崔麗杉， 洪　磊， 吳京京， 金　杰,

(1. 合肥學(xué)院 生物與環(huán)境工程系，合肥 230601； 2. 安徽省環(huán)境污染防治生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心，

合肥230601； 3. 合肥環(huán)境工程研究院，合肥 230601)

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塘西河濕地水生植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果研究

崔麗杉1， 洪磊2, 3， 吳京京1， 金杰1, 2, 3

(1. 合肥學(xué)院 生物與環(huán)境工程系，合肥 230601； 2. 安徽省環(huán)境污染防治生態(tài)修復(fù)協(xié)同創(chuàng)新中心，

合肥230601； 3. 合肥環(huán)境工程研究院，合肥 230601)

摘要通過(guò)靜態(tài)水培試驗(yàn)研究塘西河濕地9種常見(jiàn)的水生植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體中的生長(zhǎng)狀況及對(duì)TN、TP、COD(cr)的去除能力。結(jié)果表明：1)供試的水生植物均能正常生長(zhǎng)，30天后，石菖蒲在供試植物中生物量增長(zhǎng)比達(dá)到最高54.36%，黑藻生物量增長(zhǎng)比最低39.14%；2)9種植物中石菖蒲對(duì)TN的去除率最高可達(dá)80.62%，水葫蘆最低56.16%；對(duì)TP的去除率最高是蘆葦可達(dá)78.84%，最低是黑藻43.78%；對(duì)COD(cr)的去除率最高是黃菖蒲可達(dá)81.60%，最低是黑藻44.76%。

關(guān)鍵詞水生植物；富營(yíng)養(yǎng)化水；凈化效果

Study on the purification effect on eutrophic water by aquatic plants in Tanxi River wetland

CUI Li-shan1, HONG Lei2， 3, WU Jing-jing1, JIN Jie1， 2， 3

(1.Department of Biological and Environmental Engineering, Hefei University;2. Collaborative Innovation Center for Environmental Pollution Precaution and Ecological Rehabilitation of Anhui; 3.Institude for Environmental Engineering of Hefei, Hefei 230601，China)

AbstractThrough the static hydroponics tests, 9 kinds of common aquatic plants from Tangxi River Wetland were cultured in the eutrophic water, and their removal abilities of TN. TP and CODcrwere determined. Result showed that the tested plants grew well. After 30 d, the highest growth ratio of biomass among the tested samples was 54.36% fromAcorustata, and the lowest 39.14% fromHydrillaverticillata.Acorustatashowed the highest TN removal ability with the rate of 80.62%, while water hyacinth the lowest with 56.16%. Result showed the highest TP removal ability with 78.84%.Hydrillaverticllatawas the lowest with 43.78%. For CODcrRemoval,Irispseudacoruswas the best with 81.60%.HydrillaVerticillatawas the lowest with 44.76%.

Keywords aquatic plants; eutrophication water; water quality purification

近年來(lái)，隨著江、河、湖等水體的富營(yíng)養(yǎng)化程度變得日益嚴(yán)重[1]，水體污染已經(jīng)成為當(dāng)下環(huán)境污染問(wèn)題中的重大難題。而人工濕地就是在這樣的背景下出現(xiàn)的一種生態(tài)型的污水處理技術(shù)系統(tǒng)[2，3]，并且已經(jīng)被廣泛地用于處理城市污水、城鎮(zhèn)河流和養(yǎng)殖廢水[4，5]，比傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)具有效果好、易管理、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種綠色的污水處理技術(shù)[6，7]。在這項(xiàng)技術(shù)中，具有改善水質(zhì)、美化景觀等重要作用的是濕地植物，而不同植物的凈化效果不同，因此如何選擇和配置濕地植物是人工濕地建設(shè)的重要內(nèi)容。

本文選取塘西河濕地內(nèi)9種常見(jiàn)的水生植物，研究其對(duì)污水中的TN、TP及CODcr的凈化效果，以期篩選出凈化效果好，易于生長(zhǎng)和觀賞性高的植物。研究結(jié)論可為人工濕地植物的篩選提供參考，同時(shí)對(duì)怎樣組合植物可更高效地凈化水質(zhì)有一定的參考價(jià)值。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

