水培植物對城市污染河道水體凈化的效果

張 博，李 真，黃民生，何 巖，童 敏，沈叔云

(華東師范大學資源與環境科學學院，上海 200062)

水生植物作為水生生態環境中物質循環和能量轉化的橋梁，因具有美化環境、凈化水質和固持底泥等功能，在國內外已被廣泛應用于各種類型的污染水體修復［1-4］。其主要技術有人工濕地技術［5］、生態浮床技術［6］及水生植物氧化塘［7］等。目前在城市中小河道的治理中應用較多的是生態浮床技術［8，9］。

植物的引種和栽培育種是生態浮床應用于城市河道治理的重要環節。目前相關報道多為不同植物的水質凈化效果比較［10，11］以及通過植物與微生物的優化配置和運行參數的調節提高其凈化效果［12，13］，較少考慮引種過程的經濟成本和栽培育種時植物對水體環境的適應性等問題。比如，植物人工培育可能會占用大量土地資源，遠距離運輸耗費大量人力、物力以及運輸過程對植物造成損傷而影響成活率，經土壤培育生根的植物移植于污染水體后可能產生某些異常生理表現等。

植物扦插繁殖是指利用離體植物組織器官(如根、莖、芽或葉等)的再生性能，在一定條件下經過人工培育使其發育成為一個完整的新植株的過程［14］，根據不同的培育基質，植物扦插可分為水插、氣插、土插和砂插［15］。水插繁殖指利用水作為基質扦插繁殖植物，使植物生根成為新的獨立植物體。

本研究提出一種浮床系統植物培育的新思路，即采用水插培育方法，直接以污染河道水體作為培養基質來培育植物，并利用經水培處理生長狀況良好的植物凈化污染水體。試驗選取綠蘿和千屈菜兩種常見的可水插生根的景觀植物作為培育植物。綠蘿和千屈菜根系發達，對不同環境具有良好的適應性，污染物吸收能力強，同時觀賞價值高，目前在水環境治理中已有較多應用［16-19］。

溫州市位于浙江東南部，境內河網縱橫交錯，近年來伴隨地方經濟發展河流污染程度加劇，河水富營養化問題凸顯，很多水體出現黑臭現象。本試驗選用橫瀆河污染水體培育植物并對橫瀆河以及山下河的河水進行凈化效果研究，對于城市中小河道治理植物修復過程中降低經濟成本、提高處理效果等方面具有重要參考意義。

1 材料與方法

1.1 供試植物

供試植物為水插和土培兩種生根培育方式的綠蘿和千屈菜。水插生根綠蘿和千屈菜經溫州市橫瀆河河水直接水插培育成熟，土培生根綠蘿和千屈菜購于溫州花鳥市場。選取長勢一致的植株作為試驗材料。

1.2 試驗水體

以溫州市兩條相交匯的橫瀆河及山下河的河水作為試驗水體。兩條河均位于溫州市區城中村，周圍主要是作坊型工廠、農貿市場和違章建筑等，大量生活和生產廢水被排放入河，水體污染嚴重，均為劣Ⅴ類水質。其中，山下河河道窄，水體流動性差，黑臭程度嚴重;橫瀆河作為過水河道，水面較寬，污染程度低于山下河。試驗河水水質如表1所示。

表1 試驗河水水質Tab.1 Characteristics of River Water

1.3 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。

圖1 植物浮床結構示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Floating Bed

1.4 試驗方法

試驗設計8個處理水平，即用水插生根綠蘿、土培生根綠蘿、水插生根千屈菜以及土培生根千屈菜分別處理橫瀆河和山下河兩種不同污染程度的河水，并設置橫瀆河河水和山下河河水各一個空白對照。試驗于2011年6月10日～7月15日期間開展。分別將60 L的橫瀆河和山下河河水加入塑料水箱中，水箱上固定聚氯乙烯泡沫板并打定種植孔。將清洗后的土培生根的綠蘿和千屈菜以及經過橫瀆河河水水插培育生根的綠蘿和千屈菜種植在泡沫板上。為防止試驗水體因蒸發以及植物蒸騰作用而引起的損失，每天及時補給蒸餾水以保持水箱內水體體積恒定。試驗期間每隔5 d對各植物處理系統及對照組進行取樣，測定CODCr、NH+4-N、TN和 TP等水質指標，水質指標測定參考《水和廢水監測分析方法》之規定嚴格進行［20］。

