3種處理方式對玉灘水庫水體中氮磷去除效果比較

劉曉祥　聶敏芳

摘 要：鎖磷劑和沉水植物常用于水質凈化和生態(tài)修復工程。試驗通過采用鎖磷劑、沉水植物以及鎖磷劑+沉水植物的方式研究玉灘水庫水體氮磷去除效果。結果表明，鎖磷劑試驗中，濃度為2.00 mg/L的鎖磷劑對總磷的去除效果最好，達到了76.9%。各種濃度的鎖磷劑對總氮的去除效果不明顯。4種沉水植物試驗中，馬來眼子菜對總磷的去除率最高，輪葉黑藻對總氮的去除率最高。鎖磷劑+沉水植物試驗中，4種濃度的鎖磷劑結合沉水植物的方式對總磷的去除效果均比較好，其中濃度為2.00 mg/L鎖磷劑+輪葉黑藻的方式對總磷的去除效果最好，去除率達到84.6%，而4種結合方式對總氮的去除主要是依靠沉水植物輪葉黑藻，鎖磷劑對總氮去除幾乎沒有效果。

關鍵詞：鎖磷劑;沉水植物;氮磷;去除效果;玉灘水庫

中圖法分類號：X832? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

1? 研究背景

良好的生態(tài)環(huán)境是人類社會持續(xù)發(fā)展的基礎。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活污染物排放量逐年增加，水環(huán)境問題日益受到重視。

玉灘水庫位于重慶市大足區(qū)珠溪鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座以灌溉為主，兼顧城鎮(zhèn)居民及工業(yè)供水等綜合利用的大（2）型水庫。玉灘水庫流域共涉及大足區(qū)和榮昌區(qū)的珠溪、龍水、沙壩、郵亭、昌元、雙河、廣順、安富、雙路等26個鎮(zhèn)（街道），流域面積2 114 km2，水域面積23.97 km2。由于受上游工業(yè)企業(yè)污染以及周邊農(nóng)業(yè)面源污染的影響，從2016到2019年，玉灘水庫庫區(qū)水體總磷和總氮含量超過地表水湖庫標準Ⅲ類，主要集中在每年的1—3月份。為了促進玉灘水庫水質改善，緩解大足區(qū)、榮昌區(qū)和雙橋經(jīng)濟開發(fā)區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉和生活用水嚴重缺乏的現(xiàn)狀，提高該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉保證率和改善城鄉(xiāng)居民供水條件，玉灘水庫水質治理已迫在眉睫。目前，雖然大量的研究者采用除磷劑、沉水植物、人工浮島等方式去除水體中的營養(yǎng)元素，但針對玉灘水庫的水質提升少有研究。本文通過比較采用鎖磷劑、沉水植物以及鎖磷劑+沉水植物的方式去除水體中的營養(yǎng)元素效果，選擇合適的方式治理玉灘水庫中的氮、磷元素，改善玉灘水庫水源水質，保障飲水安全。

2? 材料和測定方法

2.1? 試驗材料

供試植物選擇4種沉水植物分別為輪葉黑藻、苦草、馬來眼子菜、金魚藻。

除磷劑選擇PHOSLOCK鎖磷劑。

2.2? 試驗設計

（1）于5個2.5 L玻璃容器（分別編號為空白、1#、2#、3#、4#）中各加入1 L玉灘庫心原水，然后在1#、2#、3#、4#容器中分別添加濃度為1.00、2.00、5.00、10.0 mg/L的鎖磷劑并搖勻。待鎖磷劑自然沉降1、3、5、10 d后，在試驗容器上層取樣，測定總磷、總氮濃度。

（2）于4個2.5 L玻璃容器中（分別編號為5#、6#、7#、8#）各加入1 L玉灘庫心原水，然后將生長狀態(tài)良好的輪葉黑藻、苦草、金魚藻和馬來眼子菜成熟植株清洗干凈后于每個容器內(nèi)種植2株，待4種植物生長1、3、5、10 d后，在試驗容器上層取樣，測定總磷濃度、總氮濃度。

