城市內河水生植物脫氮除磷效果比較研究

戴肖云 鐘睿 張曉燕 張建勛 欒蘭

摘要：本文以江蘇省蘇州市某鄉鎮河道作為研究對象，基于蘇州地區的氣候條件和該河道水體污染的現狀，通過實驗室模擬實驗、篩選優勢植物及氮磷去除效果較好的修復技術，并且對篩選出的優勢植物進行春秋兩季的氮磷去除效果比較。結果表明：浮水植物（圓幣草和聚草）更適宜于本地區的氣候和水文地質特征，適于生態修復選用。此外，無論春季還是秋季，浮水植物（圓幣草和聚草）均優于挺水植物（黃花鳶尾、花葉蘆竹、蘆葦、水培冬青、千屈菜）的脫氮除磷效果；聚草和圓幣草在春季脫氮除磷效果明顯優于秋季；凈化浮島（圓幣草、聚草）、人工濕地（蘆葦、黃花鳶尾、千屈菜）和浮島式濕地（花葉蘆竹和水培冬青）三種修復技術中，凈化浮島技術的脫氮除磷效果相對較好。基于以上結論，建議在河道駁岸采用間歇方式布置凈化浮島，植物主要以圓幣草和聚草為主，同時可輔以其他水生植物來強化凈化效果和景觀效應，如：黃花鳶尾、蘆葦、千屈菜等。

關鍵詞：水生植物；氮磷；凈化浮島；浮島濕地；人工濕地

中圖分類號：X83 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）05-0110-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.05.066

Abstract： This study selected a township in Suzhou City， Jiangsu Province as the research object. Based on the understanding of the climatic conditions in Suzhou area and the current state of the water pollution in the river，Through laboratory simulation experiments， dominant plants and restoration technologies with better removal of nitrogen and phosphorus were screened， and the removal effects of nitrogen and phosphorus in different spring and autumn seasons for the dominant plants were compared.Research indicates： Floating plants （Yuan currency grass and poly grass） was more suitable for the Suzhou regions climate and hydrogeological characteristics， and which was suitable for the selection ofecological restoration project. Compared withemergent plants（yellow iris， themosaicof Arundo donaxreed， hydroponicholly and Lythrumvegetables），in springorfall， the floating plants（Yuan currencygrass and polygrass） had a better removal rate. The removal rate of poly grass androundcoingrass in spring were higher than infall. The result about the removal rate of nitrogen and phosphorus of purification floating island（Yuan currencygrasspolygrass）， artificialwetlands （reed， yellow iris， Lythrum salicaria）and floating islandwetlands（mosaicof Arundo donaxandhydroponicholly） indicated that the removal efficiencyof purification thefloating islandwasbest，respectively.Based on the above research findings， it is suggested that the floating islands should be arranged in an intermittent manner on the river bank revetment. The plants mainly consist of Cochinchinensis and agro-grass， and can be supplemented with other aquatic plants to enhance the purification effect and landscape effect， such as： yellow flower iris， Reeds， Lythrum， etc.

Key words：Aquatic plants；Nitrogen and phosphorus；Clean floating island；Floating Island Wetland；Artificial wetland

水體富營養化是我國江河、湖泊、水庫等地表水體的重要水環境問題之一，而水體中過高的氮、磷濃度是引起水體富營養化的主要原因。關于氮、磷引起的水體富營養化的生態修復研究有很多，主要有植物凈化技術、人工濕地技術、凈化浮島技術等。韓照祥[1]種植美人蕉輔以空心菜、旱傘草在太湖典型富營養化水域進行試驗，研究表明，通過收割植物去除的氮、磷總量遠遠超過其基礎總量，磷的最高去除量高出近40倍，水質均由原來的劣V類上升到Ⅱ類，透明度從原來的45cm增加到180cm以上。魯敏等[2]對武漢地區7種常見濕地植物（香蒲、美人蕉、燈芯草、蘆葦、菖蒲、茭白和黃花鴦尾）對生活污水的處理效果進行了研究，結果表明，停留時間為1d時，各種植物的人工濕地對CDDcr、TN、TP和濁度有明顯的去除。李希等[3]利用浮島無土栽培的方法，把人工水桶作為模擬場所，通過在桶內加入的生活污水，向桶內移植混合水生植物，研究植物對水體中TN、TP、COD等的吸收和吸附作用，結果表明混合型植物人工浮島對TN、TP、COD等污染物的去除效果比單一植物要好，COD的去除率也達到80%，對處理生活污水具有廣闊的應用前景。