2 結果與分析

2.1 COD的去除效果

研究表明，水生植物對有機污染物沒有直接的吸收作用，處理系統中CODCr主要依靠顆粒物的沉降作用以及植物根系周圍微生物代謝作用去除［21，22］。

圖2為CODCr的去除效果。由圖2可知經過5 d處理，CODCr濃度均明顯下降。其中，4種植物浮床系統對橫瀆河河水中 CODCr濃度降幅分別為24.5%、23.3%、24.3% 和 23.6%，高于空白對照槽的17.1%，這主要是河水中懸浮顆粒物的共沉淀作用以及植物根系的吸附作用所致。水插綠蘿和千屈菜浮床系統對山下河河水中CODCr濃度降幅分別為26.6%和33.4%，高于空白對照槽的22.8%。而經過土培生根的兩種植物浮床系統，相應CODCr濃度降幅只有13.0%和17.0%，這主要是由于在土壤中生根的植物對污染程度更為嚴重的黑臭水體環境需要一段時間來適應，期間產生的衰敗殘留物以及根系壞死造成有機質分解溶出導致其CODCr濃度降低程度較小。

隨著試驗進行，各植物浮床系統根系不斷生長，對試驗水體的有機物顆粒的捕獲能力也不斷增強。附著植物根系周圍的微生物開始利用有機物作為營養源，逐漸形成生物膜，加強了對水中有機物的降解。4種植物浮床對橫瀆河河水的有機物去除效果差別不大，35 d后的凈去除率分別為 27.1%、32.4%、44.6%和 42.1%。山下河河水由于污染程度嚴重，在試驗15 d后，4種植物浮床系統對有機物去除程度開始表現出明顯差異。其中，土培綠蘿對有機物的去除能力最弱，在5～20 d內由于適應水體環境導致的根系死亡腐敗使得有機物濃度比空白對照槽還要高，35 d后凈去除率只有2.2%。水插生根千屈菜的最終凈去除率為45.7%，高于土培千屈菜的32.7%和水插綠蘿的20.3%。經測量，試驗期間兩種河水中的水插千屈菜根長增長明顯，分別達170%和108%，這不僅有利于有機顆粒物附著，同時擴大根系泌氧范圍，增強了微生物對有機物的降解能力。

圖2 四種植物系統對橫瀆河及山下河河水的COD去除效果Fig.2 Effect of Four Plant Systems on COD Removal of Hengdu River and Shanxia River

圖3 四種植物系統對橫瀆河及山下河河水-N的去除效果Fig.3 Effect of Four Plant Systems on -N Removal of Hengdu River and Shanxia River

2.3 TN的去除效果

圖4為TN的去除效果。

由圖4可知由于試驗前5 d河水中有機含氮顆粒物的沉降行為，各組系統中TN濃度均出現較大幅度的降低，其中橫瀆河河水植物浮床系統中TN降低4.21～5.03 mg/L，山下河河水植物浮床系統中TN降低4.47～5.51 mg/L，與空白對照槽均相差較小。試驗進行5 d后，橫瀆河河水系統中TN濃度繼續平穩下降至試驗結束，并且各植物浮床間TN濃度差距一直較小，最終4種植物系統對TN凈去除率為 34.9%、40.8%、43.1% 和 42.2%，其中千屈菜的TN去除能力略高于綠蘿，而兩種生根方式水質凈化效果的區別沒有明顯體現。對于山下河河水，水插綠蘿、水插千屈菜和土培千屈菜三種處理系統在試驗過程中TN濃度相差不大，最終的凈去除率為33.8%、43.8%和35.7%。而土培生根綠蘿在5～15 d時TN濃度甚至一度高于空白對照槽，也明顯高出同期各處理系統。說明經土壤培育生根的綠蘿其根系結構和營養吸收需較長時間適應黑臭程度的水體環境。最終土培綠蘿系統對山下河河水的TN凈去除率為21.2%。水插生根兩種植物對山下河河水的TN凈去除率比土培生根分別高出12.6%和8.1%。有研究表明短期內濕地水生植物通過植物根系吸收同化的氮污染物即使較低，但通過微生物硝化反硝化作用去除的氮污染物仍較高［25］。付融冰等［26］報道在人工濕地基質中微生物數量與TN去除率具有顯著相關性。經過污染河水水插生根培育的植物的根系細長發達，能更好適應試驗水體環境，根際微生物數量較多，經過植物和微生物的交互作用可以提高TN去除率［27］。

