李開(kāi)明，謝丹平，陳曉宏，江 棟

(1. 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275；3.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 廣州 510655)

城市污染物的排放導(dǎo)致了城市河道的污染日益嚴(yán)重。尤其是沿海城市的感潮河道，水環(huán)境容量小、水體交換周期長(zhǎng)，受富含有機(jī)物的生活污水和工業(yè)廢水的污染后，水體COD、氮磷污染物濃度超標(biāo)，底泥厭氧腐化，水體發(fā)黑發(fā)臭。城市河道的污染已嚴(yán)重影響了城市的形象和居民的健康生活。

目前，國(guó)內(nèi)已逐步重視和開(kāi)展了城市污染河道的治理工程和研究，并取得大量的成果，如廣州、上海、北京等城市都采用不同技術(shù)進(jìn)行了城市河道的治理工程[1-3]。目前所普遍采用的治理措施主要有截污、底泥疏浚、引水沖污、人工增氧、濕地處理、底泥生物修復(fù)、水體生物修復(fù)、生態(tài)化工程[4-5]等。在城市污染河涌的治理研究中，我們聯(lián)合應(yīng)用氧化塘和河道原位生物修復(fù)(包括底泥生物修復(fù)、水體人工增氧、生態(tài)恢復(fù)等)技術(shù)，從生物修復(fù)和生態(tài)恢復(fù)兩個(gè)層面對(duì)廣州市古廖涌進(jìn)行了成功治理[1]。在治理工程中，發(fā)現(xiàn)隨著河涌水體的逐步修復(fù)，污染物得到去除，水體透明度提高，由黑色變?yōu)辄S綠色，生物多樣性增加，形成穩(wěn)定的好氧生態(tài)系統(tǒng)。

為對(duì)重污染城市河道治理過(guò)程中水生生態(tài)系統(tǒng)的變化進(jìn)行研究，確定污染河道治理凈化過(guò)程中水生生態(tài)結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，確定反應(yīng)不同河道治理程度的水生生態(tài)結(jié)構(gòu)特征和指示生物，我們?cè)趯?duì)廣州古廖涌進(jìn)行有效治理的基礎(chǔ)上，對(duì)不同治理階段的河道水體進(jìn)行污染物指標(biāo)的化學(xué)監(jiān)測(cè)和浮游藻類的定性定量觀測(cè)，研究分析了河道水體生物修復(fù)過(guò)程中藻類群落結(jié)構(gòu)、種類結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢(shì)種的變化規(guī)律，及其與水體污染程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 氧化塘修復(fù)

氧化塘采用古廖涌岸側(cè)的魚(yú)塘改造而成，由曝氣塘、生化處理塘、生態(tài)塘三個(gè)塘串聯(lián)組成。氧化塘處理規(guī)模4 320 m3/d，COD容積負(fù)荷0.11 kg/(d·m3)，水力停留時(shí)間為1.4 d，曝氣增氧量為26.4 kg/h。將古廖涌污水泵入曝氣塘，經(jīng)強(qiáng)化氧化后自流入生化處理塘，處理出水在塘中心沉淀區(qū)沉淀，上清液自流進(jìn)入生態(tài)塘處理排放。氧化塘主要設(shè)備包括1臺(tái)表面曝氣機(jī)，6臺(tái)水車增氧機(jī)。氧化塘平面圖如圖1所示。

圖1 氧化塘平面布置示意圖

1.2 河道生物修復(fù)

河道原位生物修復(fù)在模擬河道進(jìn)行，河道分三格，每格長(zhǎng)15 m，寬0.70 m，深1.20 m，底部鋪0.10 m厚古廖涌底泥，有效水深0.80 m，每格河道水流量為6.0 m3·d-1，水力停留時(shí)間2 d。

河道原位生物修復(fù)處理措施：將氧化塘處理出水流(泵)入河道，對(duì)河道底泥進(jìn)行生物強(qiáng)化氧化修復(fù)和水體生物修復(fù)，并對(duì)河道水體進(jìn)行曝氣增氧。

1.3 水樣、生物樣采集

分別對(duì)未修復(fù)處理的古廖涌水體、氧化塘處理出水、河道生物修復(fù)上游和下游水體等四個(gè)不同修復(fù)階段的水體進(jìn)行水樣和生物樣的采集，采樣方法按照文獻(xiàn)[6]方法操作。采樣時(shí)間：11月2-22日；水溫：22～23 ℃；天氣：晴。

1.4 浮游藻類分析方法

對(duì)采集的生物樣用φ=5%福爾馬林固定，沉淀濃縮后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行定量和定性分析。

1.5 水質(zhì)分析方法

根據(jù)文獻(xiàn)[7]對(duì)水樣CODcr、BOD5、NH3-N、TP、DO、透明度等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.6 生物多樣性指數(shù)與均勻性指數(shù)計(jì)算

