黃偉平，李 豪，田方鑫，趙重陽(yáng)，劉世婷，陳洪斌

(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092；2.杭州余杭水務(wù)控股集團(tuán)水牛環(huán)境公司,杭州 311100;3.四川省環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，成都 610046)

前 言

尾水人工濕地作為一種污水深度處理的生態(tài)工程技術(shù)，具有建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本低、維護(hù)方便、提升生態(tài)景觀效果等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于污水處理廠出水的水質(zhì)凈化[1]。水生植物是尾水人工濕地的核心，其中沉水植物作為水體生態(tài)系統(tǒng)中最重要的生產(chǎn)者，對(duì)尾水氮、磷的凈化起到重要作用[2]。

目前，關(guān)于沉水植物的研究多集中于氮、磷污染物對(duì)沉水植物生長(zhǎng)的影響，如周金波等[3]研究了不同濃度氨氮對(duì)輪葉黑藻、苦草、金魚藻和小茨藻的生長(zhǎng)影響，任文君等[4]研究了篦齒眼子菜、馬來(lái)眼子菜、金魚藻和黑藻對(duì)水體總磷的去除能力。然而關(guān)于不同濃度余氯對(duì)沉水植物生長(zhǎng)影響的對(duì)比研究相對(duì)較少。對(duì)于以含氯尾水作為補(bǔ)水的人工濕地而言，科學(xué)選擇具有一定耐氯能力的沉水植物是濕地公園實(shí)現(xiàn)凈化效果及生態(tài)效益的前提。因此，本研究以金魚藻、苦草、水蘊(yùn)草和輪葉黑藻四種生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)存在差異的沉水植物為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在小試條件下模擬沉水植物對(duì)不同濃度余氯的生理脅迫響應(yīng)及耐受閾值，篩選抗氯性較強(qiáng)的植物品種，以期為含氯尾水濕地公園對(duì)沉水植物的選擇應(yīng)用提供參考依據(jù)，提升尾水的生態(tài)價(jià)值和效益。

1 材料與方法

1.1 某凈水廠的主體工藝和尾水水質(zhì)

次氯酸鈉具有較強(qiáng)的殺菌作用和運(yùn)輸?shù)谋憷訹5]，我國(guó)多數(shù)污水處理廠在消毒殺菌環(huán)節(jié)投加次氯酸鈉。若尾水的余氯以及氯消毒副產(chǎn)物濃度較高，回用于景觀濕地公園可能會(huì)威脅水生植物尤其是沉水植物的生存[6]。如當(dāng)尾水中余氯濃度大于0.45 mg/L時(shí)，某些浮游水生植物僅僅接觸數(shù)秒鐘也會(huì)長(zhǎng)期受到生長(zhǎng)抑制[7]。

某凈水廠為全地埋式地下污水廠，處理規(guī)模為20萬(wàn)m3/d，主體工藝采用“水解酸化+AAOA+膜過(guò)濾+次氯酸鈉消毒”的處理工藝，尾水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)入濕地公園的水量約為5 000m3/d，其水質(zhì)如表1所示。

表1 主要水質(zhì)指標(biāo)

該凈水廠出水的各項(xiàng)指標(biāo)均符合《城市污水再生利用景觀用水水質(zhì)》(GB/T 18921-2019)中景觀濕地環(huán)境用水的標(biāo)準(zhǔn)。凈水廠的MBR出水除了常規(guī)的氯消毒外，每天有若干膜組件在線清洗或離線化學(xué)清洗，某些時(shí)段也會(huì)排出有較高濃度的次氯酸鈉溶液，兩者疊加往往對(duì)尾水的余氯濃度產(chǎn)生一定的波動(dòng)性，進(jìn)而影響后續(xù)濕地公園中沉水植物生長(zhǎng)以及周邊綠化用水的水質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)材料

研究對(duì)象為以下4種常見(jiàn)的沉水植物：金魚藻(Ceratophyllumdemersum)、苦草(Vallisnerianatans)、水蘊(yùn)草(Elodeadensa)、輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)。四種水草先在實(shí)驗(yàn)室無(wú)氯水中培養(yǎng)48 h后選取生長(zhǎng)良好、長(zhǎng)度適中的植株作為試驗(yàn)材料。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為模擬不同的總余氯梯度濃度，以四個(gè)體積為150 L的透明收納箱作為培養(yǎng)箱，將含有余氯的污水處理廠尾水抽取至培養(yǎng)箱中，再分別加入次氯酸鈉溶液和硫代硫酸鈉(Na2S2O3)固體以配制0、0.4、0.8和1.2 mg/L的總余氯濃度。由于余氯會(huì)隨時(shí)間消減，因此每天配制和補(bǔ)加次氯酸鈉溶液維持設(shè)定的濃度條件，并利用DR2800型便攜式分光光度法(美國(guó)哈希)現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定余氯濃度[8]。

