5種姜科植物對污水的凈化作用研究

黃威龍，宋鳳鳴，何新杰，彭昭良，董 雷，吳 志

（深圳市鐵漢生態環境股份有限公司，廣東 深圳 518040）

隨著工業化的快速發展，我國的水體污染越來越嚴重［1］。水生植物由于具有良好的凈化能力、豐富多樣的景觀效果、獨特的經濟效益和能耗較低等優點［2］，正越來越多地被運用于污染水體的修復工程。尤其是在人工濕地的構建中，水生植物更是必不可少的要素，具有巨大的應用價值。

一直以來，凈化污水的水生植物研究多局限在一些喜陽的挺水植物［3］，相對耐陰的濕地植物僅有菖蒲（Acorus calamus）、海芋（Alocasia macrorrhiza）和鳶尾（Iris tectorum）。姜科（Zingiberaceae）植物廣泛分布于熱帶和亞熱帶地區，該科觀賞植物大部分濕生或水生［4-6］，由于其特有的耐陰性和芳香性，在特色專類植物園中開發前景獨具一格，如白姜花（Hedychium coronarium）和花葉艷山姜（A.zerumbertcv. Variegata）已被廣泛應用于華南地區園林綠化。近幾年有較多關于白姜花、花葉艷山姜的富營養化水體修復研究［7-8］，而關于紅豐收（Alpinia‘ Red harvest’）、墨爾本姜花（H.sp.）、青城姜花（H. qingchengense）和峨眉姜花（H. flavescens）的園林應用以及相關水體凈化作用的研究尚未見報道。因此，探討更多姜科植物在污水處理過程中對污染物質的去除能力具有一定實踐意義和參考價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年10～11月在深圳市鐵漢生態環境股份有限公司東莞橋頭研發基地的溫室大棚內進行，供試姜科植物紅豐收、白姜花、墨爾本姜花、峨眉姜花和青城姜花均來源于東莞橋頭研發基地生產苗圃。選擇苗齡一致、規格一致、生長狀態良好的植物盆苗。植物盆苗中使用的基質為統一配比（有機肥、珍珠巖、園土為1∶1∶1），種植緩苗2周后待用。

1.2 試驗設計

在溫室大棚內設置多個人工培養箱，分別種植相等數量的5種姜科植物。培養箱采用藍色聚乙烯整理箱，規格為61.5 cm×42 cm×31 cm。試驗設5個處理，分別種植紅豐收、白姜花、墨爾本姜花、峨眉姜花、青城姜花，每個品種3個重復，每個人工培養箱放置3盆植物，空白對照放置3盆基質。每個試驗箱加污水30 L，試驗用污水為配制生活污水，配方如下：C6H5COONa 80.33 mg/L，CH3COONa 153.68 mg/L，NH4NO316 mg/L，NH4Cl 106.1 mg/L，K2HPO4·3H2O 36.7 mg/L，NaCl 7 mg/L，MgCl2·6H2O 3.4 mg/L，CaCl2·2H2O 4 mg/L［9］。

1.3 水質指標測定及分析方法

待箱內水體穩定后，采集水樣測得本底值，其中總磷12 mg/L、總氮32 mg/L、氨氮28 mg/L、化學需氧量（COD）240 mg/L、溶氧量（DO）6.5 mg/L。試驗組水箱放入植物盆苗后每隔7 d采集水樣1次，用于測定水體理化指標，包括總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH4+-N）、COD和DO濃度等，同時測定實時水體溫度、pH等指標。其中，總氮濃度的測定參照國家標準方法HJ 636-2012堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，總磷濃度的測定參照國家標準方法GB 11893-1989鉬酸銨分光光度法，氨氮的測定參照國家標準方法HJ535-2009納氏試劑比色法，COD濃度的測定參照國家標準方法HJ 828-2017重鉻酸鹽法，DO濃度的測定采用溶解氧測定儀。計算總磷、總氮和氨氮的去除率：

