湘潭市某渠道水体致黑臭因素分析研究

徐文亮 伍泽广 王旭 梅华贤

（湖南科技大学化学化工学院 湖南湘潭 411201）

0 引言

黑臭水体在我国城市中广泛存在，已经成为一种严重的城市病。城市黑臭水体除污染水质、散发恶臭外，其滋生的微生物导致黑臭水体周边空气污染，甚至引发个体疾病或暴发传染性疾病［1］。国内外有关黑臭水体的研究大多集中在评价模型及黑臭治理方面［2］，对水体黑臭产生的水质参数范围和环境条件尚不明确。

湘潭市某渠道水体水质检测指标按照城市黑臭水体污染程度分级标准［3］，属于重度黑臭水体。本文以投加该渠道黑臭水体菌群自制的黑臭水为研究对象，分析水体黑臭形成的水质和环境条件影响因素，并运用正交实验方法探究各因素间的主次关系及最优水平组合，从而找出水体最容易发生黑臭的水质及环境参数，为制定全面、科学、经济的黑臭水体治理方案提供一定的理论支持。

1 实验部分

1.1 实验原料

黑臭水体样品采自湘潭市某渠道（112.924837°E，27.896026°N）。样品冷藏运回实验室后，水样经9 cm 的中速滤纸过滤，将滤液静置2 h，取上清液为黑臭水混合菌液，于冰箱4 ℃下经无菌操作后的150 mL 无菌锥形瓶中保存备用。泥样保存在5 L 具塞玻璃缸中，常温避光。

1.2 实验方法与步骤

（1）影响水体发黑的单因素分析实验。根据水源地水质实际情况并参考相关文献中黑臭水COD、总氮（TN）、总磷（TP）以及天然水中无机物离子浓度范围（COD：101 mg/L～486 mg/L，TN：31 mg/L～85 mg/L，TP：15 mg/L～113 mg/L，Fe2+：0.03 mg/L～23.10 mg/L，Mn2+：0.02 mg/L～18.90 mg/L）［4-7］，设定本实验模拟水样中各水质因子参数范围。在自制人工黑臭水的基础上，对总有机碳（TOC）、TN、TP、底泥泥量、Fe2+浓度和Mn2+浓度6 个因素设置不同的浓度梯度，TOC 浓度梯度为0 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L；TN 浓度梯度为0 mg/L、25 mg/L、50 mg/L、75 mg/L、100 mg/L；TP 浓度为0 mg/L、20 mg/L、40 mg/L、60 mg/L、80 mg/L；底泥泥量为0 mg/L、200 mg/L、400 mg/L、600 mg/L、800 mg/L；Fe2+和Mn2+浓度梯度均为0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L。

将超纯水加热煮沸除去溶解氧，转移至经灭菌处理的洁净锥形瓶静置冷却，加塞待用。按照配方配制水样，分别装满于500 mL 带内塞的玻璃瓶中，将其经高温蒸汽灭菌处理，恒温生化培养箱中静态培养24 h 检验培养基无杂菌后分别接种已制备好的混合菌液5 mL，28 ℃恒温静态培养10 d。每组样品设置3 个平行样，每隔1 d 测定其色阈值。

（2）水体致黑致嗅的多因素正交实验。在单因素实验基础上，设计正交实验考察影响因素之间的相互作用关系以及它们对黑臭水形成的影响情况，具体操作步骤与单因子实验相同。

（3）测定方法。单因素实验与正交实验检测的水质指标为色阈值（CH）与臭阈值（TON），色阈值测定采用三激励值法［8-9］，臭阈值测定按照《水与废水监测分析方法（第四版）》中臭阈值法［7］。根据文献，本文黑臭水判断临界标准为色阈值CH=21.5［10-11］，臭阈值TON=15［12-13］。

（4）数据统计与分析。实验数据的图表分析采用软件Origin 2020；正交分析实验采用数据处理方法为极差分析与方差分析，P＜0.10 为差异显著，P＜0.05 为差异极显著。

