沉水植物組合對受污染河水的凈化與維護效果

王佳 顧永鋼 王昊 李兆欣 許多

摘 要：針對受污染河道水體水質凈化和長效維護需求，開展黑藻+金魚藻、穗狀狐尾藻+伊樂藻、馬來眼子菜+篦齒眼子菜、水盾草+苦草4種沉水植物組合方式的河道水體凈化與維護效果研究，結果表明：馬來眼子菜+篦齒眼子菜組合對受污染河道的修復效果最佳；對受污染河水的復氧及葉綠素a的削減，沉水植物均表現為促進作用；沉水植物組合的水體凈化效果馬來眼子菜+篦齒眼子菜組合>黑藻+金魚藻組合>水盾草組合+苦草>穗狀狐尾藻+伊樂藻組合，各植物組合差異不顯著；沉水植物組合對受污染河水的凈化效果主要受水體營養鹽含量影響，不同沉水植物組合方式均有利于河道再生水水質的提升；經沉水植物處理后，COD、氨氮等主要指標可達地表水Ⅳ類水標準。

關鍵詞：受污染河水；沉水植物組合；水質凈化；

中圖分類號：TV62；X824 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.021

引用格式：王佳，顧永鋼，王昊，等.沉水植物組合對受污染河水的凈化與維護效果[J].人民黃河，2022，44（1）：100-105.

PurificationandMaintenanceEffectofSubmergedPlantCombinationonPollutedRiver

WANGJia1，2，GUYonggang1，WANGHao2，LIZhaoxin1，XUDuo1，2

（1.BeijingInstituteofWaterScienceandTechnology，Beijing100048，China；2.SchoolofArchitectureEngineering，NorthChinaUniversityofScienceandTechnology，Tangshan063210，China）

Abstract：Inthisexperiment，XiaozhongRiver，atypicalreclaimedwatersupplementchannelinTongzhouareawaschosenastheexperimen talwatersource.Foursubmergedplantcombinationsofhydrillaverticillata+ceratophyllumdemersum，myriophyllumspicatum+elodea canadensismichx，potamogetonwrightiimorong+potamogetonpectinatusandcabombacarolinianaA.gray+vallisnerianatans（lour.）hara wereselectedtoinvestigatethepurificationandmaintenanceeffectsofdifferentcombinationsonreclaimedwaterundersimulatedriverwater. Theresultsshowthatprolongingtheresidencetimeandreducingtheamountoftreatedwaterarebeneficialtotheremovalofpollutants.Atthe sametime，thecombinationofmyriophyllumspicatum+elodeacanadensismichxisthebestforthepollutedwater.Theeffectsofsubmerged plantsonreoxygenationandchlorophyll aremovalonreclaimedwaterarepromoted.Comprehensiveanalysisshowsthatmyriophyllumspica tum+elodeacanadensismichx>hydrillaverticillata+ceratophyllumdemersum>potamogetonwrightiimorong+potamogetonpectinatus>cabombacarolinianaA.gray+vallisnerianatans（lour.）hara.However，thereisnosignificantdifferenceamongtheplantcombinations.At thesametime，thepurificationeffectofsubmergedplantcombinationonpollutedriverwaterisregulatedbythenutrientcontentofwater.In general，eachcombinationmodeisconducivetotheimprovementofriverregenerationwaterquality.Aftertreatment，chemicaloxygende mand（COD），ammonianitrogen（NH3-N）andotherindicatorscanreachtoclassIVwaterqualitystandardofsurfacewaterenviron ment.

Keywords：pollutedriverwater；submergedplantcombination；waterqualitymaintenance

1 材料與方法

1.1 試驗植物

試驗植物的選擇需要兼顧適應能力、凈化效果以及經濟效益等。試驗選擇生長良好，具有良好凈化能力的沉水植物組合，包括穗狀狐尾藻與伊樂藻組合（HY）、馬來眼子菜與篦齒眼子菜組合（MB）、水盾草與苦草組合（SK）、黑藻與金魚藻組合（HJ）。在試驗開始前對沉水植物進行馴養，通過自來水馴養7d，確保沉水植物生理狀態穩定。

