前置庫(kù)凈化系統(tǒng)中水生植物的選擇

高松峰，楊倩琪

（1．江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院，南京210036；2．南京理工大學(xué)，南京210094）

隨著我國(guó)對(duì)飲用水水源地保護(hù)的日益重視，水源地周邊的點(diǎn)源污染得到了有效的遏制，但面源污染的影響比例和危害越來(lái)越突出，特別是以水庫(kù)型水源地為主的中小城鎮(zhèn)，其周邊的農(nóng)村生活污水、稻田排水等農(nóng)業(yè)面源污染通過(guò)降雨或地表徑流的方式對(duì)水源地水質(zhì)造成嚴(yán)重的危害［1－2］。該類污染的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在面源污染具有突發(fā)性強(qiáng)、污染物種類復(fù)雜多變、污染負(fù)荷變化大，難采取單一集中處理等特點(diǎn)。初期來(lái)水，污染物濃度高，負(fù)荷大，需要凈化處理，后期來(lái)水水量較大，污染程度低可直接排放進(jìn)入水源地，前置庫(kù)系統(tǒng)蓄混放清的特點(diǎn)對(duì)水源地面源污染防控起著重要作用［3－4］。通過(guò)在水源地水庫(kù)前設(shè)置前置庫(kù)，前置庫(kù)排水廊道內(nèi)設(shè)置植生帶，沉水（?。┧采鷰?，利用這些植物對(duì)初期來(lái)水中的有機(jī)物、氮鹽及磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)，通過(guò)截留、沉降、吸附、降解等方式凈化后排入水源地水庫(kù)［5－7］。

水生植物是水體中的初級(jí)生產(chǎn)者，也是前置庫(kù)水生生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量流的主要傳遞者，其種類和種群數(shù)量變動(dòng)對(duì)庫(kù)區(qū)生態(tài)及水域環(huán)境有著重大影響，氮和磷的吸收主要受濕地植物生物量的影響［8］。Gumbricht等［9］認(rèn)為在不收割的情況下，水生植物主要通過(guò)促進(jìn)微生物的硝化與反硝化作用達(dá)到去除N的效果，而在收割的情況下，或在低溫時(shí)期，對(duì)氮和對(duì)磷的去除則主要是通過(guò)主動(dòng)吸收，但傳統(tǒng)型前置庫(kù)的氮磷凈化效果欠佳，尤其冬季低溫條件下銨態(tài)氮（NH＋4－N）、總氮（TN）去除速率遠(yuǎn)低于夏季，僅為夏季的1／4左右［10－12］。水生植物體內(nèi)的氮、磷含量受到水體營(yíng)養(yǎng)狀況和植物生長(zhǎng)狀況的影響，而且由于沉水植物根、莖、葉都沉沒(méi)于水中，水質(zhì)對(duì)植株?duì)I養(yǎng)鹽的影響更為敏感。在一些營(yíng)養(yǎng)鹽濃度較低的天然湖泊中，氮和磷成為植物生長(zhǎng)的限制性因素［13－14］。國(guó)內(nèi)外研究人員已相繼篩選出一批能高效去除水中各種污染物質(zhì)的植物，一些漂浮植物如鳳眼蓮、浮萍等已大量用于氧化塘等工程中，蘆葦?shù)葎t多用于人工濕地，但這些應(yīng)用多著重植物根部微生物功能的發(fā)揮，主要靠植物自身的吸收功能來(lái)進(jìn)行凈化水體的應(yīng)用還較少，同時(shí)并未根據(jù)前置庫(kù)內(nèi)不同分區(qū)的水質(zhì)情況，確定水生植物的種群結(jié)構(gòu)，特別是冬季低溫條件下植物種群，從而提高水中氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果［15－18］。因此，本文結(jié)合溧陽(yáng)市塘馬水庫(kù)水質(zhì)安全保障工程背景及水質(zhì)特征，從技術(shù)集成角度出發(fā)，因地制宜地構(gòu)建復(fù)合型前置庫(kù)凈化系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室尺度下探討確定不同植物組合凈化效果及污染物去除規(guī)律，確定復(fù)合型前置庫(kù)去處污染物最優(yōu)的工況參數(shù)，為前置庫(kù)凈化系統(tǒng)在溧陽(yáng)市塘馬水庫(kù)水質(zhì)安全保障工程中應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1．1 夏秋季植物篩選試驗(yàn)

