姜德剛 陳慧 徐金燕 張琳婷 劉弢 王育來(lái)

摘要[目的]研究不同客水對(duì)南淝河水體富營(yíng)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(duì)象，調(diào)查受不同排口影響下南淝河水質(zhì)特征，評(píng)價(jià)南淝河水體富營(yíng)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(lái)源，探明不同來(lái)源客水在客水土著微生物、光化學(xué)的作用下水質(zhì)及溶解有機(jī)質(zhì)組成的變化特征。[結(jié)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(yíng)養(yǎng)或超富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，但葉綠素（Ch-a）含量和富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)在受不同排口影響下的河段中卻不存在明顯差異；不同來(lái)源客水在土著微生物和光化學(xué)作用下，其TN和TP均有較大的削減，且溶解有機(jī)質(zhì)（DOM）組成發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)化。[結(jié)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(shù)提供新思路。

關(guān)鍵詞黑臭水體；富營(yíng)養(yǎng)化；溶解有機(jī)質(zhì)；降解

中圖分類號(hào)X522文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)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(shí)際上是水體的一個(gè)極端狀態(tài)。當(dāng)水環(huán)境處于缺氧狀態(tài)，有機(jī)污染物由于厭氧分解導(dǎo)致“黑臭”現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上是一系列生物化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。水體有機(jī)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(guó)許多大、中城市共同存在的污染問(wèn)題，河流“黑臭”是我國(guó)城市河網(wǎng)的一個(gè)普遍現(xiàn)象，嚴(yán)重影響居民生活、城市形象和生態(tài)環(huán)境[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)城市河道的“黑臭”治理均遵循“控源—凈化—修復(fù)”的思路。常用的有截污納管技術(shù)、底泥清淤/疏浚技術(shù)、環(huán)境生態(tài)調(diào)水技術(shù)、曝氣增氧技術(shù)、微生物強(qiáng)化、生態(tài)工程修復(fù)、生物浮床和植物凈化等技術(shù)。在城市“黑臭”河道實(shí)際治理過(guò)程中，通常會(huì)用多種方法組合的方式。然而，當(dāng)前許多“黑臭”水體治理過(guò)程中，因重治理輕保持、重短期輕長(zhǎng)效而導(dǎo)致水體返黑、水質(zhì)反復(fù)惡化現(xiàn)象。因此，筆者以典型城市河道——南淝河為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)南淝河水體富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)，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(zhuǎn)化規(guī)律，旨在為“黑臭”水體水質(zhì)提升和長(zhǎng)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(jīng)董鋪水庫(kù)、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(zhì)為劣V類，甚至呈“黑臭”狀態(tài)。其客水來(lái)源主要來(lái)自污水處理廠尾水排放和降雨徑流。

1.2采樣點(diǎn)設(shè)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(nóng)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(duì)象（表1）。采樣站點(diǎn)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(zhì)參數(shù)分析儀（哈希 SensIon156，美國(guó)）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定pH、溶解氧（DO）含量，其余指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)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(nèi)用水樣采集器采集尾水。采集水樣放入預(yù)先處理過(guò)的采樣瓶中，并盡快運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，放入冰箱保存待用，用醋酸纖維膜過(guò)濾后待用。

1.3水質(zhì)分析及水體富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)方法

河流水體總氮（TN）、總磷（TP）和高錳酸鹽指數(shù)（CODMn）采用國(guó)家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)分析方法測(cè)定[2]。葉綠素a（Ch-a）含量使用浮游植物熒光儀（Phyto-PAM，Walz）通過(guò)活體藻細(xì)胞葉綠素?zé)晒鉁y(cè)定，并通過(guò)傳統(tǒng)方法（熱乙醇法）[3]進(jìn)行校正。富營(yíng)養(yǎng)化評(píng)價(jià)采用由Carlson提出經(jīng)Aizaki修正的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)TSI（Trophic State Index）法 [4-5]，即通過(guò)水體中Ch-a、TP、TN、CODMn含量及SD來(lái)評(píng)價(jià)研究水域的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。

