城市黑臭河道内源氮硝化研究

河道黑臭是我国城市环境污染和生态破坏的代表性恶果。目前许多城市根据自身的特点，开展了许多黑臭河道整治工程[1-4]，基本遵循“控源净化修复”的思路。然而，随着相应黑臭河道治理工程的实施，污染负荷得到了大幅度削减、黑臭也逐步好转，氮去除难以达标的问题凸显出来。另外，由于目前《地表水环境质量标准（GB3838—2002）》中对于湖库以外水体只有氨氮要求，在黑臭河道治理中往往关注氨氮的去除，侧重于氨氮的硝化转化，忽视反硝化脱氮过程，导致总氮去除率偏低的现象普遍存在，这也是课题组在黑臭河道治理的工程实践和调研其他城市河道治理的经验中发现的新问题。随着人们对水质富营养化问题的日益重视以及对氮危害水环境质量认识的深入，未来的发展趋势必使人们越来越关注城市黑臭水体中总氮的去除。在外源输入受到有效控制后，底泥内源氮成为水体氮污染的主要来源。虽然底泥疏浚是应用较为广泛的一种内源污染控制技术，但在疏浚效果的问题上国内外争议颇大，尤其是在疏浚能否长效控制目标污染物及其对底栖生境的影响[5-7]。底泥内源氮的转化行为是一个涉及化学、生物、物理等多种因素的多相的复杂的生物地球化学过程，其中硝化与反硝化过程是河道底泥氮的生物地球化学循环中的关键过程，也是削减底泥氮负荷和控制内源氮释放的重要途径。然而目前相关研究主要针对海洋、河口海岸以及湖泊沉积物[8-9]，对于污染严重且受人为干扰频繁的城市黑臭河道研究很少。因此，从硝化与反硝化耦合作用角度探讨底泥内源氮的行为，对于有效解决黑臭河道氮超标治理难题具有重要的现实意义。

1黑臭河道底泥内源氮硝化-反硝化作用理论分析

影响底泥内源氮硝化-反硝化作用的环境因子有pH、溶解氧(dissolvedoxygen,DO)、温度、有机质含量、扰动等，其中溶解氧是水环境的重要指标，显著影响底泥内源氮的转化行为。由于氧是硝化过程中的电子受体，提高DO浓度有利于硝化反应的发生，硝化可为反硝化的发生提供必要的电子受体(NO3--N)；而生物反硝化过程需要保持严格的缺氧条件，溶解氧同时对反硝化过程又有抑制作用。传统生物脱氮观点认为硝化与反硝化过程不能同时发生，针对两类过程中微生物主体和环境条件(特别是溶解氧水平)的差异性，通常是将硝化反应和反硝化反应作为两个独立的阶段分别在不同的空间区域中或者在时间和空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个空间区域中进行。近年来的新发现突破了这一认识，使得同时硝化反硝化成为可能，即硝化与反硝化反应在同一个空间区域中同时完成。目前对于该机制已初步形成了3种解释，即宏观环境解释、微环境解释和生物学解释[10]，其中微环境理论目前已被普遍接受。微环境理论认为：由于氧扩散的限制，在同一空间区域内会产生DO浓度梯度，DO浓度较高处以好氧硝化菌为主；氧传递受阻处形成缺氧微环境，反硝化菌占优势，从而导致微环境的同时硝化反硝化。因此，溶解氧水平和缺氧微环境分布是非常重要的参数，在这矛盾平衡中影响着硝化-反硝化作用的进行。为了实现对底泥内源氮的有效控释，就必须通过选择合理的人为干预条件从影响溶解氧水平和缺氧微环境分布两方面来控制硝化-反硝化反应平衡。由于水体供氧和耗氧失衡是引起水体发生黑臭的主要原因之一，曝气复氧被认为是治理河道污染的一种有效措施。对于底泥内源氮硝化-反硝化的有效耦合，可以通过低氧连续曝气(空间上好氧和缺氧环境的交替)或间歇曝气(空间上好氧和缺氧环境的交替)来实现。