在塘西河濕地調(diào)查區(qū)域內(nèi)選取9種常見(jiàn)的水生植物進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，包括挺水植物美人蕉、石菖蒲、黃菖蒲、蘆葦、再力花，浮葉植物大薸、水葫蘆，沉水植物苦草和黑藻。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

將在濕地采集的植物帶回實(shí)驗(yàn)室，首先要用清水洗凈根部的泥土，再用蒸餾水沖洗3遍，以減少實(shí)驗(yàn)誤差，最后，放入配置好的營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行適應(yīng)性生長(zhǎng)。15 d后確定植物已穩(wěn)定生長(zhǎng)，挑選生長(zhǎng)狀態(tài)最佳的植株移入培養(yǎng)缸中，然后只將供試污水作為植物生長(zhǎng)的單獨(dú)營(yíng)養(yǎng)液。實(shí)驗(yàn)期間，觀察植物的根、莖、葉，防止病蟲(chóng)害的發(fā)生，及時(shí)修剪枯萎、腐敗的枝葉。

實(shí)驗(yàn)裝置是體積為40 L的棕色瓷缸，供試污水為人工配制的富營(yíng)養(yǎng)化水。培養(yǎng)缸中投放兩層砂層作為基質(zhì)，下層為5 cm的細(xì)沙，上層為5 cm的礫石。細(xì)沙和礫石投入瓷缸前要經(jīng)過(guò)預(yù)處理，首先用自來(lái)水沖干凈，再用蒸餾水沖洗幾遍，以減少細(xì)沙和礫石給試驗(yàn)帶來(lái)的影響[8]。設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間(HRT)為30 d，培養(yǎng)缸內(nèi)污水體積為10 L，確定植物穩(wěn)定生長(zhǎng)后開(kāi)始水體凈化實(shí)驗(yàn)，不種植物的作為空白對(duì)照。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，水樣的采集分為短期和長(zhǎng)期兩個(gè)階段，短期為處理后(培養(yǎng)植物的前半個(gè)月)每隔2 d采集1次水樣，長(zhǎng)期每隔6 d采集1次水樣，共采集水樣8次，對(duì)水質(zhì)指標(biāo)CODcr、TP和TN進(jìn)行檢測(cè)。供試污水的初始水質(zhì)指標(biāo) CODcr、TN、TP、如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)廢水主要初始指標(biāo)

1.3測(cè)試方法

1.3.1監(jiān)測(cè)指標(biāo)與分析方法[9]

表2 主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)和監(jiān)測(cè)分析方法

各水體指標(biāo)的去除率按下列公式[10]計(jì)算：

去除率(%)=[(Co-Ci)/Co]×100%。

其中，Co為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)水體中的污染物濃度；Ci為第i天時(shí)水體中的污染物濃度。

1.3.2生物量的測(cè)定方法

生物量稱取的是植物的鮮重，稱重包括植物根部在內(nèi)的植物整體的重量且要瀝干植物自身所帶的水分。初始生物量為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的植物重量，最終生物量為實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的植物重量。

生物量增長(zhǎng)比(%)=[(最終生物量-初始能量)/初始生物量]×100%

2結(jié)果與討論

2.1生物量變化

這9種水生植物在富營(yíng)養(yǎng)化水體中均能正常生長(zhǎng)，各植物長(zhǎng)勢(shì)良好，都有新葉長(zhǎng)出，無(wú)大批植物死亡枯萎現(xiàn)象。由圖1可看出，9種水生植物在實(shí)驗(yàn)期間的生物量都有所增加，30 d后生物量增長(zhǎng)比最大的是石菖蒲為54.36%，黑藻的生物量增長(zhǎng)比最小為39.14%。挺水植物中再力花的凈增量227.7 g為最大，其次為石菖蒲225.9 g，最小的是蘆葦?shù)膬粼隽繛?59.6 g；浮水植物中最大凈增量為122.4 g(大薸)，水葫蘆的凈增量為89.9 g；沉水植物中最大凈增量為83.9 g(苦草)，黑藻的凈增量為72.1 g。

