3種沉水植物對再生水水質維護效果的比較*

周 雪 李兆欣 顧永鋼，3 黃炳彬 劉 操#

(1.北京市水科學技術研究院，流域水環境與生態技術北京市重點實驗室，北京 100048； 2.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098；3.西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055)

3種沉水植物對再生水水質維護效果的比較*

周 雪1，2李兆欣1顧永鋼1，3黃炳彬1劉 操1#

(1.北京市水科學技術研究院，流域水環境與生態技術北京市重點實驗室，北京 100048； 2.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098；3.西安建筑科技大學環境與市政工程學院，陜西 西安 710055)

為了防止再生水利用時出現富營養化現象，選用苦草(Vallisnerianatans(Lour.)Hara)、金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)和穗狀狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.)3種沉水植物，配合投加鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)和橢圓背角無齒蚌(Anadontawoodianaelliptica)，對再生水水質進行維護，對比不同組合對再生水的凈化和保持效果。結果表明：金魚藻能較好維護再生水的水質穩定，實驗中后期COD、氨氮分別在30、0.4mg/L以下，而且金魚藻可較好地抑制浮游植物的生長，葉綠素a基本都小于葉綠素a水華閾值(40μg/L)，同時鰱魚和橢圓背角無齒蚌的投加能完善生態系統，并維護再生水pH的穩定。

再生水 沉水植物 金魚藻 水質維護

隨著社會的快速發展，水資源短缺形勢越發嚴峻，再生水成為城市景觀用水的重要補給水源，得到廣泛利用。但是，由于再生水中部分污染物的濃度遠高于天然水體，水體自凈能力較差，使得再生水補水型景觀水體的水質難以維持穩定。關于再生水回用于景觀水體后引起的水質變化及維持水質穩定的措施，也越來越多的得到研究[1-4]。其中，利用水生植物，抑制藻類生長，維護水體生態系統穩定，被廣泛研究[5]。對水生植物的研究多集中于沉水植物，作為初級生產者，其在以再生水為水源的景觀生態系統調控中具有重要地位[6]。

沉水植物以其特有的生態和景觀功能及易于人工操作等優點，在凈化水質和修復水生態系統方面受到普遍關注，并開展了大量的研究[7-9]。多數研究模擬再生水的水質條件，自配實驗用水，之后引入沉水植物，測試水體污染物的濃度變化情況，以得出凈水效果最佳的沉水植物。但在指導實際工程應用時，存在地域應用限制和修復維護效果不佳等現象。

在實驗過程中，本研究保持實驗用水氮磷濃度恒定，利用水生生物——沉水植物、鰱魚和河蚌修復維持再生水，以求得適用于北京地區的再生水水體維護生物組合，為北京再生水補水型城市河湖的生態修復，提供應用依據。

1 材料與方法

1.1 水生生物

對沉水植物進行篩選，以適應性好、成活率高、對氮磷富集效果好、光合效率高、美觀、具有一定經濟價值為標準進行選擇[10]。選擇較多應用于北方地區水體生態修復中的3種沉水植物[11-13]，包括苦草(Vallisnerianatans(Lour.) Hara)、金魚藻(CeratophyllumdemersumL.)和穗狀狐尾藻(MyriophyllumspicatumL.)。實驗所用沉水植物購自北京市懷柔區某園藝場，在自來水中馴養5 d后使用。

對水生動物進行篩選，以能夠維持水質、吞食浮游動植物、控制水體水華等為標準進行選擇。選擇鰱魚(Hypophthalmichthysmolitrix)和橢圓背角無齒蚌(Anadontawoodianaelliptica)作為實驗用水生動物，均購自北京市順義區某魚塘。

1.2 實驗用水

實驗用水取自北京某再生水廠的再生水出水，其處理工藝為A2/O+膜生物反應器(MBR)工藝。

1.3 實驗方法

實驗在北京市順義區某再生水廠室外進行，搭建防雨棚，放置有機玻璃實驗裝置，實驗裝置如圖1所示。有機玻璃裝置尺寸為1.0 m×1.0 m×1.5 m，加水量為1.2 m3。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

實驗周期為2015年8月1日至10月1日。實驗組設置：(1)空白組，即只添加再生水；(2)單一沉水植物組，即在空白組上分別投加苦草、金魚藻和穗狀狐尾藻；(3)生態組，即在單一沉水植物組上加入鰱魚和橢圓背角無齒蚌。沉水植物方式：選取大小一致、生長狀況良好的植株，增加配重將其壓入實驗裝置底部。沉水植物的種植量為50株，總鮮質量為(250±25) g，鰱魚的投加量為(300±5) g，橢圓背角無齒蚌投加量為3只，每只(420±20) g。

實驗期間，蒸發水量用再生水補充，并用NaNO3和KH2PO4調節實驗用水的TN和TP濃度，使其保持穩定。實驗過程中不斷加入的氮磷元素，可模擬真實環境中氮磷污染物進入水體的過程，并且能得到實驗過程中水生生物系統消耗利用的氮磷元素總量，為工程應用提供基礎數據支持。

