植物組合對模擬養殖場高濃度廢水的凈化效果

梁玉婷，康凱麗，于靜亞，王樸*，王書峰

（1.武漢市園林科學研究院，湖北 武漢 430000；2.武漢市青山區園林綠化服務隊，湖北 武漢 430000）

近年來，我國水產養殖業發展取得了顯著成績，水產養殖產量占水產品總產量的比重達75%以上，但由于未有效處理好生產與生態和生活之間的關系，致使超容量、超規劃養殖現象存在，造成質量安全和環境破壞等問題[1]。隨著集約化養殖業的迅速發展，畜禽養殖污染物產生量增多，成為繼工業污染和生活污染后的第三大污染源。養殖水體日益富營養化，對周邊水域環境和生態系統也構成了嚴重威脅[2，3]。

養殖廢水富營養化涉及的2種營養元素是氮（N）和磷（P）[4]。目前養殖場廢水的處理方法較多，但存在受季節影響大、占地面積廣、運行復雜、成本高等問題。大量研究表明，利用水生植物對富營養化的養殖廢水進行養分削減具有顯著效果和良好的經濟價值[5～7]。馬旻等[8]在亞熱帶氣候條件下研究了鳳眼蓮、輪葉黑藻、香根草和水蕹菜4種水生植物對水產養殖廢水的凈化效果，結果顯示，鳳眼蓮組處理的水體總磷（TP）去除率在第7天就達到92.67%，明顯高于其他植物組，但總氮（TN）的去除效果稍遜于其他植物組。大多數學者認為，不同生活型水生植物物種合理鑲嵌組合形成的水生植物群落，氮磷除去率較單一生活型水生植物更高，且凈化效果更為穩定[9，10]。Lauchlan等[11]在構建的濕地中利用4種濕生植物對2種氮和磷水平的土壤滲出液進行養分去除，結果表明，種植植物較未種植處理在降低土壤滲濾液TN和TP濃度時更有效；不同物種在降低氮和磷濃度潛力方面的效應不同，但不能確定植物混合組合較單一品種處理更有效。該觀點在高濃度氮磷條件下是否依然適用尚不明了。在前期試驗的基礎上，研究不同景觀效果水生植物組合對模擬養殖場廢水中氮磷的去除效果以及其他水體指標的影響，明確植物組合在高濃度氮磷中的適應性以及對氮磷的移除能力，旨為當地水生植物應用與景觀營造以及養殖場廢水凈化和治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 水生植物 試驗水生植物種類有千屈菜（Lythrum salicaria）、三白草（Saururus chinensis）、鳳眼藍（Eichhornia crassipes）、綠葉美人蕉鐵十字（C.Xgeneralis Bailey“Tieshizi”）、矮生美人蕉（Canna glauca‘Taney’）、卡開蘆（Phragmites karka）、穗花狐尾藻（Myriophyllum verticillatum）和金魚藻（Ceratophyllum demersum），除穗花狐尾藻和金魚藻購于武漢秀水生態工程有限公司外，其他植物均為2019年6月18日采自武漢市園林科學研究院水生品種池。同一物種的株高等情況基本一致。

1.1.2 養殖場廢水 用硝酸鉀和磷酸二氫鉀配制TN為104.93～127.25 mg/L、TP為49.34～59.2 mg/L的溶液，模擬養殖場產生的高濃度廢水。該污水pH值8.12，DO（溶解氧含量）為9.52 mg/L，EC（電導率）為2 315μS/cm。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 試驗植物組合設卡開蘆組合（D）、矮生美人蕉組合（E）、綠葉美人蕉鐵十字組合（F）3個處理，每個組合處理均由6種植物組成，其中共有植物為穗花狐尾藻、金魚藻、鳳眼藍、千屈菜和三白草（表1）。用大桶作為容器，內設不同植物群落的人工浮島。每個容器的人工浮島有千屈菜（株高51～56 cm）10株，鮮重2400g；三白草（株高60～65cm）5株，鮮重510 g；鳳眼藍（株高33 cm）3～4株，鮮重210 g；矮生美人蕉（株高79 cm）2～3株，鮮重120 g；綠葉美人蕉鐵十字（株高79 cm）2～3株，鮮重120 g；卡開蘆（株高79 cm）2～3株，鮮重120 g；金魚藻（株高50 cm）和穗花狐尾藻（株高50 cm）各6株，鮮重均為30 g。千屈菜、三白草、鳳眼藍、試驗組合的不同植物（卡開蘆、矮生美人蕉、綠葉美人蕉鐵十字）、穗花狐尾藻、金魚藻的鮮重比為80∶17∶7∶4∶1∶1。將配置好的植物組合先種植在裝有自來水的大桶內緩苗7 d，然后（2019年6月24日）種植在盛有50 L污水的塑料白桶內；以不種植植物的污水樣品為對照（CK）。每處理均3次重復。試驗于2019年6月24日開始，7月29日結束，共持續35 d。