2 结果与讨论

2.1 影响水体发黑的单因素分析

（1）TOC 对水体发黑的影响。为了研究TOC 对水体发黑的影响，研究了TOC 在不同浓度、时间条件下对水体色阈值的影响，结果见图1。从图1 可以看出，在不同TOC 浓度下，除TOC浓度为0 的水样色阈值均在15 以下外，其他各实验组水样的色阈值均随时间延长先增大后减少。在100 mg/L～200 mg/L 的TOC 浓度条件下，色阈值均从第2 天开始增大，至第4 天达到峰值，然后随时间延长而递减，该实验现象与黑臭水菌群生长曲线的迟缓期、对数期、稳定期及衰亡期的生长规律基本吻合。随着TOC 浓度的增高，实验后期色阈值随时间的延长衰减程度而增高，可能是因为培养至第4 天黑臭水菌群由于养分充足，生存环境良好而进入生长对数期。当TOC 浓度越高，特异性分解腐殖质、富里酸等致黑物质的微生物代谢活动就越强，从而加速色阈值的下降。根据临界色阈值（CH）为准，判定CH≥21.5 即为黑臭。除对照组外各实验组水样均从第2 天开始达到黑臭标准，且随着TOC 浓度升高，色阈值呈显著增长的趋势。当TOC 浓度为200 mg/L 时，水样第2 天至第6 天色阈值最高；其色阈值在第4 天达到峰值，TOC=100.36 mg/L。本实验结果说明TOC＜50 mg/L，水体不会发黑。由此，碳源是水体发黑的必要条件，水体发黑的总碳条件为TOC≥50 mg/L。

图1 不同TOC 浓度下水样色阈值随时间的变化

（2）TN 对水体发黑的影响。为了研究TN 对水体发黑的影响，研究了TN 在不同浓度、时间条件下对水体色阈值的影响，结果见图2。从图2 可以看出，不同TN 浓度下的水样，除TN浓度为0 的水样色阈值均接近为0 以外，其他各组水样的色阈值均随时间的延长先增大然后降低，TN=25 mg/L，TN=75 mg/L，TN=100 mg/L 的实验组均在第6 天时达到峰值。根据黑臭临界指标判定，TN 浓度为25 mg/L～100 mg/L 的各实验组水样均从第2 天起开始变黑。随着TN 浓度增加，色阈值总体呈上升趋势，但是色阈值的增长受TN 浓度变化的影响不大；在第6 天时，TN=25 mg/L 时水样色阈值为94.2，而TN=100 mg/L时水样色阈值为107.37。这说明氮源是黑臭形成的必要条件，但TN 浓度对色阈值变化影响较小。TN≥25 mg/L 时，水体均会发黑。

图2 不同总氮浓度下水样色阈值随时间的变化

（3）TP 对水体发黑的影响。为了研究TP 对水体发黑的影响，研究了TP 在不同浓度、时间条件下对水体色阈值的影响，结果见图3。从图3 可以看出，在不同浓度的TP 浓度下，各实验组水样的色阈值均随时间的延长先增大后下降，色阈值在第4 天可达峰值。与TN 实验情况相似，随着TP 浓度的增长色阈值稍有增长，但色阈值变化受TP 浓度变化的影响不大。这说明磷源是黑臭形成的条件，但非关键影响因素。TP≥20 mg/L时，水体均会发黑。

图3 不同总磷浓度下水样色阈值随时间的变化

（4）底泥添加量对水体发黑的影响。为了研究底泥泥量对水体发黑的影响，研究了黑臭底泥在不同添加量、时间条件下对水体色阈值的影响，结果见图4。从图4 可以看出，添加底泥后第2 天水样的色阈值明显增长，在第4 天达到峰值后逐渐下降。但是未添加底泥的对照组，从第6 天开始色阈值均高于其他添加底泥的实验组，可能与底泥中黑臭水体菌群的代谢活动有关。随着底泥添加量的增加，色阈值的变化并无明显规律。实验结果说明底泥添加量不是水体发黑的必要条件，但是该因素会对水体发黑有一定促进效果。

图4 不同底泥添加量下水样色阈值随时间的变化

（5）Fe2+对水体发黑的影响。为了研究Fe2+对水体发黑的影响，研究了Fe2+在不同浓度、时间条件下对水体色阈值的影响，结果见图5。从图5 可以看出，与TOC 实验的情况相似，各水样的色阈值均随时间的延长而增大。对照组Fe2+为0 mg/L，但色阈值有一定波动，说明水中有其他不含铁的色素物质产生，例如腐殖酸、富里酸等带色腐殖质类有机化合物。根据现有研究，Fe2+是水体发黑的关键因素之一［1］，当整个水体普遍呈厌氧还原状态时，此时铁的循环被完全破坏，大量Fe2+累积，与厌氧状态下产生的硫化氢结合成FeS。YING 等［14］对苏州河水体黑臭进行研究，悬浮颗粒中的腐殖酸和富里酸因吸附络合了Fe、Mn 和S 的化合物成为主要致黑化学物，并证明了Fe2+在致黑方面的主导作用。本实验证实了Fe2+对水体发黑有显著影响。色阈值随着Fe2+浓度的增大而提高，Fe2+浓度为10 mg/L～20 mg/L 的实验组，均在第4 天达到黑臭标准，因此Fe2+是水体发黑的必要条件，水体发黑的Fe2+浓度条件为Fe2+≥10 mg/L。

