不同水生植物對水體中氮磷吸收去除效果的試驗

蘇小東，李 艷，原金海，賈 云

(1.重慶科技學院化學化工學院，重慶 401331;2.西藏自治區(qū)水文水資源勘測局，西藏拉薩 850000)

隨著人民生活水平的提高，小城鎮(zhèn)氮磷含量較高的生活污水排放量逐年增加，因此需要采取有力的措施凈化受污染水體。目前，國內(nèi)外利用水生植物凈化生活污水的研究已取得了一些成果，并證實利用水生植物既能治理水體污染，又能避免二次污染［1-5］。研究溫和氣溫生長的水生植物凈化水體的研究較多，而對于在極端氣溫下水生植物凈化水體的研究則較少。另外在極端氣溫時水生植物會枯萎甚至死亡，不僅不能凈化水體，反而會產(chǎn)生新的污染。三峽庫區(qū)上游重慶地區(qū)在夏季氣溫比較高，因此需要篩選適應當?shù)貧夂驐l件且在極端氣溫下也能高效脫氮除磷的水生植物，從而建立一個完整的凈化生活污水的水生植物體系，避免因極端氣溫導致水體水質(zhì)出現(xiàn)明顯波動。

利用實驗室人工模擬三峽庫區(qū)氣候條件，對狐尾藻、水蘊草、輪葉黑藻、長葉久冠和銅線草等5種水生植物在污水中去除總氮(TN)和總磷(TP)的效果進行了系統(tǒng)研究，分析了它們對水體中氮磷的去除效果差異，從中比選出能適應三峽庫區(qū)山地集鎮(zhèn)氣候條件并能高效凈化水質(zhì)的水生植物。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

狐尾藻、水蘊草、輪葉黑藻、長葉久冠和銅線草均采自重慶地區(qū)的河流和池塘中。

1.2 試驗測定方法

為了避免微生物對水體中的氮磷去除效果的影響，本試驗所用水體均采用高溫滅菌，使用滅菌水對植物進行清洗。

檢測的水質(zhì)指標及其方法:TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定;TP采用鑰銻抗分光光度法測定［6］。每個指標重復測定3次，取平均值作為測試結果。

植物選取及質(zhì)量稱量:選取健壯植株，清洗并去除腐根爛葉，用濾紙吸去植物表面的水分，生長于模擬水體中的植物移出水體，用濾紙吸干水分后于天平上稱取精確到0.1 g，不同時間不同植物的質(zhì)量如表1所示。試驗溫度為35～42℃。

表1 試驗周期中植物的質(zhì)量變化Tab.1 Weight of Plants during Experimental Period

2 試驗結果與討論

2.1 不同水生植物對總氮的去除效果

5種水生植物分別在試驗系統(tǒng)中生長一定時間后進行測定，結果如圖1所示。由圖1可知銅線草、水蘊草、輪葉黑藻、長葉久冠和狐尾藻對總氮的去除率分別為48%、69%、62%、49%和62%。當生長時間進一步延長達到24 d時，水生植物對總氮的去除率幾乎能達到90%，其值分別達到95%、95%、92%、88%和96.70%。由此可知除氮能力大小順序為水蘊草＞狐尾藻＞輪葉黑藻＞銅線草＞長葉久冠。

圖1 5種水生植物12和24 d的總氮去除率Fig.1 Removal Rates of Total Nitrogen of 5 Hydrophytes in 12 Days and 24 Days

同時試驗了低濃度氮含量的條件下對氮的去除率，試驗結果如圖2所示。由圖2可知對低濃度氮去除能力的順序為狐尾藻＞銅線草＞水蘊草＞輪葉黑藻＞長葉久冠。在生態(tài)系統(tǒng)中，TN主要源于原水中的有機物和系統(tǒng)內(nèi)部生長的微生物及其釋放產(chǎn)物。TN包括NH3-N和NO3-N，主要通過揮發(fā)、生物硝化/反硝化、生物同化吸收3種機制去除，水生植物和微生物都可以作為硝化菌的有效載體，促進水體中硝化作用的增長［7］。研究發(fā)現(xiàn)水體中總氮的去除率與植物質(zhì)量之間呈線性關系，其中狐尾藻重量與水體中總氮的去除率之間的相關系數(shù)達到0.958，水蘊草和輪葉黑藻也能達到0.9左右，且在移栽初期也有很好的相關性，說明這3種水生植物的適應性非常好。而長葉久冠在移栽初期呈現(xiàn)負增長，這是由于在移栽初期根部的葉片枯萎死去，在稱量時是去除死葉稱量所得質(zhì)量，這說明其適應性相對較差，但適應6 d后其植物質(zhì)量與水體中的總氮去除率呈正相關關系，其相關系數(shù)可達0.998。而銅線草雖然在吸收生成，但是其與總氮的去除率無正相關關系。這說明在該試驗條件下，在微生物含量較小的情況下，水體中總氮的去除主要依靠生物同化吸收，其吸收效果與生長速度呈正相關關系(如圖3所示)。綜上，幾種水生植物對水體中總氮的去除效果由大到小的順序為水蘊草＞狐尾藻＞輪葉黑藻＞銅線草＞長葉久冠。銅線草對高溫天氣的適應性相對較差，而水蘊草的適應性最好，狐尾藻的適應性也較好且在低氮濃度下對氮的吸收也是最好的。