圖4 四種植物系統對橫瀆河及山下河河水TN的去除效果Fig.4 Effect of Four Plant Systems on TN Removal of Hengdu River and Shanxia River

2.4 TP的去除效果

圖5為TP的去除效果。

由于試驗初期兩條河的試驗水體中不溶態磷沉降到處理槽底部，使得TP濃度均有明顯下降。橫瀆河河水中TP下降0.31～0.47 mg/L，山下河河水中TP下降0.6～0.71 mg/L。研究表明植物系統可直接吸收水體中的溶解性磷用于自身組織的合成，同時植物根系周圍的微生物(如聚磷菌)利用水中的磷酸鹽合成ATP并轉化為聚磷來貯存能量［28］。各植物系統對橫瀆河河水中的TP濃度下降趨勢基本一致，土培生根千屈菜在10～25 d時、水插生根綠蘿在20～30 d時，TP濃度分別與其他3種系統略有差異。最終各植物處理系統對橫瀆河河水的TP凈去除率為 45.7%、53.8%、54.4% 和 52.0%，差異不明顯。水插千屈菜由于前期的污染河水培育能較快地適應黑臭程度的水體環境，在10～25 d內相對于其他3種植物系統TP濃度下降明顯。而水插綠蘿、土培綠蘿和土培千屈菜在試驗開始20 d后TP濃度相對于空白對照槽才明顯下降。最終4種植物浮床系統對山下河河水的 TP凈去除率分別為41.4%、34.2%、50.3%和44.5%。水插生根的兩種植物對TP凈去除率比土培生根植物高出7.2%和5.8%，顯示出一定優勢，而千屈菜的TP去除能力明顯高于綠蘿，這與柳驊等的研究一致［29］。

圖5 四種植物系統對橫瀆河及山下河河水TP的去除效果Fig.5 Effect of Four Plant Systems on TP Removal of Hengdu River and Shanxia River

3 結論

(1)不同生根方式的兩種植物對橫瀆河河水的凈化效果差異不大。由于橫瀆河水體污染背景值較山下河低，黑臭程度不明顯，水插和土培植物都能很好利用污染物作為營養鹽，根系、生物量等生長指標差異較小，對水體的凈化效果相近。

(2)不同生根方式的兩種植物對山下河河水的凈化效果差異明顯，通過水插方式培育生根的兩種植物對污染物的去除率均高于土培方式。經過水插生根培育的植物可以更好地適應污染程度更嚴重的黑臭水體環境，植物根長增長率遠高于土培植物，根系發達，有利于顆粒物的吸附以及微生物群落的生長。而根際微生物對水體污染物，特別是CODCr、TN的去除起著重要作用。

(3)綜合來看，千屈菜對河水污染物的去除能力高于綠蘿。在黑臭程度嚴重的山下河河水中，水插千屈菜去除污染物的優勢得到明顯體現，這與其根長、株高、生物量等生長特性增長率最高具有一致性。因此對于污染嚴重的河道水體，可以利用水插培育的千屈菜浮床系統進行治理。

(4)利用水插培育的植物凈化污染河道水體，可將園藝扦插與生態浮床技術很好地結合。水插生根植物具有對污染水體良好的適應性，特別是對重污染水體較好的抗逆性，污染物處理效果好，并具有良好的觀賞價值。此外，預先用污染河水進行水插的培育方法可以降低河道治理中水生植物引種及運輸的成本，對于大規模的生態浮床工程，是一項經濟和實用的水生植物培育方式。

［1］Carl Christian Hofmann，Anneue Baattrnp Pedersen.Reestablishing freshwater wetlands in Denmark ［J］.Ecological Engineering，2006，(9):22.

［2］韓飛園.水生植物重建工程對小柘皋河富營養化水質的凈化效果［J］.環境科學研究，2011，11(24):1263-1268.

［3］吳小慧，張勇，何巖，等.污染水體凈化與生態修復中水生植物光合、呼吸特性研究進展［J］.凈水技術，2009，28(6)5-7，25.