（3）于4個2.5 L玻璃容器中（分別編號為9#、10#、11#、12#）各加入1 L玉灘庫心原水，然后將生長狀態(tài)良好的沉水植物（結合前面試驗確定輪葉黑藻、苦草、金魚藻和馬來眼子菜中去除總磷總氮效果最好的）成熟植株清洗干凈后于每個容器內(nèi)種植2株并分別同時添加濃度分別為1.00、2.00、5.00、10.0 mg/L的鎖磷劑。隔1、3、5、10 d后，在試驗容器上層取樣，測定總磷濃度、總氮濃度。

（4）于1個2.5 L玻璃容器中加入1 L玉灘庫心原水，隔1、3、5、10 d后，在試驗容器上層取樣，測定總磷濃度、總氮濃度。和（1）、（2）、（3）中試驗結果做對比。

2.3? 測定方法

水質總磷：鉬酸銨分光光度法（GB 11893—1989）;水質總氮：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ 636—2012）;水質氨氮：納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）;水質高錳酸鹽指數(shù)：高錳酸鹽指數(shù)的測定（GB 11892—1989）;水質化學需氧量：重鉻酸鹽法（HJ 828—2017）。

3? 結果與分析

3.1? 2020年玉灘水庫庫心水質變化

玉灘水庫庫心斷面為重慶市42個國控站點之一，其水質目標是《地表水環(huán)境質量標準》（GB 3838—2002）Ⅲ類標準（湖、庫）。2016—2019年大足區(qū)大規(guī)模投入資金進行水污染治理，玉灘水庫水質逐年改善，到2019年年平均值達到了Ⅲ類標準，但是仍然不能穩(wěn)定達標，控制指標是總磷。

為了確認玉灘水庫的特征污染因子，全項目分析了2020年玉灘水庫庫心斷面的水質，水質類別月變化如表1所示。玉灘水庫庫心斷面全年符合Ⅲ類標準。其中9個月水質為優(yōu)良，符合Ⅲ類以上標準，比例為75.0%;1月、2月和3月水質為中度污染，水質類別為Ⅴ類，比例為25.0%。

結合2016—2019年的監(jiān)測數(shù)據(jù)（見表2），選擇總磷、總氮、化學需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氨氮作為主要指標，2020年玉灘水庫庫心斷面水質分析結果如圖1所示。2020年1月—12月，玉灘庫心斷面總磷1月、2月、3月超過（湖、庫）Ⅲ類標準;總氮1月、2月、3月和12月超標;高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量和氨氮全年都不超標。總磷、總氮超標時段主要集中在1—3月份，和2016—2019年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)趨勢一致。

3.2? 玉灘水庫原水水質分析結果

基于2020年的水質分析結果，為使試驗數(shù)據(jù)更具代表性，采集2021年3月份的水樣作為試驗用水。原水水質分析結果如表3所示。常規(guī)項目水溫、pH值、高錳酸鹽指數(shù)、化學需氧量、氨氮都滿足（湖、庫）Ⅲ類標準，而總磷和總氮分別超過（湖、庫）Ⅲ類標準1.6倍和0.69倍。

3.3? 鎖磷劑吸附試驗

研究表明，多數(shù)水體富營養(yǎng)化的控制因素是磷，除磷對防治水體富營養(yǎng)化至為重要[1]。通過文獻調(diào)研可知，化學藥劑（鋁鹽、鐵鹽、鈣化物、復合鹽等）除磷反應速度快，藥劑成本低，但會產(chǎn)生二次污染，過量的金屬離子會對水體動植物產(chǎn)生不良反應且不能從根本上去除磷營養(yǎng)。傳統(tǒng)吸附法（金屬氧化物吸附類材料等）除磷相較于化學除磷有著安全性優(yōu)勢，但是對材料的選擇比較嚴格且吸附效率低。王秀朵等[2]的研究表明PHOSLOCK鎖磷劑對水體富營養(yǎng)化河道、湖、庫水體的除磷效果顯著。PHOSLOCK鎖磷劑的通用名稱為鑭改性膨潤土（LMB），主要由鑭稀土與鈉基膨潤土為原料通過特殊的生產(chǎn)工藝制備而成。PHOSLOCK鎖磷劑中的鑭含量約為（5±0.25）%。利用膨潤土結構中的鑭與磷酸根一對一螯合，形成穩(wěn)定的磷酸鑭稀土礦（La3++PO43-→LaPO4↓），無二次污染。因此，本研究中采用了PHOSLOCK鎖磷劑。PHOSLOCK鎖磷劑的分子結構如圖2所示。

