蘆葦和藍(lán)藻混合分解對(duì)水質(zhì)的影響

曹 勛，王國(guó)祥，丁新春

(1.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，南京 210046；2. 南京大學(xué)鹽城環(huán)保技術(shù)與工程研究院，江蘇 鹽城 224000)

1 前 言

藍(lán)藻水華的分解易引起水體局部厭氧，在特地的水文和氣象條件下，藍(lán)藻會(huì)和底泥中的有機(jī)質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，形成“湖泛”[1]，惡化生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，威脅市民的飲水安全。而太湖近岸區(qū)蘆葦叢是藍(lán)藻最易聚集的區(qū)域，大量蘆葦殘?bào)w和藻華在近岸區(qū)堆積衰亡，蘆葦和藍(lán)藻釋放到水體中的氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以為湖濱帶大型水生植物提供必要的營(yíng)養(yǎng)鹽來(lái)源，對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)具有積極的作用，但是同時(shí)，藍(lán)藻分解釋放的大量氨氮、磷酸根、有機(jī)氮、有機(jī)磷可以被微生物和浮游植物直接利用，成為維持水華的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，為湖泛提供條件。另外，過(guò)量的蘆葦和藍(lán)藻分解會(huì)引起二次污染，加快湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程。因此，蘆葦和藻華的分解過(guò)程對(duì)太湖物質(zhì)循環(huán)過(guò)程和環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響[2-3]，而兩者的混合衰亡少見報(bào)道。因此，研究蘆葦和藍(lán)藻混合分解對(duì)水質(zhì)的影響具有重要的理論和實(shí)踐意義。

2 材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用蘆葦取自太湖梅梁灣，烘箱中105℃殺青15min，之后用60℃烘干至恒重備用，蘆葦?shù)奶?、氮、磷含量分別為398.28±5.23、15.01±1.11和2.70±0.01 mg/g。實(shí)驗(yàn)所用藍(lán)藻藻漿取自太湖梅梁灣某藍(lán)藻打撈點(diǎn)，清洗后取上層較厚藻漿備用。藻漿的含水率為88.79±0.03%，藻漿碎屑初始總氮、總磷、總有機(jī)碳含量分別為62.92±1.55、8.18±0.86、380.93±3.45 mg/g。

準(zhǔn)確量取100 L曝曬后的實(shí)驗(yàn)用水，實(shí)驗(yàn)用水的初始水質(zhì)見表1。裝入藍(lán)色高密度聚乙稀桶(頂直徑×底直徑×高=55 cm×45 cm×75 cm)。將烘干后的蘆葦剪成1 cm左右的小段，準(zhǔn)確稱取4 g裝入網(wǎng)眼為100目的尼龍袋中，向每個(gè)實(shí)驗(yàn)容器中投加10包尼龍袋。共設(shè)置4個(gè)處理組(對(duì)照組CK、低濃度藻組L、中濃度藻組M、高濃度藻組H)，每個(gè)處理3個(gè)平行，共計(jì)12個(gè)反應(yīng)容器。梅梁灣藍(lán)藻堆積時(shí)，藻濃度(干重)可達(dá)0.4 g/L，而蘆葦叢中藻濃度更大，所以設(shè)置0.4、0.8、1.2 g/L三個(gè)濃度梯度，根據(jù)含水率，得出鮮藻濃度為4、8、12 g/L，因此分別向CK、L、M、H組投加0、400、800、1 200 g藻漿。加入蘆葦和藍(lán)藻當(dāng)天記為第0天。

表1 實(shí)驗(yàn)用水的理化性質(zhì)Tab.1 Physicochemical properties of experimental water

3 結(jié)果與討論

3.1 分解過(guò)程中水體感官特征及主要環(huán)境因子的變化

實(shí)驗(yàn)第2天，低濃度藻組(L)、中濃度藻組(M)、高濃度藻組(H)藻體部分泛白漂浮于水面，水體呈現(xiàn)綠色；第8天時(shí)，L組水體呈淡綠色，M、H組水體顏色為棕黑色；第16天至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，L組水體為暗綠色，M、H組為棕黑色。實(shí)驗(yàn)開始階段，L、M、H組散發(fā)出難聞的惡臭味，24天以后臭味有所減弱，并持續(xù)到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

各組pH值都呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì)(圖1)，CK組pH在2天達(dá)到最低，為8.21±0.04，之后緩慢上升，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，為8.84±0.06；L、M、H組pH在前8天快速下降，第8天，各組pH分別下降了11.06%、15.62%和19.52%。各組pH值差異顯著，表現(xiàn)為CK組>L組>M組>H組，藻濃度越高，pH值越低。實(shí)驗(yàn)初期pH值的下降是蘆葦和藻類厭氧分解釋放有機(jī)酸引起的。

圖1 分解過(guò)程中水體pH的變化Fig.1 Changes of pH during decomposition process

各實(shí)驗(yàn)組的DO值在實(shí)驗(yàn)初期迅速降低(圖2)，并在第2天達(dá)到最低，CK、L、M、H組分別降到3.69±0.78、0.25±0.04、0.14±0.04、0.11±0.01 mg/L，較初始值降低了64.25%、97.58%、98.61%和98.87%。CK組DO值在2～8天有所回升，第8天達(dá)到8.48±1.22 mg/L，之后呈現(xiàn)小幅下降之后緩慢上升的趨勢(shì)。L、M、H組第2天后保持接近零的水平，分別在第8、40、56天有所回升。