表1 試驗設計的植物組合類型Table 1 Types of plant combinations for experimental design

1.2.2 測定項目與方法

1.2.2.1 水體理化指標。分別在試驗第0（開始）、7、14、21、28和35天采集水樣，每次均采集500 mL，采用常規檢測方法測定水體的TN、TP、pH值、DO和EC。其中，TN測定采用堿性過硫酸鉀-紫外分光光度計法；TP測定采用鉬酸銨分光光度法[12]；pH值利用Metler PHS-25CpH計直接測定；EC采用Metler測定；DO采用Hach HQ30D現場直接測定。試驗期間，用純水補充蒸發和采樣所消耗的水分，保持容器中的水位不變。

根據公式，計算水體的TN或TP去除率（WR）：

式中，WC1為試驗開始時水體的TN（或TP）；WC2為試驗結束時水體的TN（或TP）。

1.2.2.2 植物鮮重指標。分別在試驗開始（第0天）和結束（第35天）時，將水生植物取出，用吸水紙吸干表面水分后，測定各種植物的鮮重。根據公式，計算相對增重率：

式中，Wt、W0分別為試驗結束和試驗開始時的植物鮮重。

1.2.3 數據統計分析 利用SPSS 20.0軟件進行數據統計分析：采用單因素方差分析方法，分析各組合處理的植物生長指標和氮磷去除率；采用鄧肯氏復極差測驗法（Duncan’s multiple range test），檢驗處理組間的差異；采用雙因素方差分析方法，分析植物的相對生長速率和生物量積累以及水體的TN和TP變化率。

2 結果與分析

2.1 不同植物組合對污水TP的去除效果

試驗結束后與試驗開始時相比，除組合E外，其他2個組合處理和CK均對污水TP有一定的去除效果（圖1）。組合D、組合F和CK雖然在去除過程中TP有一定的高低起伏變化，但總體呈下降趨勢，試驗結束時三者TP差異不顯著但均顯著＜組合E處理，去除率分別為47.99%、48.22%和48.80%。組合E處理在試驗開始后TP始終處于較高水平，最終TP去除率為-38.60%，對TP無去除效果。可以看出，組合D和F處理的污水TP去除效果與CK相當，其中組合F的去除效果最好；組合E處理對污水TP無去除效果，不宜采用。

圖1 不同植物組合處理對污水總磷含量的影響Fig.1 Effects of different plant combinations on total P content in sewage

2.2 不同植物組合對污水TN的去除效果

試驗結束后與試驗開始時相比，所有處理均對污水TN有一定的去除效果（圖2）。但去除過程中，植物組合處理的TN變化趨勢與CK略有不同。3個組合處理的TN在試驗開始后28 d內基本呈先降低后升高的變化，之后極速下降，試驗結束時TN去除率達到68.01%～96.81%，TN均顯著＜CK，組合間差異較大，其中組合F的TN最低，已降至7.13 mg/L，與組合D差異不顯著，但二者均顯著＜組合E處理。組合E在試驗開始后TN一直處于最高水平，但試驗28 d后降速快于CK，最終，TN去除率顯著＞CK，而＜其他2個組合處理。CK的污水TN在試驗期內總體呈下降趨勢，但降幅＜3個組合處理。可以看出，植物組合可顯著去除污水中的TN，其中組合F的去除效果最好。

圖2 不同植物組合處理對污水總氮含量的影響Fig.2 Effects of different plant combinations on total N content in sewage

