黑藻對城市河道水質的凈化效果

邵霞珍，郭思巖，王　穎.甘肅省國土資源規(guī)劃研究院，甘肅蘭州730000 .西安理工大學水利水電學院，陜西西安70048

黑藻對城市河道水質的凈化效果

邵霞珍1，郭思巖1，王穎2
1.甘肅省國土資源規(guī)劃研究院，甘肅蘭州730000 2.西安理工大學水利水電學院，陜西西安710048

采用模擬試驗研究了黑藻對城市河道水質的凈化效果。結果表明，與靜水狀態(tài)相比，在流速為1.74 cm/s的動水條件下，黑藻對NH3-N、TP和CODCr的凈化均有優(yōu)勢，平均去除率為92.03%、83.08%和74.04%；根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》要求，試驗結束后，地表水質可由原Ⅴ類水凈化為Ⅲ類水；動水組黑藻平均生物量大于靜水組。說明黑藻在較低流速的水環(huán)境中生長情況好于靜水條件，并且凈化作用更優(yōu)。

黑藻；城市河道；氮磷；去除率

SHAO X Z，GUO S Y，WANG Y.Simulation test of purification effect of Hydrilla verticillata in Urban Rivers［J］.Journal of Environmental Engineering Technology，2015，5（2）：149-154.

邵霞珍，郭思巖，王穎.黑藻對城市河道水質的凈化效果［J］.環(huán)境工程技術學報，2015，5（2）：149-154.

近幾十年以來，隨著工業(yè)技術的快速發(fā)展，河流作為重要的水源地發(fā)揮了極其重要的作用，尤其是城市河道。但是人類為了滿足自身的需要，不顧河道的生態(tài)平衡和健康發(fā)展，大量未達標的污水排進河道，對城市河道產生嚴重污染［1-2］。利用水生植物凈化水體是近年來的熱點研究，水生植物對受污水體的凈化不僅具有環(huán)境相容性，無其他污染，滿足對環(huán)境的觀賞性，而且還會帶來經濟利益，具有低能耗、低投資的優(yōu)點［3］。因此利用水生植物凈化水體備受關注，尤其是沉水植物在污水處理、環(huán)境保護等方面的應用［4］得到普遍重視。研究發(fā)現(xiàn)，通常情況下水生植物中凈化能力最強的是沉水植物和漂浮植物［5］，浮葉植物次之，挺水植物居后。沉水植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的有機組成部分，具有較強的水質改善功能［6-10］。黑藻也稱輪葉黑藻，屬于水鱉科黑藻屬植物，為多年生沉水植物，輪葉黑藻有很廣泛的生存范圍，且適應能力和富集能力強，是凈化污水的理想植物，其能在水體中形成巨大的“水下森林”，對水生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的穩(wěn)定具有重要作用［11］。許多學者對黑藻凈化污水機制及凈化效果進行了大量研究，如李國新等［12］研究了黑藻對重金屬鉛的吸附特征及生物吸附機理，發(fā)現(xiàn)黑藻對鉛有著較快的吸附能力，其吸附屬于單層吸附。但是對黑藻在流動水體中凈化機制及效果的研究相對較少。

筆者利用水循環(huán)系統(tǒng)模擬城市河道，研究在動水和靜水條件下沉水植物黑藻對城市河道的凈化作用，以期為黑藻凈化城市河道水質提供理論基礎和實踐措施。

1　方法與材料

1.1試驗裝置

動水試驗裝置為2.5 m×0.4 m×0.5 m（長×寬×高）的鋼化玻璃水槽，水槽的水循環(huán)系統(tǒng)由105 W的水陸兩用泵及長3 m的塑料軟管構成，水槽頂部由溢流堰控制水位；靜水試驗裝置為50 cm×37 cm×26 cm的4個半透明水箱。試驗場地設在室外遮雨大棚中；試驗日期為7月7—26日。

試驗原水根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質量標準》地表Ⅴ類水的要求進行配置，碳源的引入由葡萄糖實現(xiàn)，投配一定比例的硝酸鈉、氯化銨以及磷酸二氫鉀。原水各指標為：TN濃度，4.12 mg/L；TP濃度，0.34 mg/L；NH3-N濃度，3.44 mg/L；CODCr，52.94 mg/L；DO濃度，8.14 mg/L。水槽及2個半透明水箱底部均勻鋪設5 cm的過篩細沙（篩子孔徑為5 mm），在水槽從槽首至槽尾均等位置設4個取樣點。