图5 不同Fe2+浓度下水样色阈值随时间变化

（6）Mn2+对水体发黑的影响。为了研究Mn2+对水体发黑的影响，研究了Mn2+在不同浓度、时间条件下对水体色阈值的影响，结果见图6。从图6 可以看出，投加Mn2+水样的色阈值总体上先增长在第6 天达到峰值后稍有下降。随着Mn2+的增加，水样色阈值变化并无明显规律。因此，Mn2+对水体发黑的影响不大，且通过与Fe2+实验组比较发现，Fe2+对水体发黑形成的影响比Mn2+更加显著。

图6 不同Mn2+浓度下水样色阈值随时间的变化

综上所述，TOC、TN、TP、Fe2+浓度对黑臭水体的形成有较为显著的影响，故选定为多因素正交实验的实验因素。

2.2 多因素对水体黑臭形成的影响

（1）多因素对水体发黑的影响。根据正交实验方法，设置了4 因素3 水平（L934）。4 因素为TOC、TN、TP、Fe2+浓度。人工黑臭水培养10 d 后的色阈值极差与方差分析见表1、表2。

培养至第10 天，所有培养基的色阈值均达到黑臭标准（CH≥21.5 mg/L）。由表1 可知，TOC 的极差最大，TN、Fe2+水平的极差次之，TP 的极差最小。由表2 可知，方差分析结果与极差分析一致，TOC 的F 比最大，TN、Fe2+次之，TP 最小。这说明TOC 在水体发黑形成实验中起最关键作用，TN 和Fe2+水平次之，TP 只起辅助作用。其中，第7 组色阈值最高，水体黑度最高。因此，各因素以A3B1C3D2（TOC：200 mg/L，TN：30 mg/L，TP：75 mg/L，Fe2+：20 mg/L）为最优组合。

表1 人工黑臭水培养10 d 色阈值极差分析计算表

表2 方差分析表

（2）多因素对水体致嗅的影响。本实验的实验指标为臭阈值（TON），人工黑臭水培养10 d 后的臭阈值极差与方差分析见表3、表4。

表3 人工黑臭水培养10 d 臭阈值极差分析计算表

表4 方差分析表

培养至第10 天，所有实验组培养基的臭阈值均达到黑臭标准（TON≥15mg/L）。对比分析表3 和表4 可知，臭阈值的正交实验与色阈值的正交实验结果一致。TOC 的极差与F 比最大，TN、Fe2+水平次之，TP 最小。即对于水体致黑与致嗅的形成，4 个因素均有一定贡献，且TOC 在水体黑臭形成实验中起最关键作用，TN 和Fe2+水平次之，TP 只起辅助作用。其中，第7组的臭阈值最高，臭味最浓。因此，各因素以A3B1C3D2（TOC：200 mg/L，TN：30 mg/L，TP：75 mg/L，Fe2+：20 mg/L）为最优组合。

3 结论

在实验室模拟条件下，分别探究了TOC、TN、TP、底泥泥量、Fe2+、Mn2+等因素对水体发黑形成的影响，同时通过正交实验研究了TOC、TN、TP、Fe2+4 个因素对水体黑臭形成的影响情况。研究结果表明TOC 是水体致黑致嗅的关键性影响因素，且4 个因素对水体致黑致嗅的影响程度为TOC＞TN＞Fe2+＞TP。当水体的TOC 浓度为200 mg/L、TN 为30 mg/L、TP 为75 mg/L、Fe2+浓度为20 mg/L 的条件下水体最容易发生黑臭。因此，了解水体形成黑臭的水质条件，从源头控制污水中TOC、TN 等污染物排放入河道水体中的量，可有效防止水体形成黑臭，对于河道水体的黑臭发生预警、预防以及黑臭河道的治理有一定指导意义。