黑臭水體治理中水生植物腐解特征及水環境影響效應研究

李紹麗，白 皓，樊兆航，莫兆祥，夏臣智，白永剛

(1.南水北調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是一項重要任務，利用特定水生植物吸收、富集、降解、轉移黑臭水體中的污染物質[1]。由于水生植物可以有效去除氮、磷和有機物[2，3]，并且具備生態修復、湖泊景觀、成本較低、效果好、簡單易行等功能特性，因此被普遍應用于天然河道景觀提升和黑臭富營養化水體修復[4]。在一個生長周期內，水生植物需要經過生長、發育、衰老、死亡以及腐爛分解等過程，對水環境物質循環和水質指標具有較大影響[5，6]。當水生植物出現退化，由死亡進入腐解，首先是發生物理淋溶作用，植物組分中的糖類、蛋白質、有機酸和礦物質快速淋溶[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、半纖維素和木質素等難溶物質，最終將重新釋放氮磷營養元素，形成二次污染[8]。

目前，關于水生植物腐解的研究主要集中在環境條件(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]；汪琪等發現，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生影響[6]；Heidi Holmroos等研究發現，腐解過程中植物殘體組分起主導作用，C、N、P和木質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境影響效應研究相對較少，而黑臭水體中水生植物更易發生衰亡，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境影響效應。

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

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗用泥取自蘇州自然環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)取自蘇州太湖生態濕地公園，樣品采集后在試驗室內用蒸餾水對4種植物樣品進行反復潤洗去除雜質，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。待系統穩定后進行測樣，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 數據處理

纖維素、半纖維素和木質素含量采用濃酸水解法測定，COD、TN、TP參照《水和廢水監測分析方法(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，數據分析與制圖采用SPSS18.0、Origin9.0和hiplot(https://hiplot-academic.com)。

3 結果與分析

3.1 植物殘體初始理化性質分析

植物的理化性質通常由遺傳特性和生長環境決定[14]，本研究測定4種水生植物的初始理化性質(圖1)，結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，該結果與雷澤湘等人的研究結論相一致[15]，原因主要是沉水植物根系比挺水植物根系更發達，能富集更多N，P營養物質。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

經過30 d室內模擬試驗，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%?？嗖莞饴拭黠@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相關性和顯著性分析可知，黑臭水環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；②N，P含量與最終腐解率正相關；③難溶物含量與最終腐解率顯著負相關。在黑臭水環境中，底物濃度在飽和狀態下，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腐解釋放的有機污染物產生競爭性抑制，因此C含量與植物腐解率呈負相關。同時，微生物在植物腐解過程中需要N、P等營養物質，因此營養元素釋放會對腐解率產生促進作用[18]。大量研究表明，木質素、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]，與本試驗結果吻合(圖2)。

圖2 植物殘體組分與腐解率的相關性分析

3.3 植物殘體腐解過程水質動態變化

3.3.1 不同水生植物腐解COD釋放特征

圖3結果顯示，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，結果顯示蘆葦、菖蒲、美人蕉植物殘體在腐解過程中TP呈現出相似的變化規律：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濃度趨于穩定。苦草植物殘體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和可溶態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，呈現快速上升-下降-趨于穩定的變化趨勢，腐解結束時，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源污染為水環境提供碳源并直接影響系統內反硝化效果。由于4種植物在腐解進程中有機碳源均處于過飽和狀態，反硝化反應均很充分，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，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，異養菌大量繁殖導致水體DO迅速降低。如圖6所示，整個試驗周期內，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內降至最低，為1.44 mg/L。此后，各試驗組通過大氣復氧開始緩慢上升，直至腐解試驗結束，各試驗組內DO含量均遠低于CK組。孫淑雲等人利用太湖原泥，模擬馬來眼子菜、苦草及莕菜的腐解過程，研究發現水草腐解是引發水體缺氧和物質的因素，高溫條件極易引發局部水體黑臭[23]。

圖6 不同水生植物腐解過程中水體DO濃度變化

4 結論

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

(2)不同植物殘體在黑臭水體環境腐解過程中碳、氮、磷營養鹽變化趨勢相似，但腐解率存在差異，30 d內蘆葦、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。