不同水深條件下的青萍除氮效果試驗

摘要：以長江三角洲地區(qū)的浮萍優(yōu)化種質——青萍為試驗材料，研究不同水深條件下青萍的除氮效果與氮素在不同水層中的濃度變化情況。結果表明，隨著水深的增加，下層水體處于厭氧狀態(tài)，厭氧產酸作用使得水體pH值隨試驗時間的增加而降低；水越淺，硝態(tài)氮濃度的平均下降速率越快，且去除率越高；總氮濃度與硝態(tài)氮濃度的下降規(guī)律大致相同。綜合試驗結果可知，從同一水深處理下各水體不同水層硝態(tài)氮、總氮濃度的變化情況看，水體中硝態(tài)氮、總氮濃度隨著深度的增加均呈現出較穩(wěn)定的變化趨勢。

關鍵詞：青萍；水深；水層；除氮效果；富營養(yǎng)化水體；污染治理

中圖分類號： X52文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）09-0344-04

收稿日期：2013-11-01

基金項目：江蘇省自然科學基金重點項目（編號：BK2010041）；江蘇省水利科技項目（編號：2010012）。

作者簡介：劉璐嘉（1989—），女，浙江舟山人，碩士研究生，主要從事農業(yè)水土環(huán)境方面的研究。E-mail：liulujia0516@126.com。

通信作者：周明耀，教授，博士生導師，主要從事農田灌溉排水理論與技術方向的研究。E-mail：myzhouyz@163.com。在富營養(yǎng)化污水凈化處理中，利用水生植物進行生態(tài)修復是一種經濟、簡便和有效的技術手段[1-2]。近年來的研究發(fā)現，與其他水生植物相比，浮萍具有高氮磷吸收能力、增殖快速、易收獲且后續(xù)利用價值高等優(yōu)勢，因而受到廣泛關注[3-4]。目前，國內外學者已相繼開展了浮萍的相關研究工作，主要集中在適合富營養(yǎng)化水體修復的優(yōu)勢萍種篩選[5]，浮萍凈化氮磷污水的機理[6-7]及途徑研究[8]，影響浮萍生長及去除氮磷能力的各項因素研究[9-14]，以及富營養(yǎng)化水體浮萍修復技術的應用研究[4，15-16]等方面。然而目前開展的大部分浮萍試驗研究均是小規(guī)模試驗，所采用的培養(yǎng)裝置大多是容積為250～1 000 mL的小容積燒杯，在此生長條件下浮萍所表現的氮磷吸收能力均較強，但是離實際工程應用還有較大的差距。由于浮萍科植物是一類以漂浮為主的水生被子植物，一般多生長在水流平緩或靜止的沼澤、河湖水面上，植物體很小，缺少發(fā)達的根系，主要通過葉狀體或根部吸收水體中的氮磷等營養(yǎng)物質，且因其表面積較小，附著的微生物也相對較少，從而使其凈水效果受到了一定程度的限制[17]。本試驗通過研究不同水深條件下浮萍的除氮效果及其作用的水深范圍，以期為富營養(yǎng)化水體浮萍修復技術的推廣應用提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗材料為長江三角洲地區(qū)廣泛分布的浮萍優(yōu)化種質——青萍，挑選經擴大培養(yǎng)的健康青萍植株體，漂洗后使用。采用人工配制的Hoagland完全營養(yǎng)液為試驗水體，營養(yǎng)液中無銨態(tài)氮（NH+4-N）存在，氮素全部以硝態(tài)氮（NO-3-N）形式存在，氮濃度為99.4 mg/L，磷濃度為15.5 mg/L，氮磷比例為6.4 ∶1，氮、磷含量與高濃度有機廢水相近。

1.2試驗設計

制作直徑為20 cm，高度分別為15、25、45、85 cm的圓桶作為培養(yǎng)容器，根據試驗要求沿桶壁每隔一定距離設置取水閥，使桶內水深分別達到10、20、40、80 cm，以分層采集水樣，每組水深試樣設3個重復。根據前期的試驗研究結果，每只桶中放養(yǎng)水面覆蓋率約為80%的青萍，在溫室條件下進行培養(yǎng)，水溫為20～25 ℃，水樣的pH值范圍為6.4～6.7，室內濕度60%。

