水生植物組合凈化受污染河道研究

李秀芳，王 龍，聶煜東，徐宇峰

(1. 徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140；2. 重慶市計量質量檢測研究院，重慶 401123； 3. 重慶工商大學，重慶 400067；4. 河北工程大學，河北 邯鄲 056038)

城市河道是城市生態環境的重要組成部分，在城市防洪排澇、生態維持、景觀改善、小氣候調節、及生態用水等方面有著不可替代的作用。但近年來，隨著城市化進程的加劇，部分生活污水、工農業廢水及受污染雨水未達標排河現象越加嚴重，眾多城市景觀水體均已出現不同程度的污染，同時，景觀水體流速慢，復氧能力差、自凈能力有限，易導致藻類大量繁殖，破壞水體生態平衡，進一步加劇了城市水體富營養化程度[1]。

水體富營養化是城市景觀河道所普遍面臨的關鍵問題[2,3]。而治理水體富營養化的核心在于控制水體中氮磷等營養鹽濃度，防止藻類產生“水華”或“湖靛”現象[4]。植物修復技術是一項針對受污染河道的生態型修復技術，具有效果好、投資省及二次污染低等特點，適用于河道的大規模修復。近年來，利用植物修復原理建立的生態浮床、植物塘、人工濕地等水陸生植物修復技術已在治理富營養化水體方面取得了一定的進展和突破[5-7]。

通過對以往的研究分析可以發現，不同植物對營養鹽的降解效果差異較大，即，同一植物對水體中某一類營養鹽去除效果較好，而對其他營養鹽的去除效果相對較差，這說明單一植物類型很難對水體中所有營養鹽類均有較好的降解效果[8-11]。因此，基于植物類型及其對營養鹽的降解率，對植物進行合理的搭配組合，并注重植物組合的生長時效及生態功能，可使植物修復技術對污染物質有更為高效恒久的降解能力。本研究基于前期篩選的三種滏陽河原生水生植物，通過對三種植物的兩兩結合，構建出狐尾藻組、金魚藻組、篦齒眼子菜組、狐尾藻-篦齒眼子菜組、狐尾藻-金魚藻組及金魚藻-篦齒眼子菜組6種植物栽培形式，通過對富營養化水體的修復實驗，分析六組植物的凈化效能，應用層次分析法(AHP)建立綜合評估模式，評價并確定植物的最佳組合模式。以期為營造具有高效恒久自凈能力的生態水景提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

表1 沉水植株組合基本情況表 叢

1.2 采樣與測試

1.3 層次分析法

層次分析法(AHP)是一種定性和定量相結合的多準則決策分析方法，旨在構建受多因素影響的決策過程。它通過數學方法將決策規劃過程中的非系統性問題變換為系統化的層次結構來進行解析，其處理結果更具客觀性、準確性和有效性。本文基于對AHP 的污染物去除綜合評價模型對植物組合的性能進行了評估。

2 結果與討論

2.1 實驗期間水溫及DO的變化

實驗期間，水溫及DO變化如圖1所示。水溫變化區間為28.2～34.3 ℃以保證水體中微生物活性較強。各植物組中DO含量均較高，維持在5.5 mg/L以上，這主要是由于實驗采用水桶模擬，水深較淺，水體天然富氧能力較高，因此對照組也顯現出較高的DO濃度。

圖1 實驗期間水溫及DO的變化

2.2 水生植物對水體中污染物的去除效果

圖2 不同沉水植株組對-N的去除效果

圖3 不同沉水植株組對TN的去除效果

2.2.2 水生植物對水體中TN的去除效果

橫向對比植物組1～6，按照對TN最終去除能力大小進行排序：組6(88.66%)>組5(88.22%)>組2(84.73%)>組4(84.16%)>組1(81.45%)>組3(75.34%)>對照(49.98%)。可以看出，植物組合較植物單體對TN的去除能力更好，3組植物組合對TN的平均去除率為87.02%，而三組植物單體對TN的平均去除率僅為80.51%，同時，從去除率最高的前三項植物組分析，分別為金魚藻-篦齒眼子菜組、狐尾藻-金魚藻組及金魚藻組，說明金魚藻對TN去除效果較好，從去除率最高及最低的二項植物組分析，分別為金魚藻-篦齒眼子菜組及篦齒眼子菜組，說明篦齒眼子菜與金魚藻組合更適宜降解水體中的TN。

