水生觀賞植物對城市污水的修復(fù)研究

曾小梅, 劉 鵬, 張曉斌

(1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江 金華 321007; 2.浙江師范大學(xué) 植物學(xué)實驗室, 浙江 金華 321004)

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水生觀賞植物對城市污水的修復(fù)研究

曾小梅1, 劉 鵬2, 張曉斌2

(1.金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江 金華 321007; 2.浙江師范大學(xué) 植物學(xué)實驗室, 浙江 金華 321004)

將黃花鳶尾、石菖蒲、菖蒲、千屈菜、澤瀉、玉帶草6種水生觀賞植物種植于模擬人工濕地系統(tǒng)中，對城市污水進行綠色修復(fù)研究。分別在第5天、第10天、第15天測定污水中總氮(TN)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、重金屬元素(Cr，Pb，Cd)的含量，研究水生觀賞植物對城市污水的處理效果和修復(fù)能力。結(jié)果表明：各植物系統(tǒng)對TN，TP，COD，BOD5以及重金屬Cr，Pb，Cd去除效率隨時間的推移逐漸上升，至第15天去除效率分別達(dá)88.1%，95.9%，90.6%，86.7%，78.1%，83.2%，91.4%以上。各植物系統(tǒng)對各種污染物的去除效率呈現(xiàn)一定差異，處理時間的不同對植物的修復(fù)效果也存在一定影響。6種水生觀賞植物中，綜合凈化能力以黃花鳶尾和石菖蒲最為突出，是值得推薦的城市污水修復(fù)植物。

水生觀賞植物; 城市污水; 植物修復(fù); 重金屬

隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，城市廢水中重金屬及營養(yǎng)元素N，P含量日益增加，重金屬污染和水體富營養(yǎng)化逐漸加劇。當(dāng)前廣泛使用的傳統(tǒng)處理方法在處理含重金屬廢水時存在成本高、反應(yīng)慢、易造成二次污染、低濃度廢水處理難等缺點[1]。而水體修復(fù)生態(tài)工程作為一種低耗、無破壞性的方法，可以較好地解決這個問題。據(jù)統(tǒng)計，近年來人工濕地處理污水的研究文獻不斷增加[2]。

水生植物是人工濕地系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，不同種類植物吸收污染物能力和根系泌氧性能也就不同?？梢岳靡恍┲参镙腿?、穩(wěn)定、降解水體污染物來達(dá)到降低污染水體的危險[3]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對濕地植物的研究大都集中于蘆葦(Phragmitesaustralis)、燈心草(Juncuseffusus)和香蒲(Typhaminima)等少數(shù)幾種植物，研究這些植物對污水中N、P、生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(COD)的去除效果，而較少涉及到具有較高市場開發(fā)前景的植物對污水的去除和利用水生觀賞植物處理城市污水中的重金屬。有研究表明一些水生觀賞植物如鳶尾(Irispseudacorus)、千屈菜(LythrumsalicariaL.)等對污水有較強的適應(yīng)性[4-5]；具有較大根系生物量的美人蕉(Cannaindica)凈化生活污水的效果及對污水中重金屬的綜合耐性均強于蘆葦[6-7]。水生觀賞植物萃取及積累重金屬的能力因種類不同而存在差異。如槐葉萍(Salvinianatans)可以在體內(nèi)專一地積累Hg[8]；而水萍(Spirodelapolyrhiza)和金魚藻(Ceratophyllumdemersum)則非專一地積累Cr，Mn，Cu，F(xiàn)e，Pb，Cd等多種重金屬[9]。對城市污水開展水生觀賞植物綜合修復(fù)研究，在探討水生觀賞植物在城市污水生物修復(fù)作用的同時，還可以帶來一定的經(jīng)濟效益，有助于環(huán)保事業(yè)的公益化和商業(yè)化。本試驗是在模擬人工濕地環(huán)境中進行，選取黃花鳶尾(Irispseudacorus)、石菖蒲(Acorusgramineus)、菖蒲(Acoruscalamus)、千屈菜、澤瀉(Alismaorientale)、玉帶草(Reinekeacarnea)6種水生觀賞植物凈化富營養(yǎng)化和低濃度重金屬污染的城市污水，為篩選去污能力強、又能產(chǎn)生一定經(jīng)濟效益的水生觀賞植物種類提供一定的參考，為水體污染的修復(fù)生態(tài)工程選取植物類型提供借鑒依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

以玉帶草、石菖蒲、澤瀉、菖蒲、黃花鳶尾、千屈菜6種水生觀賞植物為材料。選取苗高10～15 cm，生長穩(wěn)定、基本一致的植株，洗凈后放到直徑為20 cm，高為23 cm的塑料桶內(nèi)進行適應(yīng)性生長。用鹽酸把桶內(nèi)基質(zhì)(粗砂)浸泡12 h，然后用蒸餾水清洗5次后置于桶中，每桶粗砂高12 cm。用蒸餾水澆灌適應(yīng)性生長期的植物，維持水位高出粗砂8 cm。

