邵霞珍，郭思巖，王　穎.甘肅省國(guó)土資源規(guī)劃研究院，甘肅蘭州730000 .西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安70048

黑藻對(duì)城市河道水質(zhì)的凈化效果

邵霞珍1，郭思巖1，王穎2
1.甘肅省國(guó)土資源規(guī)劃研究院，甘肅蘭州730000 2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西西安710048

采用模擬試驗(yàn)研究了黑藻對(duì)城市河道水質(zhì)的凈化效果。結(jié)果表明，與靜水狀態(tài)相比，在流速為1.74 cm/s的動(dòng)水條件下，黑藻對(duì)NH3-N、TP和CODCr的凈化均有優(yōu)勢(shì)，平均去除率為92.03%、83.08%和74.04%；根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求，試驗(yàn)結(jié)束后，地表水質(zhì)可由原Ⅴ類(lèi)水凈化為Ⅲ類(lèi)水；動(dòng)水組黑藻平均生物量大于靜水組。說(shuō)明黑藻在較低流速的水環(huán)境中生長(zhǎng)情況好于靜水條件，并且凈化作用更優(yōu)。

黑藻；城市河道；氮磷；去除率

SHAO X Z，GUO S Y，WANG Y.Simulation test of purification effect of Hydrilla verticillata in Urban Rivers［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（2）：149-154.

邵霞珍，郭思巖，王穎.黑藻對(duì)城市河道水質(zhì)的凈化效果［J］.環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，5（2）：149-154.

近幾十年以來(lái)，隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，河流作為重要的水源地發(fā)揮了極其重要的作用，尤其是城市河道。但是人類(lèi)為了滿(mǎn)足自身的需要，不顧河道的生態(tài)平衡和健康發(fā)展，大量未達(dá)標(biāo)的污水排進(jìn)河道，對(duì)城市河道產(chǎn)生嚴(yán)重污染［1-2］。利用水生植物凈化水體是近年來(lái)的熱點(diǎn)研究，水生植物對(duì)受污水體的凈化不僅具有環(huán)境相容性，無(wú)其他污染，滿(mǎn)足對(duì)環(huán)境的觀賞性，而且還會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)利益，具有低能耗、低投資的優(yōu)點(diǎn)［3］。因此利用水生植物凈化水體備受關(guān)注，尤其是沉水植物在污水處理、環(huán)境保護(hù)等方面的應(yīng)用［4］得到普遍重視。研究發(fā)現(xiàn)，通常情況下水生植物中凈化能力最強(qiáng)的是沉水植物和漂浮植物［5］，浮葉植物次之，挺水植物居后。沉水植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的有機(jī)組成部分，具有較強(qiáng)的水質(zhì)改善功能［6-10］。黑藻也稱(chēng)輪葉黑藻，屬于水鱉科黑藻屬植物，為多年生沉水植物，輪葉黑藻有很廣泛的生存范圍，且適應(yīng)能力和富集能力強(qiáng)，是凈化污水的理想植物，其能在水體中形成巨大的“水下森林”，對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定具有重要作用［11］。許多學(xué)者對(duì)黑藻凈化污水機(jī)制及凈化效果進(jìn)行了大量研究，如李國(guó)新等［12］研究了黑藻對(duì)重金屬鉛的吸附特征及生物吸附機(jī)理，發(fā)現(xiàn)黑藻對(duì)鉛有著較快的吸附能力，其吸附屬于單層吸附。但是對(duì)黑藻在流動(dòng)水體中凈化機(jī)制及效果的研究相對(duì)較少。

筆者利用水循環(huán)系統(tǒng)模擬城市河道，研究在動(dòng)水和靜水條件下沉水植物黑藻對(duì)城市河道的凈化作用，以期為黑藻凈化城市河道水質(zhì)提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐措施。