挑取出大小相似、生長(zhǎng)良好的四種沉水植物若干，并將其種植于花盆中，每盆種植1株。隨后將花盆分別放入收納箱底，每箱放有四種植物，每種植物有三株平行樣，即每箱放置12株沉水植物。定期觀察植物生長(zhǎng)狀況，并剪取葉片以測(cè)定葉綠素含量。

1.4 測(cè)定方法

采用植物表觀生長(zhǎng)目測(cè)估計(jì)方法[9]，即每天定時(shí)觀察拍照、記錄沉水植物的生長(zhǎng)情況，將植物的表觀按照外傷癥狀分為4級(jí)：Ⅰ級(jí)，觀察不到傷害癥狀；Ⅱ級(jí)，輕度傷害；Ⅲ級(jí)，中度傷害；Ⅳ級(jí)，重度傷害。

分別在第0 h、24 h、48 h、96 h、192 h剪取沉水植物的葉片，放置于吸水紙，自然風(fēng)干1～2 h后稱重記錄，然后分別放入已預(yù)先加入80%丙酮溶液的研缽中，將其磨碎葉片殘?jiān)嗜ゾG色后過(guò)濾，沖洗殘?jiān)?、研缽?nèi)壁和濾紙，用丙酮溶液定容至10 mL，混勻后在波長(zhǎng)為663 nm和645 nm測(cè)定吸光度，通過(guò)公式計(jì)算出葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素a+b含量(兩種葉綠素含量相加而得)。研究四種沉水植物葉綠素a+b含量的變化情況，分析變化趨勢(shì)以篩選出耐氯性最強(qiáng)的品種。

2 結(jié)果與分析

2.1 凈水廠尾水余氯衰減規(guī)律

連續(xù)24h測(cè)定了凈水廠尾水的游離氯、總余氯的濃度，每次測(cè)定間隔2 h。游離氯和總余氯的時(shí)變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 地下凈水廠尾水的余氯的時(shí)變化趨勢(shì)

由圖1可見(jiàn)，24 h內(nèi)總余氯濃度最高為0.51 mg/L，最低為0.24 mg/L；游離氯濃度最高為0.41 mg/L，最低為0.10 mg/L。游離氯與總余氯的變化趨勢(shì)大致相同，在24 h內(nèi)經(jīng)歷了兩次先上升后下降的過(guò)程。之所以出現(xiàn)余氯波動(dòng)，主要與凈水廠膜組件的自動(dòng)在線清洗相關(guān)，包括清洗、排放時(shí)間不固定，且尾水的余氯投加濃度并未控制等因素。

以該地下凈水廠的尾水作為研究對(duì)象，靜置于自然條件下，模擬水體流動(dòng)下余氯的衰減規(guī)律，每間隔1h測(cè)定總余氯、游離氯濃度，分析兩者濃度降低情況，為后續(xù)投加次氯酸鈉溶液、硫代硫酸鈉固體以維持試驗(yàn)梯度濃度提供參考。測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表2 自然條件下總余氯、游離氯濃度變化

由表2可知，凈水廠尾水總余氯、游離氯的初始濃度分別為0.61 mg/L、0.57 mg/L，夏季高溫條件下，7小時(shí)后分別衰減至0.18 mg/L、0.15 mg/L，為初始濃度的30%、26%。通過(guò)線性擬合分析可知(圖2)，凈水廠尾水的總余氯、游離氯濃度在夏季條件下快速降低，兩者降低的速率相同，為0.058 mg/(L·h)。兩者的決定系數(shù)R平方值分別為0.9737、0.9192，都接近于1，表明基于7小時(shí)的衰減時(shí)間內(nèi)，趨勢(shì)線的估計(jì)值與對(duì)應(yīng)實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度較高，趨勢(shì)線的可靠性也較高。凈水廠的尾水進(jìn)入濕地公園水體，總停留時(shí)間約為24h， 前7小時(shí)基本上還處于前1/3段，總余氯在該階段的快速衰竭過(guò)程伴隨氧化還原反應(yīng)，必然對(duì)沉水植物的葉片造成傷害。

