錢嘉辰，曾楚涵，楊祿姣，王先兵，鄧佳煒，彭海山，劉文莉

（臺州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

0 引言

水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致了藻類及其他浮游生物的快速生長和繁殖，使溶解氧水平下降，水體出現(xiàn)變黑發(fā)臭［1］。富營養(yǎng)化和黑臭現(xiàn)象主要與水中DO含量低、磷濃度高有關(guān)［2］。因此，增強水體溶解氧水平，減少磷含量是使水環(huán)境維持在相對健康狀態(tài)的重要措施。水體復(fù)氧通常采用水體表面曝氣及沉積物表面曝氣兩種機械曝氣方式［3］，但水體表面曝氣迅速產(chǎn)生的大量氧氣，不能全部被水體利用，同時產(chǎn)生的氧氣較難向底泥擴散，不能為底泥提供穩(wěn)定長期的供氧，不利于底泥中好氧微生物的生長。而沉積物表面曝氣會使沉積物受到擾動而釋放原本固定在其中的部分污染物，造成二次污染，并會影響到上覆水的透明度，且曝氣孔易堵塞，設(shè)備維護和運行也需投入相對多的資金［4］。

磷是導(dǎo)致河水富營養(yǎng)化的主要限制因素［5］。隨著我國環(huán)境污染治理及管理力度的增強，河流外部磷的輸入得到有效控制，但沉積物內(nèi)部磷的釋放成為導(dǎo)致水質(zhì)惡化、影響水體生態(tài)環(huán)境的主要因素［5］。一些不同的機制可能會誘導(dǎo)水體內(nèi)部磷的釋放，如溶解氧（DO）值、pH值等物理化學(xué)因素以及生物因素［6］。因此，控制好沉積物內(nèi)部磷的釋放，對于水體修復(fù)的成功至關(guān)重要。

過氧化鈣（CaO2）與水反應(yīng)形成過氧化氫，可以氧化沉積物中的有機物（式（1））。同時，Ca(OH)2在沉積物表面形成了一個物理屏障，阻止了沉積物中內(nèi)源性磷的釋放（式（2））。另一方面，CaO2釋放的氧氣（式（2）（3）），增加了水體和沉積物-水界面的DO水平，可以促進內(nèi)源磷向穩(wěn)定態(tài)磷如磷酸鈣(Ca-P)的轉(zhuǎn)化［7-9］。

與強力機械曝氣相比，CaO2釋氧效率高，曝氣方式溫和，氣泡體積小，簡便易行，無二次污染和能耗，近年來逐漸引起人們的重視［4］。但CaO2作為釋氧劑存在一些問題：CaO2與水接觸時，會因為釋放氧氣過快而失去釋氧能力，同時快速釋氧形成的高氧條件對某些生物有害，這不利于維持水體自凈過程中的微生物對溶氧穩(wěn)定長期的需求［3］。而且，CaO2作為一種堿性化合物，能夠與水反應(yīng)生成OH-，使溶液中的pH值升高，從而使微生物活性發(fā)生改變，影響生物修復(fù)進程［10-11］。

為解決上述問題，一些研究者在 CaO2中加入 KH2PO4和(NH4)2SO4［12］、NH4Cl［13］以中和 OH-，維持微生物所需pH值在5～8.5的最佳范圍，或加入其他材料改善釋氧速度［7，14］。Zhou等［7］將CaO2直接與硬脂酸和不可降解石英混合制作緩釋氧材料，用于廢水活性污泥的生物修復(fù)和控制水中的總磷。Huang等［14］應(yīng)用含有CaO2和斜發(fā)沸石的被動滲透活性屏障（PRB）成功去除了地下水中的NH4+-N。Zhang等［15］用CaO2固體石蠟原位去除地下水的錳。目前CaO2的研究大多用于地下水和土壤的供氧修復(fù)，緩釋氧化合物對于地表水沉積物中磷的形態(tài)和微生物酶活性的影響的相關(guān)研究仍較少。本文使用CaO2、鈉膨潤土、河砂和水泥混合制備緩釋氧化合物（OSRC），并研究其對水中DO值和pH值的影響、沉積物中磷組分產(chǎn)生的變化及沉積物中微生物活性的改變。