挺水植物在生活型上的優(yōu)勢(shì)決定它們可以在水面上下立體發(fā)展[11]，并且自身初始生物量就偏大，在富營(yíng)養(yǎng)水體條件下凈增生物量明顯高于其他生活型植物。浮水植物和沉水植物，在培養(yǎng)開(kāi)始時(shí)生物量迅速增加由于空間限制及環(huán)境影響使得凈增生物量要小于挺水植物。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各植物的凈增生物量的比較結(jié)果為：再力花>石菖蒲>黃菖蒲>美人蕉>蘆葦>大薸>水葫蘆>苦草>黑藻。

圖1 植物生物量變化

2.2CODcr的去除效果

實(shí)驗(yàn)在平均水溫為25℃的環(huán)境下進(jìn)行，植物生長(zhǎng)良好，利于植物對(duì)水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收，各試驗(yàn)組都表現(xiàn)出明顯的凈化效果，空白組由于其水體本身的自凈作用使得培養(yǎng)缸內(nèi)的CODcr的含量有所降低，但是所有植物對(duì)水體中CODcr的凈化效果明顯高于空白組。

水體中的CODcr去除主要是通過(guò)沉淀、過(guò)濾和植物的根系截留、吸附及其微生物降解等綜合作用而去除[12]。明顯的自然降解與濕地植物共同作用的效果要優(yōu)于只在自然作用下的效果。停留時(shí)間(HRT)為6 d時(shí)，蘆葦、美人蕉和黃菖蒲的去除率都超過(guò)了50%，分別為60.24%、50.54%和55.81%。當(dāng)停留時(shí)間(HRT)為10 d時(shí)，挺水植物中除再力花外，對(duì)CODcr的去除率均超過(guò)60%，其中蘆葦去除率最高達(dá)到70.89%。從這個(gè)短期測(cè)試結(jié)果來(lái)看各種植物對(duì)CODcr的去除率是蘆葦>黃菖蒲>美人蕉>石菖蒲>再力花>大薸>苦草>水葫蘆>黑藻。因此，所選的挺水植物的去除率要優(yōu)于其他受試浮水植物和沉水植物。

培養(yǎng)植物半個(gè)月后，黃菖蒲對(duì)CODcr的去除率有所增加，到第29天時(shí)已經(jīng)達(dá)到81.60%，成為所有受試植物中去除率最高的。其次為石菖蒲、蘆葦、再力花和美人蕉，這幾種挺水植物對(duì)CODcr的去除率都超過(guò)了70%。分析其原因，一方面黃菖蒲根系發(fā)達(dá)，根區(qū)微生物數(shù)量較多，更有利于根區(qū)的泌氧作用，對(duì)CODcr的降解效果好；另一方面，蘆葦前期栽種時(shí)根系有所損傷致后期生長(zhǎng)劣于其它挺水植物，使得培養(yǎng)后期對(duì)CODcr的去除率沒(méi)有大幅上升。浮水植物大薸對(duì)CODcr的去除率為67.83%要大于水葫蘆，沉水植物苦草對(duì)CODcr的去除率為63.58%也要高過(guò)水葫蘆，可能是因?yàn)樗J快速生長(zhǎng)覆蓋了培養(yǎng)缸水體表面，使缸內(nèi)藻體增加，也可能是水葫蘆自身釋放了一部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)使缸內(nèi)CODcr值增加。

圖2 不同植物降解污水中CODcr情況比較

培養(yǎng)期要結(jié)束時(shí)，沉水植物黑藻缸內(nèi)的CODcr含量開(kāi)始上升，黑藻對(duì)CODcr的去除率是所有植物中最差的，后期藻類(lèi)覆蓋缸體致使CODcr開(kāi)始上升，在培養(yǎng)房?jī)?nèi)還可聞到異味。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，這9種植物對(duì)污水都具有良好地凈化作用，這9種植物的去除率的高低順序?yàn)椋S菖蒲(81.60%)>石菖蒲(80.41%)>蘆葦(79.30%)>再力花(75.86%)>美人蕉(72.56%)>大薸(67.83%)>苦草(63.58%)>水葫蘆(52.26%)>黑藻(44.76%)。

