幾種植物浮床+仿生植物系統對污染物的去除效果

扶詠梅　劉盼　郭一飛　顧效綱　劉彪　郭佳　賀攀

摘要：為了研究由不同水生植物與仿生植物構建的組合型生態浮床對水中污染物的去除效果，將風車草、再力花、美人蕉、梭魚草、菖蒲與仿生植物組合構建成生態浮床，分析幾種組合型生態浮床對水中污染物的去除效果。結果表明，各處理系統（5種水生植物+仿生植物）對水中氨態氮（NH+4-N）、硝態氮（NO-3-N）、亞硝態氮（NO-2-N）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數（CODMn）具有很好的去除效果，平均去除率分別達到93.12%、88.10%、100.00%、95.00%、30.00%，明顯高于空白對照組，略優于仿生植物對照組，可見合理的植物+仿生植物組合系統可以實現對污染水體的強化凈化，同時可以有效抵抗植物衰亡對系統帶來的沖擊，確保復合系統的長期穩定運行。

關鍵詞：生態浮床;仿生植物;強化凈化;去除效果

中圖分類號：X52文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）07-0285-05隨著我國工業化進程的加快，環境問題日益突出，尤其是以水體黑臭和水體富營養化為代表的水環境問題。截至2017年，全國有黑臭水體2 100個，水體面積達1 484.727 km2，24.6%的重點湖泊呈富營養狀態。黑臭水體及水體富營養化現象導致水體的自凈功能嚴重退化，不僅對河流水質產生了較大影響，還會影響周邊的水環境和人文景觀，甚至會通過給水系統危害人類健康[1]。

為了解決水體富營養化問題，國內外學者提出了許多技術，主要有物理化學法、生物法和生態法等[2]。改善水體富營養化采用的具體方式主要有控源截污、內源治理、疏浚活水、人工充氧、穩定塘[3-4]等。這些方法在應用過程中存在工程量大、成本高、水體污染防治受地域限制、污染易反彈等缺點，生態浮床由于具有安全、經濟、實用、系統化、可實現原位修復、凈化效果好等諸多優點[5]，近年來受到國內外研究者的廣泛關注。多項研究結果表明，浮床植物主要通過植物的吸收作用及根系微生物的降解來去除污染物，從而改善水質，但是對于污染嚴重的河道，植物地上部分往往生長旺盛，地下部分短小，影響了根系微生物附著，從而影響了水質凈化效果，這是限制該項技術應用的主要障礙。仿生植物的出現很好地解決了這一瓶頸問題，其原理是通過各種纖維填料模仿植物根系，為微生物的附著提供充足的空間，可以促進微生物聚集、繁殖、生長、代謝，從而提高了污染物的去除效果，實現水質凈化的目的[1-2]。汪松美等采用空心菜浮床+仿生植物系統研究重污染河道的污染物去除情況，結果表明，空心菜浮床+仿生植物復合系統相比于單獨的空心菜浮床，總氮（TN）、氨態氮（NH+4-N）、總磷（TP）、高錳酸鹽指數（CODMn）的去除率分別提高了28.50%、20.03%、33.43%、18.02%;通過野外掛膜和室內控制試驗發現，當pH值為7～8、初始氨氮濃度為20 mg/L時，仿生植物系統具有較高的氨氮去除效能[6]。戴謹微等研究了復合型生態浮床系統對污水廠尾水的凈化效能，結果發現，在合適的水力停留時間（HRT）下，復合型生態浮床系統對NH+4-N、TN、TP的去除率分別達到98.69%、20.56%、91.80%[7]，可見復合型生態浮床系統在水體凈化方面具有可行性和高效性。