圖2 5種植物低濃度氮水體中總氮的12 d去除率Fig.2 Removal Rates of Total Nitrogen of 5 Hydrophytes Containing Low Concentration of Nitrogen in 12 Days

圖3 總氮去除率與植物體質(zhì)量的相關性Fig.3 Correlation between Removal Rate of Total Nitrogen and Weight of Hydrophytes

2.2 不同水生植物對總磷的去除效果

水體中總磷(TP)主要通過化學沉淀、藻類細菌的合成代謝和水生植物的吸收3種方式去除［8］。采用合成水體，植物體洗凈后植于水體中，避免化學沉淀和藻類細菌的合成代謝對磷的去除作用，然后篩選出對磷有好的吸收作用的植物。由圖4可知植物生長12 d對總磷的去除效果由大到小的順序為狐尾藻=水蘊草＞輪葉黑藻＞長葉久冠＞銅線草，而植物生長24 d對總磷的去除率均大于60%，去除效果的順序為狐尾藻＞長葉久冠＞水蘊草＞輪葉黑藻＞銅線草，其中狐尾藻對TP的去除率最大，其值能達到90%以上。研究中發(fā)現(xiàn)選取的5種水生植物對低濃度磷的12 d去除率均能達到50%以上(如圖5所示)，其中狐尾藻和長葉久冠對低濃度磷的12 d去除率能達到80%以上。對植物的生長過程進行了追蹤，發(fā)現(xiàn)水體中總磷的去除效果和植物的生長速度有直接的正相關關系，其中狐尾藻和輪葉黑藻對總磷的去除效果和植物質(zhì)量的相關系數(shù)達到0.9以上(如圖6所示)。這也表明在該試驗條件下植物的生長吸收是總磷去除的主要方式。同時從圖中總磷的去除率變化和植物生長情況發(fā)現(xiàn)狐尾藻、水蘊草和輪葉黑藻對環(huán)境的適應性更快更好，長葉久冠適應性相對較弱。在移栽初期根部的葉片枯萎死去，去除死葉后稱量，結果使得生長前期磷的去除率與植物質(zhì)量相關性差，但長葉久冠在12～24 d生長期間對總磷的去除效果和植物質(zhì)量的相關系數(shù)可達0.95，銅線草對該試驗條件下的環(huán)境適應性最差。綜上，幾種水生植物對水體中總磷的去除效果的順序為狐尾藻＞水蘊草＞長葉久冠＞輪葉黑藻＞銅線草。

圖4 5種水生植物對總磷的去除效果Fig.4 Removal Rate of TP of 5 Hydrophytes in 12 Days and 24 Days

圖5 5種植物低濃度磷水體中總磷的12天去除率Fig.5 Removal Rate of TP of 5 Hydrophytes Containing Low Concentration of TP in 12 Days

圖6 總磷去除率與植物體重量的相關性Fig.6 Correlation between TP Removal Rate and Weight of Hydrophytes

3 結論

在模擬試驗條件下研究了5種水生植物對水體中氮磷的吸收去除效果。結果表明狐尾藻、水蘊草、長葉久冠、輪葉黑藻和銅線草24 d的氮去除率均能達到85%以上，對磷的去除率能達到65%以上。其中狐尾藻和水蘊草對氮磷均有較好的吸收去除效果，且能適應三峽地區(qū)的夏季高溫天氣，而長葉久冠和銅線草的環(huán)境適應性相對較差，因此推薦在三峽地區(qū)生態(tài)污水處理中選擇狐尾藻、水蘊草和輪葉黑藻。

［1］蔣鑫焱，翟建平，黃蕾，等.不同水生植物富集氮磷能力的試驗研究［J］.環(huán)境保護科學，2006(6):13-16.

［2］沈瑾，王三反，孫連鵬.水生植物對銅污染廢水的凈化能力［J］.凈水技術，2013，32(2):70-73.

［3］吳小慧，張勇，何巖，等.污染水體凈化與生態(tài)修復中水生植物光合、呼吸特性研究進展［J］.凈水技術，2009，28(6):5-7，25.

［4］李明傳.水環(huán)境生態(tài)修復國內(nèi)外研究進展［J］.中國水利，2007(11):25-27.

［5］王興民，許秋瑾，邢曉麗，等.水生高等植物對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的影響［J］.山東科學，2007(2):29-32.

［6］國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.第4版.北京:中國環(huán)境科學出版社，2002.

［7］KIM Y，KIM W.Role of water hyacinths and their roots for reducing algal concentration in the effluent from waste stabilization ponds［J］.Water Research，2000，34(13):3285-3294.

［8］黃亞，傅以鋼，趙建夫.富營養(yǎng)化水體水生植物修復機理的研究進展［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2005(24):378-383.