1.4“黑臭”河道客水降解試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(guò)0.45 μm醋酸纖維膜，制成儲(chǔ)備液備用。儲(chǔ)備液進(jìn)一步分裝于100 mL玻璃劑瓶中，并進(jìn)行遮光處理（用錫箔紙包裹）后，進(jìn)行土著微生物降解試驗(yàn)；儲(chǔ)備液繼續(xù)過(guò)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(jìn)行光化學(xué)降解試驗(yàn)；儲(chǔ)備液直接于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，進(jìn)行微生物—光化學(xué)降解試驗(yàn)。定期測(cè)定常規(guī)水質(zhì)（指標(biāo)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(fù)3次試驗(yàn)。

由于溶解有機(jī)質(zhì)（Dissolved Organic Matter，DOM）含有大量脂肪族和芳香結(jié)構(gòu)，在紫外區(qū)或段波長(zhǎng)的可見光中具有特定波譜，同時(shí)具有發(fā)射一定熒光特性的熒光基團(tuán)。熒光分光光度計(jì)（日立F-4500，日本）用于DOM樣品的三維熒光光譜測(cè)定，掃描光譜波長(zhǎng)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(shù)據(jù)進(jìn)行Raman歸一化處理后，組成三維矩陣數(shù)列，采用“N-way”工具箱，在Matlab 8.0軟件（美國(guó) Mathworks 公司）中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.5數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計(jì)分析包括平均值、差異性分析和相關(guān)發(fā)生分析，均在SPSS 13.0中進(jìn)行。不同河段水質(zhì)數(shù)據(jù)分析中多種參數(shù)的差異性采用t檢驗(yàn)，置信水平分別設(shè)置為P=0.05和0.01；三維熒光光譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)在Matlab 8.0平臺(tái)中進(jìn)行分析處理。

2結(jié)果與討論

2.1水質(zhì)分析及其富營(yíng)養(yǎng)化等級(jí)評(píng)價(jià)

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(zhì)參數(shù)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(dá)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(yíng)養(yǎng)化綜合指數(shù)（TSI）對(duì)南淝河17個(gè)不同

采樣站點(diǎn)的富營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，南淝河17個(gè)典型斷面水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)TSI指數(shù)為64.90～77.90，均值為73.37。按照蔡慶華[6]的富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)分級(jí)，南淝河水體水質(zhì)基本上

處于富營(yíng)養(yǎng)化或重度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。同時(shí)，該研究發(fā)現(xiàn)不同營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)河流水體富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)有明顯差別，Ch-a對(duì)河流水體富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)最大，占總貢獻(xiàn)的54.20%；TP對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)次之，占總貢獻(xiàn)的20.70%；SD、CODMn具有相似的貢獻(xiàn)，分別占10.25%和10.14%；TN對(duì)南淝河水體富營(yíng)養(yǎng)化的貢獻(xiàn)最小，占4.61%。

不同類型排口來(lái)源的客水水質(zhì)、水量不盡相同，導(dǎo)致受納水體水質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)也不盡相同。該研究發(fā)現(xiàn)，不同排口類型（包括尾水排口、港口排口、支流排口、農(nóng)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(nóng)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(gè)排口的含量差異不顯著（P>0.05）。這表明不同排口類型對(duì)受納水體營(yíng)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(dǎo)致。同樣，還發(fā)現(xiàn)各排口之