圖2 自然條件下總余氯、游離氯濃度變化圖

2.2 沉水植物的表觀生長(zhǎng)情況

連續(xù)10天觀察記錄了金魚藻、苦草、水蘊(yùn)草、輪葉黑藻等四種沉水植物的表觀生長(zhǎng)狀況，根據(jù)植物表觀生長(zhǎng)目測(cè)估計(jì)方法的分級(jí)依據(jù)所記錄的結(jié)果如表3所示。10天前后的植物實(shí)際狀況如圖3所示。

表3 植物外傷癥狀變化

總余氯對(duì)沉水植物的表觀傷害不僅與其濃度有關(guān)，還與植物的暴露時(shí)間有關(guān)。尾水的余氯濃度越高、暴露時(shí)間越長(zhǎng)，沉水植物受到的傷害越大。以下四種沉水植物表觀生長(zhǎng)狀況的影響分析。

2.2.1 余氯濃度對(duì)金魚藻表觀生長(zhǎng)的影響

當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至第3天時(shí)，初始總余氯濃度為1.2 mg/L的暴露環(huán)境中金魚藻開(kāi)始出現(xiàn)輕度傷害，其中兩株下部葉片呈現(xiàn)由綠色轉(zhuǎn)為黃色的跡象；第4天則呈現(xiàn)出中度傷害，植株尖端發(fā)黃失綠，且葉片相對(duì)稀疏；第10天呈重度傷害，葉片發(fā)黃、發(fā)白且稀疏，整體明顯萎蔫。總余氯濃度為0.8 mg/L的暴露環(huán)境中，金魚藻在第10天呈現(xiàn)重度傷害，底部有發(fā)黑跡象，且葉片發(fā)黃發(fā)白，小部分植株斷裂漂浮于水面。總余氯濃度為0.4 mg/L的暴露環(huán)境下，金魚藻最終表現(xiàn)為受到中度傷害。

2.2.2 余氯濃度對(duì)苦草表觀生長(zhǎng)的影響

苦草生長(zhǎng)狀況的變化趨勢(shì)與金魚藻相同，在高濃度條件下外傷癥狀表現(xiàn)為受到重度傷害，葉片邊緣失綠、發(fā)黃發(fā)白。在低濃度下表現(xiàn)為受到中度傷害，中上部分葉片發(fā)黃，底部根莖仍呈現(xiàn)綠色。

2.2.3 余氯濃度對(duì)水蘊(yùn)草表觀生長(zhǎng)的影響

水蘊(yùn)草在初始總余氯濃度為1.2 mg/L的暴露環(huán)境中從第4天開(kāi)始表現(xiàn)為輕度傷害，其中一株有發(fā)黃跡象，直至第10天，部分葉片發(fā)黃癥狀加重，轉(zhuǎn)為受到中度傷害。其它3種總余氯濃度下，水蘊(yùn)草的最終表現(xiàn)為受到輕度傷害，即總體生長(zhǎng)情況良好，僅有少部分葉片有發(fā)黃跡象。

2.2.4 余氯濃度對(duì)輪葉黑藻表觀生長(zhǎng)的影響

總余氯濃度為1.2 mg/L的暴露環(huán)境中，輪葉黑藻分別在第5天、第9天轉(zhuǎn)為輕度傷害、中度傷害，葉片色素變淡，有發(fā)白發(fā)黃現(xiàn)象?？傆嗦葷舛葹?.8 mg/L的暴露環(huán)境下，輪葉黑藻最終也表現(xiàn)為受到中度傷害。低濃度下，輪葉黑藻生長(zhǎng)狀態(tài)良好，表現(xiàn)為受到輕度傷害。

上述觀察結(jié)果可知，初始總余氯濃度為1.2 mg/L的暴露環(huán)境中金魚藻、苦草均受到重度傷害，而水蘊(yùn)草、輪葉黑藻則受到中度傷害；初始總余氯濃度為0.8 mg/L的暴露環(huán)境中，僅有水蘊(yùn)草表征為受到輕度傷害，在一定程度上反映其耐受性最強(qiáng)。根據(jù)檢測(cè)，該地下凈水廠尾水的總余氯濃度介于0.4～0.6 mg/L，在線清洗膜組件后尾水的瞬時(shí)余氯濃度最高接近0.8 mg/L。因此，對(duì)比總余氯濃度為0.4 mg/L、0.8 mg/L的暴露環(huán)境中沉水植物的表觀外傷癥狀可知，四種沉水植物中耐氯性最優(yōu)品種是水蘊(yùn)草，其次為輪葉黑藻、金魚藻、苦草。