1.2黑藻的選擇

黑藻購自西安市某花卉市場，試驗前在自來水中“餓”3天，以使其能在凈化過程中吸收更多的污染物。選擇枝株大小均勻、長勢良好、生物量相當?shù)?4束黑藻放置水槽和水箱中，每束為10株黑藻，動水和靜水中黑藻的種植密度均設為1.875束/dm2。

1.3試驗工況

在4個半透明水箱中設置靜水組（砂子+黑藻）、黑藻組、砂子組和空白組4組靜水對照試驗；動水組水槽中流速為1.74 cm/s。水箱和水槽水位均設為24.5 cm。

1.4取樣與分析方法

試驗歷時20 d，分別在試驗開始的第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19天取樣，取樣時間約為09：30；試驗進行至第19天后，各指標濃度變幅較小，第20天進行了連續(xù)24 h取樣；共取樣11次。每次取樣完成后立即送入實驗室進行TN濃度、TP濃度、NH3-N濃度、CODCr、濁度和DO濃度測定。其中，TN濃度采用GB 11894—89堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；TP濃度采用GB 11893—89鉬酸銨分光光度法測定；NH3-N濃度采用HJ 535—2009納氏試劑分光光度法測定；CODCr采用GB 11914—89快速消解分光光度法測定［13］；濁度采用美國哈希便攜式濁度儀測定；DO濃度采用美國哈希便攜式溶解氧測定儀進行測定。

2　結果與分析

2.1水質變化情況

2.1.1NH3-N的去除

動水組和靜水組NH3-N去除率隨時間的變化如圖1所示。

圖1　動水組與靜水組NH3-N去除率變化Fig.1NH3-N removal rate change of moving water group and the still water group

從圖1可知，靜水組NH3-N去除率波動幅度較動水組大，并且在第10天出現(xiàn)較大幅度的下降，分析原因發(fā)現(xiàn)，在第10天是高溫天氣，靜水組水體溫度達到27.7℃，高溫可能導致一些微生物的硝化作用和反硝化作用強度降低；而動水組在該日并沒有出現(xiàn)NH3-N去除率大幅度的下降，原因是在動水條件下，雖然出現(xiàn)的高溫可能也會對硝化細菌和反硝化細菌造成影響，但動水組水體的復氧能力較強，因而與靜水組相比，能更好地進行硝化反應。試驗中后期，2組的去除率都呈增加趨勢，但靜水組對NH3-N的去除比動水組略高，原因可能是隨著試驗的進行，水體中硝化細菌等逐漸增多，能更好地進行硝化反硝化活動，但是在動水條件下對微生物附著不利，導致上述結果出現(xiàn)。整個試驗過程中動水組和靜水組對NH3-N去除效果均很好，NH3-N平均去除率分別達到92.03%和91.01%。

動水組和空白組對NH3-N的去除效果如圖2所示。從圖2可知，動水組對NH3-N的去除率大于空白組，且比空白組更加穩(wěn)定。

圖2　動水組與空白組NH3-N去除率變化Fig.2NH3-N removal rate change of the moving water group and the blank group

靜水組和黑藻組對NH3-N的去除效果如圖3所示。

圖3　靜水組與黑藻組NH3-N去除率變化Fig.3NH3-N removal rate change of the still water group and Hydrilla verticillata group

從圖3可知，靜水組與黑藻組對NH3-N去除率總體都呈上升趨勢，但前6天，靜水組NH3-N的去除率明顯高于黑藻組，分析原因是試驗開始時，靜水組水箱底部的砂子更容易成為微生物的附著質，能使硝化反應等更好進行。在第10天，靜水組因為高溫所致出現(xiàn)NH3-N去除率突然降低，而黑藻組中NH3-N的去除率雖然比第9天稍有降低，但幅度很小。在試驗中后期，靜水組與黑藻組對NH3-N的去除基本一致，靜水組略高。