生物多樣性指數(shù)(H)按Shannon-Wiener公式計(jì)算：

式中，S為種數(shù)；Pi為樣品中第i個(gè)種的個(gè)體比。

均勻性指數(shù)E計(jì)算公式為：

E=H/log2S

2 結(jié)果與討論

2.1 河涌污染修復(fù)的水質(zhì)變化

對(duì)河涌水體各修復(fù)階段的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示，由表1可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)改造氧化塘—河道原位生物修復(fù)處理，河涌水體水質(zhì)得到顯著提高，水體有機(jī)污染大幅度降低，CODcr、BOD5去除率達(dá)到82.2%和74.3%，河道下游的CODcr、BOD5指標(biāo)達(dá)到地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，氮磷也得到有效的去除，水體表觀狀況得到大大的改善，由黑色變?yōu)辄S綠色。對(duì)河涌污染水體的修復(fù)措施，我們已經(jīng)對(duì)利用廢棄?mèng)~塘改造成氧化塘進(jìn)行處理的技術(shù)進(jìn)行了研究和成功的應(yīng)用[8]，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合氧化塘處理，在河道下游對(duì)氧化塘出水采用底泥生物氧化、水體生物修復(fù)、水體增氧等措施進(jìn)行河道原位生物修復(fù)，可達(dá)到進(jìn)一步、顯著的河道水質(zhì)凈化作用，由此可見(jiàn)，采用氧化塘+河道原位生物修復(fù)的技術(shù)對(duì)城市重污染河道進(jìn)行治理是一項(xiàng)行之有效的方法，原位生物修復(fù)技術(shù)措施有待進(jìn)一步的研究和報(bào)道。

表1 河道水體生物修復(fù)過(guò)程水質(zhì)變化

2.2 河涌水體修復(fù)過(guò)程中藻類變化

水環(huán)境受污染后，必然影響水體中藻類固有的生物種群的數(shù)量和物種組成，因此，水體中藻類的群落結(jié)構(gòu)、數(shù)量等的變化是反應(yīng)水質(zhì)狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)[9]。而水體受污染程度的不同，藻類的群落結(jié)構(gòu)、種類的組成和數(shù)量、優(yōu)勢(shì)種都會(huì)表現(xiàn)出不同的特征。據(jù)此，對(duì)不同修復(fù)階段河道水體的浮游藻類群落、種群結(jié)構(gòu)、種類組成和優(yōu)勢(shì)種進(jìn)行對(duì)比分析，確定反應(yīng)河道不同修復(fù)程度的浮游藻類結(jié)構(gòu)特征和指示種。

2.2.1 藻類群落、種類組成 在對(duì)不同修復(fù)階段水體的藻類觀測(cè)中，共發(fā)現(xiàn)浮游藻類6門(mén)92個(gè)種，其中藍(lán)藻門(mén)(Cyanophyta)13種，綠藻門(mén)(Chlorophyta)56種，硅藻門(mén)(Bacillariophyta)10種，裸藻門(mén)(Euglenophyta)11種，隱藻門(mén)(Cryptophyta)和甲藻門(mén)(Pyrrophyta)各1種。

對(duì)藻類觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果如表2所示。由觀測(cè)結(jié)果分析可知，隨著水體的逐漸修復(fù)和污染程度的降低，浮游藻類的種類組成發(fā)生顯著變化，在修復(fù)前，藻類群落有4門(mén)55個(gè)種，經(jīng)氧化塘修復(fù)后出現(xiàn)6門(mén)63個(gè)種，河道修復(fù)上游5門(mén)54個(gè)種，河道修復(fù)下游共5門(mén)38個(gè)種；在四個(gè)不同修復(fù)階段，綠藻種類數(shù)量相對(duì)最大，為藻類群落中的優(yōu)勢(shì)藻類，但隨著水體修復(fù)程度的提高，藍(lán)藻和綠藻的種類數(shù)量大大減少，而裸藻種類顯著增加，硅藻種類維持在6種。以上變化的主要原因是在水體修復(fù)后，水體有機(jī)污染程度降低，耐重污染的種類減少，而適于在修復(fù)后水體中生長(zhǎng)的裸藻種類逐漸增加，觀測(cè)結(jié)果也表明，水華微囊藻(Microcystisflos-aquae)、銅綠微囊藻(Microcystisaeruginosa)、假魚(yú)腥藻(Pseudoanabaena)、平裂藻(Merismopedia)、色球藻(Chroococcus)、油泥顫藻(Microcytismarginata)、纖維藻(Ankistrodesmus)、柵藻屬(Scenedesmus)、鼓藻(Cosmarium)、四星藻(Tetrastrum)等耐污染藻類隨著水體的修復(fù)而逐步消失。

