4種沉水植物對(duì)再生水中氮磷的去除速率和耐受范圍

徐志嬙，劉 維，蘇振鐸，高 楊

(1 西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710048；2 西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710003)

4種沉水植物對(duì)再生水中氮磷的去除速率和耐受范圍

徐志嬙1，劉 維2，蘇振鐸1，高 楊1

(1 西安理工大學(xué) 西北水資源與環(huán)境生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710048；2 西北綜合勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安710003)

【目的】 研究4種沉水植物對(duì)再生水中氮、磷的去除速率和耐受范圍，為以再生水作為補(bǔ)水的景觀水體沉水植物的選擇提供依據(jù)?！痉椒ā?以野外選取的伊樂(lè)藻(Elodeacanadensis)、羅氏輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)、菹草(Potamogetoncrispus)和金魚(yú)藻(Ceratophyllumdemersum)4種沉水植物作為供試材料，設(shè)置含不同質(zhì)量濃度TN和TP的再生水，測(cè)定有這4種沉水植物的再生水體中TN和TP質(zhì)量濃度的變化，構(gòu)建TN和TP質(zhì)量濃度與培養(yǎng)時(shí)間的回歸方程，并在回歸方程的基礎(chǔ)上，研究4種沉水植物對(duì)再生水中的氮、磷的去除規(guī)律。【結(jié)果】 在有4種沉水植物的再生水體中，TN和TP質(zhì)量濃度均隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)呈負(fù)指數(shù)衰減變化，沉水植物的凈化能力不僅與其種類有關(guān)，而且與TN和TP初始質(zhì)量濃度相關(guān)。羅氏輪葉黑藻對(duì)TN的去除能力最強(qiáng)，金魚(yú)藻最低；伊樂(lè)藻對(duì)TP的去除能力最強(qiáng)，金魚(yú)藻最小。菹草對(duì)氮素的耐受范圍較寬，金魚(yú)藻最窄；伊樂(lè)藻對(duì)磷素的耐受范圍最寬，金魚(yú)藻較窄?！窘Y(jié)論】 當(dāng)再生水體中TN初始質(zhì)量濃度為5～15 mg/L、TP初始質(zhì)量濃度為0.5～1.5 mg/L時(shí)，羅氏輪葉黑藻和伊樂(lè)藻對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的去除速率較高，可作為維持和改善再生水景觀水體水質(zhì)的先鋒植物。

沉水植物；再生水；去除速率；耐受范圍

對(duì)于水資源嚴(yán)重短缺和水污染嚴(yán)重的我國(guó)西部城市而言，再生水回用于城市景觀環(huán)境已成為污水再生利用的首選[1]，但目前我國(guó)再生水深度處理工藝普遍對(duì)氮磷的去除效果有限，加之我國(guó)《城市污水再生利用 景觀娛樂(lè)用水水質(zhì)》(GB/T 18921-2002)對(duì)氮磷質(zhì)量濃度要求偏低(TN≤15 mg/L、NH3-N≤5 mg/L、TP≤0.5～1.0 mg/L)，與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中對(duì)Ⅴ類水體水質(zhì)(TN≤2 mg/L、NH3-N≤2 mg/L、TP≤0.2 mg/L)相比仍有較大差距。所以，以再生水補(bǔ)水的景觀水體比天然湖泊更易發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題。

研究表明，沉水植物在抑制藻類生長(zhǎng)、促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)沉積、穩(wěn)定沉積物、降低水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量等方面起到了重要作用[2-8]。由于沉水植物的存在，其促進(jìn)了再生水景觀水體中氮的降解及氧化還原分解，而磷的去除則主要通過(guò)化學(xué)沉淀及基質(zhì)吸附作用[9]。在低溫條件下，沉水植物對(duì)再生水中氮磷的去除效果良好，尤其是羅氏輪葉黑藻對(duì)水中磷的凈化效果突出[10-12]；伊樂(lè)藻和輪葉黑藻對(duì)再生水水質(zhì)具有良好的改善作用，可使水體中葉綠素a 的質(zhì)量濃度維持在20 μg/L左右，對(duì)藻類生長(zhǎng)具有較好的抑制作用[13-14]，但有關(guān)沉水植物對(duì)再生水景觀水體營(yíng)養(yǎng)鹽的降解速率及耐受極限濃度方面的研究還較少。本研究選取了 4 種沉水植物，通過(guò)模擬試驗(yàn)和數(shù)據(jù)的回歸分析，獲得TN和TP質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)方程，以確定植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽去除的極限質(zhì)量濃度，旨在為再生水景觀水體生態(tài)治理過(guò)程中植物類型的合理選擇提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