近年來的研究和實踐發現，復合生態浮床系統植物種類過于單一，而關于不同植物與其仿生植物組合而成的復合生態浮床系統的研究鮮有報道。鑒于此，本研究采用5種不同浮床植物與其對應的仿生植物，通過室內控制試驗，探討不同仿生植物復合系統對富營養化水體中NH+4-N、硝態氮（NO-3-N）、亞銷態氮（NO-2-N）、TP、CODMn等多項水質指標的凈化性能，以期為新型生態浮床系統的構建提供有益參考，通過分析各種污染物的去除機制，還可以為富營養化水體的原位修復及強化凈化提供技術支持與理論指導。

1 材料與方法

1.1 浮床植物

本研究采用的5種浮床植物分別為風車草、再力花、美人蕉、梭魚草、菖蒲，本試驗所用植株是由上述5種植物的根置于水中發芽生根得到的，待根部生根發芽后，再將植株移植入事先備好的盛土花盆中，置于污染河道的污水中進行馴化培養。

1.2 試驗材料

制作仿生植物的原材料采用組合填料，用尼龍扎帶固定，仿生植物及輔助單元的制作方法與汪松美等的試驗方法[6]類似，野外掛膜場所為河南城建學院校內的人工湖，掛膜周期約為180 d，待掛膜成功后，用無菌剪刀分別從對應培養有仿生植物的浮床植物上剪下仿生植物樣品，用無菌袋封存，置于實驗室-20 ℃冰箱中備用。試驗用水箱規格為90 cm×60 cm×60 cm，水樣體積為110 L，用聚苯乙烯泡沫板模擬生態浮床，試驗水箱放置于實驗室靠窗位置，設置6個試驗組（5種植物與1種單獨的仿生植物）和1個空白對照組，每個處理組設3組平行，選取生長狀況良好、長勢均勻的風車草、再力花、美人蕉、梭魚草、菖蒲野生種植株，移入試驗用塑料箱中并固定在聚苯乙烯泡沫板上。

1.3 試驗設計

試驗分為7組，分別為1號（風車草+仿生植物）、2號（再力花+仿生植物）、3號（美人蕉+仿生植物）、4號（梭魚草+仿生植物）、5號（菖蒲+仿生植物）、6號（單獨的仿生植物）、7號（空白）。試驗用水均取自河南城建學院人工湖，將馴化培養于人工湖中的浮床植物及對應的仿生植物分別移植于水箱中，在移植植物前對各水箱進行5 min的曝氣，確保良好的溶解氧環境。分別對7組生態浮床進行為期2個月的連續監測試驗。分別在試驗后0、2、6、12、18、24、30、36、42、48、54、60 d取樣測定水質情況，測試指標有CODMn、TN、TP、NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、pH值、溶解氧含量。根據各種指標的去除率，探討植物/仿生植物體系對水體中各種污染物的去除機制。在連續監測期間，隨著取樣的進行，水箱中的水隨之減少，為了確保水箱中的水量均勻，實時從人工湖取水補充，蒸發水用重蒸餾水補充。

1.4 樣品的采集與分析

在試驗期間，每次按3點法虹吸取水方式從水面下20 cm處各取100 mL水，混合均勻后成1個待測樣品，隨后立即進行水質指標的分析。待測水樣的NH+4-N濃度采用納氏試劑法測定;TN濃度采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定;TP濃度采用鉬酸銨分光光度法測定;NO-3-N濃度采用酚二磺酸光度法測定;NO-2-N濃度采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定;COD采用高錳酸鹽指數法測定;pH值采用PHS-3C pH計測定;溶解氧含量、溫度采用YSI-55型溶解氧儀測定。