試驗水樣取自金華某工廠出水口，水質(zhì)狀況劣于國家環(huán)保局制定的《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—88)的第V類水。表1為試驗期間進水的主要污染因子濃度。

表1 污水中主要污染指標(biāo)濃度

1.2 方 法

試驗分兩組進行：(1) 試驗組，栽培已備好的植物；(2) CK組，不栽培植物。試驗組中每組每個桶中放3棵植物，用于處理高于基質(zhì)8 cm的污水，每組試驗重復(fù)4次。在污水處理進行到第5天、第10天、第15天的時候，分別采樣測定。

按照國家環(huán)境保護局制定的標(biāo)準(zhǔn)方法：堿性過硫酸鉀氧化法測定水中TN，鉬酸銨分光光度法測定水中TP(GB11893—89)[10]；用島津生產(chǎn)的AA—670型原子吸收分光光度計測定污水中重金屬Cr，Pb，Cd；BOD5的測定選用江蘇江分電分析儀器有限公司生產(chǎn)的890型微機測定儀測定；COD的測定選用Hanna公司生產(chǎn)的化學(xué)耗氧量測定儀測定。

采用去除率作為凈化效果的指標(biāo)，去除率=(水樣初始值-采樣測定值)/水樣初始值×100%。采用植物貢獻率描述植物部分，植物貢獻率=(試驗組的去除率-CK的去除率)/CK組的去除率[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 水生觀賞植物對TN的凈化效果

在人工濕地中，去除總氮的主要途徑包括根系滯留、植物組織和根際微生物吸收、根系附近硝化與反硝化等作用，影響植物除氮效率的因素有床體結(jié)構(gòu)、污染類型、植物種類、氣候條件、水力停留時間、季節(jié)性溫度變化等[12]。由表2可以看出，不同時間處理下，各試驗植物對污水中的TN凈化效果不同。到第5天時，與CK組相比黃花鳶尾和石菖蒲達(dá)到了極顯著水平，玉帶草、菖蒲和澤瀉達(dá)到了顯著水平。到第10天時，試驗組與CK組都存在極顯著差異，其中以黃花鳶尾和石菖蒲的去除率最大，分別為91.6%，91.4%，表明這兩種植物去除N的能力較突出。到第15天，黃花鳶尾和石菖蒲仍然保持極顯著水平，玉帶草、澤瀉、菖蒲、千屈菜4種植物的凈化效果與CK組相比也均達(dá)到了顯著水平。可以看出，這6種植物都能適應(yīng)含氮污水，對TN的吸收凈化能力較強，且能保持長時間的去除效果，其中以石菖蒲和黃花鳶尾的去除效果最好。

有植物系統(tǒng)對TN的去除率明顯高于無植物系統(tǒng)，一方面是因為植物通過中空的莖對根系附近區(qū)域充氧，依次形成好氧、兼氧和厭氧微區(qū)，這樣在相近區(qū)域同時存在硝化和反硝化環(huán)境，使整個脫氮過程順利進行；而在無植物系統(tǒng)中，鄰近區(qū)域基本上是單一的厭氧或好氧環(huán)境，硝化產(chǎn)物不能很快地傳遞到厭氧區(qū)進行反硝化脫氨，故總體的除氮能力不如有植物系統(tǒng)[13]。另一方面，有植物系統(tǒng)還可通過植物生長過程中對N的攝取來去除污水中的N。但總的來說植物攝取N的量在系統(tǒng)除氮過程中所占比重不大，系統(tǒng)對N的去除主要是靠微生物的作用[14]。

表2 各種植物在不同時間對污水中TN的去除率 %

注：*表示差異顯著(0.01

2.2 水生觀賞植物對TP的凈化效果

由表3可見，各種植物對污水中總磷的凈化效果的動態(tài)變化類似于總氮，都是隨時間延長凈化效果呈上升趨勢。到第5天時黃花鳶尾處理效果最好，與CK相比其去除率達(dá)到了極顯著水平，是CK組的166.73%。到第10天時，各植物的TP去除率與對照相比均達(dá)到顯著性差異水平。到第15天，6種植物對污水中TP的去除率接近極值，TP的濃度基本平衡，每組試驗TP的去除率超過了95%，其中黃花鳶尾效果最明顯，去除率高達(dá)98.5%；跟總氮相比，6種植物對總磷的適應(yīng)力更強，凈化效果更好，周期更短。6種植物中黃花鳶尾對TP的適應(yīng)和凈化能力最強，石菖蒲第二。