水樣放置時間過久，水體中的總磷會有部分自然降解，為了保證試驗結果的科學可靠，試驗中做了對比。發(fā)現(xiàn)原水總磷、總氮濃度和放置10 d后總磷、總氮濃度變化不大。

圖3（a）呈現(xiàn)了加入4種不同濃度的鎖磷劑后總磷濃度的變化情況。可以看出各種濃度的鎖磷劑對原水中的總磷均有去除效果，且隨著時間的增加總磷去除效果越明顯。試驗進行1 d后，1#、2#、3#、4#鎖磷劑對總磷的去除率分別是15.4%、30.8%、30.8%、38.5%。試驗進行到10 d后，1#、2#、3#、4#鎖磷劑對總磷去除率分別是38.5%、76.9%、61.5%、61.5%，說明2#鎖磷劑對總磷的去除效果最好。通過分析試驗結果，發(fā)現(xiàn)4種濃度的鎖磷劑對總氮幾乎沒有去除效果，見圖3（b）。

3.4? 沉水植物試驗

沉水植物是湖泊生態(tài)系統(tǒng)的初級生產(chǎn)者之一，不僅能夠對水體和底泥中的氮、磷和難降解有機污染物進行吸收、轉化，合成自身物質，對富營養(yǎng)化的水體起到凈化作用，還能調(diào)節(jié)水生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)速度，增加水體生物多樣性，控制藻類生長，從而有效提高水質，改善生態(tài)環(huán)境。總氮和總磷濃度是水質監(jiān)測分析中的常規(guī)檢測指標，田琦等[3]的研究表明金魚藻和馬來眼子菜對總氮的去除能力較強。任文君等[4]的研究表明馬來眼子菜、金魚藻和黑藻對總磷、總氮的去除效果都比較好。金樹權等[5]采用輪葉黑藻、苦草、金魚藻、穗狀狐尾藻、微齒眼子菜淵等5種鄉(xiāng)土沉水植物為試驗對象進行水質總磷和總氮的吸收研究，成果表明輪葉黑藻對總氮和總磷的去除率最高。本研究中采用輪葉黑藻、苦草、金魚藻和馬來眼子菜作為供試材料。

4種沉水植物對總磷的去除率變化趨勢如圖4（a）所示。試驗開始1 d后，4種植物對總磷的去除率分別是23.1%、7.7%、15.4%、23.1%。當試驗進行10 d后，4種植物對總磷的去除率分別是69.2%、53.8%、46.2%、76.9% 。馬來眼子菜相對于其他3種沉水植物對總磷的去除率最高。4種沉水植物對總磷的去除率順序為馬來眼子菜>輪葉黑藻>苦草>金魚藻。

4種沉水植物對總氮的去除率變化趨勢如圖4（b）所示，試驗開始1 d后，輪葉黑藻、苦草、金魚藻、馬來眼子菜對總氮的去除率分別是8.9%、4.1%、3.6%、3.0%。試驗進行5 d后，4種植物對總氮的去除率分別是53.8%、23.7%、49.7%、10.1%。試驗進行10 d后，4種植物對總氮的去除率分別是55.6%、51.5%、53.3%、42.0%。可以發(fā)現(xiàn)，隨著時間的推移，4種沉水植物對總氮的吸收效率均較好，其中輪葉黑藻相對于其他3種沉水植物對總氮的去除率最高。4種沉水植物對總氮的去除率順序為輪葉黑藻>金魚藻>苦草>馬來眼子菜。