1.5 數據分析

試驗數據用Origin 8.0進行處理。

2 結果與分析

2.1 對水體氮素去除效果的分析

由圖1可知，1～6號組合系統對NH+4-N具有良好的去除效果，在試驗初期（0～6 d），NH+4-N質量濃度急劇下降，分別由最初的1.174、0.631、1.285、0.714、0.616、0.870 mg/L降至0.053、0.043、0.103、0.007、0.020、0.154 mg/L，分別降低了1.121、0.588、1.182、0.707、0.596、0.716 mg/L，去除率分別達到95.49%、93.19%、91.98%、99.02%、96.75%、82.30%，與對照組（去除率為58.5%）之間差異明顯。在隨后的10～60 d，NH+4-N 質量濃度均在較低的范圍內波動，在36 d時，各復合系統的NH+4-N質量濃度有略微升高，為0.09 mg/L，這可能由于氮元素的轉化是一種可逆的過程，在試驗前期，植物大量吸收NH+4-N，而在試驗后期，水中的氨氮質量濃度過低，植物又將已吸收但未來得及供其生長的氮元素重新以NH+4-N 的形式釋放到水中。綜上可見，幾組復合系統對NH+4-N的去除率均呈現出先迅速上升后略微下降的趨勢，42 d以后，NH+4-N的質量濃度持續降低，并維持在較低的范圍。以上結果表明，各組合系統在試驗前期對水體中的氨氮均有良好的去除效果，隨后在短時間內有略微下降;后期各組合系統中的氨氮質量濃度維持在較低的范圍。可見，由于仿生植物的存在，各組合系統具有良好的抗干擾能力。

硝態氮主要是由水中本來含有的NO-3-N及硝化菌通過硝化反應生成的NO-3-N組成的， 水體中NO-3-N的去除依靠植物吸收和微生物的反硝化作用[8]。由圖2可以看出，在試驗初期（0～6 d），除空白對照組外，其他組的NO-3-N質量濃度均有不同程度的上升，而單獨仿生植物組NO-3-N質量濃度的上升速率要明顯小于其他復合系統，這可能是因為硝化作用需要消耗大量氧氣，而單獨的仿生植物缺少植物的釋氧作用，使得水中溶解氧不足，硝化作用有限[9]。各組合系統的NO-3-N 質量濃度在試驗前期均有不同程度的升高，可能是由于微生物的硝化作用遠遠大于植物的吸收與微生物的反硝化作用而造成NO-3-N質量濃度降低，這與圖1中NH+4-N質量濃度在試驗前期由于硝化作用迅速下降的規律一致。試驗進行到10 d以后，NO-3-N質量濃度開始下降，試驗進行到30 d時，除菖蒲+仿生植物的4種組合系統中的NO-3-N已經達到較低質量濃度，維持在0.081～0.151 mg/L，對NO-3-N質量濃度的削減量分別達到0.882、0.936、0.971、0.989 mg/L，效果明顯好于單獨的仿生植物及空白組，說明組合系統中植物吸收和微生物的反硝化速率遠遠大于微生物的硝化速率，菖蒲組合系統及單獨仿生植物對NO-3-N質量濃度的去除速率相對緩慢，試驗進行到50 d時，NO-3-N質量濃度降至檢測限以下。綜上可見，幾種組合系統對NO-3-N的去除效果排序為菖蒲+仿生植物>梭魚草+仿生植物>美人蕉+仿生植物>風車草+仿生植物>再力花+仿生植物>單獨仿生植物>空白對照。

水體中的NO-2-N主要來源于天然存在的NO-2-N以及亞硝化菌的亞硝化反應。由圖3看出，系統中的NO-2-N質量濃度始終保持在較低水平，變化趨勢不明顯，在試驗初期有略微上升，這可能是由水體中亞硝化菌的亞硝化反應造成的;6 d以后，水體中的NO-2-N質量濃度開始下降，水中的硝化細菌將NO-2-N轉化為NO-3-N;試驗進行到12 d以后，NO-2-N質量濃度由最初的0.01～0.03 mg/L降低到0.003 mg/L以下（未檢測出），各組合系統對NO-2-N 的去除率接近100.00%。