2.3TN的去除效果

由圖3可以看出，這幾種植物對(duì)培養(yǎng)缸內(nèi)的污水中的TN都有一定的去除效果且均大于空白對(duì)照組。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于此小型模擬人工濕地系統(tǒng)的自身的凈化作用[13]，對(duì)照培養(yǎng)缸中TN的濃度也比開(kāi)始有所降低，但是，系統(tǒng)自身凈化污水的能力是有限的，因此，沒(méi)種任何植物的培養(yǎng)缸內(nèi)，在實(shí)驗(yàn)的后期TN的濃度幾乎不再下降。培養(yǎng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這9個(gè)培養(yǎng)缸中的污水顏色都由最初的黃色逐漸變成了無(wú)色，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)植物的凈化作用污水水質(zhì)得到很好的轉(zhuǎn)化。不同的植物具有的生物量不同、根系也不盡相同，所以植物的去除效果也會(huì)有差距。美人蕉、再力花、黃菖蒲、蘆葦、石菖蒲、大薸、水葫蘆、黑藻和苦草這9種植物在培養(yǎng)的第11天對(duì)TN的去除率分別為51.42%、55.47%、57.62%、45.26%、65.34%、52.86%、36.21%、47.77%、51.81%。從短期結(jié)果來(lái)看，石菖蒲對(duì)TN的去除效果最優(yōu)，黃菖蒲、苦草次之，水葫蘆對(duì)TN的去除效果最差。對(duì)照培養(yǎng)缸內(nèi)的TN濃度的降低說(shuō)明，TN不僅通過(guò)植物吸收而降解，還可以通過(guò)濕地中的基質(zhì)吸附和其體系內(nèi)生長(zhǎng)的微生物的消化作用而去除。

從圖3還可看出，水體中的 TN 去除率開(kāi)始較快，到培養(yǎng)后期植物去除污染物的速度逐漸減慢，這與植物成長(zhǎng)后期，其體內(nèi)對(duì) N、P 的需求量的減少以及植物內(nèi)部 N、P 的再次分配有很大的關(guān)系[14]。

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，挺水植物培養(yǎng)缸內(nèi)TN濃度在1.56 mg/L～2.58 mg/L，浮水植物培養(yǎng)缸內(nèi)TN濃度在2.86 mg/L～3.56 mg/L，沉水植物培養(yǎng)缸內(nèi)TN濃度在2.43 mg/L～2.82 mg/L。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，各培養(yǎng)體系內(nèi)植物對(duì)TN的去除率如下：石菖蒲(80.62%)>美人蕉(79.16%)>黃菖蒲(73.85%)>再力花(72.08%)>苦草(69.74%)>蘆葦(67.83%)>黑藻(65.01%)>大薸(64.43%)>水葫蘆(56.16%)。

2.4TP的去除效果

由圖4看出是各培養(yǎng)體系對(duì)TP均有一定的去除效果。空白對(duì)照組對(duì)TP的凈化率最高也達(dá)到了16%，因?yàn)?，植物?duì)磷的去除，一部分是植物的吸收，一部分是以磷酸鹽形式沉降并沉積在基質(zhì)上，P極易被底部基質(zhì)吸附[15]，所以試驗(yàn)前11天 TP濃度降低得很快。但下降到某一值后，就會(huì)有少量的P從基質(zhì)中逐漸被釋放出來(lái)，因此，試驗(yàn)后期TP濃度下降逐漸變緩，甚至?xí)兴仙?/p>

圖3 不同植物降解污水中TN情況比較

實(shí)驗(yàn)前期，這十個(gè)培養(yǎng)缸中的總磷濃度都迅速下降，體現(xiàn)了很好的凈化效果。不同的是，對(duì)照組TP濃度下降較為平緩，而植物組TP濃度下降較快。到11 d時(shí)去除速率都基本達(dá)到最大，TP去除率分別為蘆葦(73.60%)>黃菖蒲(70.29)>再力花(68.23%)>石菖蒲(65.27%)>美人蕉(62.98%)>大薸(60.02%)>水葫蘆(42.93%)>苦草(55.54%)>黑藻(41.87%)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)挺水植物的培養(yǎng)體系中的TP濃度為0.178 mg/L～0.226 mg/L，浮游植物培養(yǎng)缸內(nèi)TP濃度為0.316 mg/L～0.339 mg/L，沉水植物培養(yǎng)缸內(nèi)TP濃度為0.244 mg/L～0.479 mg/L。