1　方法與材料

1.1試驗(yàn)裝置

動(dòng)水試驗(yàn)裝置為2.5 m×0.4 m×0.5 m（長(zhǎng)×寬×高）的鋼化玻璃水槽，水槽的水循環(huán)系統(tǒng)由105 W的水陸兩用泵及長(zhǎng)3 m的塑料軟管構(gòu)成，水槽頂部由溢流堰控制水位；靜水試驗(yàn)裝置為50 cm×37 cm×26 cm的4個(gè)半透明水箱。試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)在室外遮雨大棚中；試驗(yàn)日期為7月7—26日。

試驗(yàn)原水根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》地表Ⅴ類(lèi)水的要求進(jìn)行配置，碳源的引入由葡萄糖實(shí)現(xiàn)，投配一定比例的硝酸鈉、氯化銨以及磷酸二氫鉀。原水各指標(biāo)為：TN濃度，4.12 mg/L；TP濃度，0.34 mg/L；NH3-N濃度，3.44 mg/L；CODCr，52.94 mg/L；DO濃度，8.14 mg/L。水槽及2個(gè)半透明水箱底部均勻鋪設(shè)5 cm的過(guò)篩細(xì)沙（篩子孔徑為5 mm），在水槽從槽首至槽尾均等位置設(shè)4個(gè)取樣點(diǎn)。

1.2黑藻的選擇

黑藻購(gòu)自西安市某花卉市場(chǎng)，試驗(yàn)前在自來(lái)水中“餓”3天，以使其能在凈化過(guò)程中吸收更多的污染物。選擇枝株大小均勻、長(zhǎng)勢(shì)良好、生物量相當(dāng)?shù)?4束黑藻放置水槽和水箱中，每束為10株黑藻，動(dòng)水和靜水中黑藻的種植密度均設(shè)為1.875束/dm2。

1.3試驗(yàn)工況

在4個(gè)半透明水箱中設(shè)置靜水組（砂子+黑藻）、黑藻組、砂子組和空白組4組靜水對(duì)照試驗(yàn)；動(dòng)水組水槽中流速為1.74 cm/s。水箱和水槽水位均設(shè)為24.5 cm。

1.4取樣與分析方法

試驗(yàn)歷時(shí)20 d，分別在試驗(yàn)開(kāi)始的第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19天取樣，取樣時(shí)間約為09：30；試驗(yàn)進(jìn)行至第19天后，各指標(biāo)濃度變幅較小，第20天進(jìn)行了連續(xù)24 h取樣；共取樣11次。每次取樣完成后立即送入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行TN濃度、TP濃度、NH3-N濃度、CODCr、濁度和DO濃度測(cè)定。其中，TN濃度采用GB 11894—89堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定；TP濃度采用GB 11893—89鉬酸銨分光光度法測(cè)定；NH3-N濃度采用HJ 535—2009納氏試劑分光光度法測(cè)定；CODCr采用GB 11914—89快速消解分光光度法測(cè)定［13］；濁度采用美國(guó)哈希便攜式濁度儀測(cè)定；DO濃度采用美國(guó)哈希便攜式溶解氧測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。

2　結(jié)果與分析

2.1水質(zhì)變化情況

2.1.1NH3-N的去除

動(dòng)水組和靜水組NH3-N去除率隨時(shí)間的變化如圖1所示。

圖1　動(dòng)水組與靜水組NH3-N去除率變化Fig.1NH3-N removal rate change of moving water group and the still water group

從圖1可知，靜水組NH3-N去除率波動(dòng)幅度較動(dòng)水組大，并且在第10天出現(xiàn)較大幅度的下降，分析原因發(fā)現(xiàn)，在第10天是高溫天氣，靜水組水體溫度達(dá)到27.7℃，高溫可能導(dǎo)致一些微生物的硝化作用和反硝化作用強(qiáng)度降低；而動(dòng)水組在該日并沒(méi)有出現(xiàn)NH3-N去除率大幅度的下降，原因是在動(dòng)水條件下，雖然出現(xiàn)的高溫可能也會(huì)對(duì)硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌造成影響，但動(dòng)水組水體的復(fù)氧能力較強(qiáng)，因而與靜水組相比，能更好地進(jìn)行硝化反應(yīng)。試驗(yàn)中后期，2組的去除率都呈增加趨勢(shì)，但靜水組對(duì)NH3-N的去除比動(dòng)水組略高，原因可能是隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，水體中硝化細(xì)菌等逐漸增多，能更好地進(jìn)行硝化反硝化活動(dòng)，但是在動(dòng)水條件下對(duì)微生物附著不利，導(dǎo)致上述結(jié)果出現(xiàn)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)水組和靜水組對(duì)NH3-N去除效果均很好，NH3-N平均去除率分別達(dá)到92.03%和91.01%。