表2 不同修復(fù)程度水體浮游藻類種類組成

2.2.2 藻類數(shù)量變化及優(yōu)勢(shì)種 對(duì)各藻類門(mén)的藻類數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3分析可知，修復(fù)前河涌黑臭水體藻類主要為藍(lán)藻和綠藻，其中藍(lán)藻為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)種群，有少量的硅藻和裸藻生長(zhǎng)；隨著水體的修復(fù)，藻類的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生演變，形成以裸藻為優(yōu)勢(shì)種群，綠藻、硅藻為次優(yōu)勢(shì)種群，藍(lán)藻數(shù)量稀少的群落結(jié)構(gòu)。在水體修復(fù)完成后，裸藻細(xì)胞密度達(dá)到藻類總細(xì)胞密度的40.2%，藍(lán)藻降至7.8%，綠藻始終維持在30%～40%。由此可見(jiàn)，在河涌污染水體的修復(fù)過(guò)程中，敏感藻類為裸藻和藍(lán)藻，其藻類細(xì)胞密度在藻類群落總密度中的組成比例很大程度上反應(yīng)了水體的修復(fù)效果。

隨水體的逐漸修復(fù)，藻類總密度逐漸減少，由修復(fù)前的2×107cell/L減少到3.0×106cell/L，這主要是因?yàn)樗w修復(fù)后，水體有機(jī)污染程度降低，耐污染藻類數(shù)量大大減少，這與有關(guān)研究結(jié)論類似[10]；同時(shí)，在河道生物修復(fù)過(guò)程中，河道水體中的浮游動(dòng)物大量生長(zhǎng)，出現(xiàn)大型的浮游動(dòng)物(如微型裸腹蚤Moinamicrura)，浮游動(dòng)物的攝食也是導(dǎo)致藻類密度下降的原因之一。

對(duì)觀測(cè)結(jié)果中各藻類種的密度變化分析可知，在水體修復(fù)前和氧化塘修復(fù)后藻類優(yōu)勢(shì)種均為平裂藻和小球藻(Chlorellavulgaris)，河道生物修復(fù)上游優(yōu)勢(shì)種為綠色裸藻(Euglenaviridis)、小環(huán)藻(Cyclotella)、囊裸藻(Trachelomonas)、小球藻、棒膠藻(Rhabdogloea)，河道修復(fù)下游為小環(huán)藻、綠色裸藻、囊裸藻、扁裸藻(Phacus)。

表3 不同修復(fù)程度水體浮游藻類數(shù)量變化

2.2.3 藻類群落生物多樣性變化 采用Shannon-Wiener和均勻度指數(shù)對(duì)不同修復(fù)階段水體的藻類群落生物多樣性和均勻度進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果表明，河涌黑臭水體多樣性指數(shù)為2.71，均勻性指數(shù)0.51，經(jīng)過(guò)氧化塘、河道上游和河道下游修復(fù)后，水體多樣性指數(shù)分別為3.56、3.94和3.84，均勻性指數(shù)分別為0.67、0.76和0.82。顯然，水體得到修復(fù)后，藻類群落生物多樣性提高，均勻度也增加，這與眾多的研究成果相符合，水體污染程度越高，藻類群落生物多樣性低，藻類種類單一，反之，群落多樣性高，生物種類分布均勻。在水體修復(fù)前，水體中的藻類主要為耐污染的藍(lán)藻和綠藻，水體修復(fù)后，硅藻、裸藻等其他藻類門(mén)種類和適應(yīng)輕污染程度水體的藻類種及其密度增加。

2.3 河涌水體修復(fù)的藻類群落結(jié)構(gòu)特征變化

浮游藻類群落結(jié)構(gòu)特征指數(shù)的變化可在一定程度上反映環(huán)境的變化，并可作為評(píng)價(jià)水體水質(zhì)的依據(jù)之一[11]，通過(guò)分析確定不同修復(fù)程度河涌水體的藻類群落結(jié)構(gòu)特征和種群結(jié)構(gòu)特征，將為以浮游藻類作為河涌污染水體修復(fù)的監(jiān)測(cè)手段提供理論依據(jù)。

根據(jù)以上對(duì)河涌水體不同修復(fù)階段藻類觀測(cè)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)計(jì)算和分析表明，在不同修復(fù)階段浮游藻類群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，隨著水體水質(zhì)的提高，藻類群落結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)有規(guī)律的變化和演替，群落結(jié)構(gòu)由藍(lán)藻型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)藻-綠藻型，最后形成裸藻型的群落結(jié)構(gòu)特征，各藻類門(mén)的數(shù)量由修復(fù)前的高度單一逐漸變的均勻。

