芦苇和蓝藻混合分解对水质的影响

曹 勋，王国祥，丁新春

(1.南京师范大学环境学院，南京 210046；2. 南京大学盐城环保技术与工程研究院，江苏 盐城 224000)

1 前 言

蓝藻水华的分解易引起水体局部厌氧，在特地的水文和气象条件下，蓝藻会和底泥中的有机质发生反应，形成“湖泛”[1]，恶化生态环境的同时，威胁市民的饮水安全。而太湖近岸区芦苇丛是蓝藻最易聚集的区域，大量芦苇残体和藻华在近岸区堆积衰亡，芦苇和蓝藻释放到水体中的氮磷营养物质可以为湖滨带大型水生植物提供必要的营养盐来源，对整个生态系统的物质循环具有积极的作用，但是同时，蓝藻分解释放的大量氨氮、磷酸根、有机氮、有机磷可以被微生物和浮游植物直接利用，成为维持水华的营养来源，为湖泛提供条件。另外，过量的芦苇和蓝藻分解会引起二次污染，加快湖泊的富营养化进程。因此，芦苇和藻华的分解过程对太湖物质循环过程和环境质量产生影响[2-3]，而两者的混合衰亡少见报道。因此，研究芦苇和蓝藻混合分解对水质的影响具有重要的理论和实践意义。

2 材料与方法

实验所用芦苇取自太湖梅梁湾，烘箱中105℃杀青15min，之后用60℃烘干至恒重备用，芦苇的碳、氮、磷含量分别为398.28±5.23、15.01±1.11和2.70±0.01 mg/g。实验所用蓝藻藻浆取自太湖梅梁湾某蓝藻打捞点，清洗后取上层较厚藻浆备用。藻浆的含水率为88.79±0.03%，藻浆碎屑初始总氮、总磷、总有机碳含量分别为62.92±1.55、8.18±0.86、380.93±3.45 mg/g。

准确量取100 L曝晒后的实验用水，实验用水的初始水质见表1。装入蓝色高密度聚乙稀桶(顶直径×底直径×高=55 cm×45 cm×75 cm)。将烘干后的芦苇剪成1 cm左右的小段，准确称取4 g装入网眼为100目的尼龙袋中，向每个实验容器中投加10包尼龙袋。共设置4个处理组(对照组CK、低浓度藻组L、中浓度藻组M、高浓度藻组H)，每个处理3个平行，共计12个反应容器。梅梁湾蓝藻堆积时，藻浓度(干重)可达0.4 g/L，而芦苇丛中藻浓度更大，所以设置0.4、0.8、1.2 g/L三个浓度梯度，根据含水率，得出鲜藻浓度为4、8、12 g/L，因此分别向CK、L、M、H组投加0、400、800、1 200 g藻浆。加入芦苇和蓝藻当天记为第0天。

表1 实验用水的理化性质Tab.1 Physicochemical properties of experimental water

3 结果与讨论

3.1 分解过程中水体感官特征及主要环境因子的变化

实验第2天，低浓度藻组(L)、中浓度藻组(M)、高浓度藻组(H)藻体部分泛白漂浮于水面，水体呈现绿色；第8天时，L组水体呈淡绿色，M、H组水体颜色为棕黑色；第16天至实验结束，L组水体为暗绿色，M、H组为棕黑色。实验开始阶段，L、M、H组散发出难闻的恶臭味，24天以后臭味有所减弱，并持续到实验结束。

各组pH值都呈现先下降再上升的趋势(图1)，CK组pH在2天达到最低，为8.21±0.04，之后缓慢上升，实验结束时，为8.84±0.06；L、M、H组pH在前8天快速下降，第8天，各组pH分别下降了11.06%、15.62%和19.52%。各组pH值差异显著，表现为CK组>L组>M组>H组，藻浓度越高，pH值越低。实验初期pH值的下降是芦苇和藻类厌氧分解释放有机酸引起的。