1.2 試驗用水

選擇再生水補水河道小中河作為試驗用水，將化學需氧量、氨氮、總氮、總磷、葉綠素a、DO、水溫等7個指標作為檢測指標，探究不同沉水植物組合的水質維護效果。河水水質變化情況見表1。

1.3 試驗方法

試驗地點設置在通州小中河試驗基地，試驗水源直接抽取小中河原水。試驗水槽上部架設不銹鋼管，沉水植物種植在花盆內，花盆通過線繩固定在不銹鋼管上并自然下垂，保持沉水植物懸浮在水中。每根鋼管固定10盆植物，每盆種植2～3株植物，種植密度為30株/m2。裝置尺寸為2.0m×1.0m×1.0m。根據小中河水流情況，水深設置為0.4、0.6、0.8m，根據不同的補水周期，停留時間設置為1、3、5d，研究不同水深及停留時間條件下河道水質情況，探究不同狀態下的水質提升效果。

1.4 測定指標及檢測方法

試驗自2019年7月開始至9月結束，共設置4個組合，測定的指標包括總氮、氨氮、總磷、化學需氧量和溶解氧等，其中TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，NH3-N采用納氏分光光度法測定，總磷采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，COD采用酸性高錳酸鉀法測定。同時利用YSI多功能水質分析儀檢測水體葉綠素a、水溫、DO的變化。

對檢測結果進行權值歸一化計算，對影響水質凈化效果的環境因子進行主成分分析，DO、葉綠素a及常規指標的變化曲線采用Origin2018繪制。

2 結果與討論

2.1 不同處理單元溶解氧含量變化情況

水體中溶解氧含量與水質密切相關。試驗過程中沉水植物組合溶解氧含量每7d進行一組檢測，對檢測指標進行兩次平行測定，求均值并繪制溶解氧含量變化過程線，見圖1。不同處理單元對水體溶解氧含量影響有明顯差異，但溶解氧含量總體呈上升趨勢。水體溶解氧含量高于此水溫下的飽和溶解氧含量時，水體中沉水植物光合作用產生氧氣，導致水體氧含量上升。其中復氧能力SK>HJ>MB>HY。沉水植物在生長過程中，通過光合作用將氧氣從植物上部送至根莖，經釋放和擴散，根系周圍表現為好氧環境，使水中DO含量升高[9-10]。復氧能力的變化在一定程度上體現了植物的生長狀況。試驗后期水體中出現魚苗，說明不同沉水植物組合對受污染河道的生態修復有一定促進作用。

2.2 不同處理單元葉綠素a含量變化情況

葉綠素a含量一定程度上可以反映水體初級生產力情況，是衡量水體富營養化程度的重要指標。試驗過程中葉綠素a含量變化情況見圖2。不同沉水植物組合方式限制了水體葉綠素a含量的提升。試驗初期，隨著水溫的升高藻類生長速率加快，此時水體內藻類含量迅速增加，藻類密度達到峰值之后，受沉水植物的抑藻作用，葉綠素a含量顯著下降。姜小玉等[11]研究發現，穗狀狐尾藻、苦草、金魚藻等水生植物均有抑藻效果。試驗中不同沉水植物組合對受污染河水藻類的生長均產生抑制作用，其抑藻能力為HJ>HY>MB>SK。其原因可能是，金魚藻與黑藻繁殖速度快，水面覆蓋度高，對于光照以及水體中營養物質的吸收較藻類更具優勢，從而抑制藻類生長；金魚藻及穗狀狐尾藻可以分泌化感物質，化感物質可以起到抑制受污染河水藻類生長的作用。金魚藻借助假根與底泥相連接，通過根上部釋放的化感物質加強對受污染河水藻類的調控，改善受污染河水水質。

2.3 不同處理單元溫度變化情況

北方地區不同時段氣溫變化幅度較大，水溫影響沉水植物的生理狀態及其對污染物的凈化效果，試驗水溫變化情況見圖3。溫度是影響沉水植物凈化能力的重要環境因子，每種植物生長都有其最適宜溫度，水溫的變化直接影響不同組合方式的凈化效果。文明等[12]研究發現，黑藻具有優異的耐高溫性能，在42℃仍可正常發育。在同一溫度下，不同沉水植物水質凈化效果不同。過高的水溫會對植物的生長代謝造成不可逆的損害，影響其競爭力[13]。試驗初期，受水溫影響，植物生長代謝迅速；試驗末期，水溫降低，但仍處于沉水植物生長的適宜溫度。試驗期間，水溫整體處于沉水植物適宜的生長范圍內，水溫變化未對沉水植物的生長造成損害。