表3 各種植物在不同時間對污水中TP的去除率 %

研究表明，在人工濕地中，磷素的去除主要依靠基質(zhì)的吸附、沉淀、水生觀賞植物的吸收及微生物的同化等作用[15]。在我們的研究中，濕地系統(tǒng)顯示了很高的去磷效率。經(jīng)推測，這一結(jié)果可能與下面幾方面有關(guān)：一方面，金屬離子與水體中的磷結(jié)合形成穩(wěn)定的化合物[16]，促進基質(zhì)除磷能力增強。另一方面，P既能被植物吸收也能被根系微生物同化。多種營養(yǎng)物質(zhì)(包含P在內(nèi))的遷移是由于水生植物根系具有強大的吸附能力。黃花鳶尾和石菖蒲在試驗期間地上部分長勢較茂盛，根系較其他植物發(fā)達(dá)，因此在TN，TP的凈化效率上占據(jù)一定優(yōu)勢。

2.3 水生觀賞植物對BOD5，COD的凈化效果

由表4可以看出，栽培植物試驗組的BOD5，COD去除率都超過CK組。到第5天，CK組和試驗組對BOD5的去除率差異不明顯，只有石菖蒲、菖蒲和黃花鳶尾達(dá)到顯著性差異；到第10天時，6種植物對BOD5的去除效果均較好，與CK組都呈現(xiàn)出顯著差異；到第15天時，試驗組植物的BOD5去除率與CK相比，增加10.8%以上，達(dá)到極顯著水平，尤其是黃花鳶尾和石菖蒲效果非常明顯。6種植物到第5天時對COD的去除率差異亦不明顯，到第10天、第15天時，6種植物對COD的去除效果較好，與CK組都呈現(xiàn)出極顯著差異，其中黃花鳶尾和石菖蒲分別高達(dá)92.0%，91.2%，其他4種植物對COD的去除率相當(dāng)。

濕地對有機污染物有較強的降解能力。城市污水中所含的可溶性有機物通過植物根系生物膜的吸附、吸收及生物降解過程被分解去除；不溶性有機物可通過沉淀過濾作用被濕地截流下來后，既可以通過好氧微生物進行降解，也通過厭氧微生物進行降解，主要取決于基質(zhì)中O2濃度[17]。而氧氣可以通過水生觀賞植物的中空導(dǎo)管從葉向根系輸送至根際，促進了好氧微生物對濕地中有機物的降解。石菖蒲和黃花鳶尾等水生觀賞植物的葉結(jié)構(gòu)中空，具有大量的導(dǎo)管，使植物在濕地有機污染物去除方面的重要作用得到了很好的印證。

表4 各種植物在不同時間對污水中BOD5，COD的去除率 %

2.4 時間對各植物吸收營養(yǎng)元素及凈化有機物效率的影響

各植物系統(tǒng)對TN，TP，COD，BOD5的去除效率隨時間的推移逐漸上升，但植物對凈化富營養(yǎng)污染物各污染物能力的變化卻并不完全如此(圖1)。本試驗以植物貢獻率的變化來反映不同處理時間對植物吸收營養(yǎng)元素和凈化有機污染物效率的影響。對TN，COD，BOD5而言，玉帶草、石菖蒲、澤瀉、菖蒲、黃花鳶尾、千屈菜6種植物的貢獻率都隨時間出現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象。此結(jié)果表明，一定濃度的污染物對植物存在一定的毒害作用，但是經(jīng)過一段的適應(yīng)期，植物的凈化能力也隨之提高，經(jīng)過10 d凈化后，水樣中污染物的濃度會明顯下降。

但TP的去除是到第5天時6種植物的貢獻率都達(dá)到最大，且明顯高于對其他污染物的去除效率。說明濃度在較大程度上影響水生觀賞植物去磷效果，同時也體現(xiàn)了水生觀賞植物能快速凈化修復(fù)中低濃度磷的污染。

圖1 各種植物在不同時間的植物貢獻率

2.5 水生觀賞植物對重金屬的去除效果

由圖2可以看出，6種植物對重金屬Cr，Pb，Cd的去除均有一定效果，但6種植物對3種重金屬的去除效率存在明顯差異。對Cr的去除效率為黃花鳶尾>菖蒲>石菖蒲>千屈菜>玉帶草>澤瀉，對Pb的去除效率黃花鳶尾>石菖蒲>菖蒲>千屈菜>澤瀉>玉帶草，對Cd的去除效率千屈菜>玉帶草>黃花鳶尾>石菖蒲>澤瀉>菖蒲。6種植物中，對重金屬Cr，Pb，Cd的去除效果都較高的是黃花鳶尾，與CK組相比分別高24.6%，21.3%，14.3%，去除能力為Cd