水生植物包括挺水植物、漂浮植物、浮葉植物、沉水植物等。結(jié)合示范工程開展地區(qū)的氣候、水文、植被等狀況和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，選擇挺水植物：香蒲、千屈菜、水蔥、蓮藕、水芹、菖蒲、空心菜、西伯利亞鳶尾和沉水植物：伊樂(lè)藻、菹草、輪葉黑藻、苦草、狐尾藻，作為前置庫(kù)的備選植物，部分為冬季低溫條件下生長(zhǎng)水生植物。本實(shí)驗(yàn)采用靜態(tài)實(shí)驗(yàn)方案在夏秋季節(jié)進(jìn)行。試驗(yàn)裝置為容量為40L的塑料桶，上部直徑（內(nèi)徑）為39cm，底部直徑（內(nèi)徑）為31cm。桶中栽種植物，桶底鋪一層洗凈的石英砂，以滿足挺水植物固根要求。實(shí)驗(yàn)從8月中旬開始到九月底結(jié)束。植物栽種10d后，每隔3d定期取水樣測(cè)定其中的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽含量，計(jì)算氮磷的去除率。定期采用自來(lái)水補(bǔ)充水量，以彌補(bǔ)因蒸發(fā)、植物吸收、取樣造成的水量損失。

實(shí)驗(yàn)用水采用人工配水，初始水質(zhì)指標(biāo)為：TN 1．67mg／L、TP 0．41mg／L、CODMn6．75mg／L。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值》（GB3838－2002），實(shí)驗(yàn)用水屬Ⅳ～Ⅴ類。

1．2 冬季植物篩選實(shí)驗(yàn)

在冬季，大部分植物已經(jīng)進(jìn)入凋落期，對(duì)水質(zhì)凈化作用不明顯，選擇合適的適宜于冬季生長(zhǎng)的植物并研究其對(duì)水質(zhì)的凈化規(guī)律是保證前置庫(kù)冬季長(zhǎng)效運(yùn)行的重要工作。以上述夏秋季植物凈化效果的研究為基礎(chǔ)，選用蘇南地區(qū)常見(jiàn)的能夠耐受冬季低溫的水生植物進(jìn)行冬季生長(zhǎng)試驗(yàn)以及凈化效果研究。挺水植物：水芹、西伯利亞鳶尾、香蒲；沉水植物：伊樂(lè)藻、菹草以及狐尾藻。

（1）冬季植物的生長(zhǎng)規(guī)律。試驗(yàn)選擇在冬季進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為45d，自然條件下水溫的波動(dòng)范圍為0～5℃。生長(zhǎng)的水質(zhì)條件采用人工配水方式，試驗(yàn)為L(zhǎng)9（33）的正交試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用氮磷比、氮濃度、氮形態(tài)來(lái)表征不同富營(yíng)養(yǎng)化水體的特征，以上每個(gè)因素各設(shè)計(jì)3個(gè)水平。氮形態(tài)的水平為硝態(tài)氮，混合態(tài)氮（銨態(tài)氮和硝態(tài)氮各占50%）和銨態(tài)氮，各處理組的水質(zhì)情況見(jiàn)表1。

表1 不同處理組的水質(zhì)參數(shù)

試驗(yàn)裝置為容量為40L的塑料桶，上部直徑（內(nèi)徑）為39cm，底部直徑（內(nèi)徑）為31cm。試驗(yàn)開始時(shí)，把植物洗凈稱重，0—9號(hào)桶中栽種植物，0號(hào)桶中不加營(yíng)養(yǎng)液，底部鋪設(shè)洗凈的石英砂用于固定挺水植物為對(duì)照樣。試驗(yàn)用氫氧化鈉溶液和稀硫酸調(diào)節(jié)pH值，pH值控制在7，確保營(yíng)養(yǎng)鹽濃度變化范圍不超過(guò)20%，采用相對(duì)生長(zhǎng)率表征植物生長(zhǎng)情況：

相對(duì)生長(zhǎng)率R＝（Wt－W0）／W0（1）式中：R——相對(duì)生長(zhǎng)率；Wt——試驗(yàn)結(jié)束后生物量（濕重）；W0——試驗(yàn)前生物量（濕重）。

（2）冬季植物對(duì)水質(zhì)的凈化效果。實(shí)驗(yàn)用水采用人工配水，初始水質(zhì)指標(biāo)為：TN 1．67mg／L、TP 0．41mg／L、CODMn6．75mg／L。根據(jù)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)基本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)限值》（GB3838－2002），實(shí)驗(yàn)用水屬Ⅳ—Ⅴ類。

