許銘宇，劉 雯，譚廣文，黃少斌，吳勁華，盧藝菲，陳 平，3

（1.廣州普邦園林股份有限公司，廣州 510600；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，廣州 510225；3.廣東省普通高校土地復(fù)墾植被景觀恢復(fù)工程技術(shù)研究中心，廣州 510225；4.華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣州 510006；5.廣州太和水生態(tài)科技有限公司，廣州 510000）

1 研究背景

由于人類(lèi)的頻繁活動(dòng)和部分自然原因（枯枝落葉、浮塵）引起景觀水體中N，P等營(yíng)養(yǎng)元素過(guò)量，導(dǎo)致藻類(lèi)大量繁殖，致使水體富營(yíng)養(yǎng)化的現(xiàn)象已成為全球性的環(huán)境問(wèn)題之一。隨著城市綠化美化工作的快速發(fā)展，園林水體不斷增多，水源不足、消耗量大、循環(huán)能力差的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，一些城市內(nèi)湖、河流或園林水體水質(zhì)不斷惡化，水體呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化，引發(fā)藻類(lèi)過(guò)量生長(zhǎng)、魚(yú)類(lèi)大量死亡，嚴(yán)重破壞了水生態(tài)環(huán)境。

大多數(shù)的園林水體為靜態(tài)或者流動(dòng)性較差的水體，具有水域面積較小，易受污染，自?xún)裟芰Σ畹忍攸c(diǎn)，再者因受到不同程度的污染以及水質(zhì)管理等方面的問(wèn)題，使其逐漸失去了景觀水體的功能，并嚴(yán)重影響了城市自然環(huán)境和人們的居住環(huán)境［1-3］。因此，園林水體的凈化研究對(duì)城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要的意義。

眾多研究表明［4-8］，單一使用水生植物或水生動(dòng)物對(duì)受污染園林水體進(jìn)行處理，難以達(dá)到預(yù)期效果。鑒于此，本研究將水生植物、水生動(dòng)物、生物質(zhì)焦進(jìn)行組合，形成水生生物凈水系統(tǒng)進(jìn)行園林水體的處理，可以?xún)?yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既能凈化污染水體，又有一定的景觀功能，以期為園林水體的凈化以及受污染水體生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)提供技術(shù)支持和理論參考。

2 生態(tài)凈水系統(tǒng)工作原理

水生動(dòng)植物組合所構(gòu)成的凈化系統(tǒng)主要包括水生植物凈化系統(tǒng)、水生動(dòng)物凈化系統(tǒng)、吸附劑（生物質(zhì)焦）系統(tǒng)。其中在植物凈化系統(tǒng)中水生木本植物起著水體凈化和景觀營(yíng)造的作用，并用于苗木的生產(chǎn)與銷(xiāo)售；水生草本植物主要作用是吸收污水中富營(yíng)養(yǎng)化物質(zhì)及滯納水中浮塵，同時(shí)也具有營(yíng)造景觀及為水生動(dòng)物提供食物的功能。水生動(dòng)物系統(tǒng)用于消耗污染源中的腐殖質(zhì)、藻類(lèi)以及蠶食蚊蟲(chóng)幼卵，并為植物凈化系統(tǒng)提供肥料。吸附劑（生物質(zhì)焦）系統(tǒng)主要應(yīng)用其強(qiáng)大的吸附性能，去除水中色素，并可作水中微生物棲息場(chǎng)所，當(dāng)其吸附性達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)亦可作植物種植支持介質(zhì)。生態(tài)集成凈水系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 生態(tài)集成凈水系統(tǒng)工作原理Fig．1 Working principle of the integrated ecological water purification system

3 材料與方法

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)裝置為半透明塑料箱，尺寸為長(zhǎng)51 cm×寬38 cm×高31 cm，容量為55 L，試驗(yàn)用水量40 L；試驗(yàn)所選用的材料均是從課題組前期試驗(yàn)研究中選出具有較好的凈水效果的水生動(dòng)植物和生物質(zhì)焦，其中木本植物秋楓12株，水生草本植物水蓑衣18株，苦草36株；水生動(dòng)物叉尾斗魚(yú)18尾、中華圓田螺30個(gè)；生物質(zhì)焦2.4 kg。

3.2 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用水采用人工模擬富營(yíng)養(yǎng)化園林水體（取園林綠化廢棄物半腐熟料3 kg，園林綠化廢棄物半腐熟料購(gòu)自佛山順德大良某綠化公司，將其放到干燥箱在75℃下烘1 h，然后將園林綠化廢棄物半腐熟料投放入裝滿(mǎn)35 L自來(lái)水的半透明塑料箱內(nèi)，充分?jǐn)嚢韬笞屍浣? d后取出滲濾液，然后將滲濾液稀釋3倍后作為試驗(yàn)用水）。試驗(yàn)期間的用水水質(zhì)見(jiàn)表1。