2黑臭河道底泥内源氮硝化-反硝化作用研究现状及发展动态分析在城市黑臭河道治理过程中，底泥内源释放由于其释放面积大，释放时间、途径和释放量具有不确定性，因此往往是治理的难点。为有效控制底泥内源氮释放，就必须研究底泥内源氮的迁移转化规律，其中硝化-反硝化作用是削减底泥氮负荷和控制内源氮释放的重要途径。

2.1底泥内源氮硝化-反硝化作用影响因素底泥不仅是城市河道水污染物迁移的一个主要归宿，同时也是制约河道水质改善的重要次生污染源，有关底泥内源氮的迁移转化已日益引起广泛关注[11-17,21-23]。影响底泥内源氮行为的环境因子有pH、溶解氧、温度、有机质含量、扰动、氮的赋存形态及其丰度等，目前主要针对底泥内源氨氮或总氮的释放，从硝化与反硝化耦合作用角度探讨底泥内源氮的行为还很少。由于人工曝气可以提高水体中的溶解氧含量，强化水体的自净功能，促进水体生态系统的恢复，因而被认为是治理河道污染的一种重要措施，目前已在工程实践中得以广泛应用[1-4]。我国目前常用的河道增氧设备主要有鼓风－扩散曝气、水面转刷曝气、射流曝气和船载移动曝气等[18-19]，其中水面转刷曝气和射流曝气应用较多。作为黑臭河道的重要治理技术，人工曝气对底泥氮转化行为的影响具有二重性：一方面，曝气复氧有助于底泥内源氮的硝化转化；另一方面，曝气扰动可使底泥在局部范围内大量扬起并悬浮在水体中，促使底泥内源氮污染物的快速释放，同时也改变泥水界面缺氧微环境的分布，影响底泥内源氮的反硝化过程。因此，曝气扰动是影响底泥内源硝化-反硝化作用的重要因素。目前相关研究主要从人工曝气贡献溶解氧的角度分析底泥向上覆水释放氨氮[11-17]或总氮[13-17]的行为，其研究结论不尽相同，而且关于曝气扰动对底泥内源氮转化影响的深入分析很少，相关研究大都限于使用柱状容器模拟水体[13-17,21]。例如，李文红等[16]研究表明高DO水平(﹥5mg•L-1)对于控制底泥向上覆水释放总氮是必要的；然而，也有学者认为，好氧条件会导致上覆水硝酸盐含量明显增加[17]。上述研究结论的分歧主要可能归因于曝气过程产生的泥水界面扰动差异所致。事实上，在保持上覆水DO含量一致的条件下，人工曝气产生的泥水界面扰动对于不同的曝气装置及布置均会有所不同，其直接影响体系中溶解氧水平和缺氧微环境的分布，进而影响底泥内源氮污染物的硝化和反硝化过程。如何合理界定曝气对泥水界面扰动的影响，使研究结论具有代表性，是黑臭河道曝气复氧工程高效实施的重要环节。然而，目前人工曝气治理黑臭河道的工程运行模式相对粗放，对曝气条件的优化定量研究较少。为了实现对底泥内源氮的有效控释，就必须通过选择合理的曝气条件从影响溶解氧水平和缺氧微环境分布两方面来控制硝化-反硝化反应平衡。

2.2底泥内源氮硝化-反硝化作用的微生物特性底泥内源氮的转化行为是一个涉及化学、生物、物理等多种因素的多相的复杂的生物地球化学过程，主要与底泥污染水平、氧化还原状况、生物作用大小和水动力影响程度等多种条件密切相关。其中涉及的4个主要过程，即固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用，均由微生物驱动(图1)[24]。硝化与反硝化过程是河道底泥氮的生物地球化学循环中的关键过程，也是削减底泥氮负荷和控制内源氮释放的重要途径。目前关于底泥硝化-反硝化过程的微生物特性研究主要是针对海洋、河口海岸以及湖泊沉积物[25-29]，对污染严重且受人为干扰频繁的城市河道底泥的相关研究较少，已检索到的文献分别是采用最大或然计算法研究河道底泥氮转化细菌的垂直分布[30]和河道底泥反硝化活性及功能基因nir的丰度[31]，对于黑臭河道底泥内源氮硝化-反硝化作用的微生物特性研究还尚未见有报道。另外，申请者课题组在对上海某黑臭河道底泥中优势菌的初步分析中发现，优势菌包括硝酸盐还原菌和氨氧化古菌，但却没有氨氧化细菌，是否据此推测氨氧化古菌在黑臭河道底泥中的氨氧化过程占主导地位，是否存在氨氧化古菌和反硝化菌的协同作用，仍需进一步深入研究。