2.3 4種沉水植物的葉綠素含量變化規(guī)律

葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官，其中葉綠素含量與植物光合作用、營(yíng)養(yǎng)狀況等新陳代謝活動(dòng)密切相關(guān)[10]。通過(guò)測(cè)定葉綠素含量變化以表征植物生長(zhǎng)狀況，可判斷4種沉水植物受余氯脅迫的程度。不同培養(yǎng)時(shí)間和不同總余氯梯度濃度下四種沉水植物的每克樣品鮮重(g·FW,Fresh Weight)的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量變化情況如表4、圖4所示。其中，葉綠素a+b含量為葉綠素a含量與葉綠素b含量之和。

圖4 總余氯梯度濃度下4種沉水植物的葉綠素含量變化

表4 總余氯梯度濃度下4種沉水植物的葉綠素含量變化

可見(jiàn)，4種沉水植物的葉綠素a、葉綠素b含量變化與葉綠素a+b含量變化趨勢(shì)基本一致。沉水植物的葉綠素主要由葉綠素a、葉綠素b組成，因此可用葉綠素a+b含量表示為葉綠素含量，并通過(guò)葉綠素含量的變化來(lái)反映不同余氯環(huán)境中沉水植物的生長(zhǎng)狀況。

從圖4(a)、(b)所示，尾水余氯濃度為0和0.4mg/L的環(huán)境中，水蘊(yùn)草、輪葉黑藻的葉綠素含量先上升后下降，最終值約為初始值的1.5倍。而金魚藻、苦草的葉綠素含量基本呈下降趨勢(shì)，最終值約為初始值的0.8倍?？傮w上，四種沉水植物中水蘊(yùn)草的葉綠素含量最高，其次為輪葉黑藻。依據(jù)圖4(c)、(d)所示，在總余氯濃度為0.8 mg/L、1.2 mg/L的暴露環(huán)境中，金魚藻和苦草的葉綠素含量均呈下降趨勢(shì)：其中金魚藻的葉綠素含量從初始5.39 mg/(g·FW)，分別下降到1.66、2.11 mg/(g·FW)，下降幅度分別達(dá)到69%、61%。苦草的變化趨勢(shì)與金魚藻相似，下降幅度分別為67%、59%。在總余氯濃度為0.8 mg/L的暴露環(huán)境中，水蘊(yùn)草與輪葉黑藻變化趨勢(shì)相同，為先上升后下降，最終水蘊(yùn)草的葉綠素含量上升了13%，輪葉黑藻則 上升了98%，兩者最終的葉綠素含量相差0.72 mg/(g·FW)。總余氯為1.2 mg/L的暴露環(huán)境中，在第192 h水蘊(yùn)草的葉綠素含量最高，為4.50 mg/(g·FW)，與初始值僅相差0.15 mg/(g·FW)，而輪葉黑藻的葉綠素含量為水蘊(yùn)草的64%，但與初始值相比并無(wú)明顯降低；當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至第4天時(shí)，水蘊(yùn)草、輪葉黑藻葉綠素含量達(dá)到峰值，隨后開(kāi)始下降。該現(xiàn)象可解釋為葉綠素a與b的合成系統(tǒng)對(duì)次氯酸鈉脅迫的一種應(yīng)激反應(yīng)，是植物色素體受到破壞、數(shù)量減少后的一種代償性作用[11]。

有研究認(rèn)為，葉綠素a/b的比值越大則光合活性越強(qiáng)，因而植株葉綠素a/b的變化可能是水生植物適應(yīng)環(huán)境及衰老的主要機(jī)制[12]。因此，余氯對(duì)沉水植物葉片的損傷除葉綠素含量降低外，葉綠素a/b值的下降趨勢(shì)也能反映出同一光照條件下沉水植物光合作用能力的變化。如表5所示，在總余氯濃度為0.8 mg/L的暴露環(huán)境下生長(zhǎng)192 h后，4種沉水植物中水蘊(yùn)草的葉綠素a/b值并無(wú)明顯下降，而另外三種植物均下降了0.5。在總余氯濃度為1.2 mg/L的暴露環(huán)境下生長(zhǎng)192 h后，水蘊(yùn)草、輪葉黑藻的葉綠素a/b均下降了0.3，下降幅度約為金魚藻、苦草的一半。

