模擬人工濕地不同植物配植對(duì)富營養(yǎng)化水體修復(fù)能力研究

靳陽陽，霍張麗，郭曉宏

(1.臨汾市水利局，山西 臨汾 041000；2.山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000)

模擬人工濕地不同植物配植對(duì)富營養(yǎng)化水體修復(fù)能力研究

靳陽陽1，霍張麗2，郭曉宏2

(1.臨汾市水利局，山西 臨汾 041000；2.山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000)

人工濕地；富營養(yǎng)化；濕生植物；去除率

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，受經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使，部分企業(yè)環(huán)保設(shè)施落后，工業(yè)廢水未經(jīng)處理就直接排入河流、湖泊等，嚴(yán)重污染了水體。大量排放的生活污水也是導(dǎo)致我國水體富營養(yǎng)化的主要因素，其中旅游業(yè)的發(fā)展更是加快了水體富營養(yǎng)化的進(jìn)程。同時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用農(nóng)藥、化肥，其中的氮、磷通過農(nóng)田徑流流入湖泊中，也加劇了水體的富營養(yǎng)化。

植物修復(fù)技術(shù)是利用水生植物(主要是沉水植物和挺水植物)生長過程對(duì)氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收而減少水體中這類污染物質(zhì)，同時(shí)分解、凈化水體中的其他有毒有害物質(zhì)的環(huán)境污染治理技術(shù)。這種方法低投資、高產(chǎn)出、環(huán)境效益好，尤其是治理費(fèi)用要比傳統(tǒng)技術(shù)低，已被證明是一項(xiàng)非常有應(yīng)用前景的水污染處理新技術(shù)。但植物修復(fù)技術(shù)作為一門新興的技術(shù)，還需進(jìn)一步尋找或培育出具有良好遺傳性狀的植物新品種，來適應(yīng)不同污染濃度、滿足不同季節(jié)和地域需求、快速高效地同時(shí)修復(fù)多種污染[1]。

人工濕地生態(tài)技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種污水處理工程方法[2]，通過模擬自然濕地環(huán)境，人為設(shè)計(jì)與建造由基質(zhì)、植物、微生物和水體組成的復(fù)合體，利用生態(tài)系統(tǒng)中水生植物、基質(zhì)、微生物的物理、化學(xué)和生物的直接和協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化[3]。

本試驗(yàn)選用臨汾本土的蘆葦(Phragmitesaustralis)、藨草(Scirpustriqueter)、薄荷(Menthahaplocalyx)3種濕生植物，通過構(gòu)建不同植物組合的小型人工濕地，定期進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)和分析，研究不同濕地植被對(duì)富營養(yǎng)化水體的修復(fù)能力，以篩選出凈化效果好、適宜于山西臨汾地區(qū)人工濕地生境的植物組合，充分發(fā)揮人工濕地在生態(tài)清潔型小流域建設(shè)中的重要作用，為水環(huán)境保護(hù)提供重要試驗(yàn)依據(jù)[4]。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)裝置

小型模擬人工濕地系統(tǒng)構(gòu)建于紅色塑料桶內(nèi)(桶的規(guī)格：上口直徑33 cm、內(nèi)徑28.5 cm，下口直徑24.5 cm、內(nèi)徑21 cm，高28 cm)[5]，在桶底設(shè)一個(gè)出水龍頭用來排水。在距桶底15 cm的桶體上設(shè)一個(gè)出水龍頭，并連接集水管用于采集水樣。集水管均勻打孔，用100目的濾布包裹，防止細(xì)砂進(jìn)入管中造成堵塞。在桶內(nèi)分層鋪設(shè)不同粒徑的河砂作為基質(zhì)，下層為10 cm厚的粗砂(粒徑1～3 mm)，上層為15 cm厚的細(xì)砂(粒徑0.3～1 mm)，之間用100目的濾布隔開[6]。試驗(yàn)裝置見圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置

1.1.2 富營養(yǎng)化水體設(shè)置

試驗(yàn)前加入KNO3、NH4NO3、NaH2PO4和葡萄糖來人工模擬富營養(yǎng)化水體[7]，總氮、總磷濃度參照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中地表Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大10倍進(jìn)行配置，所配置的富營養(yǎng)化水初始濃度配比見表1。

表1 試驗(yàn)水體營養(yǎng)成分初始濃度配比

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水樣測(cè)試指標(biāo)和測(cè)試方法

1.2.2 試驗(yàn)植物采集和處理

2013年6月，從臨汾市汾河流域采集了蘆葦、藨草、薄荷3種濕生植物。采集過程中，注意不要損傷到植物根系，采集后用報(bào)紙或牛皮紙包裹植物莖段，避免植物倒伏、彎折，然后放入盛有水的桶內(nèi)[6]。

植物采回后，用自來水、蒸餾水沖洗根部泥土，洗凈后放入10%的Hoagland營養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)，一周換水一次。兩周后挑選大小一致、長勢(shì)良好的植株，將其植入試驗(yàn)桶中，每桶種植8株。向桶中澆灌蒸餾水2次，每次將水排空后再進(jìn)行第二次注水。最后，一次性向每個(gè)試驗(yàn)桶中注入5 L預(yù)先配好的富營養(yǎng)化水，并在桶外對(duì)液面劃線標(biāo)記。考慮到試驗(yàn)期間水分的蒸發(fā)和植物的蒸騰作用，適時(shí)向桶內(nèi)添加蒸餾水以保持水位不變[6]。