但生態修復法的應用還存在一些問題，比如不同植物對污染物的吸收和水體凈化效果差異較大，而且對于同一種植物來說，在不同的地區去除效果也明顯不同，因此要根據當地的水文地質氣候等特征選取植物。本研究選取江蘇省蘇州市某鄉鎮河道作為研究對象，基于蘇州地區的氣候條件和該河道水體污染現狀的充分認識，通過實驗室模擬實驗，篩選優勢植物及氮磷去除效果較好的修復技術，并且對篩選出的優勢植物進行春秋兩季不同季節的氮磷去除效果比較，以期為生修復工程的選擇提供參考。

1 實驗方法

1.1 水生植物的選擇

根據植物生長能力、對氮、磷的吸附能力、耐污性，并查閱國內外相關資料，選取人工濕地（蘆葦、黃花鳶尾、千屈菜）、浮島式濕地（花葉蘆竹、水培冬青），凈化浮島（圓幣草、聚草），共計7種修復植物，進行實驗室模擬試驗。水生植物的選擇主要遵循以下幾個原則[4]：

（1）適應性原則，所選擇的水生植物對蘇州地區的氣候條件，水文地質特征具有較強的適應能力。（2）較強凈化能力原則，優先考慮對氮磷污染物去除效果較好吸附能力的。（3）耐污能力、抗蟲能力強。（4）可操作性原則，所選物種繁殖能力強，栽培容易，管理收獲方便，具有美化景觀的功能。

1.2 修復實驗程序設計

實驗前對該河道水質進行監測，監測結果如下（表1）：

實驗共分為三組，包括植物篩選、評價降解效果；凈化浮島、浮島濕地、人工濕地凈化效果評價；不同季節去除量的比較。以篩選出不僅能適應蘇州地區氣候及水文地質條件，而且對氮磷污染物去除效果較好的水生植物，為生態修復工程提供實驗參考。具體方法如下：

1.2.1 植物篩選、降解效果評價

本實驗從該河道中取回水生植物和水樣，在高為29cm，底徑為23cm，頂面直徑為30.5cm的紅色半透明水桶放入同樣體積的水樣，并將取回的水生植物移入桶中，并用打有孔洞的白色塑料泡沫板固定。實驗設在帶有塑料棚頂的大棚下，相當于露天條件下的光照和溫度，但不會被雨淋。實驗進行30d，前兩天為適應期，第3d（零點）、第5d（初期）、第15d（中期）、第30（后期）d采集水體。

1.2.2 凈化浮島、浮島濕地、人工濕地技術凈化效果評價

從該河道取水樣及三種修復技術的代表性植物：人工濕地（蘆葦、黃花鳶尾、千屈菜）、浮島式濕地（花葉蘆竹和水培冬青）、凈化浮島（圓幣草、聚草）。分別置于長100cm，寬70cm，高80cm的水箱內進行培養，用打有孔洞的白色塑料泡沫板固定。自然光照溫度下模擬靜態實驗（避免雨水）。實驗進行30d，前十天每隔3d采樣，以后每隔5d采集水體樣品。

根據“不同植物的篩選，凈化浮島、浮島濕地、人工濕地技術凈化效果比較的”的結果，選取優勢植物，比較其春季生長旺盛期和秋季穩定期對氮磷的去除效果。具體步驟同1.2.1。

1.3 監測指標及分析方法

監測指標主要包括：總磷、總氮、氨氮、COD、SS。其測定方法如下：

總磷的測定：取一定量的水樣，采用過硫酸鉀消解，對消解好的樣品采用鉬酸銨分光光度法測定總磷。（GB 11893-89）。

總氮的測定：采用過硫酸鉀消解，用紫外分光光度法進行測定總氮（HJ670-2012）

氨氮的測定：采用鈉氏比色法（HJ535-2009）

COD的測定：采用重鉻酸鉀法測定（GB/T 11914-89）

SS的測定：采用濾膜法測定（GB/T11903-1989）

經測定，實驗前水體中總磷為0.54mg/L，總氮為3.72mg/L，氨氮為0.937mg/L，COD為106mg/L，SS為44mg/L。

2 結果與討論

2.1 植物篩選，降解效果評價

2.2.1 植物的生長狀況

試驗初期（前3d），千屈菜表現出葉片失水萎蔫，最后莖葉開始腐爛，出現死亡現象。故在后續實驗中將千屈菜淘汰。水培冬青和花葉蘆竹長勢不好，出現葉片發黃，葉片凋落現象。其余植物在試驗期間一直生長旺盛，每株植物都有新葉發出，植物根系生長良好，尤其以圓幣草和聚草最為突出，蘆葦由于植株較高，發生倒伏。植物的生長狀況間接反應了植物的耐污能力及適應氣候的能力。