2.3底泥内源氮硝化-反硝化作用研究发展动态分析对于污染严重且受人为干扰频繁的城市黑臭主要原因之一，为实现对底泥内源氮的有效控释，往往需要通过选择合理的曝气条件从影响溶解氧水平和缺氧微环境分布两方面来控制硝化-反硝化反应平衡。目前关于底泥内源氮硝化-反硝化作用研究还有待解决以下关键问题：（1）城市黑臭河道模拟试验装置的构建由于河道底泥的环境行为是一个十分复杂的过程，难以直接在开放性河道中进行定量分析研究，因此如何能够借助有效的试验设备来真实模拟河道风浪扰动等自然水动力条件或曝气条件下河道泥水界面扰动过程是一个关键问题。目前常用的模拟装置主要包括直槽[22]、双向环形水槽[32-33]、加长型环形水槽[34]等。直槽需要设置贮水箱和回流装置来实现连续进水，不可避免受到进水泵的扰动，且要求有足够的长度，难以真实反映底泥在水动力条件下内源释放的状态。环形水槽是把直槽的长度转化为时间尺度，以模拟无限长的水槽，由于其水流运动的封闭性，没有出流、入流的物理边界，可克服直槽的上述缺点，因而得以较多的应用，但其结构较为复杂，且其旋转产生的离心力易于形成横向副流和流速沿径向分布不均等现象，使得内源释放的研究变得更为复杂。（2）黑臭河道底泥内源氮硝化与反硝化性能的评定为了有效调控底泥内源氮硝化-反硝化耦合过要的环节。目前常用于海洋、河口海岸以及湖泊沉积物硝化与反硝化性能的测定方法，包括烯丙基硫脲抑制法、液体培养法、乙炔抑制法和同位素示踪法等，均需要异位进行而且还需要进行培养，难以适合水动力条件尤其曝气条件下底泥硝化与反硝化性能的测定。建议通过空白对照组和水动力(曝气)实验组在泥水界面上不同形态氮含量的对比分析，对氮行为的非生物途径进行研究，在此基础上从质量平衡角度估算曝气条件下底泥内源硝化与反硝化变化率进行评定；同时借助荧光定量PCR检测技术，通过对相关功能基因的定量检测，进一步评定底泥内源氮硝化与反硝化性能。

3结语

硝化与反硝化是河道底泥氮的生物地球化学循环中的关键过程，也是削减底泥氮负荷和控制内源氮释放的重要途径。因此，从硝化与反硝化耦合作用角度研究底泥内源氮的行为是一项有意义的工作。目前对于污染严重且受人为干扰频繁的城市黑臭河道，往往侧重于氨氮的硝化转化，忽视反硝化脱氮过程，导致总氮去除率偏低的现象普遍存在。为实现对其底泥内源氮的有效控释，就必须通过选择合理的曝气条件从影响溶解氧水平和缺氧微环境分布两方面来控制硝化-反硝化反应平衡，其中如何合理界定曝气对泥水界面扰动(即缺氧微环境分布)的影响，是一项值得探讨的工作。另外，关于底泥内源氮硝化-反硝化作用研究还有待解决黑臭河道模拟试验装置的有效构建以及水动力条件尤其曝气条件下底泥硝化与反硝化性能的合理评定等关键问题。为底泥内源氮的有效控释提供充分依据，还需要进一步从分子生物学角度系统解析底泥内源氮硝化-反硝化耦合的微生物机制。