2.3 不同植物組合對污水DO、pH值和EC的影響

試驗結束后與試驗開始時相比，所有處理均對污水DO有一定的去除效果（圖3）。去除過程中DO雖然均呈降低—升高—降低的變化，但植物組合處理的DO變化幅度較CK相對平緩，其中，試驗后第14天時所有處理的DO降至最低；第21天時所有處理的DO均出現回升，此時CK的DO變化劇烈且指標值＞試驗開始前；試驗結束時，組合C的DO最低，與組合E處理差異不顯著，但三者DO均顯著＜CK。試驗開始后，3個組合處理的DO始終＜CK，大多數植物組合的DO為4～5，其中組合F的DO基本維持在5 mg/L左右。可以看出，植物組合可顯著去除污水中的DO，其中組合D和E的去除效果更好。

圖3 不同植物組合處理對污水溶解氧含量的影響Fig.3 Effects of different plant combinations on dissolved oxygen content in sewage

試驗結束后與試驗開始時相比，除組合E的污水pH值略微下降外，其他處理的污水pH值均有所升高，其中組合D和F處理的污水pH值略微升高，CK的污水pH值升高較多（圖4）。試驗開始后所有處理的污水pH值總體呈升高趨勢，但至試驗結束時組合E處理的污水pH值急劇降低，最終組合E處理的污水pH值顯著＜CK，其他2個組合處理的污水pH值略＞CK。可以看出，植物組合可以使水體pH值升高，但試驗結束時不同植物組合對水體pH值的改變差異較大。

圖4 不同植物組合處理對污水pH值的影響Fig.4 Effects of different plant combinations on pH value of sewage

試驗結束后與試驗開始時相比，所有處理的污水EC均有所降低（圖5）。但去除過程中不同處理的變化趨勢略有不同，其中，試驗開始后14d內，不同處理的EC變化不同，有升有降；但之后均穩定在2000左右。試驗結束時，組合E的EC最低，顯著＜組合D處理，而與組合F處理和CK差異均不顯著。可以看出，不同植物組合對污水EC的改變是不同的。

圖5 不同植物組合處理對污水EC的影響Fig.5 Effects of different plant combinations on EC of sewage

2.4 不同植物組合對植物生長狀況及生物量的影響

3個組合處理中，2種沉水植物金魚藻和穗花狐尾藻的長勢均很差，有不同程度的死亡，其中，穗花狐尾藻在組合D和F中生物量為負增長，甚至完全死亡；金魚藻生物量在所有組合中均呈減少趨勢，存活下來的個體反而表現出較好的生長態勢，試驗結束后不同組合處理的指標值差異不顯著（表2）。表明穗花狐尾藻和金魚藻的生長狀況受到高濃度氮磷的抑制，2種植物不能適應環境。千屈菜、三白草、鳳眼藍在不同組合中長勢略有差別，其中，千屈菜在3個組合中長勢均較好，其生物量在組合E中增加最多；三白草生物量在組合E中增加最多；鳳眼藍長勢一般，在3個組合中生物量均有所增加。試驗組合中不相同的植物種類，組合E的矮生美人蕉生物量增加最少，但與另外2個組合中的卡開蘆和綠葉美人蕉鐵十字無顯著差異。

表2 不同植物組合處理對各植物鮮重變化率的影響Table 2 Effects of different plant combinations on the change rate of fresh weight of plants

3 結論與討論

3.1 討論

3.1.1 試驗前后TN和TP去除率的比較 挺水植物主要吸收以硝酸鹽氮形式存在的氮。本研究中植物群落以挺水植物為主，綜合比較后發現植物組合形式對氮的吸收效果較好，但不同水生植物組合在不同階段對富營養化水體的TN和TP移除速率不同，這與彭婉婷等[13]在高濃度氮磷水體中各類水生植物在不同階段對富營養化水體TN吸收速度不同的研究結果一致。整個試驗過程中，植物組合的TN去除率一直維持在較高水平，可能與群落物種的多樣性以及群落間的互作有關。