3.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)有2組處理，做3個(gè)平行處理，處理方式1為CK空白對(duì)照，處理方式2為水生動(dòng)植物組合，試驗(yàn)時(shí)間為2016年10月9日—11月8日，共計(jì)30 d，試驗(yàn)期間平均溫度為23.4～27.6℃，平均水溫為22.7～26.2℃；每隔3 d測(cè)一次水質(zhì)，每次取樣于上午8：30—9：00進(jìn)行。為模擬室外景觀水體的特點(diǎn)，試驗(yàn)過(guò)程中不對(duì)水體進(jìn)行曝氣增氧，采用不流動(dòng)的靜態(tài)水體。

表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)Table 1 Quality of the test water

3.4 測(cè)定的指標(biāo)與方法

試驗(yàn)測(cè)定方法按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）［9］進(jìn)行不同指標(biāo)的測(cè)定方法分別如下：TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894—89），TP采用鉬銻抗分光光度法（GB 11893—89），COD采用納氏試劑比色法（HJ 535—2009），NH+4-N采用重鉻酸鉀法（GB 11914—1989），NO-2-N采用分光光度法（GB 7493—87），DO采用便攜式溶解氧儀，pH值采用便攜式pH計(jì)測(cè)定，色度采用鉑鈷標(biāo)準(zhǔn)比色法。

3.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理每組試驗(yàn)采用3個(gè)重復(fù)試樣，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為平均值，試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2007進(jìn)行編輯處理、繪制相關(guān)圖表，每組處理的差異性通過(guò)SPSS 19.0軟件進(jìn)行分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 動(dòng)植物的生長(zhǎng)狀況

試驗(yàn)期間，叉尾斗魚(yú)生長(zhǎng)狀況良好，在試驗(yàn)過(guò)程中不投喂魚(yú)飼料，斗魚(yú)主要以水中綠化廢棄物和蚊子孑孓為食物，存活率約93.4%，魚(yú)身色澤比試驗(yàn)前更加靚麗；田螺生長(zhǎng)情況良好，存活率約95%，試驗(yàn)期間，田螺繁殖了一批小螺。

3種水生植物生長(zhǎng)狀況良好，存活率均為100%。其中，秋楓和水蓑衣的側(cè)根和須根數(shù)量均有所增長(zhǎng)，根長(zhǎng)明顯增長(zhǎng)；苦草也長(zhǎng)出了許多新的根系，苦草的根系可穿透生物質(zhì)焦，并定植在上面，當(dāng)生物質(zhì)焦的吸附能力達(dá)到飽和時(shí)，可用作其基質(zhì)供植物生長(zhǎng)用。秋楓和水蓑衣的部分葉片會(huì)出現(xiàn)枯萎掉落的現(xiàn)象，苦草的葉片有部分發(fā)黃的現(xiàn)象出現(xiàn)。這可能是因?yàn)橹参镏饕扛滴諣I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)，秋楓屬于淺根系植物但側(cè)根發(fā)達(dá)，通氣組織發(fā)達(dá)，可以有效地吸收大量的營(yíng)養(yǎng)元素，而且樹(shù)葉不接觸水面，因此植株的存活率較高；水蓑衣根系發(fā)達(dá)且耐污能力強(qiáng)，后期因氣溫下降，導(dǎo)致部分葉片出現(xiàn)枯萎掉落的現(xiàn)象，但沒(méi)有影響植株的存活率；苦草具匍匐莖，繁殖速度快，再生能力強(qiáng)，由于水中光照不足導(dǎo)致部分葉片發(fā)黃，但未出現(xiàn)植株死亡現(xiàn)象。

4.2 試驗(yàn)期間蚊子孑孓情況

試驗(yàn)進(jìn)行到第4天時(shí)，在沒(méi)有放生物材料的對(duì)照組中均有蚊子孑孓產(chǎn)生，平均有60多條，而在放置了叉尾斗魚(yú)的組合中無(wú)孑孓出現(xiàn)，在對(duì)照組水箱中放入2尾長(zhǎng)約4 cm的叉尾斗魚(yú)10 min后，對(duì)照中的孑孓被吞食約40條，另外再投放1尾斗魚(yú)進(jìn)去15 min后，全部的孑孓均被吞食。將水中孑孓吞食完之后將叉尾斗魚(yú)移出水體，到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照組中依舊出現(xiàn)孑孓，一部分已經(jīng)變成蚊子；而在集成系統(tǒng)中，從試驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束始終未發(fā)現(xiàn)孑孓，可見(jiàn)叉尾斗魚(yú)對(duì)于消除富營(yíng)養(yǎng)化水體中滋生的蚊子具有較好的作用。