圖4 不同沉水植株組對TP的去除效果

2.2.3 水生植物對水體中TP的去除效果

各植物組對TP的去除效果如圖4所示。各植物組及對照組所處理的水體中，TP濃度的下降趨勢與TN等有較大差異。在0～20 d內，各植物組1～6及對照組對TP的去除效果明顯，迅速由最初的22.27 mg/L，分別降低至0.29、0.26、0.28、0.18、0.17及0.21 mg/L，去除速率高于對照組(0.44 mg/L)，隨后，在20～60 d，植物組2～6對TP的去除效果有較大波動，而植物組1及對照組對TP的去除效果繼續保持穩定但略有下降。趙興云等[22]認為環境中磷的存在形態主要有聚磷酸鹽、磷酸鹽及有機磷酸鹽等，其中易被植物吸收的磷的主要形態為H2PO-4及HPO2-4，其他形態磷則難以被植物吸收。因此磷的去除途徑主要包括植株吸收、吸附沉淀及微生物吸收三部分。實驗前期水體中TP的去除可能是磷酸鹽的沉降及植物吸附作用所致，而后期磷的緩慢下降可能是PAOs菌不穩定的吸釋作用[23-25]。至60 d實驗結束，各植物組水體中TP濃度分別降低至0.26、0.17、0.21、0.19、0.17及0.19 mg/L，去除率達47.35%、64.54%、58.23%、61.82%、64.01%及60.53%，遠高于對照組(24.86%)(P<0.05)。

橫向對比各植物組1～6，按照對TP最終去除能力大小進行排序：組2(64.54%)>組5(64.01%)>組4(61.82%)>組6(60.53%)>組3(58.23%)>組1(47.35%)>對照(24.86%)。可以看出，植物組合較植物單體對TP的去除能力更好，3組植物組合對TP的平均去除率為62.12%，而三組植物單體對TP的平均去除率僅為52.71%。

圖5 不同沉水植株組對CODMn的去除效果

2.2.4 水生植物對水體中CODMn的去除效果

各植物組對CODMn的去除效果如圖5所示。各植物組及對照組所處理的水體中CODMn濃度降低明顯。至60 d實驗結束，各植物組水體中CODMn濃度分別降低至10.97、11.39、9.61、9.80、10.24及9.97 mg/L，去除率達59.95%、58.43%、64.93%、64.23%、62.63%及63.63%，遠高于對照組(47.35%)(P<0.05)。

橫向對比植物組1～6，按照對CODMn最終去除能力大小進行排序：組3(64.93%)>組6(63.63%)>組5(62.63%)>組1(59.95%)>組2(58.43%)>對照(47.35%)。可以看出，植物組合較植物單體對CODMn的去除能力更好，3組植物組合對CODMn的平均去除率為63.40%，而三組植物單體對CODMn的平均去除率僅為61.11%，植物組合與植物單體對CODMn的去除能力差異不大。這主要是因為CODMn的降解主要依靠異養微生物完成[26]，異養微生物受溫度、溶解氧濃度及CODMn自身性質影響較大。整個實驗過程，28.2～34.3 ℃可保證水體中微生物活性較強。各植物組中DO含量均較高，平均維持在5.5 mg/L以上。同時各植物組系統中，植物釋放的氧氣可促進好氧菌的生長，進一步提升了體系中CODMn去除效率[27,28]。實驗后期，隨著易降解CODMn的殆盡，實驗各組對CODMn的去除均進入平臺期，因此其差別不大。

圖6 不同沉水植株組對水體中葉綠素的抑制效果

2.2.5 水生植物對水體中葉綠素的去除效果

各植物組對水體中葉綠素的改善效果如圖6所示。各植物組及對照組所處理的水體中葉綠素相對降低明顯。至60 d實驗結束，各植物組水體中葉綠素濃度分別降低至24.79、22.18、20.96、18.09、17.65及17.58 μg/L，遠低于對照組(44.58 μg/L)(P<0.05)。