祝宇慧等[14]認為，植物根部氧氣充足可以為聚磷菌生長提供良好的生存環境，從而增強磷的去除效率。陳小運等[15]研究發現，3種生活型的植物組合中，1種沉水植物+1種挺水植物組合對磷的去除效果高達96%。本研究的植物組合中挺水植物有3種，植物根系較多，但對TP的去除效果遠低于預期，可能與磷濃度太高造成沉水植物腐敗導致DO下降，根部細菌活力不夠[16，17]有關。本研究中TP去除效果不太理想，具體原因值得繼續探索。本研究的植物組合中，組合E（穗花狐尾藻+金魚藻+鳳眼藍+千屈菜+三白草+矮生美人蕉）對TP去除效果最差，可能與矮生美人蕉對水環境適應性不強有關。相關研究表明，在適宜的氮、磷含量范圍內，挺水植物對富營養化水體中污染物的凈化效果隨著氮、磷含量的增加而增加[18～20]。同時，由于不同種類的植物在生長規律，對氮、磷等營養物質的需求量、需求比例和吸收飽和上限，以及植物根系對微生物生長繁殖的促進等方面存在一定差異，因此，對不同程度富營養化水體的凈化能力不盡相同。本研究條件下，組合F的植物適應性強，適宜濕地前端種植，經過7 d的適應性調整后顯示出極強的凈化能力。

3.1.2 試驗前后污水DO和pH值變化的原因 徐寸發等[21]研究發現，污水在生態凈化塘處理過程中DO可維持在4.55～7.62 mg/L，pH值維持在7.34～8.14。這與我們的研究結果類似。水生植被的恢復，能顯著改善溶解氧濃度、升高pH值，降低電導率，改善水質[22]。本試驗中DO大幅度降低，可能是高濃度氮磷導致植物腐敗消耗了一定量的氧氣造成的。

3.1.3 影響植物生長狀況以及生物量變化的因素 本研究植物組合條件下沉水植物穗花狐尾藻和金魚藻在水體中長勢不佳，可能是因為本試驗溶液氮磷濃度太高所導致。李歡等[23]也發現，低、中營養化水平下金魚藻的相對生長速率和累積生物量均顯著高于高富營養化水平下的指標值，在高富營養化水平下金魚藻的生長受到抑制甚至死亡；光照強度也會對金魚藻的生長產生影響，如植株間相互遮陽等可以提高金魚藻對高濃度氮磷的耐受性。本試驗中組合E的沉水植物較組合D和F長勢略好，可能存在其他因素的影響。前人通過模擬控制試驗研究了不同水體氮磷濃度對穗花狐尾藻生長的影響，發現水體高濃度（2 mg/L）氮會抑制穗花狐尾藻柔嫩片段萌發和枝條生長，中濃度磷對穗花狐尾藻的作用與氮的作用類似，磷濃度過高（超過0.4 mg/L）或過低（0.2 mg/L）均不利于穗花狐尾藻的生長[24，25]。鄭足紅等[26]將穗花狐尾藻種植在5個級別的養殖污水中，研究其在TN10.95～32.054 mg/L、TP5.08～11.864 mg/L溶液中的生長狀況，結果發現，5個級別污水中穗花狐尾藻均生長良好。吳建強等[27]發現千屈菜在夏季開始迅速分蘗繁殖，而美人蕉在夏末秋初開始表現出更強的分蘗繁殖能力。這可能是本研究3個植物組合處理TN去除率較高的原因。本試驗設計的植物組合僅1種挺水植物不同，分別是矮生美人蕉、綠葉美人蕉鐵十字和卡開蘆，這3種植物在水體中的長勢均較好，但3個組合處理對TN和TP的去除率不同，表明不同植物組合對水質的影響不同。

3.2 結論

不同植物組合修復氮磷富營養化水體的效果不同。植物組合對富營養化水體TN的去除效果均顯著高于對照，但不同組合處理對TN的去除效果差異明顯，除組合E的污水pH值略微下降外，其他處理的污水pH值均有所升高，試驗結束時DO和EC均有不同程度的下降。試驗期間，植物組合對TN的去除率與對照具有顯著差異，組合C和組合D與對照無顯著差異，且對TN的去除效果遠好于TP。種植穗花狐尾藻、金魚藻、鳳眼藍、千屈菜、三白草和綠葉美人蕉鐵十字（組合F）的人工浮島，能達到有效去除富營養化水體TN和TP的目的。