4.3 不同處理方式對(duì)水體中N元素的凈化效應(yīng)

4.3.1 對(duì)水體中TN的凈化效應(yīng)

由圖2可知，生態(tài)凈水系統(tǒng)對(duì)水中TN有明顯的去除效果，且呈現(xiàn)出較為明顯的變化趨勢(shì)。

圖2 TN濃度隨時(shí)間變化的情況Fig．2 Variation of TN concentration with time

在2組處理方式中，對(duì)照組中TN濃度均要高于水生動(dòng)植物組合中的TN濃度，并且隨時(shí)間的延長(zhǎng)，TN濃度基本呈下降的趨勢(shì)，最低可降至1.215 mg／L，達(dá)到地表水Ⅳ類(lèi)水（1.5 mg／L）的標(biāo)準(zhǔn)［10］。試驗(yàn)初期，系統(tǒng)中由于動(dòng)植物需要適應(yīng)所在環(huán)境，同時(shí)系統(tǒng)也未形成穩(wěn)定的微生物群落，其去除率較低。但當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至第9天時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TN的凈化效果明顯提高，去除率上升，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，整個(gè)組合對(duì)TN的平均去除率可達(dá)64.4%。而對(duì)照系統(tǒng)中的TN濃度不降反升，這可能是因?yàn)樵囼?yàn)滲濾液中還存在釋放N的物質(zhì)，而且蚊子在水中產(chǎn)卵，孵化的幼蟲(chóng)和剩下的卵皮促進(jìn)了N濃度的上升。除了在第3天時(shí)2組處理方式的 TN濃度無(wú)顯著差異外（P＞0.05），其余時(shí)間均差異顯著（P＜0.05）。

圖3 濃度隨時(shí)間變化的情況Fig．3 Variation of concentration with time

圖4 NO-2-N濃度隨時(shí)間變化的情況Fig．4 Variation of NO-2-N concentration with time

水體中的N元素是造成富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素，在為期30 d的試驗(yàn)里，生態(tài)凈水系統(tǒng)中的動(dòng)植物對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化園林水體的N元素均有明顯的去除效果，均呈下降趨勢(shì)。水體中的TN是指水中所含氮化合物的總量，包括有NH+4-N，NO3-N，NO-2-N和有機(jī)氮，有機(jī)氮所占的份量最多，含量其次的是NH+4-N，而NO-2-N作為NO3-N和NH+4-N氧化和還原過(guò)程中的產(chǎn)物，其含量相對(duì)比較少［11-12］。其中水中NH+4-N的去除主要通過(guò)凈水系統(tǒng)中水生植物的同化吸收、水生動(dòng)物的選擇性捕食、生物碳的吸收作用以及微生物硝化作用途徑實(shí)現(xiàn)。而水中NO-2-N的含量與氨的硝化作用有關(guān)，亞硝酸鹽能夠通過(guò)硝酸細(xì)菌轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，除了微生物對(duì)亞硝酸鹽的轉(zhuǎn)化外，凈水系統(tǒng)中的植物材料也是NO-2-N去除的重要因素，因進(jìn)水NO-2-N的含量較低，系統(tǒng)的凈化速率快，故在特定的試驗(yàn)時(shí)間里，NO-2-N的去除率是最高的（82.6%）。在試驗(yàn)期間，生態(tài)凈水系統(tǒng)中N元素的去除速率呈一致性下降現(xiàn)象。

4.4 不同處理方式對(duì)水體中TP的凈化效應(yīng)

如圖5所示，對(duì)照組和集成系統(tǒng)水體中TP濃度變化存在明顯差異，系統(tǒng)中TP濃度呈現(xiàn)出先升后降的規(guī)律，在第9天之前上升趨勢(shì)明顯之后快速下降。出現(xiàn)快速下降的原因可能是因?yàn)橄到y(tǒng)在試驗(yàn)前期叉尾斗魚(yú)和田螺出現(xiàn)個(gè)別死亡的現(xiàn)象，其尸體殘?bào)w分泌出的營(yíng)養(yǎng)元素導(dǎo)致系統(tǒng)中TP濃度的上升，但清除這些尸體后，系統(tǒng)中TP濃度又開(kāi)始下降。對(duì)照組則呈現(xiàn)升降再升的趨勢(shì)，但變化不大，這可能與試驗(yàn)水體滲濾液中還存在釋放P的物質(zhì)或蚊子產(chǎn)卵有關(guān)。在試驗(yàn)后期系統(tǒng)組的凈化效果明顯優(yōu)于對(duì)照組，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)組合中TP濃度降低至0.867 mg／L，其平均去除率為49.5%，而對(duì)照組對(duì)TP的去除效果較差，除第18天外，其余各天的去除率均與系統(tǒng)組中的 TP去除率存在顯著差異（P＜0.05）。

