过量的污染物进入城市水体, 使其出现黑臭现象, 并严重威胁城市的功能^[1~3].国务院发布了《水污染防治行动计划》, 又称“水十条”, 提出了黑臭水体控制愿景^{[4, 5]}.目前国内外的研究将黑臭水体的形成机制概括为：首先, 过量的污染物进入水体并造成微生物迅速繁殖和水体缺氧^[6]；随后, 厌氧或兼性微生物进行厌氧发酵并产生硫化氢、氨、硫醚、乔司脒和2-二甲基异莰醇等致臭物质^[7]；同时, 微生物在厌氧状态下生成的硫化氢等还原性硫化物与Fe²⁺、Mn²⁺等金属离子反应生成的黑色化合物与腐殖质等有机物共同导致水体变黑^[8]；最后, 变黑的水体阻碍阳光并抑制藻类和沉水植物的光合作用, 使得水体复氧能力丧失, 加剧了水体的缺氧.水体最终进入“黑臭复氧能力丧失黑臭加重”的恶性循环^[9].总之, 以微生物为中心的水生生态系统修复是黑臭水体生态治理的关键环节. 2017年全国共排查出黑臭水体2082个^[10], 且治理过的城市内河出现大量返黑返臭问题, 引起了相关部委的重视^[11].目前, 国内外对于黑臭水体的研究主要集中在黑臭水体形成机制、污染物转化原理以及黑臭水体综合治理技术研究等方面^[12], 缺乏对于黑臭水体长效治理的相关研究, 尚没有针对城市黑臭水体在治理后返黑返臭问题的关注和研究报道.本文选择南宁市二坑溪作为研究对象, 对水体中叶绿素a等水质参数进行连续监测, 并尝试分析治理后的城市水体返黑返臭的原因.本研究将有助于进一步深入研究城市水体黑臭机制, 以期为我国城市黑臭水体的长效治理和水环境保护提供理论依据和数据支持.

南宁市二坑溪位于南宁市西乡塘区, 全长约2.8 km, 年平均流量约22.2 m³ ·s^-1, 曾经为劣Ⅴ类水和重度黑臭状态.南宁市于2017~2018年曾对二坑溪进行过黑臭水体综合治理, 设置了基于接触氧化法的一体化污水处理装置, 对雨污混排的源水进行处理并引入邕江水进行稀释, 还在部分河段安装了冲击曝气装置并建设植物浮岛和护岸^[13], 黑臭治理取得了一定成效.目前, 该河道出现大面积返黑返臭, 所有河段均处于轻度至中度黑臭状态.本研究所取水样来自南宁市二坑溪的4个具代表性的监测断面(图 1, 1~4号).各监测断面位置信息及黑臭情况如表 1.

图 1

Fig. 1

图 1 二坑溪水质监测断面分布示意 Fig. 1 Distribution map of water quality monitoring points in the Erkeng Stream

表 1 (Table 1)

表 1 各监测断面位置信息 Table 1 Location information of each monitoring section 监测断面编号 经度(E) 纬度(N) 黑臭状态 样点性质 1 108°17′19″ 22°49′22″ 中度 上游污水排口 2 108°17′17″ 22°49′20″ 轻度 小型污水处理装置排水口 3 108°17′36″ 22°49′00″ 轻度 河道 4 108°18′11″ 22°48′50″ 中度 截流坝前

表 1 各监测断面位置信息 Table 1 Location information of each monitoring section

其中, 1号断面位于二坑溪上游, 龙腾湖的一处出口暗渠, 为雨污混合排口, 水流缓慢；2号断面位于1号断面下游10 m处, 1号和2号两断面间设置有污水处理装置, 暗渠水经过处理并稀释后流经2号断面；3号断面位于一处隔水坝上游, 与2号断面相距约0.7 km, 其间设置有“推流曝气机+水生植物浮岛”的生态强化措施；4号断面与3号断面相距约0.7 km, 位于二坑溪末端的提升泵站前, 水流缓慢.各监测断面水深均大于1 m, 各监测断面的具体位置见图 1.