［4］Hadad H R，Maine M A，Bonetto C A.Macrophyte growth in a pilot-scale constructed wetland for industrial wastewater treatment［J］.Chemosphere，2006，23:1744-1753.

［5］Cristina S C，Calheiros，Antonio O S.Constructed wetland systems vegetated with different plants applied to the treatment of tannery wastewater［J］.Water Research，2007，41:1790-1798.

［6］Sun L，Liu Y，Jin H.Nitrogen removal from polluted river by enhanced floating bed grown canna［J］.Ecological Engineering，2009，35:135-140.

［7］趙安娜，馮慕華.沉水植物氧化塘對污水廠尾水深度凈化效果與機制的小試研究［J］.湖泊科學，2010，22(4):538-544.

［8］徐歡，張勇，黃民生.梯級生態浮床系統處理黑臭河水除磷性能研究［J］.華東師范大學學報，2011，57(1):119-125.

［9］Fengliang Zhao，Shu Xi，Xiaoe Yang.Purifying eutrophic river waters with integrated floating island systems［J］.Ecological Engineering，2012，(40):53-60.

［10］周曉紅，王國祥.3種景觀植物對城市河道污染水體的凈化效果［J］.環境科學研究，2009，22(1):108-113.

［11］王金麗，顏秀勤.浮島植物凈化水質效果研究［J］.環境科學與技術，2011，34(10):14-18.

［12］田如男，朱敏.不同水生植物組合對水體氮磷去除效果的模擬研究［J］.北京林業大學學報，2011，33(6):191-195.

［13］李先寧，宋海亮.組合型生態浮床的動態水質凈化特性［J］.環境科學，2007，28(11):2448-2452.

［14］王濤.植物扦插繁殖技術［M］.北京:北京科學技術出版社，1989.

［15］李繼華.扦插的原理與應用［M］.上海:上海科學技術出版社，1987.

［16］黃廷林，宋李桐.人工浮床凈化城市景觀水體的試驗研究［J］.西安建筑科技大學學報，2007，39(1):30-33.

［17］吳建強，王敏.4種浮床植物吸收水體氮磷能力試驗研究［J］.環境科學，2011，32(4):995-999.

［18］劉英.美人蕉和綠蘿在修復富營養化水體過程中對Cr(Ⅵ)脅迫的生理生化響應［J］.浙江大學學報，2011，38(1):78-84.

［19］周煒，謝愛軍，年躍剛，等.人工濕地凈化富營養化河水試驗研究(1)——植物對氮磷污染物的凈化作用［J］.凈水技術，2006，25(3):35-39.

［20］國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法［M］.第四版.北京:中國環境科學出版社，2002.

［21］王金麗，顏秀勤，寧冰.浮島植物凈化水質效果研究［J］.環境科學與技術，2011，34(10):15-18.

［22］羅固源，肖華.人工浮床處理重污染河水的效能分析［J］.重慶大學學報，2008，31(8):932-936.

［23］Fennessy M S，Gonk J K，M itsch WJ.Macrophyte productivity and community development in created freshwater wetlands under experimental hydrological conditions［J］.Ecological Engineering，1994，3(4):469-484.

［24］馬杰，趙蘭枝.水培與土培綠蘿的比較試驗［J］.南方園藝，2011，22(3):35-36.

［25］袁東海，任全進，高士祥.幾種濕地植物凈化生活污水COD、總氮效果比較［J］.應用生態學報，2004，15(12):2337-2341.

［26］Fu Rong-bing，Yang Hai-zhen，Gu Guo-wei.Analysis of substrate microorganisms in constructed wetlands and their correlation with pollutants removal for wastewater treatment［J］.Research of Environmental Science，2005，18(6):44-49.

［27］Hedge R S，Fletcher J S.Influence of plant growth stage and season on the release of root phenolics by mulberry as related to development of phytoremediation technology［J］.Chemosphere，1996，32:2471-2479.

［28］祝宇慧，趙國智.濕地植物對模擬污水的凈化能力研究［J］.農業環境科學學報，2009，28(1):166-172.

［29］柳驊，楊霞.千屈菜在富營養化水體中生長及磷去除效果試驗初報［J］.浙江林業科技，2005，25(1):42-52.