2.4 不同處理單元營養鹽變化情況

（1）不同處理單元COD的變化。COD可以反映水體受污染情況，COD數值越大，說明水體受有機物污染越嚴重。沉水植物組合對于COD的凈化效果見圖4。由圖4可以看出，受污染河水經沉水植物處理后，COD含量變化明顯。總體來看，各組合方式對受污染河水中的COD凈化均有一定效果。對試驗所得的污染物去除率進行均值計算可得，MB去除率約為28.01%，HJ約為27.85%，SK約為26.36%，HY約為 25.17%，即對COD的凈化效果MB>HJ>SK>HY。MB在5d的停留時間及0.4m水深下，COD去除率達到最大值31.14%。

（2）不同處理單元總磷含量變化。磷是導致水體富營養化的重要因素之一，而磷元素的影響又大于氮元素的[14-15]。不同處理單元對總磷的凈化效果見圖5。由圖5可以看出，河水總磷含量變化很大。沉水植物組合對于總磷的凈化效果，在5d的停留時間及0.8m的水深下，MB的凈化效果最好；在1d的停留時間，0.4、0.6m水深下，HJ、SK的凈化效果一致；在3d的停留時間、0.8m水深下，最佳去除率組合為HJ。對比各條件下的去除率可以發現，MB在5d停留時間、0.4m水深下，對總磷的去除率可達41.94%，試驗結束時，出水總磷含量為0.73mg/L，水質得到明顯提升。

（3）不同處理單元氨氮含量變化。不同植物組合對受污染河水氨氮的去除效果不同。沉水植物對水體中氮元素的去除，首先是吸附水體中的氨氮，氨氮的吸收借助植物表面的膜通道完成。氨氮可以直接被植物利用，與有機酸在光照條件下經同化作用形成氨基酸[16-18]。不同水力條件下氨氮去除率見圖6。由圖6可以看出，在1、3d的水力停留時間下，氨氮去除率MB>HJ>SK>HY；在5d的水力停留時間下，氨氮的去除率HJ>MB>SK>HY，水深為0.4m時，HJ對氨氮的去除率為33.42%。

（4）不同處理單元總氮含量變化。總氮是引發水體富營養化的重要因素之一，過高的總氮含量會導致水體富營養化[19-20]。另外藻類會消耗水體中的溶解氧，過低的溶解氧含量會導致水生生物大量死亡。由圖7可以看出，沉水植物組合對水體中TN的去除效果較明顯。試驗結束時，TN去除率HJ>MB>SK>HY，其中0.4m水位下，HJ組合對TN的去除率可達30.9%。

計算得出總磷、總氮、氨氮、COD的指標權重分別為0.308、0.499、0.075、0.118。不同去除率下各指標賦分標準見表2。

小中河50d水質檢測結果表明，水質指標并不穩定，河道經過再生水補水后水質指標基本處于劣Ⅴ類附近。綜合4個水質指標的變化可以看出，水力因素的變化明顯影響沉水植物組合的凈化效果。郭長強等[21]研究指出，河道水位較高時會致使污染物分布不均，影響植物凈化效果。胡碧瑩等[22]研究發現，不同表面流速下，植物對污染物的吸附效果不同。本試驗中，各污染物指標被植物根、莖吸附，得到有效去除。總體呈現出，適度減小水深，延長處理時間，有利于污染物的去除。另外，通過每種指標的最大去除率，利用權重方法對比4種組合方式的綜合評分，可以發現MB>HJ>SK>HY。即對于受污染河道水體的處理，馬來眼子菜+篦齒眼子菜的效果最好。

