刘 辉，周琼芝，朱嘉浩，鲁杰罗，葛 飞,*

(1.湘潭大学环境与资源学院，湖南湘潭 411105；2.复杂重金属废水高效净化与应用湖南省工程实验室，湖南湘潭 411105)

随着我国城市化进程加快，黑臭水体已成为最亟需解决的城市水环境问题[1-2]。国务院在2015年发布的《水污染防治行动计划》中提出：“到2020年，地级及以上城市建成区黑臭水体均控制在10%以内；到2030年，城市建成区黑臭水体总体得到消除”[3]。根据我国住房和城乡建设部与生态环境部联合搭建的城市黑臭水体整治监督平台数据统计显示：截至2021年4月20日，全国认定了2 914个黑臭水体，其中98.2%黑臭水体已完成治理[4]。但由于管网建设不完善和实际黑臭水体成因复杂等，部分经过治理后的黑臭水体出现了返黑、返臭现象[5]。

水体黑臭的形成是一种生物地球化学过程[6]。水体遭受有机物严重污染时，好氧微生物消耗水中溶解氧(DO)分解有机物造成水体缺氧，水体缺氧条件下有机物被厌氧微生物降解生成挥发性有机硫化物(VOSCs)、硫化氢(H2S)和氨气(NH3)等致臭物质，同时H2S与沉积物中的铁、锰等金属矿物形成硫化亚铁(FeS)、硫化锰(MnS)等致黑物质[7]。黑臭水体作为突出的水环境问题，受到广泛关注，目前已有学者在水体黑臭形成机理[8-9]、水体中致黑及致臭物质[10-11]和水体黑臭的形成条件[12-13]等方面进行了研究。实际黑臭水体是一系列复杂生物化学作用后的结果，受到多种环境因素及污染物的影响，难以全面研究其影响因素。水体黑臭的根本原因是有机污染物过量，而含碳有机物是最重要的有机污染物之一，但有机碳源对黑臭现象形成的影响尚不明晰，不利于黑臭水体的精准治理。

常见的有机碳源为易生物降解型(如甲醇、乙酸等)和慢速可生物降解型(淀粉、蛋白质等)等[14]。慢速可生物降解有机物是城市污水的主要组成部分[15]，而淀粉是最常用的慢速可生物降解碳源，因此试验选择淀粉作为有机碳源。本文以淀粉为有机碳源、实际黑臭水为菌液，在封闭静态微生态系统中模拟水样黑臭现象的形成过程。通过测定水体黑臭标准指标[DO和氧化还原电位(ORP)]、水体黑臭表观指标(色度和臭阈值)、微生物代谢反应指标(pH)和致黑、致臭物质指标(Fe2+、S2-和FeS)的变化，探究有机碳源对水样黑臭现象形成的影响及机制，以期为黑臭水体的精准治理提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 黑臭菌液来源

实际黑臭水体的水质变化波动大且成分复杂，用于试验将增添不确定因素，因此，以实际黑臭水为菌液，接种到添加一定营养物质的超纯水中，构建封闭静态微生态系统以模拟黑臭水的形成。

对某水体进行长期水质监测，结果显示该水体属于轻度黑臭水体。试验所用黑臭菌液为该黑臭水体所采水样经过定性中速滤纸(孔径为30～50 μm)重力过滤后所得滤液，菌液密封在具塞玻璃瓶中置于冰箱4 ℃保存备用。菌液通过16S rDNA高通量测序分析鉴定，主要菌门为变形菌门(Proteo-bacteria，43.0%)、厚壁菌门(Firmicutes，31.4%)、放线菌门(Actinobacteria，9.7%)和拟杆菌门(Bacteroi-detes，6.2%)。

1.2 人工模拟黑臭水配比

选取质量浓度为402 mg/L的淀粉[总有机碳(TOC)质量浓度为200 mg/L]；质量浓度为107 mg/L的尿素(TN质量浓度为50 mg/L)；质量浓度为100 mg/L的FeSO4·7H2O(Fe2+质量浓度为20 mg/L)；质量浓度为126 mg/L的Na2HPO4·12H2O；质量浓度为10 mg/L的KH2PO4；质量浓度为100 mg/L的MgSO4·7H2O和89 mg/L的CaCl2[16]。