表5 中高總余氯濃度下4種沉水植物葉綠素a/b含量的變化

綜上，通過(guò)對(duì)比4種沉水植物葉綠素含量以及葉綠素a/b值的變化情況可知，在4個(gè)余氯濃度的暴露環(huán)境中，水蘊(yùn)草的葉綠素含量最高且與初始值相比略有提高，葉綠素a/b值的下降幅度最低，表明水蘊(yùn)草在四類沉水植物品種里生長(zhǎng)狀況較好。有研究認(rèn)為，水蘊(yùn)草對(duì)重金屬Pb具有良好的耐受性[13]，對(duì)Cu也有很強(qiáng)的富集能力[14]，還可用于富營(yíng)養(yǎng)化水體的水質(zhì)凈化與修復(fù)[15]。

2.4 討論與探究

該地下凈水廠的尾水除了常規(guī)的次氯酸鈉消毒外，膜組件化學(xué)清洗的排放水也會(huì)造成尾水的余氯短時(shí)波動(dòng)，甚至某些時(shí)段的余氯濃度達(dá)到或超過(guò)沉水植物的耐受閾值，對(duì)濕地公園沉水植物的生長(zhǎng)造成沖擊性傷害。夏季高溫、強(qiáng)光的自然條件下，尾水的余氯分解速率加快，更容易對(duì)沉水植物的葉片造成氧化損傷。含氯尾水澆灌濕地公園的陸生植物時(shí)，也明顯觀察到部分葉片呈現(xiàn)發(fā)白、枯萎的現(xiàn)象。

針對(duì)以上問(wèn)題，除篩選出相對(duì)具備耐氯性的沉水植物外，還可通過(guò)控制尾水的余氯濃度以避免對(duì)濕地水體中的水生植物造成傷害。如通過(guò)可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)設(shè)置控制次氯酸鈉的投加濃度或投加時(shí)間，采用與MBR每天定期進(jìn)行膜組件的在線或離線化學(xué)清洗加氯過(guò)程進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，MBR膜組件排放高含氯水時(shí)段停止或減少常規(guī)消毒的氯投加量，達(dá)到降低尾水余氯濃度以及控制余氯波動(dòng)的效果。此外，凈水廠的MBR出水氨氮含量低，氯消毒后的出水以游離氯為主，在進(jìn)入濕地公園前，可設(shè)置一套脫氯裝置，降低余氯的影響及消毒副產(chǎn)物生成量，提高進(jìn)入濕地公園的再生水質(zhì)量。

3 結(jié) 論

3.1 研究了金魚藻、苦草、水蘊(yùn)草、輪葉黑藻等四種沉水植物在不同余氯環(huán)境的總體生長(zhǎng)狀況，結(jié)果表明，水蘊(yùn)草的耐氯性最高，在總余氯濃度為0.4 mg/L的環(huán)境下生長(zhǎng)良好，幾乎不受余氯的影響；當(dāng)總余氯濃度增大到0.8 mg/L時(shí)，水蘊(yùn)草受到輕度傷害；當(dāng)總余氯濃度增大到1.2 mg/L時(shí)，水蘊(yùn)草受到中度至重度傷害。

3.2 在四個(gè)梯度的余氯暴露環(huán)境中，四種植物的葉綠素含量都經(jīng)歷了先上升后下降的趨勢(shì)，其中水蘊(yùn)草在第96 h出現(xiàn)拐點(diǎn)。該現(xiàn)象與沉水植物的葉綠素體受到破壞、數(shù)量減少后的代償性作用相關(guān)。相同余氯環(huán)境中暴露10天后水蘊(yùn)草的葉綠素含量相對(duì)最高，更能適應(yīng)含氯尾水的水質(zhì)。

3.3 結(jié)合外觀表征以及葉綠素指標(biāo)可知，水蘊(yùn)草能夠在總余氯濃度不超過(guò)0.8 mg/L的暴露環(huán)境條件下存活，凈水廠消毒后的尾水進(jìn)入濕地公園時(shí)，前段水體區(qū)域種植水蘊(yùn)草更易于成活。此外，在進(jìn)一步的研究中還將擴(kuò)大篩選沉水植物的種類。

3.4 污水廠含氯尾水作為生態(tài)補(bǔ)水回用于濕地公園時(shí)，需要考慮沉水植物對(duì)尾水中余氯的耐受程度。根據(jù)本文的研究結(jié)果，可為含氯尾水濕地公園的建設(shè)及沉水植物的選擇提供參考依據(jù)，以提高尾水回用的生態(tài)效益。