間的TSI指數(shù)差異不顯著（P>0.05），說(shuō)明各個(gè)排口之間的

富營(yíng)養(yǎng)化程度處在一個(gè)相似水平上。這是由于藻類是南淝河水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要貢獻(xiàn)（其貢獻(xiàn)率占到54.20%），而其他生源要素的貢獻(xiàn)不及藻類的影響大。另外，客水流量也是導(dǎo)致上述現(xiàn)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)南淝河水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響，進(jìn)一步探討了客水原位降解特征。實(shí)驗(yàn)室微宇宙模擬試驗(yàn)（包括微生物降解、光化學(xué)降解和光化學(xué)與微生物降解組合方式）結(jié)果表明，客水TN、TP在土著微生物和光化學(xué)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(xué)以及微生物和光化學(xué)的共同作用下均呈冪指數(shù)函數(shù)下降的變化規(guī)律（圖3），在反應(yīng)系統(tǒng)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(xué)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(shù)（包括a254、a350、a355和a440）與DOM總量（DOC）呈現(xiàn)顯著線性相關(guān)[7]。該研究采用a355表征反應(yīng)系統(tǒng)中DOM總量變化過(guò)程（圖3），筆者發(fā)現(xiàn)，在光化學(xué)、微生物和光化學(xué)與微生物組合作用下，不同來(lái)源客水DOM總量均有減少，其中初期雨水DOM總量在系統(tǒng)反應(yīng)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(tǒng)中反應(yīng)不明顯。

為了進(jìn)一步探討客水DOM不同組分在微生物及光化學(xué)作用下的轉(zhuǎn)化，筆者采用三維熒光光譜技術(shù)解析3種客水在光化學(xué)、微生物降解和光化學(xué)+微生物降解系統(tǒng)中DOM組分變化規(guī)律。筆者發(fā)現(xiàn)，初期雨水、道路徑流和污水處理廠尾水DOM均含有類腐殖質(zhì)和類蛋白物質(zhì)，通過(guò)微生物、光化學(xué)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(xué)和微生物作用下DOM的組成發(fā)生了轉(zhuǎn)化。

三維熒光光譜顯示不同客水DOM組成在光化學(xué)和微生物作用下均發(fā)生了轉(zhuǎn)化，針對(duì)代表性組分發(fā)生變化。筆者根據(jù)Chen等[7]提出的區(qū)域積分法（Fluorescence Regional Integration，F(xiàn)RI），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(zhì)（區(qū)域I、II）、類富里酸物質(zhì)（區(qū)域III）、溶解性微生物代謝產(chǎn)物（區(qū)域IV）和類腐殖酸類物質(zhì)（區(qū)域V）。結(jié)果表明，類芳香族蛋白質(zhì)含量較高，達(dá)到60%左右，其次是類富里酸物質(zhì)，此外溶解性微生物代謝產(chǎn)物也占有一定的比例，約35%，而類腐殖酸類物質(zhì)在水樣中含量較低，僅占5%左右。遺憾的是，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)3種來(lái)源客水在微生物降解、光化學(xué)降解和微生物及光化學(xué)共同作用過(guò)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(tǒng)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，模擬光照的波長(zhǎng)不及自然光照豐富。

雖然區(qū)域積分法表明不同物質(zhì)類別變化不大，但在特定激發(fā)波長(zhǎng)下（如300 nm）不同客水DOM組成在微生物和光化學(xué)作用下發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)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(jīng)過(guò)微生物作用后，在260～320 nm波段熒光強(qiáng)度先急劇增加（0～8 d），隨后又呈現(xiàn)顯著降低的變化趨勢(shì)，這表明尾水DOM在微生物作用下先轉(zhuǎn)化為類芳香族蛋白質(zhì)物質(zhì)，繼而又被微生物利用而減少；而在320～500 nm區(qū)間熒光強(qiáng)度隨著微生物的作用而略有升高，這是由于尾水DOM逐步轉(zhuǎn)化成類腐殖質(zhì)物質(zhì)，其生物有效性也逐步降低。總體來(lái)說(shuō)，客水在微生物、光化學(xué)作用下DOM組成將會(huì)發(fā)生一些列的轉(zhuǎn)化。

3結(jié)論

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

對(duì)南淝河的貢獻(xiàn)次之，占20.70%，有機(jī)污染物的貢獻(xiàn)占

1014%，TN的貢獻(xiàn)最小。而不同排口對(duì)N和P含量的影響

較大，表現(xiàn)為污水處理廠尾水排放河段水體TN、TP含量明顯偏高。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，客水在微生物和光化學(xué)作用下，TN、TP和有機(jī)物會(huì)有明顯削減作用，溶解有機(jī)質(zhì)的組成也會(huì)發(fā)生較大轉(zhuǎn)變。

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