通過測定水質指標濃度的變化，評價沉水植物對水質的保持效果。測定指標主要有TN、氨氮、TP、COD、pH、水溫、葉綠素a。水質指標測試方法參照文獻[14]。

2 結果與討論

2.1 再生水水質

測試了實驗用水初始水質，結果如表1所示。目前，北京市《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》(DB 11890—2012)一級A標準規定：TN≤15 mg/L，TP≤0.5 mg/L。因此，調節實驗用水的TN和TP濃度，使TN、TP分別穩定在15、0.5 mg/L左右。

2.2 沉水植物生長狀況

實驗過程中，定期測定了沉水植物的生長長度，比較了不同實驗組沉水植物的生長狀況，結果如圖2所示。穗狀狐尾藻在移植后未能適應再生水環境，未能正常生長；苦草在移植初期未能正常生長，生長適應期過后正常生長，其中單一苦草組中苦草從30 cm左右逐漸生長到40 cm左右，苦草生態組中苦草從30 cm左右逐漸生長到50 cm左右；金魚藻對再生水環境的適應較好，實驗期間生長狀況良好，且單一金魚藻組中的金魚藻在實驗初期生長較迅速，單一金魚藻組和金魚藻生態組的金魚藻均從50 cm左右逐漸生長到70 cm左右。可見，在此再生水環境中，苦草和金魚藻能較快適應，并正常生長，可用于此再生水體的水質維護，而穗狀狐尾藻未能正常生長，在再生水體的水質維護中，應謹慎選擇。

表1 實驗用水初始水質指標平均值

圖2 沉水植物生長情況Fig.2 Growth of submerged plants

實驗后期，水溫從最初的28 ℃左右下降到18 ℃左右，隨著水溫的降低，沉水植物生長速度變慢，并逐漸停滯，之后出現腐爛現象，實驗結束。由于沉水植物死亡腐爛后，會向水體釋放污染物，對水體水質造成污染，因此實際工程應用中，為防止沉水植物死亡腐爛對水體造成二次污染，可在10月初進行收割，以此施加生態管理有利于水體水質的維護。

2.3 氮磷元素投加量對比

由圖3可知，投加苦草的實驗組中，氮磷元素的消耗量最高，其中單一苦草組的氮、磷元素投加量達到17.04、1.500 g，苦草生態組的氮、磷元素投加量分別為12.18、1.572 g；投加金魚藻和穗狀狐尾藻的實驗組，氮磷元素的消耗量相似；空白組出現氮磷元素消耗的情況，可能的原因是水體中浮游植物的生長，利用了水體中的氮磷元素。因此，比較了各實驗組的浮游植物的細胞密度，結果如圖4所示。空白組浮游植物的細胞密度明顯高于其他實驗組，空白組浮游植物的生長消耗了水中的氮磷元素。同時，投加水生生物，對水中的浮游植物有較好的抑制作用。

2.4 再生水氨氮變化對比

水體氨氮主要通過生物同化吸收和微生物的硝化與反硝化作用、揮發等機制去除，各種去除機制都直接或間接受植物和浮游植物的影響[15]。對比了各實驗組的氨氮變化，結果如圖5所示。

沉水植物的投加，使得水體氨氮快速降低，之后氨氮能維持在0.1～0.8 mg/L，其中單一金魚藻組對水體氨氮的維護效果最好，保持在0.3 mg/L左右，金魚藻生態組的氨氮基本維持在0.4 mg/L以下，后期出現急增現象，原因是植物出現腐爛現象，植物體中的蛋白質被微生物分解后產生氨基酸，隨后氨基酸再進一步分解成氨氮[16]。單一金魚藻組和金魚藻生態組對水體氨氮有較好的維護效果，是由于金魚藻為微生物提供了良好的附著基質和棲息場所，而且金魚藻光合作用產生的O2也促進了氨氮的硝化去除。空白組出現氨氮降低的原因是水體浮游植物的大量生長，消耗了水中的氨氮。

圖3 氮磷元素投加量對比Fig.3 Comparison of nitrogen and phosphorus adding quantity

2.5 再生水COD變化對比

對比了不同實驗組COD的變化情況，結果如圖6所示。在實驗初期，水體中COD均出現快速下降又回升的現象，其原因是由于投加的水生生物存在吸附作用，被吸附的有機物并沒有去除，因此之后出現了COD的回升；而空白組COD出現波動現象可能是再生水中的浮游生物生長吸收部分COD，之后存在浮游生物死亡并產生釋放，總體上空白組COD穩定在37 mg/L左右。