本試驗所用的水生觀賞植物對污水中低含量的Cr，Pb，Cd的凈化具有顯著效果，盡管高濃度的Cr，Pb，Cd都被證實能夠阻礙植物的生長和發(fā)育[18-19]。重金屬污染的植物修復(fù)凈化主要有植物穩(wěn)定、植物萃取、植物轉(zhuǎn)化、植物揮發(fā)、植物過濾等作用[20]。其中，植物萃取在重金屬凈化中的作用相對較弱[21]，而植物能為重金屬提供沉降位點，因此穩(wěn)定作用可能是關(guān)鍵作用之一[22]。另外，Mitsch[22]，Raskin[23]等認(rèn)為，植物濾過也稱根際過濾，是利用植物修復(fù)技術(shù)凈化污染水體中重金屬過程中最為重要的作用。另一方面，供試6種水生觀賞植物對重金屬凈化效果間存在顯著差異，其原因除植物長勢的不同之外，可能還包括植物對濕地生態(tài)環(huán)境中不同離子的選擇和排斥機理等，深入研究仍有待開展。

注：*表示差異顯著(p<0.05)，**表示差異極顯著(p<0.01)，顯著性差異經(jīng)LSD檢驗。

圖2 第15天各種植物對重金屬的總?cè)コ?/p>

3 結(jié) 論

玉帶草、石菖蒲、澤瀉、菖蒲、黃花鳶尾、千屈菜6種水生觀賞植物都能適應(yīng)含氮污水，對水體中TN的修復(fù)凈化效果較好，且能保持長時間的去除效果。跟TN相比，6種植物對TP的適應(yīng)力更強，凈化效果更好，去除時間更短。6種植物對COD，BOD5去除率存在一定差異。其中石菖蒲、黃花鳶尾對TN，TP，COD，BOD5的去除效果非常明顯，達(dá)到極顯著水平。

停留時間影響水生觀賞植物修復(fù)凈化污染物的效果，且隨污染物類型及濃度不同而發(fā)生變化。對BOD5，COD，TN來說，6種植物其貢獻率均呈現(xiàn)出隨停留時間的延長先上升后下降。但是對總磷的去除效果，6種植物都是在第5天達(dá)到最大貢獻率，且對TP的貢獻率明顯高于其他污染物。

6種植物對重金屬Cr，Pb，Cd均有一定的凈化效果，但是對3種重金屬的去除效率存在明顯差異。黃花鳶尾對3種重金屬的去除率較高，石菖蒲和菖蒲對這3種重金屬的去除也具有顯著效果。

黃花鳶尾和石菖蒲為非專一性積累水生觀賞植物，能有效地修復(fù)凈化中低濃度廢水。因此，推薦黃花鳶尾和石菖蒲作為城市污水修復(fù)植物。

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Phytoremediation of Urban Wastewater by Ornamental Hydrophytes

ZENG Xiaomei1, LIU Peng2, ZHANG Xiaobin2

(1.JinhuaPolytechnic,Jinhua,Zhejiang321007,China;2.KeyLaboratoryofBotany,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua,Zhejiang321004,China)

Based on the constructed wetland systems simulated withIrispseudacorus,Acorusgramineus,Acoruscalamus,Lythrumsalicaria,AlismaorientaleandReinekeacarnea, the study on the phytoremediation effect of urban wastewater was carried out. We determined TN, TP, COD, BOD5and heavy metals (Cr, Pb, Cd) on the 5th day, 10th day and 15th day, and investigated the phytoremediation effect of urban wastewater. Results indicated that scavenging efficiency of all treating-systems to TN, TP, COD, BOD5and heavy metals (Cr, Pb, Cd) in the wastewater increased gradually over time, which were above 88.1%, 95.9%, 90.6%, 86.7%, 78.1%, 83.2% and 91.4%, respectively, on the 15th day. This was mainly caused by differences in plant physiological structures and functions, while components in the wastewater also affected the phytoremediation. On the other hand, abilities of plants to scavenge nutrients varied in different treating time. In view of either scavenging efficiency or contribution of plants than other plants,AcorusgramineusandIrispseudacorusare good species for bio-remediation of composite-polluted water such as urban wastewater.

ornamental hydrophytes; urban wastewater; phytoremediation; heavy metal

2014-04-25

2014-10-08

浙江省教育廳高等學(xué)校訪問學(xué)者專業(yè)發(fā)展項目(FX2014137)

曾小梅(1980—),女,湖南邵陽人,碩士,講師,工程師,主要從事環(huán)境污染與治理研究。E-mail:xmzeng@126.com

Q945.17; X703; X173

1005-3409(2015)05-0349-05