試驗歷時1個月，結束時測定植物株高、冠幅生長量變化、葉片葉綠素含量和同等光照強度下（約100 μmol/m2·s）的凈光合速率Pn。

試驗數據采用SPSS 22.0統計軟件進行處理，采用Excel 2007軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 5種姜科植物在污水環境中的生長和生理指標變化

參試5種姜科植物移栽入富營養化的水體后，均能良好生長。結果（表1）顯示，5種植物在試驗期均有新芽、新葉萌出，株高、冠幅和生物量也明顯增加，其中增幅較大的是白姜花，株高增長8.96%，冠幅增長25.00%；增幅較小的是紅豐收，株高、冠幅分別增長4.81%、9.78%；墨爾本姜花、峨眉姜花、青城姜花的株高和冠幅增長率分別為7.14%和16.67%、6.89%和17.91%、7.34%和18.87%；葉綠素含量SPAD值與凈光合速率（Pn）均以白姜花最高且顯著大于其他試驗植物。

2.2 5種姜科植物對水質指標的影響

2.2.1 總磷吸收量 各處理水體總磷含量隨時間變化的情況如圖1所示。在試驗周期內，5種姜科植物培養30 d對水體總磷的去除率依次為白姜花（87.08%）＞墨爾本姜花（85.33%）＞峨眉姜花（65.83%）＞青城姜花（57.5%）＞紅豐收（53.33%），而對照的總磷整體呈逐漸下降趨勢，試驗結束時去除率為30%。

表1 5種姜科植物的生長和生理指標狀況

圖1 5種姜科植物對水體總磷含量的影響

2.2.2 總氮吸收量 各處理水體總氮含量隨時間變化的情況如圖2所示。5種姜科植物培養30 d對水體總氮的去除率依次為白姜花（85.44%）＞墨爾本姜花（80.31%）＞青城姜花（79.63%）＞峨眉姜花76.41%）＞紅豐收（74.47%），而對照的水體總氮含量從7～14 d大幅度降低后便逐漸趨于穩定，整個過程中對照始終高于其他處理。

圖2 5種姜科植物對水體總氮含量的影響

2.2.3 氨氮吸收量 由圖3可知，5種姜科植物培養30 d對水體氨氮的去除率依次為峨眉姜花（98.03%）＞紅豐收（97.93%）＞白姜花（97.86%）＞青城姜花（97.43%）＞墨爾本姜花（97.36%），而對照的水體氨氮含量在14 d時大幅度下降，逐漸穩定在6 mg/L左右，在整個過程中對照始終高于其他各個處理。試驗結束時，對照的氨氮去除率為77.67%，各處理水體的氨氮含量則均低于1 mg/L。

圖3 5種姜科植物對水體氨氮含量的影響

圖4 5種姜科植物對水體化學需氧量（COD）的影響

2.2.4 化學需氧量（COD） 各處理水體COD含量隨時間變化的情況如圖4所示。試驗周期內，各處理的COD均呈先下降再上升后下降的變化趨勢，5種姜科植物培養30 d對水體COD的去除率依次為白姜花（76.67%）＞青城姜花（72.5%）＞紅豐收（68.75%）＞峨眉姜花（65.83%）＞墨爾本姜花（62.9%），而對照的水體COD含量在160～200 mg/L間波動，整個過程中對照始終顯著高于其他處理。

2.2.5 溶解氧（DO） 各處理的水體DO含量隨時間變化的情況如圖5所示。對照的水體溶解氧量呈逐漸下降趨勢，各處理0～21 d的DO濃度均呈下降趨勢，之后逐漸升高。試驗結束時，對照的水體DO濃度為5.11 mg/L，較試驗前6.31 mg/L下降19.85%，5種姜科植物下水體DO濃度依次為白姜花（7.65 mg/L）＞峨眉姜花（6.52 mg/L）＞青城姜花（6.35 mg/L）＞墨爾本姜花（6.14 mg/L）＞紅豐收（5.73 mg/L）。最終對照組的DO濃度均顯著低于其他處理