動(dòng)水組和空白組對(duì)NH3-N的去除效果如圖2所示。從圖2可知，動(dòng)水組對(duì)NH3-N的去除率大于空白組，且比空白組更加穩(wěn)定。

圖2　動(dòng)水組與空白組NH3-N去除率變化Fig.2NH3-N removal rate change of the moving water group and the blank group

靜水組和黑藻組對(duì)NH3-N的去除效果如圖3所示。

圖3　靜水組與黑藻組NH3-N去除率變化Fig.3NH3-N removal rate change of the still water group and Hydrilla verticillata group

從圖3可知，靜水組與黑藻組對(duì)NH3-N去除率總體都呈上升趨勢(shì)，但前6天，靜水組NH3-N的去除率明顯高于黑藻組，分析原因是試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，靜水組水箱底部的砂子更容易成為微生物的附著質(zhì)，能使硝化反應(yīng)等更好進(jìn)行。在第10天，靜水組因?yàn)楦邷厮鲁霈F(xiàn)NH3-N去除率突然降低，而黑藻組中NH3-N的去除率雖然比第9天稍有降低，但幅度很小。在試驗(yàn)中后期，靜水組與黑藻組對(duì)NH3-N的去除基本一致，靜水組略高。

2.1.2TP的去除

各試驗(yàn)組對(duì)TP的去除效果如圖4所示。從圖4可知，動(dòng)水組有明顯優(yōu)勢(shì)，TP平均去除率達(dá)83.08%；靜水組與砂子組相當(dāng)，TP平均去除率分別達(dá)到71.44%和71.84%；空白組TP去除率在前6天上升較快，后期逐漸趨于穩(wěn)定；黑藻組在第18天TP去除率出現(xiàn)大幅降低。原因是水體對(duì)P的去除主要是通過(guò)水生植物的直接吸收、基質(zhì)的吸附、微生物的同化吸收以及自然沉降、固結(jié)等來(lái)實(shí)現(xiàn)的［14-15］。黑藻組在第18天出現(xiàn)的TP去除率大幅度降低的原因可能是黑藻重新釋放磷所導(dǎo)致。

圖4　各試驗(yàn)組TP去除率變化Fig.4TP removal rate of the experimental group comparison

2.1.3TN的去除

各試驗(yàn)組對(duì)TN的去除效果如圖5所示。

圖5　各試驗(yàn)組TN去除率變化Fig.5TN removal rate of the experimental group comparison

從圖5可知，各試驗(yàn)組TN去除率的趨勢(shì)基本一致，即前8天呈緩慢上升趨勢(shì)，此后基本趨于穩(wěn)定。主要是因?yàn)樗w對(duì)氮素的去除主要是通過(guò)微生物的氨化、硝化、反硝化等作用來(lái)完成，水生植物只是吸收一小部分的無(wú)機(jī)氮作為自身的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)［16］。TN去除率的緩慢上升，是因?yàn)殚_(kāi)始時(shí)硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌等還未成熟，慢慢成熟之后去除率穩(wěn)定在一定的范圍。試驗(yàn)中，靜水組TN的去除率稍?xún)?yōu)于動(dòng)水組，分別為77.30%和76.10%。