在野外選取伊樂(lè)藻(Elodeacanadensis)、羅氏輪葉黑藻(Hydrillaverticillata)、菹草(Potamogetoncrispus)和金魚(yú)藻(Ceratophyllumdemersum)等4種沉水植物，并在試驗(yàn)場(chǎng)塑料桶(底部直徑×高=40 cm×72 cm)中培養(yǎng)15 d，在培養(yǎng)期間向水中加入微生物抑制劑C16H18NaN3O4S (MERCK)100 mg/L以排除微生物的影響[15]。從中挑選長(zhǎng)度一致的健壯植株移植到5 mm厚的無(wú)機(jī)玻璃缸(長(zhǎng)×寬×高=50 cm×40 cm×50 cm)中。在每個(gè)玻璃缸底部鋪設(shè)經(jīng)人工碾磨后的7 cm厚的土壤，同時(shí)，為防止底泥懸浮，在土壤層上部鋪設(shè)2 cm厚的細(xì)沙和1 cm厚的礫石(粒徑5 mm)。

1.2 試驗(yàn)方法

當(dāng)沉水植物種植1周后，從2012-07開(kāi)始進(jìn)行為期45 d的試驗(yàn)。為準(zhǔn)確地研究沉水植物對(duì)再生水中氮、磷的降解規(guī)律，試驗(yàn)有針對(duì)性地設(shè)置了不同質(zhì)量濃度TP值，分別是:TP=0.1～0.3 mg/L (西安市某以再生水作為補(bǔ)水的景觀水體TP實(shí)測(cè)值)[13]， TP=0.5 mg/L (《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921-2002)中對(duì)湖泊類和水景類水體中TP質(zhì)量濃度要求臨界值)，TP=1.0 mg/L (《城市污水再生利用 景觀環(huán)境用水水質(zhì)》中對(duì)河道類水體中TP質(zhì)量濃度要求臨界值)，TP=1.5 mg/L (《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002) 中對(duì)一級(jí)B類水體中TP質(zhì)量濃度要求臨界值)。

同時(shí)按照對(duì)應(yīng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分別選擇15和20 mg/L TN及景觀水體實(shí)測(cè)TN質(zhì)量濃度作為TN的初始質(zhì)量濃度。根據(jù)所確定的TN、TP質(zhì)量濃度，試驗(yàn)過(guò)程中的氮磷比控制在 10∶1～50∶1。在每種沉水植物中均設(shè)置8個(gè)初始營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度(最后以實(shí)際測(cè)定值計(jì)算)，每組試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)平行樣。

每隔3 d取樣監(jiān)測(cè)1次，TN質(zhì)量濃度采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，TP質(zhì)量濃度采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。每次取樣時(shí)，以自來(lái)水補(bǔ)充蒸發(fā)、蒸騰作用所損耗的水量。7月試驗(yàn)溫度25.1～30.3 ℃，平均溫度27.56 ℃；8月試驗(yàn)溫度19.6～29.7 ℃，平均溫度24.77 ℃。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖，采用PASW Statistics 18進(jìn)行單因素方差分析，采用單側(cè)t檢驗(yàn)法對(duì)組間數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析及雙變量相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種沉水植物體系的TN-t曲線

利用試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)不同沉水植物下水體中TN、TP質(zhì)量濃度與培養(yǎng)時(shí)間關(guān)系進(jìn)行回歸分析，可得出每種沉水植物對(duì)TN、TP質(zhì)量濃度降解的回歸方程：

y=ae-bt(a>0，b>0)。

(1)

式中：y為水體中的TN或TP質(zhì)量濃度， mg/L；t為培養(yǎng)時(shí)間，d；a、b為反映各植物凈化能力的系數(shù)，其中b值的大小反映各植物物種去除氮、磷能力的差異，b值越大，植物去除氮、磷能力越強(qiáng)[16]。

根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，利用公式(1)分別對(duì)羅氏輪葉黑藻、伊樂(lè)藻、菹草、金魚(yú)藻等4種沉水植物體系中TN質(zhì)量濃度與培養(yǎng)時(shí)間(t)關(guān)系進(jìn)行回歸分析，可得到4種沉水植物的TN-t回歸方程式。再分別對(duì)4種沉水植物體系TN-t回歸方程中的系數(shù)a和b與TN初始質(zhì)量濃度關(guān)系進(jìn)行回歸分析，可得到系數(shù)a、b與TN初始質(zhì)量濃度之間的相關(guān)性分布曲線(圖1～4)。由圖1～4可見(jiàn)，4種植物體系中的a均隨TN初始質(zhì)量濃度的增大而呈線性增加，而b隨TN初始質(zhì)量濃度的增加而呈二次多項(xiàng)式(拋物線函數(shù))分布。

