黑臭水体治理中水生植物腐解特征及水环境影响效应研究_李绍丽.pdf

2 0 2 3年1月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第2 5卷 第2期收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 4作者简介:李绍丽(1 9 9 3-),女,硕士,工程师,研究方向为水环境与水生态治理技术。通讯作者:夏臣智(1 9 9 0-),男,博士,副高级工程师,研究方向为水利工程。黑黑臭臭水水体体治治理理中中水水生生植植物物腐腐解解特特征征及及水水环环境境影影响响效效应应研研究究李绍丽1,白 皓2,樊兆航1,莫兆祥1,夏臣智1,白永刚2(1.南水北调东线江苏水源有限责任公司科技信息分公司,江苏 南京2 1 0 0 1 8;2.江苏省环保集团苏州有限公司,江苏 苏州2 1 5 0 0 0)摘要:为研究黑臭水体治理中水生植物腐解特征及水环境影响效应,选取湿地生态系统常见4种水生植物,分析了不同残体腐解周期内营养物的动态迁移规律。在整个试验周期内,各试验组有机质、氮磷营养盐变化趋势相似,最终腐解率存在差异,依次为苦草(5 1.8 6%)菖蒲(2 9.7 3%)美人蕉(2 6.5 1%)芦苇(2 5.3 2%)。各试验组水质指标C O D、T N和T P浓度均在试验前中期上升,中后期持续下降,腐解结束时高于C K组。p e a r s o n相关性和显著性分析发现,黑臭水环境中残体初始组分含量是影响腐解的重要因素,难溶物含量与最终腐解率显著负相关(Pc a l a m u s(2 9.7 3%)c a n n a(2 6.5 1%)r e e d(2 5.3 2%).C O D,T Na n dT Pc o n c e n t r a t i o n so f t e s tg r o u p sa l l i n c r e a s e d i nt h ee a r l ya n dm i d d l es t a g e so f t h ee x-p e r i m e n t,a n d t h e nd e c r e a s e d.A t t h e e n do f t h ed e c o m p o s i t i o n,w a t e rq u a l i t y i n d i c a t o r so f t h e t e s t g r o u p s a l lw e r eh i g h e r t h a nt h eC Kg r o u p.P e a r s o nc o r r e l a t i o na n ds i g n i f i c a n c ea n a l y s i ss h o w e dt h a t t h e i n i t i a l c o m p o-n e n t c o n t e n t i nt h eb l a c ko d o rw a t e re n v i r o n m e n t i sa ni m p o r t a n t f a c t o rt h a ta f f e c t st h ed e c o m p o s i t i o n,a n dt h e i n s o l u b l em a t t e rc o n t e n t sh a das i g n i f i c a n tn e g a t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h ed e c o m p o s i t i o nr a t e s(P5 0%),当芦苇、菖蒲和美人蕉进入难溶物质的慢速分解阶段时,苦草仍处于快速分解阶段1 7。通过p e a r s o n相关性和显著性分析可知,黑臭水环境中残体初始组分含量是影响腐解的重要因素:39 2 0 2 3年1月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第2期C含量与最终腐解率负相关;N,P含量与最终腐解率正相关;难溶物含量与最终腐解率显著负相关。在黑臭水环境中,底物浓度在饱和状态下,底物不限制微生物降解速率,但水体中有机物浓度会与植物残体持续腐解释放的有机污染物产生竞争性抑制,因此C含量与植物腐解率呈负相关。同时,微生物在植物腐解过程中需要N、P等营养物质,因此营养元素释放会对腐解率产生促进作用1 8。大量研究表明,木质素、半纤维素、纤维素等难降解组分含量是影响试验最终腐解率的影响因子1 1,与本试验结果吻合(图2)。3.3 植物残体腐解过程水质动态变化3.3.1 不同水生植物腐解C O D释放特征图3结果显示,各试验组水体C O D浓度均先上升后下降,初始C含量对C O D浓度变化无明显影响,但对各水体C O D浓度产生差异。在腐解试验第1 0d芦苇、美人蕉、菖蒲组C O D释放达到最高,分别为1 8 6m g/L、1 8 5m g/L和2 3 1m g/L,而苦草组在试验第2 0d时C O D达到最大值2 5 3m g/L,之后各试验组C O D逐步下降,其中芦苇、美人蕉、菖蒲组的水体最终C O D浓度差异较小,分别为9 2m g/L,1 0 5m g/L,9 6m g/L,苦草组的水体C O D浓度远高于其他3个试验组,为1 6 7m g/L。陈洪森等1 9研究表明,在水生植物腐解的上覆水体中含有大量有机物,泥-水-植物系统中微生物腐解作用变得有限,大量未能及时消耗的含碳物质会分散于水中或向底泥中沉积。本试验采用的模拟黑臭水体初始C O D浓度为6 5m g/L,各组有机物浓度均过饱和,微生物分解速率基本一致。因此,4个试验组由于植物残体腐解作用,导致C O D浓度均高于C K组。