此外，同 TN 一樣，水體中的 TP 去除率開(kāi)始較快，到后期去除TP的速度逐漸減慢，這同樣是與后期植物本身對(duì) N、P 需求量的減少以及N、P 在植物體內(nèi)的再次分配有關(guān)。這也與李科德[16]等用蘆葦床系統(tǒng)凈化污水的研究結(jié)果一致。李科德研究得出，微生物的數(shù)量與P的去除率基本不相關(guān)，認(rèn)為污水中磷的去除一方面與底部基質(zhì)有關(guān)，一方面則是植物的吸收作用。由圖4可知，5種挺水植物對(duì)磷的去除曲線基本一致，這是因?yàn)橥λ参锔当容^發(fā)達(dá)、生物量相對(duì)較大，可以吸附大量的磷酸鹽，最終使總磷含量大大地降低。

TP最終去除率為蘆葦(78.84%)>美人蕉(75.56%)>黃菖蒲(74.28%)>石菖蒲(73.05%)>再力花(71.84%)>苦草(69.95%)>大薸(61.60%)>水葫蘆(59.09%)>黑藻(43.78%)

圖4 不同植物降解污水中TP情況比較

3 結(jié)論與建議

1)不同類(lèi)型的水生植物的凈生物量的增長(zhǎng)比差異較明顯，各植物凈生物量增長(zhǎng)比的變化范圍為39.14%～54.36%，凈生物量增長(zhǎng)比最大的是石菖蒲。

2)不同植物的水質(zhì)凈化能力也存在較大的差異，9種濕地植物的TN、TP、CODcr的去除率分別在64.43%～80.62%、43.78%～78.84%和44.76%～81.60%。其中石菖蒲(80.62%)對(duì)TN的去除率最高，美人蕉(79.16%)次之；蘆葦(78.84%)TP的去除率最高，美人蕉(75.56%)次之；黃菖蒲(81.60%)對(duì)CODcr的去除率最高，石菖蒲(80.41%)次之。

3)為了達(dá)到更好的污水凈化效果，建議將去除TN能力最強(qiáng)的石菖蒲與去除TP能力最強(qiáng)的蘆葦兼美人蕉和去除CODcr能力最強(qiáng)的黃菖蒲混種，這樣可以將去除TN、TP和CODcr的能力達(dá)到更高。

通過(guò)對(duì)人工濕地植物的水培實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，生物量較大的挺水植物對(duì)污水的凈化效果是最好的。并且在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，挺水植物管理較為方便，通過(guò)定期的收割則可避免水體的二次污染。因此，合理的篩選植物、組合植物群落就可以提高植物對(duì)水體中CODcr、TN、TP的凈化效果。人工濕地中若水域中只有單一水生植物，則會(huì)受季節(jié)性變化影響，導(dǎo)致其凈化作用不穩(wěn)定，但將多種水生植物綜合配置，就可以營(yíng)造出一個(gè)獨(dú)特的人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，還能夠?qū)崿F(xiàn)多種水生植物的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的種植水生植物的生態(tài)修復(fù)體系，見(jiàn)效快、花費(fèi)少且管理運(yùn)行也方便，為凈化本地的河水提供了很好的思路。既可以凈化污水又可以修復(fù)生態(tài)環(huán)境還可以美化景觀，是一種很好的改善水體環(huán)境的方法。但是，要注意植物的選擇和配置以使其達(dá)到更好的效果，具體配置還有待更進(jìn)一步的研究。

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中圖分類(lèi)號(hào)X52；X173

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)2095-1736(2016)02-0018-04

作者簡(jiǎn)介：崔麗杉，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境工程；通信作者：金 杰，教授，研究方向?yàn)樯锛碍h(huán)境工程領(lǐng)域，E-mail: amushui@hfuu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：合肥學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(2014xk01)；合肥學(xué)院院級(jí)學(xué)科帶頭人項(xiàng)目(2014dtr02)；安徽省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(KJ2016SD50)

收稿日期：2015-11-06；修回日期：2015-12-01

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2016.02.018