圖1 羅氏輪葉黑藻植物體系中TN-t回歸方程系數(shù)a、b值與TN初始質(zhì)量濃度(C0)的相關(guān)性Fig.1 Correlation of TN-t regression equation coefficients a or b and TN initial concentration (C0) for Hydrilla verticillata

圖2 伊樂(lè)藻植物體系中TN-t回歸方程系數(shù)a、b值與TN初始質(zhì)量濃度(C0)的相關(guān)性
Fig.2 Correlation of TN-tregression equation coefficientaorband TN initial concentration (C0) forElodeacanadensis

由圖1～4還可以看出，系數(shù)a、b值與水體TN初始質(zhì)量濃度間均存在顯著的相關(guān)性，根據(jù)公式(1)和圖1～4中的回歸式，可分別求出4種沉水植物體系的TN-t回歸方程表達(dá)式(表1)。

圖3 菹草植物體系中TN-t回歸方程系數(shù)a、b值與TN初始質(zhì)量濃度(C0)的相關(guān)性Fig.3 Correlation of TN-t regression equation coefficient a or b and TN initial concentration (C0) for Potamogeton crispus

圖4 金魚(yú)藻植物體系中TN-t回歸方程系數(shù)a、b值與TN初始質(zhì)量濃度(C0)的相關(guān)性Fig.4 Correlation of TN-t regression equation coefficient a or b and TN initial concentration (C0) for Ceratophyllum demersum

表1 4種沉水植物體系的TN-t回歸方程表達(dá)式Table 1 TN-t regression equations of 4 submerged plants

注：y為水體中TN質(zhì)量濃度，C0為水體中TN初始質(zhì)量濃度，t為培養(yǎng)時(shí)間。

Note:y,C0andtdenote total nitrogen (TN),TN initial concentration of water system and time,respectively.

2.2 4種沉水植物體系的TP-t曲線

同樣利用公式(1)分別對(duì)4種沉水植物體系中的TP質(zhì)量濃度與培養(yǎng)時(shí)間(t)關(guān)系進(jìn)行回歸分析，可得到沉水植物的TP-t回歸方程式，再分別對(duì)回歸方程式中的系數(shù)a、b與TP初始質(zhì)量濃度進(jìn)行回歸分析，可得到系數(shù)a、b與TP初始質(zhì)量濃度的相關(guān)分布曲線(圖5～8)。由圖5～8可以看出，在4種沉水植物體系中，a、b值分別與水體TP初始質(zhì)量濃度密切相關(guān)，且a隨TP初始質(zhì)量濃度的增大而呈線性增加，b隨TP初始質(zhì)量濃度的增加而呈二次多項(xiàng)式(拋物線函數(shù))分布。若設(shè)TP初始質(zhì)量濃度為C0′，根據(jù)公式(1)，可分別得出4種沉水植物體系的TP-t回歸方程表達(dá)式(表2)。

2.3 4種沉水植物體系耐營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度的確定

2.3.1 耐氮素質(zhì)量濃度的確定 由前述可知，在沉水植物降解水體氮素的曲線回歸方程中，b值的大小不僅反映了沉水植物對(duì)氮素去除速率的大小，同時(shí)還與沉水植物類型有關(guān)。由于b值與TN初始質(zhì)量濃度呈二次多項(xiàng)式(拋物線函數(shù))分布，拋物線必然存在一個(gè)極值點(diǎn)，可用bmax表示。bmax的大小可反映沉水植物去除水體中TN的最大速率，拋物線的跨度大小反映沉水植物耐TN質(zhì)量濃度的范圍。據(jù)此可確定出不同沉水植物去除水體中TN的最大速率和耐TN質(zhì)量濃度的范圍。

圖5 羅氏輪葉黑藻植物體系TP-t回歸方程系數(shù)a、b值與TP初始質(zhì)量濃度的相關(guān)性 Fig.5 Correlation of TP-t regression equation coefficient a or b and TP initial concentration for Hydrilla verticillata

圖6 伊樂(lè)藻植物體系TP-t回歸方程系數(shù)a、b值與TP初始質(zhì)量濃度的相關(guān)性Fig.6 Correlation of TP-t regression equation coefficient a or b and TP initial concentrationfor Elodea canadensis

