黑臭水體治理中水生植物腐解特征及水環(huán)境影響效應(yīng)研究

李紹麗，白 皓，樊兆航，莫兆祥，夏臣智，白永剛

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司科技信息分公司，江蘇 南京 210018；2.江蘇省環(huán)保集團蘇州有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 引言

當前，深入打好城市黑臭水體治理攻堅戰(zhàn)是一項重要任務(wù)，利用特定水生植物吸收、富集、降解、轉(zhuǎn)移黑臭水體中的污染物質(zhì)[1]。由于水生植物可以有效去除氮、磷和有機物[2，3]，并且具備生態(tài)修復(fù)、湖泊景觀、成本較低、效果好、簡單易行等功能特性，因此被普遍應(yīng)用于天然河道景觀提升和黑臭富營養(yǎng)化水體修復(fù)[4]。在一個生長周期內(nèi)，水生植物需要經(jīng)過生長、發(fā)育、衰老、死亡以及腐爛分解等過程，對水環(huán)境物質(zhì)循環(huán)和水質(zhì)指標具有較大影響[5，6]。當水生植物出現(xiàn)退化，由死亡進入腐解，首先是發(fā)生物理淋溶作用，植物組分中的糖類、蛋白質(zhì)、有機酸和礦物質(zhì)快速淋溶[7]，隨著植物組分累積，微生物開始快速分解有機物，之后慢速分解纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等難溶物質(zhì)，最終將重新釋放氮磷營養(yǎng)元素，形成二次污染[8]。

目前，關(guān)于水生植物腐解的研究主要集中在環(huán)境條件(水溫、pH值、水體和底泥微生物)、植物初始成分含量對植物腐解速率的影響[9～11]。王博等研究表明，水溫能影響沉水植物腐解，當水溫升高時植物殘體碳氮磷釋放量增加[12]；汪琪等發(fā)現(xiàn)，pH值通過影響水體和底泥微生物活性會間接對植物腐解產(chǎn)生影響[6]；Heidi Holmroos等研究發(fā)現(xiàn)，腐解過程中植物殘體組分起主導(dǎo)作用，C、N、P和木質(zhì)素是影響腐解速率的重要因素[13]。然而，在黑臭水體治理中，對水生植物腐解特征及水環(huán)境影響效應(yīng)研究相對較少，而黑臭水體中水生植物更易發(fā)生衰亡，因此有必要進一步研究黑臭水體治理中水生植物腐解特征及水環(huán)境影響效應(yīng)。

本文選取太湖生態(tài)濕地公園4種水生植物，通過綜合分析組分理化性質(zhì)差異、植物殘體腐解特征以及內(nèi)在聯(lián)系，以期為黑臭水體治理中水生植物選型及生態(tài)動態(tài)管理提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用泥取自蘇州自然環(huán)境下某有機肥污染河道，采用抓泥斗抓取足量的泥水混合物，濃縮后作為試驗底泥備用；試驗用原水采用模擬廢水，取有機肥浸出液作為高濃度有機污水備用。試驗用水生植物(蘆葦、苦草、菖蒲和美人蕉)取自蘇州太湖生態(tài)濕地公園，樣品采集后在試驗室內(nèi)用蒸餾水對4種植物樣品進行反復(fù)潤洗去除雜質(zhì)，風干后置于121 ℃高溫滅菌鍋中進行1 h殺青處理，靜置冷卻，干燥恒重，剪碎為1cm左右長度作為植物殘體備用。

2.2 試驗設(shè)計

腐解試驗在室溫為25±2 ℃的試驗室中進行，試驗過程中保持相對避光條件。取15個2 L燒杯，共分為5組，每組設(shè)3個平行樣，其中CK組僅加入1 L模擬廢水和0.2 kg黑臭底泥配置而成的模擬黑臭水體，其余4組除加入與CK組等量的模擬黑臭水體外，每組分別加入用尼龍網(wǎng)包裹的1 g蘆葦殘體、1 g苦草殘體、1 g菖蒲殘體、1 g美人蕉殘體。待系統(tǒng)穩(wěn)定后進行測樣，每5 d采集一次水樣，每次取20 mL測定CODCr、TP、TN、DO，并補充適量的模擬廢水以維持整體水量。試驗結(jié)束測定腐解率，腐解率=腐解損失干重/殘體初始干重×100%。