圖5 5種姜科植物對水體溶解氧（DO）的影響

3 結論與討論

本試驗結果表明，5種姜科植物處理的水質澄清，而對照的水體透明度較低，說明這5種姜科植物對污水均有一定的凈化作用。僅放置基質盆對照的水體污染物含量整體呈逐漸下降趨勢，表現出一定的自凈現象，這可能是由于污水通過基質之間的顆粒時，污水中的有機物質被吸附于礫石表面形成的生物膜，被水體中的微生物所利用吸收［10］，這也可能是對照在試驗結束后水體溶氧量（DO）下降的原因。但對照的自凈效果十分有限，試驗結束時對照的水體污染物含量顯著高于各姜科植物處理。

水體中磷素的去除主要有植物吸收、底質和根系吸附等途徑［11-12］，而水體氮的去除不僅可以依靠上述途徑，還可以通過氨的揮發、硝化和反硝化等途徑去除［13-14］。研究表明，利用植物凈化污水，主要的處理過程在植物水下的根部周圍進行［15］，水生植物對水質的凈化作用與植物的生長狀態、根系發達水平、光合效率和根系泌氧等生理生態特性相關密切。

本試驗中，各處理水體總氮、總磷的濃度均顯著低于對照，說明參試5種姜科植物均能較好地吸收水體中的氮和磷。其中，白姜花和墨爾本姜花的葉綠素、凈光合速率高于其他3種姜科植物，說明其生長速度較快，對污水環境適應良好，同時，白姜花和墨爾本姜花也有較高的氮、磷吸收率，可能與其生長速度較快、根系較發達有關，從而有利于對水體氮、磷素的吸收［11］。本試驗結果表明，植物發達的根系生物量大、根長較長，能夠擴大植物凈化污水的空間。根系發達的植物不但對水體的磷素吸收有利，而且利于微生物（特別是好氧細菌）向更廣的污水域中擴散分布［16-17］，從而提高其凈化污水的能力，同時也利于植物從葉片輸送氧氣到根際區域，為根系微生物的附著并提供進行硝化與反硝化作用的良好環境，進而提高水體氮素的去除率［18］。

各處理水體的化學需氧量（COD）呈先升高再降低的變化趨勢，可能與姜科植物地下根莖的更新有關。隨著試驗的進行，5種姜科植物先后均有新芽長出，老根莖營養轉移至新芽后逐漸腐爛，從而導致COD含量出現波動。另外，由于各種姜花物候存在一定差異，導致各處理水體的COD峰值出現的時間也不同。水體氧來源主要是根系泌氧與大氣復氧［19］：根系泌氧是植物通過內部強大的通氣組織對缺氧的水體釋放氧氣［20］；大氣復氧是通過礫間接觸氧化等途徑，水體自由界面傳質與大氣氣泡接觸，產生自然曝氣現象。

本試驗過程中，前期由于各處理植物葉片的遮擋減少了水面與空氣的接觸面，減少了空氣氣流對水流動的影響，阻礙了自然曝氣過程，導致水體的大氣復氧不足，因此，前期各處理的水體溶氧量（DO）低于對照。后期隨著植物的生長，根系逐漸發達，導致根系泌氧增多，最終使得水體DO逐漸升高，部分姜科植物（如峨眉姜花）處理的水體COD較高、DO較低，這可能是由于水體的好氧微生物和硝化細菌降解有機物和氮類物質均需要消耗溶解氧，且峨眉姜花的凈光合速率偏低。植物的根系復氧量低與試驗環境導致大氣復氧不足，進而使水體的COD升高［21］。

本試驗結果表明，在供試5種姜科植物中，白姜花對污水的凈化效果最好，對總氮、總磷、氨氮均有較好的去除效果，與多數研究結論一致；墨爾本姜花是凈化效果較好的另外一種姜科植物，與白姜花接近，且其景觀價值較高，目前園林應用較少，適合推廣應用。

參考文獻：

［1］ Jodeh S，Salim M，Haddad M，et al. Impacts of bidegradable organics on soils and groundwater in West Bank［J］. Journal of the Association of Arab Universities for Basic and Applied Sciences，2013，14（1）：75-82.