图1 分解过程中水体pH的变化Fig.1 Changes of pH during decomposition process

各实验组的DO值在实验初期迅速降低(图2)，并在第2天达到最低，CK、L、M、H组分别降到3.69±0.78、0.25±0.04、0.14±0.04、0.11±0.01 mg/L，较初始值降低了64.25%、97.58%、98.61%和98.87%。CK组DO值在2～8天有所回升，第8天达到8.48±1.22 mg/L，之后呈现小幅下降之后缓慢上升的趋势。L、M、H组第2天后保持接近零的水平，分别在第8、40、56天有所回升。

图2 分解过程中水体溶解氧(DO)的变化Fig.2 Changes of DO during decomposition process

芦苇及蓝藻分解会产生大量的颗粒物质和胶体，影响水体的浊度。CK组浊度变化不大(图3)，在4.79周围小幅度波动，L、M、H组在实验的第1天达到峰值，分别为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组都呈现先下降再上升再下降的趋势，L组的峰值出现在第8天，而M、H组的峰值出现在第24天。

蓝藻在衰亡过程中会向水体中释放大量的藻蓝素，这是实验初期，蓝藻颜色变黄变白，水体呈现蓝色的主要的原因。L组实验过程中，未见水体变黑现象，而M、H组从实验的第8天至实验结束，水体呈现棕黑色。可得出藻浓度高于8 g/L(干重0.90 g/L)时，水体有变黑现象。湖泛水体变黑主要是由FeS引起的[4]，湖泛发生时水环境中的pH和Eh都较低，水环境处于强还原状态，一定程度上保证了Fe2+和S2-的稳定存在，如果没有外来氧化剂的介入，水体将长时间保持黑色。另外，蓝藻分解产生的别的单糖、多糖、蛋白质等有机物质也会一定程度上会使水体变黑。

图3 分解过程中水体浊度的变化Fig.3 Changes of turbidity during decomposition process

3.2 分解过程中水体C、P的变化

曹勋[6]研究得出芦苇、马来眼子菜、荇菜三种水生植物分解速率与残体初始的N、P含量呈正相关关系，与C含量、C/N、C/P呈负相关，而所选蓝藻氮磷含量分别为62.92、8.18 mg/g，均大于三种大型水生植物，C含量、C/N、C/P均小于大型水生植物。因此，可以得知，蓝藻较一般水生植物，具有更高的分解速率，可在更短的时间内向水体释放有机物和营养盐。

除对照组，各组水体TOC在0～8天整体上呈现一个快速上升的趋势，8～64天缓慢下降并趋于稳定。L组水体TOC在第1天上升至78.74±8.00 mg/L，2～24天在58.72～77.14 mg/L之间波动，24～64天呈现先上升再下降的趋势，最终浓度为42.71±2.21 mg/L；L、M、H组都呈现先上升再下降的趋势(图4-A)，峰值分别出现在1、8、8天，达到79.40±3.43、150.83±5.68、294.82±31.57 mg/L，较初始值分别增加了9.0、20.6、41.2倍；实验结束时，CK、L、M、H组TOC值降为24.76±1.33、42.71±2.21、75.86±1.08和72.90±6.13 mg/L。

芦苇和蓝藻分解初期，残体中的易分解水溶性物质和苯醇溶出物快速进入水体，脂肪、蛋白质等大分子有机物分解为氨基酸、单糖等小分子，使上覆水的TOC在0～8天迅速升高，L、M、H组的TOC浓度在实验的第一天分别达到78.34、96.99、167.46 mg/L，并在整个分解过程中保持一个相对较高的水平。第8天以后，各实验组水体TOC显著下降，一方面是微生物活动消耗了水体的有机碳，另一方面，颗粒物质和筒壁的吸附作用大于有机碳的释放速率，再者，元素C在厌氧条件下容易生成甲烷和二氧化碳溢出水体，使TOC浓度呈现负增长趋势。较高的有机质含量是“湖泛”形成的重要因子，TOC含量较高的M、H组在整个实验过程都伴随着黑臭现象。

图4 分解过程中水体TOC、TDP的变化Fig.4 Changes of TOC and TDP during decomposition process

CK、L、M、H组的TDP在0～4迅速上升，并于第4天达到峰值(图4-B)，分别为0.12±0.01、0.26±0.01、0.36±0.03和0.63±0.05 mg/L，较初始值增加了16.7、29.0、41.1和72.3倍，4～64天，各组TDP呈波动下降趋势,至实验结束，降至0.01±0.00、0.03±0.01、0.04±0.00、0.06±0.02 mg/L。