2.1.4CODCr的去除

動(dòng)水組和靜水組對(duì)CODCr的去除效果如圖6所示。從圖6可知，動(dòng)水組CODCr去除率比較平穩(wěn)，而靜水組波動(dòng)較大。動(dòng)水組在第16天時(shí)，CODCr去除率出現(xiàn)了明顯的升高；靜水組在試驗(yàn)中出現(xiàn)3次高峰。原因?yàn)槲鬯械腃ODCr去除主要是靠微生物對(duì)其中的有機(jī)物、營(yíng)養(yǎng)鹽等進(jìn)行代謝反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而水生植物很難直接吸收CODCr［17］。動(dòng)水組CODCr呈平穩(wěn)的狀態(tài)，主要是因?yàn)椋瑒?dòng)水條件能為水體中的微生物以及附著在黑藻上的一些微生物提供更好的好氧厭氧的微環(huán)境［18］，使其能更好地進(jìn)行代謝活動(dòng)。

圖6　動(dòng)水組與靜水組CODCr去除率變化Fig.6CODCrremoval rate changeof moving water group and the still water group

各試驗(yàn)組對(duì)CODCr的平均去除效果如圖7所示。從圖7可以看出，動(dòng)水組CODCr平均去除率明顯高于其他試驗(yàn)組，4組靜水試驗(yàn)CODCr平均去除率依次表現(xiàn)為靜水組（66.43%）＞黑藻組（60.16%）＞砂子組（58.60%）＞空白組（55.33%）。在流速為1.74 cm/s的動(dòng)水情況下，黑藻對(duì)CODCr的去除較其他靜水組有優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明在這種低流速的河道中，黑藻可以正常生長(zhǎng)并且對(duì)有機(jī)物的去除有一定的貢獻(xiàn)作用。此外，空白組CODCr的去除率也達(dá)到55.33%，說(shuō)明在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中水體的自?xún)裟芰^好。

圖7　各試驗(yàn)組CODCr平均去除率變化Fig.7CODCraverage removal rate of the experimental group comparison

2.1.5濁度變化

各試驗(yàn)組濁度變化如圖8所示。從圖8可知，靜水組濁度降幅明顯高于其他組。動(dòng)水組在前4天濁度呈快速下降的趨勢(shì)，第4天之后出現(xiàn)緩慢升高，原因是因?yàn)樵囼?yàn)人工配置的開(kāi)始時(shí)濁度很小，水體比較清澈，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，動(dòng)水組在水體不斷流動(dòng)的情況下，一些有機(jī)懸浮物、水體中細(xì)小顆粒等不容易沉降，只能依靠黑藻的吸附降解以及攔截等作用來(lái)實(shí)現(xiàn)濁度的降低，因此出現(xiàn)濁度緩慢升高。黑藻組和空白組出現(xiàn)濁度升高現(xiàn)象，原因是黑藻組僅依靠黑藻對(duì)有機(jī)懸浮物的攔截吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)濁度的降低，沒(méi)有砂子作為微生物附著載體，可能沒(méi)有像靜水組中那么多的微生物來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮有機(jī)物的生化降解；空白組只能依靠水體自然沉降，加之整個(gè)試驗(yàn)在戶(hù)外進(jìn)行，易受外界氣溫，風(fēng)力擾動(dòng)的影響，還有灰塵顆粒等飄入水體，因此濁度不降反升，而且變化不穩(wěn)定。

圖8　各試驗(yàn)組濁度變化Fig.8Turbidity of the experimental group comparison

2.1.6DO濃度變化

各試驗(yàn)組DO濃度變化如圖9所示。從圖9可以看出，動(dòng)水組DO濃度比較穩(wěn)定，保持在7.45～8.23 mg/L；靜水組在前12天處于上升趨勢(shì)，試驗(yàn)后期有所波動(dòng)，分析原因是動(dòng)水組的復(fù)氧能力更強(qiáng)，靜水組主要依賴(lài)黑藻的光合作用來(lái)實(shí)現(xiàn)水體的復(fù)氧，但是黑藻在進(jìn)行光合作用的同時(shí)，水體中一部分微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行好氧分解［19-20］，當(dāng)水體中微生物耗氧速度大于復(fù)氧速度時(shí)，出現(xiàn)DO濃度下降趨勢(shì)；黑藻組和砂子組趨勢(shì)基本一致；空白組變化較大，并在第10天出現(xiàn)DO濃度高于其他試驗(yàn)組的情況，分析原因是空白組從第8天開(kāi)始箱子底部及邊壁出現(xiàn)大量“綠膜”，及比較緊湊的棒狀絮體，而且第10天出現(xiàn)高溫天氣所致。