2.3 數(shù)據(jù)處理

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量采用濃酸水解法測定，COD、TN、TP參照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》測定，COD采用快速密閉催化消解法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP采用鉬銻抗分光光度法測定。DO采用便攜式溶解氧儀(HQ30d，USA)測定，數(shù)據(jù)分析與制圖采用SPSS18.0、Origin9.0和hiplot(https://hiplot-academic.com)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物殘體初始理化性質(zhì)分析

植物的理化性質(zhì)通常由遺傳特性和生長環(huán)境決定[14]，本研究測定4種水生植物的初始理化性質(zhì)(圖1)，結(jié)果顯示不同水生植物組成分存在顯著差異：苦草C含量為31.99%～39.38%，低于其他3種植物；N、P含量分別為1.35%～3.61%、0.56%～0.64%，高于其他3種植物，該結(jié)果與雷澤湘等人的研究結(jié)論相一致[15]，原因主要是沉水植物根系比挺水植物根系更發(fā)達，能富集更多N，P營養(yǎng)物質(zhì)。各試驗組難溶物含量也存在較大差異，其中蘆葦、菖蒲試驗組纖維素平均含量分別為30.00%和32.17%，含量相對較高；美人蕉試驗組半纖維素和木質(zhì)素含量最高，分別為17.76%和16.90%，苦草3種難溶物含量均為最低，實驗結(jié)果與曹培培等人的研究一致[16]。

圖1 不同水生植物組分含量分析

3.2 植物殘體組成對水生植物腐解率的影響分析

經(jīng)過30 d室內(nèi)模擬試驗，蘆葦、苦草、菖蒲和美人蕉最終腐解率依次為25.32%、51.86%、29.73%和26.51%。苦草腐解率明顯高于其他組，蘆葦、菖蒲和美人蕉腐解率相差不大，這是由于苦草組分中難溶物平均含量(6.77%)遠小于其他組難溶物平均含量(>50%)，當蘆葦、菖蒲和美人蕉進入難溶物質(zhì)的慢速分解階段時，苦草仍處于快速分解階段[17]。

通過pearson相關(guān)性和顯著性分析可知，黑臭水環(huán)境中殘體初始組分含量是影響腐解的重要因素：①C含量與最終腐解率負相關(guān)；②N，P含量與最終腐解率正相關(guān)；③難溶物含量與最終腐解率顯著負相關(guān)。在黑臭水環(huán)境中，底物濃度在飽和狀態(tài)下，底物不限制微生物降解速率，但水體中有機物濃度會與植物殘體持續(xù)腐解釋放的有機污染物產(chǎn)生競爭性抑制，因此C含量與植物腐解率呈負相關(guān)。同時，微生物在植物腐解過程中需要N、P等營養(yǎng)物質(zhì)，因此營養(yǎng)元素釋放會對腐解率產(chǎn)生促進作用[18]。大量研究表明，木質(zhì)素、半纖維素、纖維素等難降解組分含量是影響試驗最終腐解率的影響因子[11]，與本試驗結(jié)果吻合(圖2)。

圖2 植物殘體組分與腐解率的相關(guān)性分析

3.3 植物殘體腐解過程水質(zhì)動態(tài)變化

3.3.1 不同水生植物腐解COD釋放特征

圖3結(jié)果顯示，各試驗組水體COD濃度均先上升后下降，初始C含量對COD濃度變化無明顯影響，但對各水體COD濃度產(chǎn)生差異。在腐解試驗第10 d蘆葦、美人蕉、菖蒲組COD釋放達到最高，分別為186 mg/L、185 mg/L和231 mg/L，而苦草組在試驗第20 d時COD達到最大值253 mg/L，之后各試驗組COD逐步下降，其中蘆葦、美人蕉、菖蒲組的水體最終COD濃度差異較小，分別為92 mg/L，105 mg/L，96 mg/L，苦草組的水體COD濃度遠高于其他3個試驗組，為167 mg/L。陳洪森等[19]研究表明，在水生植物腐解的上覆水體中含有大量有機物，泥-水-植物系統(tǒng)中微生物腐解作用變得有限，大量未能及時消耗的含碳物質(zhì)會分散于水中或向底泥中沉積。本試驗采用的模擬黑臭水體初始COD濃度為65 mg/L，各組有機物濃度均過飽和，微生物分解速率基本一致。因此，4個試驗組由于植物殘體腐解作用，導(dǎo)致COD濃度均高于CK組。

