模擬復合系統對富營養化水體的治理效果

李文夢，張清東*，茍俊莉，張思林

(1.西南科技大學 環境與資源學院，四川 綿陽 621000； 2.綿陽市農畜產品質量安全檢驗檢測中心，四川 綿陽 621000)

水體富營養化是水環境的主要問題之一[1-2]。據《2018年中國生態環境狀況公報》報道，2018年全國監測的111個湖泊(水庫)中，富營養化狀態的湖泊(水庫)占29%，較2017年的監測結果降低1.28%。如何解決湖泊中過量的營養鹽問題一直是廣大科技工作者研究的熱點，主要采用工程、化學和生物等方式進行修復。然而，底泥疏浚和水體置換等進行工程修復及采用化學藥劑進行化學修復等[5-7]方法雖是高效治理措施，但耗時耗力，工程量巨大，且治標不治本，易重新引發新的生態問題。而生態浮床和人工濕地等生物修復技術[8-10]由于成本低和二次污染少等優點而得到廣泛應用，但濕地較為適合處理水量不大的污水，對污水量較大的地區其處理效果并不理想，甚至因為水生植物生長周期長，得不到及時收割處理，致使氮磷等營養鹽再次釋放到水體中。因此，結合物理與生物修復技術建立新的生態系統，是治理富營養水體新的思考方向。ABOU-ELELA等[11]報道，生態浮床與人工濕地對氮磷的去除率達50%以上。聶志丹等[12]研究發現，在垂直流、潛流和表面流3種類型人工濕地中，垂直流和潛流對氮磷的去除效果相近，二者均優于表面流，但潛流式人工濕地對高錳酸鹽指數和葉綠素a的去除效果優于垂直流。章文賢等[13]報道，暴雨沖刷可導致景觀富營養化水體中TN/TP濃度突然升高，植物性生態浮床對水體具有一定的修復效果。譚洪濤等[14]研究表明，利用浮橋技術與潛流式人工濕地結合，并搭配浮游植物與沉水植物，系統對TP(74.6%)的去除率高于TN(54.4%)。目前為止，鮮見利用生態浮床與濕地組合方法治理水體富營養化的研究報道。為此，根據四川盆地地理特征，在人工濕地和生態浮床基礎上，選擇適合本地生長的水稻(Oryzasativa)與日本葦(Phragmitesjaponicus)建立土培-水培內循環復合系統，研究復合系統對富營養水體中TN、TP的凈化效果，旨在解決單一濕地系統不能處理大量污水問題，實現同時治理底泥與水體污染的目的，以期為富營養化水體的治理提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試水體 供試水體來源于某大學一小型湖泊(104°70' 75.54"E，31°54' 15.16"N)中部水層，由于半封閉型環境，湖泊水體流動緩慢，導致水體長期處于富營養狀態，為重度富營養水體，水體pH7.74，總磷0.319 mg/L，總氮8.10 mg/L，高錳酸鹽指數12.94，水體富營狀態指數73.11。

1.1.2 供試底泥 采自供試水體湖底，底泥pH7.23，總磷7.74 g/kg，總氮16.8 g/kg，全鉀5.46 g/kg，有機質320 g/kg。

1.1.3 供試植物 供試植物為水稻(川優8377)和日本葦。水稻(Oryzasativa)來源于某稻田中心(104°69′66.83″E，31°53′ 44.58″N)，選擇株高35 cm，鮮重28.6 g，分蘗數為3的植株進行試驗；日本葦(Phragmitesjaponicus)，采于四川省綿陽市某河漫灘(104°71′37.67″E，31°56′ 25.35″N)，沿匍匐莖節間剪斷，每節為1個單株，選擇株高31 cm，鮮重13.6 g的未分株植株進行試驗。

1.1.4 儀器 LB-800型有機玻璃采水器，青島首行環保設備科技有限公司；JC-801型抓斗式采泥器，青島聚創環保設備有限公司。

1.2 方法

1.2.1 水體與底泥采集 采用有機玻璃采水器與抓斗式采泥器分別采集湖泊中部水樣與底部泥樣。

1.2.2 試驗設計

1) 系統設計。試驗復合循環系統(圖1)采用2個處理池，處理池為聚丙烯(PP)箱，復合系統由土培系統StageⅠ(SⅠ)與水培系統StageⅡ(SⅡ)復合構成，形成土培系統(濕地-日本葦)-水培系統(浮床-水稻)-余水-循環土培系統的內循環模式。SⅠ中均勻加入20 cm深的供試底泥(濕重34 kg)種植日本葦。SⅡ中放入固定支架后種植水稻，試驗水樣體積為33 L，水深為20 cm。2種植物種植密度均為4組/箱，每組2株，行株距為24 cm×17 cm。PP箱長×寬×高規格為48 cm×34 cm×25 cm，有效水深24.5 cm，有效容積40 L。復合系統水箱中用聚氯乙烯(PVC)管作為進出水的布水管，布水管沿間距2.0 cm且呈120°均勻打孔。左側面布水管上方插一漏斗作為進水口，右側面長17 cm，距離頂部5 cm處開圓孔(R=2 cm)作為出水口。另設1個未打孔PP水箱，裝入22 cm富營養水體，作為對照組(CK)。