圖7 菹草植物體系TP-t回歸方程系數(shù)a、b值與TP初始質(zhì)量濃度的相關(guān)性Fig.7 Correlation of TP-t regression equation coefficient a or b and TP initial concentration for Potamogeton crispus

根據(jù)羅氏輪葉黑藻、伊樂(lè)藻、菹草和金魚(yú)藻等4種沉水植物TN-t回歸方程，采用二次多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)b值與TN初始質(zhì)量濃度關(guān)系做圖，結(jié)果見(jiàn)圖9。由圖9可知，當(dāng)TN的初始質(zhì)量濃度(C0)達(dá)一定值時(shí)，沉水植物對(duì)TN存在一個(gè)最大去除速率，可用bmax表示。當(dāng)TN的初始質(zhì)量濃度(C0)為10.76 mg/L時(shí)，羅氏輪葉黑藻對(duì)TN的去除速率最大，bmax為0.150；當(dāng)C0為8.75 mg/L時(shí)，伊樂(lè)藻的去除速率最大，bmax為0.113；當(dāng)C0為12.00 mg/L時(shí)，菹草的去除速率最大，bmax為0.114；當(dāng)C0為11.11 mg/L時(shí)，金魚(yú)藻的去除速率最大，bmax為0.084。由此可見(jiàn)，羅氏輪葉黑藻對(duì)TN的去除速率最高，金魚(yú)藻最低。

圖8 金魚(yú)藻植物體系TP-t回歸方程系數(shù)a、b值與TP初始質(zhì)量濃度的相關(guān)性Fig.8 Correlation of TP-t regression equation coefficient a or b and TP initial concentrationfor Ceratophyllum demersum

表2 4種沉水植物體系的TP-t回歸方程表達(dá)式Table 2 TP-t regression equations of 4 submerged plants

由圖9還可知，隨著TN初始質(zhì)量濃度的增加，b值呈先升高后降低的趨勢(shì)，其中當(dāng)水體中TN質(zhì)量濃度為5～17 mg/L時(shí)，羅氏輪葉黑藻的b值總體高于其他沉水植物，表明羅氏輪葉黑藻對(duì)TN初始質(zhì)量濃度為5～17 mg/L的中等濃度富營(yíng)養(yǎng)化水體具有較好的凈化效果，且降解速率較高；在TN初始質(zhì)量濃度為0～25 mg/L的水體中，菹草對(duì)TN均具有較高的去除速率，表明其對(duì)TN的耐受范圍較寬；當(dāng)TN初始質(zhì)量濃度為0～8.75 mg/L時(shí)，伊樂(lè)藻對(duì)TN的降解速率較快，但當(dāng)TN初始質(zhì)量濃度超過(guò)8.75 mg/L時(shí)，伊樂(lè)藻對(duì)TN的降解速率迅速降低；金魚(yú)藻對(duì)TN的降解能力與其他植物相比最差，但對(duì)一定范圍質(zhì)量濃度的TN有耐受能力。從對(duì)TN的耐受范圍來(lái)看，菹草耐TN質(zhì)量濃度的范圍最寬，金魚(yú)藻最窄。

2.3.2 耐磷素質(zhì)量濃度的確定 根據(jù)羅氏輪葉黑藻、伊樂(lè)藻、菹草和金魚(yú)藻等4種沉水植物TP-t回歸方程，采用二次多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)b值與TP初始質(zhì)量濃度關(guān)系做圖，結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖9 4種沉水植物凈化系數(shù)b值與水體中TN初始質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.9 Correlation of regression equation coefficient b and TN initial concentrations for submerged plants

圖10 4種沉水植物凈化系數(shù)b值與水體中TP初始質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.10 Correlation of regression equation coefficient b and TP initial concentrations for 4 submerged plants

由圖10可知， 4種沉水植物對(duì)TP的去除速率由高至低依次為伊樂(lè)藻>羅氏輪葉黑藻>菹草>金魚(yú)藻。從沉水植物耐TP質(zhì)量濃度的范圍來(lái)看，伊樂(lè)藻耐TP質(zhì)量濃度的范圍最寬，金魚(yú)藻較窄。綜上所述， 4種沉水植物中，除金魚(yú)藻去除能力較弱外，其余3種沉水植物對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽均具有較好的去除能力。當(dāng)水體中TN初始質(zhì)量濃度為5～15 mg/L、 TP初始質(zhì)量濃度為0.5～1.5 mg/L時(shí)，羅氏輪葉黑藻和伊樂(lè)藻對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的去除速率相對(duì)較高，可作為以再生水為補(bǔ)水的景觀水體先鋒植物。