圖3 不同水生植物腐解過程中水體COD濃度變化

3.3.2 不同水生植物腐解TP釋放特征

本文進一步分析了TP濃度變化，結(jié)果顯示蘆葦、菖蒲、美人蕉植物殘體在腐解過程中TP呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律：腐解初期TP濃度緩慢上升，腐解中期TP濃度緩慢下降，腐解末期TP濃度趨于穩(wěn)定?？嗖葜参餁報w在腐解過程與其他植物殘體差異較大，在試驗前中期，苦草組水體TP濃度一直快速上升，20 d后，水體TP濃度達到最高為2.33 mg/L，經(jīng)過30 d試驗TP濃度回降至1.75 mg/L，為CK組TP濃度的4.27倍(圖4)。

圖4 不同水生植物腐解過程中水體TP濃度變化

研究表明，植物殘體中的磷元素以顆粒態(tài)和可溶態(tài)2種形式腐解釋放[20]。蘆葦、菖蒲、美人蕉植物殘體P元素整體含量相對較低，對水體TP濃度貢獻有限。而苦草植物殘體磷含量較高，難溶物組分比例較低，因此更易腐解釋放，因此苦草試驗組水體TP濃度顯著升高。

3.3.3 不同水生植物腐解TN釋放特征

如圖5所示，各植物殘體在腐解過程中TN濃度變化趨勢一致，呈現(xiàn)快速上升-下降-趨于穩(wěn)定的變化趨勢，腐解結(jié)束時，蘆葦、苦草、菖蒲、美人蕉試驗組水體TN濃度相差不大，分別為7.03 mg/L、8.19 mg/L、7.26 mg/L、6.82 mg/L。宋長春等[21]的研究表明，水生植物腐解作為內(nèi)源污染為水環(huán)境提供碳源并直接影響系統(tǒng)內(nèi)反硝化效果。由于4種植物在腐解進程中有機碳源均處于過飽和狀態(tài)，反硝化反應(yīng)均很充分，因此試驗組中水體TN濃度變化趨勢一致。

圖5 不同水生植物腐解過程中水體TN濃度變化

藕翔等的研究表明[22]，生物量決定營養(yǎng)鹽釋放量，由于苦草組初始N元素含量變化范圍1.35%～3.61%，中位數(shù)為2.22%，遠高于其他試驗組N元素含量，因此在整個腐解周期內(nèi)，苦草試驗組TN釋放濃度高于其他試驗組。

3.3.4 不同水生植物腐解DO釋放特征

腐解初期碳源充足，異養(yǎng)菌大量繁殖導(dǎo)致水體DO迅速降低。如圖6所示，整個試驗周期內(nèi)，CK組DO含量變化不大，這是由于黑臭水體中微生物分解有機物消耗的DO與大氣復(fù)氧增加的DO相對平衡，而蘆葦、菖蒲、美人蕉試驗組在0～10 d內(nèi)迅速降至最低，分別為1.45 mg/L，1.37 mg/L，1.59 mg/L，苦草試驗組在20 d內(nèi)降至最低，為1.44 mg/L。此后，各試驗組通過大氣復(fù)氧開始緩慢上升，直至腐解試驗結(jié)束，各試驗組內(nèi)DO含量均遠低于CK組。孫淑雲(yún)等人利用太湖原泥，模擬馬來眼子菜、苦草及莕菜的腐解過程，研究發(fā)現(xiàn)水草腐解是引發(fā)水體缺氧和物質(zhì)的因素，高溫條件極易引發(fā)局部水體黑臭[23]。

圖6 不同水生植物腐解過程中水體DO濃度變化

4 結(jié)論

(1)植物殘體腐解會急劇增加黑臭水體中有機質(zhì)、氮、磷營養(yǎng)鹽含量，對水質(zhì)、氣體環(huán)境都會產(chǎn)生較大影響，具體表現(xiàn)為DO降低，富營養(yǎng)化程度加劇。

(2)不同植物殘體在黑臭水體環(huán)境腐解過程中碳、氮、磷營養(yǎng)鹽變化趨勢相似，但腐解率存在差異，30 d內(nèi)蘆葦、苦草、菖蒲、美人蕉植物殘體腐解率分別達到25.32%、51.86%、29.73%和26.51%，沉水植物腐解率>挺水植物腐解率。

(3)植物殘體初始組分含量對黑臭水體中植物殘體的腐解有較大影響，其中難溶物含量與腐解率顯著負相關(guān)。