2) 系統運行。試驗于2019年6月3日至7月15日在西南科技大學污水處理廠(104°70′ 41.03″E，31°54′51.33″N)大棚內進行，復合循環系統運行時間共計49 d，試驗場地避雨且有充足光照。試驗期間大棚內平均氣溫34℃，平均水溫25℃。系統進出水方式采用下進上出模式，供試水從SⅠ進水口經布水管進入SⅠ中，再從SⅠ出水口進入SⅡ進水口，最后從SⅡ出水口循環到SⅠ中。系統蒸發所耗的水分采用自來水補充，系統采樣及植物蒸騰消耗的水分采用供試水補充。試驗期間不施用任何化肥和農藥，植物營養完全來源于水體。

1.2.3 采樣與測試 在復合循環系統49 d的運行周期中，進水流量為0.1 L/min，SⅠ水的停留時間為2 h，SⅡ水的停留時間為5.5 h，系統運行期每隔7 d為1個采樣周期，采集時間分別為0 d(當日)、7 d、14 d、21 d、28 d、35 d、42 d和49 d，于每個采樣時間點的8:00與13:30分別采集SⅠ與SⅡ中出水口水樣各50 mL。試驗結束后，土培系統按系統布點法設4個底泥取樣點，植物采集整株樣，土培系統、水培系統、對照組和復合系統對富營養化水體中總氮(TN)與總磷(TP)的含量等指標采用文獻[15-17]的方法進行分析與測定。

1.3 數據處理

采用Excel 2010處理數據，Origin 9.0制圖，SPSS 20進行回歸及差異性分析。

2 結果與分析

2.1 土培系統總氮(TN)與總磷(TP)的含量變化

從表1可知，在復合循環系統運行的整個周期中，土培系統水體中TN和TP濃度下降幅度較大。試驗初期(第0～14天)的第14天時，TN和TP濃度從初始值分別降至4.575 mg/L和0.150 mg/L，下降率分別為43.51%和52.98%。試驗中期(第21～35天)，至第28天時水體TP濃度為0.095 mg/L，已達到地表水環境質量標準(GB 3838-002)Ⅳ類水標準(TN≤1.5 mg/L；湖、庫TP≤0.1 mg/L)；第35天時，TN和TP濃度分別降至1.554 mg/L和0.075 mg/L，下降率分別為80.81%和76.49%。試驗末期(第42～49天)，試驗結束時即第49天時，TN和TP濃度分別降至1.248 mg/L和0.051 mg/L，下降率分別為84.59%和84.01%，且水體中TN和TP質量濃度基本保持恒定。

表1 土培系統運行不同時間水樣的總氮(TN)與總磷(TP)含量Table 1 TN and TP content in eutrophic water treated with the soil culture system after different days

2.2 水培系統總氮(TN)與總磷(TP)的含量變化

從表2看出，在復合循環系統運行的整個周期中，水培系統水體中TN和TP濃度變化趨勢與土培系統相似，其濃度大幅度下降。試驗初期(第0～14天)的第14天時，TN和TP濃度從初始值分別降至3.844 mg/L和0.128 mg/L，下降率分別為49.17%和54.93%。試驗中期(第21～35天)的第35天時，TN和TP濃度從初始值分別降至1.420 mg/L和0.069 mg/L，下降率分別為81.22%和75.70%。水體TP濃度(0.099 mg/L)至第21天和TN濃度(1.420 mg/L)至第35天時先后達到地表水環境質量Ⅳ類水標準。試驗末期(第42～49天)的第49天時，TN和TP濃度從初始值分別降至1.058 mg/L和0.046 mg/L，下降率分別為86.01%和83.80%，TP濃度(0.046 mg/L)已達到地表水環境質量Ⅲ類水標準(湖、庫TP≤0.05 mg/L)，試驗末期TN去除率略大于TP。

表2 水培系統運行不同時間水樣的總氮(TN)與總磷(TP)含量Table 2 TN and TP content in eutrophic water treated with the hydroponic system after different days