2.1.7生物量的變化

試驗(yàn)共用24束黑藻，試驗(yàn)前生物量為1 050 g。歷時(shí)20 d試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，黑藻生物量為1 589 g，生物量增加539 g。另外還發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水槽中黑藻（動(dòng)水組）平均生物量大于4組靜水組，說(shuō)明相比較靜水條件，黑藻在流速較小的水體中長(zhǎng)勢(shì)更好。

圖9　各試驗(yàn)組DO濃度變化Fig.9DO density change of the experimental group comparison

2.1.8水質(zhì)凈化情況

動(dòng)水組試驗(yàn)前后水質(zhì)凈化情況如表1所示。從表1可以看出，試驗(yàn)結(jié)束后，各水質(zhì)指標(biāo)都有大幅度降低，其中CODCr、NH3-N濃度達(dá)到地表Ⅰ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)限值。根據(jù)“木桶短板效應(yīng)”，試驗(yàn)結(jié)束后可將原地表Ⅴ類(lèi)水凈化為Ⅲ類(lèi)水。

表1　動(dòng)水組試驗(yàn)前后各指標(biāo)濃度對(duì)比Table 1The comparison of Indices before and after experimentmg/L

3　結(jié)論

（1）利用黑藻模擬凈化城市河道水質(zhì)的試驗(yàn)表明，在低流速的動(dòng)水情況下，黑藻長(zhǎng)勢(shì)良好，且對(duì)受污染水質(zhì)凈化效果較好，試驗(yàn)結(jié)束后可將原地表Ⅴ類(lèi)水凈化為Ⅲ類(lèi)。

（2）動(dòng)水組NH3-N、TP和CODCr的平均去除率達(dá)92.03%、83.08%和74.04%，DO濃度在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中比較穩(wěn)定，保持在7.45～8.23 mg/L，因此，利用黑藻可以修復(fù)較低流速的受污染河道。另外，黑藻還是魚(yú)蝦、河蟹等喜歡的食物，也是良好的觀賞性沉水植物，但黑藻繁殖速度較快，尤其在磷酸鹽和硝酸鹽較豐富的水體中，因此要注意其過(guò)量繁殖，以免引起其他災(zāi)害。

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Simulation Test of Purification Effect of Hydrilla verticillata in Urban Rivers

SHAO Xia-zhen1，GUO Si-yan1，WANG Ying2
1.Gansu Institute of Land Resources Planning and Research，Lanzhou 730000，China2.Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering，Xi＇an University of Technology，Xi＇an 710048，China

The purification effect of Hydrilla verticillata for urban river water was simulated.The results showed that compared with the still water condition，under the moving water condition with water flow of 1.74 cm/s，Hydrilla verticillata had the superiority in purification of NH3-N，TP and CODCr，with the average removal rate of 92.03%，83.08%and 74.04%，respectively.After the experiment，the original surface water was purified from Classification V to Classification III，according to the Environmental Quality Standards for Surface Water（GB 3838-2002）.The biomass of Hydrilla verticillata of the moving water group was greater than that of the still water group，demonstrating that the Hydrilla verticillata grew better under low water-flow condition and had better purification effect，compared with the still water condition.

Hydrilla verticillata；urban river；nitrogen and phosphorus；removal rate

X522

1674-991X（2015）02-0149-06doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.02.022

2014-10-27

邵霞珍（1986—），女，碩士，主要從事水環(huán)境生態(tài)修復(fù)研究，shaoxiazhen@163.com