24 h连续监测采用YSI-EXO2多参数水质检测仪, 于7月15日上午11:00至7月16日上午11:00, 对二坑溪水体中叶绿素a(chlorophyll-a, Chl-a)、溶解氧(dissolved oxygen, DO)、氧化还原电位(oxidation-reduction Potential, ORP)、电导率(conductivity, E)、溶解总固体(total dissolved solid, TDS)、盐度(salinity, S)、pH和温度(temperature, T)进行24 h连续监测.其检测精度优于0.1%.

月度变化监测采用化学分析法, 于7月31日至8月24日之间, 对二坑溪水体的溶解氧(DO)、氨氮(ammonia nitrogen, NH₄⁺-N)、氧化还原电位(ORP)以及透明度(permeability, P)进行了日变化监测.溶解氧采用碘量法(GB 7489-1987)；氨氮采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)；氧化还原电位采用电极法(SL 94-1994)；透明度采用塞氏盘法(SL 87-1994).

所得的数据采用Origin 7.3及Office Excel 2010进行数据处理和图表绘制.数据分析采用SPSS 12.0软件进行.所有的检测均进行3次重复, 结果取平均值.

将24 h自动监测仪测得的叶绿素a等参数的连续监测数据与时间做图, 对比各监测数据的日变化趋势, 结果如图 2所示.在24 h连续监测中, 叶绿素a呈现出先升高后降低, 在夜间保持稳定, 日出后再上升的变化趋势, 其数值最高升到10.00 μg ·L^-1, 最低降到5.92 μg ·L^-1.氧化还原电位在日间以及入夜后一段时间内呈现逐渐下降的趋势, 在21:00至次日11:00时间段内缓慢上升.最高升到-41.96 mV, 最低降到-137.55 mV.溶解氧在白天和傍晚时间段内基本稳定不变, 在入夜后持续上升, 并在次日凌晨3:00开始下降.最高升到1.10 mg ·L^-1, 最低降到0.21 mg ·L^-1.电导率、盐度和溶解总固体等参数均呈现先上升后平稳的现象, 分别升至473.36 μS ·cm^-1、0.21‰和289.95 mg ·L^-1后达到稳定.pH值呈现先下降后平稳的现象, 最低值为8.28.温度呈现出先升高后下降的趋势.在首日夜间19:00达到最高值28.28℃随后逐渐下降至27.18℃, 于次日晨07:00开始缓慢回升.综上, 叶绿素a及温度等理化因子显示出显著日变化特征, 光照和温度很可能是影响水体理化参数的主导因素.

图 2

Fig. 2

图 2 二坑溪水质参数24 h连续变化趋势 Fig. 2 The 24 h continuous change trend of water quality parameters of the Erkeng Stream

将化学分析法测得的氨氮等指标的月度连续监测数据与时间做图, 结果如图 3和图 4所示.数据显示, 1号和4号监测断面水质参数变化情况较为接近[图 3 (a)], 2号和3号监测断面水质参数变化情况较为接近[图 3 (b)].其中, 1号和4号监测断面水体溶解氧水平整体较低, 而2号和3号监测断面水体溶解氧仅在降雨过程后有明显下降. 1号和4号监测断面水体氨氮浓度受到降雨的影响而发生波动, 而2号和3号监测断面水体氨氮浓度受到降雨过程的影响不明显, 两断面氨氮监测值差异显著(P < 0.01), 显示2号、3号断面上游采取的治理手段提升了河道对于氨氮的环境容量. 1号和4号监测断面水体氧化还原电位受到降雨过程的影响而发生波动, 而2号和3号监测断面水体氧化还原电位受到降雨过程的影响不明显, 并且2号和3号监测断面水体氧化还原电位显著高于1号和4号监测断面(P < 0.01), 显示出治理措施对于升高氧化还原电位也具有一定效果.氨氮、水体透明度两因子与水体黑臭程度密切相关, 对比2号和3号监测断面的上述两个因子的变化趋势与温度变化趋势的关系.结果显示, 气温与水体氨氮浓度变化趋势相同[图 4(a)], 两者呈正相关关系(r=0.23, P < 0.05)；气温与水体透明度变化趋势相反[图 4(b)], 两者呈负相关关系(r=-0.33, P < 0.01), 显示温度与水体黑臭之间存在一定关联.结果显示, 城市黑臭水体中氨氮等指标与降雨事件存在一定关联.在整体变化趋势上, 氨氮以及水体透明度与当日气温存在较显著关联.