图1 不同水生植物组分含量分析49 李绍丽,等:黑臭水体治理中水生植物腐解特征及水环境影响效应研究环境与安全图2 植物残体组分与腐解率的相关性分析图3 不同水生植物腐解过程中水体C O D浓度变化3.3.2 不同水生植物腐解T P释放特征本文进一步分析了T P浓度变化,结果显示芦苇、菖蒲、美人蕉植物残体在腐解过程中T P呈现出相似的变化规律:腐解初期T P浓度缓慢上升,腐解中期T P浓度缓慢下降,腐解末期T P浓度趋于稳定。苦草植物残体在腐解过程与其他植物残体差异较大,在试验前中期,苦草组水体T P浓度一直快速上升,2 0d后,水体T P浓度达到最高为2.3 3m g/L,经过3 0d试验T P浓度回降至1.7 5m g/L,为C K组T P浓度的4.2 7倍(图4)。研究表明,植物残体中的磷元素以颗粒态和可溶态2种形式腐解释放2 0。芦苇、菖蒲、美人蕉植物残体P元素整体含量相对较低,对水体T P浓度贡献有限。而苦草植物残体磷含量较高,难溶物组分比例较低,因此更易腐解释放,因此苦草试验组水体T P浓度显著升高。3.3.3 不同水生植物腐解T N释放特征如图5所示,各植物残体在腐解过程中T N浓度变化趋势一致,呈现快速上升-下降-趋于稳定的变化趋势,腐解结束时,芦苇、苦草、菖蒲、美人蕉试验组水体T N浓度相差不大,分别为7.0 3 m g/L、8.1 9m g/L、7.2 6m g/L、6.8 2m g/L。宋长春等2 1的研究表明,水生植物腐解作为内源污染为水环境提供碳源并直接影响系统内反硝化效果。由于4种植物在腐解进程中有机碳源均处于过饱和状态,反硝化反应均很充分,因此试验组中水体T N浓度变化趋势一致。图4 不同水生植物腐解过程中水体T P浓度变化图5 不同水生植物腐解过程中水体T N浓度变化藕翔等的研究表明2 2,生物量决定营养盐释放量,由于苦草组初始N元素含量变化范围1.3 5%3.6 1%,中位数为2.2 2%,远高于其他试验组N元素含量,因此在整个腐解周期内,苦草试验组T N释放浓度高于其他试验组。3.3.4 不同水生植物腐解D O释放特征腐解初期碳源充足,异养菌大量繁殖导致水体D O迅速降低。如图6所示,整个试验周期内,C K组D O含量变化不大,这是由于黑臭水体中微生物分解有机物消耗的D O与大气复氧增加的D O相对平衡,而芦苇、菖蒲、美人蕉试验组在01 0d内迅速降至最低,分别为1.4 5m g/L,1.3 7m g/L,1.5 9m g/L,苦草试验组在2 0d内降至最低,为1.4 4m g/L。此后,各试验组通过大气复氧开始缓慢上升,直至腐解试验结束,各试验组内D O含量均远低于C K组。孙淑雲等人利用太湖原泥,模拟马来眼子菜、苦草及莕菜的腐解过程,研究发现水草腐解是引发水体缺氧和物质的因素,高温条件极易引发局部水体黑臭2 3。59 2 0 2 3年1月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第2期图6 不同水生植物腐解过程中水体D O浓度变化4 结论(1)植物残体腐解会急剧增加黑臭水体中有机质、氮、磷营养盐含量,对水质、气体环境都会产生较大影响,具体表现为D O降低,富营养化程度加剧。(2)不同植物残体在黑臭水体环境腐解过程中碳、氮、磷营养盐变化趋势相似,但腐解率存在差异,3 0d内芦苇、苦草、菖蒲、美人蕉植物残体腐解率分别达到2 5.3 2%、5 1.8 6%、2 9.7 3%和2 6.5 1%,沉水植物腐解率挺水植物腐解率。(3)植物残体初始组分含量对黑臭水体中植物残体的腐解有较大影响,其中难溶物含量与腐解率显著负相关。参考文献:1 张友德,田文凤,何建军,等.黑臭水体底泥内源污染治理技术对比及分析J.绿色科技,2 0 2 2,2 4(8):1 0 3-1 1 3.2 徐德福,徐建民,王华胜,等.湿地植物对富营养化水体中氮、磷吸收能力研究J.植物营养与肥料学报,2 0 0 5,1 1(5):5 9 7-6 0 1.3 周汉娥,罗 鑫,孙紫童,等.湖泊生态修复中水生植物种植及影响因素研究J.绿色科技,2 0 2 2,2 4(4):1 0 0-1 0 4.4 李开军.城市黑臭水体植物修复技术研究进展J.绿色科技,2 0 1 9(1 6):1 1 4-1 2 5.5B r i xH,S c h i e r u pH H.T h eu s eo fa q u a t i cm a c r o p h y t e s i nw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lJ.Am b i o,1 9 8 9,1 8(2):1 0 0-1 0 7.6 汪 琪,黄 蔚,吴 涛,等.大型水生植物腐烂分解过程探讨J.绿色科技,2 0 2 0(1 8):1-3.7F r a n c eR,C u l b e r tH,F r e e b o r o u g hC,e ta l.L e a c h i n ga n de a r l ym a s sl o s so fb o r e a ll e a v e sa n d w o o di no l i g o t r o p h i c w a t e rJ.H y d r o b i o l o g i a,1 9 9 7,3 4 5(2-3):2 0 9-2 1 4.8 唐金艳.水生植物腐烂分解对水 质的影响D.南京:南京大学,2 0 1 3.9 汤志凯,张毅敏,杨 飞,等.3种水生植物腐解过程中磷营养物质迁移,转 化 过 程 研 究 J.环 境 科 学 学 报,2 0 1 9,3 9(3):7 1 6-7 2 1.1 0 藕 翔.三种水生植物对黑臭水体修复效果的研究D.合肥:合肥工业大学,2 0 1 8.1 1 曹培培.几种水生植物腐解过程的比较研究D.南京:南京大学,2 0 1 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