圖4 浮游植物的細胞密度對比Fig.4 Comparison of phytoplankton cell density

圖5 再生水氨氮變化情況Fig.5 Ammonia nitrogen concentration changes of reclaimed water

圖6 再生水COD變化情況Fig.6 COD concentration changes of reclaimed water

投加金魚藻的實驗組，水體COD能維持在相對低的水平。單一金魚藻實驗組隨著實驗的進行，COD總體呈現降低趨勢，且在實驗中后期COD≤30 mg/L；金魚藻生態組的COD能維持在30 mg/L左右。投加苦草和穗狀狐尾藻的實驗組，對COD的去除效果不佳，COD波動明顯，部分采樣時間甚至超過空白組，原因是部分沉水植物腐爛而導致COD升高，且實驗組會出現已沉淀物質再懸浮現象[17]，引起水體COD的上升。單一沉水植物組的COD總體低于生態組的原因是底棲軟體動物排泄物釋放、積累影響到實驗水質[18]，致使生態組水體COD升高。

2.6 再生水葉綠素a變化對比

隨著再生水水溫的增高，葉綠素a會出現升高現象，并易發生水華，文獻[19]得到葉綠素a的水華閾值為40 μg/L。在實驗過程中，葉綠素a的變化情況如圖7所示。

圖7 再生水葉綠素a變化情況Fig.7 Chla concentration changes of reclaimed water

不同實驗組的葉綠素a變化區別較大。空白組葉綠素a峰值達到56.15 μg/L，之后由于水溫降低，葉綠素a下降。單一金魚藻組和金魚藻生態組對于再生水體的葉綠素a的維護效果較好，其中單一金魚藻組葉綠素a最高時僅為20.89 μg/L，而金魚藻生態組的葉綠素a在實驗開始時曾達到44.90 μg/L，隨后能較好地保持在30 μg/L以下。投加苦草和穗狀狐尾藻的實驗組，葉綠素a變化較大，對葉綠素a的維護效果弱于金魚藻。

金魚藻對葉綠素a有較好控制作用，一方面是通過光和營養物質的競爭，抑制了藻類的生長；另一方面是產生抑制藻類生長的化感物質，通過化感作用抑制藻類生長[20]，進而維護了再生水水體的葉綠素a濃度。

2.7 再生水pH變化對比

對比了不同實驗組pH的變化情況，結果如圖8所示。

圖8 再生水pH變化情況Fig.8 pH changes of reclaimed water

各實驗組再生水pH均出現明顯升高現象，再生水pH升高的原因是水生植物和浮游植物的光合作用，促進了水體pH的升高[21]。生態組的pH總體低于單一沉水植物組，原因是鰱魚和橢圓背角無齒蚌的加入，能消化吸收水體中的藻類和有機物碎屑，且水生動物的呼吸作用能釋放CO2，溶于水后使水體pH降低[22]。將沉水植物與鰱魚、橢圓背角無齒蚌組合使用，能完善生態鏈，促進生態平衡。

3 結 語

(1) 再生水中投加金魚藻，能較好維護水體的水質穩定，對葉綠素a有較好控制作用，并抑制再生水水體浮游植物的生長，防止水體出現富營養化現象，可應用于北京地區再生水補水型城市河湖的生態修復，與鰱魚和橢圓背角無齒蚌組合使用，能完善生態鏈，促進生態平衡。

(2) 由于水箱模擬實驗條件與實際水體的真實情況依舊存在較大差距，在水溫保持、流速控制等方面存在局限性，因此在實際應用過程中，應針對不同的水文水質條件，進一步研究水生生物的具體投配方式，并配合施加生態管理，以達到水質維護效果好、生態結構穩定性高的效果。

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編輯:黃 葦 (2016-02-29)

Comparisonofthreekindsofsubmergedplantsonthereclaimedwaterqualitymaintenance

ZHOUXue1，2，LIZhaoxin1，GUYonggang1，3，HUANGBingbin1，LIUCao1.

(1.BeijingKeyLaboratoryofWaterEnvironmentalandEcologicalTechnologyforRiverBasins，BeijingWaterScienceandTechnologyInstitute，Beijing100048;2.SchoolofEnvironment，HohaiUniversity，NanjingJiangsu210098；3.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi’anShaanxi710055)

In order to prevent eutrophication coursed by the reclaimed water reuse,Vallisnerianatans(Lour.) Hara,CeratophyllumdemersumL. andMyriophyllumspicatumL. were selected,theHypophthalmichthysmolitrixandAnodontawoodianaellipticawere added as well,to maintain the reclaimed water quality. The purification and maintenance effect were compared between different experimental combinations. The results showed that the reclaimed water quality could keep stable in theCeratophyllumdemersumL. experimental group,the COD,ammonia nitrogen concentration could sustain below 30 mg/L and 0.4 mg/L respectively in the middle and later periods.CeratophyllumdemersumL. also could inhibit the growth of phytoplankton,and the chlorophyll a concentration could keep less than threshold of algal blooms (40 μg/L). Simultaneously,the ecological system was completed by the adding ofHypophthalmichthysmolitrixandAnodontawoodianaelliptica,which also maintained the pH value of reclaimed water stable.

reclaimed water; submerged plant;CeratophyllumdemersumL.; water quality maintenance

周 雪，女，1991年生，碩士研究生，研究方向為水體富營養化治理與生態修復。#

。

*北京市科技計劃項目(No.Z151100002115008)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.007