1.3 菌液比对水样黑臭现象形成影响试验

在无菌操作台中加1 L无菌超纯水于灭菌处理的具塞玻璃瓶中，按照人工模拟黑臭水配比加入相应营养物质，分别接种0、1、2、4、8 mL黑臭水菌液，使菌液比分别为0、1∶1 000、1∶500、1∶250、1∶125，置于恒温培养箱，设置温度为28 ℃恒温，遮光静态封闭培养，每组设置3个平行。每2 d测定水样的DO、ORP、色度、臭阈值、pH、Fe2+、S2-以及FeS，试验进行至各试验组的各项测试指标基本稳定时，试验结束，并确定后续试验的试验周期。

1.4 有机碳源浓度对水样黑臭现象形成影响试验

在无菌操作台中分别添加0.000 0、0.100 5、0.201 0、0.301 5、0.402 0 g淀粉于含有1 L无菌超纯水的具塞玻璃瓶中，有机碳源质量浓度(以TOC计)分别为0、50、100、150、200 mg/L，按照配比加入营养物质，根据适宜菌液比加入黑臭菌液，置于恒温培养箱，设置温度为28 ℃恒温，遮光静态封闭培养，每组设置3个平行。每2 d测定水样的DO、ORP、色度、臭阈值、pH、Fe2+、S2-以及FeS。

图1 菌液比对水样中DO、ORP、色度和臭阈值的影响Fig.1 Influence of Bacteria-Liquid Ratio on DO, ORP, Chromaticity and Odor Threshold in Water Samples

1.5 水质参数测定方法

试验开始后每2 d取样1次，取样深度为具塞玻璃瓶中水样深度的1/2处。DO采用上海雷磁JPBJ-608型溶解氧仪测定。pH和ORP采用上海雷磁PHS-3E型pH计测定。Fe2+采用《水质 铁的测定 邻菲啰啉分光光度法(试行)》(HJ/T 345—2007)。S2-和臭阈值分别采用《水和废水监测分析方法》(第四版)中的对氨基二甲基苯胺光度法(亚甲蓝法)(A)和臭阈值法(B)测定。色度采用姚国等[17]改进的分光光度法测定。FeS采用冯紫艳[18]提出的分光光度法测定。

2 结果与讨论

2.1 菌液比对水样黑臭现象形成的影响

DO和ORP是目前我国城市黑臭水体污染程度分级标准指标[19]，色度和臭阈值可以直观反映水样黑臭程度[2]。配制不同菌液比的水样，试验持续进行25 d，共取样测定13次。测定水样黑臭现象形成过程中DO、ORP、色度和臭阈值4个水质参数的变化，结果如图1所示。

如图1(a)所示，试验组(添加菌液试验组)的DO最小值均为0达到重度黑臭标准(<0.2 mg/L)，且水样变黑并有明显异味。试验组的DO均降至0后逐渐回升，其中菌液比为1∶1 000和1∶500的试验组DO分别在第15 d和第17 d为0；而菌液比为1∶250和1∶125的试验组DO为0出现在第9 d，且菌液比为1∶250的试验组DO下降速率大于菌液比为1∶125的试验组，以上结果表明试验中适宜的菌液比为1∶250。对照组(未添加菌液试验组)的DO最小值为1.07 mg/L达到轻度黑臭标准(0.2～2 mg/L)，但试验过程中水样未变黑或有明显异味。对照组在试验取样过程中可能混入了空气中的微生物，致使有机物被好氧微生物分解，但缺乏自然水体中导致黑臭的关键微生物如硫酸盐还原菌和铁还原菌等[7]，因此DO达到轻度黑臭标准却无黑臭现象。

由图1(b)可知，在第1～5 d ORP变化波动小，此时添加微生物正处于适应期；第5～7 d添加菌液试验组均显著提升，此时微生物适应了环境且以好氧微生物为主，好氧微生物将长碳链有机物降解成二氧化碳，并伴随着氧化产物的生成，ORP提高。随着水中的DO降低，微生物以厌氧分解为主，生成还原产物，随后ORP下降。在试验过程中各试验组ORP呈现整体下降趋势，均达到轻度黑臭标准(-200～50 mV)，表明水样的氧化还原性质由氧化状态向还原状态转变。

图2 菌液比对水样中pH值、Fe2+、S2-和FeS的影响Fig.2 Influence of Bacteria-Liquid Ratio on pH Value, Fe2+, S2- and FeS in Water Samples