3.5? 鎖磷劑+沉水植物試驗

結合沉水植物試驗，選擇輪葉黑藻作為供試植物。

圖5（a）展示了鎖磷劑+沉水植物方式對總磷的去除效果，試驗進行1 d后，4種濃度的鎖磷劑結合沉水植物方式對總磷的去除率分別是15.4%、30.8%、30.8%、38.5%。當試驗進行3 d后，4種結合方式對總磷的去除率分別是30.8%、38.5%、53.8%、46.2%;當試驗進行10 d后，4種結合方式對總磷的去除率分別是76.9%、84.6%、69.2%、69.2%。濃度為2.00 mg/L的鎖磷劑+輪葉黑藻的模式對總磷的去除效果最好。對總氮的去除效果如圖5（b）所示，可知4種結合方式對總氮的去除率分別是56.8%、55.0%、52.1%、53.3%，將圖5（b）和圖3（b）進行比較，可以發(fā)現(xiàn)4種結合方式對總氮的去除主要是依靠沉水植物輪葉黑藻，而鎖磷劑幾乎沒有貢獻。

3.6? 3種處理方式的總磷去除效果比較

試驗進行10 d后，2#鎖磷劑（濃度為2.00 mg/L）對總磷去除率達到76.9%，輪葉黑藻對總磷的去除率是69.2%，2#鎖磷劑（濃度為2.00 mg/L）+輪葉黑藻對總磷的去除率達到了84.6%，表明鎖磷劑+沉水植物方式去除總磷效果優(yōu)于單獨采用鎖磷劑或沉水植物去除總磷效果。

4? 結論

（1）4種濃度的鎖磷劑對原水中的總磷均有去除效果，隨著時間的增加，總磷去除效果越明顯。試驗結束時對總磷的去除率分別達到38.5%、76.9%、61.5%、61.5%。各種濃度的鎖磷劑對總氮的去除效果不明顯。

（2）4種沉水植物對試驗水體中的氮、磷均有較高的去除率。馬來眼子菜相對于其他3種沉水植物表現(xiàn)出對總磷最高的去除率。4種沉水植物對總磷的去除率順序為馬來眼子菜>輪葉黑藻>苦草>金魚藻。輪葉黑藻相對于其他3種沉水植物表現(xiàn)出對總氮最高的去除率，4種沉水植物對總氮的去除率順序為輪葉黑藻>金魚藻>苦草>馬來眼子菜。

（3）4種濃度的鎖磷劑結合沉水植物的方式對總磷的去除效果均比較好，去除效率分別達到76.9%、84.6%、69.2%、69.2%，數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)鎖磷劑濃度為2.00 mg/L+輪葉黑藻的方式對總磷的去除效果最好。4種結合方式對總氮的去除率分別為56.8%、55.0%、52.1%、53.3%，效果差別較小，4種結合方式對總氮的去除主要是依靠沉水植物輪葉黑藻，而鎖磷劑對總氮的去除幾乎沒有效果。

參考文獻：

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Comparison of Effectiveness of Nitrogen and Phosphorus Removal in Yutan Reservoir among Three Methods

Liu Xiaoxiang1，Nie Minfang2

（1.Eco-environmental Monitoring Station of Dazu District，Chongqing 402360，China;2. Educational Scientific Research Institute of Tongnan District，Chongqing 402660，China）

Abstract：Phoslock and submerged macrophytes are often used in water purification and ecological restoration projects. The effectiveness of nitrogen and phosphorus removal in Yutan Reservoir by using phoslock，submerged macrophytes，and phoslock combined with submerged macrophytes was studied . The results showed that phoslock with 2.00 mg/L concentration had the best removal rate（76.9%） on total phosphorus. The removal effect of phoslock of any concentration on total nitrogen was not obvious. Among the four submerged macrophytes，Potamogeton malainus had the highest removal rate on total phosphorus and Hydrilla verticillata had the highest removal rate on total nitrogen. The removal rate on total phosphorus by combining phoslock with submerged macrophyte was good，and phoslock with 2.00 mg/L concentration combined with Hydrilla verticillata had the highest removal rate（84.6%） on total phosphorus. However，the removal of total nitrogen mainly depended on the submerged macrophyte Hydrilla verticillata，and phoslock had little effect.

Key words：phoslock;submerged macrophyte;nitrogen and phosphorus;removal effectiveness;Yutan ReservoirReservoir

收稿日期：2022-02-23

作者簡介：劉曉祥，男，工程師，碩士研究生，主要從事生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和管理研究。E-mail：15025698281@163.com