采用靜態(tài)試驗(yàn)，將植物栽種在盛有一定量自來(lái)水的大型塑料桶（挺水植物用洗凈的石英砂固定），容量為40L的塑料桶，上部直徑（內(nèi)徑）為39cm，底部直徑（內(nèi)徑）為31cm。試驗(yàn)用水體積30L，植物質(zhì)量約100g。所有試驗(yàn)桶均放在室外自然光照的地方，但要避免雨淋。試驗(yàn)期間記錄每天的水溫變化情況，水溫是取3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均值（8：00，12：00，20：00），采樣前要按照每個(gè)試驗(yàn)組的蒸發(fā)量先補(bǔ)充蒸餾水。根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第四版）》［19］測(cè)定SS、TN、NH4－N、COD、TP、TDP 指標(biāo)。其中 NH4－N、NO3－N、TDP為過(guò)0．45μm醋酸纖維濾膜后測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2．1 夏秋季植物對(duì)水質(zhì)的作用

挺水植物對(duì)總氮的去除率為水芹＞香蒲＞水蔥，去除效果較好，平均去除率達(dá)到了26%以上；對(duì)氨氮的去除率為水芹＞ 水蔥＞香蒲，去除效果較好，平均去除率達(dá)到了30%以上；對(duì)總磷的去除率為水芹＞菖蒲＞西伯利亞鳶尾，去除效果較好，平均去除率達(dá)到了30%以上（圖1）；沉水植物中對(duì)總氮和氨氮去除率大小次序?yàn)橐翗?lè)藻＞狐尾藻＞輪葉黑藻，去除效果較好，平均去除率達(dá)到了20%以上；對(duì)總磷的去除率為伊樂(lè)藻＞狐尾藻＞輪葉黑藻，去除效果較好，平均去除率達(dá)到了25%以上（圖2）。

圖1 夏秋季節(jié)挺水植物對(duì)TP的去除率

圖2 夏秋季節(jié)沉水植物對(duì)TP的去除率

初期，植物對(duì)NH＋4－N的去除效果較TN好，這主要是因?yàn)樗w中的NH＋4－N較少部分通過(guò)植物吸收和揮發(fā)作用而去除，大部分則是通過(guò)硝化作用和反硝化作用的連續(xù)反應(yīng)而去除，這種反應(yīng)過(guò)程會(huì)增加水體中NO－3－N的量，從而使TN的降解幅度變小。但隨著NH＋4－N濃度下降并趨于穩(wěn)定后，植物開始以吸收NO－3－N為主，從而不斷降低水體TN含量，導(dǎo)致后期TN的去除率逐漸高于NH＋4－N。

植物對(duì)磷的去除率表現(xiàn)出先升高，后降低的現(xiàn)象。對(duì)磷的去除一方面是以磷酸鹽沉降并固定在基質(zhì)上，另一方面是可溶性磷被植物吸收。在試驗(yàn)初期對(duì)磷的去除效果上升非常顯著，這是因?yàn)榱妆坏撞康氖⑸拔蕉沟闷錆舛却蠓冉档停灿胁糠至讜?huì)逐漸從石英砂中釋放出來(lái)，造成后期去除率出現(xiàn)下降的現(xiàn)象。綜上所述，在夏秋季節(jié)可以選擇的挺水植物主要為水芹、西伯利亞鳶尾、香蒲；沉水植物主要有伊樂(lè)藻、輪葉黑藻、狐尾藻。

2．2 冬季水生植物生長(zhǎng)

試驗(yàn)周期內(nèi)植物的冬季相對(duì)生長(zhǎng)率如圖3和4所示。從圖3中可以看出，在相同的水質(zhì)及溫度條件下，挺水植物中水芹相對(duì)生長(zhǎng)率為48．5%～92．2%生長(zhǎng)狀況最好，香蒲相對(duì)生長(zhǎng)率為10．2%～31．5%生長(zhǎng)狀況最差；試驗(yàn)期間，水溫在0～5℃，伊樂(lè)藻在低溫季節(jié)仍然繼續(xù)生長(zhǎng)。由圖4可見(jiàn)，伊樂(lè)藻相對(duì)生長(zhǎng)率為43%～94．2%，而在同樣的試驗(yàn)條件下水溫在0～5℃，菹草普遍生長(zhǎng)緩慢，相對(duì)生長(zhǎng)率為－23．9%～39．6%，因此沉水植物中伊樂(lè)藻的生長(zhǎng)狀況最好，狐尾藻的生長(zhǎng)狀況最差。