1 材料和方法

1.1 緩釋氧化合物的制備

過氧化鈣（CaO2，純度99%）、鈉膨潤土購自天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。河砂（粒徑為1～2 mm）、硅酸鹽水泥（P.S.A32.5）均由臺州開元建材有限公司提供。實驗中使用的所有其他試劑均為分析純，購自阿拉丁試劑(上海)有限公司。

將CaO2粉碾碎，過150 μm篩（100目），然后與鈉膨潤土、水泥和河砂按75：1：16：8的重量比進行混合，并在混合物中加入15 mL水；將所得混合物制成150個直徑約1.5 cm的OSRC小球（每個小球重量約0.7 g）（如圖1所示），采用高錳酸鉀滴定法測定出每粒OSRC小球中CaO2的含量約為0.5 g［16］。

圖1 OSRC制備示意圖

1.2 水中的DO值和pH值

在3種不同條件下測定300 mL試劑瓶中水的DO值和pH值。第一組，僅含300 mL蒸餾水，為空白對照組；第二組，含300 mL蒸餾水+0.5 g CaO2粉末；第三組，含300 mL蒸餾水+一個OSRC小球（含約0.5 g CaO2）。在實驗前，每個試劑瓶中各加入0.5 g亞硫酸鈉，以使DO值低于0.5 mg·L-1。在不同的時間檢測水中的DO含量和pH值。

1.3 沉積物和水樣

2020 年 7 月，在臺州學(xué)院校園內(nèi)的心湖（北緯 28°39′36″，東經(jīng) 121°23′18″）采集水和沉積物樣品。臺州學(xué)院位于浙江省東南沿海地區(qū)，屬中亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫和濕潤。心湖是面積約為8000 m2的小型湖泊，平均深度為1.5 m。首先從0.5 m深度將湖水泵入塑料容器中收集；然后在同一位置用不銹鋼抓斗采集0～10 cm處底泥樣品；當所有樣品被送到實驗室后，將約130 mL的濕沉積物和150 mL的湖水加入300 mL試劑瓶中，密封，室溫下置于黑暗處保存10 d，以使DO含量低于0.5 mg·L-1。10 d后，將一個OSRC小球直接人工投加到試劑瓶中，相當于75 g OSRC·m?2沉積物表面［4］，對照組不添加OSRC。每個處理重復(fù)3次。

1.4 化學(xué)分析

分別在第0、3、6、10 d采集上覆水和沉積物樣本。通過虹吸法將試劑瓶中的上覆水移取到取樣瓶中，然后用50 mL的注射器插入沉積物中，收集0～2 cm深度的沉積物樣本。測定上覆水總磷（TP）含量以及沉積物中不同形式的磷、菌落形成單位（CFU）、底物誘導(dǎo)呼吸作用（SIR）和酶活性。

溶解氧含量和pH值分別用美國YSI 550A溶氧儀和Hanna 211 pH測量儀測定；上覆水TP采用過硫酸鹽氧化法測定［17］；沉積物中的總磷（TP）、無機磷（IP）、有機磷（OP）、NaOH-P（Fe/Al-P、P 與 Al、Fe、Mn結(jié)合的氧化物和氫氧化物）以及HCl-P（Ca-P、磷與磷灰石的結(jié)合物）按照歐洲委員會的標準程序SMT測定［18］；底物誘導(dǎo)呼吸、蛋白酶、脲酶和脫氫酶活性采用文獻［19］的方法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

實驗結(jié)果以平均值和標準差來表示。采用SPSS16.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)。用于檢驗不同處理之間的差異(LSD，P=0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 OSRC修正劑對水中pH值和DO值的影響

三組處理水中pH值和DO濃度的變化如圖2所示。加入CaO2粉末的第二組溶液初始pH值為7.3，48 h達到最大值11.2，實驗期間溶液的平均pH值為10.2；加入OSRC的第三組溶液pH值最高升至11，隨后逐漸降低至8.5，之后保持不變（如圖2a所示）。兩種處理后溶液的pH值均顯著高于第一組（對照組）（P＜0.05）。從實驗結(jié)果可知，第三組溶液的pH值低于第二組，盡管CaO2與水反應(yīng)時會生成Ca(OH)2，但OSRC中的河砂可作為pH緩沖劑控制pH值的劇烈變化［20］。