1.2.3 植物配植方式

將蘆葦、藨草、薄荷3種植物進(jìn)行組合搭配，共設(shè)4個(gè)組合，分別是: 蘆葦+藨草、蘆葦+薄荷、藨草+薄荷、蘆葦+藨草+薄荷。3種富營養(yǎng)化處理濃度下每個(gè)組合均設(shè)3個(gè)重復(fù)樣，共計(jì)36桶。試驗(yàn)從8月10日開始至9月14日結(jié)束，共計(jì)35 d。試驗(yàn)開始后每隔7d檢測(cè)一次水樣[6]。

1.2.4 去除率計(jì)算

污染物去除率計(jì)算公式為

式中：C0為測(cè)定初始時(shí)的污染物濃度，mg/L；Ci為測(cè)定第i天的污染物濃度，mg/L。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植物組合對(duì)輕度富營養(yǎng)化水體的凈化效果

表2 不同植物組合對(duì)輕度富營養(yǎng)化水體中污染物的去除率比較

注：表中的數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；同一行不同小寫字母表示差異顯著 (P<0.05)，相同字母表示差異不顯著(P≥0.05)，下同。

2.2 不同植物組合對(duì)中度富營養(yǎng)化水體的凈化效果

表3 不同植物組合對(duì)中度富營養(yǎng)化水體中污染物的去除率比較

2.3 不同植物組合對(duì)重度富營養(yǎng)化水體的凈化效果

表4 不同植物組合對(duì)重度富營養(yǎng)化水體中污染物的去除率比較

3 結(jié)論與討論

以上結(jié)果表明，蘆葦和藨草在每組配植方式中都有重要的作用。蘆葦對(duì)TN、TP的去除可能與其特有的通氣組織有關(guān)，研究表明植物可通過根系輸氧和根系微生物來影響污水中磷素的凈化[9]。蘆葦和藨草都具有根狀莖，其發(fā)達(dá)的根系表面覆蓋著一層生物膜，膜上含有很多的細(xì)菌和原生動(dòng)物等，分泌了大量的酶，加速了水體中大分子物質(zhì)的降解，使水質(zhì)得到有效凈化[10]。藨草的根狀莖在試驗(yàn)期間不斷分化出新的芽體，發(fā)育成完整的植株，使得試驗(yàn)種植密度增大，其突出的COD去除能力不排除這個(gè)原因。

表3、4表明，隨著水體富營養(yǎng)化程度的增加，4種植物組合的凈化效率均趨下降，但蘆葦+藨草+薄荷組合凈化效率下降最顯著，這可能是植物種間競(jìng)爭相互抑制所導(dǎo)致的。

不同植物在不同濃度的富營養(yǎng)化水體中有不同的凈化效果，并且外部環(huán)境也對(duì)植物生長發(fā)育和凈化效果有著不可忽視的影響[11]。在人工濕地的應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)地環(huán)境條件做出相應(yīng)的植物配植方式，以求達(dá)到最好的凈化效果，既能凈化水體，又能美化環(huán)境[12]。

[1] 夏曉方,鐘成華,劉潔,等.水生植物修復(fù)污染水體的研究進(jìn)展[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,28(4):398-400.

[2] 王文明,危建新,聶世輝,等.人工濕地生態(tài)技術(shù)及其應(yīng)用[J].四川環(huán)境,2013,32(3):106-110.

[3] 段素明,黃先飛,胡繼偉,等.人工濕地研究進(jìn)展[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(3):211-216.

[4] 楊俊鵬,王鐵良,范昊明,等.河流生態(tài)修復(fù)研究進(jìn)展[J].水土保持研究,2012,19(6):299-304.

[5] 郜瑩.哈爾濱市人工濕地植物凈污能力研究[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué),2012.

[6] 霍張麗.模擬人工濕地植物對(duì)富營養(yǎng)化水體的修復(fù)研究[D].臨汾：山西師范大學(xué),2014.

[7] 常會(huì)慶,王世華,徐曉峰,等.兩種水生植物對(duì)重富營養(yǎng)化水體修復(fù)效果研究[J].水土保持研究,2012,19(5):262-265.

[8] 國家環(huán)境保護(hù)總局,水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].第4版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002:104-280.

[9] 李曉東,孫鐵珩,李海波,等.人工濕地除磷研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2007,27(3):1226-1231.

[10] 劉盼,宋超,朱華,等.3種水生植物對(duì)富營養(yǎng)化水體的凈化作用研究[J].水生態(tài)學(xué)雜志,2011,32(3):69-73.

[11] 劉佳,劉永立.水生植物對(duì)水體中氮、磷的吸收與抑藻效應(yīng)的研究[J].核農(nóng)學(xué)報(bào),2007,21(4):393-396.

[12] 蔣躍平,葛瀅,岳春雷,等.人工濕地植物對(duì)觀賞水中氮磷去除的貢獻(xiàn)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2008,24(8):1720-1725.

(責(zé)任編輯 徐素霞)

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1000-0941(2015)01-0044-03

靳陽陽(1981—)，男，山西臨汾市人，工程師，主要從事水利科學(xué)研究工作。

2014-09-15