葉綠素含量在一定程度上可以反映水體中藻類豐度[29]，橫向對比植物組1～6，按照對水體中葉綠素最終的抑制效果排序：組6(17.58 μg/L)>組5(17.65 μg/L)>組4(18.09 μg/L)>組3(20.96 μg/L)>組2(22.18 μg/L)>組1(24.79 μg/L)>對照(44.58 μg/L)，3組植物組合所處理的水體中葉綠素的最終平均濃度為17.78 μg/L，而三組植物單體所處理的水體中葉綠素的最終平均濃度為22.65 μg/L，植物組合較植物單體對葉綠素的去除能力更好。這主要是因為各類沉水植物分泌的化感物質不同[30]，影響的藻類各異，因此不同沉水植物組合對水體中藻類抑制效果更具廣泛性。狐尾藻-金魚藻組及金魚藻-篦齒眼子菜組對葉綠素的抑制效果最好。

2.3 AHP對各組水生植物的綜合評價

在上述不同植物體系對N、P、COD等的去除實驗中，組4的TP去除效率最高，組5的TN去除效率最高，組6在其他污染指標的去除中效率最高，而植物的處理效果需要同時考慮上述所有指標的全過程去除效率，因此需要一個合理的模型對其綜合去除效率進行判斷。AHP方法已被國際科學界接受為處理復雜決策問題的強大靈活的多準則決策工具。模型評價指標和層次結構，如圖7所示，各組污染物指數的權重對最終評估結果有重要影響。根據Saaty[31]提出的AHP理論，結合污染物造成的環境影響及Bottero M等[32]的前期研究，并綜合考慮了各組污染物在富營養化誘發方面的環境影響潛值，判斷各指標的相對重要性，確定出各污染物的權重(表2)。

表2 指標層各指標對總目標的總排序列

圖7 綜合性能評價示意圖

為了獲得各評價指標的無量綱化值，基于國家地表水環境質量標準(GB3838-2002)Ⅳ類指標，并參考國家地表水環境質量標準(GHZB1-1999)，將污染參數評價權重進行歸一化，公式為：

(1)

式中：ST是無量綱化值；SC表示國家地表水環境質量標準Ⅳ類水標準值；SE表示各組植物處理過程的平均值。

T=∑STWi

(2)

其次，利用公式(2)，將各組無量綱化值進行加和，其中T是綜合評估分數。根據無量綱化值ST和權重Wi，通過公式(2)計算得到綜合評分T，如表2所示。可以看出，組4最終得分最高，即狐尾藻+篦齒眼子菜組合的效果最好，表明其在水質凈化全過程對污染物均有較好地去除效果。

表3 各植物組合在全過程對污染物去除效果的綜合評價

3 結 論

(2)6種植物組植物均對TN的去除率達75%以上，同時植物組合較植物單體對TN的去除能力更好，3組植物組合對TN的平均去除率為87.02%，而三組植物單體對TN的平均去除率僅為80.51%，去除率最高的為金魚藻-篦齒眼子菜組。

(3)6種植物組植物均對TP的去除率達47%以上，植物組合較植物單體對TP的去除能力更好，3組植物組合對TP的平均去除率為62.12%，而三組植物單體對TP的平均去除率僅為52.71%，但去除率最高的植物組為單體金魚藻。

(4)6種植物組植物均對CODMn的去除率達58%以上，植物組合與植物單體對CODMn的去除能力差異不大，3組植物組合對TP的平均去除率為63.40%，而三組植物單體對CODMn的平均去除率為61.11%。

(5)6種植物組植物均對葉綠素有一定的抑制效果，植物組合較植物單體對葉綠素的抑制效果更好，3組植物組合所處理的水體中葉綠素的最終平均濃度為17.78 μg/L，而三組植物單體所處理的水體中葉綠素的最終平均濃度為22.65 μg/L，其中狐尾藻-金魚藻組對葉綠素的抑制效果最好。

采用AHP法對各水生植物組合進行綜合評價，發現組4最終得分最高，即狐尾藻+篦齒眼子菜組合的效果最好，表明其在水質凈化全過程對污染物均有較好地去除效果。

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