兩種沉水植物在人工湖泊中凈化水質效能的研究

王樂陽

(1.江蘇龍騰工程設計股份有限公司,江蘇 南京 210014;2.江蘇省雨污水資源化利用工程技術研究中心,江蘇 南京 210014)

水是人類賴以生存的主要物質之一,隨著工農業的不斷發展和防治污染措施的不當使用導致淡水資源加速消耗、水質不斷惡化,人類已經面臨嚴重的淡水資源匱乏問題,因此水質的凈化研究變得尤為重要。而沉水植物以其特有的生態和景觀功能以及易于操作等優點,在凈化水質和修復水生態系統方面受到普遍關注[1]。

沉水植物可以有效地增加空間生態位,減少生物性和非生物性懸浮物,明顯改善水下光照條件和溶解氧情況。沉水植物特有的結構和功能對水體中的污染物,尤其是氮、磷等具有較好的吸收作用,因此其在改善水體質量、保證良好的水體環境中發揮了重要作用[2]。本文通過室內模擬,在前期研究秋季沉水植物對人工湖泊水質凈化效果[3]的基礎上,進一步研究了狐尾藻、金魚藻2種沉水植物的凈化效果,同時研究了狐尾藻和金魚藻不同的投放配比對水質的影響,為更好地發揮沉水植物的特有功能和縮短水生態修復周期提供了重要依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗開展于2022年夏季的5月和6月,狐尾藻、金魚藻均取自人工湖泊,試驗開始前分別稱取500g的狐尾藻和金魚藻置于聚乙烯塑料桶中用自來水培養10天,同時用2個雙管式增氧泵24h不斷增氧,每隔兩天換一次水,確保吸附在植物表面的懸浮物被水-氣流沖洗干凈。試驗用水取自人工湖泊水,水質指標見表1。

表1 試驗用水水質的相關指標

1.2 試驗內容

2022年5月13—29日,開展水質凈化能力比較試驗。稱取相同質量的狐尾藻、金魚藻,分別置于兩個裝滿人工湖泊水且規格相同的聚乙烯塑料桶中,置于試驗室窗口進行通風光照培養,每隔一天采集一次水樣測定化學需氧量(COD)、總氮(TN)、懸浮物(SS)和pH值。

2022年6月2—20日,稱取不同配比的狐尾藻和金魚藻(共10g,其中狐尾藻依次從0g、2g、4g、6g、8g添加),共5組,分別置于5個裝滿人工湖泊水且規格相同的聚乙烯塑料桶中,記為M0、M2、M4、M6、M8。置于試驗室窗口進行通風光照培養,每隔一天采集一次水樣測定SS、COD、TN,試驗共采集9次。

1.3 測定方法

水質的SS、COD、TN、pH值的測定方法參照《水和廢水監測分析方法(第四版)》[4]。SS粒徑采用光電感應法測定(激光粒度粒形分析儀,Mastersizer 3000,Malvern);CODCr采用重鉻酸鹽法測定;TN采用氣相分子吸收光譜法測定(氣相分子吸收光譜儀,GMA3510,森普)。

2 結果與討論

2.1 兩種藻類水質凈化能力

圖1 狐尾藻和金魚藻水質凈化能力比較

由方差分析可知,兩種藻類在SS、COD、TN、pH值4種水質指標中的顯著性檢驗P值分別為0.833、0.798、0.987、0.798,未呈現出顯著性差異,故在氣溫適合的情況下兩種藻類對水質凈化的效果無較大的差異。由表2的相關性分析可知,經狐尾藻、金魚藻凈化的水體中SS、COD、TN、pH值之間基本呈極顯著相關關系,說明狐尾藻、金魚藻能夠較好地調節水體水質。狐尾藻凈化的水體中SS濃度與TN濃度的相關性較差,而金魚藻凈化的水體中SS濃度與TN濃度的相關性較好,這是因為金魚藻具有很強的吸氮能力[7],其特有的絨毛結構對懸浮物也有較強的吸附和固定能力,說明在高氮和高懸浮物濃度的情況下適合栽種金魚藻[8],而金魚藻在吸氮的同時其他水質指標也會隨之向良性方向發展。因此,在選取藻類處理受污染的水體時,應考慮當地的自然環境以及水體的各項水質指標,進行有針對性的治理。