圖2 三組溶液中pH值和DO值的變化

經(jīng)CaO2粉末處理后的溶液DO值在5 h后顯著升高至12.2 mg·L-1，但隨后迅速降低，150 h后，溶液的DO值與對照組無明顯差異（如圖2b所示，P＞0.05）；OSRC處理后溶液DO值逐漸升高至4 mg·L-1左右，并保持恒定至實驗結(jié)束（如圖2b所示）。Vezzulli等［21］發(fā)現(xiàn)，一些緩釋氧化合物的有效釋氧效率可長達6個月甚至1年。本文中的OSRC具備成為穩(wěn)定供氧源的能力，但其持久能力還需要在更長的時間內(nèi)進一步觀察。

2.2 OSRC處理對上覆水和沉積物中磷濃度的影響

2.2.1 對上覆水總磷濃度的影響

與對照組相比，經(jīng)OSRC處理后第10 d，上覆水中的總磷（TP）濃度顯著下降（如圖3所示，P＜0.05），其原因可能是：OSRC的加入使得上覆水中的DO值增加，水中的Fe2+被DO氧化為鐵的氫氧化物（例如FeOOH）并與磷反應(yīng)生成沉淀進入到沉積物中［22］，導(dǎo)致上覆水中的磷被去除。但隨著DO值的降低，這種形式的磷可能會再次從沉積物中被釋放轉(zhuǎn)移到上覆水中［1］。

圖3 上覆水中總磷濃度的變化

2.2.2 沉積物中磷組分的變化

磷（P）是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要限制性因素，沉積物中磷的形態(tài)決定了磷的保留或釋放，因為并非所有形式的磷都是可供生物利用的［23］。當實驗中加入OSRC后，經(jīng)處理，沉積物中NaOH-P、HCl-P、無機磷IP和有機磷OP的變化如圖4所示。

圖4 沉積物中NaOH-P、HCl-P、IP和OP的變化

NaOH-P是潛在的可生物利用P形式，包括與Al，F(xiàn)e和Mn氧化物和氫氧化物結(jié)合的P［18］，在較低的氧化還原電勢或較高的pH值條件下，這種形態(tài)的P很容易從沉積物中釋放出來［24］。經(jīng)OSRC處理后，NaOH-P含量在第3d達到峰值，然后逐漸下降（如圖4a所示），第10dNaOH-P含量為0.0113 mg·L-1；而沒有添加OSRC的NaOH-P約為0.064 mg·L-1。NaOH-P一部分受pH的影響，導(dǎo)致部分NaOH-P的遷移［25］。另一方面，水中的 Fe2+可以被H2O2和DO氧化生成FeOOH，與P一起沉淀到沉積物中，導(dǎo)致NaOH-P的增加［22］。因此，兩種作用的凈結(jié)果是：隨著OSRC的加入沉積物中的NaOH-P含量降低。但當DO下降時，F(xiàn)eOOH會轉(zhuǎn)化為Fe2+重新釋放出來，引起水體二次污染。

HCl-P是鈣結(jié)合化合物中的組成部分，通常稱為磷灰石，被視為一種非生物利用的穩(wěn)定形式［26］。在本研究中（如圖4b所示），加入OSRC后，前6dHCl-P含量先升后降，從0.2277 mg·L-1下降至0.0687 mg·L-1，第10d又逐漸升高到0.0843 mg·L-1，高于對照組。這是由于添加OSRC后產(chǎn)生了Ca(OH)2，磷會與Ca(OH)2結(jié)合從而提高 HCl-P 的含量［1，27］。

無機磷IP的主要形式為：①被交換位點吸附的部分，稱為松散結(jié)合P，不穩(wěn)定P或可交換的P，該部分易于釋放，有利于藻類生長。②NaOH-P。③HCl-P［18］。加入 OSRC 后，IP 在第 3d最高為 0.284 mg·L-1，第10d降至0.108 mg·L-1（如圖4c所示）。從圖4可知，無機磷主要由HCl-P組成。相比之下，對照組中HCl-P的含量較少，NaOH-P的含量較多（P＜0.05），這表明加入OSRC后沉積物中IP的主要組成從NaOH-P變?yōu)镠Cl-P。Hu等［28］發(fā)現(xiàn)滇池富營養(yǎng)化較為嚴重，相應(yīng)的沉積物中潛在的可生物利用的有效P（NaOH-P）更多，而生物不可利用形態(tài)的P（HCl-P）較少。