圖2 分解過(guò)程中水體溶解氧(DO)的變化Fig.2 Changes of DO during decomposition process

蘆葦及藍(lán)藻分解會(huì)產(chǎn)生大量的顆粒物質(zhì)和膠體，影響水體的濁度。CK組濁度變化不大(圖3)，在4.79周圍小幅度波動(dòng)，L、M、H組在實(shí)驗(yàn)的第1天達(dá)到峰值，分別為85.73±3.11、223.67±5.90、298.00±32.53 NTU，初始值增加了103.9、272.9和363.9倍。1天以后，3組都呈現(xiàn)先下降再上升再下降的趨勢(shì)，L組的峰值出現(xiàn)在第8天，而M、H組的峰值出現(xiàn)在第24天。

藍(lán)藻在衰亡過(guò)程中會(huì)向水體中釋放大量的藻藍(lán)素，這是實(shí)驗(yàn)初期，藍(lán)藻顏色變黃變白，水體呈現(xiàn)藍(lán)色的主要的原因。L組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，未見水體變黑現(xiàn)象，而M、H組從實(shí)驗(yàn)的第8天至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，水體呈現(xiàn)棕黑色。可得出藻濃度高于8 g/L(干重0.90 g/L)時(shí)，水體有變黑現(xiàn)象。湖泛水體變黑主要是由FeS引起的[4]，湖泛發(fā)生時(shí)水環(huán)境中的pH和Eh都較低，水環(huán)境處于強(qiáng)還原狀態(tài)，一定程度上保證了Fe2+和S2-的穩(wěn)定存在，如果沒有外來(lái)氧化劑的介入，水體將長(zhǎng)時(shí)間保持黑色。另外，藍(lán)藻分解產(chǎn)生的別的單糖、多糖、蛋白質(zhì)等有機(jī)物質(zhì)也會(huì)一定程度上會(huì)使水體變黑。

圖3 分解過(guò)程中水體濁度的變化Fig.3 Changes of turbidity during decomposition process

3.2 分解過(guò)程中水體C、P的變化

曹勛[6]研究得出蘆葦、馬來(lái)眼子菜、荇菜三種水生植物分解速率與殘?bào)w初始的N、P含量呈正相關(guān)關(guān)系，與C含量、C/N、C/P呈負(fù)相關(guān)，而所選藍(lán)藻氮磷含量分別為62.92、8.18 mg/g，均大于三種大型水生植物，C含量、C/N、C/P均小于大型水生植物。因此，可以得知，藍(lán)藻較一般水生植物，具有更高的分解速率，可在更短的時(shí)間內(nèi)向水體釋放有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽。

除對(duì)照組，各組水體TOC在0～8天整體上呈現(xiàn)一個(gè)快速上升的趨勢(shì)，8～64天緩慢下降并趨于穩(wěn)定。L組水體TOC在第1天上升至78.74±8.00 mg/L，2～24天在58.72～77.14 mg/L之間波動(dòng)，24～64天呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)，最終濃度為42.71±2.21 mg/L；L、M、H組都呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢(shì)(圖4-A)，峰值分別出現(xiàn)在1、8、8天，達(dá)到79.40±3.43、150.83±5.68、294.82±31.57 mg/L，較初始值分別增加了9.0、20.6、41.2倍；實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，CK、L、M、H組TOC值降為24.76±1.33、42.71±2.21、75.86±1.08和72.90±6.13 mg/L。

蘆葦和藍(lán)藻分解初期，殘?bào)w中的易分解水溶性物質(zhì)和苯醇溶出物快速進(jìn)入水體，脂肪、蛋白質(zhì)等大分子有機(jī)物分解為氨基酸、單糖等小分子，使上覆水的TOC在0～8天迅速升高，L、M、H組的TOC濃度在實(shí)驗(yàn)的第一天分別達(dá)到78.34、96.99、167.46 mg/L，并在整個(gè)分解過(guò)程中保持一個(gè)相對(duì)較高的水平。第8天以后，各實(shí)驗(yàn)組水體TOC顯著下降，一方面是微生物活動(dòng)消耗了水體的有機(jī)碳，另一方面，顆粒物質(zhì)和筒壁的吸附作用大于有機(jī)碳的釋放速率，再者，元素C在厭氧條件下容易生成甲烷和二氧化碳溢出水體，使TOC濃度呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。較高的有機(jī)質(zhì)含量是“湖泛”形成的重要因子，TOC含量較高的M、H組在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程都伴隨著黑臭現(xiàn)象。

圖4 分解過(guò)程中水體TOC、TDP的變化Fig.4 Changes of TOC and TDP during decomposition process