图 3

Fig. 3

图 3 二坑溪水质参数日变化趋势 Fig. 3 Diurnal trend chart of water quality parameters of the Erkeng Stream

图 4

Fig. 4

图 4 温度对二坑溪水氨氮和透明度的变化趋势的影响 Fig. 4 Effect of temperature on the change trend of ammonia nitrogen and transparency in the Erkeng Stream

在7月15日11:00~15:00时间段内, 随着日照的加强, 监测断面内的温度和叶绿素a浓度不断升高(图 2).叶绿素a是绿色植物和藻类普遍具有的一种色素, 它的浓度可以表征水体中光合微生物数量和活性^[14].在11:00~15:00时, 光照驱使藻类迅速分裂增殖, 水体中叶绿素a浓度随之上升.通常, 藻类增殖产氧会使得水体溶解氧上升, 但是, 此时监测断面的溶解氧从0.37 mg ·L^-1下降至0.20 mg ·L^-1后趋于稳定.这一现象很可能是由于水体中非光合微生物消耗了过多氧气, 造成溶解氧降至极低(0.20 mg ·L^-1, 图 2).在溶解氧浓度极低的状态下, 水体中微氧和兼性微生物将会占据生态位并大量繁殖^{[15, 16]}.与此同时, 随着环境温度上升(从27.18℃上升至27.56℃, 图 2), 更加速了上述微生物的生长.采用厌氧发酵获取能量的微氧和兼性微生物会产生醇类或有机酸等还原性产物, 使得水体中氧化还原电位下降^[17].该时间段内氧化还原电位快速下降(从-56.93 mV下降至-115.70 mV, 图 2), 也印证了微氧和兼性微生物快速繁殖的推测.总之, 在11:00~15:00时间段内, 随着光照的增强和温度的升高, 水体中光合藻类与微氧、兼性微生物并存且快速增殖, 水体的耗氧速度超过水体的产氧速度, 水体中溶解氧和氧化还原电位不断降低因而出现黑臭化.之前的研究也表明, 当水体温度处于8~35℃之间时, 水体中微生物大量滋生, 使得水体容易出现黑臭现象^[18].可见, 温度是驱动水体黑臭化的重要因素.

在7月15日15:00~20:00时间段内, 水体中的叶绿素a浓度随之下降(图 2).由于藻类生命活动对光照强度反应灵敏^[19], 在该时间段内, 藻类生命活动强度随着光照强度减弱而降低, 藻类细胞从快速分裂增殖的状态转变为呼吸、分解状态, 因而水体中叶绿素a浓度出现下降^[20].在此时间段内, 随着光照强度的减弱, 水体温度不降反升(从27.56℃上升至28.28℃, 图 2), 水体溶解氧浓度也一直维持在0.21 mg ·L^-1左右.这一现象很可能是因为水体中的微氧和兼性厌氧微生物进行厌氧发酵, 其释放的热量使得水体温度上升^{[21, 22]}.同时, 厌氧发酵产生的小分子还原性物质进入水体, 会使得氧化还原电位发生下降^[17].氧化还原电位在15:00~20:00之间的缓慢下降(从-115.70 mV下降至-135.34 mV, 图 2)印证了上述推测.总之, 在15:00~20:00时间段内, 水体中的厌氧和兼性微生物占主导地位并分解有机质和污染物, 产生的热量使得水体温度升高, 并加速了厌氧和兼性微生物的增殖, 促使水体向黑臭化发展.