［2］ Zhao J，Xue Y，Li X D，et al. Removal of organic matter and nitrogen from wastewater by interated vertical flow constructed wetland［J］. Chinese Journal of Environmental Engineering，2013，7（1）：26-30.

［3］ 陳罡. 水生植物凈化水體作用的研究進展［J］.吉林林業科技，2016，45（6）：30-31.

［4］ 涂燕. 21種觀賞植物在人工濕地中的生長及凈化效果研究［D］. 廣州：華南師范大學，2007.

［5］ 楊子堯. 四川盆地以本土濕地植物處理農村生活污水研究及工程實例［J］. 湖北農業科學，2014，53（13）：3043-3047.

［6］ 和麗萍，陳靜，楊逢樂，等. 季節變化及植物生長對人工濕地處理效率的影響［J］. 環境工程，2014（S1）：221-224.

［7］ Wiessner A，Kappelmeyer U，Kuschk P，et al.Influence of the redox condition dynamics on the removal efficiency of a laboratory-scale constructed wetland［J］. Water Research，2005，39（1）：248-256.

［8］ Soonan O，Uchiyama K，Inadama D，et al.Performance evaluation of laboratory scale up-flow constructed wetlands with different designs and emergent plants［J］. Bioresource Technology，2010，101（19）：7239-7244.

［9］ 陳志澄，郭丹桂，熊明輝，等. 處理生活污水的植物品種的篩選［J］. 環境工程學報，2006，7（4）：90-93.

［10］ 葛俊，黃天寅，胡小貞，等. 礫間接觸氧化技術在入湖河流治理中的應用現狀［J］. 安徽農業科學，2014，42（34）：12225-12228.

［11］ 徐紅燈，席北斗，王京剛，等. 水生植物對農田排水溝渠中氮、磷的截留效應［J］. 環境科學研究，2007，20（2）：84-88.

［12］ Olomki R F，Taylor M D，Bielenberg D G，et al.Nitrogen and phosphorus remediation by three floating aquatic macrophytes in greenhousebased laboratory-scale subsurface constructed wetlands［J］. Water，Air& Pollution，2009，197（1-4）：223-232.

［13］ Lin Y F，Jing S R. Effects of macrophytes and external carbon sourceson nitrate removal from ground water in constructed wetland［J］.Environmental Pollution，2002，119：413-420.

［14］ Sun G，Austin D. A mass balance study on nitrification and deammonification in vertical flow constructed wetlands treating landfill leachate［J］. Water Science and Technology，2007，56（3）：117-123.

［15］ 李麗. 11種濕地植物在污染水體中的生長特性及對水質凈化作用研究［D］. 廣州：暨南大學，2011.

［16］ 成水平，況琪軍，夏宜琤. 香蒲、燈心草人工濕地的研究 Ⅰ. 凈化污水的效果［J］. 湖泊科學，1997，9（4）：351-358. DOI 10. 18307 /1997. 0410.

［17］ Cheng S P，Wu Z B，Xia Y C. Review on gas exchange and transportation in macrophytes［J］.Acta Hydrobiologica Sinica，2003，27（4）：413-417.

［18］ 金樹權，周金波，朱曉麗，等. 10種水生植物的氮、磷吸收和水質凈化能力比較研究［J］. 農業環境科學學報，2010，29（8）：1571-1575.

［19］ 程香菊，陳永燦. 大壩泄洪下游水體溶解氣體超飽和理論分析及應用［J］. 水科學進展，2007（3）：346-350.

［20］ 劉志寬，馬青蘭，牛快快. 濕地植物根系泌氧及其在濕地處理中的應用［J］. 海南師范大學學報，2010，23（1）：84-86，92.

［21］ 程冰冰. 水培濕地植物根系系統對有機物和氨氮的去除能力研究［D］. 廣州：華南農業大學，2016.