2.2 對水體中TP去除效果的分析

一般來說，浮床系統對磷的去除主要包括植物的吸收、沉降、攔截與基質的吸附、微生物的固定等[6]。如圖4所示，各試驗組對TP的去除效果變化明顯。在0～36 d內，各組合系統的TP質量濃度持續下降，分別由最初的[KG*3]0.12～0.21[KG*3]mg/L降至0.006 mg/L以下，平均去除率達到95%以上，相對于初始質量濃度，降低了0.094～0.204 mg/L。分析其原因可能有以下幾點：（1）植物根部可吸收TP，并將其轉化為自身的營養物質;（2）仿生植物中的聚磷菌吸收并同化了一部分TP;（3）基質填料的特殊結構可以吸附顆粒性磷，相比于其他組合系統，單獨的仿生植物對TP的去除效果只是去除速度相對緩慢，最終的去除率基本相當，說明植物+仿生植物系統對水體中TP的去除主要是仿生植物起主導作用。在隨后的37～48 d內，各系統的TP質量濃度略微升高，其原因可能有3個方面：（1）試驗后期植物有不同程度的衰亡，影響了植物根部對TP的吸收;（2）后期水中溶解氧濃度降低，水體呈厭氧環境，可能發生了厭氧釋磷現象;（3）水中pH值降低，聚磷菌在厭氧條件下受pH值的影響很大，因為pH值降低后，有利于磷的釋放[10]?？傮w看出，TP濃度的變化趨勢與鄭立國等研究組合型生態浮床對水體中氮磷的吸收能力得出的結論[11]相似。

2.3 對水體中CODMn去除效果的分析

污水中的污染物是通過微生物的降解和植物根系的截留來去除的，其中微生物降解起主導作用。由圖5可知，各試驗組對CODMn的去除率變化趨勢一致，起初都不穩定，60 d時，各組合系統對CODMn的去除率維持在30%左右，各組間的差異不明顯，單獨仿生植物與其他復合系統相比無明顯差異，進一步驗證了微生物在COD去除上的主導作用，這與王鄭等的研究結果[12]相吻合。

2.4 其他水質指標的變化情況

用YSI-55型溶解氧儀對溶解氧量的測定結果顯示，試驗水中的溶解氧質量濃度變化不大，呈逐漸降低的趨勢。試驗開始前，對每個水箱分別進行曝氣，溶解氧質量濃度維持在4.26～6.49 mg/L，經過60 d的試驗，溶解氧質量濃度降低至2.54～2.98 mg/L，此溶解氧環境不太利于反硝化脫氮的進行，這與試驗過程中發現TN質量濃度幾乎無變化的試驗結果保持一致。采用PHS-3C pH計測定試驗過程中的pH值變化，結果表明，各試驗組的pH值變化不明顯，總體呈略微下降的趨勢，這是因為試驗過程中的NH+4-N質量濃度逐漸降低，化學平衡NH+4+H2O→NH3·H2O+H+向右移動，H+質量濃度增加，導致pH值降低。

3 結論

各復合系統對水體中污染物有較好的處理效果，并且處理效率明顯高于仿生植物對照組和空白對照組，經過60 d的運行，5種水生植物+仿生植物處理組對NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N、TP、CODMn的平均去除率分別達到了93.12%、88.10%、100.00%、95.00%、30.00%，可見仿生植物在污染物的去除中起主導作用。各種浮床植物在污染物去除中的總體趨勢一致，但是不同植物在去除不同污染物的過程中有略微差異，在NH+4-N和CODMn的去除過程中，各種植物對應的浮床系統去除效應差異不明顯，但在NO-3-N、NO-2-N和TP的去除過程中，菖蒲+仿生植物的效果最好，降解速度最快，因此菖蒲+仿生植物復合系統可以作為復合型生態浮床系統的首選。

植物和仿生植物的結合，不但充分發揮了水生植物和微生物各自的優勢，可明顯提高污染物的降解效率，實現水中各類污染物的快速降解，且投資低、運行成本低、環境效益好，還兼具一定的景觀效果，具有很好的應用價值。

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