2.5 沉水植物受環境因子的影響分析

沉水植物組合的生長代謝受DO、水溫、葉綠素a、營養鹽等環境因子影響，因此對各環境因子進行主成分分析，結果見圖8（PC1、PC2為主成分1、主成分2）。由圖8可以看出，水盾草+苦草組合明顯受COD、總磷、溶解氧含量變化的影響，而馬來眼子菜+篦齒眼子菜、黑藻+金魚藻組合則明顯受水體溫度與總氮含量的影響。穗狀狐尾藻+伊樂藻組合抵御環境變化的穩定性較差，其容易受到環境因子的影響出現水質維護能力的變化。同時，葉綠素a常用于表征水體中浮游藻類生物量[23]，葉綠素a含量的變化限制了馬來眼子菜+篦齒眼子菜組合的水質維護效果。原因是，沉水植物與藻類在水環境系統中同屬于初級生產者，兩者對于水體中的光能及營養鹽等資源存在競爭，藻類數量的提升消耗了大量營養鹽等資源，從而對沉水植物的水質維護效果造成不利影響。整體來看，沉水植物組合對于環境因子變化的響應程度不同，影響沉水植物水質維護效果的決定因素是營養鹽含量。

2.6 討 論

研究表明，不同沉水植物組合對于受污染水體都有一定凈化效果。沉水植物對污染物的凈化方式主要包括根系的直接吸收及根部富氧區域聚磷菌的吸收[24]。水體中氮素的去除包括植物的吸附過濾以及氨的揮發、硝化和反硝化反應等。不同沉水植物組合方式，可以相互補充對受污染水體的凈化效果，有利于實現水體的完全或半完全自我循環，提升水質凈化效果的同時增強水生態環境的穩定性[25]。對于受污染河水氮素的去除，金魚藻+黑藻組合的凈化效果可達30.9%，黑藻的耐污能力強且具有良好的氮素吸收能力，金魚藻則分布廣泛，成本低廉，這兩者組合后起到了良好的促進作用，受污染河水氮素的去除效果良好[26]。綜合考慮植物的生長及對水質的凈化效果，受污染河道優選沉水植物組合為馬來眼子菜+篦齒眼子菜。馬來眼子菜與篦齒眼子菜均屬于眼子菜科，二者具有相似的生理狀態，環境適應性強，且具備一定水質凈化能力，并且篦齒眼子菜具有良好的抑藻效果[27]，馬來眼子菜的適應性良好，在低光照條件下仍可保持良好的水質凈化能力[28]，這兩種植物組合可以改善受污染河水的溶解氧含量，增強水體富氧能力，增強附著群落的反硝化作用，提升微生物對氮素、磷素的降解轉化能力[29-30]。另外沉水植物對于受污染河水的水質維護受環境因子的影響，主成分分析結果顯示，葉綠素a的升高會對馬來眼子菜+篦齒眼子菜組合水質維護造成不利影響。

本研究中4種沉水植物組合對受污染河水的污染物去除率為18.22%～41.94%，沉水植物組合可以有效凈化受污染河水。同時試驗在戶外岸側進行，模擬了受污染河水的水深及水流變化，對于微污染河水的生態修復具有參考意義。

4 結 論

（1）不同沉水植物組合對于再生水補水后受污染河道的水質凈化均起到促進作用，沉水植物組合凈化效果明顯受到水力條件的影響。總體來看，適度減少處理水量、降低水深、延長停留時間可以更好恢復受污染河道水質。綜合各指標并通過權重計算發現，對于受污染河道水的凈化效果馬來眼子菜+篦齒眼子菜組合>黑藻+金魚藻組合>苦草+水盾草組合>穗狀狐尾藻+伊樂藻組合。

（2）沉水植物組合對于受污染河水TP、TN、NH3-N、COD均具有凈化效果。處理后氨氮、COD的數值滿足《地表水環境質量標準》（GB3838—2002）Ⅳ類水標準。考慮到實際受污染河道河水的流動，應盡量選擇水流緩慢的區域種植沉水植物，達到維護水質、提升凈化效果的目的，并適度拓寬河道，加設穩定塘，種植沉水植物，促進其水質凈化作用的發揮。

（3）各沉水植物組合對環境因子變化的響應不同，其中營養鹽含量是影響其效果的重要因素。對于受污染河道的生態修復，搭配合理的沉水植物組合可以提升受污染河道水凈化效果，抑制藻類生長，但沉水植物的長效管理方式有待進一步研究。

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【責任編輯 呂艷梅】