有機磷OP的構(gòu)成組分較復(fù)雜，主要以單酯及二酯的形式存在，易受到沉積物內(nèi)微生物的影響，而微生物對外界條件變化如溶氧變化的響應(yīng)有一定延遲。OSRC處理對沉積物中OP含量的影響較?。≒＞0.05）（如圖4d所示）。

總之，通過測定沉積物中磷的形態(tài)組成可知，經(jīng)OSRC處理后，總磷的主要組成成分是無機磷，而HCl-P是構(gòu)成無機磷的主要組成成分，如圖5所示，說明OSRC的加入使穩(wěn)定態(tài)HCl-P含量增加，有利于控制沉積物中磷的釋放。

圖5 沉積物中磷組分的變化

2.3 OSRC處理法對微生物量和酶活性的影響

微生物量在土壤中起到營養(yǎng)物質(zhì)的礦化和循環(huán)作用。OSRC加入后細菌平均密度比對照組高出一個數(shù)量級（如圖 6a所示，P＜0.05），從 3.3×104CFU mL-1升高至 4.7×105CFU mL-1?；|(zhì)誘導(dǎo)呼吸 SIR 值略高于對照組（如圖6b所示），這表明OSRC處理提高了沉積物中的微生物量和活性。

通常，酶活性是生物氧化還原系統(tǒng)的指標，可以作為衡量土壤中微生物代謝強度的指標［29］。OSRC的添加對沉積物的物理化學(xué)環(huán)境產(chǎn)生影響，從而改變微生物群落的活性。

脫氫酶一般活躍在所有完整的和活的微生物細胞中，通常與微生物存在量及其氧化能力有關(guān)，因此脫氫酶活性被認為是對整體微生物活性的一種度量［17］。與對照組相比，脫氫酶含量在第3d呈升高趨勢，第6d略有下降，然后在第10d開始出現(xiàn)較大增長（如圖6c所示，P＜0.05）。研究發(fā)現(xiàn)，通過加入不同劑量的鹽酸或氫氧化鈉溶液，酸性環(huán)境會抑制脫氫酶活性，而堿性則促進脫氫酶的活性［30］。本文也觀察到加入OSRC后，脫氫酶活性隨水pH值的升高而增加。

脲酶催化尿素水解為二氧化碳和銨鹽，并廣泛分布于環(huán)境中［17］。與對照相比，加入OSRC后，脲酶活性在第6d和第10d明顯增加（如圖6d所示，P＜0.05）。有研究證實，脲酶活性取決于pH值，其最適宜pH條件是堿性環(huán)境［31］。本文中OSRC加入后的溶液pH值約為8.3，適合脲酶活化。

蛋白酶主要來源于土壤異養(yǎng)細菌，另外多種放線菌和真菌也能夠產(chǎn)生蛋白酶［32］。在實驗過程中，經(jīng)OSRC處理后的蛋白酶活性始終高于對照組（如圖6e所示，P＜0.05）。此處給出的結(jié)果與王涵等［33］報道的結(jié)果一致，說明pH值的升高促進了蛋白酶活性的增加。

圖6 沉積物中CFU、基質(zhì)誘導(dǎo)呼吸、脫氫酶、脲酶、蛋白酶的變化

3 結(jié)語

本文的研究結(jié)果證實：①OSRC具有作為穩(wěn)定的氧氣供應(yīng)源的能力，并可以提高上覆水中總磷（TP）的去除率。②添加OSRC后，底泥中IP的主要組成從有效磷（NaOH-P）變?yōu)椴豢捎昧祝℉Cl-P），對水中可生物利用的磷形態(tài)的降低有積極影響。③OSRC通過提供氧氣和合適的pH值可以改善脫氫酶、脲酶和蛋白酶的微生物活性。此結(jié)果將有助于更好地了解OSRC處理法對于水生生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的效率及其影響。