2.1.2TP的去除

各試驗組對TP的去除效果如圖4所示。從圖4可知，動水組有明顯優(yōu)勢，TP平均去除率達83.08%；靜水組與砂子組相當，TP平均去除率分別達到71.44%和71.84%；空白組TP去除率在前6天上升較快，后期逐漸趨于穩(wěn)定；黑藻組在第18天TP去除率出現(xiàn)大幅降低。原因是水體對P的去除主要是通過水生植物的直接吸收、基質的吸附、微生物的同化吸收以及自然沉降、固結等來實現(xiàn)的［14-15］。黑藻組在第18天出現(xiàn)的TP去除率大幅度降低的原因可能是黑藻重新釋放磷所導致。

圖4　各試驗組TP去除率變化Fig.4TP removal rate of the experimental group comparison

2.1.3TN的去除

各試驗組對TN的去除效果如圖5所示。

圖5　各試驗組TN去除率變化Fig.5TN removal rate of the experimental group comparison

從圖5可知，各試驗組TN去除率的趨勢基本一致，即前8天呈緩慢上升趨勢，此后基本趨于穩(wěn)定。主要是因為水體對氮素的去除主要是通過微生物的氨化、硝化、反硝化等作用來完成，水生植物只是吸收一小部分的無機氮作為自身的營養(yǎng)物質［16］。TN去除率的緩慢上升，是因為開始時硝化細菌、反硝化細菌等還未成熟，慢慢成熟之后去除率穩(wěn)定在一定的范圍。試驗中，靜水組TN的去除率稍優(yōu)于動水組，分別為77.30%和76.10%。

2.1.4CODCr的去除

動水組和靜水組對CODCr的去除效果如圖6所示。從圖6可知，動水組CODCr去除率比較平穩(wěn)，而靜水組波動較大。動水組在第16天時，CODCr去除率出現(xiàn)了明顯的升高；靜水組在試驗中出現(xiàn)3次高峰。原因為污水中的CODCr去除主要是靠微生物對其中的有機物、營養(yǎng)鹽等進行代謝反應來實現(xiàn)的，而水生植物很難直接吸收CODCr［17］。動水組CODCr呈平穩(wěn)的狀態(tài)，主要是因為，動水條件能為水體中的微生物以及附著在黑藻上的一些微生物提供更好的好氧厭氧的微環(huán)境［18］，使其能更好地進行代謝活動。

圖6　動水組與靜水組CODCr去除率變化Fig.6CODCrremoval rate changeof moving water group and the still water group

各試驗組對CODCr的平均去除效果如圖7所示。從圖7可以看出，動水組CODCr平均去除率明顯高于其他試驗組，4組靜水試驗CODCr平均去除率依次表現(xiàn)為靜水組（66.43%）＞黑藻組（60.16%）＞砂子組（58.60%）＞空白組（55.33%）。在流速為1.74 cm/s的動水情況下，黑藻對CODCr的去除較其他靜水組有優(yōu)勢，說明在這種低流速的河道中，黑藻可以正常生長并且對有機物的去除有一定的貢獻作用。此外，空白組CODCr的去除率也達到55.33%，說明在整個試驗過程中水體的自凈能力較好。

圖7　各試驗組CODCr平均去除率變化Fig.7CODCraverage removal rate of the experimental group comparison

2.1.5濁度變化

各試驗組濁度變化如圖8所示。從圖8可知，靜水組濁度降幅明顯高于其他組。動水組在前4天濁度呈快速下降的趨勢，第4天之后出現(xiàn)緩慢升高，原因是因為試驗人工配置的開始時濁度很小，水體比較清澈，隨著試驗的進行，動水組在水體不斷流動的情況下，一些有機懸浮物、水體中細小顆粒等不容易沉降，只能依靠黑藻的吸附降解以及攔截等作用來實現(xiàn)濁度的降低，因此出現(xiàn)濁度緩慢升高。黑藻組和空白組出現(xiàn)濁度升高現(xiàn)象，原因是黑藻組僅依靠黑藻對有機懸浮物的攔截吸附來實現(xiàn)濁度的降低，沒有砂子作為微生物附著載體，可能沒有像靜水組中那么多的微生物來實現(xiàn)對懸浮有機物的生化降解；空白組只能依靠水體自然沉降，加之整個試驗在戶外進行，易受外界氣溫，風力擾動的影響，還有灰塵顆粒等飄入水體，因此濁度不降反升，而且變化不穩(wěn)定。

