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随着城市的发展,城市内河的污染问题也日趋严重,人们对于黑臭河道的治理也是迫在眉睫。在外源污染输入得到有效的控制后,城市黑臭河道底泥中内源氮硫成为水体污染的主要来源,本研究分别设置扰动强度(r)、溶解氧(DO)、温度(T)三个不同的控制因素来研究黑臭水体底泥中氮硫元素的释放特性,并从底泥内微生物对氮硫元素的作用角度探讨底泥中氮硫元素的释放效应。本研究主要结论如下所示:
(1)三个不同控制因素下上覆水总氮和氨氮浓度基本都先升高再下降。总氮的释放以氨氮为主,在扰动强度条件下,转速越大,氨氮释放量越大,其在第7天达到释放峰值21.30mg/L;在溶解氧条件下,两曝气组氨氮浓度从实验初期13.50mg/L一直下降,直到第9天达到稳定浓度0.55mg/L,但含氧量更高的实验组由于硝化作用氨氮浓度下降速率更快,相反,硝态氮浓度上升较快,两曝气组在第7天分别达到12.23和12.51mg/L,而相对缺氧的实验组的氨氮浓度前5天由于微生物的厌氧分解会出现上升,在第5天浓度达到23.05mg/L,随后,其浓度缓慢下降直到实验结束达到7.80mg/L,由于反硝化作用,硝态氮浓度在前6天内下降至5.57mg/L;不同温度条件下上覆水中氨氮的浓度基本相同,但能影响其释放的速率,30℃条件下,上覆水在第5天达到释放峰值28.03mg/L,20℃条件下,上覆水在第6天达到释放峰值27.51mg/L,而10℃条件下,上覆水在第7天达到释放峰值26.35mg/L,在氨氮的下降阶段,30℃条件下,上覆水氨氮下降的速率最快,其次是20℃,最后是10℃,但都在20天后趋于稳定,达到平衡浓度7.85mg/L。
(2)三个不同控制因素下上覆水中硫元素含量变化都是先升高并再趋于稳定。在扰动强度条件下,水体亚硫酸根离子的变化有较大影响,转速越大,亚硫酸根离子在第7天就达到释放平衡19.00mg/L,对应的硫酸根离子在第7天就达到释放峰值42.50mg/L;在溶解氧条件下,氧份含量更高的实验组在第11天亚硫酸根离子最快趋于释放平衡18.50mg/L,第17后,三组都趋于平衡稳定浓度20.50mg/L,而硫酸根离子在含氧量更高情况下,在第11天达到释放峰值43.00mg/L,17天后,三组都趋于平衡稳定浓度40.00mg/L;在温度条件下,温度越高的实验组亚硫酸根离子在第6天达到释放的峰值19.85mg/L,19天后,三组实验组达到稳定平衡浓度19.88mg/L,而温度越高的实验组硫酸根离子在第7天越快达到释放的峰值41.00mg/L,19天后,三组实验组达到稳定平衡浓度40.00mg/L。
(3)从极差分析结果中可知,溶解氧(DO)对于底泥氮释放的影响最为显著,其次是扰动强度,最后才是温度。
(4)在溶解氧(DO)条件下,对稳定平衡后的样品底泥微生物群落结构进行了分析。河道表层底泥中细菌主要优势菌群为变形菌门、绿弯菌门、厚壁菌门,其中变形菌门主要以6-变形菌纲为主。硝化细菌共检测到6个菌属,NOB和AOB优势菌属分别为硝化螺旋菌属和亚硝化球菌属,其中,硝化螺旋菌属的含量增多促进了硝化反应的进行,验证了两曝气组氨氮浓度下降较快、硝态氮上升的规律;反硝化过程共检测到4个菌门,10菌属,优势菌属为Dechloromonas、Smithella、Syntrophorhabdus和硫杆菌属(Thiobacillus)等,其中,芽抱杆菌属、硫杆菌属以及假单胞菌属等好氧反硝化菌的含量增多,促进了反硝化反应的进行,验证了两曝气组硝态氮浓度后期下降的规律;同时检测到1个菌属的厌氧氨氧化细菌,其名称为Ca.Brocadia;检测到2个菌属的硝酸盐异化还原成铵细菌,分别为Desulfovibrio和Klebsiella。
(5)检测到4个菌属的硫氧化细菌,优势菌属为硫杆菌属(Thiobacillus)和螺旋菌属(Spirochaeta),其细菌含量增多,促进了硫氧化过程的进行;硫酸盐还原菌共检测到3个菌属,其优势菌属为脱硫洋葱状菌属,其细菌含量减少,说明曝气抑制了硫酸盐还原菌的生长;本研究中未检测到目前已被鉴定和分离出的硫自养反硝化过程的细菌,初步推测黑臭水体中不存在硫自养反硝化过程。
