互葉白千層(Melaleuca alternifolia)浮床對生活污水凈化效果研究初報

李 彬， 靖元孝*， 王忠正， 楊丹菁

(1.華南師范大學生命科學學院，廣東省高等學校生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室，廣東廣州 510631；2.廣州市環(huán)境保護科學研究院， 廣東廣州 510620)

互葉白千層(Melaleuca alternifolia)浮床對生活污水凈化效果研究初報

李 彬1， 靖元孝1*， 王忠正1， 楊丹菁2

(1.華南師范大學生命科學學院，廣東省高等學校生態(tài)與環(huán)境科學重點實驗室，廣東廣州 510631；2.廣州市環(huán)境保護科學研究院， 廣東廣州 510620)

互葉白千層(Melaleucaalternifolia)為速生常綠木本植物，它產(chǎn)生的茶樹油廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥保健工業(yè).該文研究了互葉白千層浮床系統(tǒng)對生活污水的凈化能力，并與風車草浮床系統(tǒng)進行了比較.研究結(jié)果表明：在8—12月，互葉白千層浮床系統(tǒng)對污水凈化能力較強，TN、TP、BOD5、CODCr、NH4-N和NO3-N平均去除率分別為71.39%、83.32%、84.96%、69.91%、72.53%和76.23%，分別為風車草浮床系統(tǒng)的87.55%、95.03%、97.48%、98.24%、88.73%和89.37%；在溫度較低的1月，互葉白千層浮床系統(tǒng)對污水凈化能力明顯下降，TN、TP、BOD5、CODCr、NH4-N和NO3-N去除率分別為29.83%、61.33%、70.53%、49.89%、39.03%和53.84%，分別為風車草浮床系統(tǒng)的38.67%、68.24%、86.77%、77.70%、64.20%和65.87%.

生活污水； 凈化效果； 浮床系統(tǒng)； 互葉白千層； 風車草； 木本植物

植物浮床具有不消耗能量，不受水深限制，可在修復(fù)水體的同時收獲具有經(jīng)濟價值的植物材料等優(yōu)點[1-3].近來年有關(guān)植物浮床凈化污水的研究逐漸增多，如浮床種養(yǎng)鸚鵡草(Myriophyllumaquaticum)、雀稗草(Paspalumpaspalodes)、毛茛(Ranunculusrepens)、香根草(Vetiveriazizanioids)、水芹菜(Oenanthejavanica)、水蕹菜(Ipomoeaaqutica)、黑麥草(Loliummultiflorum)和美人蕉(Cannaindica)等植物對污水具有一定的凈化效果[4-11].植物的生長量和對營養(yǎng)物質(zhì)氮、磷的吸收量是浮床植物選擇的關(guān)鍵[2]，現(xiàn)在國內(nèi)外用于構(gòu)建植物浮床的多為草本植物，未見木本植物用于構(gòu)建植物浮床的報道.

在用于構(gòu)建植物浮床的眾多植物中，風車草(Cyperusalternifolius)是最優(yōu)秀的物種之一，它全年保持生長，即使在冬天仍能維持一定的生長速率[12]，根系發(fā)達，根生物量大[13]，在人工濕地[14-17]和植物浮床[18-23]均表現(xiàn)出很強的去污能力，本實驗選取其作為互葉白千層的參照.

互葉白千層(Melaleucaalternifolia)屬桃金娘科白千層屬木本植物，原產(chǎn)于澳大利亞.互葉白千層四季常綠，生長快速，萌芽能力強，可進行多次收割.從互葉白千層新鮮枝葉提取的精油(俗稱茶樹油)，應(yīng)用廣泛，具有很高的經(jīng)濟價值[24-26].我國20世紀90年代初引進互葉白千層，目前陸續(xù)在廣東、福建、廣西、重慶等地廣為種植并進行產(chǎn)業(yè)開發(fā)[27-28].互葉白千層具有很強的耐淹能力，在長期淹水條件下，通過形成發(fā)達的通氣組織和產(chǎn)生大量的不定根從而保持正常的生長.在澳大利亞，用互葉白千層構(gòu)建的人工濕地對生活污水表現(xiàn)出較強的凈化能力[29-31].我們推測，在水培條件下，互葉白千層也能保持良好的生長，并大量吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，有效凈化水體.本文進一步研究互葉白千層浮床系統(tǒng)對生活污水的凈化效果，增加植物浮床的生物多樣性和觀賞性，為植物浮床系統(tǒng)提供更多的植物選擇.

