3組水生植物對滏陽河營養鹽去除效果研究

陳 曉 蔚武 俊 杰張 煒徐 宇 峰

(1.徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221140； 2.河北工程大學 河北省水污染控制與水生態修復工程技術研究中心，河北 邯鄲 056038； 3.河北工程大學 能源與環境工程學院，河北 邯鄲 056038)

當前我國城市河道水污染日益嚴重，嚴重影響了城市及流域生態環境，甚至危害人類健康，黑臭水體已然成為最嚴重的全球性環境問題之一[1]。同時城市河道的社會功能及生態功能不斷被削弱，城市及流域生態環境保護問題日益凸顯，治理城市河道污染，恢復受污染河流生態系統已成為當前水環境生態領域的研究熱點。

城市河道受污染的主要原因是含有大量C、N、P等營養物質的生活污水進入水體[2-3]，極大地促進了水體由正常向富營養過渡[4]。而治理黑臭水體最關鍵的因素在于削減水體中總氮、總磷、氨氮、高錳酸鹽指數等污染物。

植物修復技術是一種低耗高效的原位生態治理技術，其植物及根系微生物可共同通過代謝作用將水體中的污染物吸收、降解及轉化[5]，以實現對污染水體的凈化。植物修復技術已被廣泛應用于各種類型的水體修復[6-7]，主要技術包括人工濕地技術[8]、生態浮床技術[9]及水生植物氧化塘等[10-13]。

植物修復技術對受污染水體修復效果主要受植物種類及其配置方式的影響，因此修復植物的篩選，不僅要滿足水生植物的生物學特性、污染物去除能力及耐污性等，還需要結合受污染水體特征，篩選出適應河流水質的植物。本研究在前期現場勘探基礎上，選取了3種常見沉水植物，研究備選植物在靜態模擬條件下TN，TP等污染物的去除效果，分析沉水植物向水體供氧能力的大小，進而為富營養化水體治理優選高效、適宜的水生植物提供一定科學支撐。

1 實驗條件

1.1 植物篩選

在廣泛調查的基礎上，結合滏陽河原有水生植物種類，篩選狐尾藻、篦齒眼子菜、金魚藻、黑藻及菖蒲等5種修復植物。根據前期研究，發現沉水植物對受污染水體適應能力大小次序為狐尾藻>篦齒眼子菜>金魚藻>黑藻>菖蒲。因此，本研究選擇篦齒眼子菜、狐尾藻以及金魚藻作為備選植物，進行批式實驗。

1.2 實驗方案

實驗在半封閉大棚中進行，以消除氣候因素等對實驗系統產生的影響。實驗在高為1.00 m，直徑為0.80 m的圓柱形塑料桶中進行，上覆水取自滏陽河邯鄲段劉二莊斷面，水柱高度為0.8 m，底部以滏陽河劉二莊斷面沉積底泥填充，填充高度0.25 m，修復植物為前期培養種，將其反復沖洗稱重后置入試驗容器。試驗設4個反應組：① 無植物(對照)組；② 篦齒眼子菜組；③ 金魚藻組；④ 狐尾藻組。試驗開始后，分別在第0，2，4，6，8，10，12，16，20，30，40 d上午09：00取樣。監測的水質指標包括：溶解氧(DO)、總氮、總磷、氨氮、透明度、高錳酸鹽指數等。水質指標測定參考《水和廢水監測分析方法》規定執行。同時，為了補充因蒸發等損失的水分，實驗期間定時增加純水以保持原水位。試驗選用的沉水植物基本情況見表1。

表1 沉水植物基本情況Tab.1 Basic condition of submerged plants

2 不同沉水植物對滏陽河水質的適應及影響

2.1 沉水植物對氨氮的去除研究

不同沉水植物組中氨氮隨時間變化的濃度曲線如圖1所示。

圖1 不同沉水植物組氨氮濃度隨時間變化的曲線Fig.1 Ammonia nitrogen concentration curves of different submerged plant groups

3組處理系統對水體NH3-N均有較好的去除效果。在0～15 d內，對照組、狐尾藻、金魚藻組及篦齒眼子菜組中NH3-N濃度下降趨勢與時間線性相關，下降明顯，由最初的4.64 mg/L迅速降低至2.82,1.94，1.51 mg/L及2.27 mg/L，去除率達58.18%，67.50%及51.07%，與對照組(去除率39.29%)對比差異顯著。15 d后，各組中的NH3-N濃度下降速度逐步變緩至平臺期，40 d后，4組反應器的總氮濃度為2.81，1.52，1.17 mg/L及1.65 mg/L，去除率達39.41%，67.31%，74.77%及64.41%。

