆水的TN和TP含量均明顯高于港口排口和其他排口（P<0.05），而港口排口河段上覆水TN含量明顯低于支流排口和農業(yè)面源河段（P<0.05）。而雨污排口所在河段上覆水中的TN和TP含量和其他的5個排口的含量差異不顯著（P>0.05）。這表明不同排口類型對受納水體營養(yǎng)要素的輸入有所區(qū)別。不同排口所在河段中Ch-a的含量差異不顯著（P>0.05）。這可能是由不同類型客水的藻類生物可利用性不同導致。同樣，還發(fā)現各排口之

間的TSI指數差異不顯著（P>0.05），說明各個排口之間的

富營養(yǎng)化程度處在一個相似水平上。這是由于藻類是南淝河水體富營養(yǎng)化的主要貢獻（其貢獻率占到54.20%），而其他生源要素的貢獻不及藻類的影響大。另外，客水流量也是導致上述現象的主要因素，如受支流影響河段TN、TP以及Ch-a含量變化范圍較大。

2.2客水降解特征

為了削弱客水營養(yǎng)物質對南淝河水體富營養(yǎng)化的影響，進一步探討了客水原位降解特征。實驗室微宇宙模擬試驗（包括微生物降解、光化學降解和光化學與微生物降解組合方式）結果表明，客水TN、TP在土著微生物和光化學作用的影響下有明顯的削減。初期降雨、道路徑流、污水處理廠尾水的溶解性TN和溶解性TP含量在微生物、光化學以及微生物和光化學的共同作用下均呈冪指數函數下降的變化規(guī)律（圖3），在反應系統前期（0～10 d），3種客水的溶解性TN和TP含量均急劇下降。如初期降雨、道路徑流、污水廠出水在微生物和光化學的共同作用下，其溶解性TN在前期（0～10 d）分別降低了68.37%、57.58%和4677%，溶解性TP分別降解了42.86%、46.58%和9.77%。

紫外-可見光吸收系數（包括a254、a350、a355和a440）與DOM總量（DOC）呈現顯著線性相關[7]。該研究采用a355表征反應系統中DOM總量變化過程（圖3），筆者發(fā)現，在光化學、微生物和光化學與微生物組合作用下，不同來源客水DOM總量均有減少，其中初期雨水DOM總量在系統反應初期（0～10 d）下降幅度最快，道路徑流次之，污水處理廠尾水在系統中反應不明顯。

為了進一步探討客水DOM不同組分在微生物及光化學作用下的轉化，筆者采用三維熒光光譜技術解析3種客水在光化學、微生物降解和光化學+微生物降解系統中DOM組分變化規(guī)律。筆者發(fā)現，初期雨水、道路徑流和污水處理廠尾水DOM均含有類腐殖質和類蛋白物質，通過微生物、光化學作用后，DOM的峰位置及峰型均發(fā)生變化（圖4），這表明客水在光化學和微生物作用下DOM的組成發(fā)生了轉化。

三維熒光光譜顯示不同客水DOM組成在光化學和微生物作用下均發(fā)生了轉化，針對代表性組分發(fā)生變化。筆者根據Chen等[7]提出的區(qū)域積分法（Fluorescence Regional Integration，FRI），將初期雨水、道路徑流和污水處理廠尾水DOM分為類芳香族蛋白質（區(qū)域I、II）、類富里酸物質（區(qū)域III）、溶解性微生物代謝產物（區(qū)域IV）和類腐殖酸類物質（區(qū)域V）。結果表明，類芳香族蛋白質含量較高，達到60%左右，其次是類富里酸物質，此外溶解性微生物代謝產物也占有一定的比例，約35%，而類腐殖酸類物質在水樣中含量較低，僅占5%左右。遺憾的是，并沒有發(fā)現3種來源客水在微生物降解、光化學降解和微生物及光化學共同作用過程中DOM 5種組分發(fā)生顯著變化。這可能是客水中的微生物群落不夠豐富和微生物總量較少的原因；另外，該研究的模擬系統是在實驗室內進行，模擬光照的波長不及自然光照豐富。

雖然區(qū)域積分法表明不同物質類別變化不大，但在特定激發(fā)波長下（如300 nm）不同客水DOM組成在微生物和光化學作用下發(fā)生了明顯轉變（圖5）。以污水處理廠尾水在微生物作用下DOM組成特征變化為例，污水處理廠尾水經過微生物作用后，在260～320 nm波段熒光強度先急劇增加（0～8 d），隨后又呈現顯著降低的變化趨勢，這表明尾水DOM在微生物作用下先轉化為類芳香族蛋白質物質，繼而又被微生物利用而減少；而在320～500 nm區(qū)間熒光強度隨著微生物的作用而略有升高，這是由于尾水DOM逐步轉化成類腐殖質物質，其生物有效性也逐步降低。總體來說，客水在微生物、光化學作用下DOM組成將會發(fā)生一些列的轉化。

3結論

客水所導致的外源污染物輸入是導致城市河流“黑臭”的重要原因。南淝河水體均處于富營養(yǎng)狀態(tài)或超富營養(yǎng)狀態(tài)，這主要是由葉綠素含量所貢獻，其貢獻率占54.20%，TP

對南淝河的貢獻次之，占20.70%，有機污染物的貢獻占

1014%，TN的貢獻最小。而不同排口對N和P含量的影響

較大，表現為污水處理廠尾水排放河段水體TN、TP含量明顯偏高。進一步研究發(fā)現，客水在微生物和光化學作用下，TN、TP和有機物會有明顯削減作用，溶解有機質的組成也會發(fā)生較大轉變。

參考文獻

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