蓝藻和芦苇残体的分解会向水体释放含磷营养物质[6]，实验的第4天，L、M、H实验组水体TDP达到峰值，较初始值增加了16.6、29.0、41.1和72.3倍。磷元素主要存在生物的活性物质中，很容易分解，因此，在分解的初期，会造成水体磷含量的快速增加。之后，残体磷释放速率有所减缓，再加上磷的沉降作用，水体TDP呈现整体下降的趋势，实验结束时，各组浓度略高于对照组。虽然实验初期，TDP浓度显著增加，但相对于残体中的磷元素总量，磷的增量并不算大，这是因为蓝藻分解生成的颗粒物质和胶体对溶解态的磷具有较强的吸附作用，限制了TDP的升高，这与孙小静[7]的研究结果相一致。

3.3 分解过程中水体N素的变化

3.3.1 分解过程中水体TN、TDN的变化

除CK组之外，各组TN呈现快速上升，缓慢下降，再上升再下降的趋势(图5-A)，0～8天，L、M、H组整体上呈现上升趋势，整个分解过程，各组TN在第16、8、8天达到峰值，为28.22±0.60、42.46±3.81、64.68±5.43 mg/L，之后各组TN缓慢下降，实验结束时，各处理组降至4.69±0.50、12.11±1.66和17.56±0.52 mg/L，接近对照水平。

TDN的变化趋势与TN相似(图5-B)，浓度变化主要分为两个阶段：0～8天呈现上升趋势，L、M、H组分别在第16、8、8天达到峰值，较初始值上升了16.4、24.8和36.1倍；8～64天整体上呈现下降趋势，实验结束时，分别降至1.93、3.52和8.23 mg/L。L、M、H组水体TN、TDN的浓度差异显著，表现为H组>M组>L组。

芦苇和蓝藻的分解对水体氮素的影响分为明显的两个阶段：第一阶段为0～8天，本研究所选蓝藻初始C/N为6.05∶1，蓝藻的蛋白质含量很高，蓝藻残体将蛋白质、脂肪等易分解有机物释放到水体中，使各组水体TN、TDN迅速升到最大值，第8天时，H组的TN、TDN为64.68、41.88 mg/L。第二阶段为8～64天，8天后，芦苇和蓝藻残体分解进入缓慢分解期，N素的释放速率减缓，而水体中胶体、颗粒物质对氮素具有吸附作用[7]，再加上厌氧环境下的硝化和反硝化作用，使水体氮素总量逐渐减少，64天时，L、M、H组的TDN接近对照水平。

3.3.2 分解过程中水体DIN、DON的变化

图5 分解过程中水体TN、TDN的变化Fig.5 Changes of TN and TDN during decomposition process

水体中的DIN、DON呈现先上升后下降的趋势(图6)，L、M、H组的DON在实验的第1天达到峰值，分别为13.72、18.92、18.39 mg/L，而DIN则在第4天达到峰值，为15.62、36.74、41.31 mg/L。DON在实验初期快速上升之后，有一个明显的下降趋势；而DIN却一直居高不下，直到第40天才有显著的下降趋势，64天时，L、M组DIN略高于对照组。各处理组DON、DIN差异显著。

图6 分解过程中水体DIN、DON的变化Fig.6 Changes of DIN and DON during decomposition process

图7 分解过程中水体的变化Fig.7 Changes of during decomposition process

4 结 论

4.1 芦苇和蓝藻分解过程中，pH、溶解氧迅速降低，分解在厌氧条件下进行；整个过程伴随着刺鼻的恶臭味；芦苇生物量(干重)保持0.4 g/L相同时，藻浓度高于8 g/L(干重0.90 g/L)时，水体明显变黑，持续时间较长。

4.2 芦苇和蓝藻藻浆混合分解分解对水质的影响表现出明显的阶段性。0～8天，蓝藻和芦苇会迅速分解向水体释放C、N、P，第8天水体TDN、TDP、TOC均达到最大值，分别可达41.88、0.63、294.82 mg/L，8～64天TDN、TDP、TOC整体呈现下降趋势。