在試驗開始的第1周，每隔3d吸取一定量水樣測定pH值、NO-3-N、總氮（TN）濃度，之后每隔7 d測定1次水體的pH值、NO-3-N、TN濃度，并記錄濃度的變化情況，取樣后補充對應體積的營養(yǎng)液以維持原體積。水樣的采集在靜止狀態(tài)下進行。設定收割周期為3 d，收割量為20%表面積的浮萍生物量。于每天12：00記錄溫室內的氣溫和光照強度，試驗過程中每天用蒸餾水補充培養(yǎng)容器中蒸發(fā)的水分，使水樣體積維持在原位。

1.3測定項目及方法

水質分析方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[18]。試驗中測定結果為3個平行試驗結果的平均值。

2結果與分析

2.1不同水深對浮萍除氮效果的影響

2.1.1水深對水體pH值的影響適合浮萍生長的水體pH值范圍較廣，一般在5.0～9.0之間，而不同品種的浮萍對水體pH值的適應性也有所不同。水體深度的改變勢必導致水環(huán)境pH值的變化，從而影響浮萍的生長狀況，進而影響浮萍的除氮效果。試驗期間不同水深處理下各水體的平均pH值變化情況見圖1。由圖1可以明顯看出，水深為10、20 cm水體的pH值呈現出先下降后上升的趨勢，且pH值下降的速率隨水深的增大而減??；而水深為40、80 cm的水體pH值則呈現出逐漸下降的趨勢；在試驗結束時，水深為10、20、40、80 cm 水體的pH值分別為7.1、6.5、6.0、6.3。結果表明，10 cm 水深的水體基本上處于好氧狀態(tài)，在硝化反應、浮萍吸收氮素及氣態(tài)氨的揮發(fā)等綜合作用的影響下，水體pH值在一定時間范圍內呈下降趨勢[5]；隨著水深的增大，水體中溶解氧濃度降低，從而限制了硝化反應；對于水深為40、80 cm的水體而言，水深的增大使水體與大氣相接觸的比表面積相應減小，且會導致較深水體（40、80 cm）的下層水體處于厭氧狀態(tài)，而厭氧產酸作用在一定程度上影響了水體的pH值，使得水體的pH值隨時間的增加不斷下降。

2.1.2水深對NO-3-N去除效果的影響不同水深處理下各水體NO-3-N平均濃度變化情況見圖2。從圖2可以看出，在不同水深水體中，NO-3-N濃度在試驗開始后的1周內均出現一個迅速下降的階段，但在整個下降的過程中，NO-3-N濃度下降的速率呈現出逐漸減緩的趨勢。試驗結果表明，隨著水深的增加，NO-3-N濃度下降速率明顯降低，可能由于青萍對水體中NO-3-N的吸收能力有限，因而其吸收速率并不會隨著污染負荷的加大而增加；而且，隨著青萍生長進程的加快，水體與大氣相接觸的比表面積減小，使得氣態(tài)氨的揮發(fā)受到一定的抑制。endprint

水體中NO-3-N濃度平均下降速率及去除率見表1。由表1可以看出，NO-3-N濃度的平均下降速率及去除率隨水深的減小而升高，原因是相同污水濃度下，浮萍系統單位面積所承載的污染負荷與水深呈線性關系，水深越小的浮萍系統對污染物的去除效果越明顯。試驗水體NO-3-N在濃度高達 994 mg/L 的情況下，青萍植株的生長依然健康，葉狀態(tài)飽滿、顏色鮮綠、個體較大，且未發(fā)現病態(tài)植株，表明青萍對高濃度NO-3-N水體環(huán)境的適應性很強，因為青萍能夠將多余的高濃度NO-3-N暫時儲存于液泡中，并不妨礙細胞內的離

2.1.3水深對TN去除的影響圖3為不同水深處理下各水體TN平均濃度變化情況。由圖3可以看出，試驗初期水體的TN濃度均隨水深的加大呈下降趨勢，且下降速率較快；在試驗后98 d，經計算，水深為10、20、40、80 cm水體中的青萍對TN的去除率分別達到36.34%、27.71%、26.23%、2080%。隨著試驗時間的推進，TN濃度總體上穩(wěn)步下降，且TN濃度的下降速率隨著水深的增大而減緩；在試驗后176 d，水深為10 cm水體中的TN濃度出現上升現象，這可能是由于部分青萍死亡，導致體內氮素釋放而重新進入水體中引起的；在試驗后期，水深為10 cm的水體中的青萍對TN的凈化效果最好，經計算，它們對TN的去除率達到58.33%。

試驗期間水體中TN濃度的平均下降速率及去除率見表2。由表2可以看出：TN濃度的下降規(guī)律與NO-3-N濃度的下降規(guī)律大致相同，即水越淺，TN濃度的平均下降速率及去除率越高。