可以看出，3組植物中，金魚藻組對NH3-N處理效果最好，高出對照組35%左右，這主要與NH3-N的去除途徑有關。常規狀態下，NH3-N的去除途徑主要包含植物吸收、硝化反應及氨揮發3部分。沉水植物根莖葉均能夠直接吸收水體中的氮[14]，但植物直接吸收對水體NH3-N的去除貢獻較微小。根據對照組對NH3-N的去除效果可以發現，因各試驗組DO含量較高，可維持硝化反應的進行[15]，因此硝化細菌對NH3-N的轉化量至少占水體總氮的39.41%，占主導地位；NH3-N揮發受水體pH值影響較大，當水體pH值大于8.0時，氨揮發顯著，7.5～8.0時反應不顯著，小于7.5時，氨揮發可忽略[16]。結合前期研究可以發現，金魚藻組水體中pH值通常較高，可能對NH3-N的降低有一定貢獻。另外，沉水植物在生長過程中會出現不同程度的腐爛分解，導致蛋白質的逸出，從而影響了實驗中后期對氨氮的總去除量。

2.2 沉水植物對總氮的去除效果

不同沉水植物組對總氮的去除曲線如圖2所示。

圖2 不同沉水植物組總氮濃度隨時間的變化曲線Fig.2 The variation curves of total nitrogen concentration in different submerged plant groups

3組處理系統對水體TN均有較好的去除效果。在0～10 d內，對照組、狐尾藻、金魚藻組及篦齒眼子菜組中TN濃度有較明顯的下降，由最初的9.45 mg/L分別降低至7.23，5.07，4.13 mg/L及5.59 mg/L，去除率達23.50%，46.30%，56.32%，40.80%，與對照組對比差異顯著。在10～20 d內，對照組、金魚藻組、狐尾藻組及篦齒眼子菜組中TN濃度的下降速度有所變緩，至20 d基本進入平臺期，總氮濃度分別降低至6.07，3.15，2.44 mg/L及3.39 mg/L，去除率達35.70%，66.64%，74.11%，64.06%。40 d后，4組反應器的總氮濃度為5.68，2.84，2.55 mg/L及3.37 mg/L，去除率達 39.94%，68.04%，71.61%，62.49%。與20 d時結果無明顯差異。可以看出，3組植物中，金魚藻對總氮的處理效果最好，但與狐尾藻組及篦齒眼子菜組的去除效果相比，相差不大，均高于對照組30%左右。這主要是因為，水生植物一方面通過根系的作用同化氮污染物，而另一方面通過微生物硝化的反硝化作用去除氮污染物[17]，且后者對脫氮的貢獻較高。因此，結合圖2分析，認為0～10 d內各組中TN濃度下降明顯的主要原因可能是根系及水中懸浮細菌的硝化反硝化作用，而后，易生物降解物質逐漸消耗，在10～20 d，反硝化作用降低，對總氮的削減主要受植物吸收作用控制，至20 d后，各組植物出現葉片發黃，腐爛現象，釋放出氮等營養物質，使得試驗水體中TN濃度隨時間變化而不再下降。

2.3 沉水植物對總磷的去除效果

各植物系統中總磷隨時間變化曲線如圖3所示，3組植物系統對水體TP均有較好的去除效果。在0～10 d內，對照組、狐尾藻組、金魚藻組及篦齒眼子菜組水體中TP濃度有較明顯的下降，由最初的1.23 mg/L分別降低至1.01，0.79，0.61 mg/L及0.71 mg/L，去除率達15.79%，34.02%，48.98%及41.18%，與對照組對比差異顯著。在10 d后，各組中TP濃度的下降速度變緩；20 d后進入平臺期；40 d后，4組反應器的TP濃度為0.96，0.63，0.52 mg/L及0.68 mg/L，去除率達19.41%，42.20%，55.25%及45.08%。可以發現，金魚藻組去除效果高于其他兩組植物系統，而3組植物系統對磷的去除率遠高于對照組。總磷的去除途徑包括植物吸收、磷酸鹽沉降、吸附作用和微生物固定等。試驗直接采用河底原污泥及塑料容器，故吸附作用去除的磷極為有限。由圖3可以看出，無植物存在的對照組中也出現了TP去除現象，這應該歸結于TP沉淀及微生物固定的作用；而3組植物系統對水體中TP的去除率遠高于對照組的原因可能是植物對可溶性磷的吸收同化作用，這也體現了不同植物對TP去除具有的重要作用[18]。