表2 狐尾藻和金魚藻分別加入后的水質指標之間的相關關系

①表示0.05水平顯著。

②表示0.01水平顯著。

2.2 不同配比的狐尾藻和金魚藻對SS濃度的影響

水體中SS的含量是影響水體透明度和光學衰減系數的重要因素,含量高時會削弱水下光強,對植物光合作用和水體初級生產力產生不良影響。因此,降低水中懸浮物含量是水質凈化與生態修復工作的重要部分。沉水植物可通過根莖和葉片的攔截吸附作用減緩水流和風浪擾動,同時可通過表面微生物分泌黏液的凝聚作用,有效降低水中懸浮物的濃度。由圖2可知,不同配比的狐尾藻和金魚藻對水質均有較好的凈化效果。隨著試驗的進行,經處理的水體SS濃度不斷下降,在第14天時水體中SS濃度開始趨于穩定,至試驗結束時經M0、M2、M4、M6、M8處理的水體中SS濃度分別為73mg/L、90mg/L、98mg/L、106mg/L、115mg/L,對應的去除率分別為63.50%、55.00%、51.00%、47.00%、42.50%,去除效果為M0>M2>M4>M6>M8,說明隨著狐尾藻數量的增加,吸附SS的能力減弱,此時經M0處理的水體中SS濃度最低,這主要與金魚藻特有的絨毛結構具有較強的吸附和固定能力有關[9]。

圖2 加入不同配比的狐尾藻和金魚藻的SS濃度變化

2.3 不同配比的狐尾藻和金魚藻對COD的影響

水中有機污染物種類多樣且成分復雜,有機物分解會大大降低水中溶解氧含量從而破壞水生環境。沉水植物可通過吸收、吸附、截留及附著微生物的降解作用來降低水中COD值。由圖3可知,試驗開始前,因植物在干凈的水體中培養了一段時間,試驗開始時的植物缺乏有機質,因此,吸收有機物速率較快[10],故在試驗第8天之前,各方案處理的COD濃度均大幅度下降,有機質被植物吸附和微生物轉化[11],此時不同配比的狐尾藻和金魚藻對COD濃度影響顯著(n=9,P<0.05),水體中的COD濃度差異較大;在試驗第8天之后,各方案處理的COD濃度均基本處于穩定狀態,且COD濃度差異不大,基本處于8.00～9.00mg/L之間。M8處理的水體中COD濃度在第8天達到本次試驗的最低值,為8.17mg/L,明顯低于試驗開始時的30.38mg/L,僅為試驗開始時的26.89%,這與狐尾藻對有機質處理效果較好有關。

圖3 不同配比的狐尾藻和金魚藻加入后水體COD濃度變化

2.4 不同配比的狐尾藻和金魚藻對TN的影響

如圖4所示,在狐尾藻和金魚藻的作用下,試驗開始至第8天,經M0、M2、M4、M6、M8處理的水體中TN濃度基本在2.6～2.7mg/L范圍內波動,第8天開始快速上升,在第10天達到最高值,分別為2.99mg/L、2.91mg/L、2.75mg/L、2.97mg/L、2.96mg/L,均超過試驗開始時的2.74mg/L,在第14天快速下降至此次試驗最低值,分別為2.29mg/L、2.38mg/L、2.20mg/L、2.37mg/L、2.35mg/L,對應的去除率分別為16.52%、3.19%、19.63%、13.42%、14.41%,在第16天又回升至試驗初始濃度附近,試驗期間,M4處理的水體TN濃度均低于其他四組。各方案處理的水體TN濃度在第0～8天上下穩定波動,藻類對TN基本沒有凈化效果,這可能是由于人工湖泊水體中大量的懸浮物顆粒覆蓋在藻類表面,阻礙了藻類的光合作用和呼吸作用,藻類處于逆境生長階段,其體內會產生大量的活性氧自由基,而活性氧自由基會破壞植物的蛋白質、核酸等,導致系統功能紊亂,嚴重時會導致植物細胞死亡[12],從而對水體凈化效果較差,此時藻類的一些殘體和不良代謝物排入到水體中,引起水體TN濃度大幅提高[13]。

圖4 不同配比的狐尾藻和金魚藻加入后水體TN濃度變化

3 結 論

狐尾藻、金魚藻在提高水體中pH值的同時,均有較好的水質凈化效果,其中金魚藻較狐尾藻去除SS和TN的能力強,狐尾藻較金魚藻去除COD的能力強。隨著狐尾藻數量的增加,藻類組合吸附SS的能力相對減弱,而人工湖泊由于其特殊性,單純的金魚藻無法更好地去除TN,因此4g狐尾藻+6g金魚藻的組合能較好地抵抗懸浮物覆蓋帶來的危害,使得水體中TN的去除效果最好,因此選擇正確的配比方式能夠保證植物的健康生長,減少逆境對植物造成的傷害。

由于試驗室是相對封閉的環境,體系較為穩定,若推廣到室外需要考慮到季節、溫度、水量水位,以及微生物、動物、人類活動等外在擾動的影響,因此下一步將在室外開展中試試驗,研究以上因素對沉水植物凈化效能的影響,為更好地發揮沉水植物的特有功能和縮短水生態修復周期提供重要依據和參考。