在7月15日20:00~次日03:00的时段内, 观察到水体溶解氧和氧化还原电位迅速上升(从0.21 mg ·L^-1上升到1.1 mg ·L^-1, 从-135.34 mV上升至-48.38 mV, 图 2).城市河道自然复氧主要依靠气体交换和水生植物的光合作用^{[23, 24]}.此时, 藻类光合作用停止而无法产生氧气, 因此水体中的氧气只可能来自于与空气的气体交换.值得注意的是, 此时水体的温度逐渐下降(从28.28℃下降至27.80℃, 图 2), 很可能是由于溶解氧浓度上升抑制了厌氧和兼性微生物的厌氧发酵^[25], 使得水体降温并向去黑臭化的方向发展.然而, 这一过程在7月16日03:00~07:00时间段内被打断：尽管此时监测断面内的温度仍然呈现逐渐下降的趋势(从27.9℃下降至27.8℃, 图 2), 但是下降速率明显减缓, 并且水体中溶解氧浓度开始下降(从1.00 mg ·L^-1下降至0.44 mg ·L^-1, 图 2).这一现象显示水体中好氧微生物开始进行有氧代谢活动, 消耗氧气并放出热量^[26], 使得温度下降的速率减缓.总之, 在这一时间段, 水体复氧过程出现反复, 最终被好氧微生物的增殖打断.可见, 水体中的好氧微生物是破坏水体复氧, 促使水体向黑臭化发展的重要内在因素.

另外, 在整个24 h连续监测过程中, 电导率、溶解总固体和盐度的变化于11:00~20:00处于持续上升的状态, 在7月15日20:00~次日07:00, 上述参数的数值则趋于平稳；结合pH值持续降低的变化趋势(图 2), 很可能是由于微氧和兼性微生物进行厌氧发酵释放的CO₂及H₂S等弱酸性小分子物质, 与水体中与Fe²⁺和Mn²⁺等金属离子反应, 生成的FeS等致黑物质同时也是弱电解质, 从而使得水体pH值出现下降, 并促使水体黑臭化^[9].综上, 在光照不足和温度驱动的作用下, 水体中的好氧、兼性和厌氧微生物, 促使水体不断向黑臭化方向发展.

对水质的月度监测显示, 降雨过程能够使得水体溶解氧水平降低、氨氮浓度增高、氧化还原电位发生波动, 这是由于降雨造成的面源污染物输入并激起底泥造成的.有研究显示, 初期降雨裹挟的污染物以及暴雨的冲刷效应是造成我国城市河道黑臭化的重要因素^[27].而采取了植物护坡和生态浮筏等生态治理手段的河道, 能够消减降雨裹挟的面源污染和污染物冲击, 提升河道对于氨氮等污染物的环境容量, 防止河道黑臭化^[28].

本研究还显示, 水动力状态较好的河道断面(2号和3号)水质情况要明显优于水流缓慢的河道断面(1号和4号), 当水动力状态因为截流等原因而变得不佳时, 水体便会返黑返臭.显示水动力状态是水体黑臭的重要影响因素.另外, 一个现象值得注意：4号监测断面位于2号和3号监测断面的下游, 在2号和3号监测断面附近采取了截污、原位处理、曝气以及生态治理等综合处理手段, 并使得2号和3号监测断面的水质好转.但是, 当河水流至4号监测断面时水质劣化, 其水质参数与源头未经处理的1号监测断面类似.在截污工程已经完成的情况下, 4号断面处水体的返黑返臭现象尤其值得关注.日变化监测结果显示, 氨氮、水体透明度这两个与水体黑臭程度密切相关因子, 与气温存在较显著的相关关系, 说明温度是水体返黑返臭的驱动因素；结合24 h连续监测的结果进行分析, 4号断面水体的返黑返臭的另一原因很可能是底泥中的氨氮、金属离子等致黑致臭物质在微生物作用下的不断释放.河道底泥为微生物提供了营养和能量来源并造成水体缺氧和发臭, 并且释放金属离子最终造成水体发黑, 可见, 有效控制河道底泥是防止水体返黑返臭的最直接办法.

(1) 24 h水环境连续监测发现, 氨氮浓度和透明度等与水体黑臭化密切相关的参数受到环境温度的影响显著(P < 0.05), 综合其它理化参数, 显示藻类、细菌等水生微生物与底泥之间的相互作用可能是水体返黑返臭的重要驱动因子.

(2) 月度水环境动态监测发现, 水体氨氮浓度受到降雨事件的影响显著(P < 0.01), 显示外源污染物可能是导致水体返黑返臭的重要因素.

(3) 改良水体微生物群落结构并实现河道底泥消解, 并综合采取生态治理办法控制外源污染, 可能是提高水体环境容量并实现城市黑臭水体长效治理的突破方向.

致谢: 感谢广西壮族自治区水利科学研究院对本研究提供的指导和支持.