1 材料和方法

1.1植物材料和實驗設(shè)計

實驗于2008年3月至2009年1月在廣州華南師范大學生物試驗場進行.廣州屬南亞熱帶氣候,年平均氣溫22 ℃,最冷月1月和最熱月7月平均氣溫分別為13.3 ℃和28.4 ℃,年平均降雨量1 694 mm.漂浮載體為聚乙烯泡沫板(59 cm×45 cm×3 cm), 在板上均勻打孔栽種植物, 泡沫板漂浮在塑料水箱(67 cm×51 cm×38 cm)中.互葉白千層由本實驗室提供，經(jīng)過6個月的水培，在淹水的莖部已產(chǎn)生了大量的不定根.2008年3月，選取長勢良好、大小均勻的互葉白千層(株高80 cm，基徑3 cm)和風車草(株高30 cm)分別移入塑料水箱泡沫板的圓孔內(nèi),用海綿條加以固定, 每箱4株，每株風車草5個分蘗.互葉白千層有30 cm莖部淹沒水中，而風車草只有根部淹沒水中.另設(shè)只放泡沫板而不種任何植株的塑料水箱為對照.每處理3個重復(fù)，9個塑料水箱隨機排列于華南師范大學生物試驗場的平坦空地上.用生活污水對植物進行馴化培養(yǎng)，到2008年8月，互葉白千層和風車草生長旺盛，2種植物浮床系統(tǒng)中植物的覆蓋度均達到90%左右.對互葉白千層進行適當修剪，其水面上植株高度約為1 m，與風車草株高基本相同，然后進行植物浮床系統(tǒng)凈化效果研究.

1.2水樣的采集和分析方法

生活污水取自華南師范大學學生宿舍，污水質(zhì)量濃度為TN：28.81～53.90 mg/L；TP：0.88～1.58 mg/L；BOD5：12.24～26.21 mg/L；CODCr：36.40～80.81 mg/L；NH4-N：6.81～17.05 mg/L；NO3-N：0.63～1.81 mg/L.用水泵從化糞池出水口抽取污水，至蓄水池中沉淀、過濾，進行調(diào)蓄后分別灌滿各個塑料水箱，每周更換污水1次.

分別于每月10號和25號各采集水樣分析1次.在采集處理后水樣前，如果因蒸發(fā)和蒸騰作用導致植物浮床系統(tǒng)水量減少，可補充自來水，保持水量平衡，同時計算補充自來水中無機物和有機物的含量.

進水樣采集：用采水器在調(diào)蓄后的蓄水池中沿對角線布設(shè)3點采水，于16 L桶中充分混合，用虹吸法將污水轉(zhuǎn)移到1 L的采樣瓶中.

處理后水樣采集：污水在水箱停留3 d后，用采水器在水箱水面下10 cm處沿對角線布設(shè)3點采水，于16 L的桶中充分混合，然后再用橡皮管虹吸轉(zhuǎn)入1 L的采樣瓶中.每個處理均為3個重復(fù).

水質(zhì)分析項目包括TN、TP、BOD5、CODCr、NH4-N和NO3-N，方法如下：TN用過硫酸鉀—紫外分光光度法；TP用鉬銻抗分光光度法；BOD5用稀釋接種法；CODCr用重鉻酸鉀法；NH4-N用納氏試劑分光光度法；NO3-N用鎘柱還原法[32].

1.3數(shù)據(jù)處理

用SPSS 15.0統(tǒng)計軟件計算各指標的平均值和標準差，并通過方差分析檢驗差異的顯著性.

2 結(jié)果及分析

2.1浮床植物生長概況

在浮床水培條件下，互葉白千層和風車草在2008年8—11月生長旺盛.2008年12月至2009年1月，互葉白千層的生長逐漸減緩，部分老葉黃化凋落.風車草的老葉也出現(xiàn)黃化凋落的現(xiàn)象，但仍保持較好的生長.

2.2互葉白千層對生活污水的凈化效果

2.2.1 總氮(TN)和總磷(TP)的凈化效果 互葉白千層對生活污水的TN和TP的凈化效果見圖1A和圖1B.TN去除率8—10月維持在高水平，最高達83.48%，11—12月略有下降，2009年1月急劇下降，最低僅為24.33%.TP去除率8—12月比較穩(wěn)定，平均去除率達83.32%，2009年1月明顯下降，最低為60.51%.

2.2.2 BOD5和CODCr的凈化效果 互葉白千層對生活污水的BOD5和CODCr的凈化效果見圖1C和圖1D.BOD5和CODCr去除率在8—12月相對比較穩(wěn)定，維持在較高水平，去除率平均值分別達到84.96%和68.80%.2009年1月有一定程度下降，最低分別為69.92%和47.10%.

2.2.3 氨氮(NH4-N)的凈化效果 互葉白千層對生活污水的NH4-N凈化效果見圖1E.NH4-N去除率在8—11月10日維持在高水平，最高達85.36%，11月25日—12月明顯下降，2009年1月下降到最低水平，最低僅為37.04%.

2.2.4 硝酸鹽氮(NO3-N)的凈化效果 互葉白千層對生活污水的NO3-N凈化效果見圖1F.

圖1 互葉白千層浮床系統(tǒng)對生活污水的凈化效果

NO3-N去除率在8—10月維持在較高水平，最高達85.80%，11—12月略有下降，2009年1月明顯下降，最低僅為52.56%.