通過(guò)方差分析（表2），發(fā)現(xiàn)氮磷比影響植株含磷量的顯著性因素，影響植物相對(duì)生長(zhǎng)率的因素主次順序?yàn)椋旱妆龋镜螒B(tài)＞氮濃度。氮磷比為2∶1與8∶1之間存在顯著差異（P＜0．05），不同水平的氮濃度與氮形態(tài)沒(méi)有對(duì)伊樂(lè)藻相對(duì)增長(zhǎng)率產(chǎn)生顯著影響（P分別為0．320，0．077），氮磷比為8∶1時(shí)植物的相對(duì)生長(zhǎng)率最大，氮濃度越高，相對(duì)生長(zhǎng)率越大。混合態(tài)氮最能促進(jìn)伊樂(lè)藻的生長(zhǎng)，其次為硝態(tài)氮，供應(yīng)混合態(tài)氮與銨態(tài)氮的處理組間存在顯著差異（P＜0．05）。由表3知，氮磷比、氮濃度、氮形態(tài)都不是菹草相對(duì)生長(zhǎng)率的主要影響因素，各因素不同水平之間也不存在顯著差異，說(shuō)明了雖然菹草屬于低溫生態(tài)位，但其最適生長(zhǎng)溫度范圍為10～15℃，耐低溫能力沒(méi)有伊樂(lè)藻強(qiáng)，在0～5℃條件下，菹草基本不生長(zhǎng)。

圖3 挺水植物冬季相對(duì)生長(zhǎng)率對(duì)比

圖4 沉水植物冬季相對(duì)生長(zhǎng)率對(duì)比

表2 挺水植物植株相對(duì)增長(zhǎng)率顯著性分析

表3 沉水植物植株相對(duì)增長(zhǎng)率顯著性分析

2．3 冬季水生植物對(duì)水質(zhì)的作用

冬季水生植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除與其生長(zhǎng)狀況有著較為密切的聯(lián)系，在保證沉水植物良好生長(zhǎng)的前提下，冬季挺水植物中對(duì)總氮和總磷去除率大小順序分別為：水芹＞西伯利亞鳶尾＞香蒲，香蒲＞水芹＞西伯利亞鳶尾，去除效果較好；沉水植物對(duì)總氮和總磷去除率大小順序均為伊樂(lè)藻＞菹草＞狐尾藻，去除效果較好（圖5—6）。沉水植物對(duì)污染水體產(chǎn)生的主要效應(yīng)是降低濁度，穩(wěn)定水質(zhì)，促進(jìn)水中營(yíng)養(yǎng)鹽的降低。這種改善效應(yīng)主要是通過(guò)植物自身對(duì)污染物質(zhì)的吸收和增強(qiáng)水體的自凈能力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。沉水植物由于其生境結(jié)構(gòu)的特殊性，其根、莖、葉都能從水中吸收營(yíng)養(yǎng)鹽。伊樂(lè)藻對(duì)水中氮的吸收主要通過(guò)生物量的增長(zhǎng)與富集作用，對(duì)磷的吸收主要通過(guò)富集作用；菹草對(duì)水中氮的吸收主要通過(guò)生物量的增長(zhǎng)，對(duì)磷的吸收主要通過(guò)富集作用。沉水植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果伊樂(lè)藻最好，結(jié)合植物的生長(zhǎng)狀況與對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的去除效果，可以在冬季選擇水芹作為前置庫(kù)的凈化挺水植物，伊樂(lè)藻作為前置庫(kù)凈化的沉水植物。