2.3 對照組總氮(TN)與總磷(TP)的含量變化

從表3可知，在復合循環系統運行的整個周期中，對照組中TN和TP濃度下降幅度較小。隨試驗時間的推移，TN濃度雖然變化幅度較小，但一直呈逐漸下降趨勢，TP濃度雖然總體呈下降趨勢，但不管是其含量還是下降率的變化均無規律性。第14天時，TN和TP濃度從初始值分別降至7.135 mg/L和0.294 mg/L，下降率分別為11.89%和7.84%。第35天時，TN和TP濃度分別降至6.203 mg/L和0.303 mg/L，下降率分別為23.40%和5.02%。第49天時，TN和TP濃度分別降至6.079 mg/L和0.286 mg/L，下降率分別為24.93%和10.35%。

表3對照組運行不同時間水樣的總氮(TN)與總磷(TP)含量
Table 3 TN and TP content in eutrophic water of CK group after different days

時間/dDayTN含量/(mg/L)變化率/%TP含量/(mg/L)變化率/%08.09800.319077.5646.590.3054.39147.13511.890.2947.84216.73216.870.3044.70286.31921.970.2957.52356.20323.400.3035.02426.19123.550.2976.90496.07924.930.28610.35

2.4 復合系統對富營養化水體中總氮(TN)與總磷(TP)的治理效果

試驗結束時，復合系統中水稻和日本葦的生物量由44.95 g和21.43 g增至78.68 g和105.86 g，生物量增長率分別為75.03%和393.98%，水體中的TN和TP由初始供試水體的8.098 mg/L和0.319 mg/L降至試驗結束時的1.248 mg/L和0.051 mg/L，扣除對照組水體中氮磷的去除率，復合系統對TN和TP的去除率分別為59.66%和73.66%，復合系統對水體中TP的去除率大于TN。系統中植物及其共生體對TN的吸收量復合系統總量的43.68%，植物吸收量來源于水體及土壤的釋放；系統中植物及其共生體對TP的吸收量占復合系統總量的42.95%，植物吸收量主要來源于土壤的釋放。根據物料平衡計算，植物吸收TN和TP量為6.00 g/m2和3.51 g/m2，同時土壤釋放TN和TP量為5.44 g/m2和4.03 g/m2。表明，水體給予土壤富含營養源的水分，土壤吸收后供植物生長，從而降低富營養化程度。

3 結論與討論

植物對氮磷的去除途徑包括植物吸收[18]、底質和根系吸附[19]等，可通過收獲植株，將營養鹽從水體中移出，從而凈化水體。雖然對照組由于沉降、底泥吸附等作用導致水體中氮磷濃度隨著試驗時間的進行而減小，但其下降趨勢遠小于復合系統。試驗前期，由于水稻和日本葦在移入培養箱之前進行了預培養，2種植物適應環境后開始大量吸收水體中的可溶性氮和磷[20]，且種植植物可促進水體的平穩，植物根系還可滯留懸浮態無機磷[21]，同時根系中微生物的生長可促進水體的生物脫氮作用。因此，氮磷濃度快速大幅度下降。植物吸收作用是磷去除的主要途徑，與楊雁等[22]對不同品種水稻對磷的累積吸收的研究結果一致。植物體對氮同化吸收的去除作用較小，其中根系微生物的硝化與反硝化過程也是水體去氮的主要過程。研究結果表明，復合系統可有效減低水體中氮磷含量，復合系統處理組與對照組間對TN和TP的去除率差異很大，2個分系統處理組對TN和TP的去除率均>83%。表明，復合系統對水體中氮磷有較好的去除效果，若在工程中應用得當，時間與空間充分，則去除效果更佳。試驗中期復合系統對TN和TP的去除效率最高，這可能因為中期植物根系發達，為微生物的生長提供了優良的繁殖環境。試驗結束時，底泥中氮磷含量偏低，可能是底泥作為平衡養分作用，在試驗后期水體氮磷下降的情況下，向水體進行了一定量的釋放，植物吸收底泥中的營養物質，降低了底泥營養元素的積累量。

采用土培與水培進行組合試驗，復合系統對水體中TN和TP的去除效果較好，去除率分別為59.65%和73.66%，對TN的去除效果略高于TP；對照組對水體中TN和TP的去除率分別為24.93%和10.35%。試驗結束時，復合系統處理組水體中TN和TP濃度(土培系統為1.248 mg/L和0.051 mg/L，水培系統為1.058 mg/L和0.046 mg/L)達到地表水環境質量標準(GB3838—002)Ⅳ類水標準。根據物料平衡計算，植物吸收TN和TP為6.00 g/m2和3.51 g/m2，同時土壤釋放TN和TP達5.44 g/m2和4.03 g/m2。