(6)在底泥样品中,绿弯菌门所占的比例最大,变形菌门和厚壁菌门含量增多,绿弯菌门含量减少,同时随着养分的进入,有助于硝化细菌、部分反硝化细菌和硫氧化细菌的生长,但会抑制硫酸盐还原菌的生长。
(1)三个不同控制因素下上覆水总氮和氨氮浓度基本都先升高再下降。总氮的释放以氨氮为主,在扰动强度条件下,转速越大,氨氮释放量越大,其在第7天达到释放峰值21.30mg/L;在溶解氧条件下,两曝气组氨氮浓度从实验初期13.50mg/L一直下降,直到第9天达到稳定浓度0.55mg/L,但含氧量更高的实验组由于硝化作用氨氮浓度下降速率更快,相反,硝态氮浓度上升较快,两曝气组在第7天分别达到12.23和12.51mg/L,而相对缺氧的实验组的氨氮浓度前5天由于微生物的厌氧分解会出现上升,在第5天浓度达到23.05mg/L,随后,其浓度缓慢下降直到实验结束达到7.80mg/L,由于反硝化作用,硝态氮浓度在前6天内下降至5.57mg/L;不同温度条件下上覆水中氨氮的浓度基本相同,但能影响其释放的速率,30℃条件下,上覆水在第5天达到释放峰值28.03mg/L,20℃条件下,上覆水在第6天达到释放峰值27.51mg/L,而10℃条件下,上覆水在第7天达到释放峰值26.35mg/L,在氨氮的下降阶段,30℃条件下,上覆水氨氮下降的速率最快,其次是20℃,最后是10℃,但都在20天后趋于稳定,达到平衡浓度7.85mg/L。
(2)三个不同控制因素下上覆水中硫元素含量变化都是先升高并再趋于稳定。在扰动强度条件下,水体亚硫酸根离子的变化有较大影响,转速越大,亚硫酸根离子在第7天就达到释放平衡19.00mg/L,对应的硫酸根离子在第7天就达到释放峰值42.50mg/L;在溶解氧条件下,氧份含量更高的实验组在第11天亚硫酸根离子最快趋于释放平衡18.50mg/L,第17后,三组都趋于平衡稳定浓度20.50mg/L,而硫酸根离子在含氧量更高情况下,在第11天达到释放峰值43.00mg/L,17天后,三组都趋于平衡稳定浓度40.00mg/L;在温度条件下,温度越高的实验组亚硫酸根离子在第6天达到释放的峰值19.85mg/L,19天后,三组实验组达到稳定平衡浓度19.88mg/L,而温度越高的实验组硫酸根离子在第7天越快达到释放的峰值41.00mg/L,19天后,三组实验组达到稳定平衡浓度40.00mg/L。
(3)从极差分析结果中可知,溶解氧(DO)对于底泥氮释放的影响最为显著,其次是扰动强度,最后才是温度。
(4)在溶解氧(DO)条件下,对稳定平衡后的样品底泥微生物群落结构进行了分析。河道表层底泥中细菌主要优势菌群为变形菌门、绿弯菌门、厚壁菌门,其中变形菌门主要以6-变形菌纲为主。硝化细菌共检测到6个菌属,NOB和AOB优势菌属分别为硝化螺旋菌属和亚硝化球菌属,其中,硝化螺旋菌属的含量增多促进了硝化反应的进行,验证了两曝气组氨氮浓度下降较快、硝态氮上升的规律;反硝化过程共检测到4个菌门,10菌属,优势菌属为Dechloromonas、Smithella、Syntrophorhabdus和硫杆菌属(Thiobacillus)等,其中,芽抱杆菌属、硫杆菌属以及假单胞菌属等好氧反硝化菌的含量增多,促进了反硝化反应的进行,验证了两曝气组硝态氮浓度后期下降的规律;同时检测到1个菌属的厌氧氨氧化细菌,其名称为Ca.Brocadia;检测到2个菌属的硝酸盐异化还原成铵细菌,分别为Desulfovibrio和Klebsiella。
(5)检测到4个菌属的硫氧化细菌,优势菌属为硫杆菌属(Thiobacillus)和螺旋菌属(Spirochaeta),其细菌含量增多,促进了硫氧化过程的进行;硫酸盐还原菌共检测到3个菌属,其优势菌属为脱硫洋葱状菌属,其细菌含量减少,说明曝气抑制了硫酸盐还原菌的生长;本研究中未检测到目前已被鉴定和分离出的硫自养反硝化过程的细菌,初步推测黑臭水体中不存在硫自养反硝化过程。
(6)在底泥样品中,绿弯菌门所占的比例最大,变形菌门和厚壁菌门含量增多,绿弯菌门含量减少,同时随着养分的进入,有助于硝化细菌、部分反硝化细菌和硫氧化细菌的生长,但会抑制硫酸盐还原菌的生长。