2.2.2 植物對各污染物的去除效果

從圖1中可以看出，各種水生植物對污染物的去除均有明顯的效果，去除率分別為：總氮25.5%～37.9%，總磷36.8%～80.1%，COD47.2%～81.1%，氨氮5.4%～85.9%，SS22.7%～77.3%。其中水培冬青去除效果相對較差，去除率分別為：總氮25.5%、總磷26.8%、COD47.2%、氨氮5.4%、SS22.7%。圓幣草和聚草對污染物的去除效果比較好，去除率分別為：總氮37.9%和34.1%，總磷80.1%和73.5%，COD81.1%和74.8%，氨氮80.6%和85.9%，SS59.1%和77.3%。是因為圓幣草和聚草是浮水植物，浮水植物通過根部吸收底質中的氮磷，具有比挺水植物更強的富集氮磷的能力；且其有著巨大的生物量，與環境進行著大量的物質和能量的交換，形成了十分龐大的環境容量和強有力的自凈能力。而挺水植物（黃花鳶尾、蘆葦、花葉蘆竹）去除效果不如圓幣草和聚草，是因為挺水植物必須在濕地、淺灘，湖岸等處生長，即合適深度的繁衍場所，具有很大的局限性。從對單種污染物的去除來看，水生植物對總氮的去除效果要比對其他污染物的去除效果差，去除率均在40.0%以下。

2.2.3 凈化浮島、浮島濕地、人工濕地修復技術凈化效果評價

從圖2可以看出，3種修復技術對5種污染污染物均有明顯的去除效果，其平均去除率分別為：總氮75.0%，總磷71.1%，氨氮82.0%，COD61.4%，SS 71.2%；凈化浮島的去除效果相對較好，去除率分別為：總氮87.6%，總磷71.3%，氨氮87.6%，COD 97.5%，SS 81.8%。從對單種污染物質的去除來看，浮島式濕地對COD的去除率最差，僅為1.9%，可能是由于水培冬青和花葉蘆竹水體的環境適應力較差，最終導致長勢不好，出現葉片發黃，葉片凋落現象，葉片掉入到水體中，腐爛，增加了COD的含量。

2.2.4 不同季節去除量的比較

從表2、表3中的數據可以看出，相較于秋季，春季聚草和圓幣草的去除效果好于秋季（除聚草對SS及圓幣草對COD的去除率外），春季聚草和圓幣草對總磷去除率比秋季分別高出3.2%和5.0%、總氮10.5%和1.3%，氨氮10.5%和15.6%。由于秋季植物生長力較差，有的植物會逐漸枯萎死亡，植物的殘體在水中會逐漸腐爛，釋放出大量的有機物和營養鹽，有時還伴隨大量藻類生長，造成水體的二次污染。而春季，植物的生長狀況和代謝活動旺盛，具有較強的吸附水體中污染物的能力；且春季微生物具有較強的活性、生長繁殖能力，以及植物根區微生物的群落、種類和數量在春季也顯著增加，因此，春節去除效果要好于秋季。

從表2、3中還可以看出，圓幣草和聚草無論在春季還是秋季對各污染物的去除效果均非常接近。

3 結論

通過植物的篩選、凈化效果評價，凈化浮島、浮島濕地、人工濕地技術凈化評價，不同季節的去除效果比較，得出以下結論：

圓幣草和聚草相較于黃花鳶尾、蘆葦、花葉蘆竹和水培冬青這四種植物來說，更適應研究區的氣候條件，水文地質狀況，生長旺盛；同時對污染的去除效果也比其他水生植物要好。去除率分別為：總氮37.9%和34.1%，總磷80.1%和73.5%，COD81.1%和74.8%，氨氮80.6%和85.9%，SS59.1%和77.3%。 凈化浮島技術相較于浮島濕地、人工濕地技術來說，對氮磷去除效果較好。去除率分別為：總氮87.6%，總磷71.3%，氨氮87.6%，COD 97.5%，SS 81.8%。

修復植物在春季對氮磷去除效果好于秋季。春季聚草和圓幣草對總磷去除率比秋季分別高出3.2%和5.0%，總氮10.5%和1.3%，氨氮10.5%和15.6%。

基于以上的研究結論，建議在河道駁岸采用間歇方式布置凈化浮島，植物主要以圓幣草和聚草為主，同時可輔以其他水生植物來強化凈化效果和景觀效應，如：黃花鳶尾、蘆葦、千屈菜等。

參考文獻

[1]韓照祥.植物修復污染水體和土壤的研究進展[J].水資源保護.2007，23（1）：9-12

[2]魯敏，曾慶福.七種植物的人工濕地處理生活污水的研究[J].武漢科技學院學報.2004，17（2）：32-35

[3]李希，鐵柏清，彭陵文.等混合型植物人工浮島處理生活污水的試驗研[J].2009，16（2）：48-51

[4]賀鋒，吳振斌.水生植物在污水處理和水質改善中的應用[J].植物學通報，2003，20（6）：641-647

收稿日期：2018-04-25

作者簡介：戴肖云（1986-），男，工程師，碩士研究生，研究方向為環境監測與管理。