CK、L、M、H組的TDP在0～4迅速上升，并于第4天達(dá)到峰值(圖4-B)，分別為0.12±0.01、0.26±0.01、0.36±0.03和0.63±0.05 mg/L，較初始值增加了16.7、29.0、41.1和72.3倍，4～64天，各組TDP呈波動(dòng)下降趨勢(shì),至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，降至0.01±0.00、0.03±0.01、0.04±0.00、0.06±0.02 mg/L。

藍(lán)藻和蘆葦殘?bào)w的分解會(huì)向水體釋放含磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[6]，實(shí)驗(yàn)的第4天，L、M、H實(shí)驗(yàn)組水體TDP達(dá)到峰值，較初始值增加了16.6、29.0、41.1和72.3倍。磷元素主要存在生物的活性物質(zhì)中，很容易分解，因此，在分解的初期，會(huì)造成水體磷含量的快速增加。之后，殘?bào)w磷釋放速率有所減緩，再加上磷的沉降作用，水體TDP呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各組濃度略高于對(duì)照組。雖然實(shí)驗(yàn)初期，TDP濃度顯著增加，但相對(duì)于殘?bào)w中的磷元素總量，磷的增量并不算大，這是因?yàn)樗{(lán)藻分解生成的顆粒物質(zhì)和膠體對(duì)溶解態(tài)的磷具有較強(qiáng)的吸附作用，限制了TDP的升高，這與孫小靜[7]的研究結(jié)果相一致。

3.3 分解過(guò)程中水體N素的變化

3.3.1 分解過(guò)程中水體TN、TDN的變化

除CK組之外，各組TN呈現(xiàn)快速上升，緩慢下降，再上升再下降的趨勢(shì)(圖5-A)，0～8天，L、M、H組整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，整個(gè)分解過(guò)程，各組TN在第16、8、8天達(dá)到峰值，為28.22±0.60、42.46±3.81、64.68±5.43 mg/L，之后各組TN緩慢下降，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各處理組降至4.69±0.50、12.11±1.66和17.56±0.52 mg/L，接近對(duì)照水平。

TDN的變化趨勢(shì)與TN相似(圖5-B)，濃度變化主要分為兩個(gè)階段：0～8天呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，L、M、H組分別在第16、8、8天達(dá)到峰值，較初始值上升了16.4、24.8和36.1倍；8～64天整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，分別降至1.93、3.52和8.23 mg/L。L、M、H組水體TN、TDN的濃度差異顯著，表現(xiàn)為H組>M組>L組。

蘆葦和藍(lán)藻的分解對(duì)水體氮素的影響分為明顯的兩個(gè)階段：第一階段為0～8天，本研究所選藍(lán)藻初始C/N為6.05∶1，藍(lán)藻的蛋白質(zhì)含量很高，藍(lán)藻殘?bào)w將蛋白質(zhì)、脂肪等易分解有機(jī)物釋放到水體中，使各組水體TN、TDN迅速升到最大值，第8天時(shí)，H組的TN、TDN為64.68、41.88 mg/L。第二階段為8～64天，8天后，蘆葦和藍(lán)藻殘?bào)w分解進(jìn)入緩慢分解期，N素的釋放速率減緩，而水體中膠體、顆粒物質(zhì)對(duì)氮素具有吸附作用[7]，再加上厭氧環(huán)境下的硝化和反硝化作用，使水體氮素總量逐漸減少，64天時(shí)，L、M、H組的TDN接近對(duì)照水平。

3.3.2 分解過(guò)程中水體DIN、DON的變化

圖5 分解過(guò)程中水體TN、TDN的變化Fig.5 Changes of TN and TDN during decomposition process

水體中的DIN、DON呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)(圖6)，L、M、H組的DON在實(shí)驗(yàn)的第1天達(dá)到峰值，分別為13.72、18.92、18.39 mg/L，而DIN則在第4天達(dá)到峰值，為15.62、36.74、41.31 mg/L。DON在實(shí)驗(yàn)初期快速上升之后，有一個(gè)明顯的下降趨勢(shì)；而DIN卻一直居高不下，直到第40天才有顯著的下降趨勢(shì)，64天時(shí)，L、M組DIN略高于對(duì)照組。各處理組DON、DIN差異顯著。

圖6 分解過(guò)程中水體DIN、DON的變化Fig.6 Changes of DIN and DON during decomposition process

圖7 分解過(guò)程中水體的變化Fig.7 Changes of during decomposition process

4 結(jié) 論

4.1 蘆葦和藍(lán)藻分解過(guò)程中，pH、溶解氧迅速降低，分解在厭氧條件下進(jìn)行；整個(gè)過(guò)程伴隨著刺鼻的惡臭味；蘆葦生物量(干重)保持0.4 g/L相同時(shí)，藻濃度高于8 g/L(干重0.90 g/L)時(shí)，水體明顯變黑，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

4.2 蘆葦和藍(lán)藻藻漿混合分解分解對(duì)水質(zhì)的影響表現(xiàn)出明顯的階段性。0～8天，藍(lán)藻和蘆葦會(huì)迅速分解向水體釋放C、N、P，第8天水體TDN、TDP、TOC均達(dá)到最大值，分別可達(dá)41.88、0.63、294.82 mg/L，8～64天TDN、TDP、TOC整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。