2.4 沉水植物對CODMn的去除研究

各植物系統中CODMn隨時間變化曲線如圖4所示。可以看出，各植物系統都具有一定的CODMn去除能力，各組水體中CODMn呈持續性、波動下降趨勢，未見明顯的平臺期，至40 d后，4組反應器的CODMn濃度為32.55，18.69，13.98 mg/L及15.64 mg/L，去除率達29.55%，67.37%，74.93%及71.47%。可以發現，3組植物系統對CODMn的去除率遠高于對照組。

圖3 不同沉水植物組中總磷(TP)濃度隨時間的變化Fig.3 Variation of total phosphorus concentration in different submerged plant groups

研究表明，植物對CODMn的去除主要通過附著于根系表面的微生物完成，微生物對CODMn的去除過程受水體溫度、水中溶解氧及微生物種類等因素影響。常溫條件下，以水體溶解氧在小于0.20，0.20～1.00 mg/L和大于1.00 mg/L為控制條件時，相繼發生厭氧降解、缺氧降解和好氧降解反應[19]。由圖4可以發現，各植物系統DO始終大于1.00 mg/L，故各植物系統主要通過好氧降解過程去除水中的CODMn，同時植物組之間對CODMn去除率的差異主要是因為各植物根系表面所依附微生物的差異，而植物組相較于對照組對CODMn去除率的差異主要是因為植物根系可作為微生物棲息地存在，導致其微生物數量、種群數量均大于對照組。

圖4 不同沉水植物的CODMn去除能力Fig.4 Removal ability of CODMn from different submerged plants

2.5 沉水植物對DO的影響

試驗期間各植物系統中DO隨時間變化曲線如圖5所示。可以看出，各組系統中DO含量均較高，平均維持在3.70 mg/L以上，增氧效果較明顯的是金魚藻及狐尾藻。植物對水體的富氧作用主要是由于植物光合作用以及呼吸作用將氧氣從上部輸送至根系，經釋放和擴散，根系周圍呈現周期性好氧環境。因此植物的復氧能力與根系發達程度及植物光合作用相關，實驗中金魚藻及狐尾藻的葉片與根系均較發達，其復氧作用也隨之而較高。同時，由于實驗采用水桶模擬，水深較淺，水體天然復氧能力較高，因此對照組也顯現出較高的DO濃度。

圖5 不同沉水植物的復氧能力Fig.5 Ability of reoxygenation in different submerged plants

3 沉水植物對氮磷的積累能力

完成40 d的生長實驗后，將反應器中各組植物取出，按照生長高度，將其分為上端和下端，分別測量其干重及氮磷量。各組植物生物量和植物氮磷含量如表2所示。

表2 沉水植物氮磷累計情況Tab.2 Accumulation of nitrogen and phosphorus in submerged plants

由表2可見，各植物生物量隨本體高度變化而逐漸增加，但其值較小，對植物生物量影響不明顯；而各組植物積累氮磷的能力隨本體高度變化有較明顯的差距。總體來說，植物越高的部分，積累氮磷的能力越強，這可能與植物的傳輸作用有關。同時，不同植物的含氮量與含磷量與其污染物去除能力并不能一一對應，但其大小次序與對氮磷的去除能力基本相似，這可能與植物的吸收作用或植物根系微生物的代謝作用相關。

4 結 論

(1) 通過多次對滏陽河現場勘察，選擇金魚藻、篦齒眼子菜以及狐尾藻作為備選植物，進行批式試驗。

(3) 狐尾藻組、金魚藻組及篦齒眼子菜組對磷有很好的處理效果，遠高于對照系統。經40 d實驗后，對TP的去除率達42%以上，凈化效果最佳的植物為金魚藻。

(4) 狐尾藻組、金魚藻組及篦齒眼子菜組對CODMn的去除效果無明顯平臺期，實驗階段內一直在緩慢下降。經40 d實驗后，對CODMn的去除率達67%以上，凈化效果最佳的植物為金魚藻。

(5) 各植物本體高度的氮磷積累能力有較明顯差距，植物對營養元素的吸收也隨著本體高度的增高而增加，這可能與植物的傳輸作用有關。同時，不同植物的含氮量與含磷量與其污染物去除能力并不一一對應，但其大小順序與對氮磷的去除能力基本相似，這可能與植物的吸收作用或植物根系微生物的代謝作用相關。