圖5 TP濃度隨時(shí)間變化的情況Fig．5 Variation of TP concentration with time

4.5 不同處理方式對(duì)水體中COD的凈化效應(yīng)

由圖6可知：①隨著試驗(yàn)時(shí)間的推移，對(duì)照組和處理組對(duì)水體中COD均有一定的去除作用，2組的COD濃度均呈下降的趨勢(shì)，但系統(tǒng)中的COD濃度始終低于對(duì)照組。②在第30天時(shí)系統(tǒng)的去除效果最好，其COD濃度可降至30.93 mg／L，平均去除率為65.7%；而對(duì)照系統(tǒng)的去除效果較差，在試驗(yàn)后期其COD濃度甚至有所上升，最后的平均去除率只有11.7%。經(jīng)方差分析，除第3天外，系統(tǒng)的COD去除率與對(duì)照組差異顯著（P＜0.05）。

圖6 COD濃度隨時(shí)間變化的情況Fig．6 Variation of COD concentration with time

4.6 不同處理方式對(duì)水體中pH值和色度值的影響

圖7 為2組處理方式下水體中pH值和色度值隨時(shí)間的變化。由圖7（a）可知，2組處理方式在試驗(yàn)期間pH值波動(dòng)較大，對(duì)照組整體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但第18天時(shí)其pH值有所降低，系統(tǒng)組中的pH值不太穩(wěn)定，在第24天時(shí)pH值突然上升，隨后又呈下降的趨勢(shì)。但2組處理方式的pH變化范圍在7.43～8.23之間，符合地表水中pH值6～9的標(biāo)準(zhǔn)要求。圖7（b）表明，在整個(gè)試驗(yàn)階段，2組處理方式色度值總體呈現(xiàn)出隨時(shí)間而降低的趨勢(shì)，其區(qū)別在于：對(duì)照組下降得比較緩慢，變化不明顯，平均去除率僅為10.4%；組合處理組下降得比較迅速，水質(zhì)色度明顯比對(duì)照組要清澈澄亮，視覺(jué)效果較好，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，色度值下降了93度，平均去除率為68.9%，在組合處理組中生物質(zhì)焦對(duì)色素的吸附能力貢獻(xiàn)較大。

圖7 2組處理方式p H值和色度值隨時(shí)間的變化Fig．7 Changes of pH value and chromaticity value with time under different treatments

5 結(jié) 論

（1）生態(tài)凈水系統(tǒng)對(duì)園林水體塵、蚊蟲(chóng)、異味等有較好的去除作用。系統(tǒng)中的沉水植物（苦草）可滯納水中浮塵，木本植物（秋楓）和草本植物（水蓑衣）能降解水體中氮磷等富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，叉尾斗魚(yú)可遏制蚊子孑孓，中華圓田螺喜吃水中腐基質(zhì)，生物質(zhì)焦具有吸附水體中的色素和有害物質(zhì)等作用，還可作為植物的生長(zhǎng)基質(zhì)。

（2）運(yùn)用水生動(dòng)植物組合凈化富營(yíng)養(yǎng)化園林水體，去除污染物的效果良好，在為期30 d的試驗(yàn)過(guò)程中，組合組對(duì)水體中 TN，TP，COD，NH+4-N，NO-2-N，色素的平均去除率分別為64.4%，49.5%，65.7%，73.8%，82.6%，68.9%，對(duì)降低水中 pH值也起著一定的作用，試驗(yàn)最后測(cè)定值分別為1.215±0.04，0.867±0.02，30.93±0.43，0.408±0.01，0.004±0.001，7.7±0.06，42±0.58；其中，TN，COD，DO等指標(biāo)均符合地表水Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)，而NH+4-N則符合Ⅱ類(lèi)水要求，與對(duì)照組相比，水生動(dòng)植物組合在試驗(yàn)過(guò)程中均未出現(xiàn)蚊子幼蟲(chóng)孑孓。

（3）該技術(shù)方法具有維護(hù)成本低、景觀持久性好、凈污能力強(qiáng)的特點(diǎn)，是一項(xiàng)具有綜合性的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)水體景觀持久、高效凈化、低養(yǎng)護(hù)、恢復(fù)水體自?xún)裟芰εc生產(chǎn)功能；實(shí)現(xiàn)景觀型人工水景可持續(xù)性的凈化功能，應(yīng)用前景廣闊。