圖5 冬季挺水植物對(duì)TN、TP的去除率

圖6 冬季沉水植物對(duì)TN、TP的去除率

2．4 伊樂(lè)藻對(duì)其他水質(zhì)指標(biāo)的作用

確定沉水植物伊樂(lè)藻，研究其對(duì)其他水質(zhì)指標(biāo)的影響，伊樂(lè)藻生長(zhǎng)要求水深小于2～2．2倍水體透明度，最適溫度為25℃左右。在水溫為5～30℃都能處于正常的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)狀態(tài)，當(dāng)溫度低于5℃或高于30℃時(shí)，其生長(zhǎng)就會(huì)受到抑制。由圖7可知，有植物的池子，濁度在短期內(nèi)下降效果明顯，但在試驗(yàn)后期，兩者的差別減少，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的靜置，對(duì)照樣中的懸浮物大部分能沉淀到底泥中。在第43小時(shí)，兩個(gè)池子的濁度有較大幅度的上升是由于當(dāng)天風(fēng)力很大，水體受到擾動(dòng)，對(duì)照池的濁度較第19小時(shí)增加了28NTU，但是有植物的池子濁度卻只增加了15NTU，這說(shuō)明了伊樂(lè)藻具有較好的穩(wěn)定底質(zhì)的作用，能降低沉積物質(zhì)再懸浮的風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)結(jié)束后采伊樂(lè)藻，鮮重為33．5g（含水率約90%），用蒸餾水沖洗莖、葉，將沖洗下來(lái)的懸浮態(tài)物質(zhì)烘干，為0．54g，即每千克伊樂(lè)藻鮮重所吸附的懸浮態(tài)物質(zhì)為16g，說(shuō)明伊樂(lè)藻能吸附大量的懸浮物，從而使渾濁的水體較快清澈。伊樂(lè)藻水樣中的濁度降低效果明顯，濁度的最高凈降低率達(dá)到87．9%。

在115小時(shí)前，伊樂(lè)藻水樣中DO比對(duì)照水樣低（圖8），這主要與以下兩點(diǎn)有關(guān)：（1）測(cè)定時(shí)間，試驗(yàn)值都是在早上的10：00測(cè)定的，此時(shí)，植物的光合作用不強(qiáng)烈；（2）原水狀態(tài)，原水表面有大量的油污，油污阻礙了光線和氧氣的進(jìn)入，使水面下的水體處于缺氧狀態(tài)，從而使伊樂(lè)藻的光合作用受阻。當(dāng)植物適應(yīng)了這種生境后，水中的DO開始大幅度上升，遠(yuǎn)高于對(duì)照樣，在216h和235h監(jiān)測(cè)到的溶氧接近飽和值，并伴有小氣泡的逸出。因此只有當(dāng)伊樂(lè)藻經(jīng)過(guò)一段時(shí)間適應(yīng)了沒(méi)有超過(guò)其生長(zhǎng)閾值的逆境后，才會(huì)對(duì)水體產(chǎn)生明顯的富氧效果，在本試驗(yàn)中，從115h開始，有伊樂(lè)藻的池子開始表現(xiàn)出明顯的富氧效果。

圖7 不同處理組濁度的變化

3 結(jié) 論

沉水植物對(duì)總氮、氨氮和總磷的去除率伊樂(lè)藻最好，平均去除率達(dá)到了20%以上，同時(shí)伊樂(lè)藻能吸附大量的懸浮物，水質(zhì)的濁度降低效果明顯，最高凈降低率達(dá)到87．9%，并對(duì)水體產(chǎn)生明顯的富氧效果。

圖8 不同處理組DO的變化

冬季挺水植物中水芹相對(duì)生長(zhǎng)率為48．5%～92．2%生長(zhǎng)狀況最好，香蒲相對(duì)生長(zhǎng)率為10．2%～31．5%生長(zhǎng)狀況最差，冬季挺水植物對(duì)總氮、氨氮和總磷的去除率水芹最好；通過(guò)植株相對(duì)增長(zhǎng)率顯著性分析，發(fā)現(xiàn)氮磷比是影響植株含磷量的顯著性因素，影響植物相對(duì)生長(zhǎng)率的因素主次順序?yàn)椋旱妆龋镜螒B(tài)＞氮濃度。冬季伊樂(lè)藻相對(duì)生長(zhǎng)率為43%～94．2%，同等試驗(yàn)條件下菹草生長(zhǎng)緩慢，相對(duì)生長(zhǎng)率為－23．9%～39．6%，伊樂(lè)藻的生長(zhǎng)狀況最好，狐尾藻的生長(zhǎng)狀況最差，對(duì)總氮、氨氮和總磷的去除率伊樂(lè)藻最好，平均去除率達(dá)到了20%以上。

綜上，建議水生植物以水芹和伊樂(lè)藻為全年物種并適當(dāng)搭配其他植物作為前置庫(kù)凈化系統(tǒng)的植物組合。研究結(jié)果可為前置庫(kù)工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

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