2.2同一水深條件下不同水層的pH值及氮濃度分布情況

2.2.1不同水層pH值的變化情況圖4表明，同一水深處理下，不同水層pH值平均值的變化具有一定的規(guī)律性：從整體趨勢上看，隨著深度的增加，10～80 cm水深的水體pH值大致呈現出逐漸減小的趨勢；水深較淺（10、20 cm）水體的pH值隨深度減小的速率較緩慢，但波動較大，而水深較深（40、80 cm）水體的pH值隨深度減小的速率則相對較快。出現上述現象的原因主要與水體和大氣相接觸的比表面積相關，因為水深較淺（10、20 cm）的水體基本上處于好氧狀態(tài)，大氣復氧速率相對于水深較深（40、80 cm）的水體快，且隨著水體深度的增加，下層水體基本上處于厭氧狀態(tài)，厭氧產酸作用使得pH值不斷減小。

2.2.2不同水層NO-3-N濃度變化情況同一水深處理下水體不同水層NO-3-N濃度變化情況見圖5。從整體趨勢上看，10～80 cm深度水體的NO-3-N濃度變化隨著深度的增加均呈現出較穩(wěn)定的趨勢，伴隨著少許的波動；水深較淺（10、20 cm）水體的NO-3-N濃度隨深度變化的幅度比水深較深（40、80 cm）水體小（圖5）

。出現上述現象的原因主要是生長于較淺水體（10、20 cm）的青萍對NO-3-N的吸收能力相對較強，青萍根系區(qū)域的NO-3-N濃度下降速率相對較快，下層水體中的NO-3逐漸擴散至水體表面，且擴散速率隨水深的增加而減小，直至為零。當水體內NO-3濃度保持一致時，青萍對NO-3-N的吸收能力決定了整個系統的吸收速率。

2.2.3不同水層TN濃度的變化情況由圖6可知：同一水深處理下水體不同水層TN濃度的變化規(guī)律與NO-3-N濃度的變化規(guī)律大致相同；10～80 cm水深處理下水體的TN濃度變化也均隨著深度的增加呈現出較穩(wěn)定的趨勢，伴隨著少許的波動。水深較深（40、80 cm）水體的TN濃度隨深度的波動比水深較淺（10、20 cm）水體大，原因可能是生長于較淺水體（10、20 cm）的青萍根系區(qū)域附近的TN濃度因根系相對較強的吸收速率而下降，較高的垂直濃度梯度促使下層水體的氮素擴散至水體表面，且擴散速率隨水深的增加而減小，直至為零。因此可以看出，水體TN濃度的變化將保持一個動態(tài)平衡，即當TN的垂直濃度差為零時，青萍對TN的吸收能力決定了系統的凈化速率。

3結論

水深的增大會使水體與大氣接觸的表面積相對減少，從而使得溶解氧濃度降低，導致下層水體處于厭氧狀態(tài)，在產酸細菌的作用下，水體的pH值降低，當pH值降低到一定程度時會影響浮萍的生長，從而限制浮萍對氮素的吸收，降低了對氮素的去除效果。因此，對于水深較大的水體，可以考慮對其進行攪拌以緩解厭氧反應，使水體pH值基本處于適合浮萍生長的范圍。

當污水濃度和水體表面積一定時，如果浮萍生長密度相同，單位面積的浮萍所承載的污染負荷與水深呈線性關系。從NO-3-N、TN的去除效果看，單位面積的浮萍系統所承載的污染負荷隨水深的減小而降低，使得NO-3-N、TN濃度的平均下降速率及去除率相應升高。因此，建議可采用淺水浮萍系統（水深在20 cm左右）處理小體積富營養(yǎng)化污水。

從某一水深處理下各水體不同水層NO-3-N、TN濃度的變化情況看，水體中NO-3-N、TN濃度隨著深度的增加均呈現出較穩(wěn)定的趨勢，伴隨著一定的波動。由于濃度梯度的存在，使下層水體的氮素擴散至水體表面，擴散速率隨著水深的增加而減小直至水體中氮素濃度基本保持一致。當氮素的垂直濃度差為零時，青萍對氮素的吸收能力決定了整個系統的凈化能力。在實際工程應用中，建議采用深水浮萍系統（水深大于40cm）處理大體積氮磷污水，可考慮增加一些必要措施如攪拌、曝氣等來加速氮素的擴散作用，從而提高浮萍對氮素的吸收速率。

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