隨著水體的逐漸修復(fù)，藻類的種群組成及其細(xì)胞密度也表現(xiàn)出明顯的特征變化，藍(lán)藻優(yōu)勢(shì)種由平裂藻轉(zhuǎn)變?yōu)榘裟z藻，細(xì)胞密度由107cell/L下降至105cell/L，種類大大減少；綠藻始終以小球藻為優(yōu)勢(shì)種，種類減少，但均勻度逐漸提高；硅藻相對(duì)細(xì)胞密度逐步增加，以小環(huán)藻為優(yōu)勢(shì)種；裸藻細(xì)胞密度大大提高，由105cell/L達(dá)到106cell/L，種類也由稀少增加至9種，優(yōu)勢(shì)種增加，由單一的綠色裸藻轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色裸藻、扁裸藻、囊裸藻等多個(gè)優(yōu)勢(shì)種。

2.4 河涌水體修復(fù)指示藻類分析

根據(jù)藻類觀測(cè)結(jié)果分析，在水體修復(fù)過(guò)程中，一些藻類種群的密度出現(xiàn)有規(guī)律的變化，在修復(fù)前，水體有機(jī)污染嚴(yán)重，出現(xiàn)大量的耐有機(jī)物污染種，水體修復(fù)中期耐污染種減少，出現(xiàn)中污染指示種類，修復(fù)完成后，水體開(kāi)始出現(xiàn)輕污染指示種類。根據(jù)同類研究成果[10,12-13]以及在水體修復(fù)過(guò)程中細(xì)胞密度變化顯著情況，確定河涌污染水體修復(fù)的指示種為：污染嚴(yán)重的河涌水體指示藻類主要有平裂藻、假魚(yú)腥藻、具緣微囊藻(Microcystismarginata)、棒膠藻、小球藻、鼓藻、二形柵藻(Scenedesmusdimorphus)、四尾柵藻(Scenedesmusquadricauda)、二角盤(pán)星藻(Chlamydomonas)、四星藻、衣藻(Chlamydomonas)、小環(huán)藻、顆粒直鏈藻(Melosiragranulate)、菱形藻(Nitzschia)、蹄形藻(Kirchneeriella)、美麗膠網(wǎng)藻(Dictyosphaeriumpulchellum)、多芒藻(Golenkinia)、微芒藻(Micractinium)；水體經(jīng)過(guò)氧化塘修復(fù)后出現(xiàn)的主要指示藻類為色球藻、油泥顫藻、纖維藻、斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)、蹄形藻、美麗膠網(wǎng)藻、多芒藻、微芒藻、四集藻(Palmella)、韋斯藻(Westellabotryoides)、四足十字藻(Crucigeniatetrapedia)、小樁藻(Characium)、鏈絲藻(Hormidiumflaccidum)、集星藻(Actinastrum)、針桿藻(Synedra)、綠色裸藻等藻類；水體經(jīng)過(guò)河道生物修復(fù)進(jìn)一步凈化后，主要指示種為紡錘藻、綠色裸藻、梭形裸藻(Euglenaacus)、尖尾裸藻(Euglenaoxyuris)、囊裸藻、扁裸藻、鱗孔藻(Lepocinclis)。

3 結(jié) 論

(1)采用氧化塘—河道原位生物修復(fù)技術(shù)對(duì)河涌重污染水體進(jìn)行修復(fù)后，可有效的去除水體污染物。修復(fù)后的水體有機(jī)污染程度顯著降低，CODcr、BOD5去除率達(dá)到82.2%和74.3%，氮磷也得到有效去除，水體透明度大大提高，水體由黑色變?yōu)辄S綠色，臭味消失。

(2)隨著水體的修復(fù)，藻類的群落結(jié)構(gòu)特征發(fā)生顯著變化。在修復(fù)前和氧化塘處理出水等有機(jī)污染嚴(yán)重的水體中，以藍(lán)藻和綠藻為優(yōu)勢(shì)藻類，裸藻、硅藻數(shù)量稀少；經(jīng)過(guò)河道原位生物修復(fù)后，河涌水體水質(zhì)大大改善，形成以裸藻、硅藻、綠藻為優(yōu)勢(shì)藻類的群落結(jié)構(gòu)特征。

(3)水體修復(fù)后，藻類生物多樣性和均勻度顯著提高。藻類優(yōu)勢(shì)種由藍(lán)藻門(mén)、綠藻門(mén)的平裂藻和小球藻轉(zhuǎn)變?yōu)楣柙彘T(mén)和裸藻門(mén)的小環(huán)藻、綠色裸藻、囊裸藻、扁裸藻，耐有機(jī)污染和重污染種類減少，耐中、輕污染種類增加。

(4)通過(guò)河涌水體修復(fù)的指示藻類統(tǒng)計(jì)分析，確定了修復(fù)前、經(jīng)過(guò)氧化塘修復(fù)、河道原位生物修復(fù)上游和下游等重污染河涌水體各個(gè)不同修復(fù)階段的指示藻類。

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