圖8　各試驗組濁度變化Fig.8Turbidity of the experimental group comparison

2.1.6DO濃度變化

各試驗組DO濃度變化如圖9所示。從圖9可以看出，動水組DO濃度比較穩(wěn)定，保持在7.45～8.23 mg/L；靜水組在前12天處于上升趨勢，試驗后期有所波動，分析原因是動水組的復氧能力更強，靜水組主要依賴黑藻的光合作用來實現(xiàn)水體的復氧，但是黑藻在進行光合作用的同時，水體中一部分微生物對有機質進行好氧分解［19-20］，當水體中微生物耗氧速度大于復氧速度時，出現(xiàn)DO濃度下降趨勢；黑藻組和砂子組趨勢基本一致；空白組變化較大，并在第10天出現(xiàn)DO濃度高于其他試驗組的情況，分析原因是空白組從第8天開始箱子底部及邊壁出現(xiàn)大量“綠膜”，及比較緊湊的棒狀絮體，而且第10天出現(xiàn)高溫天氣所致。

2.1.7生物量的變化

試驗共用24束黑藻，試驗前生物量為1 050 g。歷時20 d試驗結束時，黑藻生物量為1 589 g，生物量增加539 g。另外還發(fā)現(xiàn)，試驗結束時水槽中黑藻（動水組）平均生物量大于4組靜水組，說明相比較靜水條件，黑藻在流速較小的水體中長勢更好。

圖9　各試驗組DO濃度變化Fig.9DO density change of the experimental group comparison

2.1.8水質凈化情況

動水組試驗前后水質凈化情況如表1所示。從表1可以看出，試驗結束后，各水質指標都有大幅度降低，其中CODCr、NH3-N濃度達到地表Ⅰ類標準限值。根據(jù)“木桶短板效應”，試驗結束后可將原地表Ⅴ類水凈化為Ⅲ類水。

表1　動水組試驗前后各指標濃度對比Table 1The comparison of Indices before and after experimentmg/L

3　結論

（1）利用黑藻模擬凈化城市河道水質的試驗表明，在低流速的動水情況下，黑藻長勢良好，且對受污染水質凈化效果較好，試驗結束后可將原地表Ⅴ類水凈化為Ⅲ類。

（2）動水組NH3-N、TP和CODCr的平均去除率達92.03%、83.08%和74.04%，DO濃度在整個試驗過程中比較穩(wěn)定，保持在7.45～8.23 mg/L，因此，利用黑藻可以修復較低流速的受污染河道。另外，黑藻還是魚蝦、河蟹等喜歡的食物，也是良好的觀賞性沉水植物，但黑藻繁殖速度較快，尤其在磷酸鹽和硝酸鹽較豐富的水體中，因此要注意其過量繁殖，以免引起其他災害。

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Simulation Test of Purification Effect of Hydrilla verticillata in Urban Rivers

SHAO Xia-zhen1，GUO Si-yan1，WANG Ying2
1.Gansu Institute of Land Resources Planning and Research，Lanzhou 730000，China2.Institute of Water Resources and Hydro-electric Engineering，Xi＇an University of Technology，Xi＇an 710048，China

The purification effect of Hydrilla verticillata for urban river water was simulated.The results showed that compared with the still water condition，under the moving water condition with water flow of 1.74 cm/s，Hydrilla verticillata had the superiority in purification of NH3-N，TP and CODCr，with the average removal rate of 92.03%，83.08%and 74.04%，respectively.After the experiment，the original surface water was purified from Classification V to Classification III，according to the Environmental Quality Standards for Surface Water（GB 3838-2002）.The biomass of Hydrilla verticillata of the moving water group was greater than that of the still water group，demonstrating that the Hydrilla verticillata grew better under low water-flow condition and had better purification effect，compared with the still water condition.

Hydrilla verticillata；urban river；nitrogen and phosphorus；removal rate

X522

1674-991X（2015）02-0149-06doi：10.3969/j.issn.1674-991X.2015.02.022

2014-10-27

邵霞珍（1986—），女，碩士，主要從事水環(huán)境生態(tài)修復研究，shaoxiazhen@163.com