3 結(jié) 論

1)在有羅氏輪葉黑藻、伊樂(lè)藻、菹草、金魚(yú)藻等4種沉水植物的再生水體中，TN和TP初始質(zhì)量濃度(y)隨培養(yǎng)時(shí)間(t)的延長(zhǎng)呈負(fù)指數(shù)衰減變化，變化規(guī)律符合動(dòng)力學(xué)方程y=ae-bt的表達(dá)形式，其中a、b為反映植物凈化能力的系數(shù)。

2)沉水植物體系的TN-t和TP-t回歸方程中的凈化系數(shù)a和b值不僅與沉水植物種類有關(guān)，而且與TN、TP初始質(zhì)量濃度相關(guān)。a值隨TN、TP初始質(zhì)量濃度的增大而呈線性增加，而b值隨TN、TP初始質(zhì)量濃度的增大而呈二次多項(xiàng)式(拋物線函數(shù))分布。

3)根據(jù)沉水植物體系的b值與TN、TP初始質(zhì)量濃度繪制的拋物曲線，確定了沉水植物去除水體中TN、TP的最大速率以及對(duì)TN、TP質(zhì)量濃度的耐受范圍，結(jié)果表明，羅氏輪葉黑藻對(duì)TN的去除速率最高，金魚(yú)藻最低；菹草在高、中、低濃度富營(yíng)養(yǎng)化水體中對(duì)TN均具有較快的去除速率，對(duì)TN的耐受范圍較寬，金魚(yú)藻藻較窄。伊樂(lè)藻對(duì)TP質(zhì)量濃度的降解速率最大，金魚(yú)藻最小；伊樂(lè)藻對(duì)TP質(zhì)量濃度的耐受范圍最寬，金魚(yú)藻較窄。當(dāng)水體中TN質(zhì)量濃度為5～15 mg/L、TP質(zhì)量濃度為0.5～1.5 mg/L時(shí)，羅氏輪葉黑藻和伊樂(lè)藻對(duì)氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽的去除速率均相對(duì)較高。

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Removal and tolerance of 4 submerged plants to nitrogen and phosphorus in reclaimed water

XU Zhi-qiang1,LIU Wei2,SU Zhen-duo1,GAO Yang1

(1KeyLaboratoryofNorthwestWaterResourceandEnvironmentEcologyofMinistryofEducation,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an,Shaanxi710048,China;2NorthwestResearchInstituteofEngineeringInvestigationandDesign,Xi’an,Shaanxi710003,China)

【Objective】 Nitrogen and phosphorus removal rates and tolerances of 4 submerged plants were studied to provide basis for selection of plants growing in landscape reservoirs supplied with reclaimed water.【Method】Hydrillaverticillata,Elodeacanadensis,PotamogetoncrispusandCeratophyllumdemersumwere planted in reclaimed water with different total nitrogen (TN) and total phosphorus(TP) concentrations.TN and TP were measured during the experiment and regression equations between concentrations of TN and TP with time were established.Then,the removal of nitrogen and phosphorus was studied.【Result】 TN and TP dissipated as the increase of plants planting time with negative exponent relationship.The capacity of plants purification is associated with not only plant species but also the TN and TP initial concentration.Hydrillaverticillatahad the highest TN removal rate in reclaimed water whileCeratophyllumdemersumIhad the lowest.Elodeacanadensishad the highest TP removal rate,whileCeratophyllumdemersumhad the lowest.Potamogetoncrispushad the widest nitrogen tolerance whileCeratophyllumdemersumhad the narrowest.Elodeacanadensishad the widest phosphorus tolerance whileCeratophyllumdemersumhad the narrowest.【Conclusion】 When TN concentration was 5-15 mg/L and TP concentration was 0.5-1.5 mg/L,HydrillaverticillataandElodeacanadensishad high removal rates and they can be chosen as pioneer plants to improve water quality of landscape lakes supplied with reclaimed water.

submerged plant;reclaimed water;removal rate;tolerance range

2014-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51178391)；陜西省水利科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013-09)；陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012JQ7025)

徐志嬙(1969-)，女，重慶人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事水生態(tài)修復(fù)與污水處理技術(shù)研究。 E-mail：xuzhiqiang@xaut.edu.cn

時(shí)間:2015-06-30 13:47

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.08.015

X173

A

1671-9387(2015)08-0181-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150630.1347.015.html