2.3互葉白千層和風車草浮床凈化效果比較

廣州屬南亞熱帶季風氣候區(qū)，年平均氣溫為21.4～21.9 ℃，最熱的為7—8月，最冷為1—2月，2009年1月最低氣溫在6 ℃左右.根據(jù)整個實驗期間的數(shù)據(jù)，將互葉白千層和風車草對生活污水的凈化效果分為2008年8—12月和2009年1月2個階段進行比較，各個指標在2個階段的平均值見表1.從表1和圖1可以看出，互葉白千層在2008年8—12月期間對生活污水的凈化效率與風車草較為接近，TN、TP、BOD5、CODCr、NH4-N和NO3-N平均去除率分別為風車草的87.55%、95.03%、97.48%、98.24%、88.73%和89.37%，重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明，兩者的TP、BOD5、CODCr和NH4-N去除率平均值差異不顯著(P>0.05)，兩者的TN 和NO3-N 的去除率平均值差異顯著(P<0.05).在2009年1月期間，互葉白千層對生活污水的凈化效果急劇下降，與風車草相比有較大差距，TN、TP、BOD5、CODCr、NH4-N和NO3-N平均去除率分別只有風車草的38.67%、68.24%、86.77%、77.70%、64.20%和65.87%，2個浮床系統(tǒng)之間各個污染物指標的平均去除率差異顯著(P<0.05).

表1 互葉白千層和風車草浮床對生活污水凈化效果比較

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差，同一列字母不同者表示差異顯著(P<0.05).

3 討論

在淹水條件下，互葉白千層可以通過產(chǎn)生不定根和形成發(fā)達的通氣組織適應(yīng)淹水環(huán)境，從而保持正常的生長[33].本研究中，互葉白千層在無土水培的條件下，同樣通過上述機制維持了良好的生長狀況.互葉白千層一方面通過直接吸收而去除污水中的氮和磷，另一方面其發(fā)達的根系為根際周圍的微生物和微型動物的生長繁殖和凈化作用提供條件，進一步促進了水體的凈化.

在8—11月，互葉白千層生長快速，對污水的凈化能力與風車草相差不大.但進入冬季，隨著溫度的不斷降低，互葉白千層生長逐漸減緩，新枝葉的萌發(fā)較少，凈化能力與風車草相比下降比較明顯，特別是在溫度最低的1月.

在植物浮床應(yīng)用過程中，植物的固定是一個不可回避的技術(shù)問題，尤其是木本植物.在本實驗中，互葉白千層有30 cm的莖部淹沒在水中，為植物的固定帶來了方便.只要將植株在水面上的高度控制在1.0～1.5 m范圍內(nèi)，互葉白千層浮床系統(tǒng)能夠經(jīng)受風浪的沖擊，保持穩(wěn)定.

總之，互葉白千層在水培條件下能夠保持快速生長，對生活污水有較好的凈化效果.可以嘗試將互葉白千層浮床系統(tǒng)應(yīng)用于富營養(yǎng)化水體，在凈化水體的同時還可收獲具有重要經(jīng)濟價值的植物材料.

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Keywords： domestic wastewater; purifying effect; floating-bed systems;Melaleucaalternifolia;Cyperusalternifolius; woody plant

【責任編輯 成 文】

PRELIMINARYSDUDYONPURIFYINGEFFECTOFMELALEUCAALTERNIFLOLIAGROWNINFLOATING-BEDSYSTEMSTODOMESTICWASTEWATER

LI Bin1, JING Yuanxiao1*, WANG Zhongzheng1, YANG Danjing2

(1. School of Life Science, South China Normal University, Key Laboratory of Ecology and Environmental Science of Guangdong Higher Education, Guangzhou 510631, China; 2. Guangzhou Research Academy of Environmental Protection, Guangzhou 510620, China)

Melaleucaalternifoliais a fast-growing woody plant and produces tea tree oil, a commodity in demand by the health-care industry. The purifying effect ofM.alternifoliagrown in floating-bed systems to domestic wastewater was investigated, and compared with theCyperusalternifoliusgrown in floating-bed systems. Results indicated thatM.alternifoliafloating-bed was capable of removing pollutants from domestic sewage.M.alternifoliafloating-bed maintained high purifying effect from August to December, and the average removal rates of TN, TP, BOD5, CODCr, NH4-N and NO3-N were 71.39%, 83.32%, 84.96%, 69.91%, 72.53% and 76.23%, respectively, which are accounted for 87.55%, 95.03%, 97.48%, 98.24%, 88.73% and 89.37% of removal rates forC.alternifoliusfloating-bed, respectively. However,M.alternifoliahad low purifying effect in January, and the removal rates of TN, TP, BOD5, CODCr, NH4-N and NO3-N were 29.83%, 61.33%,70.53%, 49.89%, 39.03% and 53.84%, respectively, which are accounted for 38.67%, 68.24%, 86.77%, 77.70%, 64.20% and 65.87% of removal rates forC.alternifoliusfloating-bed, respectively.

2009-11-02

廣東省科技攻關(guān)資助項目(2005B33302014)

李彬(1981—)，男，廣東從化人，華南師范大學2006級碩士研究生，Email: libin4137@gmail.com; 靖元孝(1963—)，男，湖北武漢人，博士，華南師范大學教授，主要研究方向：植物生態(tài)和環(huán)境生態(tài)研究，Email:jingyx@scnu.edu.cn.

*通訊作者

1000-5463(2010)02-0090-06

Q948

A