如图1(c)～图1(d)所示，对照组的色度和臭阈值变化波动小，而试验组的色度和臭阈值上升后下降，菌液比为1∶250时，色度在第1～9 d从55度增至140度;臭阈值在第1～7 d从0增加到20，第10～25 d水样色度和臭阈值逐渐下降，水样黑臭程度降低。其中，对照组和添加菌液比为1∶250、1∶125的试验组臭阈值在21 d后基本稳定不变，而添加菌液比为1∶1 000、1∶500的试验组21 d后臭阈值剧烈上升，通过比对推测该现象出现的原因是菌液比低的试验组微生物含量低，可能需要更长的时间使水样黑臭。

pH是反映微生物代谢反应的重要指标[20]。导致水体发黑的物质主要包括金属硫化物和可溶性有机物，其中FeS是城市黑臭水体的主要致黑物质；导致水体发臭的物质可能有上千种，H2S和VOSCs是主要致臭物质[7]。因此，Fe2+、S2-和FeS是指示水样中致黑、致臭物质的重要指标。为进一步分析水样黑臭现象形成的原因，试验中测定pH、Fe2+、S2-和FeS这4个水质参数，结果如图2所示。

上述试验结果表明，水样黑臭形成受微生物驱动，试验条件下适宜的菌液比为1∶250。19 d后各试验组的水质参数均基本稳定，因此后续试验周期可设置为19 d。

2.2 有机碳源浓度对水样黑臭现象形成的影响

通过改变添加淀粉的质量，配置不同有机碳源浓度水样(以TOC计)，试验周期为19 d，共取样测定10次。测定水样黑臭现象形成过程中DO、ORP、色度和臭阈值4个水质参数的变化，结果如图3所示。

图3 有机碳源对水样DO、ORP、色度和臭阈值的影响Fig.3 Influence of Organic Carbon Source on DO, ORP, Chromaticity and Odor Threshold in Water Samples

图4 有机碳源对水样pH值、Fe2+、S2-和FeS的影响Fig.4 Influence of Organic Carbon Source on pH Value, Fe2+, S2- and FeS in Water Samples

本试验对试验周期内的DO、ORP、色度和臭阈值的最值(DO最小值、ORP最小值、色度最大值和臭阈值最大值)与有机碳源浓度进行了皮尔逊相关性分析。试验组的DO随时间先下降后上升[图3(a)]，DO最小值与有机碳源浓度的皮尔逊相关性分析结果为极显著负相关(p<0.01，r2=0.98)。有机碳源充足时水样中微生物分解有机碳源的耗氧速率大于复氧速率，DO下降；有机碳源不足时水样复氧速率大于耗氧速率，DO回升，表明有机碳源是影响水样中微生物活动的重要因素[2]。试验组的ORP均呈下降趋势[图3(b)]，试验表明水样黑臭现象形成伴随着ORP下降。

2.3 有机碳源对水样黑臭现象形成的影响机制

水样黑臭现象形成过程如图5所示主要包括黑臭前期(好氧分解阶段)、黑臭出现(缺氧还原阶段)和黑臭衰退(营养物质消耗殆尽阶段)3个阶段。

表1 水样黑臭现象与水质参数的皮尔逊相关性分析Tab.1 Pearson Correlation Analysis of Black and Odor Phenomenon of Water Samples and Water Quality Parameters

图5 有机碳源对水样黑臭现象形成的影响机制Fig.5 Influence Mechanism of Organic Carbon Source on Formation of Black and Odor in Water Samples

(1)

(2)

(3)

有机碳源未被耗尽时产生的H2S等小分子气体使FeS悬浮在水中，导致水样发黑。有机碳源含量逐渐降低甚至耗尽时不再产生小分子气体，FeS逐渐沉积到水底，水样黑臭衰退(色度、臭阈值和FeS浓度降低)。

3 结论与展望

3.1 结论

(1)水样黑臭现象形成受微生物驱动，试验条件下适宜的菌液比为1∶250。在该菌液比下，有机碳源质量浓度(淀粉，以TOC计)≥100 mg/L时水样出现黑臭现象。皮尔逊相关性分析显示水样黑臭程度与有机碳源浓度显著正相关，而DO与有机碳源浓度极显著负相关(p<0.01，r2=0.98)，说明有机碳源是水体黑臭的重要因素。

3.2 展望

本研究仅在实验室条件下进行试验，没有考虑水生生态系统中其他的生物(例如生产者植物、藻类，消费者动物等)的影响，也没有考虑部分环境条件的影响(如温度变化对微生物耗氧速率的影响，风、浪等水动力条件变化的复氧作用等)。因此，本研究与实际的天然水体的黑臭形成过程有一定差异，后续研究可考虑构建原位试验体系，并结合宏基因组等组学探究黑臭水体形成过程中微生物功能基因的变化。